KR102023600B1 - 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, Fe 및 Al을 포함하는 분리막을 제공하고, 이를 포함하는 수소 분리막 및 수소 분리 장치를 제공한다. 상기 합금은 상기 5족 원소, Fe, 및 Al 원소가 함께 형성한 체심입방구조(body centered cubic structure)의 결정구조를 가진다.Provided are a separator comprising at least one Group 5 element, Fe and Al, and a hydrogen separator and a hydrogen separator including the same. The alloy has a crystal structure of a body centered cubic structure formed by the Group 5 elements, Fe, and Al elements 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 단가 및 투과도 향상이 어렵다는 점은 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 cost of the Pd-based metal and the difficulty in improving the permeability make it a limiting factor for commercialization.
이에 따라, Pd계 금속과 같은 정도의 우수한 수소 투과 성능을 가지면서 가격 경쟁력 있는 수소 분리막에 대한 필요성이 급증하고 있다.Accordingly, there is an increasing need for a hydrogen-competitive membrane having a competitive price while having excellent hydrogen permeation performance similar to that of a Pd-based metal.
일 구현예에서는, 수소 투과 특성이 우수하면서도 수소 취성화 파괴를 억제할 수 있고, 또한 낮은 비용으로 생산 가능한 분리막을 제공하고자 한다.In one embodiment, it is to provide a separator that is excellent in hydrogen permeability properties, can suppress hydrogen embrittlement breakdown, and can be produced at low cost.
다른 구현예서는, 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막을 제공하고자 한다.Another embodiment is to provide a hydrogen separation membrane comprising the separation membrane.
또 다른 구현예에서는, 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치를 제공하고자 한다.In another embodiment, to provide a hydrogen separation device including the hydrogen separation membrane.
일 구현예에서는, 5족 원소, 철(Fe), 및 알루미늄(Al)의 합금을 포함하고, 상기 합금이 체심입방구조(body centered cubic structure: BCC)의 결정구조를 포함하는 분리막을 제공한다.In one embodiment, a separator including an alloy of a
상기 5족 원소는 바나듐(V), 니오븀(Nb), 또는 V와 Nb의 조합일 수 있다. The
구체적으로, 상기 5족 원소는 V이다. Specifically, the
상기 분리막에서, 상기 합금 내 Fe의 함량은 약 20 원자% 미만이고, Al의 함량은 약 30 원자% 미만이다.In the separator, the content of Fe in the alloy is less than about 20 atomic%, and the content of Al is less than about 30 atomic%.
구체적으로, 상기 합금 내 Fe의 함량은 약 1 원자% 내지 약 15 원자%이고, Al의 함량은 약 3 원자 % 내지 약 25 원자%이다.Specifically, the content of Fe in the alloy is about 1 atomic% to about 15 atomic%, and the content of Al is about 3 atomic% to about 25 atomic%.
더 구체적으로, 상기 합금 내 Fe의 함량은 약 3 원자% 내지 약 10 원자%이고, Al의 함량은 약 5 원자% 내지 약 20 원자%이다.More specifically, the content of Fe in the alloy is about 3 atomic% to about 10 atomic%, and the content of Al is about 5 atomic% to about 20 atomic%.
상기 분리막에서, 상기 합금의 약 80 부피% 이상이 체심입방구조의 결정구조를 형성할 수 있다.In the separator, at least about 80% by volume of the alloy may form a crystal structure having a body centered cubic structure.
구체적으로, 상기 합금의 약 85 부피% 이상이 체심입방구조의 결정 구조를 형성할 수 있다. Specifically, about 85% by volume or more of the alloy may form a crystal structure of the body centered cubic structure.
상기 분리막은 기공도가 약 1 부피% 미만인 비다공성 치밀막 구조일 수 있다.The separator may have a non-porous dense membrane structure having a porosity of less than about 1% by volume.
구체적으로, 상기 분리막은 기공도가 0.5 부피% 미만, 더 구체적으로 상기 분리막의 기공도는 0 부피% 이다.Specifically, the separator has a porosity of less than 0.5% by volume, more specifically, the porosity of the separator is 0% by volume.
상기 합금은 Ni, Co, Mn, Cu, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 추가 금속을 더 포함할 수 있다.The alloy may further comprise one or more additional metals selected from the group comprising Ni, Co, Mn, Cu, and combinations thereof.
상기 추가되는 금속의 함량은 약 0.1 원자% 내지 약 10 원자% 이다.The amount of the added metal is about 0.1 atomic% to about 10 atomic%.
더 구체적으로, 상기 추가되는 금속의 함량은 약 1 원자% 내지 약 5 원자%이다.More specifically, the content of the added metal is about 1 atomic% to about 5 atomic%.
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.
다른 구현예에 따르면, 상기 구현예에 따른 분리막을 포함하는 수소 분리막이 제공된다.According to another embodiment, a hydrogen separation membrane including the separation membrane according to the embodiment is provided.
상기 수소 분리막은 약 0.1 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M)가 약 0.01 내지 약 0.5 일 수 있다.The hydrogen separation membrane may have a hydrogen solubility (H / M) measured at about 0.1 to about 1 MPa hydrogen pressure and about 400 ° C., about 0.01 to about 0.5.
구체적으로, 상기 수소 분리막에 대해 약 0.7 MPa (약 7 bar) 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도(H/M)는 약 0.1 내지 약 0.4 일 수 있다.Specifically, the hydrogen solubility (H / M) measured at about 0.7 MPa (about 7 bar) hydrogen pressure and about 400 ° C. with respect to the hydrogen separation membrane may be about 0.1 to about 0.4.
상기 수소 분리막의 수소 투과도(hydrogen permeability)는 약 400℃ 조건에서 약 1.0×10-8 내지 약 15.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2 일 수 있다.Hydrogen permeability (hydrogen permeability) of the hydrogen separation membrane can be about 1.0 × 10 -8 to about 15.0 × 10 -8 mol / m * s *
상기 분리막의 일면 또는 양면에 촉매층을 더 포함할 수 있다.A catalyst layer may be further included on one side or both sides of the separator.
상기 촉매층은 Pd, Pt, Ni, Ru, Ir, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나와, Cu, Ag, Au, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 합금을 포함할 수 있다.The catalyst layer may include at least one selected from the group consisting of Pd, Pt, Ni, Ru, Ir, and combinations thereof, and at least one alloy selected from the group consisting of Cu, Ag, Au, Rh, and combinations thereof. Can be.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 구현예에 따른 수소 분리막, 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단을 구비하는 챔버, 및 분리된 수소 기체의 배출 수단을 포함하는 배출실을 포함하는 수소 분리 장치가 제공되고, 이때, 상기 수소 분리막의 일 표면은 상기 챔버에 접하고, 다른 표면은 상기 배출실에 접하도록 위치한다.According to another embodiment of the present invention, the hydrogen comprises a hydrogen separation membrane according to the embodiment, a chamber having a supply means for supplying a mixed gas containing hydrogen gas, and a discharge chamber including a means for discharging separated hydrogen gas A separation device is provided, 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.
상기 분리막은 수소 투과 특성이 우수하며, 수소 취성화 파괴에 대한 내성이 크고, 낮은 가격으로 제조 가능하다.The separator has excellent hydrogen permeability, high resistance to hydrogen embrittlement fracture, and can be manufactured at low cost.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막 내 합금이 형성할 수 있는 결정 격자의 구조를 모식도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 수소 분리막을 통과하여 수소 기체가 분리되는 메커니즘을 모식도로 나타낸 것이다.
