JP5594017B2 - Hydrogen separation method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、水素分離膜を用いた水素分離方法及び装置に係り、特にV(バナジウム)合金よりなる水素分離膜を用いた水素分離方法及び装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen separation method and apparatus using a hydrogen separation membrane, and more particularly to a hydrogen separation method and apparatus using a hydrogen separation membrane made of a V (vanadium) alloy.

水素含有ガスから水素を選択的に透過して分離する水素分離膜としてPd系合金膜がある。しかし、Pd系合金の水素分離膜では、Y、Gdなどの性能向上効果の大きい希土類系元素を添加した場合でも水素分離性能は2〜3倍しか向上せず、またPd自体が貴金属であるためコスト高になるという欠点がある。   There is a Pd-based alloy membrane as a hydrogen separation membrane that selectively permeates and separates hydrogen from a hydrogen-containing gas. However, in the case of a hydrogen separation membrane of a Pd-based alloy, even when rare earth elements having a large performance improvement effect such as Y and Gd are added, the hydrogen separation performance is improved only 2 to 3 times, and Pd itself is a noble metal. There is a disadvantage of high costs.

Pd系合金膜に代わるものとして、Nb、Vや、その合金よりなる膜が知られている。Nb、Vなどの5A族金属は、Pd系水素透過合金と比べて、高い水素透過能を有していると共に、安価である。このNb、V又はその合金は、その高い水素固溶量のために水素脆化が起こり易いので、高い水素透過速度と耐水素脆性の両立が可能な水素分離膜について種々の研究がなされている。   As a substitute for the Pd-based alloy film, a film made of Nb, V or an alloy thereof is known. Group 5A metals such as Nb and V have high hydrogen permeability and are inexpensive compared to Pd-based hydrogen-permeable alloys. Since this Nb, V or an alloy thereof is susceptible to hydrogen embrittlement due to its high hydrogen solid solution amount, various studies have been made on hydrogen separation membranes capable of achieving both high hydrogen permeation rate and hydrogen embrittlement resistance. .

特開2006−722には、Nb、Ta及びVの少なくとも1種とCu40〜60at%とからなる水素分離膜が記載されており、その実施例5には、V−54at%Cuよりなる5.2μm厚の膜本体と、該膜本体の表面に形成された厚さ0.05μmのPd層とを備え、透過水素流量が3.5sccmである水素分離膜が記載されている(第0046段落の表1)。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-722 describes a hydrogen separation membrane composed of at least one of Nb, Ta and V and Cu of 40 to 60 at%. In Example 5, the hydrogen separation membrane is composed of V-54 at% Cu. A hydrogen separation membrane having a membrane body having a thickness of 2 μm and a Pd layer having a thickness of 0.05 μm formed on the surface of the membrane body and having a permeated hydrogen flow rate of 3.5 sccm is described (paragraph 0046). Table 1).

特開2008−55295には、Vに対しCr、Fe、Ni又はCoを添加し、また必要に応じさらにAl、Sc、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Ta、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb又はLuを添加したV合金よりなる水素分離膜が記載されている。同号公報の図2には、Al、Sc、Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Y、Zr、Nb、Mo又はTaを6〜25at%添加することが記載されている。   In JP-A-2008-55295, Cr, Fe, Ni or Co is added to V, and if necessary, Al, Sc, Ti, Y, Zr, Nb, Mo, Ta, La, Ce, Pr, Nd , Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb or a hydrogen separation membrane made of a V alloy to which Lu is added is described. In FIG. 2 of the publication, it is described that 6 to 25 at% of Al, Sc, Ti, Cr, Fe, Co, Ni, Y, Zr, Nb, Mo, or Ta is added.

しかしながら、同号公報には、この合金膜の水素透過特性については一切記載がない。   However, this publication does not describe any hydrogen permeation characteristics of this alloy film.

特開2006−35063及び特開2007−44593にも、V合金よりなる水素分離膜が記載されているが、具体的な合金組成については記載されていない。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-35063 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-44593 describe a hydrogen separation membrane made of a V alloy, but do not describe a specific alloy composition.

特開2006−722JP 2006-722 特開2008−55295JP 2008-55295 A 特開2006−35063JP 2006-35063 A 特開2007−44593JP2007-44593

本発明は、水素透過速度が大きく、耐水素脆性にも優れた水素分離膜を用い、大気圧以上の水素分圧を有した水素含有ガスからも水素を分離することができる水素分離方法及び装置を提供することを目的とする。   The present invention uses a hydrogen separation membrane having a high hydrogen permeation rate and excellent hydrogen embrittlement resistance, and a hydrogen separation method and apparatus capable of separating hydrogen from a hydrogen-containing gas having a hydrogen partial pressure of atmospheric pressure or higher The purpose is to provide.

本発明(請求項1)の水素分離膜装置は、1次室に水素含有ガスを供給し、水素分離膜を透過した水素を2次室から取り出す水素分離装置において、該水素分離膜がW及びMoを含有するV合金よりなり、該V合金がW0.1〜15モル%、Mo0.1〜15モル%、残部Vよりなることを特徴とするものである。 The hydrogen separation membrane apparatus of the present invention (Claim 1) is a hydrogen separation apparatus that supplies a hydrogen-containing gas to a primary chamber and extracts hydrogen that has permeated through the hydrogen separation membrane from the secondary chamber. made of V alloys containing Mo, the V alloy W 0.1 to 15 mol%, Mo0.1~15 mol%, and is characterized in that it consists of the balance V.

本発明(請求項)の水素分離方法は、請求項1に記載の水素分離装置を用い、400〜550℃の温度で水素含有ガスから水素を分離するものである。 The hydrogen separation method of the present invention (Claim 2 ) uses the hydrogen separator according to Claim 1 to separate hydrogen from a hydrogen-containing gas at a temperature of 400 to 550 ° C.

請求項の水素分離方法は、請求項において、水素分圧が1気圧以上の水素含有ガスを1次室に供給することを特徴とするものである。 According to a third aspect of the present invention, the hydrogen separation method according to the second aspect is characterized in that a hydrogen-containing gas having a hydrogen partial pressure of 1 atm or more is supplied to the primary chamber.

請求項の水素分離方法は、請求項において、2次室を1気圧未満に減圧することを特徴とするものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the hydrogen separation method according to the third aspect is characterized in that the secondary chamber is depressurized to less than 1 atm.

本発明の水素分離方法及び装置で用いる水素分離膜は、水素透過速度が大きく、また、耐水素脆性にも優れる。本発明方法及び装置では、1次室に水素分圧が1気圧以上の水素含有ガスを供給することにより、高効率にて水素を分離することができる。本発明で用いる水素分離膜は、非Pd系合金よりなるものであり、素材コストが低いので、水素分離コストを低くすることができる。   The hydrogen separation membrane used in the hydrogen separation method and apparatus of the present invention has a high hydrogen permeation rate and excellent resistance to hydrogen embrittlement. In the method and apparatus of the present invention, hydrogen can be separated with high efficiency by supplying a hydrogen-containing gas having a hydrogen partial pressure of 1 atm or more to the primary chamber. The hydrogen separation membrane used in the present invention is made of a non-Pd-based alloy and has a low material cost, so that the hydrogen separation cost can be reduced.

