KR20150007364A - 분리막, 이를 포함하는 수소 분리막 및 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

5족 원소, 5족 원소와 함께 체심입방구조(bcc)를 형성할 수 있는 전이금속, 및 수소해리능이 있는 금속의 합금을 포함하고, 상기 합금이 체심입방(body centered cubic: bcc) 구조의 결정구조를 포함하는 분리막, 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막, 및 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리장치를 제공한다.

Description

분리막, 이를 포함하는 수소 분리막 및 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치{SEPARATION MEMBRANE, HYDROGEN SEPARATION MEMBRANE INCLUDING SEPARATION MEMBRANE AND DEVICE INCLUDING HYDROGEN SEPARATION MEMBRANE}
분리막, 이를 포함하는 수소 분리막, 및 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치에 관한 것이다.
최근 청정에너지로서 수소가 주목받고 있다. 수소 함유 기체로부터 수소를 선택적으로 분리하는 분리막은 각종 금속/금속합금, 실리카/제올라이트 세라믹, 금속세라믹 복합체 (cermet), 탄소기반 고분자 분리막 등이 알려져 있다. 그 중에서도 대표적으로 Pd계 합금 분리막이 상업적으로 사용되고 있다(Chemical Reviews, 107, 4078-4110 (2007)). 그러나 Pd계 합금의 경우 Pd 자체가 귀금속으로 고가이며, 그 합금계의 경우에도 수소 분리 성능이 2 내지 3배 정도 밖에 향상되지 않는다. 대표적인 Pd계 합금으로 Pd-Ag23, Pd-Cu40 등이 있다(Platinum Metals Rev., 21, 44-50 (1977)).
이에 따라, Pd계 금속과 같은 정도의 우수한 수소 투과 성능을 가지면서 가격 경쟁력 있는 수소 분리막에 대한 필요성이 급증하고 있다.
본 발명의 일 구현예는 추가의 촉매층 없이도 수소 투과 특성이 우수하고, 수소 취성화 파괴를 억제할 수 있으며, 또한 낮은 비용으로 생산 가능한 분리막을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 구현예는 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치를 제공하는 것이다.
일 구현예에 따르면, 5족 원소, 5족 원소와 함께 체심입방구조(bcc)를 형성할 수 있는 전이금속, 및 수소해리능이 있는 금속의 합금을 포함하고, 상기 합금이 체심입방(body centered cubic: bcc) 구조의 결정구조를 포함하는 분리막을 제공한다.
상기 5족 원소는 V(바나듐), Nb(니오븀) 또는 Ta(탄탈륨)일 수 있다.
상기 5족 원소와 함께 체심입방(bcc) 구조를 형성할 수 있는 전이금속은 Ti(티타늄), Zr(지르코늄), 또는 Hf(해프뮴) 중 하나일 수 있다.
상기 수소해리능이 있는 금속은 Pd(팔라듐), Pt(플래티늄), Ni(니켈), Fe(철) 일 수 있다.
상기 합금은, 상기 5 족 원소 약 10 원자% 내지 약 59 원자%, 상기 5족 원소와 함께 bcc 구조를 형성할 수 있는 전이금속 약 40 원자% 내지 약 89 원자%, 및 수소해리능이 있는 금속 약 1 원자% 내지 약 40 원자%로 이루어질 수 있다.
상기 합금을 포함하는 분리막은 기공도가 약 1 부피% 미만의 비다공성의 치밀막 구조로서 형성될 수 있다.
상기 분리막은 기공도가 0% 인 비다공성 치밀막 구조일 수 있다.
상기 분리막의 두께는 약 5 내지 약 1000㎛일 수 있다.
예를 들어, 상기 5족 원소는 Nb일 수 있고, 상기 전이금속은 Ti 일 수 있으며, 상기 수소해리능을 갖는 금속은 Pd 일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막을 제공한다.
상기 수소 분리막은 약 0.1 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 300 내지 약 500℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M의 몰비, 여기서, H는 수소 원자이고, M은 합금 원자를 의미함)가 약 0.05 내지 약 0.25 일 수 있다.
상기 수소 분리막은 약 0.7 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M의 몰비, 여기서, H는 수소 원자이고, M은 합금 원자를 의미함)가 약 0.1 내지 약 0.20 일 수 있다.
상기 수소 분리막은 수소 투과도(hydrogen permeability)가 약 300 내지 약 500℃ 조건에서 약 1.0 x 10-8 내지 약 1.0 x 10-7 mol/m*s*Pa1 /2일 수 있다.
상기 수소 분리막은 상기 분리막 상에 촉매층을 포함하지 않을 수 있다.
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.
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.
상기 분리막은 분리막 상에 추가의 촉매층을 포함하지 않아 촉매층 형성을 위한 추가 공정 및 비용이 절감되고, 또한, 촉매층 내 금속과 분리막 내 금속 사이의 상호확산에 의한 분리막의 성능저하 및 취성화 파괴 문제 등을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 분리막이 포함하는 합금의 결정 격자를 모식도로 나타낸 것이다.
