KR102012010B1 - Separation membrane, hydrogen separation membrane including separation membrane and device including hydrogen separation membrane - Google Patents
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Abstract
적어도 하나의 5족 원소와 Ge을 포함하는 분리막을 제공하고, 이를 포함하는 수소 분리막 및 수소 분리 장치를 제공한다. 상기 합금은 상기 5족 원소 및 상기 Ge 원소는 함께 형성한 체심입방구조(body centered cubic structure)의 결정구조를 가진다.A separator comprising at least one Group 5 element and Ge is provided, and a hydrogen separator and a hydrogen separator including the same are provided. The alloy has a crystal structure of a body centered cubic structure in which the Group 5 element and the Ge element are formed together.
Description
분리막, 이를 포함하는 수소 분리막, 및 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치에 관한 것이다.A separator, a hydrogen separator including the same, and a hydrogen separator including the hydrogen separator.
수소 가스가 함유된 가스 혼합물로부터 수소 기체만 선택적으로 분리하는 분리막(membrane)으로 기존에 Pd계 금속이 많이 알려져 있다. Pd계 금속은 면심입방구조(FCC)를 형성하여 단위 격자(unit cell)내의 공간을 통한 수소 용해 및 확산으로 수소의 선택적 분리가 이루어지게 된다. 그러나, Pd계 금속의 높은 단가는 상용화의 제한 요인으로 작용한다.BACKGROUND OF THE INVENTION Pd-based metals have been widely known as a membrane for selectively separating only hydrogen gas from a gas mixture containing hydrogen gas. The Pd-based metal forms a face-centered cubic structure (FCC), which allows selective separation of hydrogen through hydrogen dissolution and diffusion through space in a unit cell. However, the high unit cost of Pd-based metals acts as a limiting factor for commercialization.
이에 따라, 적어도 Pd계 금속과 같은 정도 내지 Pd계 금속 수소 분리막 보다 우수한 수소 투과 성능을 가지면서 가격 경쟁력 있는 수소 분리막에 대한 필요성이 급증하고 있다.Accordingly, there is a rapid increase in the need for a hydrogen-competitive membrane that is at least as good as a Pd-based metal and has a hydrogen permeation performance superior to that of the Pd-based metal hydrogen separator, while being competitive in cost.
본 발명의 일 구현예는 수소 투과 특성이 우수하면서도 수소 취성화 파괴를 억제할 수 있고 산화 안정성이 우수한 분리막을 제공하는 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a separation membrane having excellent hydrogen permeation characteristics while suppressing hydrogen embrittlement destruction and excellent oxidation stability.
본 발명의 다른 구현예는 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막을 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention is to provide a hydrogen separation membrane comprising the separation membrane.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치를 제공하는 것이다.Another embodiment of the present invention to provide a hydrogen separation device including the hydrogen separation membrane.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 5족 원소와 적어도 하나의 14족 원소를 포함하는 합금을 포함하며, 상기 합금 내에서 상기 적어도 하나의 5족 원소 및 상기 적어도 하나의 14족 원소가 체심입방구조(body centered cubic structure)의 결정구조를 포함하는 분리막을 제공한다.According to one embodiment of the invention, an alloy comprising at least one Group 5 element and at least one Group 14 element, wherein the at least one Group 5 element and the at least one Group 14 element in the alloy A separator comprising a crystal structure of a body centered cubic structure is provided.
상기 합금의 결정구조의 격자 상수는, 상온에서 상기 적어도 하나의 5족 원소만으로 형성되는 결정 구조의 격자 상수의 약 98% 내지 약 105% 범위 내에 존재할 수 있다.The lattice constant of the crystal structure of the alloy may be present in the range of about 98% to about 105% of the lattice constant of the crystal structure formed of only the at least one Group 5 element at room temperature.
상기 분리막은 기공도가 약 1 부피% 미만이거나, 기공도 약 0 부피%의 비다공성의 치밀막 구조로서 형성될 수 있다.The separator may be formed as a nonporous dense membrane structure having a porosity of less than about 1% by volume or a porosity of about 0% by volume.
상기 적어도 하나의 14족 원소는 Ge 또는 Si일 수 있다.The at least one group 14 element may be Ge or Si.
상기 합금 내에 상기 적어도 하나의 14족 원소를 약 0.1 내지 20 원자% 포함할 수 있다.The alloy may include about 0.1 to 20 atomic% of the at least one Group 14 element.
상기 합금은 Zr, Ti, Y, Ni, Al, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나인 추가 금속을 포함할 수 있다.The alloy may comprise an additional metal that is one selected from the group comprising Zr, Ti, Y, Ni, Al, and combinations thereof.
상기 추가 금속은 상기 합금 내에서 상기 적어도 하나의 5족 원소 및 상기 적어도 하나의 14족 원소와 함께 체심입방구조(body centered cubic structure)의 결정 구조를 형성할 수 있다.The additional metal may form a body centered cubic structure with the at least one Group 5 element and the at least one Group 14 element in the alloy.
상기 합금은 약 0.1 내지 약 20 원자%의 Ge 또는 Si, 및 상기 추가 금속 약 0.1 내지 약 30원자%를 포함할 수 있다.The alloy may comprise about 0.1 to about 20 atomic percent Ge or Si, and about 0.1 to about 30 atomic percent of the additional metal.
상기 분리막의 두께는 약 1 내지 약 500㎛일 수 있다.The separator may have a thickness of about 1 μm to about 500 μm.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막이 제공된다.According to another embodiment of the present invention, a hydrogen separation membrane including the separation membrane is provided.
상기 수소 분리막은 약 0.1 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M, 여기서, H는 수소 원자의 몰수이고, M은 합금의 금속 원자의 몰수를 의미함)가 약 0.2 내지 약 0.6 일 수 있다.The hydrogen separator has a hydrogen solubility measured at about 0.1 to about 1 MPa hydrogen pressure and about 400 ° C. (H / M, where H is the number of moles of hydrogen atoms and M is the number of moles of metal atoms of the alloy). May be from about 0.2 to about 0.6.
상기 수소 분리막의 수소 투과도(hydrogen permeability)는 약 400℃ 조건에서 약 1.0×10-8 내지 약 10.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2 일 수 있다.Hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane (hydrogen permeability) is at about 400 ℃ conditions of about 1.0 × 10 -8 to about 10.0 × 10 -8 mol / m * s *
상기 수소 분리막은 상기 분리막의 일면 또는 양면에 촉매층을 더 포함할 수 있다.The hydrogen separation membrane may further include a catalyst layer on one or both surfaces of the separation membrane.
상기 수소 분리막에서 상기 분리막 및 상기 촉매층은 접하여 형성될 수 있다.In the hydrogen separation membrane, the separation membrane and the catalyst layer may be formed in contact with each other.
상기 촉매층은 Pd, Pt, Ru, Ir, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나와, Cu, Ag, Au, Rh, Ni, Fe 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 합금을 포함할 수 있다.The catalyst layer includes at least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Ru, Ir, and combinations thereof, and at least one alloy selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, Rh, Ni, Fe, and combinations thereof. can do.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단을 구비하는 챔버; 분리된 수소 기체의 배출 수단을 포함하는 배출실; 및 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치가 제공되고, 이때, 상기 수소 분리막의 일 표면이 상기 챔버에 접하고, 다른 표면이 상기 배출실에 접하도록 위치한다.According to yet another embodiment of the present invention, there is provided a chamber comprising a chamber for supplying a mixed gas including hydrogen gas; A discharge chamber including discharge means for separating hydrogen gas; And a hydrogen separation device including the hydrogen separation membrane, wherein one surface of the hydrogen separation membrane is in contact with the chamber and the other surface is in contact with the discharge chamber.
일 구현예에서, 상기 수소 분리막은 관형으로 형성되고, 상기 수소 분리막의 외부에 상기 관형의 수소 분리막의 직경 보다 큰 원통형의 챔버 격벽이 형성되며, 상기 챔버 격벽과 상기 수소 분리막 사이의 공간이 챔버로서 형성되고 상기 관형의 수소 분리막 내부는 수소가 배출되는 배출실로서 형성될 수 있다.In one embodiment, the hydrogen separation membrane is formed in a tubular shape, a cylindrical chamber partition wall larger than the diameter of the tubular hydrogen separation membrane is formed on the outside of the hydrogen separation membrane, the space between the chamber partition and the hydrogen separation membrane as a chamber The tubular hydrogen separator may be formed as a discharge chamber through which hydrogen is discharged.