V−W−Mo系水素分離膜のPCT曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the PCT curve of a VW-Mo type | system | group hydrogen separation membrane. V−W系水素分離膜のPCT曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the PCT curve of a VW type | system | group hydrogen separation membrane. 水素透過試験用モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the module for hydrogen permeation tests. 水素透過試験用モジュールを電気炉にセットした形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the form which set the module for hydrogen permeation tests to the electric furnace. スモールパンチ試験装置の断面図である。It is sectional drawing of a small punch test apparatus. 図5の一部の拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view of a part of FIG. 5. スモールパンチ試験結果を示すグラフである。It is a graph which shows a small punch test result. 水素分離装置のフロー図である。It is a flowchart of a hydrogen separator.

本発明で用いる水素分離膜は、W及びMoを含有するV合金よりなるものであり、好ましくはW30モル%以下、特に0.1〜30モル%とりわけ0.1〜15モル%、Mo30モル%以下、特に0.1〜30モル%とりわけ0.1〜15モル%、残部Vよりなるものである。   The hydrogen separation membrane used in the present invention is made of a V alloy containing W and Mo, preferably W 30 mol% or less, particularly 0.1 to 30 mol%, particularly 0.1 to 15 mol%, Mo 30 mol%. In particular, it is composed of 0.1 to 30 mol%, particularly 0.1 to 15 mol%, and the balance V.

前述の通り、Vよりなる水素分離膜は、広く用いられているPd又はPd合金よりなる水素分離膜に比べて水素透過速度が大きいが、耐水素脆性が低い。VにW及びMoを添加することにより、高い水素透過速度を保ちつつ、耐水素脆性が改善される。   As described above, a hydrogen separation membrane made of V has a higher hydrogen permeation rate than a widely used hydrogen separation membrane made of Pd or a Pd alloy, but has a low hydrogen embrittlement resistance. By adding W and Mo to V, hydrogen embrittlement resistance is improved while maintaining a high hydrogen permeation rate.

本発明で用いる水素分離膜は、上記組成の合金を溶製して得、これを好ましくは厚さ1〜500μm特に好ましくは10〜50μmに圧延して製造することができる。なお、圧延以外の手段を採用してもよい。また、本発明の水素分離膜は、スパッタリング、CVD、めっきなどの成膜方法によって通気性の支持材料の表面に厚さ1〜500μm、特に1〜20μm程度に形成されたものであってもよい。   The hydrogen separation membrane used in the present invention is obtained by melting an alloy having the above composition, and can be produced by rolling it to a thickness of preferably 1 to 500 μm, particularly preferably 10 to 50 μm. In addition, you may employ | adopt means other than rolling. In addition, the hydrogen separation membrane of the present invention may be formed on the surface of the air-permeable support material by a film formation method such as sputtering, CVD, or plating to a thickness of 1 to 500 μm, particularly about 1 to 20 μm. .

なお、VやV合金それ自体には、水素分子の乖離、結合反応に対する触媒活性が無いため、V合金膜の両面(プロセス側、透過側の両面)にPd又はPd合金よりなる表面触媒層(被覆金属層)を形成する必要がある。被覆金属層としては、純Pd又はPd合金が好適である。Pd合金としては、Ag、Cu、Auの少なくとも1種を50wt%以下例えば20〜40wt%程度含むものが好適であり、特にAg含有量が30wt%以下(とりわけ10〜30wt%)のPd−Ag合金又は純Pdが好適である。被覆金属層の厚さは0.01〜3μm特に0.1〜1μm程度が好適である。この被覆金属層は、スパッタリング、CVD、クラッド法などによって形成することができる。   Since V and V alloy itself do not have catalytic activity for hydrogen molecule detachment and bonding reaction, a surface catalyst layer made of Pd or Pd alloy (both on the process side and on the permeate side) is made of Pd or Pd alloy. It is necessary to form a coating metal layer. As the covering metal layer, pure Pd or Pd alloy is suitable. As the Pd alloy, an alloy containing at least one of Ag, Cu, and Au in an amount of 50 wt% or less, for example, about 20 to 40 wt% is preferable. In particular, Pd—Ag having an Ag content of 30 wt% or less (particularly 10 to 30 wt%). An alloy or pure Pd is preferred. The thickness of the coating metal layer is preferably about 0.01 to 3 μm, particularly about 0.1 to 1 μm. This covering metal layer can be formed by sputtering, CVD, a cladding method, or the like.

このような被覆金属層を有した水素分離膜では、V合金よりなるベース金属層と被覆金属層との間の相互拡散や、被覆金属層を透過してくる酸素によるベース金属層の合金成分(以下、母体合金成分ということがある。)の酸化は、水素分離膜の水素透過性能及び耐久性を低下させる。また、母体合金成分やその酸化物が被覆金属層内を拡散してその表面に到達し、水素分子の乖離、結合反応を阻害することも考えられる。このようなことから、金属の相互拡散防止、酸素の拡散防止のための中間層をベース金属層と被覆金属層との間に設けてもよい。   In the hydrogen separation membrane having such a coating metal layer, mutual diffusion between the base metal layer made of the V alloy and the coating metal layer, and alloy components of the base metal layer by oxygen permeating the coating metal layer ( Hereinafter, the oxidation of the parent alloy component)) reduces the hydrogen permeation performance and durability of the hydrogen separation membrane. It is also conceivable that the base alloy component or its oxide diffuses in the coated metal layer and reaches the surface, thereby inhibiting the dissociation of hydrogen molecules and the binding reaction. For this reason, an intermediate layer for preventing mutual diffusion of metals and preventing diffusion of oxygen may be provided between the base metal layer and the covering metal layer.

水素分離膜を備えた水素製造装置としては、水素分離膜がハウジング、ケーシング又はベッセル等と称される容器内に設置され、水素分離膜で隔てられた1次室と2次室とを有し、必要に応じさらに加熱手段を有するものであれば、特にその構成は限定されない。膜の形態としても、平膜型、円筒型などのいずれの形態であってもよい。水素分離膜は、多孔質の支持体や表面に溝を設けた支持板の上に重ね合わされてもよく、多孔質体の表面に成膜されたものであってもよい。多孔質体としては、金属材、セラミック材などのいずれでもよい。   As a hydrogen production apparatus equipped with a hydrogen separation membrane, the hydrogen separation membrane is installed in a container called a housing, casing, vessel or the like, and has a primary chamber and a secondary chamber separated by a hydrogen separation membrane. The structure is not particularly limited as long as it further has heating means as required. The form of the film may be any form such as a flat film type and a cylindrical type. The hydrogen separation membrane may be superimposed on a porous support or a support plate having a groove on the surface, or may be formed on the surface of the porous body. As a porous body, any of a metal material, a ceramic material, etc. may be sufficient.

