JP2001276556A - 円筒状水素透過用支持体の接合方法、及び接合水素透過用支持円筒管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素ガス分離部材としては、多孔質金属製支
持体にＰｄ等の水素透過性金属膜を形成したものが知ら
れている。しかし上記多孔質金属は溶接に際してボイド
等の欠陥を生じ易い。ボイド等が存在すると水素以外の
ガスがリークし、水素ガス分離材として不適である。そ
こで本発明においては、ボイド等の生じ難い接合方法を
提供する。 【解決手段】 相対密度６０〜９５％の多孔質金属円筒
管同士、または該多孔質金属円筒管と非多孔質金属部材
を、摩擦圧接により接合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素透過膜（水素
透過性金属膜等）を支持する円筒状水素透過用支持体の
接合方法に関するものであり、また接合水素透過用支持
円筒管に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】都市ガスやメタノール等を改質して水素
ガスを生成させ（以下、この改質したガスを混合ガスと
称することがある）、この混合ガスから水素ガスを高純
度に選択分離する水素製造装置が現在注目されている。
該水素の選択分離方法としては、改質された上記混合ガ
ス（例えばＣＨ₄を水蒸気で改質した場合には、主とし
てＣＯ₂，ＣＯ，Ｈ₂，ＣＨ₄の混合ガスとなる）を水素
透過膜で隔てて、該膜の両側（混合ガス側と純水素ガス
側）に圧力差を与えることによって水素だけを分離抽出
するという方法が挙げられる。

【０００３】金属製の水素透過膜としては、パラジウム
（Ｐｄ）やパラジウム−銀合金（Ｐｄ−Ａｇ合金）等が
知られており、これらの金属は水素のみを透過するとい
う性質を有する。

【０００４】一般に純水素ガス側よりも混合ガス側の方
が水素濃度が高いから、水素透過膜の膜厚を薄くすれば
するほど膜内での水素の濃度勾配が大きくなり、水素透
過性能が向上することが知られている。またＰｄは高価
であるから、該Ｐｂの使用量を減らしてコスト低減を図
るという観点からも、水素透過性金属膜の薄化が図られ
ている。

【０００５】一方で水素透過性金属膜の膜厚を薄くすれ
ば膜強度が下がるから、上記水素透過性金属膜をセラミ
ックや金属製の多孔質体によって支持した水素ガス分離
部材が提案されている（例えば特開昭６２−１２１６１
６号公報）。

【０００６】この様な水素ガス分離部材の形状として
は、水素製造装置の設計上の観点から、パイプ形状とす
る場合が多い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記水素ガス
分離部材は、上記混合ガスを導入する為の導入配管や、
選択分離した水素ガスを排出する為の排出配管等と接合
する必要があり、従って上記水素ガス分離部材と他の部
材、或いは水素ガス分離部材同士を接合するということ
がしばしば生じる。そしてこの接合箇所においても水素
ガスが漏れ出ない様に、欠陥のない接合が求められる。

【０００８】上記金属製の多孔質支持体（多孔質金属）
の接合方法としては溶接法が一般的であるが、多孔質金
属は空隙を多く有している為に、中実の金属同士を溶接
する場合に比べて、ボイドや接合箇所の割れ等を極めて
生じ易いという問題がある。

【０００９】一般に水素透過性金属膜（Ｐｄ合金膜等）
を形成する前に上記溶接接合が行われ、その後接合され
た支持体の表面にＰｄ合金膜等が形成されるが、上記ボ
イドや割れ等の欠陥が大きと、水素透過性金属膜を形成
してもその欠陥部分を覆い尽くすことができず、出来上
がり製品にピンホールを生じてしまう。その結果、該欠
損箇所を通して水素以外のガスが純水素ガス側に漏れ出
す恐れがある。

【００１０】金属の接合方法としては、アーク溶接法，
電子ビーム溶接法，フラッシュバット法，焼き嵌め法，
ＴＩＧ溶接法等が挙げられるが、それぞれ以下の様な問
題がある。

【００１１】上記アーク溶接法は入熱範囲が大きいか
ら、多孔質金属体が受ける熱影響範囲が広範となり、こ
の為に熱を受けた多孔質金属体の焼結が進んで体積収縮
を起こし、接合箇所近傍で割れ等を生じ、健全な溶接が
極めて難しいものとなる。