본 발명의 또 다른 구현예에서는, 적어도 하나의 5족 원소 및 적어도 하나의 14족 원소를 가열하여 합금을 형성하고, 상기 합금을 압연(rolling)하여 분리막을 형성하는 것을 포함하는 분리막의 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a separator comprising heating an at least one Group 5 element and at least one Group 14 element to form an alloy, and rolling the alloy to form a separator. Is provided.
상기 적어도 하나의 14족 원소는 Ge 또는 Si일 수 있다.The at least one group 14 element may be Ge or Si.
본 발명의 또다른 구현예에서는, 상기 구현예에 따른 수소 분리 장치를 제공하고, 상기 수소 분리 장치의 챔버에 수소 함유 가스를 제공하고, 상기 수소 분리 장치의 상기 수소 분리막을 통해 수소를 확산시켜 정제하는 것을 포함하는 수소 정제 방법이 제공된다. In another embodiment of the present invention, there is provided a hydrogen separation device according to the embodiment, providing a hydrogen-containing gas to the chamber of the hydrogen separation device, by purifying hydrogen through the hydrogen separation membrane of the hydrogen separation device purification A hydrogen purification method is provided that includes.
상기 분리막은 수소 투과 특성이 우수하면서도 수소 취성화 파괴에 대한 내성이 커서 내구성을 효과적으로 개선할 수 있고, 이를 포함하는 수소 분리막은 고순도의 수소를 분리해 낼 수 있을 뿐만 아니라, 내구성이 효과적으로 개선된다.The separation membrane has excellent hydrogen permeability, but has a high resistance to hydrogen embrittlement fracture, thereby effectively improving durability, and the hydrogen separation membrane including the same not only separates hydrogen of high purity, but also effectively improves durability.
도 1의 (a) 및 (b)는 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막이 형성할 수 있는 결정 격자를 모식도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 수소 분리막을 통과하여 수소 기체가 분리되는 메커니즘을 모식도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 수소 분리 장치의 모식도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 관형 분리막을 포함하는 수소 분리 장치의 모식도이다.
도 5는 실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 수소 분리막에 대한 PCT (pressure-concentration-temperature) 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 수소 분리막에 대하여 각각 수소 고용 전후에 측정한 XRD 그래프이다.
도 7의 (a)는 실시예 1과 실시예 2 및 비교예 1에서 제조된 수소 분리막에 대한 XRD 측정 그래프이고, (b)는 (a)에서 가장 높은 피크를 나타내는 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 8은 실시예 3과 실시예 4에서 제조된 수소 분리막에 대한 PCT (pressure-concentration-temperature) 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 실시예 3과 실시예 4, 및 비교예 4에서 제조된 수소 분리막에 대하여 각각 수소 고용 전후에 측정한 XRD 그래프이다.
도 10은 도 9에서 가장 높은 피크를 나타내는 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.1 (a) and (b) show a schematic view of the crystal lattice that can be formed in the separator according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic view showing a mechanism in which hydrogen gas is separated through a hydrogen separation membrane according to another embodiment of the present invention.
3 is a schematic view of a hydrogen separation device according to another embodiment of the present invention.
4 is a schematic view of a hydrogen separation device including a tubular separator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the results of pressure-concentration-temperature (PCT) evaluation for the hydrogen separation membranes prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG.
6 is XRD graphs measured before and after hydrogen solubility for the hydrogen separation membranes prepared in Example 1 and Comparative Example 1, respectively.
FIG. 7A is an XRD measurement graph of the hydrogen separation membranes prepared in Examples 1, 2, and Comparative Example 1, and (b) is an enlarged view of a portion showing the highest peak in (a). .
8 is a graph showing the results of pressure-concentration-temperature (PCT) evaluation for the hydrogen separation membranes prepared in Examples 3 and 4. FIG.
9 is XRD graphs measured before and after hydrogen solubility for the hydrogen separation membranes prepared in Examples 3 and 4 and Comparative Example 4, respectively.
FIG. 10 is an enlarged view of a portion showing the highest peak in FIG. 9.
이하, 일 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.Hereinafter, an embodiment will be described in detail so that a person skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 필요에 따라서 도면을 참고로 설명되며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다. 본 명세서의 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 과장되게 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.The present invention may be embodied in many different forms and is described with reference to the drawings as necessary and is not limited to the embodiments described herein. Since the size and thickness of each component shown in the drawings of the present specification are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to the illustrated. In addition, the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily exaggerated for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to the illustrated.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 적어도 하나의 5족 원소와 적어도 하나의 14족 원소를 포함하는 합금을 포함하며, 상기 합금 내에서 상기 적어도 하나의 5족 원소 및 상기 적어도 하나의 14족 원소는 체심입방구조(body centered cubic structure)의 결정구조를 포함하는 분리막을 제공한다. According to one embodiment of the present invention, an alloy including at least one Group 5 element and at least one Group 14 element, wherein the at least one Group 5 element and the at least one Group 14 element in the alloy A separator comprising a crystal structure of a body centered cubic structure is provided.
상기 분리막은 특정 기체를 선택적으로 분리할 수 있는 분리막으로 사용될 수 있다. 상기 합금을 분리막에 적용시 폴리머로 이루어진 분리막의 경우 대비하여 고온에서 작동이 가능한 잇점이 있다.The separator may be used as a separator capable of selectively separating a specific gas. When the alloy is applied to the separator, there is an advantage that can be operated at a high temperature in contrast to the case of the separator made of a polymer.
상기 합금의 약 80 부피% 이상이 체심입방구조의 결정구조를 형성할 수 있다.At least about 80% by volume of the alloy may form a crystal structure of body centered cubic structure.
본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막(hydrogen separation membrane) 모듈을 제공한다. 상기 수소 분리막은 수소 가스가 함유된 가스 혼합물로부터 수소 기체만 선택적으로 분리하는 분리막으로서, 수소를 쉽게 고용 및 확산시킬 수 있는 체심입방구조(body centered cubic structure)의 결정구조를 포함함으로써 높은 수소 투과 특성을 갖는다. 그 결과, 상기 수소 분리막은 고순도의 수소 분리가 가능하다. 예를 들면, 상기 수소 분리막은 상기 합금의 약 80 부피% 이상이 체심입방구조의 결정구조일 수 있다. 상기 범위와 같이 높은 수준의 결정구조를 갖는 분리막은 수소 분리막으로 사용되기에 적합할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, a hydrogen separation membrane module including the separation membrane is provided. The hydrogen separator is a separator that selectively separates only hydrogen gas from a gas mixture containing hydrogen gas, and includes a crystal structure of a body centered cubic structure that easily dissolves and diffuses hydrogen, thereby providing high hydrogen permeability. Has As a result, the hydrogen separation membrane is capable of high purity hydrogen separation. For example, the hydrogen separation membrane may have a crystal structure of about 80% by volume or more of the alloy having a body centered cubic structure. The separator having a high level of crystal structure as described above may be suitable for use as a hydrogen separator.
상기 수소 분리막은 스팀 개질 반응(steam reforming), 석탄 가스화 반응(coal gasification), WGS (Water gas shift reaction) 반응 등을 통해 생성된 H2, CO2, CO 등을 포함하는 기체 중 H2 기체만을 선택적으로 투과하여 분리하는 기술 분야에 적용될 수 있다. 예를 들면, 고순도 수소 생성기, 연료전지용 수소 재생기, 가스화 복합 화력 발전소용 혼합 가스의 수소 분리용 분리막, H2/CO2 분리용 분리막 등의 분야에 적용될 수 있다.The hydrogen separation membrane is steam reforming, coal gasification, water gas shift reaction (WGS). It can be applied to the technical field for selectively permeating and separating only H 2 gas from the gas containing H 2 , CO 2 , CO, etc. generated through the reaction. For example, the present invention can be applied to fields such as high purity hydrogen generator, fuel cell hydrogen regenerator, gas separation hydrogen separation membrane, and H 2 / CO 2 separation membrane.