도 2는 분리막의 양면에 촉매층을 포함하는 종래의 분리막을 통해 수소 기체가 분리되는 메커니즘을 모식도로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 구현예에 따라 촉매층을 포함하지 않는 분리막을 통해 수소 기체가 분리되는 메커니즘을 모식도로 나타낸 것이다.
도 4는 일 구현예에 따른 수소 분리 장치의 모식도이다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 따른 관형 분리막을 포함하는 수소 분리 장치의 모식도이다.
도 6은 순수 Nb 막, 순수 Ti 막, 및 Nb과 Ti가 비율을 달리하여 합금을 이룬 막의 결정 구조를 보여주 XRD 분석 그래프이다.
도 7은 순수 Nb 막, Nb 40 원자%와 Ti 60 원자%의 합금 막, 그리고, Ti, Nb, 및 Pd가 합금을 이룬 막의 결정 구조를 보여주 XRD 분석 그래프이다.
도 8은 Nb에 Ti의 함량을 변화시켜 첨가한 합금의 Vicker 경도를 나타내는 그래프이다.
도 9는 Ti에 V(a), Nb(b), Ta(c), Mo(d), 및 W(e)를 각각 상이한 비율로 첨가한 경우의 탄성계수(Young? modulus)를 측정한 그래프이다.
도 10은 순수 Nb, 또는 Ti와 Nb가 비율을 달리하여 합금을 이루는 경우, 여기에 함량을 달리한 Pd를 추가한 합금의 Vicker 경도를 나타내는 그래프이다.
도 11은 순수 Nb, Nb-Ti20 (Nb 80원자% + Ti 20원자%), Nb-Ti40 (Nb60 원자% + Ti 40원자%) 합금의 수소 가압 조건에서, 합금에 크랙 발생 여부를 실험 한 결과를 보여주는 사진이다.
도 12는 순수 V로 이루어진 막에 Pd 코팅을 하지 않고, 표면을 연마하지 않은 경우의 수소 투과도를 측정한 결과를 나타낸다. 여기서, 위의 그래프는 분리막 후단부에서의 압력 변화를 나타내는 그래프이고, 아래는 분리막 후단에서의 수소 흐름을 측정한 그래프이다.
도 13은 V-Pd10 합금에 Pd 코팅을 하지 않고, 표면을 연마한 경우의 수소 투과도를 측정한 결과를 나타낸다. 여기서, 위의 그래프는 분리막의 위와 아래에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 아래는 분리막 후단에서의 압력 변화를 측정한 그래프이다.
도 14는 TiNb40 합금에 Pd 코팅을 하지 않고, 표면을 연마하지 않은 경우의 수소 투과도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 위의 그래프는 분리막 전후단에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 아래는 분리막 후단에서의 압력 변화를 측정한 그래프이다.
도 15은 TiNb40 합금에 Pd 코팅을 하지 않고, 표면을 연마한 경우의 수소 투과도를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 여기서, 위의 그래프는 분리막 전후단에서의 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 아래는 분리막 후단에서의 압력 변화를 측정한 그래프이다.
도 16은 TiNb40 합금에 10 nm 두께의 Pd 코팅을 한 막에 수소 가압한 경우 막 전후단에서의 온도 변화(a), 압력 변화(b), 및 수소 흐름(c)을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 Ti-Nb36-Pd10 합금의 수소 투과도를 측정한 결과를 나타낸다.
도 17(a)는 TiNb36Pd10 막의 온도 변화(위 그래프), 및 막의 전단과 후단에서의 압력 변화를 나타내는 그래프(아래 그래프)이다.
도 17(b)는 도 17(a)의 그래프 중 아래 그래프에서 네모로 표시한 부분의 막 전후단에서의 온도 변화 및 압력 변화를 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 18은 Ti-Nb36-Pd10 합금 분리막의 냉각시 수소 취성 파괴 결과를 나타내는 그래프이다.
도 19는 Ti-Nb36-Pd10 합금 분리막 샘플의 냉각시 수소 취성 파괴 결과를 보여주는 사진이다.
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.
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.
일 구현예에 따르면, 5족 원소, 5족 원소와 함께 체심입방구조(bcc)를 형성할 수 있는 전이금속, 및 수소해리능이 있는 금속의 합금을 포함하고, 상기 합금이 체심입방(body centered cubic: bcc) 구조의 결정구조를 포함하는 분리막을 제공한다.
상기 5족 원소는 V(바나듐), Nb(니오븀) 또는 Ta(탄탈륨)일 수 있다.
상기 5족 원소와 함께 체심입방(bcc) 구조를 형성할 수 있는 전이금속은 Ti(티타늄), Zr(지르코늄), 또는 Hf(해프뮴)일 수 있다.
상기 수소해리능이 있는 금속은 Pd(팔라듐), Pt(플래티늄), Ni(니켈) 또는 Fe(철)일 수 있다.