도 3(a)는 바나듐(V) 원소를 기반으로, 여기에 여러 종류의 전이금속을 첨가하여 합금화한 경우의 PCT(pressure-compositionn-isotherms) 평가를 진행한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3(b)는 Al의 연성유지 효과를, V에 Fe 과 Al을 함량을 달리하면서 함께 첨가한 경우와, V에 Al 또는 V를 각각 하나씩 함량을 달리하면서 첨가하여 합금화한 경우를, 순수한 V와 비교한 그래프이다.
도 4(a)는 V에 Fe, Al, 또는 Fe과 Al을 함께, 각각 첨가량을 증가시키면서 첨가하여 합금화한 경우의 합금 경도의 증가 경향을 보여주는 그래프이다.
도 4(b)는 V에 총량으로 10 원자%의 Fe, Ni, Al, Al과 Fe (AlFe), Al과 Ni (AlNi), 및 Ni 와 Fe (NiFe)를 각각 첨가하여 합금화한 수소 분리막의 경도를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 순수 V, 및 V에 Al, Fe, 또는 Al과 Fe 모두를, 각각 함량을 달리하면서 첨가하여 합금화한 후, 상온에서 측정한 XRD 평가 그래프이다.
도 6은, 순수한 V, V에 10 원자%의 Fe을 첨가한 V-10Fe 합금, V에 10 원자%의 Al을 첨가한 V-10Al 합금, 및 V에 5 원자% Al 및 5 원자% Fe 을 첨가한 V-5Fe-5Al 합금의 수소 투과도 성능(hydrogen permeability)을 573K 내지 673K 온도 범위에서 측정한 그래프이다.
도 7은, 순수한 V로 이루어진 수소 분리막과, V에 10 원자%의 Fe을 첨가한 V-10Fe 합금으로 이루어진 분리막, V에 10 원자%의 Al을 첨가한 V-10Al 합금으로 이루어진 분리막, 및 V에 5 원자% Al 및 5 원자% Fe 을 첨가한 V-5Fe-5Al 합금으로 이루어진 수소 분리막을 400℃로부터 상온으로 냉각하면서 온도 변화에 따른 수소 투과도(hydrogen permeability)를 측정한 그래프이다.
도 8은, 순수한 V로 이루어진 수소 분리막과, 순수한 Pd로 이루어진 수소 분리막, V에 10 원자%의 Fe을 첨가한 V-10Fe 합금으로 이루어진 수소 분리막, V에 10 원자%의 Al을 첨가한 V-10Al 합금으로 이루어진 수소 분리막, 및 V에 5 원자% Al 및 5 원자% Fe 을 첨가한 V-5Fe-5Al 합금으로 이루어진 수소 분리막의 온도 변화에 따른 수소 확산도(hydrogen diffusivity)를 측정한 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 수소 분리 장치의 모식도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 관형 분리막을 포함하는 수소 분리 장치의 모식도이다.1 is a schematic view showing the structure of a crystal lattice that can be formed in the alloy in the separator according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram showing a mechanism in which hydrogen gas is separated by passing through a hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 (a) is a graph showing the results of the pressure-compositionn-isotherms (PCT) evaluation in the case of alloying by adding various kinds of transition metals to the vanadium (V) element.
FIG. 3 (b) shows the softness maintaining effect of Al, in which Fe and Al are added together with varying amounts of V and alloyed by adding Al or V in varying amounts, respectively, in pure V This is a graph compared with.
FIG. 4 (a) is a graph showing the tendency of increasing the alloy hardness when Fe, Al, or Fe and Al are added to V together with increasing amounts of alloying, respectively.
FIG. 4 (b) shows a hydrogen separation membrane alloyed by adding 10 atomic% of Fe, Ni, Al, Al and Fe (AlFe), Al and Ni (AlNi), and Ni and Fe (NiFe) in total amounts to V; It is a graph comparing the hardness.
FIG. 5 is an XRD evaluation graph measured at room temperature after alloying pure V, and Al, Fe, or both Al and Fe with varying contents, respectively.
FIG. 6 shows pure V, V-10Fe alloy with 10 atomic% Fe added to V, V-10Al alloy with 10 atomic% Al added to V, and 5 atomic% Al and 5 atomic% Fe to V. The hydrogen permeability of the added V-5Fe-5Al alloy is measured in the temperature range of 573K to 673K.
FIG. 7 shows a hydrogen separation membrane made of pure V, a separator made of a V-10Fe alloy added with 10 atomic% Fe to V, a separator made of a V-10Al alloy added with 10 atomic% Al to V, and V The hydrogen permeability (hydrogen permeability) according to the temperature change is measured while cooling the hydrogen separation membrane made of a V-5Fe-5Al alloy to which 5 atomic% Al and 5 atomic% Fe are added.
8 shows a hydrogen separation membrane made of pure V, a hydrogen separation membrane made of pure Pd, a hydrogen separation membrane made of a V-10Fe alloy containing 10 atomic% Fe added to V, and V- having 10 atomic% Al added to V. It is a graph measuring hydrogen diffusivity according to temperature change of a hydrogen separation membrane made of a 10Al alloy and a hydrogen separation membrane made of a V-5Fe-5Al alloy having 5 atomic% Al and 5 atomic% Fe added to V. FIG.
9 is a schematic diagram of a hydrogen separation apparatus according to an embodiment.
10 is a schematic view of a hydrogen separation device including a tubular separator according to another embodiment.
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 원소, 철, 및 알루미늄을 포함하는 합금을 포함하고, 상기 합금의 80 부피% 이상이 체심입방구조(Body Centered Cubic structure: BCC)의 결정구조를 형성하는 분리막을 제공한다.According to one embodiment of the present invention, an alloy comprising at least one
상기 분리막은 특정 기체를 선택적으로 분리할 수 있는 분리막으로 사용될 수 있다. The separator may be used as a separator capable of selectively separating a specific gas.
상기 분리막은 수소 분리막일 수 있다. The separator may be a hydrogen separator.
최근 청정에너지로서 수소가 주목받고 있다. 수소 함유 기체로부터 수소를 선택적으로 분리하는 분리막은 각종 금속/금속합금, 실리카/제올라이트 세라믹, 금속세라믹 복합체 (cermet), 탄소기반, 또는 고분자 분리막 등이 알려져 있다. 그 중에서도 대표적으로 Pd계 합금 분리막이 상업적으로 사용되고 있다(Chem. Rev., 107, 4078-4110 (2007)). 그러나 Pd계 합금의 경우 Pd 자체가 귀금속으로서 고가이며, 그 합금계의 경우도 수소 분리 성능이 2~3 배 정도 밖에 향상되지 않는다. 대표적인 Pd계 합금으로 Pd-Ag23, Pd-Cu40 등이 알려져 있다(Platinum Metals Rev., 21, 44-50 (1977)).Recently, hydrogen is attracting attention as a clean energy. Separators for selectively separating hydrogen from the hydrogen-containing gas is known various metal / metal alloys, silica / zeolite ceramics, metal ceramic composites (cermet), carbon-based, or polymer membranes. Among them, Pd-based alloy separators are typically used commercially (Chem. Rev., 107, 4078-4110 (2007)). However, in the case of Pd-based alloys, Pd itself is expensive as a noble metal, and even in the case of the alloy-based alloy, hydrogen separation performance is improved by only 2 to 3 times. Pd-Ag23, Pd-Cu40 and the like are known as representative Pd-based alloys (Platinum Metals Rev., 21, 44-50 (1977)).