이와 같이 분리된 수소는 청정 에너지원인 수소 연소에 의한 전기 발전용으로 사용되거나, 화학 원료(NH4, 올레핀 등)로 또는 석유 정제용으로 사용될 수 있다. 한편, 수소 제거 후 남은 기체는 고농도의 CO2 성분으로 구성된 기체이므로, 이러한 CO2 농후 기체(CO2 rich gas)를 선택적으로 포집 및 저장하여 CO2를 제거하는 용도로 사용할 수도 있다.The separated hydrogen may be used for electricity generation by hydrogen combustion, which is a clean energy source, or may be used as a chemical raw material (NH 4 , olefin, etc.) or for petroleum refining. On the other hand, since the gas remaining after the removal of hydrogen is a gas composed of a high concentration of CO 2 components, such a CO 2 rich gas (CO 2 rich gas) may be selectively collected and stored to use for the purpose of removing CO 2 .
상기 수소 분리막은 먼저 수소를 포함한 여러 기체 중 수소 기체(H2)를 흡착(adsorption)하고, 흡착된 수소 기체(H2)는 상기 수소 분리막의 표면에서 수소 원자(H)로 해리(dissociation)되며, 해리된 수소 원자(H)는 상기 분리막을 통하여 투과된다. 상기 분리막의 단위 격자(unit cell)의 사면체(tetrahedral) 또는 8면체(octahedral) 격자 내(interstitial) 공간을 통하여 상기 수소 원자(H)가 용해(solution) (혹은 고용)되고 또한 확산(diffusion)되어 투과가 이루어진다(M.D. Dolan, J. membrane science 362, 12-28 (2010)). 막을 투과한 수소 원자(H)는 다시 재결합(recombination)하여 수소 기체(H2)가 된 후 상기 수소 분리막을 탈착(desorption)하여 분리된다.The hydrogen separation membrane first adsorbs hydrogen gas (H 2 ) among various gases including hydrogen, and the adsorbed hydrogen gas (H 2 ) is dissociated with hydrogen atoms (H) at the surface of the hydrogen separation membrane. The dissociated hydrogen atom (H) is permeated through the separator. The hydrogen atom (H) is dissolved (or dissolved) and diffused through the tetrahedral or octahedral interstitial space of the unit cell of the separator. Permeation occurs (MD Dolan, J. membrane science 362, 12-28 (2010)). The hydrogen atom (H) that has passed through the membrane is recombined again to form hydrogen gas (H 2 ), and is then separated by desorption of the hydrogen separation membrane.
도 1의 (a) 및 (b)는 상기 분리막이 포함할 수 있는 결정 격자의 유형을 나타낸 모식도로서, 적어도 하나의 5족 원소와 Ge을 포함하는 합금이 형성할 수 있는 결정 격자를 나타내고 있다. 5족 원소는 체심입방구조를 형성하는데, 도 1의 (a)는 상기 5족 원소가 형성하는 체심입방구조의 체심에 Ge이 치환된 경우를 나타낸 것이고, 도 1의 (b)는 상기 5족 원소가 형성하는 체심입방구조의 꼭짓점에 Ge이 치환된 경우를 나타낸 것이다. 즉, 상기 분리막은 상기 5족 원소 및 상기 Ge이 함께 형성한 체심입방구조의 결정 구조를 갖는다.(A) and (b) of FIG. 1 are schematic diagrams showing types of crystal lattice that the separator may include, and show crystal lattice that an alloy including at least one Group 5 element and Ge may be formed. Group 5 elements form a body-centered cubic structure, in which FIG. 1 (a) shows a case where Ge is substituted in the body of the body-centered cubic structure formed by the group 5 element, and FIG. 1 (b) shows the group 5 The case where Ge is substituted at the vertex of the body-centered cubic structure formed by the element is shown. That is, the separator has a crystal structure of a body centered cubic structure formed by the Group 5 element and the Ge.
상기 분리막은 기공도가 약 1 부피% 미만 내지 기공도 약 0 부피%의 비다공성의 치밀막 구조로서 형성될 수 있다. 이와 같이 치밀막 구조로서 형성되어 분리 대상 물질만을 선택적으로 투과하여 분리해낼 수 있다. 상기 분리막을 수소 분리막으로 적용하는 경우 치밀막 구조로서 형성하여 수소만을 선택적으로 투과하여 분리한다. The separator may be formed as a nonporous dense membrane structure having a porosity of less than about 1% by volume and a porosity of about 0% by volume. In this way, it is formed as a dense membrane structure, and only the substance to be separated can be selectively transmitted and separated. When the separation membrane is applied as a hydrogen separation membrane is formed as a dense membrane structure to selectively separate only hydrogen permeate.
순수한 적어도 하나의 5족 원소로 이루어진 분리막은 수소 투과시 금속 수소 화합물(hydride)을 형성하여 취성화(embrittlement)가 일어날 수 있고, 이를 '수소 취성화(hydrogen embrittlement)'라고 하는데, 이와 같이 취성화된 부분에 외부 응력이 가해지면 수소 취성화 파괴(hydrogen embrittlement fracture)가 발생하게 된다. 수소 취성화 파괴를 억제하기 위해서는 수소 고용도를 낮추어야 한다. 상기 분리막은 적어도 하나의 5족 원소에 적어도 하나의 14족 원소를 합금화함으로써 순수한 적어도 하나의 5족 원소만으로 이루어진 막에 비하여 수소 고용도를 낮춘다. 상기 14족 원소는 공유 결합성 원소로서 5족 원소와 강하게 결합하여 합금의 수소 친화도를 낮추기 때문에 수소 고용도를 낮추고 취성화 상(brittle phase)인 금속 수소 화합물 생성의 억제가 가능하다. 예를 들면, 5족 원소인 Nb은 격자 크기가 크므로 대부분의 첨가 원소는 Nb의 격자 크기를 줄게 한다. 반면에 14족 원소 중 하나인 Ge 원소는 Nb의 격자 크기를 오히려 크게 하기도 한다. 격자 크기 측면에서만 볼 때, 격자 크기가 커지면, 수소가 고용될 수 있는 공간이 증가함으로 인하여 수소 고용도는 오히려 증가할 수 있다. DFT (Density Functional Theory) 계산을 통하여 격자 크기에 따른 수소의 금속 내 수소의 고용 에너지 (eV) 계산을 하면, 격자 크기가 커지면 수소의 고용 에너지가 증가하는 경향을 보인다. 또한 수소를 합금 내의 Ge 바로 옆(1st nearest neighbor)에 위치 시키면, 수소의 고용 에너지 값의 절대값이 감소함을 알 수 있다. 이를 통하여 14족 원소는 5족 원소와 합금화 시, 수소와의 친화성을 크게 낮추어 결과적으로 금속 수소 화합물의 생성을 억제함을 알 수 있다. 따라서, 14족 원소의 첨가에 의해 수소 친화도가 감소하여 금속 수소 화합물(Hydride) 생성의 억제를 통한 내취성이 개선되면서도 수소 고용도를 크게 떨어뜨리지 않을 수 있게 되고, 이로 인하여 높은 수소 투과도를 얻을 수 있다는 장점이 있다. Membranes composed of at least one pure Group 5 element may form embrittlement by forming a metal hydride during hydrogen permeation, which is called 'hydrogen embrittlement'. When external stress is applied to the fractured parts, hydrogen embrittlement fracture occurs. In order to suppress hydrogen embrittlement destruction, hydrogen solubility must be lowered. The separation membrane lowers the hydrogen solubility as compared with a membrane composed of at least one pure Group 5 element by alloying at least one Group 14 element with at least one Group 5 element. Since the Group 14 element is a covalently bonded element and strongly binds to the Group 5 element to lower the hydrogen affinity of the alloy, it is possible to lower the hydrogen solubility and to suppress the formation of a metal hydrogen compound that is a brittle phase. For example, Nb, a Group 5 element, has a large lattice size, so most of the additional elements reduce the lattice size of Nb. On the other hand, Ge element, which is one of group 14 elements, makes the lattice size of Nb rather large. In terms of lattice size only, as the lattice size increases, the hydrogen solubility may rather increase due to the increase in the space where hydrogen can be dissolved. When the solution energy (eV) of hydrogen in the metal according to the lattice size is calculated through the DFT (Density Functional Theory) calculation, the solution energy of hydrogen increases as the lattice size increases. In addition to placing a hydrogen Ge right side in the alloy (1 st nearest neighbor), it can be seen that the absolute value of the decrease in the employment of hydrogen energy value. It can be seen that the Group 14 element, when alloying with the Group 5 element, significantly lowers the affinity with hydrogen and consequently suppresses the generation of the metal hydrogen compound. Therefore, the hydrogen affinity is reduced by the addition of the Group 14 element, thereby improving the odor resistance through the suppression of the generation of metal hydrogen compounds (Hydride), while not significantly lowering the hydrogen solubility, thereby obtaining high hydrogen permeability. There is an advantage that it can.
