JP2018035397A - Hydrogen storage alloy and hydrogen purification device - Google Patents
Hydrogen storage alloy and hydrogen purification device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018035397A JP2018035397A JP2016169418A JP2016169418A JP2018035397A JP 2018035397 A JP2018035397 A JP 2018035397A JP 2016169418 A JP2016169418 A JP 2016169418A JP 2016169418 A JP2016169418 A JP 2016169418A JP 2018035397 A JP2018035397 A JP 2018035397A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrogen
- hydrogen storage
- storage alloy
- alloy
- pressure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
- Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
Landscapes
- Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
- Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】水素ガスを精製するための水素製造用原料ガス中にCO2ガスが含まれていても、CO2ガスによる被毒を抑制して優れた水素吸蔵特性を発揮する水素吸蔵合金、およびこのような水素吸蔵合金を用い、純水素を高効率で取り出すことができる水素精製装置を提供する。【解決手段】本発明の水素吸蔵合金は、下記式(1)で表される水素吸蔵合金であって、Crの原子比Xが0.8〜0.5の範囲の値であることを特徴とし、このような水素吸蔵合金を水素吸蔵塔に充填することによって、純水素を高効率で取り出すことができる水素精製装置が実現できる。ZrFe2-XCrX…(1)【選択図】図7A hydrogen storage alloy that suppresses poisoning by CO2 gas and exhibits excellent hydrogen storage characteristics even when CO2 gas is contained in a hydrogen production raw gas for purifying hydrogen gas, and such A hydrogen refining apparatus that uses pure hydrogen storage alloy and can extract pure hydrogen with high efficiency is provided. The hydrogen storage alloy of the present invention is a hydrogen storage alloy represented by the following formula (1), wherein the atomic ratio X of Cr is a value in the range of 0.8 to 0.5. In addition, by filling such a hydrogen storage alloy in a hydrogen storage tower, a hydrogen purifier capable of taking out pure hydrogen with high efficiency can be realized. ZrFe2-XCrX (1) [Selection] FIG.
Description
本発明は、水素吸蔵合金、および水素吸蔵合金を用いた水素精製装置に関する。 The present invention relates to a hydrogen storage alloy and a hydrogen purification apparatus using the hydrogen storage alloy.
近年、地球温暖化や化石燃料枯渇の問題を解消するために、エネルギーの効率的な利用が求められている。水素エネルギーはエネルギー源が多様であること、燃料電池や内燃機関を用いての発電時にCO2ガスを排出せずに環境負荷低減が期待できることなどから、将来的に重要なエネルギーとして注目されている。 In recent years, efficient use of energy has been demanded in order to solve the problems of global warming and fossil fuel depletion. Hydrogen energy is attracting attention as an important energy in the future because of its diverse energy sources and the ability to reduce environmental impact without emitting CO 2 gas during power generation using fuel cells or internal combustion engines. .
水素を燃料とする発電機の中でも、燃料電池は水素と酸素の化学反応から電気エネルギーを直接取り出すことができるため、発電効率が高いという特徴がある。燃料電池の中でも、特に固体高分子形燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)は、負荷追従性に優れ、発電時の排熱利用による高い総合効率を有することから、家庭用の燃料電池コージェネレーションシステム(Fuel Cell Co−Generation System:FC−CGS)として普及が進んでいる。 Among generators using hydrogen as a fuel, fuel cells are characterized by high power generation efficiency because they can directly extract electrical energy from a chemical reaction between hydrogen and oxygen. Among the fuel cells, the polymer polymer fuel cell (PEFC), in particular, has excellent load followability and high overall efficiency due to the use of exhaust heat during power generation. The system (Fuel Cell Co-Generation System: FC-CGS) is spreading.
上記FC−CGSのように定置型で水素を利用する機器を運転するには、改質器などを用いて、オンサイトでの水素製造を行う必要がある。しかしながら、PEFCでは、炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスを水素製造用原料として利用しており、この改質ガスには、水素以外にもCOやCO2などの不純物ガスが多く含まれている。そのため、改質ガスをそのまま水素製造用原料ガスとして使用することができず、PEFCに向けては純度の高い水素を取り出す必要がある。 In order to operate a stationary device that uses hydrogen, such as FC-CGS, it is necessary to perform on-site hydrogen production using a reformer or the like. However, PEFC uses a reformed gas obtained by reforming a hydrocarbon-based fuel as a raw material for hydrogen production. In addition to hydrogen, impurity gases such as CO and CO 2 are included in this reformed gas. Many are included. For this reason, the reformed gas cannot be used as it is as a raw material gas for hydrogen production, and it is necessary to extract high-purity hydrogen for PEFC.
オンサイトでの純水素製造は、改質ガスから圧力変動吸着(Pressure Swing Adsorption:PSA)法で不純物ガスを分離することによって行われている。PSA法によるガス分離精製は、改質器を定格運転することで高効率な運用が可能であるが、変動する家庭の電力需要に追従することは難しい。また、PSA法によるガス分離精製では、起動時に水素供給が可能となるまで、多少の時間を要し、急な水素需要に対応しにくいという問題がある(例えば非特許文献1)。 On-site pure hydrogen production is performed by separating the impurity gas from the reformed gas by a pressure swing adsorption (PSA) method. Gas separation purification by the PSA method enables high-efficiency operation by rated operation of the reformer, but it is difficult to follow fluctuating household power demand. In addition, gas separation purification by the PSA method has a problem that it takes some time until hydrogen supply becomes possible at start-up, and it is difficult to respond to sudden hydrogen demand (for example, Non-Patent Document 1).
水素を精製する技術として、CO吸着剤と水素吸蔵合金(Metal Hydride:MH)を用いて、COを含む改質ガス中の水素の精製および貯蔵を行うプロセスであるCOA−MIB(CO−Adsorption Metal Hydride Intermediate Buffer)法が知られている(例えば、特許文献1、非特許文献2)。
As a technology for purifying hydrogen, COA-MIB (CO-Adsorption Metal) is a process for purifying and storing hydrogen in a reformed gas containing CO using a CO adsorbent and a hydrogen storage alloy (Metal Hydride: MH). (Hydride Intermediate Buffer) method is known (for example,
上記方法で用いられる水素吸蔵合金は、水素を選択的かつ可逆的に吸蔵および放出できる合金である。こうした水素吸蔵合金を利用する上記方法では、水素吸蔵合金の前段に、COを吸着するための吸着剤を充填したCO吸着除去器を設置することによって、水素吸蔵合金や燃料電池を被毒するCOを除去している。COを除去した後の被処理ガスを、水素吸蔵合金を充填している複数のタンクに導入することによって、一方で水素の精製および貯蔵を行いつつ、他方で水素供給を行うことができる。こうしたプロセスを実施することによって、変動する水素需要に柔軟に対応して純水素の供給を行うことができる。 The hydrogen storage alloy used in the above method is an alloy capable of selectively and reversibly storing and releasing hydrogen. In the above method using such a hydrogen storage alloy, a CO adsorption / removal device filled with an adsorbent for adsorbing CO is installed in the preceding stage of the hydrogen storage alloy to thereby poison the hydrogen storage alloy or the fuel cell. Has been removed. By introducing the gas to be treated after removing CO into a plurality of tanks filled with a hydrogen storage alloy, it is possible to supply and supply hydrogen while purifying and storing hydrogen on the one hand. By carrying out such a process, it is possible to supply pure hydrogen flexibly in response to changing hydrogen demand.
上記のようなプロセスを実用化する上での課題の一つとして、コストの低減が挙げられる。必要となる補機や精製効率、熱効率などを考慮した場合、配管や容器設計はある程度決まってしまい、これらを低減することによるコストの削減は難しい。 One of the problems in putting the above process into practical use is cost reduction. Considering the required auxiliary equipment, purification efficiency, thermal efficiency, etc., piping and container design are determined to some extent, and it is difficult to reduce costs by reducing these.
上記プロセスで現在使用されているAB5型合金のMmNi5系(Mm:ミッシュメタル)の水素吸蔵合金は、比較的高価である。したがって、原材料がより安価である水素吸蔵合金を適用できれば、コスト削減が見込める。そこで、質量当たりの理論水素吸蔵量がMmNi5系水素吸蔵合金に比べて多く、Zr、Mn、Feなどの安価な金属が使用できるZrベースのAB2型合金からなる水素吸蔵合金(以下、「AB2型MH」と略記することがある)が注目されている。 MmNi 5 system AB 5 type alloys currently used in the above process: hydrogen-absorbing alloy (Mm misch metal) is a relatively expensive. Therefore, if a hydrogen storage alloy whose raw material is cheaper can be applied, cost reduction can be expected. Accordingly, a hydrogen storage alloy (hereinafter referred to as “a hydrogen storage alloy”) made of a Zr-based AB 2 type alloy that has a higher theoretical hydrogen storage amount per mass than that of the MmNi 5 -based hydrogen storage alloy and can use inexpensive metals such as Zr, Mn, and Fe. ”AB 2 type MH” may be abbreviated).
