JPH11285613A - 水素透過膜ポンプシステム - Google Patents
水素透過膜ポンプシステムInfo
- Publication number
- JPH11285613A JPH11285613A JP9151498A JP9151498A JPH11285613A JP H11285613 A JPH11285613 A JP H11285613A JP 9151498 A JP9151498 A JP 9151498A JP 9151498 A JP9151498 A JP 9151498A JP H11285613 A JPH11285613 A JP H11285613A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrogen
- thin film
- metal
- metal thin
- pump system
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- Pending
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- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 任意の金属の薄膜を用いることが可能であ
り、水素の透過量を制御することの可能な膜ポンプシス
テムの提供。 【解決手段】 水素の存在する上流側と水素が流入する
下流側とが金属薄膜により隔離されており、金属薄膜の
下流側に水素のみを透過させることができる膜ポンプシ
ステムであって、金属薄膜の上流側の表面に電子を照射
して水素の透過量を制御することを特徴とする、膜ポン
プシステム。
り、水素の透過量を制御することの可能な膜ポンプシス
テムの提供。 【解決手段】 水素の存在する上流側と水素が流入する
下流側とが金属薄膜により隔離されており、金属薄膜の
下流側に水素のみを透過させることができる膜ポンプシ
ステムであって、金属薄膜の上流側の表面に電子を照射
して水素の透過量を制御することを特徴とする、膜ポン
プシステム。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素を選択的に透
過させる膜ポンプシステムに関するものである。
過させる膜ポンプシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ある種の金属の薄膜は水素および水素同
位体のみを透過させるという特徴を有することがある。
このような薄膜を、核融合炉の燃料回収において、膜ポ
ンプシステムとして適用することが検討されてきた。核
融合炉では、この膜ポンプシステムは燃料である水素を
Ｈｅ灰およびその他の不純物から分離するためのシステ
ムとして検討されている。
位体のみを透過させるという特徴を有することがある。
このような薄膜を、核融合炉の燃料回収において、膜ポ
ンプシステムとして適用することが検討されてきた。核
融合炉では、この膜ポンプシステムは燃料である水素を
Ｈｅ灰およびその他の不純物から分離するためのシステ
ムとして検討されている。
【０００３】しかしながら、環境に適合し、かつ表面入
射水素に対する透過水素の割合（すなわち透過確率）が
十分であることが認められているのは、表面に不純物原
子層が存在するニオブなど、ごく限られた材料だけであ
り、さらには表面状態の制御技術は確立されていない。
射水素に対する透過水素の割合（すなわち透過確率）が
十分であることが認められているのは、表面に不純物原
子層が存在するニオブなど、ごく限られた材料だけであ
り、さらには表面状態の制御技術は確立されていない。
【０００４】また、水素同位体精製ポンプとして金属薄
膜を適用することも検討されているが、このような用途
に適用できる金属はパラジウムなどの水素溶解度ならび
に拡散係数の高い材料のみに限られている。
膜を適用することも検討されているが、このような用途
に適用できる金属はパラジウムなどの水素溶解度ならび
に拡散係数の高い材料のみに限られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来の水
素透過薄膜に用いることができる金属薄膜は限られてお
り、また、その透過確率を制御することは困難であっ
た。従って、このような用途に適用することができる材
料に対する限定を緩和すること、ならびにその水素透過
確率を制御することのできる方法が求められていた。
素透過薄膜に用いることができる金属薄膜は限られてお
り、また、その透過確率を制御することは困難であっ
た。従って、このような用途に適用することができる材
料に対する限定を緩和すること、ならびにその水素透過
