JP2002219342A

JP2002219342A - ガス選択透過膜支持用基材、水素選択透過膜支持用基材およびこれを用いた水素選択透過部材

Info

Publication number: JP2002219342A
Application number: JP2001022312A
Authority: JP
Inventors: Masaya Tokuhira; 雅也得平; Yoshio Henmi; 義男逸見; Toshiki Sato; 俊樹佐藤; Tatsuya Yasunaga; 龍哉安永
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-01-30
Filing date: 2001-01-30
Publication date: 2002-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス選択透過膜を支持するための基材であっ
て、ガス透過性能を維持しつつ、ジョイント部材などと
の接合を容易にしたガス選択透過膜支持用基材、水素選
択透過膜支持用基材およびこれを用いた水素選択透過部
材を提供することにある。【解決手段】金属多孔質焼結体からなり、ガス選択透
過膜を支持するためのガス選択透過膜支持用基材であっ
て、接合施工部の密度がガス透過部の密度よりも高いガ
ス選択透過膜支持用基材、および前記金属がステンレス
鋼であり、ガス透過部が多層構造を有する水素選択透過
支持用基材、ならびに該支持用基材を用いた水素選択透
過部材を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、混合ガスから特定
のガスを選択的に分離するためのガス選択透過部材にお
いて使用される、ガス選択透過膜を支持するための基
材、水素選択透過膜を支持するための基材とこれを用い
た水素選択透過部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、省エネルギー型分離技術として、
膜による気体の選択分離法が注目されている。例えば最
近、燃料電池の実用化研究が進んでくるにつれて、燃料
となる水素ガスを如何に高純度で効率よく製造するかが
重要な課題となっており、その代表的な方法として、都
市ガスや天然ガスの如き炭化ガスの熱分解によって水素
を製造し、該生成ガス（粗製ガス）から高純度の水素を
得る方法がある。この場合、熱分解によって得られる粗
製ガスには、水素の他、一酸化炭素や炭酸ガスなどが多
量に含まれているので、それらを含む組成ガスの中から
水素を分離する必要があり、そのための分離法として、
多孔質体の表面ににＰｄなどの水素透過膜を形成させた
水素選択透過部材などのガス選択透過部材を利用する方
法が知られている。

【０００３】こうしたガス選択透過部材は、特定のガス
を選択的に透過するガス選択透過膜と、この膜を支持す
る支持用基材から構成され、該支持用基材には、粉末を
焼結した多孔質の金属やセラミックス、金属不織布、発
泡メタル、さらにはバルク材に微細な穴を無数にあけた
ものなどが使用されている。

【０００４】そしてこれら多孔質体の表面に、例えばス
パッタリング法、アークイオンプレーティング法、めっ
き法、溶射法、もしくは圧延箔の積層法などによってガ
ス選択透過性の膜を形成し、ガス選択透過部材を得てい
る。

【０００５】上記の支持用基材として、その表面に緻密
且つ薄いガス選択透過膜を形成させると共に、ガス選択
透過膜を構成する金属あるいは合金への、支持用基材を
構成する成分の拡散による膜性能の劣化を回避する目的
で、粒径がサブミクロン以下のアルミナなどの多孔質セ
ラミックスからなるものが提案されている。しかしなが
ら、セラミックスは溶接性が悪く、施工（ジョイント部
材との接合）が困難であり、接合強度不足によってのい
く耐久性が得られないという問題を抱えている。

【０００６】多孔質セラミックスからなる支持用基材を
用いたガス選択透過部材の接合については、特開平７−
２６５６７３号公報に、ろう付けによる方法が開示され
ている。しかしながら、この方法は非常に手間がかかる
と共に、強固な接合を得ることが困難である。