상기 5족 원소는, 예를 들면, Nb, V 또는 Ta일 수 있다.The Group 5 element may be, for example, Nb, V or Ta.
상기 14족 원소는 Ge 또는 Si 일 수 있다.The Group 14 element may be Ge or Si.
도 1의 (a) 및 (b)에서와 같은 결정 구조를 형성하도록 14족 원소를 합금화하면 수소의 금속 내의 고용 에너지를 변화시키게 되어 수소 고용도를 저감시킨다. 수소 고용도는 금속 내에서 고용된 수소의 농도를 의미하며, 고용된 수소(H) 및 금속(M) 원자의 몰비(H/M)로 계산된다.Alloying the Group 14 element to form a crystal structure as shown in Figs. 1A and 1B changes the solid solution energy in the metal of hydrogen, thereby reducing the hydrogen solubility. Hydrogen solubility means the concentration of hydrogen dissolved in the metal and is calculated by the molar ratio (H / M) of the hydrogen (H) and metal (M) atoms dissolved.
한편, 상기 적어도 하나의 5족 원소에 상기 14족 원소가 합금화되면 순수한 적어도 하나의 5족 원소가 형성하는 결정 격자보다 격자 상수가 커지게 한다. 예를 들어, 14족 원소인 Ge 원소의 격자 상수는 약 5.6Å으로 5족 원소에 비해 크기 때문에, 5족 원소에 합금화되면 합금의 격자 상수가 순수한 5족 원소보다 커지거나 다른 원소(Ni, Fe, Mn 등)의 첨가에 의한 합금의 격자 크기와 비교하면 수축 정도가 작다. 예를 들어, 5족 원소 중 하나인 Nb는 격자 상수가 약 3.3Å이다. 상기 분리막은 예를 들면 결정구조의 격자 상수가 상온(약 25℃)에서 약 3.2 내지 약 3.4 Å일 수 있다. 구체적으로 상기 분리막은 결정구조의 격자 상수가 약 3.22 내지 약 3.38 Å일 수 있고, 보다 구체적으로 상기 분리막은 결정구조의 격자 상수가 약 3.25 내지 약 3.35 Å일 수 있다. 다른 예를 들어, V 및 Ge의 합금의 결정구조의 격자 상수가 상온(약 25℃)에서 약 2.9 내지 약 3.2 Å일 수 있다.On the other hand, when the Group 14 element is alloyed with the at least one Group 5 element, the lattice constant becomes larger than the crystal lattice formed by the pure at least one Group 5 element. For example, since the lattice constant of the Ge element, which is a Group 14 element, is about 5.6Å, which is larger than that of the Group 5 element, when alloyed with a Group 5 element, the lattice constant of the alloy is larger than that of the pure Group 5 element, or other elements (Ni, Fe). , Shrinkage is small compared with the lattice size of the alloy by the addition of Mn). For example, Nb, one of the Group 5 elements, has a lattice constant of about 3.3 mA. For example, the separator may have a lattice constant of about 3.2 to about 3.4 GPa at room temperature (about 25 ° C.). Specifically, the separator may have a lattice constant of about 3.22 to about 3.38 GPa, and more specifically, the separator may have a lattice constant of about 3.25 to about 3.35 GPa. As another example, the lattice constant of the crystal structure of the alloy of V and Ge may be about 2.9 to about 3.2 kPa at room temperature (about 25 ° C.).
이와 같이 결정구조의 격자 상수가 매우 작게 줄어들거나 오히려 커지게 되기 때문에 상기 합금은 수소의 취성 파괴를 억제하면서도 수소 투과도가 높다. 일구현예에서, 상기 분리막은 상기 결정구조의 격자 상수가 상온에서 상기 적어도 하나의 5족 원소만으로 형성되는 격자 상수를 100%라고 할 때, 약 97% 내지 약 105% 범위에 존재할 수 있다.Since the lattice constant of the crystal structure is very small or rather large, the alloy has high hydrogen permeability while suppressing brittle fracture of hydrogen. In one embodiment, the separator may be present in the range of about 97% to about 105% when the lattice constant of the crystal structure is 100% at room temperature, the lattice constant formed of only the at least one Group 5 element.
수소 고용도를 많이 낮추면 수소 취성화 억제 측면에서 바람직할 수 있으나, 수소 투과도가 함께 낮아지기 때문에 성능 측면에서는 바람직하지 않을 수 있다. 전술한 바와 같이 상기 분리막은 적어도 하나의 14족 원소를 적어도 하나의 5족 원소에 합금화시켜서 수소 고용도를 낮출 수 있으나, 순수한 적어도 하나의 5족 원소가 형성하는 결정 격자보다 격자 상수를 커지게 하기 때문에 수소 고용도를 과도하게 낮추지 않고 수소 투과도를 확보할 수 있다. 동시에, 상기 14족 원소는 수소 친화도가 낮기 때문에 수소 취성화 문제 또한 효과적으로 억제할 수 있다. 결국, 상기 분리막은 수소 취성화 문제를 해결하면서도 수소 투과도가 우수하여, 수소 분리막으로 유용하게 적용될 수 있다.Lowering the hydrogen solubility may be desirable in terms of inhibiting hydrogen embrittlement, but may be undesirable in terms of performance since the hydrogen permeability is also lowered. As described above, the separator may lower the hydrogen solubility by alloying at least one Group 14 element with at least one Group 5 element, but may have a lattice constant larger than that of the crystal lattice formed by the pure at least one Group 5 element. Therefore, hydrogen permeability can be secured without excessively lowering the hydrogen solubility. At the same time, since the Group 14 element has a low hydrogen affinity, the hydrogen embrittlement problem can also be effectively suppressed. As a result, the separation membrane is excellent in hydrogen permeability while solving the hydrogen embrittlement problem, it can be usefully applied as a hydrogen separation membrane.
상기 분리막은 14족 원소의 함량을 변화시켜 응용하고자 하는 막의 특성에 맞추어 설계할 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막은 14족 원소를 약 0.1 내지 약 20 원자%, 구체적으로 약 1 내지 약 15 원자%, 보다 구체적으로, 약 5 내지 약 10 원자% 함량으로 포함할 수 있다. 상기 함량 범위로 14족 원소를 포함하는 분리막은 수소 투과 특성이 우수하면서도 내취성을 개선 시킬 수 있다. 상기 함량 범위로 알 수 있듯이, 상기 분리막은 적은 양의 14족 원소를 합금화시켜서 수소 분리막으로서 유용한 물성을 확보할 수 있다.The separator may be designed in accordance with the characteristics of the membrane to be applied by changing the content of the Group 14 element. Specifically, the separator may include a Group 14 element in an amount of about 0.1 to about 20 atomic%, specifically about 1 to about 15 atomic%, and more specifically, about 5 to about 10 atomic%. Separation membrane containing a Group 14 element in the content range can improve the permeability while excellent hydrogen permeability characteristics. As can be seen from the above content range, the separator can be alloyed with a small amount of Group 14 elements to secure useful properties as a hydrogen separator.
상기 분리막은 적어도 하나의 5족 원소 및 적어도 하나의 14족 원소 외에 다른 추가 금속을 더 포함하는 합금일 수 있고, 예를 들어, 3 성분계 합금, 4 성분계 또는 5 성분계 합금 등일 수 있다. 상기 추가 금속은 Zr, Ti, Y, Ni, Al, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나일 수 있다. 상기 추가 금속이 더 포함되어 상기 분리막의 연성이 증대될 수 있다. 분리막의 연성이 증대되면, 수소 취성화 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있다.The separator may be an alloy further comprising another additional metal in addition to at least one Group 5 element and at least one Group 14 element, and may be, for example, a three-component alloy, a four-component or five-component alloy, or the like. The additional metal may be one selected from the group comprising Zr, Ti, Y, Ni, Al, and combinations thereof. The additional metal may be further included to increase ductility of the separator. Increasing the ductility of the separator may help to alleviate hydrogen embrittlement problems.
