(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
さや管内に５〜30原子%のNiを含むV-Ni合金を入れ、封入し、さや管
ごと熱間圧延し、厚さ0.1 mm〜0.01mmのV-Ni合金の薄板を得ることを特徴とするV-Ni合金の薄板化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、V-Ni合金の薄板化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
たとえば燃料電池自動車などの重要なエネルギー源とされる超高純度水素を製造するための水素分離精製装置として、Pd合金を水素透過膜に使用したものが開発され、実用化レベルにあるが、その一方で、合金原料のPdは非常に高価であり、また、300℃未満の低温での透過特性に難点がある。
【０００３】
最近、この出願の発明の発明者らにより、５〜30原子%のNiを含むV-Ni合金が高い水素透過能を有することが見出され、低価格化が期待されるが、V-Ni合金には、加工性に乏しく、薄板化が難しいという問題がある。すなわち、V-Ni合金は酸化されやすく、酸化物の融点が低いため、熱間圧延が難しい。また、インゴットを直接冷間圧延すると割れが生じやすいため、1mm以下の厚さにするには、インゴットを切断した後、研磨により薄くするしかない。このため、V-Ni合金を水素分離精製装置に適応するために、膜状、パイプ状などへ加工するのは効率が非常に悪く、実用化にはほど遠かった。
【０００４】
この出願の発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、以上のように薄板化が難しいとされていたV-Ni合金の薄板化を実現することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明者らは、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、高い水素透過能を有するV-Ni合金にシース圧延を適用することにより、最も薄くて0.01mmの厚さにまで薄板化することができ、しかもその薄板化は比較的容易であり、また、薄いものほど大きな水素透過流量が得られ、低温で大量の水素を効率的に99.99999%以上のいわゆるセブンナイン以上の超高純度まで純化することが可能であるとの知見を得、この出願の発明を完成した。
【０００６】
すなわち、この出願の発明は、さや管内に５〜30原子%のNiを含むV-Ni合金を入れ、封入し、さや管ごと熱間圧延し、厚さ0.1 mm〜0.01mmのV-Ni合金の薄板を得ることを特徴とするV-Ni合金の薄板化方法を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この出願の発明では、上記の通り、５〜30原子%のNiを含むV-Ni合金をさや管内に入れ、封入し、さや管ごと熱間圧延、すなわちシース圧延する。シース圧延は、たとえばステンレス管などをさや管として用い、さや管内にV-Ni合金のインゴットなどを入れて封入し、さや管ごと熱間圧延することにより実行される。シース圧延により、これまでは難しいとされていたV-Ni合金の薄板化が比較的容易に可能となり、厚さを0.1mm以下、最も薄くて0.01mmまでにすることができる。
【０００８】
このように薄板化されたV-Ni合金は、水素分離精製装置の隔膜に用いることができる。
図１＜ａ＞＜ｂ＞＜ｃ＞は、各々、水素分離精製装置を概略的に示した断面図である。
厚さ0.1mm〜0.01mmに薄板化された５〜30原子%のNiを含むV-Ni合金は、表裏両面がPd又はPdを含む合金で被覆されて水素分離精製装置の隔膜（１）に用いられている。この隔膜（１）によって水素を99.99999%以上のいわゆるセブンナイン以上の超高純度まで純化することができる。隔膜（１）は薄いものほど大きな水素透過流量が得られ、低温で大量の水素の効率的な純化が可能となる。
【０００９】
隔膜（１）は、より具体的には、水素分離精製装置に備えたキャビネット（２）の内部に装着することができるが、その形状には特に制限はない。たとえば、図１＜ａ＞に示したような平板状の他、図１＜ｂ＞に示したように折り曲げて蛇腹状とすることもできる。そして、これら平板状、蛇腹状の隔膜（１）は、キャビネット（２）を仕切るように配設することができる。
【００１０】
また、隔膜（１）は、図１＜ｃ＞に示したように、パイプ状とすることもできる。薄板化したV-Ni合金は、加工するのに十分な曲げ強度を有している。パイプ状とするときの断面形状は、星形、丸形、楕円形、四角形、三角形、五角形、六角形、八角形以上の多角形などの各種の形状が可能である。また、パイプ状とする場合には、たとえば作製した薄板に電子ビーム溶接、拡散接合などを適用することができる。このようにしてパイプ状とされた隔膜（１）は、キャビネット（２）内に１本配設しても、また、複数本並設してもよい。パイプ状の隔膜（１）をキャビネット（２）内に設ける場合には、たとえばスウェジロック継手若しくは電子ビーム溶接などを用いて接合することができる。