本発明において採用することができる水素製造装置の構成例を第8図(a),(b),(c)に示すが、本発明装置はこれらに限定されない。   Examples of the configuration of a hydrogen production apparatus that can be employed in the present invention are shown in FIGS. 8 (a), (b), and (c), but the present invention apparatus is not limited to these.

第8図(a)では、炭化水素等の原料ガスを圧縮機61で圧縮して水素分離型改質器62に供給する。この水素分離型改質器62は、水素改質触媒と水素分離膜とを備えている。この水素分離型改質器62には、ボイラ64からスチームが供給されると共に、燃焼器63によって熱が与えられ、改質と水素分離とが行われる。水素分離型改質器62からの水素は熱交換器65を介して取り出される。オフガスは、熱交換器66で熱回収された後、圧力調整弁69を介して燃焼器63へ供給される。燃焼器63及びボイラ64の燃焼排ガスからもそれぞれ熱が熱交換器67,68で回収される。熱交換器65〜68で回収された熱により、ボイラ64への給水や燃焼用空気、燃料などの加熱が行われる。   In FIG. 8A, a raw material gas such as hydrocarbon is compressed by the compressor 61 and supplied to the hydrogen separation reformer 62. The hydrogen separation type reformer 62 includes a hydrogen reforming catalyst and a hydrogen separation membrane. Steam is supplied from the boiler 64 to the hydrogen separation type reformer 62 and heat is given by the combustor 63 to perform reforming and hydrogen separation. Hydrogen from the hydrogen separation reformer 62 is taken out via a heat exchanger 65. The off-gas is recovered by the heat exchanger 66 and then supplied to the combustor 63 via the pressure regulating valve 69. Heat is also recovered by the heat exchangers 67 and 68 from the combustion exhaust gas of the combustor 63 and the boiler 64, respectively. Heat supplied to the boiler 64, combustion air, fuel, and the like is performed by the heat recovered by the heat exchangers 65-68.

第8図(b)では、水素ガスを含んだ水素含有ガスが水素分離器71に供給され、この水素分離器71が燃焼器72によって加熱される。分離された水素は熱交換器73を介して取り出される。オフガスは熱交換器74を介して取り出され、必要に応じ、その一部又は全量が圧力調整弁76を介して燃焼器72に供給される。燃焼排ガスの熱は熱交換器75で回収される。回収された熱により、燃焼器72への燃料ガスや空気が加熱される。   In FIG. 8B, a hydrogen-containing gas containing hydrogen gas is supplied to the hydrogen separator 71, and the hydrogen separator 71 is heated by the combustor 72. The separated hydrogen is taken out via the heat exchanger 73. The off-gas is taken out through the heat exchanger 74, and a part or all of the off-gas is supplied to the combustor 72 through the pressure regulating valve 76 as necessary. The heat of the combustion exhaust gas is recovered by the heat exchanger 75. The fuel gas and air to the combustor 72 are heated by the recovered heat.

第8図(b)では燃焼器72を用いているが、高温廃熱を発生させる熱源が存在する場合には、第8図(c)のように、この高温廃熱を加熱器77に導き、水素分離器71を加熱するようにしてもよい。   Although the combustor 72 is used in FIG. 8 (b), when there is a heat source that generates high-temperature waste heat, this high-temperature waste heat is guided to the heater 77 as shown in FIG. 8 (c). The hydrogen separator 71 may be heated.

本発明の水素製造装置の1次室に供給される原料ガス(水素含有ガス)としては、水素を含むものであればよく、炭化水素の水蒸気改質ガス、燃料電池の燃料オフガス、水素を含むバイオガス、バイオマスガス化炉からの発生ガスなどが例示されるが、これに限定されない。   The source gas (hydrogen-containing gas) supplied to the primary chamber of the hydrogen production apparatus of the present invention may be any gas that contains hydrogen, including hydrocarbon steam reformed gas, fuel cell fuel off-gas, and hydrogen. Examples include biogas and gas generated from a biomass gasification furnace, but are not limited thereto.

装置の運転温度(具体的には1次側のガス温度)は、膜の組成にもよるが、通常は300〜600℃特に400〜550℃程度とされる。   The operating temperature of the device (specifically, the gas temperature on the primary side) is usually about 300 to 600 ° C., particularly about 400 to 550 ° C., although it depends on the composition of the film.

本発明では、後述の実施例でも確認されている通り、1次室における水素分圧が1気圧以上例えば500℃で1〜6気圧、450℃で1〜3気圧となるように原料ガスを1次室に供給し、高効率にて水素分離を行うことができる。2次室の圧力は1気圧以下特に0.1気圧以下であることが好ましい。   In the present invention, as confirmed in the examples described later, the raw material gas is 1 so that the hydrogen partial pressure in the primary chamber is 1 atm or more, for example, 1 to 6 atm at 500 ° C. and 1 to 3 atm at 450 ° C. Hydrogen can be separated with high efficiency by supplying it to the next chamber. The pressure in the secondary chamber is preferably 1 atm or less, particularly 0.1 atm or less.

以下、実施例及び比較例について説明する。   Hereinafter, examples and comparative examples will be described.

〔実施例1〕
V90モル%、W5モル%及びMo5モル%なる組成の合金溶湯からインゴットを得、これを圧延して厚さ500μm、直径12mmのV−5W−5Mo水素分離膜を製造した。
次いでスパッタリングによりPdよりなる厚さ200nmの被覆金属層を両面に形成して水素分離膜とした。この水素分離膜を第3図に示す試験用モジュール41にセットして水素透過速度を測定した。
[Example 1]
An ingot was obtained from a molten alloy having a composition of V90 mol%, W5 mol% and Mo5 mol%, and this was rolled to produce a V-5W-5Mo hydrogen separation membrane having a thickness of 500 μm and a diameter of 12 mm.
Subsequently, a coating metal layer made of Pd and having a thickness of 200 nm was formed on both surfaces by sputtering to form a hydrogen separation membrane. This hydrogen separation membrane was set in the test module 41 shown in FIG. 3, and the hydrogen permeation rate was measured.

この水素透過試験用モジュール41は、ガス導入管42の後端面とガス取出管46の前端面との間にガスケット43,45を介して水素分離膜44を配置したものである。導入管42にはナット47が外嵌しており、取出管46の先端のフランジ部46aにはキャップナット48が係合している。   In this hydrogen permeation test module 41, a hydrogen separation membrane 44 is disposed between the rear end face of the gas introduction pipe 42 and the front end face of the gas extraction pipe 46 via gaskets 43 and 45. A nut 47 is fitted on the introduction pipe 42, and a cap nut 48 is engaged with a flange portion 46 a at the tip of the extraction pipe 46.