최근 Pd계 합금 분리막의 대체 후보로 5족 금속들 (Vanadium (V), Niobium (Nb), Tantalum (Ta))에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이들 5족 금속들은 수소친화성이 Pd보다 커 수소함유능력이 우수하며, 또한 체심입방구조(body centered cubic)의 작은 격자를 통한 수소 확산특성이 우수하여 일반적으로 Pd계보다 10~100 배의 우수한 수소투과 성능을 보인다 (J. Membr. Sci., 362, 12-28 (2010)). 그러나 이들 5족 금속은 자체적인 수소해리 특성이 없어 반드시 100~500 nm 두께의 Pd 촉매층을 일면 또는 양면에 코팅해서 사용해야 하는 단점이 있다. 이 경우 상기 촉매층의 형성을 위해 분리막 상에 스퍼터(sputter) 증착 또는 액상 증착(deposition) 공정을 실시하여야 하므로 분리막의 비용을 상승시키게 된다.
본 발명의 일 구현예에서는, 이러한 Pd 촉매층을 필요로 하지 않는 분리막을 제공하고자 하였다.
이에, 상기 구현예에 따른 분리막은, 5족 원소의 체심입방(bcc) 구조를 유지하는 것을 기본으로 하여, 5족 원소와 함께 bcc 결정 구조를 형성할 수 있으면서도 5족 원소의 수소 취성화 파괴를 억제할 수 있는 금속, 및 촉매층을 포함하지 않음으로 인해 분리막 자체가 수소해리능을 보유하도록, 수소해리능을 가지는 금속을 함께 포함하여 합금화하고, 그러한 합금이 bcc 결정 구조를 가지도록 함으로써 달성될 수 있다.
구체적으로, 상기 5족 원소로서 V, Nb 또는 Ta를 사용하는 경우, 이들 5족 금속과 함께 bcc 결정 구조를 형성할 수 있는 원소로서 Ti, Zr, 또는 Hf을 선택할 수 있다. 이들 Ti, Zr 또는 Hf은 그 자체가 bcc 결정 구조를 형성할 수 있으며, 또한 상기 5족 원소들과 함께 bcc 구조를 형성할 수도 있다. 이 때, 상기 5족 금속과 Ti, Zr, 또는 Hf은, 결정 격자 크기가 비슷한 것끼리 함께 사용하는 경우, 보다 안정한 bcc 결정 구조를 형성할 것을 생각된다.
한편, 상기 Ti, Zr, 또는 Hf의 경우, 이들은 다른 금속과 합금 형성 시에합금의 연성을 유지하는 특성이 있음을 확인하였다.
상기 5족 원소의 경우, bcc 결정 구조를 가짐으로 인해 수소 친화도가 높은 원소들이지만, 수소 친화도가 너무 높아 수소 고용화에 따른 수소 취성파괴가 일어나는 문제가 있다.
이를 해결하기 위해서는, 합금의 연성이 유지되는 것이 필요하다.
금속의 경도가 높을수록 수소 취성파괴가 더 잘 일어나는 것으로 알려져 있으며, 또한 경도와 연성은 일반적으로 반비례한다. 따라서, 합금의 경도를 낮추어 연성을 유지하는 경우, 수소 취성화 파괴가 억제될 것으로 생각된다.
후술하는 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기한 5족 금속에 Ti를 일정 함량 이상 첨가한 경우, 합금의 경도가 낮아지고 연성이 더욱 증가함을 알 수 있었다. 또한, 상기 5족 금속과 Ti의 합금은, 전체 조성 비율에서, bcc 결정 구조를 유지함을 알 수 있었다.
한편, 이와 같이 bcc 결정 구조와 수소 취성화 파괴를 억제할 수 있는 연성을 유지하더라도, 여기에 추가의 수소 해리능을 가지는 금속을 추가하지 않는 경우 수소 투과능이 발생하지 않음을 알 수 있었다.
따라서, 상기 구현예에 따른 분리막은, 수소 투과도를 유지하고, 수소 취성화 파괴를 억제하면서도, 또한 수소의 해리능을 갖는 금속을 필요로 하며, 이러한 금속은 종래의 분리막에서 촉매층으로 주로 사용되어온 Pd, Pt, Ni, 또는 Fe과 같은 금속일 수 있다.
상기에 기술한 바와 같이, 상기 분리막을 구성하는 합금은, 상기 5 족 원소와 합금화하여 합금의 연성을 유지할 수 있는 금속을 일정 함량 이상 포함하여야 하는데, 이는 상기 Ti, Zr, 또는 Hf 을 약 40 원자% 이상, 구체적으로 약 50 원자% 이상, 더 구체적으로 약 60 원자% 이상 포함할 수 있다.
한편, 상기 수소 해리능을 가지는 금속의 경우, 수소 해리능을 가질 정도로 상기 합금 내에 포함될 수 있으며, 이는 예컨대 약 1 원자% 이상, 구체적으로 약 3 원자% 이상, 더 구체적으로 약 5 원자% 이상, 더더욱 구체적으로 약 8 원자% 이상의 범위로 포함될 수 있다.
상기 수소 해리능을 가지는 금속의 경우, Pd 등과 같이 일반적으로 값비싼 금속이며, 따라서, 합금 내에 포함되어 적절한 수소 분리능을 가질 수 있는 정도라면 충분하고, 따라서, 경제적인 측면을 고려할 때, 약 20 원자% 이하, 예를 들어 약 15 원자% 이하, 구체적으로 약 10 원자% 이하로 포함될 수 있다.