確率を制御することのできる方法が求められていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】［発明の概要］ ＜要旨＞本発明の膜ポンプシステムは、水素の存在する
上流側と水素が流入する下流側とが金属薄膜により隔離
されており、金属薄膜の下流側に水素のみを透過させる
ことができる膜ポンプシステムであって、金属薄膜の上
流側の表面に電子を照射して水素の透過量を制御するこ
と、を特徴とするものである。
上流側と水素が流入する下流側とが金属薄膜により隔離
されており、金属薄膜の下流側に水素のみを透過させる
ことができる膜ポンプシステムであって、金属薄膜の上
流側の表面に電子を照射して水素の透過量を制御するこ
と、を特徴とするものである。
【０００７】＜効果＞本発明のシステムによれば、水素
だけを透過する薄膜として任意の金属を用いることがで
き、従来に比べて幅広い範囲から適当な材料を選択する
ことができる。また、本発明のシステムを用いることに
より、より安価で、より高い耐久性や強度を有する、核
融合炉における水素回収装置や工業過程における水素同
位体精製ポンプなどを製造することができる。
だけを透過する薄膜として任意の金属を用いることがで
き、従来に比べて幅広い範囲から適当な材料を選択する
ことができる。また、本発明のシステムを用いることに
より、より安価で、より高い耐久性や強度を有する、核
融合炉における水素回収装置や工業過程における水素同
位体精製ポンプなどを製造することができる。
【０００８】［発明の具体的説明］本発明のシステムに
用いることのできる金属薄膜の材質は、特に限定されな
い。任意の金属または合金を膜として用いることができ
る。
用いることのできる金属薄膜の材質は、特に限定されな
い。任意の金属または合金を膜として用いることができ
る。
【０００９】しかし、本発明の効果を利用して、水素溶
解度または拡散係数が高いものが好ましい。また、本発
明によれば、任意の金属または合金を材料として用いる
ことができるので、材料の入手の容易性、強度、安定
性、コスト、およびその他の要件から用いる金属材料を
選択することができる。
解度または拡散係数が高いものが好ましい。また、本発
明によれば、任意の金属または合金を材料として用いる
ことができるので、材料の入手の容易性、強度、安定
性、コスト、およびその他の要件から用いる金属材料を
選択することができる。
【００１０】なお、本発明でいう用語「水素」は、水素
の他に水素の同位体、すなわち重水素および三重水素も
包含するものとする。
の他に水素の同位体、すなわち重水素および三重水素も
包含するものとする。
【００１１】用いることのできる金属の具体的な例とし
ては、水素溶解度や拡散係数の面から有利なパラジウ
ム、白金、マグネシウム、バナジウム、およびその他、
入手の容易性や材料の強度の面からニッケル、鉄、銅、
チタン、クロム、およびその他が挙げられる。また、こ
れらの金属を組み合わせて、すなわち合金として、用い
ることもできる。例えば、ＬａＮｉ5、ＦｅＴｉ、Ｍｇ2
Ｎｉ、およびその他の合金は水素溶解度の大きな材料と
して、ステンレス鋼やジュラルミン鋼などは、安価で強
度の大きな材料として、本発明のシステムに使用するこ
とができるものである。
ては、水素溶解度や拡散係数の面から有利なパラジウ
ム、白金、マグネシウム、バナジウム、およびその他、
入手の容易性や材料の強度の面からニッケル、鉄、銅、
チタン、クロム、およびその他が挙げられる。また、こ
れらの金属を組み合わせて、すなわち合金として、用い
ることもできる。例えば、ＬａＮｉ5、ＦｅＴｉ、Ｍｇ2
Ｎｉ、およびその他の合金は水素溶解度の大きな材料と
して、ステンレス鋼やジュラルミン鋼などは、安価で強
度の大きな材料として、本発明のシステムに使用するこ
とができるものである。
【００１２】本発明のシステムでは、前記の金属を薄膜
として用いる。薄膜の厚さは、水素の透過が可能であれ
ば任意であり、特に限定されない。しかしながら、薄膜
の厚さが過度に厚いと水素の透過が不充分となることが
あり、また過度に薄いと薄膜自体の強度が不充分となる
ことがあるので注意が必要である。特に、本発明のシス
テムを核融合炉などに適用しようとした場合、高エネル
ギーの電子線や中性子線に金属薄膜が暴露されることが
あるが、それによる照射損失などによる強度低下などを
考慮するべきであろう。
として用いる。薄膜の厚さは、水素の透過が可能であれ
ば任意であり、特に限定されない。しかしながら、薄膜
の厚さが過度に厚いと水素の透過が不充分となることが
あり、また過度に薄いと薄膜自体の強度が不充分となる
ことがあるので注意が必要である。特に、本発明のシス
テムを核融合炉などに適用しようとした場合、高エネル
ギーの電子線や中性子線に金属薄膜が暴露されることが