該キャップナット48を導入管42側に延出させ、その内周面の雌ねじに対しナット47の外周面の雄ねじを螺合させる。ナット47の先端が導入管42の後端のフランジ部42aに当接することにより、キャップナット48を介して取出管46が導入管42側に引き付けられ、導入管42の後端面と取出管46の前端面との間でガスケット43,45を介して水素分離膜44が挟圧される。   The cap nut 48 is extended to the introduction tube 42 side, and the male screw on the outer peripheral surface of the nut 47 is screwed into the female screw on the inner peripheral surface. The leading end of the nut 47 abuts on the flange portion 42 a at the rear end of the introduction pipe 42, whereby the extraction pipe 46 is attracted to the introduction pipe 42 via the cap nut 48, and the rear end surface of the introduction pipe 42 and the extraction pipe 46 are connected. A hydrogen separation membrane 44 is sandwiched between the front end surface via gaskets 43 and 45.

ガスケット43,45は、同一大きさの円環状であり、その内孔の面積が水素分離膜44の膜透過面積Aとなる。キャップナット48には、ガスのリークテスト用の小孔48aが設けられている。   The gaskets 43 and 45 have an annular shape of the same size, and the area of the inner hole is the membrane permeation area A of the hydrogen separation membrane 44. The cap nut 48 is provided with a small hole 48a for a gas leak test.

ガスケットの内孔は5.6mmであるが、VCRで締め付けられた場合のガスケットと膜試料との接触部の直径は7.1mmであり、有効膜透過面積Aは39.6mm(3.96×10−5)である。 Although the inner hole of the gasket is 5.6 mm, the diameter of the contact portion between the gasket and the membrane sample when tightened with a VCR is 7.1 mm, and the effective membrane permeation area A is 39.6 mm 2 (3.96). × 10 −5 m 2 ).

この水素透過試験用モジュール41を第4図の通り電気炉50内に設置し、導入管42に原料ガスを供給し、取出管46から水素ガスが取り出す。   This hydrogen permeation test module 41 is installed in the electric furnace 50 as shown in FIG. 4, the raw material gas is supplied to the introduction pipe 42, and the hydrogen gas is taken out from the extraction pipe 46.

導入管42のガス圧Pを0.6MPa又は0.3MPaとし、取出管46内のガス圧Pを0.01MPa又は0.1MPaとした。 The gas pressure P 1 of the introduction tube 42 and 0.6MPa or 0.3 MPa, the gas pressure P 2 of the take-out pipe 46 was 0.01MPa or 0.1 MPa.

原料ガスとしては、純度99.99999%以上の高純度水素を用いた。水素分離膜44を透過した水素ガスは回収容器(図示略)に回収した。   As the source gas, high purity hydrogen having a purity of 99.99999% or more was used. The hydrogen gas that permeated the hydrogen separation membrane 44 was recovered in a recovery container (not shown).

電気炉50の温度を500℃として運転を行った。水素透過速度Jと厚さdとの積J・dを表1に示す。ここで、J・d値は、1秒間(単位時間)に、1m(単位面積)×1m(単位厚さ)の膜を透過する水素原子のモル数である。 The electric furnace 50 was operated at a temperature of 500 ° C. Table 1 shows the product J · d of the hydrogen permeation rate J and the thickness d. Here, the J · d value is the number of moles of hydrogen atoms that permeate the film of 1 m 2 (unit area) × 1 m (unit thickness) in 1 second (unit time).

なお、後述の通り、このV−W−Mo合金の母材である純V膜について水素脆化評価のための強度試験を行ったところ、固溶水素量H/M(合金元素の金属原子1個当りに固溶する水素原子の数)が0.22までは延性(または靭性)を有していることが認められた。   As will be described later, when a strength test for hydrogen embrittlement evaluation was performed on a pure V film which is a base material of this VW-Mo alloy, the amount of dissolved hydrogen H / M (metal atom 1 of the alloy element) It was confirmed that the number of hydrogen atoms dissolved per unit) was ductile (or tough) up to 0.22.

〔比較例1〕
水素分離膜を表1に示す組成のV−5W合金膜としたこと以外は実施例1と同様にして、水素透過速度を測定した。結果(J・d値)を表1に示す。
[Comparative Example 1]
The hydrogen permeation rate was measured in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen separation membrane was a V-5W alloy membrane having the composition shown in Table 1. The results (J · d value) are shown in Table 1.

〔比較例2〕
水素分離膜をPd−26Ag膜とし、P=0.26MPa,P=0.06MPaとしたこと以外は実施例1と同様にして、水素透過速度を測定した。その結果、J・d値は11×10−6molH・m−1・s−1であった。
[Comparative Example 2]
The hydrogen permeation rate was measured in the same manner as in Example 1 except that the hydrogen separation membrane was a Pd-26Ag membrane, and P 1 = 0.26 MPa and P 2 = 0.06 MPa. As a result, the J · d value was 11 × 10 −6 molH · m −1 · s −1 .

Figure 0005594017
Figure 0005594017

[PCT特性の測定]
V−5W−5Mo合金よりなる水素分離膜と、V−5W合金膜よりなる水素分離膜と、純V金属よりなる水素分離膜とについてPCT曲線を求めた。
[Measurement of PCT characteristics]
PCT curves were obtained for a hydrogen separation membrane made of a V-5W-5Mo alloy, a hydrogen separation membrane made of a V-5W alloy membrane, and a hydrogen separation membrane made of pure V metal.

即ち、温度Tを673K(400℃)、723K(450℃)又は773K(500℃)とし、水素ガス圧力を10−3MPa〜6MPaの間で種々変えたときの上記合金又は純V金属への水素固溶量(水素吸蔵量)CをPCT測定装置で測定した。なお、純VについてはT=673Kのみにて測定した。結果を第1,2図に示す。 That is, when the temperature T is 673 K (400 ° C.), 723 K (450 ° C.) or 773 K (500 ° C.) and the hydrogen gas pressure is variously changed between 10 −3 MPa to 6 MPa, the above alloy or pure V metal The hydrogen solid solution amount (hydrogen storage amount) C was measured with a PCT measuring device. Note that pure V was measured only at T = 673K. The results are shown in FIGS.

ここで、PCT測定装置は、JIS H 7201(2007)に従ったものであり、ある温度Tにおいて、物質が水素を吸蔵、放出するときの特性(圧力P、水素吸蔵量C)を測定する装置である。第1,2図における固溶水素量Cは水素吸蔵量Cに相当している。   Here, the PCT measurement device is in accordance with JIS H 7201 (2007), and measures characteristics (pressure P, hydrogen storage amount C) when a substance absorbs and releases hydrogen at a certain temperature T. It is. The solid solution hydrogen amount C in FIGS. 1 and 2 corresponds to the hydrogen storage amount C.