종래 Pd계 합금 분리막의 대체 후보로 5족 금속들(Vanadium (V), Niobium (Nb), Tantalum (Ta))에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 금속은 수소 친화성이 Pd 보다 커 수소함유능력이 우수하며, 체심입방구조(body centered cubic:BCC)의 작은 격자를 통한 수소 확산 특성이 우수하여, 일반적으로 Pd계 보다 10~100 배 우수한 수소투과 성능을 보인다(J. Membr. Sci., 362, 12-28 (2010)).Research on
그러나 이들 금속은 상기의 우수한 투과성능에도 불구하고, 고온 고압의 작동 조건에서, 수소 함유 시 수소화물(hydride 상) 형성으로 인해 금속이 부스러지는 현상, 즉, 수소취성(hydrogen embrittlement)으로 인한 크랙이 쉽게 발생하는 단점이 있다.However, in spite of the excellent permeability of these metals, however, under high temperature and high pressure operating conditions, these metals are brittle due to hydride (hydride phase) formation, that is, cracks due to hydrogen embrittlement. There is a disadvantage that occurs easily.
본 발명의 일 구현예에서는 5족 금속의 합금화를 통해 수소 취성 문제를 해결하고자 하였으며, 특히 수소 투과 성능이 우수하면서도 낮은 비용으로 제조 가능한 분리막을 제조하고자 하였다.In one embodiment of the present invention to solve the hydrogen embrittlement problem through the alloying of the
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막은, 상기 합금을 포함함으로써, 저가의 금속, 즉, Fe 및 Al 을 사용하면서도, Pd, Pt, 또는 Ir과 같은 고가의 금속을 사용하여 제조한 분리막과 동등한 수준의 우수한 수소 투과 특성을 나타낸다. 또한, 5족계 금속을 사용하면서도 낮은 수소 고용도를 유지하고, 따라서 수소 취성화 파괴를 억제하며 높은 수소 투과도를 유지할 수 있다. 또한, 상기 분리막은, 80 부피% 이상이 체심입방구조의 결정구조를 형성하는 합금을 포함함으로써, 비정질계 금속 분리막에 비해 비정질의 결정화에 따른 성능 저하 문제가 없어 내구성이 유리할 수 있다. 또한, 상기 분리막은 상온에서도 순수 5족 금속과 같은 수준의 연성을 확보함으로써, 저가의 공정인 냉간 압연법으로도 대면적의 얇은 분리막을 제작하는 것이 가능하다. The separator according to the embodiment of the present invention includes the alloy, and is equivalent to the separator manufactured using an inexpensive metal such as Fe and Al, but using an expensive metal such as Pd, Pt, or Ir. Level of excellent hydrogen permeation properties. In addition, it is possible to maintain low hydrogen solubility while using
순수 5족 금속, 예컨대 바나듐(V)에 수소 함유량을 저감시킬 수 있는 낮은 가격의 합금 금속 후보군을 찾기 위해 V에 다양한 전이금속들을 각각 5 원자%씩 첨가하는 실험을 하였다. 이를 통해 Fe, 및 Al이 수소 고용도를 저감시키는 것을 알 수 있었다(도 3(a) 참조). Cr, Mo, W의 경우, V와 합금화는 잘 되나 V 금속의 수소 고용도 저감 효과는 거의 없었다. 실험 결과, 동량의 합금화 금속 사용시, Ni 보다 Fe이 V 금속의 수소 고용도를 더 낮춘다는 사실을 알 수 있었다. In order to find a low-cost alloy metal candidate group capable of reducing hydrogen content in
수소 고용도를 감소시키는 Fe 및 Ni과 같은 금속들은 모금속의 격자 상수를 줄이는 특성이 있는데, 이로 인해 고용 강화(solid solution hardening) 효과가 생기며, 합금이 부스러지기 쉬운 (brittle) 특성이 있다. 이 경우 수소 고용시 부피 팽창이 발생할 경우, 금속에 쉽게 취성 파괴가 일어나는 문제가 있다. 금속 자체의 연성이 감소하고 취성화할 경우, 취성 파괴가 일어나는 수소 고용의 임계 농도는 더욱 낮아지게 된다. Metals such as Fe and Ni, which reduce hydrogen solubility, have the property of reducing the lattice constant of the parent metal, resulting in a solid solution hardening effect and an alloy brittle. In this case, when volume expansion occurs during hydrogen solid solution, brittle fracture easily occurs in the metal. If the ductility of the metal itself decreases and becomes brittle, the critical concentration of hydrogen solubility that causes brittle fracture is lowered.
이에, 상기 수소 고용도를 저감시키는 효과가 있는 금속 중에서도, 또한 5족 금속의 연성을 잘 유지할 수 있는 금속을 확인해 본 결과, 도 4(a)에 나타난 바와 같이, 5족 원소인 V(바나듐)에 농도를 달리하면서 첨가한 결과, Al이, 5 원자% 및 10 원자%를 각각 첨가한 경우에도, 합금의 경도를 크게 증가시키지 않음을 알 수 있었다. 이와는 달리, 수소 고용도를 감소시킬 수 있는 금속인 Fe의 경우, 5 원자%와 10 원자%를 각각 V 금속과 합금한 경우, 경도가 상당히 증가함을 알 수 있었다. 따라서, 수소 고용도를 감소시키면서도 합금의 연성을 유지할 수 있는 금속으로서 Al이 적합함을 알 수 있다.Therefore, among the metals having the effect of reducing the hydrogen solubility, a metal that can maintain the ductility of the
이에, 순수한 V에 Al을 각각 5 원자% 및 10 원자% 첨가한 합금 V-5Al 및 V-10Al 과, V에 Fe를 각각 5 원자% 및 10 원자% 첨가한 합금 V-5Fe 및 V-10Fe, 및 V에 Al과 Fe를 함께, 각각 2.5 원자% 씩 첨가한 합금 V-2.5Fe-2.5Al, 및 V에 Al과 Fe를 함께 각각 5 원자%씩 첨가한 합금 V-5Fe-5Al을 제조하고, 이들을 순수한 V와 함께 PCT(pressure-composition-isotherms)를 측정해 보았다. 그 결과, 도 3(b)에 나타난 것과 같이, V에 Fe 및 Al을 함께 2.5 원자%씩 합금화한 V-2.5Fe-2.5Al, 및 V에 Fe 및 Al을 함께 5 원자%씩 합금화한 V-5Fe-5Al의 수소 고용도가, Fe 또는 Al 만을 각각 단독으로 V에 합금화한 합금, 또는 순수한 V 금속 보다 수소 고용도가 현저히 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. Thus, alloys V-5Al and V-10Al added 5 atomic% and 10 atomic% Al to pure V, alloys V-5Fe and V-10Fe added 5 atomic% and 10 atomic% Fe respectively to V, And alloys V-2.5Fe-2.5Al having 2.5 atomic% of Al and Fe added to V, and alloys V-5Fe-5Al having 5 atomic% of Al and Fe added to V, respectively. They measured pressure-composition-isotherms with pure V. As a result, as shown in FIG. 3 (b), V-2.5Fe-2.5Al obtained by alloying Fe and Al together by V by 2.5 atomic%, and V- which alloyed Fe and Al together by 5 atomic% by V It was confirmed that the hydrogen solubility of 5Fe-5Al was significantly lower than that of Fe or Al alloyed with V alone or pure V metal.