あるが、それによる照射損失などによる強度低下などを
考慮するべきであろう。
【００１３】本発明のシステムでは、前記の金属薄膜に
電子を照射することで、金属薄膜の水素の透過流量を制
御する。また、通常の状態では水素が実質的に透過でき
ない金属であっても、電子を照射することで水素の透過
を可能とする。
電子を照射することで、金属薄膜の水素の透過流量を制
御する。また、通常の状態では水素が実質的に透過でき
ない金属であっても、電子を照射することで水素の透過
を可能とする。
【００１４】本発明のシステムにおいて、電子を照射す
る方法は任意であり、電子銃による方法、放電による方
法などが挙げられる。しかしながら、照射する電子のエ
ネルギーが不必要に高いと、金属薄膜を破壊することも
あるので、注意が必要である。本発明のシステムにおい
て照射する電子のエネルギーは、一般には水素分子の解
離反応断面積が大きい領域のエネルギー、好ましくは１
０ｅＶ以下、である。
る方法は任意であり、電子銃による方法、放電による方
法などが挙げられる。しかしながら、照射する電子のエ
ネルギーが不必要に高いと、金属薄膜を破壊することも
あるので、注意が必要である。本発明のシステムにおい
て照射する電子のエネルギーは、一般には水素分子の解
離反応断面積が大きい領域のエネルギー、好ましくは１
０ｅＶ以下、である。
【００１５】本発明において、金属薄膜に電子を照射す
る一つの好ましい方法は、金属薄膜の上流側にある水素
（または不純物含有水素）を放電などによりプラズマ化
させ、金属薄膜に電位的バイアスを与えることで電子を
照射する方法である。
る一つの好ましい方法は、金属薄膜の上流側にある水素
（または不純物含有水素）を放電などによりプラズマ化
させ、金属薄膜に電位的バイアスを与えることで電子を
照射する方法である。
【００１６】また、本発明のシステムにおいて、金属薄
膜の温度は特に制御する必要はない。
膜の温度は特に制御する必要はない。
【００１７】このような電子の照射による水素透過のメ
カニズムは、以下のように推定されている。金属薄膜近
傍に存在し、さらには薄膜表面に吸着している水素分子
が、照射された電子により解離してプラズマ状態とな
り、金属薄膜への水素注入量が増大する。電子を照射し
ない場合、水素が金属中へ溶解しても、金属表面での再
結合過程を経て、水素分子としてほとんどの水素が上流
側にリサイクリングされる。しかし、本発明のシステム
では、再結合水素分子がさらに電子を照射されて再解離
し、金属中に水素を押し込む作用をするためにリサイク
リングされる水素の量が大幅に減少する。この結果、薄
膜を透過して下流側に放出される水素の量が増大して本
発明のシステムの効果を得ることができる。
カニズムは、以下のように推定されている。金属薄膜近
傍に存在し、さらには薄膜表面に吸着している水素分子
が、照射された電子により解離してプラズマ状態とな
り、金属薄膜への水素注入量が増大する。電子を照射し
ない場合、水素が金属中へ溶解しても、金属表面での再
結合過程を経て、水素分子としてほとんどの水素が上流
側にリサイクリングされる。しかし、本発明のシステム
では、再結合水素分子がさらに電子を照射されて再解離
し、金属中に水素を押し込む作用をするためにリサイク
リングされる水素の量が大幅に減少する。この結果、薄
膜を透過して下流側に放出される水素の量が増大して本
発明のシステムの効果を得ることができる。
【００１８】ここで、電子照射量に対する水素透過量の
変化は金属の種類、薄膜の厚さ、および薄膜の表面状態
により異なるが、前記のメカニズムそのものは、金属の
種類、薄膜の厚さ、および薄膜の表面状態に依存しない
で生じるものと考えられる。
変化は金属の種類、薄膜の厚さ、および薄膜の表面状態
により異なるが、前記のメカニズムそのものは、金属の
種類、薄膜の厚さ、および薄膜の表面状態に依存しない
で生じるものと考えられる。
【００１９】本発明の膜ポンプシステムは、金属薄膜が
水素のみを透過させるために、ポンプとして利用するほ
かに、不純物を含む水素から水素のみを取り出す水素精
製装置や水素回収装置に適用することもできるものであ
る。
水素のみを透過させるために、ポンプとして利用するほ
かに、不純物を含む水素から水素のみを取り出す水素精
製装置や水素回収装置に適用することもできるものであ
る。
【００２０】
【実施例】本発明を実施例に従って説明すれば以下の通
りである。なお、本発明はこれらの例によって限定され
るものではない。
りである。なお、本発明はこれらの例によって限定され
るものではない。
【００２１】実施例 プラズマ室と分析室が金属膜で隔離された水素透過実験
装置を準備した。この装置において、プラズマ室には水
素が満たされており、水素は放電によって低エネルギー
