JP2001162144A

JP2001162144A - 気体分離器

Info

Publication number: JP2001162144A
Application number: JP2000319163A
Authority: JP
Inventors: Mujeeb Ismael Ijaz; イシマエルイハスムヘーブ; Prabhakar Singh; シンプラブハカール
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2001-06-19
Also published as: DE10044406A1; GB0024423D0; GB2355418A; CA2323721A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高温高圧における耐久性とともに、高いフラ
ックス・キャパシティと低コスト性を有する水素分離器
を提供する。【解決手段】水素分離器22は、3から15μｍの厚みを
持つ水素が透過可能な薄箔16を有する。箔16は、支持構
造体18に接合されている。支持構造体18は、起伏面を持
つ様に形成されている。その面は、箔が固着される接触
面20を有する。箔16は、全体的に上記起伏面に沿わされ
ている。箔16は、支持構造体18の接触面20においてのみ
固着されており、これは、気体水素流に晒され箔16が膨
張及び収縮したときに、箔16が３次元的に移動するのを
可能とする。接触面20は、箔16の厚みに対して比較的近
い距離離間しており、そして薄箔16に高圧でも耐え得る
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素分離器（hydrog
en separator）及びその製法を教示するものである。よ
り具体的には、本発明は、起伏面を有する支持構造体に
固定された薄い箔からなる水素分離器に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素分離器は、炭化水素の精製、化学処
理、水素化オイルの製造、及び燃料電池を含む多くの商
業的用途に用いられている。分離器は、100%未満の水素
（通常20から80%の範囲内）を含む比較的不純な混合気
体流を、非常に純粋な水素（99.999%）に精製するよう
作動する。殆どの一般的な水素分離器は、厚いパラジウ
ム、パラジウム合金、あるいはパラジウムやパラジウム
合金に被覆されたVb族金属の複合物を、使用している。
それらの一般的な箔は、通常25μｍより大きい厚みを持
つ。箔は、インゴットをロール成形あるいはプレス成形
して連続的により薄い板状にすることにより、製造され
る。ロール行程の現実的な限界は、現在のところ25μｍ
である。これは厚い箔、と見なされている。25μｍの箔
では単独で高圧に耐えることが出来ないので、その厚箔
は供給側圧力を透過側圧力よりも大きくさせる方法によ
って、維持されている。その構成の一例が、米国特許第
5645626号に開示されている。

【０００３】厚いパラジウムあるいはパラジウム合金を
使用するシステムにおいては、性能としてコスト及びサ
イズが、自動車用の／商業的な分離器の設計に対して障
壁となっている。被覆されたVb族金属に対しては、コス
ト、性能及びサイズは許容し得るものであるが、しかし
ながら被覆されたVb族金属基材は、許容できないサイク
ル寿命に繋がる脆化を引き起こす水素化物を生成してし
まう。この構成の一例が、米国特許第5738708号に開示
されている。さらに、その被膜（5000オングストローム
までのパラジウム）は、100時間未満に限っても、400℃
より高温の動作中に相互拡散することになり、表面にお
けるH₂のHへの触媒反応による解離を不十分としてしま
う。水素は箔表面上で解離し、箔との金属水素化物を生
成する。水素原子からの陽子と電子は、箔を透過し、反
対側の面で水素気体を生成するよう再結合する。この方
法は米国特許第5645626号に例示されている。

【０００４】箔は水素に晒されると通常20%まで膨張す
るが、一方その下にある支持材は一定のままである。従
って箔は、周期的な水素気体の照射に対して要求される
耐久性を発揮するために、比較的厚くされねばならな
い。残念ながら、水素が箔を通過する能力は箔の厚みに
正比例して増加するが、一方でそのコストは、パラジウ
ムをベースとした箔の場合、指数関数的に増加する。箔
厚の増加は、フラックス・キャパシティ（flux capacit
y）としても知られる水素透過率を実質的に低減する。
箔厚の増加は、分離器のコストの増加にもなる。気体の
温度や圧力を増加させることはフラックス・キャパシテ
ィを増加させることになるが、しかしながら温度と圧力
の増加は薄箔（15μｍ未満の）を損傷させることにな
る。

【０００５】別のタイプの水素分離器は、0.1から0.5μ
ｍの厚さのパラジウムの非常に薄い層を用いている。そ
れらの極薄層は自立が不可能なため、担体上にメッキさ
れる。担体は、通常バナジウム、ニオブ、あるいはタン
タルで、解離した水素原子が分離器を透過することを可
能にする。分離器の反対側の面に施された、パラジウム
を含むもう一つの被膜は、解離した水素原子を気体の水
素に再結合させる。その様な構成の一例が、米国特許第
5738708号及び5149420号に例示されている。