또한, 도 4(b)는, 바나듐(V)에 Fe, Ni, Al을 각각 10 원자%씩 첨가한 합금과, Al 및 Fe를 각각 5 원자%씩 총 10 원자% 첨가한 합금(도 4(b)에서 AlFe로 표시됨), Al 및 Ni을 각각 5 원자%씩 총 10 원자% 첨가한 합금(도 4(b)에서 AlNi로 표시됨), 및 Ni 및 Fe를 각각 5 원자%씩 총 10 원자% 첨가한 합금(도 4(b)에서 NiFe로 표시됨)의 경도를 측정한 결과이다. 이 그래프로부터, V에 Al을 단독 첨가한 경우 연성이 가장 낮게 유지됨을 알 수 있으나, 수소 고용화 감소를 위한 Fe, Ni, 또는 Al 금속과의 상호 조합을 고려할 때, AlFe 합금이 가장 낮은 연성을 유지함을 알 수 있다. 4 (b) shows an alloy in which 10 atomic% Fe, Ni, and Al are added to vanadium (V) and 10 atomic% in total of 5 atomic% of Al and Fe, respectively (FIG. 4 ( b) AlFe), an alloy containing 10 atomic% of Al and Ni in total of 10 atomic% each (shown as AlNi in FIG. 4 (b)), and 10 atomic% of Ni and Fe in total of 5 atomic% It is the result of measuring the hardness of the added alloy (indicated by NiFe in FIG. 4 (b)). From this graph, it can be seen that when Al is added to V alone, the ductility remains the lowest. However, considering the mutual combination with Fe, Ni, or Al metal for reducing hydrogen solubility, the AlFe alloy has the lowest ductility. It can be seen that.
즉, 도 3(b)에 나타난 바와 같이, 5족 원소인 V에 Fe 및 Al을 함께 합금화한 경우, 합금의 수소 고용화가 가장 낮게 유지됨과 동시에, 도 4(b)에 나타난 바와 같이, 5족 원소인 V에 Fe 및 Al을 함께 합금화한 경우, 합금의 연성 또한 낮게 유지됨을 확인하였다. That is, as shown in FIG. 3 (b), when Fe and Al are alloyed together with
따라서, 본 발명의 일 구현예에서는, 5족 원소와, Fe 및 Al을 함께 포함하는 합금을 포함하고, 이들 합금의 80 부피% 이상이 BCC 구조를 포함하는 분리막을 제공한다. 상기 분리막의 합금 내 BCC 구조는 도 1에 개략적으로 나타나 있다. 도 1에, 격자구조에 포함되는 각 금속 성분을 표시하였다.Therefore, in one embodiment of the present invention, a
상기 5족 원소는 바나듐(V), 니오븀(Nb), 또는 V와 Nb의 조합일 수 있다. The
구체적으로, 상기 5족 원소는 바나듐(V)일 수 있다. Specifically, the
V는 Nb보다 금속 격자가 작아 동일 조건에서 Nb에 비해 수소 고용도를 낮출 수 있다. V has a smaller metal lattice than Nb, so that hydrogen solubility can be lowered compared to Nb under the same conditions.
상기 합금을 형성하는 각 원소의 함량은, 전체 합금을 형성하는 원자수를 기준으로, Fe은 20 원자% 미만, 구체적으로 1 원자% 내지 15 원자%, 더 구체적으로는 3 원자% 내지 10 원자%로 존재할 수 있고, Al은 30 원자% 미만, 구체적으로는 3 원자% 내지 25 원자%, 더 구체적으로는 5 원자% 내지 20 원자%로 존재할 수 있다. 이러한 함량 범위 내에 있는 경우, 상기 합금은 수소 고용도가 낮으면서도 합금의 연성이 유지되어 수소 취성화를 억제할 수 있다.The content of each element forming the alloy is based on the number of atoms forming the total alloy, Fe is less than 20 atomic%, specifically 1 atomic% to 15 atomic%, more specifically 3 atomic% to 10 atomic% Al may be present in less than 30 atomic%, specifically 3 to 25 atomic%, more specifically 5 to 20 atomic%. When in the content range, the alloy can maintain the ductility of the alloy while the hydrogen solubility is low to inhibit hydrogen embrittlement.
상기 분리막은, 상기 합금 내에 Ni, Co, Mn, Cu 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나 이상의 추가 금속을 더 포함할 수 있다.The separator may further include one or more additional metals selected from the group including Ni, Co, Mn, Cu, and combinations thereof in the alloy.
상기 추가되는 금속은, 상기 합금의 총 원자수를 기준으로, 약 0.1 원자% 내지 약 10 원자% 의 범위로 포함될 수 있다.The added metal may be included in the range of about 0.1 atomic% to about 10 atomic% based on the total number of atoms of the alloy.
상기 분리막은, 상기 합금의 연성이 유지됨에 따라, 냉간 압연 등 저가의 공정을 사용하여 약 1 내지 약 500 ㎛의 두께를 가지도록 용이하게 제조될 수 있으며, 상기 분리막의 제조 방법은 상기 냉간 압연법에 제한되지 않는다.The separator, as the ductility of the alloy is maintained, It can be easily prepared to have a thickness of about 1 to about 500 ㎛ using a low-cost process such as cold rolling, the method of manufacturing the separator is not limited to the cold rolling method.
본 발명의 다른 구현예에 따르면 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막(hydrogen separation membrane)을 제공한다. 상기 수소 분리막은 수소 가스가 함유된 가스 혼합물로부터 수소 기체만 선택적으로 분리하는 분리막으로서, 수소를 쉽게 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 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 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 has a high hydrogen permeation characteristic by including a crystal structure of a body centered cubic structure that can easily diffuse hydrogen. . As a result, the hydrogen separation membrane is capable of high purity hydrogen separation. For example, the hydrogen separation membrane may be 80% by volume or more of the alloy crystal structure of the 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 적용 될 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 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 as 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, 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 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) through the tetrahedral or octahedral interstitial space of the unit cell of the separator and is also diffused. Permeation (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 then the hydrogen separation membrane is detached and separated.
도 1은 상기 분리막이 포함할 수 있는 결정 격자의 유형을 나타낸 모식도로서, 적어도 하나의 5족 원소, Fe, 및 Al을 포함하는 합금이 형성할 수 있는 결정 격자를 나타내고 있다. 5족 원소는 체심입방구조를 형성하는데, 도 1에서는 5족 원소인 바나듐 (V) 원자가 체심입방구조의 여러 꼭지점 상에 위치하고, 합금화된 원자 Al이 체심입방구조의 체심에 위치하며, Fe은 체심입방구조의 한 꼭지점 상에 위치하는 경우를 나타내고 있다. 즉, 상기 분리막은 상기 5족 원소, Fe, 및 Al이 함께 형성한 체심입방구조의 결정 구조를 갖는다.FIG. 1 is a schematic diagram showing types of crystal lattice that the separator may include, and illustrates a crystal lattice that an alloy including at least one
상기 분리막의 합금이 상기한 추가의 금속을 더 포함하는 경우, 이들 금속은 상기 5족 원소, Fe, 및 Al과 함께 체심입방구조의 결정 구조를 형성할 수 있다. When the alloy of the separator further includes the above-described additional metals, these metals may form a body-centered cubic structure together with the
상기 분리막은 기공도가 약 1 부피% 미만 내지 기공도 약 0 부피%의 비다공성의 치밀막 구조로서 형성될 수 있다. 이와 같은 구조로 형성됨으로써, 분리 대상 물질만을 선택적으로 투과하여 분리해낼 수 있다. 상기 분리막을 수소 분리막으로 적용하는 경우, 치밀막 구조로 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. By having such a structure, only the substance to be separated can be selectively permeated and separated. When the separation membrane is applied as a hydrogen separation membrane, it is formed in a dense membrane structure to selectively separate only hydrogen by permeation.