【００１２】上記電子ビーム溶接法はその溶接にあたっ
て真空チャンバを必要とするが、該真空チャンバのハン
ドリングや制御が難く、従って高度な操作技術が要求さ
れる上、バッチ方式で溶接することになる為にコスト高
となる。

【００１３】上記フラッシュバット法は、通電により接
触抵抗で生じる熱を利用して接合するものであるから、
局部的な接触があるとその部分にだけ電流が集中し、均
一な接合が困難になる。従って接合前に精密な面出しが
必要であり、また溶接時においてスパッタが多く飛散す
ることから、その後の手入れが必要となり工程数が増え
る。

【００１４】上記焼き嵌め法は、熱膨張を利用して行う
メカニカルな接合方法であるが、水素透過管はオンオフ
を繰り返すような熱応力負荷や、振動を常に伴うといっ
た過酷な環境で使用されるから、高温暴露の際に応力緩
和等が生じる懸念があり、従って焼き嵌め法の様なメカ
ニカルな締め付けだけでは信頼性に乏しいと考えられ
る。

【００１５】上記ＴＩＧ溶接法は、溶接にあたっての入
熱が比較的少ないから、肉厚の厚い板同士を溶接する場
合においては十分な接合が期待できない。

【００１６】以上の様に上記各種接合法には種々の問題
がある為、いずれも信頼性の高い接合手法とは言い難い
ものであった。

【００１７】一方、特開平１０−２５１７１２号公報に
は、ＨＩＰ処理（熱間等方加圧焼結処理）により、多孔
質金属の端部分に無気孔金属層を形成した金属系複合多
孔質部材を製造し、該金属系複合多孔質部材と他の部材
との溶接接合にあたっては、上記無気孔金属層を接合箇
所とすることが提案されている（従来例）。

【００１８】しかし上記従来例は予め溶接箇所を想定
して上記金属系複合多孔質部材を製造する必要がある。
また上記従来例は多孔質金属を直接接合することを提
案したものではない。

【００１９】そこで本発明においては、多孔質金属円筒
管同士、或いは多孔質金属円筒管と非多孔質金属円筒管
を溶接する場合に生じるボイドや割れ等の欠陥を防止し
た円筒状水素透過用支持体の接合方法を提供することを
目的とする。また接合後に水素透過性金属膜を形成する
ことによって得られた水素ガス分離部材が、水素以外の
ガスが漏れ出る懸念の少ないものとなる様な接合水素透
過用支持円筒管を提供することを目的とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る円筒状水素
透過用支持体の接合方法は、該支持体が相対密度６０〜
９５％の多孔質金属円筒管であり、該多孔質金属円筒管
同士、または該多孔質金属円筒管と非多孔質金属部材
を、摩擦圧接により接合することを要旨とする。尚前記
非多孔質金属部材とは円筒管状のもの、板に孔（上記多
孔質金属円筒管の孔に対応）が形成されたもの、パイプ
の側面に孔（上記多孔質金属円筒管の孔に対応）が形成
されたもの等が挙げられる。また上記非多孔質金属部材
とは中実の金属製のもの、即ち無気孔金属製部材のこと
である。

【００２１】通常の溶接による接合方法では、多孔質金
属の様に相対密度の低い材料の場合においては、溶解再
凝固した部分が緻密化してその分の体積欠損が大きくな
る為に、欠肉や割れの恐れがあるが、摩擦圧接は押し付
けながら接合するので欠肉が出難く、熱の影響範囲も非
常に小さいから、健全な接合部とすることが可能であ
る。また電子ビーム溶接等に比べて接合過程が簡素であ
るから製造コストがあまりかからないという利点があ
る。

【００２２】なお本発明の摩擦圧接においては、例えば
２００〜５００kPaの押付け圧力で０．０５〜１秒間接
合面を押し付けつつ、円筒管をその中心軸を中心として
回転させて接合面を摩擦し、次いで回転を止めた後も例
えば２００〜１０００kPaの押付け圧力で一定時間（例
えば２〜１２０秒）保持すると良い。尚接合する両部材
がいずれも円筒状の場合は、一方を回転させるだけでな
く、両方を逆に回転させて摩擦する様にしても良い。ま
た非多孔質金属部材が円筒状の場合は、該非多孔質金属
部材の方のみを回転させる様にしても良い。