状態の弱電離プラズマとされる。一方、分析室は高真空
とされており、付随する分析装置より金属膜を透過して
分析室に移動した水素を分圧変化の形で測定することが
できる。金属膜は電気的に絶縁されており、水素プラズ
マに対して電位的なバイアスを印加することが可能であ
る。
装置を準備した。この装置において、プラズマ室には水
素が満たされており、水素は放電によって低エネルギー
状態の弱電離プラズマとされる。一方、分析室は高真空
とされており、付随する分析装置より金属膜を透過して
分析室に移動した水素を分圧変化の形で測定することが
できる。金属膜は電気的に絶縁されており、水素プラズ
マに対して電位的なバイアスを印加することが可能であ
る。
【００２２】金属膜として、透過部分の面積が２ｃ
ｍ2、厚さが２０〜１００μｍの、パラジウム、ニッケ
ル、鉄、銅、およびチタンの膜を準備し、これらを前記
の水素透過実験装置にそれぞれ組み込んで水素透過実験
を行った。
ｍ2、厚さが２０〜１００μｍの、パラジウム、ニッケ
ル、鉄、銅、およびチタンの膜を準備し、これらを前記
の水素透過実験装置にそれぞれ組み込んで水素透過実験
を行った。
【００２３】装置の温度を５００Ｋ付近に一定に維持
し、プラズマ室に放電を行って水素（本例では重水素を
用いた）をプラズマとした。さらに、金属膜に電位的な
バイアスを印加して、金属膜のプラズマ室側の膜表面に
電子を照射した。
し、プラズマ室に放電を行って水素（本例では重水素を
用いた）をプラズマとした。さらに、金属膜に電位的な
バイアスを印加して、金属膜のプラズマ室側の膜表面に
電子を照射した。
【００２４】膜に流れる電流と水素透過流量の関係は図
１に示すとおりであった。
１に示すとおりであった。
【００２５】まず、パラジウムを金属膜として用いる
と、その高い水素溶解度と拡散係数によって、膜電流が
０であっても水素が透過する。そして、膜電流が印加さ
れると、水素の透過流量はさらに増大する。
と、その高い水素溶解度と拡散係数によって、膜電流が
０であっても水素が透過する。そして、膜電流が印加さ
れると、水素の透過流量はさらに増大する。
【００２６】また、パラジウム以外の金属を金属膜の材
料として用いると、膜電流の小さい領域では水素の透過
流量は非常に小さい。しかし、膜電流を増加させるとい
ずれの金属膜を用いた場合でも水素の透過流量も増大す
ることがわかる。そして、到達する水素透過流量は、パ
ラジウムに電子を照射しない場合に相当する程度にまで
及び、水素透過薄膜として充分なものであることがわか
る。
料として用いると、膜電流の小さい領域では水素の透過
流量は非常に小さい。しかし、膜電流を増加させるとい
ずれの金属膜を用いた場合でも水素の透過流量も増大す
ることがわかる。そして、到達する水素透過流量は、パ
ラジウムに電子を照射しない場合に相当する程度にまで
及び、水素透過薄膜として充分なものであることがわか
る。
【００２７】
【発明の効果】本発明のシステムによれば、水素だけを
透過する薄膜として任意の金属を用いることができ、従
来に比べて幅広い範囲から適当な材料を選択することが
できることは［発明の概要］の項に前記したとおりであ
る。
透過する薄膜として任意の金属を用いることができ、従
来に比べて幅広い範囲から適当な材料を選択することが
できることは［発明の概要］の項に前記したとおりであ
る。
【図１】金属薄膜に流れる膜電流と、金属薄膜を透過す
る水素流量の関係を示す図。
る水素流量の関係を示す図。
Claims (4)
- 【請求項１】水素の存在する上流側と水素が流入する下
流側とが金属薄膜により隔離されており、金属薄膜の下
流側に水素のみを透過させることができる膜ポンプシス
テムであって、金属薄膜の上流側の表面に電子を照射し
て水素の透過量を制御することを特徴とする、膜ポンプ
システム。 - 【請求項２】金属薄膜の上流側に存在する水素がプラズ
マ化され、金属薄膜に電位的バイアスを印加することで
金属薄膜に電子を照射する、請求項２に記載の水素精製
システム。 - 【請求項３】金属が、パラジウム、白金、マグネシウ
ム、バナジウム、ニッケル、鉄、銅、チタン、クロム、
およびそれらの合金からなる群から選ばれるものであ
る、請求項１または２に記載の水素精製システム。 - 【請求項４】金属薄膜の上流側に存在する水素が不純物
を含んでおり、金属薄膜の下流側で精製水素を得る、請
求項１〜３のいずれか１項に記載の膜ポンプシステム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9151498A JPH11285613A (ja) | 1998-04-03 | 1998-04-03 | 水素透過膜ポンプシステム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9151498A JPH11285613A (ja) | 1998-04-03 | 1998-04-03 | 水素透過膜ポンプシステム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11285613A true JPH11285613A (ja) | 1999-10-19 |