상기 5족 원소의 경우, 5족 원소와 함께 bcc 결정 구조를 유지하며, 또한 합금의 연성을 유지할 수 있는 금속, 및 상기 수소 해리능을 가지는 금속의 함량을 상기 범위 내로 조정한 후, 나머지 함량으로 합금 내에 포함될 수 있다. 일반적으로, 5 족 원소에 비해 Ti, Zr, 또는 Hf 등의 원소가 보다 싸므로, 상기 5족 원소에 비해 이들 원소를 다량 함유하여도 좋다. 이들 원소는 80 원자% 이상, 예를 들어 85 원자% 이상, 구체적으로 약 89 원자%까지 포함되더라도, 5족 원소의 수소투과능을 해치지 않고, 또한 합금의 연성을 유지하여 수소 취성화에 따른 파괴를 억제하는 것으로 생각된다.
따라서, 상기 구현예에 따른 분리막은, 상기 5 족 원소 약 10 원자% 내지 약 59 원자%, 상기 5족 원소와 함께 bcc 구조를 형성할 수 있는 전이금속 약 40 원자% 내지 약 89 원자%, 및 수소해리능이 있는 금속 약 1 원자% 내지 약 40 원자%로 이루어지는 합금을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 분리막은 Nb, Ti, 및 Pd의 합금을 포함할 수 있다.
Nb, Ti, 및 Pd의 합금을 포함하는 상기 분리막은, 추가의 Pd 촉매층을 포함하지 않는 단일층 구조로도 우수한 수소 투과능을 나타내며, 또한, 고온에서의 수소 분리 공정 이후 냉각에 따른 수소 취성화 파괴 실험에서 분리막에 크랙이 형성되지 않아, 수소 취성화 파괴도 일어나지 않음을 알 수 있다.
상기 합금의 경우, 특히 Nb 및 Ti의 격자 크기가 유사하여 bcc 결정 구조를 더욱 잘 형성하며, 이로써 수소 투과도가 더욱 우수한 것으로 생각된다.
반면, Nb와 Ti의 경우, 이들의 수소 친화도가 너무 커서, 이들 Nb와 Ti만으로 합금을 형성하고, 여기에 종래의 경우와 마찬가지로 추가의 Pd 촉매층을 코팅한 경우에는, 7bar 에서 불과 5분 동안만 수소 가압을 하여도 상기 분리막이 파괴됨을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명의 구현예에 다른 일 실시예에서, Nb, Ti, 및 Pd를 상기한 함량비로 함께 포함하는 합금을 형성함으로써, 수소 취성화 파괴를 억제하면서도, 우수한 수소 투과도를 달성할 수 있고, 또한 추가의 촉매층을 형성하지 않음으로써 공정 및 비용을 저감할 수 있는 분리막의 제조가 가능하다.
상기 합금은 약 80% 이상, 예를 들어 약 85% 이상, 구체적으로 약 90% 이상이 bcc 결정 구조를 포함할 수 있다.
상기 원소들이 상기 함량비로 포함되는 경우, 그로부터 제조되는 합금은 bcc 구조를 유지함을 XRD (X-ray diffraction) 결과로부터 알 수 있다. 즉, 도 6과 도 7에 나타난 바와 같이, Nb와 Ti를 혼합한 합금, 또는 Nb와 Ti, 및 Pd를 포함하는 합금은, 전 조성 범위에서, 순수한 Ti, 및 순수한 Nb의 경우와 마찬가지로 bcc의 결정 구조를 나타냄을 알 수 있다.
이로써, 이들 합금은 bcc 결정을 유지하고, 또한 연성을 유지함으로써, 우수한 수소 투과도를 가지며, 또한 수소 취성화 파괴에 대한 내성을 가짐을 알 수 있다.
상기 합금을 포함하는 분리막은 기공도가 약 1 부피% 미만의 비다공성의 치밀막 구조로서 형성될 수 있다.
상기 분리막은 기공도가 0% 인 비다공성 치밀막 구조일 수 있다.
상기 분리막의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 1000 ㎛일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 분리막을 포함하는 수소 분리막을 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. 합금 부피 80% 이상의 높은 수준의 결정구조를 갖는 분리막이 수소 분리막으로 사용되기에 적합할 수 있다.
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 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.
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.
도 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 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 4면체(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.
도 1은 상기 본 발명의 일 실시예에 따라, 분리막이 5족 원소(Nb), Ti 원자, 및 Pd 원자의 합금으로 이루어진 경우 형성될 수 있는 체심입방구조의 결정 격자를 나타낸 모식도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 상기 3 성분은 함께 체심입방구조의 결정 구조를 형성할 수 있다. 체심입방구조는 수소 원자(H)의 용해 또는 확산에 유리한 4면체(tetrahedral) 또는 8면체(octahedral) 공간을 다수 확보할 수 있게 하여 수소 투과도를 높일 수 있는 구조이다.
