JPWO2013039092A1 - 水素分離装置及びその運転方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(i)前記所定時間は、前記水素分離合金膜の厚さ0.1mmあたり8〜55分間である。
(ii)酸化性ガスを供給する前記ステップにより、前記水素分離合金膜中に残存する水素量を300ppm以下にする。
(iii)前記水素分離合金はNbを含有する合金である。
(iv)前記Nbを含有する合金は、Niをx質量%、Tiをy質量%(10≦x<40、10≦y<30)含み、残部がNbと不可避的不純物からなる合金である。
(v)前記水素分離合金膜の厚さが0.01〜1mmである。
前記水素分離合金膜の温度が300〜600℃の範囲において、前記混合ガス室への前記水素混合ガスの供給を停止し、前記混合ガス室及び前記精製水素室に対して前記酸化性ガスを前記水素分離合金膜の厚さ0.1mmあたり8〜55分間供給し、前記水素分離合金膜中の水素と前記酸化性ガスとが反応・生成した水蒸気を前記混合ガス室排気配管及び前記精製水素室排気配管から排気した後に、前記水素分離合金膜の温度を200℃未満に低下させるために前記ヒータ及び前記複数のバルブを制御するヒータ/バルブコントローラを更に具備する水素分離装置を提供する。
(vi)前記水素分離合金膜はNbを含有する合金からなる。
(vii)前記Nbを含有する合金は、Niをx質量%、Tiをy質量%(10≦x<40、10≦y<30)含み、残部がNbと不可避的不純物からなる合金であり、前記水素分離合金膜の厚さが0.01〜1mmである。
Niを25質量%、Tiを21質量%、残部がNbおよび不純物となるように原料金属を配合しNb−Ni−Ti系合金を高周波溶解にて鋳造した(以下、本作製合金をNb−25Ni−21Tiと表記する)。
非特許文献1と同様の試験装置及び手順によって、一定温度環境下(350℃)における圧力変動水素透過試験(水素透過膜の上流側/下流側の水素圧力差:0〜0.2MPa)を行ったところ、100サイクルの圧力変動に対しても水素分離合金膜の破壊は起こらなかった。この結果から、上記の水素分離合金膜は、水素分離装置の運転温度において十分な耐水素脆化性を有していることが確認された。
前述したように、Nb−Ni−Ti系合金膜において吸蔵された水素の放出挙動は現段階で報告されておらず未解明である。そこで、本発明者等は、水素の放出挙動を解明するために水素を吸蔵させた水素分離合金膜に対して、昇温脱離分析法(TDS)により合金からの水素放出速度を測定した。合金中への水素の吸蔵は、水素気流中350℃で1時間保持の条件で行った。
水素分離合金膜における水素透過の素過程は、「膜表面上への水素分子の付着」→「膜表面上での水素分子の解離」→「膜中への水素原子の固溶」→「膜中での水素原子の拡散」→「反対側の膜表面上での水素分子の再結合」→「当該反対側の膜表面からの水素分子の離脱」となっていると考えられる。
次に、水素を吸蔵させた水素分離合金膜に対して種々の条件(温度、時間)で脱水素処理を行い、水素分離合金膜中の残留水素量及び水素脆化割れの有無を調査した。合金中への水素の吸蔵は、先と同様に、水素気流中350℃で1時間保持の条件で行った。結果を図2に示す。
ここで、水素分離装置に用いる合金としては、Nbを含有する水素分離合金であることが好ましい。より具体的には、Nbを含有する水素分離合金はNiをx質量%、Tiをy質量%(10≦x<40、10≦y<30)含み、残部がNbと不可避的不純物からなる合金であることが好ましい。
図3は、本発明に係る水素分離装置の主要部分の構成例を示す模式図である。
まず、バルブ34(混合ガス室排気配管バルブ)、バルブ37(精製水素室排気配管バルブ)、バルブ39(真空排気配管バルブ)を開き、それ以外のバルブを全て閉じた状態で真空ポンプ40を運転させて、水素分離器10内及び各配管内の残留ガスを真空排気する(真空排気工程)。