【０００７】一方、ステンレス鋼などの金属では、セラ
ミックスと異なり、溶接性は良好である。しかし、これ
を多孔質支持用基材とする場合、ガス透過時の圧損を低
下させるべく低密度とすることが要求されるが、このよ
うなものでは、他の部材との接合時（溶接時）に生ずる
体積収縮が大きいために欠陥が生じ易く、やはり他の部
材との接合が非常に困難である。これに対し、上記の体
積収縮を抑制して接合性を向上させるべく、密度を高め
ると、ガス透過時の圧損が問題となる。よって、接合性
とガス透過時の圧損の両性能をバランスよく有する支持
用基材が求められている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の事情
に着目して成されたものであり、その目的は、ガス選択
透過膜を支持するための基材であって、良好なガス選択
透過性能を維持しつつ、ジョイント部材などとの接合を
容易にしたガス選択透過膜支持用基材、水素選択透過膜
支持用基材およびこれを用いた水素選択透過部材を提供
することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明のガス選択透過膜支持用基材とは、金属多孔質焼結
体からなり、ガス選択透過膜を支持するためのガス選択
透過膜支持用基材であって、ガス透過部と接合施工部を
有し、且つ前記接合施工部の密度が、前記ガス透過部の
密度よりも高いところに要旨を有するものである。

【００１０】本発明のガス選択透過膜支持用基材は、ス
テンレス鋼の多孔質焼結体からなることが好ましく、こ
の場合、接合施工部の相対密度が６５％以上、さらには
その平均粒径が８μｍ以下であることが、接合性をより
向上させ得る点で推奨される。このような支持用基材
は、水素選択透過膜支持用基材として水素選択透過部材
に好ましく用い得る。

【００１１】この場合、支持用基材の上記ガス透過部が
多層構造であって、粗製ガス接触面側の層における焼結
体の平均粒径が８μｍ以下、最大粒径が４５μｍ以下で
且つ開口面積率が３０％以上であると共に、水素選択透
過面側の層における焼結体の相対密度が少なくとも５０
％で且つ平均粒径が１０μｍ以上であれば、支持用基材
上に緻密な水素選択透過膜を形成することが可能であ
り、また該膜形成後においても良好な水素透過量も確保
でき、さらにガス透過部の強度も確保できる点で好まし
い。ここで、粗製ガス接触面とは、処理前の、水素を含
有する混合ガス（粗製ガス）が接触する面を意味する。
また、水素選択透過面とは、粗製ガス接触面の反対側の
面、すなわち、選択的に透過した混合ガス中の水素が放
出される面を意味する。

【００１２】こうした支持用基材を水素選択透過部材に
用いる場合、該支持用基材の粗製ガス接触面側に水素選
択透過膜を形成する。水素選択透過膜としては、水素選
択透過性の金属膜または合金膜、好ましくはＰｄまたは
その合金が推奨される。この際、支持用基材のステンレ
ス鋼成分（Ｆｅなど）の水素選択透過膜中への拡散を防
止するための拡散防止層を、該支持用基材の粗製ガス接
触面に形成させることが好ましい。拡散防止層として
は、酸化被膜および／またはセラミックス層が推奨され
る。

【００１３】水素選択透過膜の形成方法としては、気相
合成法、好ましくはアークイオンプレーティング法（以
下「ＡＩＰ法」という）が推奨される。

【００１４】

【発明の実施の形態】水素などのガス選択透過部材にお
いては、その使用に際し、ジョイント部材などとの接合
が不可欠であるが、既述の通り、支持用基材として、本
来接合性（溶接性）に優れるステンレス鋼などの金属を
用いた場合であっても、ガス透過時の圧損を下げるため
には低密度（相対密度で概ね４０〜６０％）の多孔質体
とする必要があり、このレベルでは接合性が低下する。
よって、金属多孔質焼結体からなる支持用基材におい
て、良好な接合性を維持しつつ、ガス透過時の圧損を低
いレベルとすることは困難であった。

【００１５】本発明者らは、このような事情を鑑みて鋭
意検討を重ねた結果、ガス選択透過膜支持用基材の焼結
体密度を部位によって変化させることで、ジョイント部
材などとの強固な接合が容易に達成できると共に、ガス
透過時の圧損を低く維持することが可能であることを見
出し、本発明を完成するに至ったのである。