상기 분리막에서, 5족 원소 및 Ti, Zr 또는 Hf은 체심입방구조를 형성하는 원소이고, 따라서 이들을 합금화하면서도 체심입방구조를 잘 유지할 수 있도록 하여야 한다. 또한, 이들 원소는 격자 상수가 거의 순수 5족 원소의 체심입방구조의 격자상수와 유사하게 유지할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 상기 분리막에서 상기 3 성분계 합금의 체심입방구조의 격자상수는 순수 Nb와 bcc인 베타-티타늄과 유사한 약 3.2 내지 약 3.4 Å일 수 있다.
상기 분리막은 기공도가 약 1 부피% 미만 내지 기공도 약 0 부피%의 비다공성의 치밀막 구조로서 형성될 수 있다. 이와 같이 치밀막 구조로 형성됨으로써, 분리 대상 물질만을 선택적으로 분리해낼 수 있다. 상기 분리막을 수소 분리막으로 적용하는 경우, 치밀막 구조로 형성함으로써, 분해된 수소 원자를 금속 격자 사이로 통과시켜 수소만을 선택적으로 분리한다.
상기 분리막은 두께가 얇을수록 분리 대상 물질의 투과도를 높일 수 있다. 따라서, 이들 분리막은 약 5 ㎛ 내지 약 1000 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 분리막은 5족 원소에 Ti, Zr, 또는 Hf이 합금화됨으로써, 순수한 5족 원소로 이루어진 분리막에 비하여 연성이 증대된다. 연성을 증가시켜 상온에서의 연성이 확보되면 냉간압연법(cold rolling)에 의한 막 제조 공정이 가능하여 저비용으로 대량 생산이 가능할 수 있다. 5족 원소에 Ti, Zr 또는 Hf가 합금화되어도 체심입방구조를 잘 유지하면서도 연성을 유지할 수 있다.
순수한 5족 원소로 이루어진 막은 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.
전술한 바와 같이, 상기 분리막은 Ti, Zr, 또는 Hf이 첨가되어 연성이 증가하며, 이와 같이 증가한 연성으로 인해 수소 취성화 문제도 완화될 수 있다. 또한, 5족 원소에 Ti, Zr, 또는 Hf가 첨가된 합금은 순수한 5족 원소에 비해 금속 수소 화합물을 형성하는 임계온도를 낮추기 때문에 동일 조건에서 금속 수소 화합물 형성도 억제될 수 있다.
분리막의 연성은 ASTM E8M 규격 미소인장시험에 의해 평가될 수 있는데, 일 구현예에서 상기 분리막은 ASTM E8M 규격 미소인장시험 평가에 의한 연신률이 약 5 내지 약 25%일 수 있다. 다른 구현예에서 상기 분리막은 ASTM E8M 규격 미소인장시험 평가에 의한 최대하중이 약 200 내지 약 600 MPa (약 300℃에서 측정함)일 수 있다.
상기 분리막은 우수한 수소 투과도를 가짐에 따라 낮은 수소 고용도를 갖게 되고, 구체적으로, 약 0.1 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 300 내지 약 500℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M 단위)가 약 0.05 내지 약 0.25일 수 있다. 보다 구체적으로, 약 0.7 내지 약 1 MPa 수소압 및 약 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도가 약 0.1 내지 약 0.2일 수 있다.
또한, 상기와 같이 제조된 분리막을 이용하여 제조된 수소 분리막은 수소 투과도가 우수하다. 수소 투과도는 하기 수학식으로 계산될 수 있다.
[수학식 1]
투과도(permeability) = 용해도(S) × 확산계수(D)
상기 분리막의 수소 투과도(hydrogen permeability)는 약 300 내지 약 500℃ 조건에서 약 1.0 x 10-8 내지 약 1.0 x 10-7 mol/m*s*Pa1 /2 일 수 있다.
상기 수소 분리막의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 1000 ㎛, 구체적으로 약 20 내지 약 200 ㎛일 수 있다. 분리막은 상기 범위의 두께를 가질 때 분리막의 용도로 적용되기에 적절한 투과도(permeability)를 가질 수 있다.
상기 분리막은 공지된 합금 제조 방법에 따라 제조될 수 있고, 그 방법에 제한되지 않는다. 예를 들면, 아크멜팅법(arc melting), 유도용해법(induction melting), 스파크 플라스자 소결 (spark plasma sintering), 기계적인 합금화 (mechanical milling) 등에 의하여 각 금속을 균일하게 용해하고, 원하는 두께의 막을 제작하기 위하여 열간압연(hot rolling) / 냉간압연(cold rolling) 공정에 의해 분리막을 제조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 구현예에 따른 분리막은 분리막의 일면 또는 양면에 추가의 촉매층을 포함하지 않아도 된다.
따라서, 도 3에 나타낸 것과 같이, 본 발명에 따른 분리막은, 분리막을 통해 수소가 해리되면서 흡수되고, 또한 그로부터 수소만이 분리되어 다시 수소 가스(H2)를 형성할 수 있다. 즉, 종래의 분리막에서와 같이, 수소 분리막의 일면 또는 양면에 수소 분자(H2)의 수소 원자(H)로의 해리를 위한 촉매층이 필요하지 않게 된다.