ただし、上記プロセスでは水素精製時に水素吸蔵合金がCO2に曝されるため、MmNi5系の水素吸蔵合金の代替としてAB2型MHを用いるためには、このAB2型MHがCO2による被毒に対する耐性(以下、この特性を「CO2被毒耐性」と呼ぶことがある)に優れている必要がある。AB2型MHのCO2被毒耐性が悪いと、水素吸蔵速度や水素吸蔵量の低下など、水素吸蔵合金の特性劣化が顕著になる。 However, in the above process, the hydrogen storage alloy is exposed to CO 2 during hydrogen purification. Therefore, in order to use AB 2 type MH as an alternative to the MmNi 5 type hydrogen storage alloy, this AB 2 type MH is covered by CO 2 . It is necessary to have excellent resistance to poison (hereinafter, this characteristic may be referred to as “CO 2 poisoning resistance”). If the AB 2 type MH has poor resistance to CO 2 poisoning, the characteristics of the hydrogen storage alloy, such as a decrease in the hydrogen storage rate and the hydrogen storage capacity, will be significantly deteriorated.
CO2被毒耐性に優れたAB2型MHが実現できれば、コスト削減が見込めるとともに、水素製造用原料ガス中にCO2が含まれていても、CO2の被毒による水素吸蔵合金の特性劣化が防止できる。また、このような水素吸蔵合金が実現できれば、当該水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵塔を備えることによって、純水素を効率良く取り出せる水素精製装置の実現が期待できる。 If an AB 2 type MH with excellent resistance to CO 2 poisoning can be realized, cost reduction can be expected, and even if CO 2 is contained in the source gas for hydrogen production, the characteristics of the hydrogen storage alloy deteriorate due to CO 2 poisoning. Can be prevented. In addition, if such a hydrogen storage alloy can be realized, a hydrogen refining apparatus that can efficiently extract pure hydrogen can be expected by providing a hydrogen storage tower filled with the hydrogen storage alloy.
AB2型MHに関する技術として、これまでにも様々な角度から検討されている。こうした技術として、例えば非特許文献3には、FeやTiなどの特定の金属により部分置換することで、AB2型MHにおけるCO2被毒耐性が向上することが報告されている。その一方で、金属置換により水素平衡圧力が上昇したり水素吸蔵量が低下するなど、水素吸蔵特性が低下するという問題が生じている(例えば、非特許文献4)。
As a technique related to AB 2 type MH, it has been studied from various angles so far. As such a technique, for example, Non-Patent
これまでに提案されているCO2被毒耐性を有したAB2型MHの種類は少なく、どのような成分組成のAB2型MHがCO2被毒耐性に優れ、良好な水素吸蔵特性が発揮されるかは明らかにされていない。 This type of AB 2 type MH having a proposed CO 2 poisoning resistance until less, AB 2 type MH what component composition is excellent in CO 2 poisoning resistance, excellent hydrogen storage characteristics exhibited It is not clear what will be done.
本発明は、上記の現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素ガスを精製するための水素製造用原料ガス中にCO2ガスが含まれていても、CO2ガスによる被毒を抑制して優れた水素吸蔵特性を発揮する水素吸蔵合金、およびこのような水素吸蔵合金を用い、純水素を高効率で取り出すことができる水素精製装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described situation, and the object thereof is poisoning by CO 2 gas even if CO 2 gas is contained in the raw material gas for hydrogen production for purifying hydrogen gas. An object of the present invention is to provide a hydrogen storage alloy that exhibits excellent hydrogen storage characteristics by suppressing the above, and a hydrogen refining apparatus that can extract pure hydrogen with high efficiency using such a hydrogen storage alloy.
上記目的を達成することのできた本発明の水素吸蔵合金は、下記式(1)で表される水素吸蔵合金であって、Crの原子比Xが0.8〜0.5の範囲の値としたものであることを特徴とする。 The hydrogen storage alloy of the present invention that has achieved the above object is a hydrogen storage alloy represented by the following formula (1), wherein the atomic ratio X of Cr is in the range of 0.8 to 0.5: It is characterized by that.
ZrFe2-XCrX …(1)
本発明の水素吸蔵合金において、前記原子比Xは0.8〜0.7の範囲の値であることが好ましい。
ZrFe 2-X Cr X ... ( 1)
In the hydrogen storage alloy of the present invention, the atomic ratio X is preferably in the range of 0.8 to 0.7.
本発明の好ましい実施形態としては、前記式(1)のZrの一部をTiで置換した水素吸蔵合金であり、下記式(2)で表されるTiの置換原子比Yが0.1〜0.4の範囲の値である水素吸蔵合金が挙げられる。 A preferred embodiment of the present invention is a hydrogen storage alloy in which a part of Zr in the formula (1) is substituted with Ti, and the substitution atomic ratio Y of Ti represented by the following formula (2) is 0.1 to 0.1. A hydrogen storage alloy having a value in the range of 0.4 may be mentioned.
Zr1-YTiYFe2-XCrX …(2)
本発明の水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵塔を配置すれば、CO2ガスによる被毒を受けることなく純水素を高効率で取り出せる水素精製装置が実現できる。
Zr 1-Y Ti Y Fe 2 -X Cr X ... (2)
If a hydrogen storage tower filled with the hydrogen storage alloy of the present invention is arranged, a hydrogen purifier capable of extracting pure hydrogen with high efficiency without being poisoned by CO 2 gas can be realized.
本発明は上記のように構成されており、CO2ガスによる被毒を低減して優れた水素吸蔵特性を発揮する水素吸蔵合金、およびこのような水素吸蔵合金を用いた水素精製装置が実現できた。 The present invention is configured as described above, and can realize a hydrogen storage alloy that exhibits excellent hydrogen storage characteristics by reducing poisoning by CO 2 gas, and a hydrogen refining apparatus using such a hydrogen storage alloy. It was.
本発明者らは、CO2ガスに対する被毒耐性に優れ、優れた水素吸蔵特性を発揮する水素吸蔵合金の実現を目指し、特に成分組成について鋭意検討を重ねた。その結果、下記式(1)で表されるAB2型MHであって、Crの原子比Xを0.8〜0.5の範囲の値としたものでは、上記目的が見事に達成できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明の構成および作用効果について説明する。 The inventors of the present invention have made extensive studies on the component composition, particularly for realizing a hydrogen storage alloy that has excellent poisoning resistance to CO 2 gas and exhibits excellent hydrogen storage characteristics. As a result, AB 2 type MH represented by the following formula (1), in which the atomic ratio X of Cr is set to a value in the range of 0.8 to 0.5, the above object can be achieved brilliantly. The headline and the present invention were completed. Hereinafter, the configuration and operational effects of the present invention will be described.
ZrFe2-XCrX …(1)
水素吸蔵合金への水素の吸蔵量(Content)は、水素の圧力(Pressure)および温度(Temperature)によって変化する。一定温度での水素の圧力(すなわち、水素平衡圧力)の対数と水素吸蔵量の関係を示したものが、圧力−組成等温曲線である。この圧力−組成等温曲線を、以下では「PCT曲線」と呼び、PCT曲線に基づいて評価される水素吸蔵合金の特性を「PCT特性」と呼ぶ。
ZrFe 2-X Cr X ... ( 1)
The amount of hydrogen stored in the hydrogen storage alloy (Content) changes depending on the pressure (pressure) and temperature (temperature) of the hydrogen. A pressure-composition isothermal curve shows the relationship between the logarithm of the pressure of hydrogen at a constant temperature (that is, the hydrogen equilibrium pressure) and the hydrogen storage amount. This pressure-composition isothermal curve is hereinafter referred to as “PCT curve”, and the characteristics of the hydrogen storage alloy evaluated based on the PCT curve are referred to as “PCT characteristics”.