【００１６】本発明のガス選択透過膜支持用基材は、ガ
ス透過部と接合施工部を有し、且つ該接合施工部の密度
が、該ガス透過部の密度よりも高いものである。すなわ
ち、接合施工部を高密度とすることで、高強度の接合を
容易とし、他方、ガス透過部を低密度とすることで、ガ
ス透過時の圧損を下げ、透過量の確保が可能となるので
ある。

【００１７】上記のガス選択透過膜支持用基材は、例え
ば、接合施工部となる部分に微細金属粉末を、ガス透過
部となる部分には粗大金属粉末を配置し、同時に成形・
焼結することで製造することができる。全体を同一温度
で焼結した場合、微細粉末部は高い表面エネルギーを有
するために収縮して高密度となるが、粗大粉末部は表面
エネルギーが低いため、あまり収縮せず低密度となる。
このことを利用すると、例えば、接合施工部の相対密度
が７０％で、ガス透過部の相対密度が６０％といった制
御が可能となる。

【００１８】ガス選択透過膜支持用基材を構成する金属
としては、耐酸化性などの耐環境性や設備施工時の接合
性、設備稼動時の耐久性などを考慮して金属材が使用さ
れる。金属の種類は特に制限されず、チタンやニッケ
ル、アルミニウムの如き非鉄金属や、それらの合金を使
用することも可能であるが、耐熱性や耐酸化性、構造強
度、コストなどを総合的に考慮して最も好ましいのは鉄
基金属であり、中でもステンレス鋼が最適である。

【００１９】ちなみに、従来では、既述の通り、ガス選
択透過膜への支持用基材の成分の拡散抑制に主眼を置
き、支持用基材としてアルミナなどの多孔質セラミック
スが使用されているが、セラミックスは溶接接合などが
非常に困難であるため装置を組み立てる際の施工性が極
端に悪く、しかも接強度不足によって満足のいく耐久性
も得られ難くなることが指摘される。ところが本発明で
は、支持用基材として金属焼結体を用いているので、溶
接接合性が良好で装置組み立て時の施工性が良好である
ばかりでなく、設備の耐久性も向上し、連続使用時の設
備全耐の信頼性を高めることができる。

【００２０】ただし、この支持用基材は、金属性とはい
え多孔質焼結体であるので、接合に例えばＴＩＧ溶接や
ＭＩＧ溶接の如き通常の溶接法を採用すると、溶接部や
その周辺にクラックなどが生じ易くなる傾向が見られる
ので、接合法としてはレーザー溶接や電子ビーム溶接、
あるいは摩擦接合を採用することが望ましい。また、こ
のような溶接接合法を採用した場合でも、接合施工部の
相対密度が低いと、溶接時の体積収縮によって接合部や
その周辺にクラックが生じ易くなるので、こうした障害
を防止して安全且つ確実な接合を保障するには、ステン
レス鋼製の場合、接合施工部の相対密度が少なくとも６
５％、好ましくは７０％以上、さらに好ましくは７５％
以上であることが推奨される。なお、相対密度はこの下
限以上であればよく、支持用基材の製造上、達成できる
最高の相対密度であってもよい。

【００２１】こうした相対密度を達成する上で、比較的
緩やかな条件（成形圧力・焼結温度）での製造を行うた
め、接合施工部を構成するステンレス鋼粒子の焼結後の
平均粒径、すなわち焼結体の平均粒径は８μｍ以下、好
ましくは７μｍ以下、さらに好ましくは６μｍ以下であ
ることが推奨される。なお、上記平均粒径があまりに小
さいと、ガス透過部および接合施工部に欠陥が生じ易く
なるため、その下限は３μｍ以上、好ましくは４μｍ以
上であることが望ましい。

【００２２】上記のガス選択透過膜支持用基材は、原料
金属の耐酸化性、耐熱性などの性質に合わせて、種々の
ガス選択透過部材に使用可能であり、例えば、水素、一
酸化炭素、二酸化炭素などの選択透過部材に適用でき
る。