본 발명의 또 다른 구현예에서는, 상기 수소 분리막, 수소 기체를 포함하는 혼합 기체의 공급 수단을 구비하는 챔버, 분리된 수소 기체의 배출 수단을 포함하는 배출실, 및 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치를 제공한다.
상기 수소 분리막은 상기 수소 분리막의 일 표면이 상기 챔버에 접하고, 다른 표면이 상기 배출실에 접하도록 위치한다.
도 4는 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.
도 5는 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.
또 다른 구현예에서, 관형의 수소 분리막(33)을 포함하는 경우로서, 도 5의 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.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 안된다.
( 실시예 )
제조예 1: Ti - Nb 합금, Ti - Nb - Pd 합금, V- Pd 합금, 및 Nb - Pd 합금의 제조
Ti 및 Nb 를 다양한 함량비로 포함하는 합금을 제조하였다.
또한, Ti, Nb, 및 Pd 를 다양한 함량비로 포함하는 합금을 제조하였다.
또한, V-Pd 합금을 제조하였다.
또한, Nb-Pd 합금을 제조하였다.
구체적으로, 상기 각 합금을 구성하는 성분 원소들을 다양한 함량비로 혼합하고, 아크멜팅법을 이용하여 균일하게 용해하여 합금화를 진행함으로써, 400 ㎛ 두께의 분리막을 제조한다. 또한, 대조군으로서, Ti 또는 Nb 원소만을 동일한 방법으로 용해시켜 분리막을 제조한다.
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.
실험예 1: Ti - Nb 합금 및 Ti - Nb - Pd 합금의 결정 구조의 확인
제조예 1에 따라 제조된 Ti-Nb 합금이 순수한 Ti, 또는 순수한 Nb에서와 마찬가지로 bcc 결정 구조를 유지하는지 여부를 확인하였다.
즉, 제조예 1에 따라 Ti를 20, 40, 60, 및 80 원자% 함유하는 Ti-Nb 합금과, 순수한 Ti, 및 순수한 Nb 금속의 결정 구조를 XRD를 사용하여 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, Nb와 Ti로 이루어지는 합금은, 모든 조성 범위에서, Nb 또는 Ti 자체의 bcc 결정 구조를 유지함을 알 수 있다.
또한, 제조예 1에서 제조한 Ti, Nb, 및 Pd로 이루어진 합금의 결정 구조도 XRD로 측정하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, Ti-Nb 뿐만 아니라, 여기에 각각 5 원자%와 10 원자%의 Pd를 추가 포함한 합금 역시, 순수한 Nb 또는 Ti-Nb 합금과 마찬가지로 bcc 결정 구조를 유지함을 알 수 있다.
이로부터, Nb-Ti 금속의 합금, 및 여기에 Pd를 혼합한 합금 역시, 안정적인 bcc 결정 구조의 유지에 따라 우수한 수소 투과도를 가질 것임을 예상할 수 있다.
실험예 2: Ti 의 합금 연성 유지 효과 확인
합금의 경도 측정을 위해서는, 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.
Nb-Ti 합금의 Vicker 경도를 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 8로부터 알 수 있는 바와 같이, Nb에 Ti를 40 원자% 이상 포함시킨 경우, 합금의 Vicker 경도가 감소하고, 60 원자% 이상 첨가 시에도, 여전히 합금의 연성이 유지됨을 알 수 있다. 일반적으로 금속의 경도가 증가할 경우 부스러지기 쉬우며(brittle) 연성이 감소하는 것으로 알려져 있다.
또한, 제조예 1에서와 동일한 방법으로, Ti에 V, Ta, Mo, 및 W을 다양한 함량비로 혼합한 합금을 제조하고, 이들 Ti와 다른 금속과의 합금의 탄성계수(Young? modulus)를 측정하여 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, Ti와 다른 금속과의 합금은, Ti의 함량이 증가할수록 합금의 탄성계수 또한 낮춤을 알 수 있다.
이로써, Ti는 다른 금속과 합금화될 때, 합금의 연성을 유지하고, 탄성계수를 감소시킴을 알 수 있다. 이에 따라, 수소 분리막에 Ti를 첨가한 합금을 이용하는 경우, 연성의 증가로 인해 수소 취성화 파괴에 내성을 가질 것임을 예상할 수 있다.
실험예 3: Nb - Ti - Pd 합금의 연성 측정
상기 실험예 2의 결과에 더하여, Ti-Nb 합금에 다양한 함량비로 Pd를 추가한 Ti-Nb-Pd 합금의 Vicker 경도도 측정하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, Ti-Nb 합금에 Pd를 추가한 경우가, Nb 단독 금속에 Pd를 첨가한 합금 보다 경도 증가가 억제됨을 확인할 수 있다. 즉, Nb-Pd의 합금보다, Ti-Nb-Pd 합금의 연성이 더 높게 유지됨을 알 수 있다. 또한, Ti의 함량을 높이는 경우, 경도가 더욱 낮아지고 연성이 더 좋게 됨을 확인할 수 있었다.