순수한 5족 원소로 이루어진 분리막은 수소 투과시 금속 수소 화합물(hydride)을 형성하여 '수소 취성화(hydrogen embrittlement)'가 일어날 수 있는데, 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 5족 원소에 수소 고용도를 낮출 수 있는 금속인 Fe과 Al이 합금화되고, 또한, Al의 연성 유지 기능에 의하여, 순수한 5족 원소만으로 이루어진 막, 또는 Fe 또는 Al 단독만이 5족 원소에 합금화된 합금 포함 분리막에 비해 수소 고용도 및 수소 취성화 파괴를 현저히 낮게 할 수 있다. 도 1에서와 같은 결정 구조를 형성하도록 Fe 및 Al이 합금화하면, 수소 원자와 5족 원소의 결합 에너지를 변화시키게 되어 수소 고용도를 저감시킨다. 수소 고용도는 금속 내에서 고용된 수소의 농도를 의미하며, 고용된 수소(H) 및 금속(M)의 몰비(H/M)로 계산된다.Membranes composed of
예를 들면, Fe 및 Al 원소를 각각 약 5 원자%씩 포함하는 V-Fe-Al 합금에 대하여, 고 수소 농도 영역(H/Nb의 몰비가 약 0.5임)에서 수소 고용 에너지(heat of H solution)를 DFT(Density Functional Theory)를 이용하여 계산하면 약 -0.25 eV 인데, 이는 순수한 Nb에 대해 약 -0.4 eV 에 비하여 그 절대값이 작으므로, 수소 고용도가 낮아진 것이다.For example, for a V-Fe-Al alloy each containing about 5 atomic% of Fe and Al elements, the hydrogen solid solution energy (heat of H solution) in the high hydrogen concentration region (molar ratio of H / Nb is about 0.5). ) Is calculated using the Density Functional Theory (DFT), which is about -0.25 eV, which is lower in absolute hydrogen as compared to about -0.4 eV for pure Nb.
이와 같이, 상기 분리막은 5족 원소에 Fe과 Al을 함께 첨가하여 합금화함으로써 수소 고용도를 낮춘 것이다. 또한, 이러한 분리막은, Fe 및 Al과 같은 저가의 금속을 사용함으로써, Pb, Nb과 같은 고가의 금속을 사용하지 않고도, 낮은 비용으로 우수한 수소 분리 특성을 갖는 수소 분리막을 제공할 수 있다. As described above, the separation membrane lowers the hydrogen solubility by adding Fe and Al to the
상기 분리막의 합금을 형성하는 각 원소의 함량을 변화시킴으로써, 응용하고자 하는 막의 특성에 맞추어 분리막을 설계할 수 있다. 구체적으로, 상기 분리막은 Fe 원소를 약 20 원자% 미만, 구체적으로 약 1 원자% 내지 약 15 원자%, 보다 구체적으로, 약 3 내지 약 10원자% 함량으로 포함할 수 있다. 상기 분리막은 Al 원소를 약 30 원자% 미만, 구체적으로 약 3 원자% 내지 약 25 원자%, 더 구체적으로, 약 5 원자% 내지 약 20 원자% 함량으로 포함할 수 있다. 상기 함량 범위의 Fe 및 Al 원소를 포함하는 분리막은 수소 투과 특성이 우수하면서도 수소 취성 파괴가 감소하여 내구성이 향상되며, 또한 저가로 제작할 수 있어 수소 분리막으로 사용되기에 유용하다.By changing the content of each element forming the alloy of the separator, it is possible to design the separator according to the characteristics of the membrane to be applied. Specifically, the separator may contain less than about 20 atomic% Fe, specifically about 1 atomic% to about 15 atomic%, and more specifically, about 3 to about 10 atomic%. The separator may contain less than about 30 atomic% Al, specifically about 3 atomic% to about 25 atomic%, and more specifically, about 5 atomic% to about 20 atomic%. Separation membrane containing Fe and Al element in the above content range is excellent in hydrogen permeability, but the hydrogen brittle fracture is reduced, durability is improved, and also can be manufactured at low cost, it is useful to be used as a hydrogen separation membrane.
상기 분리막은 5족 원소, Al, 및 Fe 외에 다른 추가 금속을 더 포함하는 합금일 수 있고, 예를 들어, 4 성분계 합금 또는 5 성분계 합금일 수 있다. 상기 추가 금속은 Ni, Co, Mn, Cu, 및 이들의 조합을 포함하는 군으로부터 선택된 하나일 수 있다. 상기 추가 금속이 더 포함됨으로써, 상기 분리막의 수소 고용도가 더욱 낮아지고 연성도 증대될 수 있다. The separator may be an alloy further comprising other additional metals in addition to the
상기 추가 금속 역시 상기 합금 내에서 상기 5족 원소, Fe 및 Al과 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 80 부피% 이상이 체심입방구조의 결정구조로 이루어질 수 있다.The additional metal may also form a body-centered cubic structure together with the
상기 분리막이 상기 추가 금속을 더 포함하는 경우, 상기 추가 금속은 상기 분리막 내 총 금속의 원자수를 기준으로, 약 0.1 내지 약 10 원자%의 범위로 포함될 수 있다.When the separator further includes the additional metal, the additional metal may be included in the range of about 0.1 to about 10 atomic% based on the total number of atoms of the metal in the separator.
전술한 바와 같이, 상기 분리막을 이용하여 제조된 수소 분리막은 낮은 수소 고용도를 갖게 되고, 구체적으로, 약 0.1 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도가 약 0.01 내지 약 0.5일 수 있고, 보다 구체적으로 약 0.05 내지 약 0.45일 수 있다. 더욱 구체적으로, 약 0.7 MPa (약 7 bar) 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도가 약 0.1 내지 약 0.4일 수 있다.As described above, the hydrogen separation membrane prepared using the separator has a low hydrogen solubility, and specifically, the hydrogen solubility measured at about 0.1 to about 1 MPa hydrogen pressure and about 400 ° C. is about 0.01 to about 0.5, and more specifically about 0.05 to about 0.45. More specifically, the hydrogen solubility measured at about 0.7 MPa (about 7 bar) hydrogen pressure and about 400 ° C. conditions may be about 0.1 to about 0.4.
상기와 같이 제조된 분리막을 이용하여 제조된 수소 분리막은 수소 투과도가 우수하다. 수소 투과도는 하기 수학식으로 계산될 수 있다.Hydrogen separator 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]
Permeability : 투과도, J : Flux, L : 분리막 두께, PH2 , in : 공급 수소 압력, PH2,out : 투과 수소 압력. Permeability: Permeability, J: Flux, L: Membrane Thickness, P H2 , in : Supply hydrogen pressure, P H2, out : permeate hydrogen pressure.
상기 분리막의 수소 투과도(hydrogen permeability)는 400℃ 조건에서 약 1.0×10-8 내지 약 15.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2 일 수 있고, 구체적으로 약 1.2×10-8 내지 약 12.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2일 수 있고, 보다 구체적으로, 약 1.5×10-8 내지 약 10.0×10-8 mol/m*s*Pa1 /2일 수 있다.Hydrogen permeability (hydrogen permeability) of the separator may be about 1.0 × 10 -8 to about 15.0 × 10 -8 mol / m * s *
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 9의 수소 분리막(23)의 두께 또는 도 9의 수소 분리막(33) 관의 두께일 수 있다.The separator may have a thickness of about 1 to about 500 μm, specifically about 10 to about 100 μm. When the separator has a thickness in the above range, it may have a permeability suitable for application to the separator. The thickness may be the thickness of the
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), 증착, 및 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, in order to melt each metal uniformly by arc melting, induction melting, etc., and to produce a film having a desired thickness, hot rolling, cold rolling, and deposition are performed. The separator may be manufactured by a plating process.