【００２３】水素選択透過部材用の水素選択透過膜支持
用基材（以下、単に「支持用基材」ということがある）
に用いる場合、上記ガス透過部としての多孔質燒結体の
孔径は、水素選択透過処理時における圧損を低減する上
では可能な限り大きくすることが好ましいが、反面その
基材表面に緻密且つ薄肉の水素選択透過膜をより確実に
成形するには、孔のサイズは可能な限り小さくすること
が望ましい。上記ガス透過部を多層構造、代表的には２
層構造とすることで、このような要求を達成できる。

【００２４】上記粗製ガス接触面側においては、焼結体
の平均粒径が８μｍ以下、好ましくは７μｍ以下、さら
に好ましくは６μｍ以下であり、その最大粒径が４５μ
ｍ以下、好ましくは３０μｍ以下、さらに好ましくは２
５μｍ以下であることが推奨される。平均粒径が上記上
限を超えると焼結体表面に形成される粗大な孔が多くな
り、また最大粒径が上記上限を超えるものでは、このよ
うな粗大物周辺に大きな孔が形成されるため、緻密な水
素選択透過膜の形成が困難となる。

【００２５】なお、平均粒径があまりに小さいと、圧損
が大きくなるため、その下限は３μｍ以上、好ましくは
４μｍ以上であることが望ましい。最大粒径の下限につ
いては特に限定されず、平均粒径が上記範囲を満たせば
よい。このような範囲の平均粒径および最大粒径を満足
する層表面であれば、後述する水素選択透過膜を緻密且
つ薄く形成させることができ、９９．９９％以上の純度
の水素の回収が可能となる。

【００２６】上記の通り、粗製ガス接触面側の孔径はで
きる限り小さいほうがよいが、該面の全面積に対する開
口部の面積率までが小さくなると、十分な水素透過量を
得ることができなくなる。よって、開口部面積率は３０
％以上、好ましくは３５％以上であることが推奨され
る。開口部面積率の上限については、この表面に緻密な
水素選択透過膜を形成可能なレベルであれば、特に限定
されない。

【００２７】このような多層構造を有するガス透過部で
は、６００℃での水素透過量が６０ｃｍ³／ｍｉｎ・ｃ
ｍ²・ａｔｍ程度以上、好ましくは１２０ｃｍ³／ｍｉｎ
・ｃｍ²・ａｔｍ程度以上であることが望ましい。ガス
透過部がこのようなレベルの水素透過量を有するもので
あれば、これを用いた水素選択透過部材においても、高
い水素透過量を確保することができる。

【００２８】多層構造を有するガス透過部において、粗
製ガス接触面側の平均粒径、最大粒径および開口面積率
を上記範囲内としつつ、上記程度の水素透過量を確保す
るためには、水素選択透過面側の焼結体の平均粒径が１
０μｍ以上、好ましくは１５μｍ以上となるようにする
ことが推奨される。このような条件であれば、水素選択
透過面側の層は低密度となり、圧損を低くすることがで
きる。さらに、ガス透過部の圧損を低くするためには、
粗製ガス接触面側をできる限り薄くすることが好まし
く、厚みが０．２ｍｍ程度以下であることが推奨され
る。

【００２９】しかし、水素選択透過面側の密度があまり
低すぎると、水素選択透過膜支持用構造体として強度不
足となるため、水素選択透過面側の層の相対密度は、少
なくとも５０％、好ましくは６０％以上、さらに好まし
くは６５％以上とすることが望ましく、同じ理由から、
水素選択透過面側の焼結体の平均粒径は３０μｍ以下で
あることが好ましい。なお、水素選択透過面側の層の相
対密度の上限は、ガス透過部が上記の水素透過量を確保
できる程度であれば、特に限定されない。また、圧損低
減の点からは、支持用基材を薄肉化すればよいが、そう
すると構造体としての強度不足の他、接合性にも悪影響
が生じてくるので、支持用基材としての厚さは少なくと
も１ｍｍ程度以上は確保することが望ましい。