실험예 4: Nb - Ti 합금의 수소 취성화 파괴 억제 효과 확인
실험예 2와 3으로부터, Ti를 첨가하는 경우, 합금의 연성을 유지할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과가, 이들 합금을 이용한 분리막을 제조한 경우, 수소 취성화에 따라 파괴를 억제할 수 있는지 실험해 보았다.
즉, 도 11에 나타낸 바와 같이, 동일 수소 차징 조건에서, 순수한 Nb의 경우 금속 표면에 크랙이 발생하였음에 반해, Nb-Ti20 합금의 경우, 작은 크랙이 발생하여 크랙 발생이 감소하였음을 알 수 있고, Nb-Ti40의 경우, 크랙이 발생하지 않았음을 알 수 있다.
즉, Ti 금속의 합금화에 따라, 합금의 연성이 증가하고, 그에 따라 합금의 수소 취성화 파괴 억제 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
실험예 5: 수소 투과 특성 평가
(1) V- Pd 합금의 수소 투과도 평가
제조예 1에 따라 제조된 V-Pd 합금의 수소투과도를 측정하였다.
V-Pd는 Nb-Pd 보다 연성이 우수하며, 따라서, 연성이 유지되고 5족 금속 및 수소해리능을 가진 상기 합금이 수소 투과도를 가질지 여부를 확인하고자 하였다.
그러나, 도 13으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 합금은 수소 투과능이 없었다.
구체적으로, 도 12는 대조군으로서 순수한 V에 Pd를 코팅하지 않고, 그 표면도 연마하지 않은 금속의 양단에 진공을 건 후, 수소를 가압하여 수소 투과도를 측정한 것으로서, 도 12의 위의 그래프에서, 비록 1 시간에 1 kPa의 압력 증가가 있는 것으로 나타났으나, 이는 후단부의 가스 리크(leak)에 의한 압력 상승일 뿐, 실질적인 수소 투과를 나타내지 못했다. 이는 도 12의 아래 그래프(수소 흐름 측정 그래프)로부터 확인할 수 있다.
도 13은 V-Pd10 합금에 대해 Pd 코팅을 하지 않고 표면만을 연마한 상태에서 수소 투과도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 13의 위의 그래프로부터, 금속 전단부와 후단부 모두에서 온도 변화가 없었으나, 아래 그래프로부터 후단부의 압력만이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나, 이 역시, 도 12의 위의 그래프에서와 같이, 후단부의 가스 리크(leak)에 의한 압력 상승일 뿐, 실질적인 수소 투과능은 나타나지 않음을 알 수 있었다.
(2) Ti - Nb 합금의 수소 투과도 평가
제조예 1에서 제조한 Ti-Nb 합금에 Pd 코팅을 하지 않은 경우, 수소 투과능이 없음을 확인하고자 하였다.
구체적으로, 도 14의 결과는, 상기 합금을 어닐링 하지 않고, 표면 Pd 코팅을 하지 않은 상태에서, 표면 연마 처리도 하지 않은 분리막 (500 ㎛ 두께)에 대해 수소 가압 후 분리막 양단의 온도 및 압력 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14의 위의 그래프로부터, 수소 가압 후 분리막 양단에서 온도 변화가 없었고, 후단부의 압력 증가가 나타남을 알 수 있으나, 그 차이는 미미하였으며, 기계적인 결함에 따른 오차 범위에 불과하였다.
도 15에서는, 상기 합금을 어닐링하지 않고, 표면 Pd 코팅도 하지 않았으나, 표면 연마 처리를 한 분리막 (두께 450 ㎛ 로 줄어듬)에 대해 수소 투과도를 측정하였다.
그 결과, 도 15의 위의 그래프로부터, 분리막 양단의 온도 변화가 없고, 압력은 조금씩 증가함을 알 수 있으나, 이 역시 도 14에서와 같이 오차 범위에 불과함을 알 수 있다.
따라서, 표면에 Pd 코팅 처리를 하지 않은 Ti-Nb 합금 자체는 수소 투과도가 없음을 알 수 있다.
반면, 도 16에 나타낸 바와 같이, Ti-Nb 합금 상에 10 nm 두께로 Pd 코팅을 한 경우에는, 단 7 bar로 5 분 동안 가압한 경우 샘플이 파괴됨을 알 수 있다. 즉, Pd가 막 상태로 상기 합금 표면에 존재하는 경우에는, 과량의 수소가 공급되어 상기 분리막은 수소 취성화에 의해 파괴를 나타낸 것이다.
도 16의 (a)는 분리막 양단의 온도 변화가 없음을 나타내는 것이고, (b)는 전단부의 압력이 급격히 증가하다가 수소 취성화 파괴에 의해 갑자기 감소한 반면, 후단부의 압력은 갑자기 증가함으로써, 역시 수소의 과잉 공급에 의한 분리막의 파괴를 나타낸다. (c)는 후단부의 유량을 나타내는 것으로서, 여기서도 수소 유량이 급격히 증가함을 보여준다.
즉, Nb-Ti 합금 자체는 수소에 대한 친화도가 매우 큰 금속이며, 이는 수소 친화도가 너무 높아 그 위에 Pd 촉매층 등을 코팅하여 사용할 수 없음을 알 수 있다.