【００２３】前記多孔質金属円筒管の相対密度が６０％
未満の場合は、摩擦圧接時に生じる大きな剪断力に多孔
質金属円筒管が耐えられなくなり、接合箇所から離れた
部分で割れを生じる恐れがある。また接合時の体積収縮
があまりにも大きくなり、所望形状に形成し難くなるか
らである。加えて水素透過は５００℃以上の高温環境下
で実施する場合があり、相対密度６０％未満の多孔質金
属円筒管ではこの高温環境によって焼結が進行し、これ
による経時変化によって混合ガス供給側と水素ガス取出
側の遮断性が壊れてしまう懸念がある。従って上記の様
に多孔質金属円筒管の相対密度は６０％以上が良い。よ
り好ましくは相対密度６５％以上である。

【００２４】一方相対密度が９５％超の多孔質金属円筒
管の場合は、水素透過を実施するに際して、多孔質金属
製支持体を透過するときの水素ガスの圧力損失が高くな
り過ぎ、この為に水素ガスが通り難くなって水素透過能
が低下するから、上述の様に９５％以下が良い。より好
ましくは８０％以下である。

【００２５】また本発明に係る接合水素透過用支持円筒
管は、多孔質金属円筒管同士、または多孔質金属円筒管
と非多孔質金属部材が接合されたものであって、接合部
及び該接合部近傍における表面開口欠陥の大きさが５０
μm以下であることを要旨とする。尚上記接合部近傍と
は、接合の際に熱影響を受ける箇所を指す。

【００２６】表面開口欠陥の大きさが５０μm以下の接
合水素透過用支持体であれば、その後のＰｄ膜等の水素
透過性金属膜（例えば膜厚２０μm程度）の形成によ
り、上記表面開口欠陥を十分に埋め尽くすことができ、
水素以外のガスが純水素ガス側に漏れ出る懸念が殆どな
い。

【００２７】一方表面開口欠陥の大きさが５０μm超の
場合は、例えば膜厚２０μmのような薄い水素透過性金
属膜の形成では欠陥を埋め尽くすことが困難となる。そ
こで水素以外のガスが漏れ出るのを防ぐ為に、Ｐｄ膜等
の膜厚を厚く形成することが考えられるが、Ｐｄ等の使
用量が増加してコスト高となるだけでなく、水素透過量
そのものが低下する。よって上記の如く表面開口欠陥の
大きさは５０μm以下が良い。より好ましくは３０μm以
下である。

【００２８】

【発明の実施の形態及び実施例】＜検討１：多孔質金属
円筒管の相対密度についての検討＞平均粒径１０μmの
ＳＵＳ３１６Ｌ鋼の粉末をＣＩＰ成形（冷間静水圧プレ
ス：Cold Isostatic Press）し、様々な焼結温度で焼結
して相対密度５０〜９６％の焼結体を得た。該焼結体を
外形φ２０mm，内径φ１６mm，長さ６０mmの大きさの円
筒管状に機械加工し、供試材（多孔質金属円筒管）とし
た。

【００２９】また多孔質でないＳＵＳ３１６Ｌ鋼（非多
孔質金属）を用い、上記供試材と同じ大きさの円筒管を
作製した（非多孔質（中実）の鋼製の管状材：以下、こ
れをバルク材と称することがある）。

【００３０】上記多孔質の供試材の両側に上記バルク材
（非多孔質金属円筒管）をそれぞれ摩擦圧接した。この
摩擦圧接条件は、回転側を供試材（多孔質金属円筒管）
とし、回転数２５００rpm、押付け圧力３０MPaで０．２
秒後、直ちに回転を止めて５０MPaで３秒間圧接を保持
した。

【００３１】この様に接合して得られた接合水素透過用
支持体の、接合で盛り上がった部分を切削して取り除い
た後、Ｐｄ−２５Ａｇを膜厚４０μmになる様に蒸着
し、水素ガス分離部材を得た（試験材No.１〜５）。

【００３２】該試験材No.１〜５を５００℃の条件下
で、Ｈ₂ガス及びＨｅガスの入口側を４気圧として、水
素透過量及びＨｅのリーク量を測定した。この結果を下
記表１に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】上記表１から分かる様に、試験材３，４に
おいてはＨｅの漏れ出しがなく、水素透過量も十分であ
った。

【００３５】これに対し、相対密度が５０％の多孔質金
属円筒管（供試材）を用いた試験材No.１では、多孔質
金属円筒管側で破損して接合できなかった。供試材の相
対密度が低すぎて強度が不足していた為に、圧接時の高
い剪断応力に抵抗できなかったからであると考えられ
る。