상기 구현예에 따른 분리막의 경우, 특히 연성이 우수하여 냉간 압연과 같은 저가 공정을 사용하여 제조할 수 있다.In the case of the separator according to the embodiment, it is particularly excellent in ductility can be prepared using a low cost process such as cold rolling.
상기 수소 분리막은 상기 분리막의 일면 또는 양면에 촉매층이 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 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 또는 수소 분자로 재결합시키는 반응의 촉매 작용을 할 수 있는 물질로 제한 없이 이루어질 수 있고, 구체적으로, Pd, Pt, Ru, Ir, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나와, Cu, Ag, Au, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 합금을 포함할 수 있다.As described above, the
상기 촉매층(12)의 두께는 예를 들어 약 20 내지 약 1,000 nm, 구체적으로 약 50 내지 약 500 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
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 구현예에 따른 수소 분리막, 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단을 구비하는 챔버, 및 분리된 수소 기체의 배출 수단을 포함하는 배출실을 포함하는 수소 분리 장치를 제공한다.In another embodiment of the present invention, the hydrogen separation membrane comprises a hydrogen separation membrane according to the embodiment, a chamber having a supply means for supplying a mixed gas including hydrogen gas, and a discharge chamber including a discharge means for separating hydrogen gas. Provide the device.
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 9는 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.9 is a schematic diagram schematically showing the
도 10은 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.10 is a schematic diagram showing another embodiment in which the
또 다른 구현예에서, 관형의 수소 분리막(33)을 포함하는 경우로서, 도 10의 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 a tubular
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로써 본 발명이 제한되어서는 안 된다.
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 should not be limited thereto.
(( 실시예Example ) )
제조예Production Example 1: 수소 분리막의 제조 1: Preparation of Hydrogen Separator
바나듐(V) 원소를 기반으로, 여기에 다양한 금속 원소(Al, Cr, Fe, Mo, W, Ti, 및 Zr)를 다양한 함량비로 첨가하고, 아크멜팅법을 이용하여 균일하게 용해하여 합금화를 진행함으로써, 400 ㎛ 두께의 수소 분리막을 제조한다. 또한, 비교예로서, 바나듐(V) 또는 팔라듐(Pd) 원소만을 동일한 방법으로 용해시켜 수소 분리막을 제조한다. Based on the vanadium (V) element, various metal elements (Al, Cr, Fe, Mo, W, Ti, and Zr) are added thereto in various content ratios, and uniformly dissolved by the arc melting method to proceed with alloying. By doing so, a hydrogen separation membrane having a thickness of 400 μm is prepared. In addition, as a comparative example, only a vanadium (V) or palladium (Pd) element is dissolved in the same manner to prepare a hydrogen separation membrane.
구체적으로, 상기 각 원소를 정량하여 재료를 아크멜터에 넣어 준비한 다음, 상기 재료를 고진공 (2x10-5 torr 이하) 상태로 만들어 산소를 완전히 제거한다. 이후, Ar 가스를 주입하여 산화 방지 조건을 만든 후, 전류를 증가시켜 상기 재료를 녹인 다음, 아크멜터 내에서 자연 냉각시킨다. 제조한 잉곳(Ingot)은 400 ㎛ 두께로 만든 후, 고진공 가열로(furnace)에서 열처리함으로써, 표면 오염물, 내부 응력, 디스로케이션(dislocation) 등의 결함을 제거한다. 이후, 상기 막의 양면에 Pd를 150 nm 두께로 코팅하여, 수소 투과도 측정을 위한 수소 분리막을 제조한다.
Specifically, the elements are quantified to prepare a material in an arc melter, and then the material is made into a high vacuum (2 × 10 −5 torr or less) to completely remove oxygen. Thereafter, Ar gas is injected to make anti-oxidation conditions, and then the current is increased to melt the material, and then naturally cooled in an arc melter. The manufactured Ingot is made to have a thickness of 400 μm, and then heat-treated in a high vacuum furnace to remove defects such as surface contaminants, internal stresses, and dislocations. Thereafter, Pd is coated on both surfaces of the membrane to a thickness of 150 nm to prepare a hydrogen separation membrane for measuring hydrogen permeability.
실험예Experimental Example 1: 수소 고용도 감소 효과 가지는 합금 탐색 1: search for alloys with reduced hydrogen solubility
5족 금속에 첨가시 수소 고용도가 감소하는 효과를 수소 고용도 측정 실험 (PCT, pressure-composition-isotherms)을 통해 알아보았다. The effect of reducing the hydrogen solubility when added to the
제조예 1에 따라 제조된, 바나듐(V) 금속에 다양한 전이금속(Cr, Fe, Mo, W, Ti, Zr)을 각각 5 원자%씩 첨가하여 제조한 합금 수소 분리막에 대해, JIS H7201 규격에 따라 400℃에서 수소 압력 별로 수소 고용도를 평가하였다. 평가는 Sievert-type PCT(pressure-composition-isotherms) 설비를 이용하여 진행하고, 결과를 도 3(a)에 나타내었다. For the alloy hydrogen separation membrane prepared by adding various transition metals (Cr, Fe, Mo, W, Ti, Zr) to each of the vanadium (V) metals prepared in Preparation Example 1 by 5 atomic%, the JIS H7201 standard was used. Accordingly, the hydrogen solubility was evaluated according to the hydrogen pressure at 400 ℃. Evaluation was carried out using a Sievert-type pressure-composition-isotherms (PCT) facility, the results are shown in Figure 3 (a).
도 3(a)에 나타난 바와 같이, Cr, Mo, W의 경우 수소 고용도 저감 효과가 거의 없었다. 반면 Fe은 첨가량에 비례하여 수소 고용도를 감소시키는 것을 알 수 있었다.
As shown in FIG. 3 (a), in the case of Cr, Mo, and W, there was little effect of reducing the hydrogen solubility. On the other hand Fe was found to reduce the hydrogen solubility in proportion to the amount added.
실험예Experimental Example 2: 합금 연성 유지 효과 가지는 합금 탐색 2: alloy search with alloy ductility retention effect
첨가시 바나듐(V) 금속의 연성을 유지할 수 있는 금속을 간접적으로 확인하기 위해 합금 분리막의 Vickers 경도를 측정해 보았다. 일반적으로 금속의 경도가 증가할 경우 부스러지기 쉬우며(brittle) 연성이 감소하는 것으로 알려져 있다. 바나듐(V) 합금의 경도 측정을 위해, 제조예 1에서와는 달리, 아크멜팅(Arc melting)에 의해 물방울 모양으로 제조된 합금 샘플의 한 면을 사포를 이용하여 연마하였다. 600 번의 미세한 사포로 표면을 매끈하게 연마한 후, 1kg의 하중을 줄 수 있는 경도계를 이용하여 경도를 측정하였다. Vickers hardness of the alloy separator was measured to indirectly identify a metal that can maintain the ductility of the vanadium (V) metal when added. In general, it is known that as the hardness of the metal increases, brittleness and ductility decrease. In order to measure the hardness of the vanadium (V) alloy, unlike in Preparation Example 1, one side of the alloy sample prepared in the form of water droplets by arc melting was polished using sandpaper. After smoothly polishing the surface with 600 fine sandpaper, the hardness was measured using a hardness tester capable of applying a load of 1 kg.
도 4(a)를 보면, Al 첨가시 바나듐(V)의 경도가 가장 적게 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 Al 첨가시 형성된 합금의 연성이 가장 우수함을 알 수 있다. Fe의 경우, 5 원자% 첨가 시에도 높은 경도값 증가를 보여 합금의 연성이 빠르게 감소함을 알 수 있다.Referring to FIG. 4 (a), it can be seen that the hardness of vanadium (V) is increased the least when Al is added. It can be seen that the ductility of the alloy formed when Al is the most excellent. In the case of Fe, even when the addition of 5 atomic% shows a high hardness value increase it can be seen that the ductility of the alloy quickly decreases.