【００１１】
なお、図１＜ａ＞＜ｂ＞＜ｃ＞図中に示した符号３は、キャビネット（２）へのガス導入部であり、符号４は、隔膜（１）による精製後の水素ガス導出部である。符号５は、残渣ガスのドレインである。
【００１２】
V-Ni合金薄板を隔膜（１）に用いる場合には、表裏両面にはPd又はPdを含む合金を被覆するが、これは、V-Ni合金の水素透過性能を劣化させる表面酸化を防止するとともに、二原子分子である水素ガスがV-Ni合金に溶け込む際に必要な、原子状水素への解離反応、すなわち、分離反応を促進させるためである。Pd又はPdを含む合金のV-Ni合金の表裏両面への被覆法については、特に制限はなく、真空蒸着法、電気めっき法、無電解めっき法などが考えられる。中でも無電解めっき法は、複雑な形状に対しても均一な被覆が可能であり、好ましい。なお、被覆するPd又はPdを含む合金の厚さについても特に制限はなく、隔膜（１）の全体厚さを考慮し、適宜とすることができる。このPd又はPdを含む合金の被覆は、隔膜（１）の作製後に行う。
【００１３】
以上のV-Ni合金薄板は、水素透過能に悪影響を及ぼさない限り、Mnその他の元素を不可避的不純物元素として、若しくは第３元素、第４元素などとして最大５原子%まで含有することができる。
【００１４】
【実施例】
アルゴン中のアーク溶解法によりV-15原子%Ni合金を溶製した。表面に形成された酸化膜を取り除いた後、V-15原子%Ni合金をステンレス管内に入れ、真空中において電子ビーム溶接によりステンレス管を封管した。次いで、封管したステンレス管ごと1150℃において厚さ５mmまで熱間圧延し、シース圧延を実行した。この後、1200℃において溶体化急冷熱処理を行った。溶体化急冷熱処理は、Ni原子がVに均一に溶け込んだ高温状態を急冷し、低温にまで下げる処理であり、V-Ni合金の水素透過能及び各種形状への加工性を実現する。次いで４つに分け、それぞれを0.1mm、0.3mm、0.4mm、1.1mmの厚さまで室温においてごく一般的なロールを用いて冷間圧延を行った。冷間圧延により薄板表面はきれいに仕上がる。圧延後の薄板には、いずれも割れ、ひびなどは一切見られなかった。これまで薄板化が難しいとされていたV-Ni合金の薄板化が可能となることが確認された。
【００１５】
作製したそれぞれの薄板から直径約12mmの円盤状試料を切り出し、その表面をエメリーペーパーやアルミナ砥粒などを用いた機械研磨及びエッチングを行う化学研磨により鏡面まで仕上げた後、真空蒸着法により試料の表裏両面にPdを厚さ約0.1μmに被覆した。
【００１６】
このようにして作製した試料を水素透過試験装置内に装着し、水素透過試験を行った。試験に際し、試料温度を523Kとし、入り口側に500torrの水素圧をかけ、出口側を真空引きした。そして、水素透過性を実用レベルにあるPd-25Ag合金と比較した。その結果を示したのが、図２のグラフである。この図２のグラフにおいて縦軸を水素流束としているが、水素流束は、単位面積当たり及び単位時間当たりに流れる水素の体積を意味する。
【００１７】
図２のグラフから確認されるように、水素透過流量は、試料の厚さに反比例して増大し、表裏両面をPdで被覆したV-15Ni合金薄板は、Pd-25Ag合金よりもより水素透過流量が増大する。
【００１８】
さらに、厚さ約0.1mmの、表裏両面をPdで被覆したV-15Ni合金薄板について曲げ試験を行ったところ、十分な曲げ加工性を示し、湾曲部にクラックその他の欠陥は認められなかった。また、電子ビームを用いて溶接性も調べたが、溶接部は健全であり、クラックその他の欠陥は認められなかった。図１＜ａ＞＜ｂ＞＜ｃ＞に例示される各種形状を有する隔膜（１）が実現可能であることが確認される。
【００１９】
もちろん、この出願の発明は、以上の実施形態及び実施例によって限定されるものではない。水素分離精製装置の隔膜を除く構成及び構造、隔膜の形状、作製条件、及び表裏両面に被覆するPd又はPdを含む合金の厚さなどの細部については様々な態様が可能であることはいうまでもない。
【００２０】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によって、薄板化が難しいとされていたV-Ni合金の薄板化が実現される。V-Ni合金薄板を各種形状の隔壁として装着した水素分離精製装置が提供され、燃料電池自動車などの重要なエネルギー源となる99.99999%以上の超高純度水素を低コストで生産可能となることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＜ａ＞＜ｂ＞＜ｃ＞は、各々、水素分離精製装置を概略的に示した断面図である。
【図２】  水素透過試験装置内に装着した試料の523Kにおける厚さの逆数と水素流束との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１    隔膜
２    キャビネット
３    ガス導入部
４    水素ガス導出部
５    ドレイン
【図１】
0003837481.tif 000002
【図２】
0003837481.tif 000003