상기 추가 금속 역시 상기 합금 내에서 상기 5족 원소 및 14족 원소와 함께 체심입방구조의 결정구조를 형성할 수 있다. 상기 추가 금속을 더 포함하는 합금은 일부 금속간 화합물(intermetallic compound)을 형성할 수 있지만, 대부분 체심입방구조의 결정구조를 형성함으로써 상기 추가 금속을 더 포함하는 합금으로 이루어진 분리막에서도 합금의 약 80 부피% 이상이 체심입방구조의 결정구조로 이루어질 수 있다.The additional metal may also form a body-centered cubic structure together with the Group 5 and Group 14 elements in the alloy. The alloy further comprising the additional metal may form some intermetallic compound, but is mostly about 80 vol. Of the alloy even in a separator made of an alloy further comprising the additional metal by forming a crystal structure of a body centered cubic structure. More than% may be composed of the crystal structure of the body-centered cubic structure.
상기 분리막이 상기 추가 금속을 더 포함하는 경우, 상기 분리막에 포함되는 합금은 상기 14족 원소 약 0.1 내지 약 20원자% 및 상기 추가 금속 약 0.1 내지 약 30원자%를 포함할 수 있다.When the separator further includes the additional metal, the alloy included in the separator may include about 0.1 to about 20 atomic% of the Group 14 element and about 0.1 to about 30 atomic% of the additional metal.
전술한 바와 같이, 상기 분리막을 이용하여 제조된 수소 분리막은 감소된 수소 고용도를 갖게 되고, 구체적으로, Nb 합금에서 약 0.1 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M, 여기서, H는 수소 원자의 몰수이고, M은 합금 내 금속 원자의 몰수를 의미함)가 약 0.01 내지 약 0.70일 수 있고, 보다 구체적으로 약 0.05 내지 약 0.65일 수 있다. 보다 구체적으로, 약 0.7 MPa[= 약 7 bar] 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M, 여기서, H는 수소 원자의 몰수이고, M은 합금 내 금속 원자의 몰수를 의미함)가 약 0.2 내지 약 0.6일 수 있다.As described above, the hydrogen separator prepared using the separator has a reduced hydrogen solubility, and specifically, the hydrogen solubility measured at about 0.1 to about 1 MPa hydrogen pressure and about 400 ° C. in the Nb alloy ( H / M, where H is the number of moles of hydrogen atoms, M means the number of moles of metal atoms in the alloy) can be from about 0.01 to about 0.70, more specifically from about 0.05 to about 0.65. More specifically, hydrogen solubility measured at about 0.7 MPa [= about 7 bar] hydrogen pressure and about 400 ° C. (H / M, where H is the number of moles of hydrogen atoms, and M is the number of moles of metal atoms in the alloy. Mean), from about 0.2 to about 0.6.
또한, 상기와 같이 제조된 분리막을 이용하여 제조된 수소 분리막은 수소 투과도가 우수하다. 수소 투과도는 하기 수학식으로 계산될 수 있다.In addition, the hydrogen separation membrane prepared using the separator prepared as described above has excellent hydrogen permeability. Hydrogen permeability can be calculated by the following equation.
[수학식 1][Equation 1]
투과도(permeability) = 용해도 계수(S) × 확산계수(D)Permeability = solubility factor (S) × diffusion coefficient (D)
상기 분리막의 수소 투과도(hydrogen permeability)는 약 400℃ 조건에서 약 1.0×10-8 내지 약 10.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2 일 수 있고, 구체적으로 약 2.0×10-8 내지 약 5.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2일 수 있고, 보다 구체적으로, 약 3.0×10-8 내지 약 5.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2일 수 있다. 상기 분리막의 두께는 약 1 내지 약 500㎛, 구체적으로 약 10 내지 약 100㎛일 수 있다. 분리막은 상기 범위의 두께를 가질 때 분리막의 용도로 적용되기에 적절한 투과도(permeability)를 가질 수 있다. 상기 두께는 도 3의 수소 분리막(23)의 두께 또는 도 4의 수소 분리막(33) 관의 두께일 수 있다.Hydrogen permeability (hydrogen permeability) of the separator is from about 400 ℃ conditions of about 1.0 × 10 -8 to about 10.0 × 10 -8 mol / m * s *
상기 분리막은 공지된 합금 제조 방법에 따라 제조될 수 있고, 그 방법에 제한되지 않는다. 예를 들면, 아크멜팅법(arc melting), 유도용해법(induction melting) 등에 의하여 각 금속을 균일하게 용해하고, 원하는 두께의 막을 제작하기 위하여 열간압연(hot rolling) / 냉간압연(cold rolling) / 도금 공정에 의해 분리막을 제조할 수 있다.The separator may be prepared according to a known alloy production method, it is not limited to that method. For example, hot rolling / cold rolling / plating in order to uniformly dissolve each metal by arc melting, induction melting, etc., and to produce a film having a desired thickness. Separation membrane can be manufactured by a process.
상기 수소 분리막은 상기 분리막의 일면 또는 양면에 촉매층이 더 형성된 것일 수 있다. 도 2는 분리막(11)의 양면에 촉매층(12)이 형성된 수소 분리막(10)을 도시한 것으로서, 수소 기체(H2)가 수소 분리막을 통과하는 매커니즘을 모식적으로 나타내었다. 전술한 바와 같이, 수소 분리막(10)을 통한 수소의 투과는 수소 원자에 의해 이루어지므로, 수소 분자 (H2)의 수소 원자(H)로의 해리가 필요하다. 상기 촉매층(12)은 그러한 수소 분자의 해리를 도와주는 촉매로 작용할 수 있다. 상기 수소 분리막(10)을 통과하여 선택적으로 투과된 수소는 다시 수소 분자로 재결합이 필요하며, 이러한 재결합도 상기 촉매층(12)에 의해 가속될 수 있다.The hydrogen separation membrane may be a catalyst layer is further formed on one side or both sides of the separation membrane. FIG. 2 illustrates a
상기 촉매층(12)은 전술한 바와 같이 수소 분리막(10)의 표면에서 수소 분자를 해리하거나 수소 분자로 재결합시키는 반응의 촉매 작용을 할 수 있는 물질로 제한없이 이루어질 수 있고, 구체적으로, Pd, Pt, Ru, Ir 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나와 Cu, Ag, Au, Rh, Ni, Fe, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 합금을 포함할 수 있다.The
상기 촉매층(12)의 두께는 예를 들어 약 50 내지 약 1,000 nm, 구체적으로 약 100 내지 약 300 nm일 수 있다. 촉매층(12)이 상기 범위의 두께를 가질 때, 전체 수소 분리막(10)의 투과도를 저해하지 않으면서도 원활한 촉매 작용을 할 수 있다.The thickness of the
상기 수소 분리막은 상기 분리막(11) 및 상기 촉매층(12)이 접하여 형성될 수 있다. 즉, 상기 수소 분리막은 그 수소 분리 특성이 우수하기 때문에, 별도의 보조 층을 더 포함하지 않고 상기 분리막(11) 및 상기 촉매층(12)으로만 구성되어 원하는 효용을 달성할 수 있다.The hydrogen separation membrane may be formed by contacting the
본 발명의 또 다른 구현예에서는, 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치가 제공된다.In another embodiment of the present invention, a hydrogen separation device including the hydrogen separation membrane is provided.
일 구현예에서, 상기 수소 분리 장치는, 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단을 구비하는 챔버; 분리된 수소 기체의 배출 수단을 포함하는 배출실; 및 상기 수소 분리막을 포함한다.In one embodiment, the hydrogen separation device comprises: a chamber having means for supplying a mixed gas comprising hydrogen gas; A discharge chamber including discharge means for separating hydrogen gas; And the hydrogen separation membrane.
상기 수소 분리막은 상기 수소 분리막의 일 표면이 상기 챔버에 접하고, 다른 표면이 상기 배출실에 접하도록 위치한다.The hydrogen separation membrane is positioned such that one surface of the hydrogen separation membrane is in contact with the chamber and the other surface is in contact with the discharge chamber.