도 4(b)는 V에 총량으로 10 원자%의 Fe, Ni, Al, Al과 Fe (AlFe), Al과 Ni (AlNi), 및 Ni 과 Fe (NiFe)를 각각 첨가하여 합금화한 경우의 연성 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 바나듐(V) 금속에 Al 10 원자%를 첨가한 경우 연성 유지 효과가 가장 우수하며, 그 다음으로 Al 5 원자% 및 Fe 5 원자%를 첨가한 합금(AlFe)의 연성이 우수함을 알 수 있다. Al 금속의 경우 5 원자% 이상 첨가할 경우 격자 팽창으로 인해 고용도 저감 효과가 없다는 것이 알려져 있다. 따라서 고용도를 더 줄이면서도 연성을 유지하기 위해 V에 Al 10 원자%를 첨가하기 보다는, Al 5 원자%와 Fe 5 원자%를 첨가한 3 성분계 합금 V-5Fe-5Al을 만드는 것이 보다 유리한 것으로 생각된다. 이는 도 4(a)의 결과로부터도 증명된다. 즉, V에 Fe과 Al을 함께 첨가하여 제조한 3 성분계 합금의 경우, Fe을 단독으로 첨가한 경우와 달리, Fe 및 Al의 함량의 합이 10 원자%로 될 때까지 첨가하여도, 여전히 냉간압연 가능한 정도의 연성을 유지함을 알 수 있다.
4 (b) shows ductility when alloying by adding 10 atomic% of Fe, Ni, Al, Al and Fe (AlFe), Al and Ni (AlNi), and Ni and Fe (NiFe), respectively, in total in V; The change is graphed. When 10 atomic% Al is added to the vanadium (V) metal, the ductility retention effect is the best, and the alloy (AlFe) having
실험예Experimental Example 3: 수소 고용도 평가 3: hydrogen solubility evaluation
상기 실험예 1과 실험예 2의 결과에 따라, 바나듐(V)에 Al을 각각 5 원자% 또는 10 원자%로 첨가한 합금 V-5Al 또는 V-5Fe과), 바나듐(V)에 Fe을 각각 5 원자% 또는 10 원자%로 첨가한 합금 V-5Fe 또는 V-10Fe과, 바나듐(V)에 Fe 5 원자%와 함께 Al 5 원자%를 첨가한 합금 V-5Fe-5Al, 및 바나듐(V)에 Fe 2.5 원자%와 함께 Al 2.5 원자%를 첨가한 합금 V-2.5Fe-2.5Al을 제조하고, 이들을 순수한 바나듐(V) 분리막과 함께 400℃에서 PCT(압력-수소용해도-온도)를 측정하였다. PCT 측정 방법은 상기 실험예 1에 기재한 바와 같다.According to the results of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, alloys V-5Al or V-5Fe added with 5 atomic percent or 10 atomic percent to vanadium (V), respectively, and Fe to vanadium (V), respectively Alloy V-5Fe or V-10Fe added at 5 atomic% or 10 atomic%, Alloy V-5Fe-5Al added 5 atomic% Al with 5 atomic% Fe to vanadium (V), and Vanadium (V) Alloy V-2.5Fe-2.5Al with 2.5 atomic% Al and 2.5 atomic% Fe was added thereto, and these were measured for PCT (pressure-hydrogen solubility-temperature) at 400 ° C with pure vanadium (V) separator. . PCT measurement method is as described in Experimental Example 1.
그 결과, 도 3(b)에 나타난 것과 같이, 5족 원소(V)에 Fe 및 Al을 함께 합금화한 V-2.5Fe-2.5Al 및 V-5Fe-5Al이, Fe 또는 Al 를 각각 단독으로 V에 합금화한 합금, 또는 순수한 V 금속 보다 수소 고용도가 현저히 낮게 나타남을 확인할 수 있었다. As a result, as shown in Fig. 3 (b), V-2.5Fe-2.5Al and V-5Fe-5Al in which Fe and Al were alloyed together with the
400 ℃, 7 bar (0.7 MPa)의 조건에서, Al 5 원자%와 Fe 5 원자%가 함께 첨가된 경우, 및 Al 2.5 원자%와 Fe 2.5 원자%가 함께 첨가된 경우, 수소 고용도(H/M)는 모두 0.25 미만이었다. 400 ℃, 7 bar(0.7 MPa)의 조건에서 수소 고용도(H/M)가 0.25 이하일 경우, 바나듐(V) 금속의 수소 취성화 파괴가 억제됨이 알려져 있다.
Under conditions of 400 ° C., 7 bar (0.7 MPa), when 5 atomic% Al and 5 atomic% Fe are added together, and when 2.5 atomic% Al and 2.5 atomic% Fe are added together, the hydrogen solubility (H / M) were all less than 0.25. It is known that hydrogen embrittlement fracture of vanadium (V) metal is suppressed when the hydrogen solubility degree (H / M) is 0.25 or less in the conditions of 400 degreeC and 7 bar (0.7 MPa).
실험예Experimental Example 4: 4: 체심입방구조의Body-centered cubic 유지 확인 Maintenance confirmation
합금의 연성 증대를 위해 Al을 첨가하더라도, 수소 확산 특성이 좋기 위해서는 바나듐(V)의 체심입방(bcc) 격자구조가 잘 유지되어야 한다. Even if Al is added to increase the ductility of the alloy, the body centered cubic (bcc) lattice structure of vanadium (V) must be well maintained for good hydrogen diffusion characteristics.
제조예 1의 방법에 따라 제조된 수소 분리막(순수 V, V-5Fe, V-10Fe, V-5Al, V-10Al, V-2.5Fe-2.5Al, 및 V-5Fe-5Al)에 대하여, 상온(약 25℃)에서 X선 회절 분석(XRD)을 실시하여 결정 구조를 확인하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. Room temperature for hydrogen separation membranes (pure V, V-5Fe, V-10Fe, V-5Al, V-10Al, V-2.5Fe-2.5Al, and V-5Fe-5Al) prepared according to Preparation Example 1 X-ray diffraction analysis (XRD) was carried out at (about 25 ° C.) to confirm the crystal structure, and the results are shown in FIG. 5.
도 5에 나타난 바와 같이, 상기 모든 금속이 bcc 격자구조를 잘 유지함을 볼 수 있다. Al은 V의 격자 크기를 증가시키고, Fe은 V의 격자 크기를 감소시키는 것을 알 수 있다. Al 5 원자% 및 Fe 5 원자%를 첨가하는 경우, 및 Al 2.5 원자%와 Fe 2.5 원자%를 첨가하는 경우, 격자 팽창과 수축의 효과가 상쇄되어 순수 V의 격자 크기와 유사해지는 것을 볼 수 있다.
As shown in FIG. 5, it can be seen that all the metals maintain the bcc lattice structure well. It can be seen that Al increases the lattice size of V and Fe decreases the lattice size of V. It can be seen that when adding 5 atomic% Al and 5 atomic% Fe, and adding 2.5 atomic% Al and 2.5 atomic% Fe, the effects of lattice expansion and contraction are canceled out to be similar to the lattice size of pure V. .