固溶体領域で水素の吸蔵量が少ないときには、水素の吸蔵量は圧力の1/2乗に比例して増加することが知られており、更に水素吸蔵量が増加すると水素化物が形成される。固溶体と水素化物の共存状態になると、水素の吸蔵量は増加するが、水素圧力が増加しないプラトー領域が現れる。水素吸蔵合金において、水素の吸蔵、放出を行うのは、主にプラトー領域である。したがって、各水素吸蔵合金における水素吸蔵特性を評価する上で、上記のようなPCT特性を把握することは有用である。 It is known that when the amount of occluded hydrogen is small in the solid solution region, the amount of occluded hydrogen increases in proportion to the ½ power of the pressure, and hydride is formed when the amount of occluded hydrogen further increases. When the solid solution and the hydride coexist, the amount of occlusion of hydrogen increases, but a plateau region where the hydrogen pressure does not increase appears. In the hydrogen storage alloy, hydrogen is stored and released mainly in the plateau region. Therefore, it is useful to grasp the PCT characteristics as described above in evaluating the hydrogen storage characteristics of each hydrogen storage alloy.
水素吸蔵合金の基本的な特性は、PCT特性によって評価できるが、水素吸蔵合金のCO2被毒耐性を評価するには、CO2含有雰囲気中での水素吸蔵合金の水素吸蔵量や水素吸蔵速度を把握する必要がある。 The basic characteristics of the hydrogen storage alloy can be evaluated by the PCT characteristics. To evaluate the resistance of the hydrogen storage alloy to CO 2 poisoning, the hydrogen storage amount and hydrogen storage rate of the hydrogen storage alloy in a CO 2 -containing atmosphere can be used. Need to figure out.
特に水素吸蔵合金の水素吸蔵速度は、供給する水素流量やプラトー圧に依存することは容易に想像でき、測定結果のデータだけからでは水素吸蔵速度の大小を直接的に評価することは難しい。そこで本発明者らは、様々な条件を考慮した動特性測定中のある吸蔵量の時点における水素圧力と水素吸蔵速度と、PCT特性から得られる水素平衡圧力と水素吸蔵量の関係を用いて、反応速度定数を概算することにより、水素吸蔵合金の水素吸蔵速度を評価した。 In particular, it can be easily imagined that the hydrogen occlusion speed of the hydrogen occlusion alloy depends on the supplied hydrogen flow rate and plateau pressure, and it is difficult to directly evaluate the magnitude of the hydrogen occlusion speed only from the data of the measurement results. Therefore, the present inventors use the relationship between the hydrogen pressure and the hydrogen storage rate at a certain storage amount during dynamic characteristic measurement considering various conditions, and the relationship between the hydrogen equilibrium pressure and the hydrogen storage amount obtained from the PCT characteristics, By estimating the reaction rate constant, the hydrogen storage rate of the hydrogen storage alloy was evaluated.
本発明者らは、上記式(1)で表されるAB2型MHにおいて、Crの原子比Xが水素吸蔵速度に与える影響について検討を重ねたところ、Crの原子比Xが0.8〜0.5の範囲の値としたものでは、良好な水素吸蔵速度が維持できること、すなわちCO2被毒耐性が良好なことが判明した。Crの原子比Xは、好ましくは0.8〜0.7の範囲の値となる。 In the AB 2 type MH represented by the above formula (1), the present inventors have repeatedly examined the influence of the atomic ratio X of Cr on the hydrogen storage rate. As a result, the atomic ratio X of Cr is 0.8 to 0.8. It was found that a value in the range of 0.5 can maintain a good hydrogen storage rate, that is, good resistance to CO 2 poisoning. The atomic ratio X of Cr is preferably a value in the range of 0.8 to 0.7.
本発明の水素吸蔵合金には、前記式(1)のZrの一部をTiで置換した水素吸蔵合金も含まれるが、この水素吸蔵合金は、後記実施例に示すように、下記式(2)で表されるTiの置換原子比Yが0.1〜0.4の範囲の値であることが好ましい。 The hydrogen storage alloy of the present invention includes a hydrogen storage alloy in which a part of Zr in the formula (1) is substituted with Ti. This hydrogen storage alloy has the following formula (2) as shown in the examples described later. It is preferable that the substitutional atomic ratio Y of Ti represented by () is a value in the range of 0.1 to 0.4.
Zr1-YTiYFe2-XCrX …(2)
本発明の水素吸蔵合金を製造するには、各金属の原子量から必要な質量を算出し、上記式(1)で示した原子比となるように、各原料金属を秤量して混合し、アーク溶解法などで溶解して鋳塊とする。その後、組成均質化のために、例えばAr雰囲気中での熱処理を行う。
Zr 1-Y Ti Y Fe 2 -X Cr X ... (2)
In order to produce the hydrogen storage alloy of the present invention, the necessary mass is calculated from the atomic weight of each metal, each raw metal is weighed and mixed so as to have the atomic ratio shown in the above formula (1), and the arc It is melted by a melting method to make an ingot. Thereafter, in order to homogenize the composition, for example, heat treatment is performed in an Ar atmosphere.
熱処理後の鋳塊を適当な大きさに切断した後、適当な大きさになるように粉砕する。粉砕後の粒径については、3〜500μm程度が好ましい。粒径が3μmよりも小さくなると、水素吸蔵のための活性化が困難になる可能性がある。水素吸蔵合金の粒径は、より好まくは50μm以上であり、更に好ましくは100μm以上である。なお、粉末状の水素吸蔵合金には、必要によって鉄粉を混合することもでき、鉄粉を混合することによって、水素吸蔵合金の耐久性が向上する。 The ingot after heat treatment is cut into an appropriate size and then pulverized to an appropriate size. The particle size after pulverization is preferably about 3 to 500 μm. If the particle size is smaller than 3 μm, activation for hydrogen storage may become difficult. The particle size of the hydrogen storage alloy is more preferably 50 μm or more, and still more preferably 100 μm or more. In addition, an iron powder can also be mixed with a powdery hydrogen storage alloy as needed, and durability of a hydrogen storage alloy improves by mixing an iron powder.
上記のようにして得られる水素吸蔵合金は、水素の吸蔵、放出を可能な状態にするため、所定の温度、水素圧力、水素流量の雰囲気中で活性化処理が行われる。 The hydrogen storage alloy obtained as described above is activated in an atmosphere of a predetermined temperature, hydrogen pressure, and hydrogen flow rate in order to make hydrogen storage and release possible.
上記のような特性を発揮する本発明の水素吸蔵合金を用いれば、当該水素吸蔵合金を充填した水素吸蔵塔を備えることによって、H2−CO2混合ガスから純水素を効率良く取り出すことができる水素精製装置が実現できる。 If the hydrogen storage alloy of the present invention that exhibits the above characteristics is used, pure hydrogen can be efficiently extracted from the H 2 —CO 2 mixed gas by providing a hydrogen storage tower filled with the hydrogen storage alloy. A hydrogen purifier can be realized.
図11は、本発明の水素精製装置の構成例を示す概略説明図である。図中1は改質器、2はCO吸着除去器、3は本発明の水素吸蔵合金が充填された水素吸蔵塔、4はPEFCスタックを夫々示している。例えば炭化水素系燃料Gは、改質器1に送られて改質され、水素が生成されるが、不純物としてCO、CO2、および水(H2O)などを含む。改質器1で改質された被処理ガスは、CO吸着除去器2に送られて、被処理ガス中のCOが吸着除去される。同時に水も吸着除去される。COが吸着除去された被処理ガスは、その後水素吸蔵塔3に送られ、水素吸蔵塔3内に充填された水素吸蔵合金によって水素が吸蔵される。なお、水素が吸蔵された後の被処理ガス中の不純物ガスは、水素吸着塔3から排出される。
FIG. 11 is a schematic explanatory diagram showing a configuration example of the hydrogen purifier of the present invention. In the figure, 1 is a reformer, 2 is a CO adsorption remover, 3 is a hydrogen storage tower filled with the hydrogen storage alloy of the present invention, and 4 is a PEFC stack. For example, the hydrocarbon-based fuel G is sent to the
図11に示した水素精製装置の構成は、COA−MIB法を適用する場合を想定したものであり、そのために水素吸蔵塔3が複数設置されている。このように水素吸蔵塔3を複数備え、水素の吸蔵と放出を交互に行うことによって、変動する水素需要に対応して、純水素のPEFCスタックへの供給を安定して行うように構成される。ただし、本発明の水素精製装置は、COA−MIB法を適用する場合に限定されず、例えば原料ガス中にCOが含まれない場合には、CO吸着除去器2を配置しなくてもよい。
The configuration of the hydrogen purification apparatus shown in FIG. 11 assumes a case where the COA-MIB method is applied. For this purpose, a plurality of hydrogen storage towers 3 are installed. As described above, a plurality of hydrogen storage towers 3 are provided, and by alternately storing and releasing hydrogen, it is configured to stably supply pure hydrogen to the PEFC stack in response to changing hydrogen demand. . However, the hydrogen purification apparatus of the present invention is not limited to the case where the COA-MIB method is applied. For example, when the raw material gas does not contain CO, the CO adsorption /
本発明の水素精製装置の構成を採用することによって、CO2による被毒を受けることなく、H2−CO2混合ガスから純水素を効率良く取り出すことができる。 By adopting the configuration of the hydrogen purification apparatus of the present invention, pure hydrogen can be efficiently extracted from the H 2 —CO 2 mixed gas without being poisoned by CO 2 .
