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パラジウム膜を介した水素移動におけるガス境膜抵抗の影響

Effect of gas-film resistance on hydrogen permeation flux through Pd membrane

岩井 保則; 山西 敏彦

Iwai, Yasunori; Yamanishi, Toshihiko

核融合燃料循環システムにおいてパラジウム拡散器は水素同位体の高純度精製を担う。パラジウム膜を介した水素移動について素反応に基づく数値計算コードを作成し、水素移動過程におけるガス境膜抵抗の影響を定量的に評価した。パラジウム膜を介した水素移動では操作温度が上昇するにつれ透過側表面脱離律速から拡散律速に律速段階が移行する。律速段階が移行する境界温度はパラジウムの有効膜厚が薄くなるにつれて高温側にシフトした。近年、パラジウム膜は水素フラックス向上のために薄膜化する傾向があるが、膜厚が10$$mu$$m以下になる場合は拡散抵抗の低下に対して相対的にガス境膜抵抗の影響が無視できなくなり、水素フラックスは薄膜化による期待値より大幅に小さくなった。また核融合燃料循環システムにてありうる供給ガス中に含まれる水素分圧が小さいケースではガス境膜抵抗の影響による水素フラックスの低下が特に顕著となる傾向を明らかとした。

In the fuel cycle of a fusion reactor, palladium diffuser purifies hydrogen isotopes. We have developed the numerical code of hydrogen permeation through palladium alloy membrane in consideration of each elementary reaction step and effect of external gas-film resistance of mass transfer on hydrogen permeation through palladium alloy membrane was quantitatively evaluated using the code. In the absence of external mass transfer resistance, the rate-controlling step of mass transfer through palladium alloy membrane is solid state atomic diffusion in the range of operating temperature and recombinative desorption at low partial pressure side at lower temperature. The thinner membrane thickness is admittedly preferable for increasing in hydrogen permeation flux. However, the effect of external gas-film resistance of mass transfer on hydrogen permeation flux through palladium alloy membrane should be considered when the membrane thickness is less than 10 mm. Especially in case of insufficient hydrogen pressure on high partial pressure side of membrane, hydrogen permeation flux remarkably decreases due to external gas-film resistance.

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