【００３０】本発明の支持用基材は金属焼結体である
が、焼結体粒子の径は、焼結原料として用いられる金属
粒子の粒子径によってほぼ決まり、焼結体の相対密度や
開口面積率は、金属粒子を圧粉成形する際の圧力や焼結
条件（特に焼結温度）によって変わってくる。ちなみ
に、金属粒子を圧粉成形してから焼結する際には、隣接
する金属粒子同士が表面の一部で拡散接合するだけで、
金属粒子そのもののサイズはほとんど変わらない。一
方、圧粉成形時の成形圧力を高めるにつれて、金属粒子
は密に詰まって焼結体の相対密度は上昇し、それに伴っ
て粒子間空隙は少なくなるので開口面積率は小さくな
る。他方、金属粒子の粒子径が小さくなるほど、上記の
通り、密度は相対的に高くなる傾向がある。また、粒子
間空隙のサイズは粒子径が小さくなるほど小さくなって
焼結体が緻密になる反面、通気抵抗は高くなる傾向があ
る。

【００３１】したがって、上述した要求性能を備えた焼
結体を得るための好ましい方法としては、ガス透過部の
水素選択透過面側については、焼結原料として平均粒径
が１０μｍ以上、より好ましくは１５μｍ程度以上で、
好ましくは３０μｍ程度以下のステンレス鋼粉末を使用
し、これを相対密度でほぼ５０％以上を確保することの
できる密度に圧粉成形してから焼結すればよく、圧粉成
形時の好ましい圧力は５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以
下、より一般的には１００ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下
程度、焼結温度は７５０℃以上１０００℃以下、より一
般的には８００℃以上９５０℃以下の範囲である。な
お、圧粉成形や焼結時の雰囲気は、ステンレス鋼粉末が
酸化されて焼結不良となるのを防止するため、非酸化性
雰囲気下で行うことが望ましい。

【００３２】また、水素選択透過膜が形成される粗製ガ
ス接触面側については、上記の如く適度の開口面積率を
有する緻密な表面を確保することの必要上、原料として
平均粒径８μｍ以下、より好ましくは６μｍ以下で、最
大粒径が４５μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以下の
ステンレス鋼粉末を使用し、圧粉成形時の圧力として
は、適度の空隙率（ひいては表面開口面積率）を確保す
るため５０ＭＰａ以上２００ＭＰａ以下、より好ましく
は７５ＭＰａ以上１００ＭＰａ以下程度を採用し、７５
０℃以上９００℃以下、より好ましくは８００℃以上８
５０℃以下程度で焼結することが望ましい。この場合
も、圧粉成形および焼結は非酸化性雰囲気で行うことが
望まれる。

【００３３】なお、ガス透過部の焼結体を２層構造とす
るための手段としては、片側の層を圧粉成形し焼結した
後、他方側の層を圧粉成形し焼結する方法を採用するこ
ともできるが、好ましいのは、まず片側の層を圧粉成形
した後で他方側の層を圧粉成形し、次いでそれらを同時
に焼結する方法である。また、３層以上の構造とするた
めの手段も本質的に異なるものではなく、第１層、第２
層、第３層、・・・を順次圧粉成形した後、それらを同
時に加熱して焼結する方法が好ましく採用される。

【００３４】さらに、上記の接合施工部については、ガ
ス透過部の水素選択透過面側および／または粗製ガス接
触面側と同時に圧粉成形・焼結すればよい。この場合、
接合施工部を上記の相対密度とする必要上、原料として
平均粒径８μｍ以下、好ましくは６μｍ以下のステンレ
ス鋼粉末を使用し、上記水素選択透過面側および／また
は粗製ガス接触面側と同じ成形圧力・焼結温度を採用す
ればよい。また、金属粉末に適量のバインダーを混ぜる
ことにより、さらに焼結後の密度を幅広く調節すること
も可能である。