도 11은 일 구현예에 따른 상기 수소 분리 장치(20)를 간략하게 도시한 모식도이다. 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단(21)를 통하여 수소 기체를 포함하는 혼합 기체가 챔버(22)로 투입되면, 혼합 기체 중 수소 기체만 선택적으로 수소 분리막(23)을 통하여 배출실(24)로 분리된다. 분리된 수소 기체는 배출 수단(25)을 통하여 회수될 수 있다. 상기 수소 분리 장치(20)는 수소 기체가 분리된 나머지 기체를 회수하기 위한 수단(26)이 챔버에 더 구비될 수 있다. 상기 수소 분리 장치(20)는 설명의 편의를 위하여 간소화된 형태로 도시된 것이므로, 용도에 따라 추가 구성 성분을 더 포함할 수 있다.11 is a schematic diagram schematically showing the
도 12는 상기 수소 분리 장치(30)가 관형으로 형성된 다른 구현예를 나타낸 모식도이다. 상기 수소 분리 장치(30)는 관형의 수소 분리막(33)을 포함하고, 상기 수소 분리막(33)의 외부에 상기 관형의 수소 분리막의 직경 보다 큰 원통형의 챔버 격벽(36)이 형성되어, 상기 챔버 격벽(36)과 상기 수소 분리막 사이의 공간이 챔버(32)로서 형성되고, 상기 관형의 수소 분리막 내부는 수소가 배출되는 배출실(34)로서 형성된다. 상기 챔버(32)에 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단(미도시) 및 수소 기체가 분리된 나머지 기체의 회수 수단(미도시)이 더 구비될 수 있다. 또한, 상기 배출실(34)에 분리된 수소 기체를 배출하는 배출 수단(미도시)이 더 구비될 수 있다.12 is a schematic view showing another embodiment in which the
또 다른 구현예에서, 관형의 수소 분리막(33)을 포함하는 경우로서, 도 4의 경우와는 반대로 관형의 수소 분리막(33)의 내부에 혼합 기체가 공급되고 상기 혼합 기체 중 수소가 관형의 수소 분리막(33)을 통과하여 관형의 수소 분리막(33)의 외부로 분리되어 수소가 배출되도록 형성될 수 있다. 즉, 수소 분리막(33)의 내부는 혼합 기체가 공급되는 챔버로서 형성되고, 수소 분리막(33)의 외부는 수소가 배출되는 배출실로서 형성된다.In another embodiment, in the case of including the tubular
본 발명의 또다른 구현예에서는, 적어도 하나의 5족 원소 및 적어도 하나의 14족 원소를 가열하여 합금을 형성하고, 상기 합금을 압연(rolling)하여 분리막을 형성하는 것을 포함하는 분리막의 제조 방법이 제공된다.In another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a separator comprising heating an at least one Group 5 element and at least one Group 14 element to form an alloy and rolling the alloy to form a separator. Is provided.
상기 적어도 하나의 14족 원소는 Ge 또는 Si일 수 있다.The at least one group 14 element may be Ge or Si.
본 발명의 또다른 구현예에서는, 상기 구현예에 따른 수소 분리 장치를 제공하고, 상기 수소 분리 장치의 챔버에 수소 함유 가스를 제공하고, 상기 수소 분리 장치의 상기 수소 분리막을 통해 수소를 확산시켜 정제하는 것을 포함하는 수소 정제 방법이 제공된다.
In another embodiment of the present invention, there is provided a hydrogen separation device according to the embodiment, providing a hydrogen-containing gas to the chamber of the hydrogen separation device, by purifying hydrogen through the hydrogen separation membrane of the hydrogen separation device purification A hydrogen purification method is provided that includes.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
The following presents specific embodiments of the present invention. However, the embodiments described below are merely for illustrating or explaining the present invention in detail, and thus the present invention is not limited thereto.
(( 실시예Example ) )
실시예Example 1 One
Nb 및 Ge 금속을 아크 멜팅 로(furnace)에서 균일하게 용해하여 합금을 형성하여 50 ㎛ 두께의 분리막으로 이루어진 수소 분리막을 제조한다. 구체적으로 Nb 95 원자% 및 Ge 5 원자%를 칭량하여 재료를 준비한 다음 상기 아크 멜팅 로(furnace)에 넣고, 상기 아크 멜팅 로를 고진공 (5x10-5 torr 이하) 상태에서 Ar 가스를 주입하여 산화 방지 조건을 만든 후, 전류를 증가시켜 상기 재료를 녹인 다음 충분히 냉각한다. 원하는 두께의 막을 제작하기 위하여 냉간압연(cold rolling) 공정 후 어닐링 하여 분리막을 제조한 후, 상기 막의 양면에 얇은 Pd 막을 rf 스퍼터링 (rf sputtering) 공정으로 처리하여 200 nm 두께로 코팅하여 수소 분리막을 제조한다.
Nb and Ge metals are uniformly dissolved in an arc melting furnace to form an alloy to prepare a hydrogen separator consisting of a separator having a thickness of 50 μm. Specifically, a material was prepared by weighing 95 atomic% Nb and 5 atomic% Ge, and then placed in the arc melting furnace to prevent oxidation by injecting Ar gas in a high vacuum (5x10 -5 torr or lower). After making the condition, the current is increased to melt the material and then cooled sufficiently. In order to manufacture a film having a desired thickness, annealing is performed after the cold rolling process, and then a thin Pd film is treated by an rf sputtering process on both sides of the film to coat a 200 nm thickness to prepare a hydrogen separation membrane. do.
실시예Example 2 2
Nb 90원자% 및 Ge 10원자%를 칭량하여 준비된 재료를 사용하여 막을 제조한 점을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수소 분리막을 제조한다.
A hydrogen separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the membrane was prepared using a material prepared by weighing 90 atom% Nb and 10 atom% Ge.
실시예Example 3 3
V 및 Ge 금속을 아크 멜팅 로(furnace)에서 균일하게 용해하여 합금을 형성하여 50 ㎛ 두께의 분리막으로 이루어진 수소 분리막을 제조한다. 구체적으로 Nb 95 원자% 및 Ge 5 원자%를 칭량하여 재료를 준비한 다음 상기 아크 멜팅 로(furnace)에 넣고, 상기 아크 멜팅 로를 고진공 (5x10-5 torr 이하) 상태에서 Ar 가스를 주입하여 산화 방지 조건을 만든 후, 전류를 증가시켜 상기 재료를 녹인 다음 충분히 냉각한다. 원하는 두께의 막을 제작하기 위하여 냉간압연(cold rolling) 공정 후 어닐링 하여 분리막을 제조한 후, 상기 막의 양면에 얇은 Pd 막을 rf 스퍼터링 (rf sputtering) 공정으로 처리하여 200 nm 두께로 코팅하여 수소 분리막을 제조한다.
The V and Ge metals are uniformly dissolved in an arc melting furnace to form an alloy to prepare a hydrogen separator consisting of a separator having a thickness of 50 μm. Specifically, a material was prepared by weighing 95 atomic% Nb and 5 atomic% Ge, and then placed in the arc melting furnace to prevent oxidation by injecting Ar gas in a high vacuum (5x10 -5 torr or lower). After making the condition, the current is increased to melt the material and then cooled sufficiently. In order to manufacture a film having a desired thickness, annealing is performed after the cold rolling process, and then a thin Pd film is treated by an rf sputtering process on both sides of the film to coat a 200 nm thickness to prepare a hydrogen separation membrane. do.
실시예Example 4 4
V 95 원자% 및 Si 5 원자%를 칭량하여 준비된 재료를 사용하여 막을 제조한 점을 제외하고, 실시예 3에서와 동일한 방법으로 수소 분리막을 제조한다.
A hydrogen separation membrane was prepared in the same manner as in Example 3, except that the membrane was prepared using a material prepared by weighing V 95 atomic% and Si 5 atomic%.
비교예Comparative example 1 One
순수한 Nb으로 이루어진 50㎛ 두께의 수소 분리막을 제조한다.
A 50 μm thick hydrogen separation membrane made of pure Nb was prepared.
비교예Comparative example 2 2
Nb 95 원자% 및 Fe 5 원자%를 칭량하여 준비된 재료를 사용하여 막을 제조한 점을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수소 분리막을 제조한다.
A hydrogen separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the membrane was prepared using a material prepared by weighing 95 atomic% Nb and 5 atomic% Fe.
비교예Comparative example 3 3
Pd 100 원자%를 칭량하여 준비된 재료를 사용하여 막을 제조한 점을 제외하고, 실시예 1에서와 동일한 방법으로 수소 분리막을 제조한다.A hydrogen separation membrane was prepared in the same manner as in Example 1, except that the membrane was prepared using a material prepared by weighing 100 atomic% Pd.