以下、実施例によって本発明の作用効果をより具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定するものではなく、前記及び後記の趣旨に徴して設計変更することは、いずれも本発明の技術的範囲に含まれる。 Hereinafter, the working effects of the present invention will be described more specifically by way of examples. However, the following examples are not intended to limit the present invention, and any change in design in accordance with the gist of the invention described above and below will be described. Included in the technical scope.
(実施例1)
下記表1に示す成分組成の水素吸蔵合金を作製した。表1には、各試料における略称した試料名を併記しており、以下の説明ではこの試料名を用いることがある。また試料No.1〜6の試料を総括して指すときには、「ZFC系合金」と呼び、試料No.7〜10の試料を総括するときには、「ZTFC系合金」と呼ぶ。
Example 1
Hydrogen storage alloys having the component compositions shown in Table 1 below were produced. Table 1 also shows the abbreviated sample names for each sample, and this sample name may be used in the following description. Sample No. When referring to the
表1に示した成分組成と各金属の原子量から、必要な質量を小数点第4位まで算出し、各原料金属を秤量した。秤量の際には、小数点第3位まで一致させた。原料金属の溶解にはアーク式溶解炉を使用した。アーク溶解の際には、成分組成を均一にするため1つの試料につき3回の溶解を行った。アーク溶解終了後、試料の取り出しは大気中で行った。アーク溶解によって得られた鋳塊に対して、組成均質化のためにAr雰囲気中900℃で24時間の熱処理を行った。熱処理後の鋳塊を適当な大きさに切断し、断面観察に用いるもの以外を大気中で粉砕し、粒径が150〜500μmのものを試料とした。 From the component composition shown in Table 1 and the atomic weight of each metal, the required mass was calculated to the fourth decimal place, and each raw metal was weighed. When weighing, it was matched to the third decimal place. An arc melting furnace was used for melting the raw metal. At the time of arc melting, melting was performed three times per sample in order to make the component composition uniform. After the arc melting was completed, the sample was taken out in the air. The ingot obtained by arc melting was heat-treated at 900 ° C. for 24 hours in an Ar atmosphere in order to homogenize the composition. The ingot after heat treatment was cut into an appropriate size, and those other than those used for cross-sectional observation were pulverized in the atmosphere, and samples having a particle diameter of 150 to 500 μm were used as samples.
表1に示した各試料について、PCT特性を測定した。PCT特性を測定するための装置の構成およびPCT測定方法は、日本工業標準調査会の「JIS H 7201:「水素吸蔵合金の圧力−組成等温曲線(PCT曲線)の測定方法」,2007を参考にした。PCT特性測定中における試料温度の制御は恒温水槽で行った。使用する水素ガスの純度はG1級(7N)のものを用い、試料重量は1gとした。 PCT characteristics were measured for each sample shown in Table 1. The configuration of the apparatus for measuring the PCT characteristics and the PCT measurement method are referred to “JIS H 7201:“ Measurement Method of Pressure-Composition Isothermal Curve (PCT Curve) of Hydrogen Storage Alloy ””, 2007 of the Japan Industrial Standards Committee. did. Control of the sample temperature during the PCT characteristic measurement was performed in a constant temperature water bath. The purity of the hydrogen gas used was G1 grade (7N), and the sample weight was 1 g.
水素の吸蔵、放出を可能な状態とするため、試料温度:150℃、水素圧力:0.9MPaとして水素流量を約500cc/minで1時間流通させることで活性化処理を行った。その後、試料温度を20℃まで下げて真空排気を行い、真空計の値が真空ポンプの到達圧力である1Pa程度になった時点で真空排気を終了した。このときの水素吸蔵量をゼロとする「真空原点法」を採用した。この真空原点法の詳細については、日本工業標準調査会の「JIS H 7003:「水素吸蔵合金用語」,2007が参考にできる。この状態から、PCT曲線の測定を開始し、水素圧力:1MPaまでの水素吸蔵を行った。 In order to make hydrogen occlusion and release possible, the activation process was performed by passing the hydrogen flow rate at about 500 cc / min for 1 hour at a sample temperature of 150 ° C. and a hydrogen pressure of 0.9 MPa. Thereafter, the sample temperature was lowered to 20 ° C. and evacuation was performed, and the evacuation was terminated when the value of the vacuum gauge reached about 1 Pa which is the ultimate pressure of the vacuum pump. A “vacuum origin method” was adopted in which the hydrogen storage amount at this time was zero. The details of this vacuum origin method can be referred to “JIS H 7003:“ Hydrogen Storage Alloy Terms ”, 2007, from the Japan Industrial Standards Committee. From this state, measurement of the PCT curve was started, and hydrogen storage up to a hydrogen pressure of 1 MPa was performed.
ZFC系合金のPCT特性測定結果を、図1に示す。水素平衡圧力については、Fe量が増加することで上昇する傾向が見られた。 The measurement result of the PCT characteristic of the ZFC alloy is shown in FIG. The hydrogen equilibrium pressure tended to increase as the amount of Fe increased.
ZTFC系合金のPCT特性測定結果を図2に示す。ZTFC系合金では、Ti量が増えるごとに水素吸蔵量が減少し、水素平衡圧力が上昇する傾向が見られた。またTi量が増加することで水素平衡圧力が急激に傾くことが分かった。これは、Tiを増やすことで、Tiリッチな部分が増え、結晶の均一性が悪くなったためと考えられる。 FIG. 2 shows the measurement results of PCT characteristics of the ZTFC alloy. In the ZTFC alloy, the hydrogen storage amount decreased as the Ti amount increased, and the hydrogen equilibrium pressure tended to increase. It was also found that the hydrogen equilibrium pressure was abruptly increased as the amount of Ti increased. This is considered to be because Ti-rich portions increased and the crystal uniformity deteriorated by increasing Ti.
なお、図1、2に示した「水素吸蔵量」は、水素吸蔵合金の合計原子数当たり何個の水素原子が吸蔵したかという値(この値を「H/M」と表記している)で評価したものである。 The “hydrogen storage amount” shown in FIGS. 1 and 2 is a value indicating how many hydrogen atoms are stored per total number of atoms of the hydrogen storage alloy (this value is expressed as “H / M”). It was evaluated in.
ZFC系合金における、水素吸蔵量、水素吸蔵速度、セル圧力の経時変化を図3に示す。なお、ここでの「水素吸蔵量」は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素量の水素吸蔵合金に対する質量割合(質量%)で評価したものである(後記図4、9においても、同じ)。また、上記「セル圧力」とは、純水素中では水素圧力、混合ガス中では全圧を意味する。 FIG. 3 shows changes with time in the hydrogen storage amount, hydrogen storage rate, and cell pressure in the ZFC-based alloy. Here, the “hydrogen storage amount” is evaluated by the mass ratio (mass%) of the amount of hydrogen stored in the hydrogen storage alloy to the hydrogen storage alloy (the same applies to FIGS. 4 and 9 described later). The “cell pressure” means a hydrogen pressure in pure hydrogen and a total pressure in a mixed gas.
測定時間内で最大となる水素吸蔵量(以下、「最大水素吸蔵量」と呼ぶことがある)については、ZFCで1.65質量%(H/M=1.08)、ZFC1で1.68質量%(H/M=1.11)、ZFC2で1.67質量%(H/M=1.11)、ZFC3で1.53質量%(H/M=1.01)、ZFC4で1.48質量%(H/M=0.98)、ZFC5で1.45質量%(H/M=0.97)となり、Fe量が増えるごとに若干減少する傾向が見られた。 The maximum hydrogen storage amount within the measurement time (hereinafter sometimes referred to as “maximum hydrogen storage amount”) is 1.65% by mass (H / M = 1.08) for ZFC and 1.68 for ZFC1. % By mass (H / M = 1.11), 1.67% by mass (H / M = 1.11) for ZFC2, 1.53% by mass (H / M = 1.01) for ZFC3, 1. It became 48 mass% (H / M = 0.98) and 1.45 mass% (H / M = 0.97) in ZFC5, and there was a tendency to decrease slightly as the amount of Fe increased.