水素固溶量の単位H/Mは、金属原子1個当たりの固溶(吸蔵)水素原子の数を示している。   The unit H / M of the hydrogen solid solution amount indicates the number of solid solution (occlusion) hydrogen atoms per metal atom.

[耐水素脆性の測定]
水素分離膜がどのような耐水素脆性をもつのかを確かめるには、その前提として、水素分離膜としての使用温度範囲における、一次側と二次側が同じ水素圧力である水素雰囲気中において、また水素透過中、すなわち一次側の水素圧力が二次側の水素圧力より大きい水素雰囲気中において、水素分離膜の水素脆性等の機械的性質をその場で定量的に測定、評価できる試験装置が必要である。
[Measurement of hydrogen embrittlement resistance]
In order to ascertain the hydrogen embrittlement resistance of the hydrogen separation membrane, the premise is that in the operating temperature range of the hydrogen separation membrane, in a hydrogen atmosphere where the primary and secondary sides have the same hydrogen pressure, It is necessary to have a test device that can measure and evaluate the mechanical properties such as hydrogen embrittlement of the hydrogen separation membrane quantitatively on the spot during permeation, that is, in a hydrogen atmosphere where the primary hydrogen pressure is greater than the secondary hydrogen pressure. is there.

そこで、本発明者らは、水素透過用合金膜の水素脆性等の機械的性質をその場で測定できる、第5,6図に示すスモールパンチ試験装置を開発し、当該スモールパンチ試験装置を用いて水素分離膜の水素脆性とその他の特性を定量的に測定し、評価した。   Accordingly, the present inventors have developed a small punch test apparatus shown in FIGS. 5 and 6 that can measure the mechanical properties such as hydrogen embrittlement of the hydrogen permeable alloy film on the spot, and use the small punch test apparatus. The hydrogen embrittlement and other characteristics of the hydrogen separation membrane were quantitatively measured and evaluated.

このスモールパンチ試験装置を使用することにより、V−W−Mo合金の母材である純Vなどの材料について、その使用温度範囲において、対応するPCT(圧力−固溶水素量−温度)曲線に基づいた固溶水素量と変形、破壊形態との関係を求め、耐水素脆性についての限界固溶水素量を評価することができる。   By using this small punch test apparatus, a material such as pure V, which is the base material of the VW-Mo alloy, has a corresponding PCT (pressure-solid hydrogen content-temperature) curve in its operating temperature range. Based on the relationship between the amount of dissolved hydrogen based on the deformation and the form of fracture, the critical amount of dissolved hydrogen can be evaluated for hydrogen embrittlement resistance.

スモールパンチ試験装置の構造と、その操作法について、第5,6図を参照して説明する。第5,6図はスモールパンチ試験装置の構造を説明する図であり、第5図は縦断面図、第6図は第5図中のコア部分を拡大して示した図である。このスモールパンチ試験装置は全体としては円筒状である。   The structure of the small punch test apparatus and its operating method will be described with reference to FIGS. FIGS. 5 and 6 are views for explaining the structure of the small punch test apparatus, FIG. 5 is a longitudinal sectional view, and FIG. 6 is an enlarged view of the core portion in FIG. The small punch test apparatus is generally cylindrical.

第5図において、1は支持部材である。支持部材1は支持台とも言えるが、本明細書では支持部材と称している。支持部材1は縦断面が2段の凸状(2個のフランジを有する)を備えて構成され、その中央部に円筒状の空隙を有している。2は支持部材1に設けた導入水素貯留部、3は導入水素貯留部2から後述一次側水素雰囲気Yに連通する導管、5は支持部材1に設けた導出水素貯留部、4は後述二次側水素雰囲気Zから導出水素貯留部5に連通する導管である。   In FIG. 5, reference numeral 1 denotes a support member. Although it can be said that the support member 1 is a support base, it is referred to as a support member in this specification. The support member 1 is configured to have a two-stage convex shape (having two flanges) in the longitudinal section, and has a cylindrical gap at the center thereof. 2 is an introduction hydrogen storage section provided in the support member 1, 3 is a conduit communicating from the introduction hydrogen storage section 2 to a primary hydrogen atmosphere Y described later, 5 is a lead hydrogen storage section provided in the support member 1, and 4 is a secondary storage described later. This is a conduit communicating from the side hydrogen atmosphere Z to the derived hydrogen reservoir 5.

導入水素貯留部2は、弁Vを備える導入水素貯留部2への水素供給用の導管に連通し、導出水素貯留部5は、弁Vを備える当該導出水素貯留部5からの水素排出用の導管に連通している。 Introducing hydrogen reservoir 2 communicates with the conduit for supplying hydrogen to the introduction of hydrogen reservoir 2 comprises a valve V 1, deriving hydrogen reservoir 5 is hydrogen discharged from the outlet hydrogen reservoir 5 having the valve V 2 Communicating with a conduit for use.

支持部材1における2段の凸状(2個のフランジを有する)のうち、1段目(図中、下の方)の凸状の外周には蛇腹(bellows)9の下端部を固定するフランジ部材(以下、固定部材と略称する。)6が配置されている。固定部材6はボルト7により支持部材1のフランジに固定され、固定部材6とフランジとの間はガスケット(銅製)8により気密シールされている。   The flange which fixes the lower end part of bellows 9 to the convex outer periphery of the 1st step (lower side in a figure) among the 2 steps | paragraphs of convex shape (it has two flanges) in the supporting member 1 A member (hereinafter abbreviated as a fixed member) 6 is disposed. The fixing member 6 is fixed to the flange of the support member 1 with bolts 7, and the gasket (copper) 8 is hermetically sealed between the fixing member 6 and the flange.

12は支持部材1と相対する上部位置に置かれた上下動可能な上蓋部材である。上蓋部材12は縦断面が2段の逆凸状(2個のフランジを有する)に構成されている。上蓋部材12における2段の逆凸状のうち、1段目(図中、上の方)の逆凸状の外周には蛇腹9の上端部を固定するフランジ部材10が配置されている。固定部材10はボルト(図示は省略している。)により上蓋部材12のフランジに固定され、固定部材10と上蓋部材12のフランジとの間はガスケット(銅製)11により気密シールされている。   Reference numeral 12 denotes an upper lid member which is placed at an upper position facing the support member 1 and can be moved up and down. The upper lid member 12 is configured to have an inverted convex shape (having two flanges) having a vertical section of two steps. A flange member 10 for fixing the upper end portion of the bellows 9 is disposed on the outer periphery of the first step (upward in the drawing) of the two steps of the reverse convex shape of the upper lid member 12. The fixing member 10 is fixed to the flange of the upper lid member 12 by bolts (not shown), and the gasket (copper) 11 is hermetically sealed between the fixing member 10 and the flange of the upper lid member 12.

