JP5723650B2 - 水素透過性モジュール及びこれを利用した水素分離方法 - Google Patents
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Description
前記水素透過膜はCu、Pd及びAlで構成される水素透過性銅合金で形成され、前記合金が、Cu、Pd及びAlの原子濃度(at%)をそれぞれ[Cu]、[Pd]及び[Al]とすると、[Pd]/([Cu]+[Pd])×100=41〜50、[Al]/([Cu]+[Pd])×100=0.05〜4.0であって、式:[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)
の関係を満たす水素透過モジュールである。
[Cu]=(Cuのモル数)/(Cuのモル数+Pdのモル数+Alのモル数)
[Pd]=(Pdのモル数)/(Cuのモル数+Pdのモル数+Alのモル数)
[Al]=(Alのモル数)/(Cuのモル数+Pdのモル数+Alのモル数)
で計算される。
[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)
を満たすことが必要である。
水素透過モジュールの水素透過膜を形成する銅合金の合金組成が水素透過モジュールの水素透過率に与える影響を検討するための試験を以下のように行った。
まず、Cu、Pd及びAlで構成され、表1に記載の原子比を満足する組成となるように成分調整したCu−Pd−Al合金をスパッタリングターゲットとして、厚さ1mmのアルミナ多孔質支持体上に以下の条件でスパッタリングを行い、表1に記載した所定の膜厚の水素透過膜を形成した。スパッタリングに使用したターゲットは純度が3Nのものを用いた。
・装置:バッチ式スパッタリング装置(アルバック社、型式MNS−6000)
・到達真空度:1.0×10-5Pa
・スパッタリング圧:0.2Pa
・スパッタリング電力:DC100W
次に、水素のガスボンベ(図示せず)、加熱炉11、一次側水素配管12、二次側水素配管13、管状炉内に配置され、一次側水素配管及び二次側水素配管を連結する固定治具にガスケットと共に固定された水素透過モジュール14(水素透過部の直径10.0mm)、二次側の水素配管に連結した水素測定器(水素用マスフローコントローラ(山武、MQV9050))を備えた測定系を構築した(図1参照)。水素のガスボンベから配管を通じて供給される水素は固定治具一次側に入り、水素透過モジュール14を通過して、固定治具の二次側から出てくる。水素透過モジュール14を固定した固定治具が入っている管状炉は所定の温度に加熱可能となっており、水素固定部の温度を熱電対で測定している。測定試験は、一次側圧と二次側圧との差(ΔP)をそれぞれ表1に記載の通りとし、一次側の水素供給量を50sccmとして600℃に水素を加熱しながら2時間供給し続けたときの水素透過量を測定し、以下の式により水素透過係数qを測定した。
q=fM・d・S-1・(P1/2−p1/2)-1
q:水素透過係数(mol・m-1・sec-1・Pa-1/2)
fM:二次側水素流量(mol・sec-1)
d:膜厚(m)
S:膜面積(m2)
P:一次側圧力(Pa)
p:二次側圧力(Pa)
表1からPd比が41付近の例を抽出し、Al比の小さい順に並べたのが表2である。表2より、Al比が0のとき(No.1)は水素透過係数が最も低く、Al比が増加するにつれて水素透過係数が徐々に上昇し、Al比が0.50のとき(No.15)に最大の水素透過係数が得られた。その後、更にAl比を増加させていくと今度は徐々に水素透過率が減少していき、Al比が2.10まで増えると(No.16)、式:[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)を満たさなくなったため、優れた水素透過係数は得られなくなった。
表1からPd比が46付近の例を抽出し、Al比の小さい順に並べたのが表3である。表3より、Al比が0のとき(No.4)は水素透過係数が最も低く、Al比が増加するにつれて水素透過係数が徐々に上昇し、Al比が1.03のとき(No.17)に最大の水素透過係数が得られた。その後、更にAl比を増加させていくと今度は徐々に水素透過率が減少していき、Al比が3.27まで増えると(No.11)、式:[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)を満たさなくなったため、優れた水素透過係数は得られなくなった。
