氢分离膜及其生产方法技术

一种氢分离膜，其特征在于由具有无定形晶体结构的铌合金制成。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种金属箔片(铌合金箔片)以及该金属箔片的生产方法，所述的金属箔片可以用作氢精制单元用的氢渗透膜，所述的氢精制单元用于燃料电池和用于与半导体有关的领域。
技术介绍
近年来，作为对付全球变暖的措施，已经需要实际应用氢精制单元和利用氢精制单元的燃料电池，以及其散布。这种氢精制单元具有第一和第二室，其中第一室通过膜与第二室分开。因此，当包含氢的气体流入第一室时，膜产生作用，以在第二室收集氢富有的气体，同时在第一室保留包括杂质(例如CO和CO2)的气体这种方式基本上能够渗透氢。为此，在氢精制单元的膜中需要所谓的氢渗透性。传统地，已经利用具有氢吸收性能的钯合金箔片(例如Pd-Ag箔片)作为这种膜。虽然钯合金箔片具有优异的氢渗透性，但是钯相当昂贵，需要由比钯合金箔片更便宜的材料制成的备选产品。于是，已经研究钒合金和铌合金作为钯合金的备选材料(参见，例如，日本公开专利出版物H1(1989)-262,924；日本公开专利出版物H4(1992)-29,728；日本公开专利出版物H11(1999)-276,865；和日本公开专利出版物2000-159,503)。但是，在上述专利文件中描述的所有合金中缺乏轧制性能，为了根据轧制形成方法制造这种合金箔片，需要特定的轧制条件和重复退火加工，提高了生产成本。此外，当在制造箔片时重复退火时，在有些情况下，箔片的元素以分布状态离析。此外，为了防止合金的氧化，必须在惰性气体气氛中进行这种工作，为了在惰性气体气氛中进行轧制过程和退火过程，需要大尺寸单元。此外，通过轧制形成的钒合金箔片和铌合金箔片具有低的延展性和缺乏可加工性和耐久性。这里，对于铌合金箔片，为了提高耐氢脆性，加入Ta、Co、Mo、Ni等是已知的(参见，例如日本公开专利出版物2000-159,503)，但是在Ni的情况下产生了问题，例如，在根据冷轧制方法生产铌合金箔片时，当Ni与铌的比率超过10重量％至20重量％时，显著降低了氢渗透性。因此，本专利技术的一个目的是提供一种铌合金箔片以及其生产方法，该铌合金箔片具有优异的耐氢脆性、耐氢渗透性和可加工性，其中可以防止箔片中的元素以分布状态离析，并且该铌合金箔片可以用作氢精制单元用的膜。为了达到上述目的，本专利技术人重复地进行了研究，结果发现，上述目的可以通过提供一种氢分离膜来实现，所述的氢分离膜的主要元素是非Pd元素，并且由具有特定合金组成的具有无定形晶体结构(amorphous crystalstructure)的铌合金制成的。下面更详细地描述本专利技术。专利技术概述根据本专利技术的氢分离膜由无定形铌合金制成，无定形铌合金是由以下元素形成的5至65原子％作为第一添加元素的选自Ni、Co和Mo中的至少一种或多种和0.1至60原子％作为第二添加元素的选自V、Ti、Zr、Ta和Hf中的至少一种或多种，以及剩余部分作为不可缺少组分元素的Nb。这种铌合金具有优异的耐氢脆性、耐氢渗透性，并且可以用作氢精制单元的膜。附图简述附图说明图1所示为一种根据本专利技术的铌合金箔片的生产单元图；图2所示为一种根据本专利技术的铌合金箔片的生产单元图；和图3所示为根据本专利技术的实施例7和8中得到的氢分离膜和比较例1和5中得到的氢分离膜之间的氢渗透性能比较的曲线图。实施本专利技术的最佳方式根据本专利技术，在铌合金中混和的作为第一添加元素的Ni、Co和Mo的总量为5至65原子％，优选为10至50原子％，更优选为20至40原子％，在这些范围内，包括Ni、Co和Mo的铌合金显示优异的耐氢脆性。根据本专利技术，在第一添加元素是Ni的情况下，优选它的组成比率为20至40原子％。