13は上蓋部材12を上下に移動させるスライディングシャフト(滑動軸)であり、その下端が支持部材1に固定されている。16はロードセルに接続された、上部から圧力を加える圧縮ロッドである。後述膜試料20をセットした後、上蓋部材12をスライディングシャフト13を介して下方に移動することにより、後述パンチャー24も下方へ移動し、後述膜試料20に所定の荷重(押圧力)を加えることができる。なお、14は閉空間Y内の圧力上昇時に上蓋部材12の脱落を防ぐためのロックナット(袋ナット)であり、13のスライディングシャフトに沿って15のスライドブッシュを介して上蓋部材12が下方に移動できる。   Reference numeral 13 denotes a sliding shaft (sliding shaft) for moving the upper lid member 12 up and down, and its lower end is fixed to the support member 1. A compression rod 16 is connected to the load cell and applies pressure from above. After setting the membrane sample 20 to be described later, the upper lid member 12 is moved downward via the sliding shaft 13 so that the puncher 24 is also moved downward to apply a predetermined load (pressing force) to the membrane sample 20 to be described later. Can do. Reference numeral 14 denotes a lock nut (cap nut) for preventing the upper lid member 12 from dropping off when the pressure in the closed space Y rises. The upper lid member 12 is moved downward along the sliding shaft 13 via the 15 slide bushes. I can move.

支持部材1、固定部材6、ガスケット8、蛇腹9、固定部材10、上蓋部材12、ガスケット11、導入水素貯留部5、後述膜試料20の上面及び後述固定部材21で囲まれた閉空間Yが、後述膜試料20に対する一次側の水素雰囲気Yとなり、後述膜試料20の下面、導管4及び導出水素貯留部5で囲まれた空間が二次側水素雰囲気Zとなる。   A closed space Y surrounded by the support member 1, the fixing member 6, the gasket 8, the bellows 9, the fixing member 10, the upper lid member 12, the gasket 11, the introduction hydrogen reservoir 5, the upper surface of the membrane sample 20 described later, and the fixing member 21 described later. The hydrogen atmosphere Y on the primary side with respect to the membrane sample 20 described later becomes a secondary hydrogen atmosphere Z in the space surrounded by the lower surface of the membrane sample 20 described later, the conduit 4 and the derived hydrogen storage part 5.

〈膜試料に対する水素圧力の負荷〉
導入水素貯留部2、導管3を経て供給する水素量を弁Vで調節することにより一次側の水素圧力を調節し、導管4、導出水素貯留部5を経て導出する水素量を弁Vで調節することにより二次側の水素雰囲気の水素圧力を調節する。これにより、後述膜試料20の一次側と二次側との水素雰囲気を同一の水素圧力に制御したり、また異なる水素圧力に制御することができる。
<Hydrogen pressure load on membrane sample>
The amount of hydrogen supplied via the inlet hydrogen reservoir 2 and the conduit 3 is adjusted by the valve V 1 to adjust the primary hydrogen pressure, and the amount of hydrogen derived via the conduit 4 and the outlet hydrogen reservoir 5 is controlled by the valve V 2. To adjust the hydrogen pressure in the secondary hydrogen atmosphere. Thereby, the hydrogen atmosphere of the primary side and the secondary side which will be described later can be controlled to the same hydrogen pressure or different hydrogen pressures.

〈膜試料に対する荷重の付与、計測〉
20は膜試料、19は膜試料20を支持するガスケット(ステンレス鋼製)である。21は膜試料20の固定部材、24はパンチャー、25は鋼球もしくは窒化珪素(Si)製の球である。固定部材21の下部は逆凹状に形成され、下端面から上端面に至る4箇所の貫通細孔22を有している。当該逆凹状の底部面は膜試料の上面との間にスペースを保ち、貫通細孔22は水素雰囲気Yと連通している。
<Applying load to membrane sample and measuring>
20 is a membrane sample, and 19 is a gasket (made of stainless steel) for supporting the membrane sample 20. 21 is a fixing member for the film sample 20, 24 is a puncher, 25 is a steel ball or a silicon nitride (Si 3 N 4 ) ball. The lower part of the fixing member 21 is formed in a reverse concave shape, and has four through-holes 22 extending from the lower end surface to the upper end surface. The reverse concave bottom surface maintains a space with the top surface of the membrane sample, and the through-hole 22 communicates with the hydrogen atmosphere Y.

固定部材21の中央部に上下貫通する円筒状の空隙と、その同心円上に4箇所の細孔を有している。固定部材21の中央部の円筒状空隙に内壁23に沿ってパンチャー24が嵌挿され、鋼もしくは窒化珪素(Si)製の球25は膜試料20の上面に当接、配置される。パンチャー24により球25を押し下げ、球25を膜試料20に押し付けることにより、所定の荷重に対応する膜試料の形状変化の有無、また形状変化有りのときの、その変化の程度を観察することができる。所定の荷重値はロードセルに接続された圧縮ロッド16により計測される。 A cylindrical gap vertically passing through the center of the fixing member 21 and four fine pores on the concentric circles. A puncher 24 is inserted into the cylindrical gap in the center of the fixing member 21 along the inner wall 23, and a sphere 25 made of steel or silicon nitride (Si 3 N 4 ) is placed in contact with the upper surface of the film sample 20. . By pressing down the sphere 25 with the puncher 24 and pressing the sphere 25 against the membrane sample 20, it is possible to observe the presence or absence of the shape change of the membrane sample corresponding to a predetermined load and the degree of the change when the shape change is present. it can. The predetermined load value is measured by the compression rod 16 connected to the load cell.

支持部材1の中央部の円筒状空隙の近傍にはセラミックヒータ17が内蔵されており、膜試料20の近くまで熱電対18が挿入されている。セラミックヒータ17と熱電対18により膜試料の温度を測定、制御する。   A ceramic heater 17 is built in the vicinity of the cylindrical gap at the center of the support member 1, and a thermocouple 18 is inserted to the vicinity of the membrane sample 20. The temperature of the film sample is measured and controlled by the ceramic heater 17 and the thermocouple 18.

本スモールパンチ試験装置は、試料に対して真空〜0.3MPaの水素圧力を負荷することができ、室温〜600℃の範囲で温度制御が可能であり、それらの条件下における延性−脆性遷移を評価することが可能である。   This small punch test device can apply a hydrogen pressure of vacuum to 0.3 MPa to the sample, and can control the temperature in the range of room temperature to 600 ° C., and can perform a ductile-brittle transition under these conditions. It is possible to evaluate.

このスモールパンチ試験装置を使用して、純V膜について試験した。試験片は、アーク溶解法により金属塊を溶製し、次いでこの金属塊に切削加工及び研磨加工を施して製造した縦横の長さ10mm、厚さ0.5mm(体積:10mm×10mm×0.5mm=50mm3)の薄板状である。 Using this small punch test apparatus, a pure V film was tested. The test piece was manufactured by melting a metal lump by the arc melting method, and then subjecting the metal lump to cutting and polishing, and the length and width were 10 mm and the thickness was 0.5 mm (volume: 10 mm × 10 mm × 0.00 mm). 5 mm = 50 mm 3 ).