水素吸蔵速度については、Feが増えるごとに減少する傾向が見られ、ZFCとZFC1およびZFC2においては、おおよそ5cc/min(20℃、0.1013MPaでの体積)の水素吸蔵速度を維持しながら吸蔵が進む。しかし、ZFC3からは水素吸蔵速度に二つのピークが観測された。特にZFC4とZFC5では、ピークが顕著に表れている。 The hydrogen storage rate tends to decrease as Fe increases. In ZFC, ZFC1, and ZFC2, the storage rate is maintained while maintaining a hydrogen storage rate of approximately 5 cc / min (volume at 20 ° C. and 0.1013 MPa). Advances. However, two peaks were observed in the hydrogen storage rate from ZFC3. In particular, in ZFC4 and ZFC5, a peak appears remarkably.
このことは、ZFC3、ZFC4、ZFC5では、プラトー領域が2つあることを示唆している。圧力変化からも2つのプラトー領域が見られる。そのため、2つのプラトー領域が観測されたZFC3、ZFC4、ZFC5では、水素吸蔵が進むにつれてα相とβ相の混合領域ができ、さらに水素吸蔵が進むとβ相と新たにできたγ相の混合領域ができると考えられる。 This suggests that ZFC3, ZFC4, and ZFC5 have two plateau regions. Two plateau regions can also be seen from the pressure change. Therefore, in ZFC3, ZFC4, and ZFC5 where two plateau regions were observed, a mixed region of α phase and β phase was formed as hydrogen storage progressed, and a further mixing of β phase and newly formed γ phase was performed as hydrogen storage progressed. An area is considered to be created.
ZTFC系合金における、水素吸蔵量、水素吸蔵速度、セル圧力の経時変化を、図4に示す。最大水素吸蔵量については、ZTFC1で1.73質量%(H/M=1.11)、ZTFC2で1.69質量%(H/M=1.06)、ZTFC3で1.51質量%(H/M=0.93)、ZTFC4で1.48質量%(H/M=0.91)となり、Ti量が増えるごとに減少する傾向が見られた。 FIG. 4 shows changes with time in the hydrogen storage amount, hydrogen storage rate, and cell pressure in the ZTFC alloy. Regarding the maximum hydrogen storage amount, ZTFC1 is 1.73 mass% (H / M = 1.11), ZTFC2 is 1.69 mass% (H / M = 1.06), ZTFC3 is 1.51 mass% (H /M=0.93) and ZTFC4 was 1.48% by mass (H / M = 0.91), and a tendency to decrease as the Ti content increased was observed.
水素吸蔵速度については、Tiが増えるごとに若干減少する傾向が見られ、ZFC2、ZFC3およびZFC4においては、水素吸蔵途中から水素吸蔵速度がなだらかに減少する傾向が見られた。これは、Tiが増えることによって水素平衡圧力が傾くことに起因していると考えられる。 The hydrogen storage rate tended to decrease slightly as Ti increased. In ZFC2, ZFC3 and ZFC4, the hydrogen storage rate tended to decrease gradually during the hydrogen storage. This is thought to be due to the inclination of the hydrogen equilibrium pressure as Ti increases.
これらの基礎実験に基づき、各水素吸蔵合金におけるCO2被毒耐性について、更に検討を進めた。CO2被毒耐性を評価するには、CO2含有雰囲気中での各水素吸蔵合金の吸蔵速度を把握することが重要である。 Based on these basic experiments, further investigations were made on the CO 2 poisoning resistance of each hydrogen storage alloy. In order to evaluate the CO 2 poisoning resistance, it is important to grasp the storage speed of each hydrogen storage alloy in a CO 2 -containing atmosphere.
水素吸蔵合金の吸蔵速度は、供給する水素流量やプラトー圧に依存することは容易に想像でき、PCT特性測定結果のデータだけからでは水素吸蔵速度の大小を直接的に評価することは難しい。そこで、様々な条件を考慮した動特性測定中のある吸蔵量の時点における水素分圧と水素吸蔵速度と、PCT特性から得られる水素平衡圧力と水素吸蔵量の関係を用いて、反応速度定数を概算することにより、CO2含有雰囲気中での各水素吸蔵合金の吸蔵速度の大小を定量化した。下記式(3)は、数値計算などで使用される反応速度式を簡略化した式である。 It can be easily imagined that the storage speed of the hydrogen storage alloy depends on the supplied hydrogen flow rate and the plateau pressure, and it is difficult to directly evaluate the magnitude of the hydrogen storage speed only from the data of the PCT characteristic measurement results. Therefore, the reaction rate constant is calculated using the relationship between the hydrogen partial pressure and the hydrogen storage rate at the time of the storage amount during dynamic characteristics measurement considering various conditions, and the relationship between the hydrogen equilibrium pressure and the hydrogen storage amount obtained from the PCT characteristics. By estimating, the magnitude of the storage speed of each hydrogen storage alloy in the CO 2 -containing atmosphere was quantified. The following formula (3) is a simplified formula of a reaction rate formula used in numerical calculation or the like.
なお、式(3)中、vは水素吸蔵合金の水素吸蔵速度[H/M/s]、Fは水素吸蔵量[H/M]、kTは温度に依存する反応速度定数[s-1]、P(F)は水素圧[MPa]、Peq(F,T)はある水素吸蔵量、温度における水素平衡圧力[MPa]、P0は大気圧[MPa]、f(F)は吸蔵量に依存する関数[H/M]を、夫々表す。dF/dt、およびP(F)は、純水素吸蔵時の動特性測定により得られる値、Peq(F,T)はPCT曲線から得られる値を用い、純水素吸蔵時における水素圧力の影響を除いた水素吸蔵速度v’befは、下記式(4)のように求めることができる。 In formula (3), v is the hydrogen storage rate [H / M / s] of the hydrogen storage alloy, F is the hydrogen storage amount [H / M], and k T is the reaction rate constant [s −1 depending on the temperature. ], P (F) is a hydrogen pressure [MPa], P eq (F , T) hydrogen storage capacity in the hydrogen equilibrium pressure at the temperature [MPa], P 0 is atmospheric pressure [MPa], f (F) is occluded The function [H / M] depending on the quantity is represented respectively. dF / dt and P (F) are values obtained by measuring dynamic characteristics during pure hydrogen storage, and P eq (F, T) is a value obtained from a PCT curve, and the influence of hydrogen pressure during pure hydrogen storage. The hydrogen occlusion speed v ′ bef excluding the above can be obtained as in the following formula (4).
試料毎に、温度および水素吸蔵量が同じ時点での値を用いてv’befを算出することで、水素吸蔵速度に関する大小を把握することができる。CO2含有雰囲気中での水素圧力の影響を除いた水素吸蔵速度をv’aftとすれば、式(5)のように求めることができる。 By calculating v ′ bef using values at the same time when the temperature and the hydrogen storage amount are the same for each sample, the magnitude of the hydrogen storage rate can be grasped. If the hydrogen occlusion rate excluding the influence of the hydrogen pressure in the CO 2 -containing atmosphere is v ′ aft , it can be obtained as in equation (5).
吸蔵速度に関するCO2被毒耐性の度合いを定量化するため、前記式(4)に対して、CO2耐性に関する定数krを挿入した。ここで、kTとf(F)は、各水素吸蔵合金固有の値であるので、純水素中とCO2含有雰囲気中の変化はないと考えられる。そうすると、前記式(4)で表されるv’befは、および前記式(5)で表されるv’aftを、同一の吸蔵量・温度の条件で算出し、式(6)のように比を取ることで、CO2耐性に関する定数krのみを抽出することができる。 To quantify the degree of CO 2 poisoning resistance regarding storage rate, to the formula (4) was inserted constants k r about CO 2 resistance. Here, k T and f (F) are values inherent to each hydrogen storage alloy, and therefore, it is considered that there is no change in pure hydrogen and in a CO 2 -containing atmosphere. Then, v ′ bef represented by the above equation (4) and v ′ aft represented by the above equation (5) are calculated under the same occlusion amount / temperature conditions, as in equation (6) by taking the ratio, it is possible to extract only the constant k r about CO 2 resistance.