실험예Experimental Example 5: 수소 투과 특성 평가 5: hydrogen permeation characteristics evaluation
제조예 1의 방법에 따라 제조된 순수 V, V-10Fe, V-10Al, 및 V-5Fe-5Al로 이루어진 수소 분리막에 대하여, 하기 수학식 1로부터 수소 투과도(Permeability)를 계산한다. For a hydrogen separation membrane made of pure water V, V-10Fe, V-10Al, and V-5Fe-5Al prepared according to the method of Preparation Example 1, hydrogen permeability is calculated from
[수학식 1] [Equation 1]
상기 식에서, Flux(J)는 단위 면적당 수소 투과 속도이고, L은 수소 분리막의 두께이며, ((PH2 , in)1/2-(PH2 , out)1/2)은 수소 분리막의 수소 입력과 출력의 수소 분압의 제급근의 차이이다.Where Flux (J) is the hydrogen permeation rate per unit area, L is the thickness of the hydrogen separation membrane, and ((P H2 , in ) 1/2- (P H2 , out ) 1/2 ) is the hydrogen input of the hydrogen separation membrane This is the difference between the square root of the partial pressure of hydrogen and the output.
도 6은, 상기 수학식 1에 따라, 상기 수소 분리막의 수소 투과도 성능(hydrogen permeability)을 573K 내지 673K 온도 범위에서 측정한 그래프이다. FIG. 6 is a graph measuring hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane in a temperature range of 573K to 673K according to
도 6으로부터, Al을 함유하는 합금 수소 분리막이 673K에서 1.0 x 10-7 mol m-1 s-1 Pa-0. 5 를 초과하는 매우 높은 수소 투과도를 가짐을 알 수 있다. 그러나, 5 원자%의 Al 대신 5 원자%의 Fe을 포함하는 V-5Fe-Al 합금 수소 분리막 역시 V-10Al 합금 수소 분리막과 거의 동일한 수소 투과도를 가짐을 알 수 있다. 그런데, 도 3(a)에서 살펴본 바와 같이, 673K에서의 V-5Fe-Al 합금의 수소 고용도는 V-10Fe 합금의 수소 고용도와 유사하다. 결론적으로, 상기 수소 투과도 결과는, Fe 및 Al의 공동 첨가가 수소 분리막의 수소 고용도 및 수소 확산도에 복합적인 영향을 미치며, 결과 상기와 같은 수소 투과도 결과를 나타내는 것으로 생각된다.6, the Al-containing alloy hydrogen separation membrane was 1.0 x 10 -7 mol m -1 s -1 Pa -0 at 673K. It can be seen that it has a very high hydrogen permeability of more than five . However, it can be seen that the V-5Fe-Al alloy hydrogen separator including 5 atomic% Fe instead of 5 atomic% Al also has almost the same hydrogen permeability as the V-10Al alloy hydrogen separator. However, as shown in FIG. 3 (a), the hydrogen solubility of the V-5Fe-Al alloy at 673K is similar to that of V-10Fe alloy. In conclusion, the hydrogen permeability results, it is thought that the co-addition of Fe and Al has a complex effect on the hydrogen solubility and the hydrogen diffusivity of the hydrogen separation membrane, the result is believed to show the above hydrogen permeability results.
도 8은 573K 내지 773K에 걸쳐 상기 수소 분리막의 수소 확산도(Diffusivity)를 측정한 그래프이다. 수소 확산도 계수는 K. Yamakawa 등의 J. Alloys Compd. 321 (2001) 17에 기재된 것과 같은 Time-lag method로 결정한다. 도 8로부터 알 수 있는 것처럼, 모든 합금 수소 분리막은 순수 V 분리막에 비해 낮은 수소 투과도를 나타낸다. 그러나, V-5Fe-5Al 합금 수소 분리막은 V-10Al 합금 수소 분리막 또는 V-10Fe 합금 수소 분리막에 비해 훨씬 높은 수소 확산도 계수를 나타냄을 알 수 있다. 상기 기술한 바와 같이, 도 6에 나타낸 수소 투과도 결과는, 도 8에 나타낸 수소 확산도와 도 3(a)에 나타낸 수소 고용도의 복합적인 결과로 볼 수 있다.
8 is a graph measuring hydrogen diffusivity of the hydrogen separation membrane over 573K to 773K. Hydrogen diffusivity coefficients are described by K. Yamakawa et al., J. Alloys Compd. 321 (2001) determined by the Time-lag method as described in 17. As can be seen from FIG. 8, all alloy hydrogen separation membranes exhibit lower hydrogen permeability than pure V separators. However, it can be seen that the V-5Fe-5Al alloy hydrogen separator has a much higher hydrogen diffusion coefficient than the V-10Al alloy hydrogen separator or the V-10Fe alloy hydrogen separator. As described above, the hydrogen permeability results shown in FIG. 6 can be seen as a composite result of the hydrogen diffusivity shown in FIG. 8 and the hydrogen solubility shown in FIG. 3 (a).
실험예Experimental Example 6: 수소 6: hydrogen 취성화Embrittlement 파괴 평가 Destruction rating
상기 제조예 1의 방법에 따라 제조된 순수 V, V-10Fe, V-10Al, 및 V-5Fe-5Al로 이루어진 수소 분리막에 대하여, 350℃로부터 상온으로 냉각하면서, 수소 투과도를 측정하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 이를 위해, 상기 수소 분리막을 미리 7 bar 수소 압력, 및 400 ℃ 온도에서 4 시간 유지한 후, 5 ℃/ min의 감온 속도로 상온까지 냉각하면서 수소 분리막의 수소 투과도를 측정한다. The hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane made of pure V, V-10Fe, V-10Al, and V-5Fe-5Al prepared according to the method of Preparation Example 1 was measured at 350 ° C. while cooling to room temperature, and the hydrogen permeability was measured. Is shown in FIG. 7. To this end, the hydrogen separation membrane is previously maintained at 7 bar hydrogen pressure and 400 ° C. for 4 hours, and then the hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane is measured while cooling to room temperature at a temperature reduction rate of 5 ° C./min .
도 7로부터 알 수 있는 것처럼, 순수 V로 이루어진 수소 분리막은 275℃ 부근에서 수소취성 파괴에 의한 막 파괴(투과도 급증)가 발생하는 것에 반해, V-5Fe-5Al로 이루어진 합금 수소 분리막의 경우, 150℃ 이하의 낮은 온도에서 취성 파괴가 발생함을 보인다. 이러한 수소 분리막의 취성화 온도의 감소는, 상기 합금이 고온에서 장기간 수소 환경에 노출될 수 있음을 보여주는 것이다.As can be seen from FIG. 7, the hydrogen separation membrane made of pure V has a membrane breakdown (permeability increase) due to hydrogen embrittlement fracture at around 275 ° C., whereas in the case of an alloy hydrogen separation membrane made of V-5Fe-5Al, It is shown that brittle fracture occurs at low temperatures below < RTI ID = 0.0 > This reduction in the embrittlement temperature of the hydrogen separator shows that the alloy may be exposed to a long term hydrogen environment at high temperatures.
이상 본 발명의 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것이 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 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: Al 원자
3: Fe 원자
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:
3: Fe atom
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)
수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단을 구비하는 챔버; 및
분리된 수소 기체의 배출 수단을 포함하는 배출실을 포함하고,
상기 수소 분리막의 일 표면은 상기 챔버에 접하고, 다른 표면은 상기 배출실에 접하도록 위치하는 수소 분리 장치.A hydrogen separation membrane according to claim 13;
A chamber having means for supplying a mixed gas containing hydrogen gas; And
A discharge chamber including discharge means for separating hydrogen gas,
One surface of the hydrogen separation membrane is in contact with the chamber, the other surface is 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 19,
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,
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.
Hydrogen separation device.
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