表1からPd比が50付近の例を抽出し、Al比の小さい順に並べたのが表4である。表4より、Al比が0.05(No.8)から3.99(No.10)までは、式:[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)を満たしており、優れた水素透過係数が得られた。また、Al比が4.25(No.12)のときは、上記式を満たさなくなったため、優れた水素透過係数は得られなくなった。
表1からAl比が0.05付近の例を抽出し、Pd比の小さい順に並べたのが表5である。表5より、Pd比が41.2(No.2)から増加するにつれて水素透過係数が徐々に上昇し、Pd比が46.9のとき(No.18)に最大の水素透過係数が得られた。その後、更にPd比を増加させていくと今度は徐々に水素透過率が減少していき、Pd比が52まで増えると(No.19)、優れた水素透過係数は得られなくなった。
表1からAl比が2.0付近の例を抽出し、Pd比の小さい順に並べたのが表6である。表6より、Pd比が39.4のとき(No.13)は水素透過係数が最も低く、Pd比が増加するにつれて水素透過係数が徐々に上昇し、Pd比が45.9のとき(No.6)に最大の水素透過係数が得られた。その後、更にPd比を増加させていくと今度は徐々に水素透過率が減少していき、Pd比が52.4まで増えると(No.14)、優れた水素透過係数は得られなくなった。また、Pd比41.4でAl比2.10のとき(No.16)は、式:[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)を満たさなくなったため、水素透過係数が低かった。
表1からAl比が4.0付近の例を抽出し、Pd比の小さい順に並べたのが表7である。表7より、Pd比が40.1のとき(No.20)は、式:[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)を満たさず水素透過係数が最も低いが、Pd比が50のとき(No.10)は式をみたすため高い水素透過係数が得られた。Pd比が50.3でAl比4.25のとき(No.12)、式を満たさず水素透過係数は低い。Pd比が51.6まで増えると(No.21)、優れた水素透過係数は得られなくなった。
表1から水素透過膜の膜厚が0.5μm及び0.4μmの例を抽出したのが表8である。これらは、水素透過係数が小さいが、膜厚が薄いため、水素透過量は多くなっている。
水素ガスの加熱温度が水素透過モジュールの水素透過率に与える影響を検討するための試験を以下のように行った。
まず、Cu、Pd及びAlで構成され、表9に記載の原子比を満足する組成となるように成分調整したCu−Pd−Al合金をスパッタリングターゲットとして、厚さ1mmのアルミナ多孔質支持体上に実施例1と同様の条件でスパッタリングを行い、膜厚5μmの水素透過膜を形成した。
12 一次側水素配管
13 二次側水素配管
14 水素透過モジュール
Claims (5)
- 多孔質性支持体、及び、前記多孔質支持体上に形成された水素透過膜を備え、
前記水素透過膜はCu、Pd及びAlで構成される水素透過性銅合金で形成され、前記合金が、Cu、Pd及びAlの原子濃度(at%)をそれぞれ[Cu]、[Pd]及び[Al]とすると、[Pd]/([Cu]+[Pd])×100=41〜50、[Al]/([Cu]+[Pd])×100=0.05〜4.0であって、式:[Al]/([Cu]+[Pd])≦(2/9)×[Pd]/([Cu]+[Pd])−(0.64/9)
の関係を満たす水素透過モジュール。 - 前記水素透過膜を形成する水素透過性銅合金が、[Pd]/([Cu]+[Pd])×100=44〜47、[Al]/([Cu]+[Pd])×100=0.5〜1.5の関係を満たす請求項1に記載の水素透過モジュール。
- 前記水素透過膜の厚みが0.5〜10μmである請求項1又は2に記載の水素透過モジュール。
- 水素含有ガスが請求項1〜3のいずれかに記載の水素透過モジュールを通過する工程を含む水素含有ガスからの水素分離方法。
- 水素含有ガスが前記水素透過モジュールを550〜650℃の温度で通過する工程を含む請求項4に記載の水素含有ガスからの水素分離方法。
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