上記CO2耐性に関する定数krは、純水素中およびCO2含有雰囲気中の水素圧力の影響を除いた水素吸蔵速度v’bef、v’aftの比の値であり、定数krの値が大きいほど、CO2被毒耐性に優れていることを示している。 The CO 2 resistance related constant k r is hydrogen absorbing speed v 'bef, v' excluding the effect of the hydrogen pressure in the pure hydrogen and CO 2 containing atmosphere is the value of the ratio of the aft, the value of the constant k r larger, CO 2 shows to have excellent poisoning resistance.
本発明者らは、水素吸蔵合金を使用する上で最も重要である「プラトー領域でのkr」を求めるために、前記(H/M)の値が0.2〜0.6となる領域で、「CO2耐性に関する定数kr」を求めた。この定数krを求めるためには、PCT特性測定で得られるプロットから、H/M=0.2〜0.6となる領域での水素平衡圧力と、前記(H/M)の値の関係を定式化する必要がある。本発明では、水素平衡圧力と前記(H/M)の値の関係を定式化する式として、式(7)を用いた。 In order to obtain “k r in the plateau region” which is most important in using the hydrogen storage alloy, the present inventors have a region where the value of (H / M) is 0.2 to 0.6. Then, the “constant k r regarding CO 2 resistance” was obtained. To determine this constant k r is from a plot obtained by PCT characteristic measurement, a hydrogen equilibrium pressure in the region to be the H / M = 0.2 to 0.6, the relationship of the value of the (H / M) Need to be formulated. In the present invention, Expression (7) is used as an expression for formulating the relationship between the hydrogen equilibrium pressure and the value of (H / M).
ここで、P1は水素平衡圧力、Fは前記(H/M)の値に相当する水素濃度であり、A0、B0、ψ、ψ0、F0およびβは水素吸蔵合金固有のパラメータである。これらのパラメータは、実験値と合うようにフィテイングによって求められる。 Here, P 1 is the hydrogen equilibrium pressure, F is the hydrogen concentration corresponding to the value of (H / M), and A 0 , B 0 , ψ, ψ 0 , F 0 and β are parameters specific to the hydrogen storage alloy. It is. These parameters are determined by fitting to match the experimental values.
上記の「CO2耐性に関する定数kr」を、各水素吸蔵合金ごとに求めた。各試料の製造方法、およびその後の処理は、前記と同じである。水素放出操作後の合金に対して、試料系内に0.1MPaまでCO2を導入した状態を開始状態として、水素吸蔵操作を行った。測定終了条件はマスフローメータの流量表示が著しく低下した後、一定になった時点、または300分経過後とした。 The above “constant k r regarding CO 2 resistance” was determined for each hydrogen storage alloy. The manufacturing method of each sample and the subsequent processing are the same as described above. With respect to the alloy after the hydrogen releasing operation, a hydrogen storage operation was performed with a state where CO 2 was introduced to 0.1 MPa in the sample system as a starting state. The measurement end condition was when the flow rate display of the mass flow meter was remarkably lowered and became constant, or after 300 minutes had passed.
このとき、比較のために、下記表2に示す各試料(試料No.11〜13)についても、上記と同様の評価を行った。ただし、これらの合金については、CO2含有雰囲気での試験を行う前に、CO2雰囲気での暴露試験を行ったものであり、「CO2耐性に関する定数kr」の値は、上記で評価した値よりも小さくなる。また、表2に示した試料No.11、13は、CO2被毒耐性の向上を図った水素吸蔵合金として提案されているものである(前記非特許文献3)。また、試料No.12は、試験条件の違いによる「CO2耐性に関する定数kr」の違いを判断するために、前記表1に示した試料No.7と同じ組成のものを示した。 At this time, the same evaluation as described above was performed for each sample (sample Nos. 11 to 13) shown in Table 2 below for comparison. However, these alloys were subjected to an exposure test in a CO 2 atmosphere before performing the test in a CO 2 -containing atmosphere, and the value of the “constant k r regarding CO 2 resistance” was evaluated above. It becomes smaller than the value. In addition, the sample No. shown in Table 2 was used. Nos. 11 and 13 have been proposed as hydrogen storage alloys with improved CO 2 poisoning resistance (Non-Patent Document 3). Sample No. No. 12 is a sample No. shown in Table 1 in order to judge the difference in “constant k r regarding CO 2 resistance” due to the difference in test conditions. The same composition as 7 was shown.
ZFC系合金における、300分までのH2−CO2混合ガス雰囲気での水素吸蔵量、水素吸蔵速度および水素圧力の経時変化を図5に示す。なお、図5に示した水素吸蔵量は、H2−CO2混合ガス雰囲気中での水素吸蔵量(質量%)を、純水素雰囲気での水素吸蔵量(質量%)で割って、正規化した値である(後記図6においても、同じ)。 FIG. 5 shows changes over time in the hydrogen storage amount, hydrogen storage rate, and hydrogen pressure in a ZFC-based alloy in an H 2 —CO 2 mixed gas atmosphere up to 300 minutes. The hydrogen storage amount shown in FIG. 5 is normalized by dividing the hydrogen storage amount (mass%) in the H 2 —CO 2 mixed gas atmosphere by the hydrogen storage amount (mass%) in a pure hydrogen atmosphere. (The same applies to FIG. 6 described later).
この結果から、次のように考察できる。ZFC1については、吸蔵終了時における正規化水素吸蔵量が0.60程度と小さいが、他の合金では吸蔵終了時における正規化水素吸蔵量は0.9以上となっており、ZFC1と比べ水素吸蔵量についてのCO2被毒耐性が向上していることが明らかである。 From this result, it can be considered as follows. As for ZFC1, the normalized hydrogen storage amount at the end of storage is as small as about 0.60. However, in other alloys, the normalized hydrogen storage amount at the end of storage is 0.9 or more. It is clear that the CO 2 poisoning tolerance in terms of quantity is improved.
最大水素吸蔵速度については、ZFC3≧ZFC2>ZFC4≧ZFC>ZFC5≧ZFC1となっているが、水素吸蔵が進むにつれて水素吸蔵速度の大小は前後し、さらに水素平衡圧力の影響を受けるためという理由からでは、一概にどの合金が優れているかは判断しにくい。圧力変化については合金によって大きく差はなかったが、水素吸蔵速度の違いにより、わずかに最大値(0.9MPa)に達する時間が変化している。 The maximum hydrogen storage rate is ZFC3 ≧ ZFC2> ZFC4 ≧ ZFC> ZFC5 ≧ ZFC1, but the reason is that the hydrogen storage rate increases and decreases as the hydrogen storage progresses and is further affected by the hydrogen equilibrium pressure. So it is difficult to judge which alloy is superior. There was no significant difference in pressure change between alloys, but the time to reach the maximum value (0.9 MPa) slightly changed due to the difference in hydrogen storage rate.
また、セル圧力が最大値となったときと水素吸蔵速度にピークが生じる時間が一致していることから、この合金系およびこの実験条件では、容器内と供給側の圧力差も反応速度に関与すると考えられる。 In addition, since the time when the peak of the hydrogen storage rate coincides with the time when the cell pressure reaches the maximum value, the pressure difference between the inside of the container and the supply side is also involved in the reaction rate in this alloy system and this experimental condition. I think that.
ZTFC系合金における、300分までのH2−CO2混合ガス雰囲気での水素吸蔵量、水素吸蔵速度およびセル圧力の経時変化を図6に示す。ZTFC系合金では、全ての合金で正規化水素吸蔵量が0.9以上と高い値を示していることが分かる。水素吸蔵速度については、Tiを含まないZFCに比べ、Tiを含むZTFC1は、水素平衡圧力に大きな差がないにも関わらず、大幅に向上している。このことから、Tiを含むことによってH2−CO2混合ガス雰囲気中における水素吸蔵速度は向上することが分かる。
FIG. 6 shows changes with time in the hydrogen storage amount, hydrogen storage rate, and cell pressure in the Z 2 -
しかしながら、ZFC1よりもTiの置換原子比を増やしても、水素吸蔵速度は向上していない。これはZFC系のときと同様に、水素平衡圧力の影響によるものと考えられる。 However, even if the Ti substitution atom ratio is increased as compared with ZFC1, the hydrogen storage rate is not improved. This is considered to be due to the influence of the hydrogen equilibrium pressure, as in the ZFC system.