この試験片について、400℃、450℃又は500℃の温度において、PCT(圧力−固溶水素量−温度)測定装置により、0.001〜0.30(1×10−3〜3×10−1)MPaを超える範囲まで各水素圧力Pと固溶水素量C〔H/M(水素原子と金属原子の原子比、以下、同種の記載について同じ。)〕との間の関係を把握した上でスモールパンチ試験を行い、“荷重−変位”を測定して評価した。 About this test piece, at a temperature of 400 ° C., 450 ° C., or 500 ° C., 0.001 to 0.30 (1 × 10 −3 to 3 × 10 − 1 ) After grasping the relationship between each hydrogen pressure P and solid solution hydrogen amount C [H / M (atomic ratio of hydrogen atom to metal atom, hereinafter the same kind of description is the same)] up to a range exceeding MPa. A small punch test was conducted and the "load-displacement" was measured and evaluated.

一次側水素雰囲気Yと二次側水素雰囲気Zは同一の水素圧力とした。   The primary hydrogen atmosphere Y and the secondary hydrogen atmosphere Z were set to the same hydrogen pressure.

スモールパンチ試験による水素脆性の定量評価は、以下のi)〜iii)のようにして行った。   Quantitative evaluation of hydrogen embrittlement by the small punch test was performed as in the following i) to iii).

i)この純V膜の試験片について、温度及び水素圧力を500℃及び0.01MPaとし、この雰囲気に1時間保持した後、当該試験片に鋼球もしくは窒化珪素(Si)製の球25による荷重により押圧力をかけながら試験片を変形させ、そのときの荷重とクロスヘッド(又は鋼球25)の移動量を試験片が破壊するまで記録を続け、“荷重−変位”曲線を作成する。 i) About the test piece of this pure V film, the temperature and the hydrogen pressure were set to 500 ° C. and 0.01 MPa, and kept in this atmosphere for 1 hour, and then the test piece was made of steel balls or silicon nitride (Si 3 N 4 ). The test piece is deformed while applying a pressing force by the load of the sphere 25, and recording is continued until the test piece breaks the load at that time and the amount of movement of the crosshead (or the steel ball 25). create.

ii)当該試験片の固溶水素量〔H/M(H/Mは水素原子と金属原子の原子比)〕は、当該試験の温度500℃(≒773K)におけるPCT曲線に基づいて、当該試験で加えた水素圧力から見積もった。   ii) The amount of dissolved hydrogen in the test piece [H / M (H / M is the atomic ratio of hydrogen atom to metal atom)] is determined based on the PCT curve at the test temperature of 500 ° C. (≈773 K). Estimated from the hydrogen pressure applied in

iii)“荷重−変位”曲線から、膜試料が破壊に至るまでのスモールパンチ吸収エネルギーを求めた。ここで、スモールパンチ吸収エネルギーとは、試験片の変形開始から破壊に至るまでに要した仕事量に対応(相当)している。パンチャー24により鋼球もしくは窒化珪素(Si)製の球25を押し下げた圧力、つまり荷重(MPa)を変位量に対して積分する(=荷重−変位曲線の下の面積を計算する)ことでスモールパンチ吸収エネルギーを算出する。 iii) From the “load-displacement” curve, the small punch absorbed energy until the film sample was broken was determined. Here, the small punch absorbed energy corresponds (corresponds) to the amount of work required from the start of deformation of the test piece to destruction. The pressure by which the steel ball or the silicon nitride (Si 3 N 4 ) sphere 25 is pushed down by the puncher 24, that is, the load (MPa) is integrated with respect to the displacement (= the area under the load-displacement curve is calculated). Thus, the small punch absorbed energy is calculated.

第7図は温度400〜500℃におけるSP吸収エネルギーと固溶水素量の関係を示している。横軸は、純V膜中の固溶水素量C〔H/M〕、縦軸は純V膜試料の固溶水素量に対する延性あるいは脆性破壊時の吸収エネルギーである。   FIG. 7 shows the relationship between the SP absorbed energy at a temperature of 400 to 500 ° C. and the amount of dissolved hydrogen. The horizontal axis represents the amount of solid solution hydrogen C [H / M] in the pure V film, and the vertical axis represents the absorbed energy at the time of ductility or brittle fracture with respect to the solid solution hydrogen content of the pure V film sample.

金属に対する水素の固溶量は、ある所定温度における金属の原子数に対する固溶した水素の原子数で表される。例えば、固溶水素量C(H/M)=0.22とは、金属の原子数100に対して固溶している水素の原子数が22であることを示している。   The solid solution amount of hydrogen with respect to a metal is represented by the number of hydrogen atoms in solid solution with respect to the number of metal atoms at a predetermined temperature. For example, the amount of dissolved hydrogen C (H / M) = 0.22 indicates that the number of hydrogen atoms in solid solution is 22 with respect to 100 atoms of metal.

第7図のとおり、純Vの吸収エネルギーは、H/M=0.22を境に固溶水素量が増えるに伴い大きく減少している。すなわち、H/M=0.22を境に固溶水素量が増えるに伴い、膜の破壊形態が延性から脆性へと移行(遷移)することを示している。このことから、純V膜は、H/M≦0.22の条件であれば水素分離膜として利用できることが分かった。母材であるVの延性−脆性遷移がH/M≦0.22であることが明らかになったため、V合金はH/M≦0.22の条件で水素分離膜として使用できると考えられる。   As shown in FIG. 7, the absorption energy of pure V greatly decreases as the amount of dissolved hydrogen increases with H / M = 0.22. That is, as the amount of dissolved hydrogen increases with H / M = 0.22 as a boundary, the fracture mode of the film shifts (transitions) from ductility to brittleness. From this, it was found that a pure V membrane can be used as a hydrogen separation membrane under the condition of H / M ≦ 0.22. Since it became clear that the ductile-brittle transition of V which is a base material is H / M ≦ 0.22, it is considered that V alloy can be used as a hydrogen separation membrane under the condition of H / M ≦ 0.22.

[考察]
V−W−Mo合金よりなる水素分離膜は、Pd−Ag合金膜、V−W膜及び純V膜に比べて水素透過速度が大きい。
[Discussion]
A hydrogen separation membrane made of a V—W—Mo alloy has a higher hydrogen permeation rate than a Pd—Ag alloy membrane, a V—W membrane, and a pure V membrane.