水素精製工程が終了した後、まず、ヒータ14により水素分離器10を所定の温度(300〜600℃)に調整する。次に、バルブ32(パージガス供給配管バルブ)、バルブ34(混合ガス室排気配管バルブ)、バルブ35(精製水素室パージ配管バルブ)、バルブ37(精製水素室排気配管バルブ)、バルブ38(排気配管バルブ)を開き、それ以外のバルブを全て閉じた状態とし、パージガス供給配管22からパージガス(水素と化合しないガス、例えば、窒素、アルゴン、水蒸気など)を導入し、系内の気相の水素を置換排気する(置換排気工程)。
Claims (9)
- 水素分離合金膜を用いた膜分離方式により水素混合ガスから水素を分離する水素分離装置の運転方法であって、
前記水素分離合金膜の温度が300〜600℃の範囲において前記水素分離合金膜への前記水素混合ガスの供給を停止するステップを行い、
前記水素混合ガスの供給を停止するステップの後、前記水素分離合金膜の温度が300〜600℃の範囲内で前記水素分離合金膜の少なくとも上流側に酸化性ガスを所定時間供給するステップを行い、
その後、前記水素分離合金膜の温度を200℃未満に低下させるステップを行う、
ことを特徴とする水素分離装置の運転方法。 - 請求項1に記載の水素分離装置の運転方法において、
前記所定時間は、前記水素分離合金膜の厚さ0.1mmあたり8〜55分間であることを特徴とする水素分離装置の運転方法。 - 請求項1または請求項2に記載の水素分離装置の運転方法において、
前記酸化性ガスを供給するステップにより、前記水素分離合金膜中に残存する水素量を300ppm以下にすることを特徴とする水素分離装置の運転方法。 - 請求項1乃至請求項3の何れかに記載の水素分離装置の運転方法において、
前記水素分離合金膜は、Nbを含有する水素分離合金膜であることを特徴とする水素分離装置の運転方法。 - 請求項4に記載のNbを含有する水素分離合金膜は、Niをx質量%、Tiをy質量%(10≦x<40、10≦y<30)含み、残部がNbと不可避的不純物からなる合金であることを特徴とする水素分離装置の運転方法。
- 請求項1乃至請求項5の何れかに記載の水素分離装置の運転方法において、
前記水素分離合金膜の厚さが0.01〜1mmであることを特徴とする水素分離装置の運転方法。 - 水素分離合金膜を用いた膜分離方式により水素混合ガスから水素を分離する水素分離装置であって、
前記水素分離合金膜によって混合ガス室と精製水素室とに仕切られている水素分離器と、
前記水素分離器の温度を調整するヒータと、
前記混合ガス室に接続されるガス供給配管と、
前記混合ガス室に接続される混合ガス室排気配管と、
前記精製水素室に接続される精製水素室パージ配管と、
前記精製水素室に接続される精製水素室排気配管と、
前記ガス供給配管に接続される水素混合ガス供給配管と、
前記ガス供給配管に接続される酸化性ガス供給配管と、
前記の各配管に配設される複数のバルブと、
を具備し、
前記水素分離合金膜の温度が300〜600℃の範囲において、前記混合ガス室への前記水素混合ガスの供給を停止し、前記混合ガス室及び前記精製水素室に対して前記酸化性ガスを前記水素分離合金膜の厚さ0.1mmあたり8〜55分間供給し、前記水素分離合金膜中の水素と前記酸化性ガスとが反応・生成した水蒸気を前記混合ガス室排気配管及び前記精製水素室排気配管から排気した後に、前記水素分離合金膜の温度を200℃未満に低下させるために前記ヒータ及び前記複数のバルブを制御するヒータ/バルブコントローラを更に具備することを特徴とする水素分離装置。 - 請求項7に記載の水素分離装置において、
前記水素分離合金膜は、Nbを含有する水素分離合金膜であることを特徴とする水素分離装置。 - 請求項8に記載の水素分離装置において、
前記Nbを含有する水素分離合金膜はNiをx質量%、Tiをy質量%(10≦x<40、10≦y<30)含み、残部がNbと不可避的不純物からなる合金であり、前記水素分離合金膜の厚さが0.01〜1mmであることを特徴とする水素分離装置。
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