上述のごとく、CO2被毒耐性を評価するには水素平衡圧力の影響と、CO2被毒の影響を分離して考える必要がある。前記式(3)〜(7)に示す手順でCO2耐性に関する定数krを求めた。このとき、試料No.1〜11の各水素吸蔵合金におけるA0、B0、ψ、ψ0、F0およびβの値は、下記表3に示す通りである。
As described above, in evaluating a CO 2 poisoning resistance must be considered in isolation and the influence of hydrogen equilibrium pressure, the influence of CO 2 poisoning. Were determined constant k r about CO 2 resistance in the procedure shown in the equation (3) to (7). At this time, sample no. The values of A 0 , B 0 , ψ, ψ 0 , F 0 and β in each of the
ZFC系合金についてのCO2耐性に関する定数krの測定結果を、図7の棒グラフに示す。またZTFC系合金についてのCO2耐性に関する定数krの測定結果を、図8の棒グラフに示す。 The measurement results of the constant k r about CO 2 tolerance for ZFC alloy, shown in the bar graph of FIG. Further the CO 2 resistance measurements constants k r about about ZTFC alloy, shown in the bar graph of Figure 8.
図7から、CO2耐性に関する定数krは、Feを増やすことで上昇するが、ZFC3よりもFeの原子比を増加させると、CO2被毒に関する係数krが小さくなった後一定となることが分かる。 From Figure 7, the constant k r is about CO 2 resistance, although increased by increasing the Fe, increasing the atomic ratio of Fe than ZFC3, it becomes constant after the coefficient k r is smaller regarding CO 2 poisoning I understand that.
このことから、Fe置換によるCO2被毒耐性の向上には一定の効果はあるが、Feの原子比を増やせば増やすほど、CO2被毒耐性が増加するわけではない。すなわち、前記式(1)で表される水素吸蔵合金であって、Crの原子比Xが0.8〜0.5の範囲の値としたものでは、CO2被毒耐性に優れていることが分かる。特に、Crの原子比Xは0.8〜0.7の範囲の値であることが好ましい。 From this, there is a certain effect in improving the CO 2 poisoning resistance by the Fe substitution, but the CO 2 poisoning resistance does not increase as the atomic ratio of Fe increases. That is, in the hydrogen storage alloy represented by the above formula (1), the Cr atomic ratio X having a value in the range of 0.8 to 0.5 is excellent in CO 2 poisoning resistance. I understand. In particular, the atomic ratio X of Cr is preferably in the range of 0.8 to 0.7.
図8から、Tiを含まないZFCに比べ、Tiを含むZTFC系合金の方が、CO2耐性に関する定数krが大きくなっていることから、Tiを増やすことで水素吸蔵速度が大きくなることが分かる。すなわち、Tiによる置換については、前記式(2)で表されるTiの置換原子比Yが0.1〜0.4の範囲の値とすることによって、CO2被毒耐性向上に効果がある。 From Figure 8, compared with ZFC not containing Ti, towards ZTFC based alloy containing Ti is, since the constant k r is large concerning CO 2 resistance, that the hydrogen storage rate increases by increasing the Ti I understand. That is, with regard to substitution with Ti, the substitutional atomic ratio Y of Ti represented by the above formula (2) is set to a value in the range of 0.1 to 0.4, which is effective in improving CO 2 poisoning resistance. .
また、表2に示した水素吸蔵合金における、300分までのH2−CO2混合ガス雰囲気での水素吸蔵量、水素吸蔵速度およびセル圧力の経時変化を図9に示す。またこれらのうち、試料No.11、12の水素吸蔵合金におけるCO2耐性に関する定数krの測定結果を図10の棒グラフに示す。なお、図9、10には、参照のために、ZFC(表1に示した試料No.1)の結果も含めて示した。また、図9、10に示した結果は、CO2含有雰囲気での試験を行う前に、CO2雰囲気での暴露試験を行ったものであり、「CO2耐性に関する定数kr」の値などは、前記図5〜8に示した値よりも小さくなっているが、両方に示した試料No.1、12のデータを基準にすることによって、客観的な評価ができる。 In addition, FIG. 9 shows changes over time in the hydrogen storage amount, hydrogen storage rate, and cell pressure in the H 2 —CO 2 mixed gas atmosphere up to 300 minutes in the hydrogen storage alloys shown in Table 2. Of these, sample no. The measurement results of the constant k r about CO 2 resistance in 11 hydrogen storage alloy shown in the bar graph of Figure 10. In addition, in FIG. 9, 10, the result of ZFC (sample No. 1 shown in Table 1) was also shown for reference. Further, the results shown in FIGS. 9 and 10 are obtained by performing an exposure test in a CO 2 atmosphere before performing a test in a CO 2 -containing atmosphere, such as a value of “constant k r regarding CO 2 resistance”. Is smaller than the values shown in FIGS. By using 1 and 12 data as a reference, an objective evaluation can be performed.
この結果と、前記図5〜8に示した結果と対比すれば明らかなように、AB2型合金であるZrFe2合金に対し、BサイトのFeの一部をMnに置換した場合は、Feの所定量をCrに置換した合金に比べて、CO2被毒耐性はそれほど向上していないことが分かる。 As is clear from comparison between this result and the results shown in FIGS. 5 to 8, when a part of Fe at the B site is substituted with Mn for the ZrFe 2 alloy which is an AB 2 type alloy, Fe It can be seen that the CO 2 poisoning resistance is not so improved as compared with the alloy in which a predetermined amount of Cr is replaced with Cr.
また、ZrFeMn合金に対し、Zrの一部をTiで置換した場合は、本発明の水素吸蔵合金と比べてTiの置換効果が顕著に発揮されていないことが分かる(図9)。 Further, it can be seen that when a part of Zr is substituted with Ti for the ZrFeMn alloy, the substitution effect of Ti is not significantly exhibited as compared with the hydrogen storage alloy of the present invention (FIG. 9).
(実施例2)
前記図11に示した水素精製装置を用い、水素平衡圧力が0.1MPa程度でプラトー領域も平坦であるZrFe1.3Cr0.7合金についての水素精製特性について評価した。このとき、水素吸蔵塔3には、長さ70mm、直径22.4mmの円筒型の容器を使用した。ZrFe1.3Cr0.7合金の42gを、圧密せずにそのまま容器に充填した。水素にはG1級(7N)を使用し、CO2には液化炭酸ガス(99.97%以上)を使用した。配管内の真空引きには、ロータリーポンプ(ULVAC(株)製、小型油回転真空ポンプ、「G−25S」(商品名))を使用した。
(Example 2)
Using the hydrogen purification apparatus shown in FIG. 11, the hydrogen purification characteristics of a ZrFe 1.3 Cr 0.7 alloy having a hydrogen equilibrium pressure of about 0.1 MPa and a flat plateau region were evaluated. At this time, a cylindrical container having a length of 70 mm and a diameter of 22.4 mm was used for the
CO2と水素の流量制御は、マスフローコントローラー(MFC:Mass Flow Contller、KOFLOK(株)製、「MODEL3760」(商品名))で行い、水素吸蔵量はCO2用のマスフローメータ(MFM:Mass Flow Meter)で流量を測定し、熱伝導度検出器(TCD:Thermal Conductivity Gas Analyzer、Panametrics(株)製、「TM02−TC」(商品名))で水素濃度を測定し、水素流量を計算し算出した。 The flow rate control of CO 2 and hydrogen is performed by a mass flow controller (MFC: Mass Flow Controller, manufactured by KOFLOK, “MODEL 3760” (trade name)), and the hydrogen storage amount is a mass flow meter for CO 2 (MFM: Mass Flow). Measure the flow rate with a Meter, measure the hydrogen concentration with a thermal conductivity detector (TCD: Thermal Conductivity Gas Analyzer, Panametrics, "TM02-TC" (trade name)), calculate the hydrogen flow rate and calculate did.
水素放出量は水素用のMFMで流量を測定した。MH容器の入口と出口の圧力はデジタル圧力計(Keyence(株)製、「AP−C33」、「AP−C34」(商品名))を用いて差圧を測定した。 The amount of hydrogen released was measured with a hydrogen MFM. The pressure at the inlet and outlet of the MH container was measured by using a digital pressure gauge (manufactured by Keyence Corporation, “AP-C33”, “AP-C34” (trade name)).