此外，根据本专利技术，在铌合金中混和的作为第二添加元素的V、Ti、Zr、Ta和Hf的总量为0.1至60原子％，优选为10至50原子％，更优选为20至40原子％。在上述范围内，可以向铌合金中加入这些添加元素中的至少一种，由此，可以提高得到的铌合金箔片的氢渗透性。此外，根据本专利技术，在铌合金中可以混和作为第三添加元素的Al和/或Cu，可以通过加入这样的元素进一步改善耐氢脆性，优选这种金属的组成比率为0.01至20原子％，更优选为0.1重量％至5重量％。除了上述的添加元素外，在根据本专利技术的氢分离膜中包括作为不可缺少组分元素的Nb，优选合金中的Nb组成比率为15至70原子％，更优选为25至50原子％。此外，根据本专利技术，可以将Nb-Ni-Zr基合金、Nb-Ni-Zr-Al基合金、Nb-Ni-Ti-Zr基合金、Nb-Ni-Ti-Zr-Co基合金、Nb-Ni-Ti-Zr-Co-Cu基合金、Nb-Co-Zr基合金等列举为优选的Nb合金组合物，但是本专利技术不限于它们。根据本专利技术，可以适当选择Nb∶Ni的优选比率(原子百分比)，优选为1∶0.8至1.2，更优选为约1∶1。接着，描述根据本专利技术的氢分离膜的生产方法。根据本专利技术的生产方法，首先，根据上述的组成比率制备作为不可缺少组分元素的Nb、第一添加元素、第二添加元素和如果需要，第三添加元素，在惰性气体中将由这些组分金属制成的金属混合物加热到不低于熔点的温度，以熔化，使用液体淬火方法将该熔体加工成为膜形状(箔片形状)。同时，加工熔体成为箔片形状用的优选方法如下利用具有通过底部的狭缝的坩锅来制备由上述组合物制成的铌合金的熔体，同时旋转这样放置的由柱形体形成的滚筒，以便中心轴与狭缝平行，熔体从狭缝喷射到上述滚筒的表面，滚筒以这种方式旋转，以便从狭缝喷射的熔体瞬间冷却，然后，将在滚筒的表面上凝固铌合金连续地与滚筒表面剥离，因此，得到箔片。图1所示为根据本专利技术的氢分离膜的生产中优选使用的单元的一个具体实例；但是，这种单元是概念性地显示，且不受此限制。在图1所示的单元(合金箔片生产单元)中的坩锅1由凹槽和盖子形成，可以将其中密封。不特别限制这种坩锅1的材料，只要坩锅1是由可以耐高温的材料形成的，在所述的高温下，放置在凹槽内的铌合金被熔化，并且它与这种熔体不进行化学反应即可。可以列举例如氮化硼基陶瓷作为坩锅1用的适当材料。此外，在这种坩锅1的周围，提供加热坩锅中的加热装置。对加热装置没有特别限制，只要它可以加热坩锅的内部达到不低于铌合金熔点的温度即可。图1所示的单元配备有由高频箔片制成的高频感应加热器4作为加热装置。高频感应加热器4可以将在坩锅中的熔体通过对流循环混和，因此可以在保持温度分布均匀的条件下快速熔化铌合金。这里，在坩锅中放置热电偶的情况下，可以证实坩锅中的铌合金熔体的温度。根据本专利技术，坩锅1配备有气体入口7。因此，当在坩锅中放置的铌合金完全熔化时，可以通过入口7注入气体，以便可对坩锅内施加压力。从此入口7注入的气体是惰性的，因此，防止了熔化的铌合金氧化。例如可以列举氮、氦、氩和氢作为特别适当的惰性气体，在这些当中，特别优选氩气。这里，虽然不特别限制向坩锅注入了气体时坩锅内的压力，但是优选坩锅内的压力为0.01MPa至0.1MPa。根据本专利技术，在坩锅的底部提供狭缝3。狭缝3可以使在坩锅中的熔体向下面描述的正在旋转的滚筒2的表面5喷射。当在坩锅中放置的铌合金没有完全熔化时，狭缝通常关闭。不特别限制关闭此狭缝用的装置。这里，根据本专利技术，如图1所示，不需要在以喷嘴形状突出于坩锅底部的部分提供狭缝。虽然对狭缝3的宽度没有特别限制，但是优选狭缝的宽本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：井上明久，木村久道，山浦真一，西田元纪，大河内均，新保洋一郎，
申请(专利权)人：福田金属箔粉工业株式会社，井上明久，
类型：发明
国别省市：