비교예Comparative example 4 4
V 금속만을 아크 멜팅 로(furnace)에서 균일하게 용해하여 50 ㎛ 두께의 분리막으로 이루어진 수소 분리막을 제조한다. 구체적으로 V 원소 100 원자%를 칭량하여 재료를 준비한 다음 상기 아크 멜팅 로(furnace)에 넣고, 상기 아크 멜팅 로를 고진공 (5x10-5 torr 이하) 상태에서 Ar 가스를 주입하여 산화 방지 조건을 만든 후, 전류를 증가시켜 상기 재료를 녹인 다음 충분히 냉각한다. 원하는 두께의 막을 제작하기 위하여 냉간압연(cold rolling) 공정 후 어닐링 하여 분리막을 제조한 후, 상기 막의 양면에 얇은 Pd 막을 rf 스퍼터링 (rf sputtering) 공정으로 처리하여 200 nm 두께로 코팅하여 수소 분리막을 제조한다.
Only the V metal was uniformly dissolved in an arc melting furnace to produce a hydrogen separator consisting of a separator having a thickness of 50 μm. Specifically, a material is prepared by weighing 100 atomic% of V elements, and then the material is placed in the arc melting furnace, and the arc melting furnace is injected with Ar gas under a high vacuum (5x10 -5 torr or less) to form an oxidation preventing condition. The current is melted by increasing the current and then cooled sufficiently. In order to manufacture a film having a desired thickness, annealing is performed after the cold rolling process, and then a thin Pd film is treated by an rf sputtering process on both sides of the film to coat a 200 nm thickness to prepare a hydrogen separation membrane. do.
실험예Experimental Example 1: 수소 1: hydrogen 고용도의Employment 평가 evaluation
상기 실시예 1, 실시예 2, 비교예 2 및 비교예 3 에서 제조된 수소 분리막에 대하여, JIS H7201 규격에 따라 400℃에서 수소 압력 별로 수소 고용도를 측정하고, 수소 고용도를 평가하기 위하여 PCT(pressure-concentration-temperature) 평가를 진행한다. 하기 표 1에 0.7 MPa에서의 수소 고용도 값을 기재한다.For the hydrogen separation membranes prepared in Examples 1, 2, Comparative Example 2 and Comparative Example 3, in order to measure the hydrogen solubility by hydrogen pressure at 400 ° C. according to JIS H7201 standard, and to evaluate the hydrogen solubility, PCT Conduct a pressure-concentration-temperature evaluation. Table 1 lists the hydrogen solubility values at 0.7 MPa.
도 5는 실시예 1, 실시예 2, 및 비교예 1에 대한 PCT 그래프이다.5 is a PCT graph for Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG.
실시예 1 및 실시예 2는 비교예 2에 비하여 수소 고용도가 낮아짐을 확인할 수 있다.Example 1 and Example 2 it can be confirmed that the hydrogen solubility is lower than the comparative example 2.
상기 실시예 3, 및 실시예 4에서 제조된 수소 분리막에 대하여, JIS H7201 규격에 따라 400℃에서 수소 압력 별로 수소 고용도를 측정하고, 수소 고용도를 평가하기 위하여 PCT(pressure-concentration-temperature) 평가를 진행한다. For the hydrogen separation membranes prepared in Examples 3 and 4, the pressure-concentration-temperature (PCT) was measured to measure the hydrogen solubility of each hydrogen pressure at 400 ° C. according to JIS H7201. Proceed with the evaluation.
도 8 은 실시예 3 및 실시예 4에 대한 PCT 그래프이다.8 is a PCT graph for Example 3 and Example 4. FIG.
도 8로부터 알 수 있는 것처럼, Si과 Ge은 모두 순수 V 대비 (H/M = 0.55) 수소 고용도 저감 효과가 있는 것으로 판단되며, 0.7 MPa (7 bar)의 수소 압력 하에서 수소 농도(H/M)은 V-Si (5 원자%)의 경우는 0.21이었고, V-Ge (5 원자%)의 경우는 0.33 이었다.
As can be seen from FIG. 8, both Si and Ge are considered to have an effect of reducing hydrogen solubility compared to pure V (H / M = 0.55), and hydrogen concentration (H / M) under hydrogen pressure of 0.7 MPa (7 bar). ) Was 0.21 for V-Si (5 atomic%) and 0.33 for V-Ge (5 atomic%).
실험예Experimental Example 2: 2: 체심입방구조Body Cubic Structure 유지 및 금속 수소 화합물 생성 유무 평가 Evaluation of oils and fats and the generation of metal hydrogen compounds
실시예 1 및 비교예 1 내지 2 에서 제조된 수소 분리막에 대하여 3 MPa까지 수소 고용 후 상온(약 25℃)으로 냉각한 뒤 X선 회절 분석(XRD)을 실시하여 금속 수소 화합물에 해당하는 피크가 생성되는지 평가하여 표 1에 기재한다. 도 6은 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 수소 분리막에 대하여 상기 XRD를 측정 결과이다. 실시예 1에서 체심입방구조를 잘 유지하고 있음을 확인할 수 있고, 수소 고용 후에도 금속 수소 화합물이 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다. The hydrogen separation membranes prepared in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were cooled to room temperature (about 25 ° C.) after solid solution of hydrogen to 3 MPa, and then subjected to X-ray diffraction analysis (XRD) to obtain peaks corresponding to metal hydrogen compounds. It is listed in Table 1 to evaluate the production. 6 is a result of measuring the XRD for the hydrogen separation membranes prepared in Example 1 and Comparative Example 1. In Example 1, it can be confirmed that the body-centered cubic structure is well maintained, and it is confirmed that the metal hydrogen compound hardly occurs even after hydrogen solid solution.
한편, 비교예 1의 수소 분리막에서 수소 고용 후 금속 수소 화합물이 생성된 것을 보여주는 피크를 확인할 수 있고(XRD 피크 내에 점선으로 된 원으로 표시됨), 비교예 1의 수소 분리막의 수소 고용 전 XRD 결과로부터 상기 금속 수소 화합물이 수소 고용 전에 존재하지 않음을 확인한다.On the other hand, the peak showing that the metal hydrogen compound was formed after the hydrogen solubility in the hydrogen separation membrane of Comparative Example 1 can be seen (indicated by the dotted circle in the XRD peak), from the XRD results before the hydrogen solubility of the hydrogen separation membrane of Comparative Example 1 It is confirmed that the metal hydrogen compound is not present before hydrogen solubility.
또한, 실시예 3과 실시예 4, 및 비교예 4에서 제조된 수소분리막에 대하여 3 MPa까지 수소 고용 후 상온(약 25℃)으로 냉각한 뒤 X선 회절 분석(XRD)을 실시하여 금속 수소 화합물에 해당하는 피크가 생성되는지 평가하여 도 9에 나타낸다. 도 9로부터, 실시예 3과 실시예 4, 및 비교예 4 모두에서 체심입방구조를 잘 형성하고 있음을 확인할 수 있다.
In addition, the hydrogen separation membranes prepared in Examples 3, 4, and Comparative Example 4 were cooled to room temperature (about 25 ° C.) after solid solution of hydrogen to 3 MPa, and then subjected to X-ray diffraction analysis (XRD) to perform metal hydrogen compounds It is shown in FIG. 9 by evaluating whether the peak corresponding to the present invention is produced. From Fig. 9, it can be confirmed that the body-centered cubic structure is well formed in both Example 3, Example 4, and Comparative Example 4.
실험예Experimental Example 3: 격자 크기 평가 3: grid size evaluation
실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1 에서 제조된 수소 분리막에 대하여 X선 회절 분석(XRD)을 실시한다. 도 7의 (a)는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 대한 XRD 결과이다. 도 7의 (b)는 측정각 (2θ) 35 내지 40 위치에서의 최대 피크 부분을 확대한 것이다. XRD의 각도로부터 결정 격자 크기를 구할 수 있으며, 비교예 1 (~3.295 Å)과 비교하여 실시예 1 및 실시예 2는 3.295 내지 3.303 Å의 값을 가지고 있어 격자 크기가 줄어들지 않거나 커졌음을 알 수 있다.X-ray diffraction analysis (XRD) is performed on the hydrogen separation membranes prepared in Example 1, Example 2 and Comparative Example 1. 7 (a) shows XRD results for Example 1, Example 2, and Comparative Example 1. FIG. FIG. 7B is an enlarged view of the maximum peak portion at the measurement angle (2θ) 35 to 40 positions. The crystal lattice size can be obtained from the angle of XRD, and compared with Comparative Example 1 (~ 3.295 mm 3), Examples 1 and 2 have values of 3.295 to 3.303 mm 3, indicating that the lattice size is not reduced or enlarged. have.