(3) Ti - Nb - Pd 합금의 수소 투과도 측정
Ti:Nb의 비율이 6:4의 조성인 합금에 10 원자%의 Pd를 첨가하여 Ti-Nb-Pd 합금을 제조하고, 그 수소 투과능을 측정하여 도 17에 그 결과를 나타내었다.
도 17(a)는 상기 합금 분리막의 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 것으로서, 수소 가압에 따라 온도가 증가하다가 유지됨을 알 수 있고, 아래의 그래프로부터는 전단부의 압력이 증가하다가 일정 수준으로 유지되고, 후단부의 압력도 미세하게 증가함을 알 수 있다.
도 17(b)는 상기 도 17(a)의 아래 그래프에서 네모 박스로 표시한 부분을 확대하여 나타낸 것이다. 도 17(b)로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 상태에서 분리막 전후단에서 온도의 변화는 없고, 압력의 경우, 후단부에서 서서히 증가하여 수소 투과능을 나타냄을 보여준다.
상기 결과로부터, Nb-Ti-Pd 합금은, Pd 첨가전의 샘플에 비해 훨씬 많은 양의 수소가 나오는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 합금 분리막의 경우, 소량 수소가 투과되는 샘플에 대해 7 bar에서 1 일 경과 후 수소압을 7bar 이상으로 유지하며 냉각을 시킨 경우에도 수소 취성파괴는 발생하지 않음을 알 수 있었다.
이 때 수소 투과도 결과는 도 18에 나타나 있고, 투과도 측정 후 상기 샘플을 꺼내어 육안으로 검사한 경우에도, 코인 형태의 샘플에 크랙의 흔적은 발견할 수 없었다 (도 19 참조).
도 18의 위의 그래프로부터, 냉각에 따른 온도 감소를 볼 수 있고, 아래 그래프로부터, 후단부에서는 온도 감소에 따른 전단부 압력의 감소를 볼 수 있다.
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.
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 격벽

Claims (15)

  1. 5족 원소와,
    상기 5족 원소와 함께 체심입방구조(bcc)를 형성할 수 있는 전이금속, 및
    수소 해리능이 있는 금속
    의 합금을 포함하고,
    상기 합금이 체심입방(body centered cubic: bcc) 구조의 결정구조를 포함하며,
    상기 5 족 원소는 V(바나듐), Nb(니오븀) 또는 Ta(탄탈륨)으로부터 선택되고,
    상기 전이금속은 Ti(티타늄), Zr(지르코늄), 또는 Hf(해프뮴)으로부터 선택되며,
    상기 수소 해리능이 있는 금속은 Pd(팔라듐), Pt(플래티늄), Ni(니켈), 또는 Fe(철)로부터 선택되는 분리막.
  2. 제1항에서, 상기 합금은, 상기 5 족 원소 약 10 원자% 내지 약 59 원자%, 상기 전이금속 약 40 원자% 내지 약 89 원자%, 및 상기 수소 해리능이 있는 금속 약 1 원자% 내지 약 40 원자%로 이루어지는 분리막.
  3. 제1항에서, 상기 합금은, 상기 5 족 원소 약 10 원자% 내지 약 49 원자%, 상기 전이금속 약 50 원자% 내지 약 89 원자%, 및 상기 수소 해리능이 있는 금속 약 1 원자% 내지 약 30 원자%로 이루어지는 분리막.
  4. 제1항에서, 상기 합금은, 상기 5 족 원소 약 10 원자% 내지 약 39 원자%, 상기 전이금속 약 60 원자% 내지 약 89 원자%, 및 상기 수소 해리능이 있는 금속 약 1 원자% 내지 약 20 원자%로 이루어지는 분리막.
  5. 제1항에서, 상기 합금의 80 부피% 이상이 체심입방구조의 결정구조를 형성한 분리막.
  6. 제1항에서, 기공도가 약 1 부피% 미만인 분리막.
  7. 제1항에서, 상기 분리막의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 1000 ㎛인 분리막.
  8. 제1항에서, 상기 5족 원소는 Nb이고, 상기 전이금속은 Ti이며, 상기 수소 해리능을 갖는 금속은 Pd 인 분리막.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 분리막을 포함하는 수소 분리막.
  10. 제9항에서, 0.1 MPa 내지 1 MPa의 수소압 및 300℃ 내지 500℃ 조건에서 측정한 수소 고용도 (H/M)가 약 0.05 내지 약 0.25 인 수소 분리막.
  11. 제9항에서, 0.7 MPa 내지 1 MPa 수소압 및 400℃ 조건에서 측정한 수소 고용도(H/M)가 약 0.1 내지 약 0.2 인 분리막.
  12. 제9항에서, 300℃ 내지 500℃에서 측정한 수소 투과도(hydrogen permeability)가 1.0×10-8 내지 1.0×10-7 mol/m*s*Pa1 /2인 수소 분리막.
  13. 제9항에서, 촉매층을 포함하지 않는 수소 분리막.
  14. 제9항에 따른 수소 분리막;
    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.
  15. 제14항에서,
    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.

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