水素吸蔵塔3は、ジャケットで覆われており、水が流せるような構成とした。このジャケットには、試料を温度制御するため、温水と冷水を流している。冷水を流すために用いたチラーには、冷却ポンプ(TAITEC(株)製、「CH−601AF」(商品名))を用いた。また、保温のため容器の周りには断熱材が巻かれている。水素吸蔵塔3内の試料を取り出せるようにバルブで入口と出口を遮断できるようになっている。各機器のデータ採取にはデータロガー(Keyence(株)製、「NR−250」(商品名))を使用した。
The
水素吸蔵の条件として、冷却水温度は20℃、吸蔵時間は30分とした。放出の際は温水温度を80℃、放出時間は20分、冷却時間は10分とし、吸蔵−放出−冷却で1サイクル(cycle)として、計10サイクルまで測定を行った。なお背圧弁の値は、0.9MPaとした。混合ガスの圧力は、0.9MPaとし、流量はH2:71.3cc/min、CO2:23.8cc/minとし、空間速度(Space Velocity:SV)が415h-1となるように流量調整を行った。 As conditions for storing hydrogen, the cooling water temperature was 20 ° C. and the storage time was 30 minutes. At the time of release, the hot water temperature was 80 ° C., the release time was 20 minutes, the cooling time was 10 minutes, and occlusion-release-cooling was one cycle, and the measurement was performed up to 10 cycles. The value of the back pressure valve was 0.9 MPa. The pressure of the mixed gas is 0.9 MPa, the flow rate is H 2 : 71.3 cc / min, CO 2 : 23.8 cc / min, and the flow rate is adjusted so that the space velocity (Space Velocity: SV) is 415 h −1. Went.
10サイクルまでの水素回収率は、1サイクル目の水素回収率が97.6%であるが、10サイクル後であっても87.3%の高い水素回収率を維持できることが確認できた。 The hydrogen recovery rate up to 10 cycles was 97.6% in the first cycle, but it was confirmed that a high hydrogen recovery rate of 87.3% could be maintained even after 10 cycles.
1 改質器
2 CO吸着除去器
3 水素吸蔵塔
4 PEFCスタック
1
Claims (4)
Crの原子比Xが0.8〜0.5の範囲の値であることを特徴とする水素吸蔵合金。
ZrFe2-XCrX …(1) A hydrogen storage alloy represented by the following formula (1):
A hydrogen storage alloy, wherein the atomic ratio X of Cr is a value in the range of 0.8 to 0.5.
ZrFe 2-X Cr X ... ( 1)
Zr1-YTiYFe2-XCrX …(2) A hydrogen storage alloy in which a part of Zr in the formula (1) is substituted with Ti, and the substitution atomic ratio Y of Ti represented by the following formula (2) is in a range of 0.1 to 0.4. The hydrogen storage alloy according to claim 1 or 2.
Zr 1-Y Ti Y Fe 2 -X Cr X ... (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016169418A JP2018035397A (en) | 2016-08-31 | 2016-08-31 | Hydrogen storage alloy and hydrogen purification device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016169418A JP2018035397A (en) | 2016-08-31 | 2016-08-31 | Hydrogen storage alloy and hydrogen purification device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2018035397A true JP2018035397A (en) | 2018-03-08 |
Family
ID=61565423
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016169418A Pending JP2018035397A (en) | 2016-08-31 | 2016-08-31 | Hydrogen storage alloy and hydrogen purification device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2018035397A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108796389A (en) * | 2018-06-06 | 2018-11-13 | 华南理工大学 | A kind of non-stoichiometry zirconium-iron-based high-pressure hydrogen storing alloy and preparation method thereof |
| CN110042304A (en) * | 2019-04-22 | 2019-07-23 | 宁夏大学 | A kind of high-pressure metal hydride composite hydrogen occluding tank high platform pressure hydrogen bearing alloy |
| WO2019167502A1 (en) | 2018-02-28 | 2019-09-06 | 株式会社神戸製鋼所 | Arc welding method for dissimilar material bonding |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60218458A (en) * | 1984-03-22 | 1985-11-01 | コツパ−ス コムパニ− インコ−ポレ−テツド | Hydrogen storage substance comprising zrcr2-stoichiometrically characterized zirconium-chromium-iron and optional titanium |
| JPS6296632A (en) * | 1985-10-23 | 1987-05-06 | Mazda Motor Corp | Metallic alloy for hydrogen storage |
| JPH01126203A (en) * | 1987-11-10 | 1989-05-18 | Tokyo Gas Co Ltd | Method for producing high-purity hydrogen gas |
-
2016
- 2016-08-31 JP JP2016169418A patent/JP2018035397A/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60218458A (en) * | 1984-03-22 | 1985-11-01 | コツパ−ス コムパニ− インコ−ポレ−テツド | Hydrogen storage substance comprising zrcr2-stoichiometrically characterized zirconium-chromium-iron and optional titanium |
| JPS6296632A (en) * | 1985-10-23 | 1987-05-06 | Mazda Motor Corp | Metallic alloy for hydrogen storage |
| JPH01126203A (en) * | 1987-11-10 | 1989-05-18 | Tokyo Gas Co Ltd | Method for producing high-purity hydrogen gas |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2019167502A1 (en) | 2018-02-28 | 2019-09-06 | 株式会社神戸製鋼所 | Arc welding method for dissimilar material bonding |
| CN108796389A (en) * | 2018-06-06 | 2018-11-13 | 华南理工大学 | A kind of non-stoichiometry zirconium-iron-based high-pressure hydrogen storing alloy and preparation method thereof |
| CN110042304A (en) * | 2019-04-22 | 2019-07-23 | 宁夏大学 | A kind of high-pressure metal hydride composite hydrogen occluding tank high platform pressure hydrogen bearing alloy |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Strozi et al. | Tuning the hydrogen storage properties of Ti-V-Nb-Cr alloys by controlling the Cr/(TiVNb) ratio | |
| Cao et al. | Investigation on Ti–Zr–Cr–Fe–V based alloys for metal hydride hydrogen compressor at moderate working temperatures | |
| Borzone et al. | Dynamic measurements of hydrogen reaction with LaNi5− xSnx alloys | |
| Li et al. | Optimization of Ti-Zr-Cr-Fe alloys for 45 MPa metal hydride hydrogen compressors using orthogonal analysis | |
| Liu et al. | Hydrogen storage properties of V0. 3Ti0. 3Cr0. 25Mn0. 1Nb0. 05 high entropy alloy | |
| Puszkiel et al. | Thermodynamic and kinetic studies of Mg–Fe–H after mechanical milling followed by sintering | |
| Wang et al. | A 70 MPa hydrogen-compression system using metal hydrides | |
| Zhang et al. | Hydrogen storage properties of non-stoichiometric Zr0. 9TixV2 melt-spun ribbons | |
| Liu et al. | Long-term hydrogen storage performance and structural evolution of LaNi4Al alloy | |
| Cao et al. | Studies on Ti-Zr-Cr-Mn-Fe-V based alloys for hydrogen compression under mild thermal conditions of water bath | |
| Cheng et al. | Pushing the Boundaries of solid-state hydrogen storage: A Refined study on TiVNbCrMo high-entropy alloys | |
| Adametz et al. | Efficiency of low-temperature adsorptive hydrogen storage systems | |
| JP2018035397A (en) | Hydrogen storage alloy and hydrogen purification device | |
| Ishikawa et al. | Hydrogenation behavior of Mg85Zn6Y9 crystalline alloy with long period stacking ordered structure | |
| Hang et al. | Microstructure and hydrogen storage properties of Ti10+ xV80-xFe6Zr4 (x= 0~ 15) alloys | |
| Kumar et al. | Experimental studies on poisoning of La0. 9Ce0. 1Ni5 based hydrogen purification system with CO2 as impurity | |
| Li et al. | Hydrogen absorption and desorption characteristics in the La0. 5Ni1. 5Mg17 prepared by hydriding combustion synthesis | |
| Zhang et al. | Hydrogen absorption properties of a non-stoichiometric Zr-based Laves alloy against gaseous impurities | |
| JP4716304B2 (en) | Hydrogen storage alloy storage and release method, hydrogen storage alloy and fuel cell using the method | |
| Tran et al. | Analyses of hydrogen sorption kinetics and thermodynamics of magnesium–misch metal alloys | |
| Wu et al. | Microstructures and hydrogenation properties of (ZrTi)(V1− xAlx) 2 Laves phase intermetallic compounds | |
| Fan et al. | Enhanced cycling stability of Ti-based AB2-type alloys by annealing treatment | |
| Karpov | Application of high-entropy alloys in hydrogen storage technology | |
| Cermak et al. | Ageing of Mg–Ni–H hydrogen storage alloys | |
| Chandra et al. | Hydriding and structural characteristics of thermally cycled and cold-worked V–0.5 at.% C alloy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190108 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20190905 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20191001 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20200324 |