【０００６】この構成は、パラジウム箔が極薄であるた
め大きなフラックス・キャパシティが得られること、及
び被膜材にパラジウムを殆ど使用しないため比較的低コ
ストであること、という２つの利点を持つ。残念なが
ら、現在のベース金属（例えばバナジウム）担体は、水
素による脆化を受けやすい。数回の動作周期の後に、バ
ナジウム中間層は、周期的な動作状態の際に分離器に作
動不良を生じさせる内部疲労と亀裂を生じる。温度と気
体圧力の増加は更に、脆化過程を活性化し、分離器の寿
命を短くしてしまう。

【０００７】別の分離器構造は、セラミック基材上の薄
いパラジウム被膜を使用している。セラミック基材は、
水素のため多孔性を持つ様に及びパラジウム被膜を受入
れる様にされている。被膜は比較的薄いため、それは高
いフラックス・キャパシティを持ち比較的低コストであ
る。残念ながら、パラジウム被覆が施されたセラミック
基材は、バナジウム基材と同様な耐久性の問題を抱えて
いる。セラミック基材とパラジウム箔は、熱膨張率が著
しく異なる。また、セラミックは、基材の表面に亘る一
様な気孔率を持たせることが出来ない。比較的高い気孔
率を持つ領域は、パラジウム被膜／箔により塞がれた空
洞を形成する。セラミックは、パラジウム箔に対し最大
で50パーセント大きく膨張する。これは、箔の、粗い気
孔率の領域に頻繁に割れ目や裂け目を生じさせる。パラ
ジウム箔中のその様な小さな微細亀裂は、水素流の発生
源から不純物を捕集する分離器の能力を、低減させる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】要約すれば、水素分離
のための従来技術のシステムは、コストがかかり過ぎ、
また大き過ぎ、あるいは被覆層及び／又は基材の亀裂に
より信頼性が不足するため、自動車用の／商業的な大量
の水素の分離に対し実現性が無い。

【０００９】本発明は、厚くて非脆化性の箔が持つ高温
高圧における耐久性とともに、薄箔装置が持つ高いフラ
ックス・キャパシティと低コスト性をも有する分離器を
提供しようというものである。上述の、及び関連する技
術の他の不都合は、ここで述べられる構成により解決さ
れる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、3から15μｍ
の厚みを持つ水素が透過可能な薄箔を有する水素分離器
に関する。箔は、支持構造体に接合されている。支持構
造体は、起伏面を持つ様に形成されている。その面は、
箔が固着される接触面を有する。箔は、全体的に上記起
伏面に沿わされている。箔は、支持構造体の接触面にお
いてのみ固着されており、これは、気体水素流に晒され
箔が膨張及び収縮したときに、箔が３次元的に移動する
のを可能とする。接触面は、箔の厚みに対して比較的近
い距離離間しており、そして薄箔に高圧でも耐え得るよ
うにしている。

【００１１】箔は、一度支持体と一体化されると充分な
厚みとなり、そして高圧及び低圧側の分離の維持に使用
される取付面にそれを固着するのに充分な信頼性を持
つ。薄箔が支持体上に単に載置されているだけの状態で
支持体に完全には一体化されていないのであれば、上記
の固着点において、通常破断が生じてしまうことになろ
う。

【００１２】箔は通常、入り組んだ凹凸を有する反復性
のある形状で、分離器の起伏面に対応している。一般的
な分離器は、メッシュ、つまりワイヤー・スクリーンを
含む。箔の入り組んだ凹凸面は、箔の平面視表面積に対
し通常20%から50%大きい。6.45ｃｍ²当たり（１平方イ
ンチ当たり）200から635メッシュを持つスクリーンが、
水素分離器としての使用に通常適していることが判っ
た。

【００１３】分離器は、3から15μｍの厚みのパラジウ
ム含有薄箔をロール成形することにより製造される。箔
はその後支持構造体に固着される。ロール成形又はプレ
ス成形が、接触面に沿って箔を支持構造体に機械的に固
定するのに適していることが見出された。箔は、スクリ
ーンの起伏面に沿わされる。スクリーンは、箔上に入り
組んだ凹凸形状を与え、表面積を20%から50%増大させ
る。箔は、破断や折目を生じることなくスクリーン上に
固着された状態を維持する。