한편, 도 9는 실시예 3과 실시예 4, 및 비교예 4에서 제조된 수소 분리막에 대한 XRD 그래프를 나타내며, 도 10은 도 9의 측정각 (2θ) 40 내지 45 위치에서의 최대 피크 부분을 확대한 것이다. XRD의 각도로부터 결정 격자 크기를 구할 수 있으며, 비교예 4 (~3.021 Å)과 비교하여, 실시예 3 및 실시예 4는 3.018 내지 3.032 Å의 값을 가지고 있어 격자 크기가 줄어들지 않거나 커졌음을 알 수 있다.
FIG. 9 shows XRD graphs of the hydrogen separation membranes prepared in Examples 3 and 4, and Comparative Example 4, and FIG. 10 shows a maximum peak portion at the 40 to 45 measurement angle (2θ) of FIG. 9. It is enlarged. The crystal lattice size can be obtained from the angle of XRD, and compared with Comparative Example 4 (˜3.021 mm 3), Examples 3 and 4 have values of 3.018 to 3.032 mm 3, indicating that the lattice size is not reduced or enlarged. Can be.
실험예Experimental Example 4: 수소 투과 특성 평가 4: hydrogen permeation characteristics evaluation
위의 결과들을 토대로 실시예 1 내지 4, 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 수소 분리막에 대하여 하기 수학식 2로부터 수소 투과 계수 (Permeability, DH x SH)를 측정 하였다. 여기서 ((PH2 , in)1/2-(PH2 , out)1/2)는 수소 분리막의 수소 입력과 출력의 수소 분압의 제급근의 차이이다.Based on the above results, the hydrogen permeability coefficients (Permeability, D H x S H ) of the hydrogen separation membranes prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were measured. Where ((P H2 , in ) 1/2- (P H2 , out ) 1/2 ) is the difference between the square roots of the hydrogen partial pressures of the hydrogen input and output of the hydrogen separator.
[수학식 2][Equation 2]
상기 식에서, Flux(J)는 단위 면적당 수소 투과 속도이고, L은 수소 분리막의 두께이고, DH는 수소 원자의 확산 계수이고, SH는 수소 고용도이다.In the above formula, Flux (J) is the hydrogen permeation rate per unit area, L is the thickness of the hydrogen separation membrane, D H is the diffusion coefficient of the hydrogen atoms, and S H is the hydrogen solubility.
하기 표 2에 상기 수학식 2에 따라 계산된 수소 투과도 결과를 기재한다. 표 2에서, 실시예 1 내지 4는 비교예 3보다 우수한 수소 투과 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.Table 2 lists the hydrogen permeability results calculated according to
1Example
One
(Nb)Comparative Example 1
(Nb)
(Nb-Fe)Comparative Example 2
(Nb-Fe)
(Pd)Comparative Example 3
(Pd)
(x10-8 mol/m*s*Pa1 /2) Hydrogen permeability
(x10 -8 mol / m * s *
파괴Measuring
Destruction
파괴Measuring
Destruction
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구 범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of the invention.
1: 5족 원소 2: 14족 원소
10: 수소 분리막 11: 분리막
12: 촉매층 20, 30: 수소 분리 장치
21: 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단
22, 32: 챔버 23, 33: 수소 분리막
24, 34: 배출실 26: 회수 수단
25: 분리된 수소 기체의 배출 수단
36: 챔버 격벽1: group 5 element 2: group 14 element
10: hydrogen separation membrane 11: separation membrane
12:
21: supply means of a mixed gas containing hydrogen gas
22, 32:
24, 34: discharge chamber 26: recovery means
25: means for discharging separated hydrogen gas
36: chamber bulkhead
Claims (20)
상기 합금의 결정 구조의 격자 상수는, 상온에서 상기 적어도 하나의 5족 원소만으로 형성되는 결정 구조의 격자 상수의 98% 내지 105% 범위 내에 존재하는 분리막.The method of claim 1,
The lattice constant of the crystal structure of the alloy is in the range of 98% to 105% of the lattice constant of the crystal structure formed of only the at least one Group 5 element at room temperature.
상기 분리막의 기공도가 0 부피% 내지 1 부피% 미만인 분리막.The method of claim 1,
Separation membrane having a porosity of less than 1% by volume of the separator.
상기 분리막의 두께는 1 내지 500㎛인 분리막.The method of claim 1,
Separation membrane having a thickness of 1 to 500㎛.
0.1 내지 1 MPa 수소압 및 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도(H/M, 여기서, H는 수소 원자의 몰수이고, M은 합금의 금속 원자의 몰수를 의미함)가 0.1 내지 1인 수소 분리막.The method of claim 10,
Hydrogen solubility measured at 0.1 to 1 MPa hydrogen pressure and 400 ° C. (H / M, where H is the number of moles of hydrogen atoms and M is the number of moles of metal atoms of the alloy) of 0.1 to 1 hydrogen separation membrane .
400℃ 조건에서 수소 투과도(hydrogen permeability)가 1.0×10-8 내지 10.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2인 수소 분리막.The method of claim 10,
Hydrogen permeability at 400 ℃ conditions (hydrogen permeability) is 1.0 × 10 -8 to about 10.0 × 10 -8 mol / m * s * Pa 1/2 of a hydrogen separation membrane.
상기 분리막의 일면 또는 양면에 형성된 촉매층을 더 포함하는 수소 분리막.The method of claim 10,
Hydrogen separation membrane further comprising a catalyst layer formed on one side or both sides of the separation membrane.
상기 분리막과 상기 촉매층이 접하여 형성된 수소 분리막.The method of claim 13,
A hydrogen separation membrane formed by contacting the separation membrane and the catalyst layer.
상기 촉매층은 Pd, Pt, Ru, Ir, 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나와 Cu, Ag, Au, Rh, Ni, Fe, 및 이들의 조합에서 선택된 적어도 하나의 합금을 포함하는 수소 분리막.The method of claim 14,
The catalyst layer comprises at least one selected from Pd, Pt, Ru, Ir, and combinations thereof and at least one alloy selected from Cu, Ag, Au, Rh, Ni, Fe, and combinations thereof.
수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단을 구비하는 챔버; 및
분리된 수소 기체의 배출 수단을 포함하는 배출실을 포함하고,
상기 수소 분리막은 상기 수소 분리막의 일 표면이 상기 챔버에 접하고, 다른 표면이 상기 배출실에 접하도록 위치하는 수소 분리 장치.A hydrogen separation membrane according to claim 10;
A chamber having means for supplying a mixed gas containing hydrogen gas; And
A discharge chamber including discharge means for separating hydrogen gas,
The hydrogen separator is positioned so that one surface of the hydrogen separator in contact with the chamber, the other surface in contact with the discharge chamber.
상기 수소 분리막은 관형으로 형성되고,
상기 수소 분리막의 외부에 상기 관형의 수소 분리막의 직경 보다 큰 원통형의 챔버 격벽이 형성되며,
상기 챔버 격벽과 상기 수소 분리막 사이의 공간이 챔버로서 형성되고, 상기 관형의 수소 분리막 내부는 수소가 배출되는 배출실로서 형성된 수소 분리 장치.The method of claim 16,
The hydrogen separation membrane is formed in a tubular shape,
A cylindrical chamber partition wall larger than the diameter of the tubular hydrogen separation membrane is formed outside the hydrogen separation membrane,
And a space between the chamber partition wall and the hydrogen separation membrane is formed as a chamber, and the tubular hydrogen separation membrane is formed as a discharge chamber through which hydrogen is discharged.
상기 수소 분리 장치의 챔버에 수소 함유 가스를 제공하고,
상기 수소 분리 장치의 상기 수소 분리막을 통해 수소를 확산시켜 정제하는 것을 포함하는 수소 정제 방법.
Providing a hydrogen separation device according to claim 16,
Providing a hydrogen containing gas to the chamber of the hydrogen separation device,
Purifying hydrogen by diffusing hydrogen through the hydrogen separation membrane of the hydrogen separation device.
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