表1及び第1図の通り、本発明のV−W−Mo系合金よりなる水素分離膜は、V−W系合金膜以上の性能を有しており、実用的な条件である、500℃において水素分圧=0.6MPa(約6気圧)、450℃において水素分圧=0.3MPa(約3気圧)、400℃において水素分圧=0.1MPa(約1気圧)までのガスから、高効率な水素分離が可能になる。また、500℃における見掛けの水素透過能φは、P/P=0.6MPa/0.01MPaの場合、Pg−26Ag合金が2.3×10−8[mol−1−1−1Pa−1/2]であるのに対し、V−W−Mo系合金は1.0×10−7[mol−1−1−1Pa−1/2]と4.3倍であり、同じ面積、同じ厚さの分離膜であれば、同じ圧力条件において4.3倍の水素透過量が得られる。 As shown in Table 1 and FIG. 1, the hydrogen separation membrane made of the V—W—Mo alloy of the present invention has a performance higher than that of the V—W alloy alloy, and is a practical condition at 500 ° C. In gas, hydrogen partial pressure = 0.6 MPa (about 6 atm), 450 ° C. hydrogen partial pressure = 0.3 MPa (about 3 atm), 400 ° C. hydrogen partial pressure = 0.1 MPa (about 1 atm), Highly efficient hydrogen separation becomes possible. Further, the apparent hydrogen permeability φ at 500 ° C. is 2.3 × 10 −8 [mol −1 m −1 s − of Pg-26Ag alloy when P 1 / P 2 = 0.6 MPa / 0.01 MPa. 1 Pa −1/2 ], whereas the V—W—Mo alloy is 4.3 × 10 × 10 −7 [mol −1 m −1 s −1 Pa −1/2 ]. If the separation membrane has the same area and the same thickness, the hydrogen permeation amount is 4.3 times higher under the same pressure condition.

本発明の水素分離膜は、500℃において0.6MPa(約6気圧)まで水素脆化が起きない画期的な分離膜であり、透過側を動力によって減圧する必要なく、十分な水素透過量が得られることから、より効率的な水素製造が可能になる。   The hydrogen separation membrane of the present invention is an epoch-making separation membrane in which hydrogen embrittlement does not occur up to 0.6 MPa (about 6 atmospheres) at 500 ° C., and it is not necessary to depressurize the permeate side by power, and a sufficient hydrogen permeation amount Therefore, more efficient hydrogen production becomes possible.

本発明のV−W−Mo系合金よりなる水素分離膜は、400〜450℃においても0.1〜0.3MPa(約1〜3気圧)で使用可能であり、大気圧以上の水素分圧を持った水素含有ガスからの水素分離が可能になる。   The hydrogen separation membrane comprising the V—W—Mo alloy of the present invention can be used at 0.1 to 0.3 MPa (about 1 to 3 atm) even at 400 to 450 ° C., and the hydrogen partial pressure is higher than atmospheric pressure. Hydrogen can be separated from a hydrogen-containing gas having hydrogen.

本発明の水素分離膜は、非Pd系であるため、素材コストが著しく低い。   Since the hydrogen separation membrane of the present invention is non-Pd-based, the material cost is extremely low.

1 支持部材
2 支持部材1に設けた導入水素貯留部
3 水素貯留部2から一次側水素雰囲気Yに連通する導管
4 二次側水素雰囲気Zから導出水素貯留部5に連通する導管
5 支持部材1に設けた導出水素貯留部
6 蛇腹9の下端部を固定するフランジ部材
7 ボルト
8 ガスケット
9 蛇腹
10 蛇腹9の上端部を固定するフランジ部材
11 ガスケット
12 支持部材1と相対する上部位置に置かれた上下動可能な上蓋部材
13 スライディングシャフト
14 袋ナット
15 スライドブッシュ
16 ロードセルに接続された圧縮ロッド
17 セラミックヒータ
18 熱電対
19 膜試料20の支持ガスケット
20 膜試料
21 膜試料20の固定部材
22 貫通細孔
23 固定部材21の中央部の円筒状空隙の内壁
24 パンチャー
25 鋼もしくはSi製の球
26 支持部材1の凸部
41 水素透過試験用モジュール
42 ガス導入管
43,45 ガスケット
44 水素分離膜
46 ガス取出管
47 ナット
48 キャップナット
50 電気炉
61 圧縮機
62 水素分離型改質器
65〜68,73〜75 熱交換器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support member 2 Introduction hydrogen storage part provided in support member 1 3 Conduit communicating from hydrogen storage part 2 to primary side hydrogen atmosphere Y 4 Conduit communicating from secondary side hydrogen atmosphere Z to hydrogen storage part 5 5 Support member 1 Derived hydrogen storage portion 6 provided in 6 A flange member for fixing the lower end portion of the bellows 9 7 Bolt 8 Gasket 9 A bellows 10 A flange member for fixing the upper end portion of the bellows 9 11 Gasket 12 Placed at an upper position opposite to the support member 1 Upper lid member capable of moving up and down 13 Sliding shaft 14 Cap nut 15 Slide bush 16 Compression rod connected to load cell 17 Ceramic heater 18 Thermocouple 19 Support gasket for membrane sample 20 20 Membrane sample 21 Fixing member for membrane sample 20 22 Through-hole 23 Inner wall of the cylindrical gap in the center of the fixing member 21 24 Puncher 25 Steel or S i 3 N 4 sphere 26 convex portion of support member 1 module 41 for hydrogen permeation test 42 gas introduction pipe 43, 45 gasket 44 hydrogen separation membrane 46 gas extraction pipe 47 nut 48 cap nut 50 electric furnace 61 compressor 62 hydrogen separation Mold reformer 65-68, 73-75 heat exchanger

Claims (4)

1次室に水素含有ガスを供給し、水素分離膜を透過した水素を2次室から取り出す水素分離装置において、該水素分離膜がW及びMoを含有するV合金よりなり、該V合金がW0.1〜15モル%、Mo0.1〜15モル%、残部Vよりなることを特徴とする水素分離膜装置。 In a hydrogen separation apparatus that supplies a hydrogen-containing gas to a primary chamber and extracts hydrogen that has permeated through the hydrogen separation membrane from the secondary chamber, the hydrogen separation membrane is made of a V alloy containing W and Mo, and the V alloy is A hydrogen separation membrane device comprising 0.1 to 15 mol %, Mo 0.1 to 15 mol %, and the balance V. 請求項1に記載の水素分離装置を用い、400〜550℃の温度で水素含有ガスから水素を分離する水素分離方法。   The hydrogen separation method which isolate | separates hydrogen from hydrogen containing gas at the temperature of 400-550 degreeC using the hydrogen separator of Claim 1. 請求項2において、水素分圧が1気圧以上の水素含有ガスを1次室に供給することを特徴とする水素分離方法。   3. The hydrogen separation method according to claim 2, wherein a hydrogen-containing gas having a hydrogen partial pressure of 1 atm or more is supplied to the primary chamber. 請求項3において、2次室を1気圧未満に減圧することを特徴とする水素分離方法。   4. The hydrogen separation method according to claim 3, wherein the pressure in the secondary chamber is reduced to less than 1 atmosphere.
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