【００１４】本発明の使用及び所望の目的は、以下の詳
細な説明と添付の請求項を読むことによりより明確とな
ろう。本発明は、実例としての実施形態が示された添付
の図面を参照することにより、最も充分に理解されよ
う。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は、燃料電池と共に使用さ
れるのに適した水素分離器として例示及び記載されてい
る。本発明は、水素を含む混合気流が比較的純粋な水素
流に分離されるいかなる状況下にも有益である。それら
の、及び他の装置と動作方法は、ここで述べられる本発
明の範疇に含まれる。以下の記載は、図面中に記載され
た構成要素の用語リストであり、本発明の理解促進のた
めに整理しておく。用語リスト 10,10' プレス型 12,14 プレス面 13,15 ローラー 16 箔 18 支持構造体 20 接触面 22 分離器 24 箔表面 26 メッシュ開口 28 変形量 30 アルミニウム織布

【００１６】本発明は、自動車用としての過酷な条件に
耐え得る低コストの水素分離器の提供を教示するもので
ある。その分離器は、-40℃から600℃の間の幅の動作温
度を持ち、25バールまでの耐圧能力を有する。本発明
は、分離材として低コストで薄いパラジウム又はパラジ
ウム合金箔を用いている。薄箔は、分離器としての能力
の向上と材料コスト低減という２つの利点を持つ。箔
と、その製造方法は、1999年10月19日になされここに引
用により組み込まれる、名称が"METHOD OF MANUFACTURI
NG THIN METAL ALLOY FOILS"の米国特許出願第09/420,6
20号に記載されている。箔は、表面積を増加させるため
に、及び亀裂の発生なしに膨張と収縮が可能な独特の構
造を与えるために、入り組んだ凹凸を有する形状とされ
ている。非脆化性材料からなる支持構造体が、上記の入
り組んだ凹凸形状を箔に与え、また動作中に箔を支持す
る役割を果たす。

【００１７】図１に示されるのは、箔と支持構造体を一
体に固定するのに使用されるプレス型10である。プレス
型10は、液圧的、気圧的、あるいは機械的に駆動される
場合がある。

【００１８】プレス型10は、箔と基材を接合させる２つ
のプレス面12, 14を有する。パラジウム箔16が、プレス
面12, 14の間に配置される。箔は、パラジウム、非脆化
性を示すパラジウム合金、あるいはパラジウム被覆の施
された体心立方晶合金の様な非脆化性金属、からなる。
箔は、3から15μｍの厚み、好ましくは5から7μｍの範
囲の厚みを持つ。図３に示されるのは、ロール・プレス
機10'である。ローラー13, 15が、箔を支持構造体18上
にプレスする。

【００１９】支持構造体18は、箔16に並列に配置され
る。支持構造体は箔16に固着するための接触領域20を多
くするため、起伏面を持つ。箔の起伏面が、支持体との
機械的固定を形成する。接触領域20は、隣接する接触領
域20に接触する箔面が入り組んだ凹凸形状を形成する様
に、その間に空間を持つ。必要とされる波状面を持つ容
易に入手可能な材料は、圧密前に2から20μｍ、圧密後
に1から12μｍとなるメッシュ開口を持つワイヤーつま
りメッシュ・スクリーン (ワイヤー織布)である。スク
リーンは、ステンレス鋼、ハステロイ、モネル、ニッケ
ル、あるいは他の適切な材料などの、水素照射に影響さ
れにくい材料から製造されれば良い。非脆化性、入手容
易性、高強度、及び低コストのため、ステンレス鋼が支
持構造体としての用途に特に適することが発見された。
支持構造体18は、スクリーンと箔との間の金属間相互拡
散を更に生じにくくするために、アルミナやチタンなど
の材料により被覆されても良い。

【００２０】箔16と支持構造体18は、プレス面12, 14の
間あるいはローラー13, 15の間に配置され、プレス型10
が近接位置に移動されるか、又はローラー13, 15の送り
が行われる。プレス型10, 10'は、1から5秒の間に１ｃ
ｍ²当たり3.1トンから11トンの間（１平方インチ当たり
20トンから70トンの間）で、加圧する。箔16は、支持構
造体18に機械的に固着される。圧力が約414MPa（60,000
psi）を超過すると、変形行程中にそれらが接近するに
つれ、パラジウム箔が圧印されて、スクリーン間隙との
接合により支持構造体との機械的固着を形成する。

【００２１】図２に示される様に、箔16と支持構造体18
は分離器22を形成する。分離器22は、箔16と支持構造体
18を含む。箔16と支持構造体18は、上述のプレス行程に
より、接触領域20において機械的に固着される。プレス
行程は、箔表面24に変形も生じさせる。箔表面24は、メ
ッシュ開口 26内に圧入される。変形量28により、箔表
面24上に一連の入り組んだ凹凸を有する形状が形成され
る。箔表面積24は、接合行程前の平面視面積に比べ20か
ら50%増加する。箔16は、メッシュ開口を跨ぐ様に、接
触領域20を介して支持される。その跨る距離は、スクリ
ーン・メッシュのサイズとほぼ等しい。スクリーン・メ
ッシュのサイズは、所定の動作圧力、温度、及び箔圧に
対して箔16を支持する様に、選択される。より薄い箔、
及びより高い動作圧力又は温度であれば、一般にスクリ
ーン・メッシュのサイズは小さくすることが要求され
る。