【００３６】一方相対密度が９６％の多孔質金属円筒管
（供試材）を用いた試験材No.５では、水素透過量が試
験材No.３，４に比べて非常に低いものとなった。圧力
損失が大きいからであると考えられる。

【００３７】＜検討２：表面開口欠陥についての検討＞
上記検討１と同様にして得た焼結体からなる多孔質金属
円筒管（供試材）と、非多孔質金属円筒管（バルク材）
を、回転終了後の押付け圧力を種々変えて摩擦圧接によ
る接合を行った。このときの摩擦圧接条件としては、供
試材側を回転側とし、回転数２５００rpm、押付け圧力
３０MPaで０．２秒後、直ちに回転を止め、下記表２の
通りの回転終了後の押付け圧力で３秒間圧接を保持し
た。

【００３８】この様に接合して得られた接合水素透過用
支持体の、接合で盛り上がった部分を切削して取り除
き、表面が全面フラットになる様にした。この切削後の
表面を観察し、接合部及び接合部近傍における表面開口
欠陥について顕微鏡で観察し、その大きさを測定した。
この結果を表２に示す。

【００３９】次いでこれを洗浄した後、その表面にＰｄ
−２５Ａｇを膜厚４０μmになる様に蒸着し、水素ガス
分離部材を得た（試験材No.６〜８）。

【００４０】該試験材No.６〜８を５００℃の条件下
で、Ｈｅガスのリークテストを行った。尚入口側の圧力
を４気圧とし、流量を５Nl/min.としてＨｅのリーク量
を測定した。この結果を表２に併せて示す。

【００４１】

【表２】

【００４２】表２から分かる様に、表面開口欠陥の大き
さが７０μmと大きい試験材No.８の場合は、膜厚を４０
μmにしてもＨｅが漏れ出し、高純度の水素を分離でき
なかった。これに対し表面開口欠陥の大きさが３０μm
の試験材No.７や、表面開口欠陥のない試験材No.６は、
Ｈｅの漏れ出しは観察されなかった。従ってクラックや
孔等の欠陥の大きさは５０μm以下が良いと考えられ
る。

【００４３】以上の様に本発明に関して具体的に説明し
たが、本発明はもとより上記例に限定される訳ではな
く、前記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて
実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の
技術的範囲に包含される。

【００４４】例えば上記例で接合する管のうち一方だけ
を回転させたが、両方の管を反対方向に回転させて摩擦
する様にしても良い。

【００４５】

【発明の効果】本発明に係る円筒状水素透過用支持体の
接合方法によれば、多孔質金属円筒管同士、或いは多孔
質金属円筒管と非多孔質金属円筒管を溶接する場合に生
じるボイドや割れ欠陥等を防止でき、健全な接合を実現
できる。従ってその後に水素透過性金属膜（Ｐｄ膜等）
を形成して得られた水素ガス分離部材は、水素以外のガ
スの漏れ出る恐れが殆どない。

【００４６】また本発明に係る接合水素透過用支持円筒
管は、表面開口欠陥が小さいから、その後に形成する水
素透過性金属膜（Ｐｄ膜等）で上記表面開口欠陥を埋め
尽くすことができ、よって得られた水素ガス分離部材は
水素以外のガスの漏れ出る恐れが殆どない。

【００４７】その結果高純度の水素ガスを製造し得る水
素ガス製造装置を提供することが可能となる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 俊樹 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 森本 啓之 神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会 社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 村井 康生 神奈川県藤沢市宮前字裏河内100番１ 株 式会社神戸製鋼所藤沢事業所内 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA21 JA09C JB20 KE03P KE07P MA02 MA31 MC02X NA31 PA01 PB20 PB66 4E067 AA03 BG00 EB00 EC06

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円筒状水素透過用支持体の接合方法にお
   いて、 該支持体が相対密度６０〜９５％の多孔質金属円筒管で
   あり、 該多孔質金属円筒管同士、または該多孔質金属円筒管と
   非多孔質金属部材を、摩擦圧接により接合することを特
   徴とする円筒状水素透過用支持体の接合方法。
2. 【請求項２】 多孔質金属円筒管同士、または多孔質金
   属円筒管と非多孔質金属部材が接合されたものであっ
   て、接合部及び該接合部近傍における表面開口欠陥の大
   きさが５０μm以下であることを特徴とする接合水素透
   過用支持円筒管。