Family
ID=14028526
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9151498A Pending JPH11285613A (ja) | 1998-04-03 | 1998-04-03 | 水素透過膜ポンプシステム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11285613A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015530352A (ja) * | 2012-09-27 | 2015-10-15 | マーンケン・アンド・パートナー・ゲーエムベーハーＭａｈｎｋｅｎ ＆Ｐａｒｔｎｅｒ ＧｍｂＨ | 水素を獲得するための方法および獲得のための装置 |
| WO2019187475A1 (ja) * | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 国立大学法人岐阜大学 | 水素精製装置及び水素精製方法 |
| JP2019210185A (ja) * | 2018-06-05 | 2019-12-12 | 国立大学法人岐阜大学 | 水素リサイクルシステム及び水素リサイクル方法 |
-
1998
- 1998-04-03 JP JP9151498A patent/JPH11285613A/ja active Pending
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015530352A (ja) * | 2012-09-27 | 2015-10-15 | マーンケン・アンド・パートナー・ゲーエムベーハーＭａｈｎｋｅｎ ＆Ｐａｒｔｎｅｒ ＧｍｂＨ | 水素を獲得するための方法および獲得のための装置 |
| WO2019187475A1 (ja) * | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 国立大学法人岐阜大学 | 水素精製装置及び水素精製方法 |
| JP2019172520A (ja) * | 2018-03-29 | 2019-10-10 | 国立大学法人岐阜大学 | 水素精製装置及び水素精製方法 |
| US11472701B2 (en) | 2018-03-29 | 2022-10-18 | National University Corporation Tokai National Higher Education And Research System | Hydrogen purification device and hydrogen purification method |
| JP2019210185A (ja) * | 2018-06-05 | 2019-12-12 | 国立大学法人岐阜大学 | 水素リサイクルシステム及び水素リサイクル方法 |
| WO2019235169A1 (ja) * | 2018-06-05 | 2019-12-12 | 国立大学法人岐阜大学 | 水素リサイクルシステム及び水素リサイクル方法 |
| KR20200143489A (ko) * | 2018-06-05 | 2020-12-23 | 사와후지 덴키 가부시키가이샤 | 수소 리사이클 시스템 및 수소 리사이클 방법 |
| US12024427B2 (en) | 2018-06-05 | 2024-07-02 | National University Corporation Tokai National Higher Education And Research System | Hydrogen recycle system and hydrogen recycle method |
| US12246963B2 (en) | 2018-06-05 | 2025-03-11 | National University Corporation Tokai National Higher Education And Research System | Hydrogen recycle system and hydrogen recycle method |
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