【００２２】分離器22は、不純な水素を含む未処理ガス
流を受入れる流路又はチャンバー内に配置される。未処
理ガス流は箔表面24に接触する。未処理ガス流中の水素
は箔表面24上で解離し、原子状の水素となる。原子状水
素は、受入れ側のPd又はPd合金と金属結合を形成し、箔
16を通過し、そして箔の反対側の表面上で気体水素を形
成するよう再結合する。気体水素は、下側にある支持構
造体18を自由に通過する。本構成の分離器は、15から99
%の水素を含む未処理ガス流を、99.999%よりも純度の高
い水素に、浄化する能力がある。

【００２３】未処理ガス流は一般的には、触媒作用と水
素の箔16内への水和を促進する様に、200から600℃、好
ましくは450℃に加熱される。水和と昇温の両者によ
り、箔16の10から30%の間の膨張と伸長が引き起こされ
る。その様な膨張と伸長は、変形量28の増加を引き起こ
す。箔16の膨張分と伸長分は、メッシュ開口26内に収容
される。接触領域20は、比較的一定に保たれる。箔16
は、亀裂や折目を生じること無く、自在に膨張と収縮を
する。

【００２４】異なるメッシュ開口とメッシュ構成を持つ
多様なスクリーンが考えられる。その様な構成の一例
が、図４（a）及び（b）に示されている。図４（b）に
示すスクリーンは、縦糸が一対の横糸を編み込む「ダッ
チ・ウィーブ（dutch weave）」構造を用いている。これ
により、長方形の開口を持つ粗いメッシュが得られる。

【００２５】図５に示されるのは、パラジウム箔厚に対
する水素のフラックス・キャパシティのグラフである。
本発明に従って製造された箔は、従来技術におけるもの
に対して５倍以上の水素のフラックス・キャパシティを
持つ。

【００２６】本発明の特定の実施態様を例示及び説明し
たが、本発明の範疇から逸脱しない範囲で各種の変更と
改良がなされ得ること及び、本発明の正当な技術思想及
び範囲に含まれるものとしての、その様な全ての改良案
と均等物が、特許請求の範囲に包含されることを意図さ
れていることは、本技術分野の当業者には明らかであろ
う。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、高温高圧における耐久
性とともに、高いフラックス・キャパシティと低コスト
性を有する分離器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プレス機内で接合される分離器組立体の断面図
である。

【図２】標準のメッシュ・スクリーンを使用した分離器
の断面図である。

【図３】一対のローラーにて接合される分離器組立体の
断面図である。

【図４】標準のスクリーン（a）及び「ダッチ・ウィー
ブ」のスクリーン（b）の、種々の角度から見た斜視図
である。

【図５】水素流に対して、パラジウム箔の熱膨張率をプ
ロットしたグラフである。

【符号の説明】

16 箔 18 支持構造体 20 接触面 22 気体分離器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者プラブハカールシンアメリカ合衆国ミシガン州 48108，アンアーバーパークサイドコート 1702

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】選択された気体を分離する気体分離器に
おいて、 3から15μｍの厚みを持ち、上記気体が透過可能な箔
と、該箔が固着される接触面を持ち、そこに上記箔が沿う起
伏面を有する支持構造体と、を有する気体分離器。
【請求項２】上記箔が、凹凸面を持つ、請求項１に記
載の気体分離器。
【請求項３】上記凹凸面の面積は、上記箔の平面視表
面積より20から50%大きい、請求項２に記載の気体分離
器。
【請求項４】上記接触面が、２から20μｍ離間してい
る、請求項３に記載の気体分離器。
【請求項５】上記箔が10から100%のパラジウムを含有
する、請求項１に記載の気体分離器。
【請求項６】上記支持構造体が、ワイヤー・メッシュ
・スクリーンである、請求項１に記載の気体分離器。
【請求項７】上記スクリーンが、200から635メッシュ
の平織及び、200から1400メッシュの交互織を持つ、請
求項６に記載の気体分離器。
【請求項８】上記支持構造体が、耐相互拡散被膜を持
つ、請求項１に記載の気体分離器。
【請求項９】上記支持構造体が、ステンレス鋼スクリ
ーンである、請求項１に記載の気体分離器。
【請求項１０】上記選択された気体が水素である、請
求項１に記載の気体分離器。