【００３５】上記には、ガス透過部として、２層構造の
ものを示したが、該ガス透過部は、上記の水素選択透過
面側の層と粗製ガス接触面側の層の間に、これらの中間
的な構造を有する層を１または２層以上含む、いわゆる
多層構造のものであってもよい。また、ガス透過部の焼
結体構造が、水素選択透過側表面から粗製ガス接触面側
表面まで傾斜的に変化し、且つ粗製ガス接触面側表面の
焼結体の平均粒径、最大粒径および開口部面積率が上記
範囲を満たすと共に、ガス透過部の水素透過量が上記の
量を満足するような傾斜構造を持つものも、上記多層構
造の場合と同様の効果を達成し得る点で好ましい。この
他、回収される水素の用途によっては、上記ガス透過部
が、これらの多層構造や傾斜構造ではなく、単層構造を
有するものであっても差し支えない。

【００３６】上記のような構造の支持用基材を水素選択
透過部材に使用する際には、粗製ガス接触面側に、水素
選択透過膜を形成させる。この膜としては、水素選択透
過性を有する金属膜または合金膜が好ましく、これらの
金属・合金の具体例としては、Ｐｄとその合金、Ｖとそ
の合金、Ｔｉとその合金、Ｚｒとその合金、Ｎｂとその
合金、Ｔａとその合金などが挙げられる。勿論、上記の
金属膜・合金膜に用い得る金属などは、これらに限定さ
れるものではなく、水素選択性を有し、且つ支持用基材
表面に膜形成が可能な金属または合金であれば使用可能
である。なお、有効な水素選択透過性を確保するために
は、１〜１２μｍ、好ましくは５〜８μｍの厚みとする
ことが望ましい。

【００３７】上記の金属膜または合金膜の形成法として
は、従来公知の種々の方法が採用できるが、緻密且つ薄
い膜を、支持用基材上に直接形成できる点で、気相合成
法が好ましく、中でも、緻密な膜形成の観点から、ＡＩ
Ｐ法が特に好ましい。また、水素選択透過膜形成後、研
磨を施すことにより膜中のピンホールやマクロパーティ
が埋められ、一層緻密な膜とすることが可能となる。

【００３８】なお、水素選択透過膜に使用する金属また
は合金によっては、支持用基材のステンレス鋼成分が水
素選択透過膜中に徐々に拡散して合金化反応を起こし、
該膜の選択透過性能の経時的な劣化を引き起こす場合が
ある。そのため、上記の反応を抑制して水素選択透過部
材の耐久性を確保することが好ましい。

【００３９】上記の拡散を抑制するには、水素選択透過
膜の形成に先立ち、支持用基材の粗製ガス接触面から露
出しているステンレス鋼粒子表面に拡散防止層を形成さ
せることが好ましい。この拡散防止層によって、ステン
レス鋼と水素選択透過膜金属・合金の接触が防止され、
ステンレス鋼の膜中への拡散が抑制される。拡散防止層
としては、酸化被膜および／またはセラミックス層が推
奨される。

【００４０】上記の酸化被膜は、支持用基材の粗製ガス
接触面にあるステンレス鋼粒子を酸化処理することによ
り、該粒子表面に形成される。この場合、形成される酸
化被膜は、ステンレス鋼が含有するＦｅ，Ｍｎ，Ｃｒを
主体とするものである。ただし、Ｍｎ酸化物は高温下で
不安定なものが多く、この比率が大きいと、高温でのガ
ス分離時に、酸化被膜形成による上記拡散防止効果が低
減するため、酸化被膜中のＭｎ酸化物の量は４０質量％
以下とすること好ましい。また、酸化被膜の厚みは０．
１μｍ以上とすることが好ましく、支持用基材全体が酸
化されていても差し支えない。酸化処理の方法として
は、酸素存在下での高温処理などが挙げられる。

【００４１】上記のセラミックス層としては、酸化物、
窒化物、炭化物、硼化物のいずれでもよく、特に限定さ
れないが、酸化クロム、酸化アルミ、窒化クロムなどが
好ましい。その形成方法としては、スパッタリング法、
ＡＩＰ法などが採用可能であるが、支持用基材の粗製ガ
ス接触面の開口部がセラミックス層で塞がれてしまう
と、水素選択透過膜に取り込まれた水素が、該基材中を
透過することができなくなる。よって、図１に示す通
り、粗製ガス接触面から露出しているステンレス鋼粒子
の表面のみにセラミックス層が形成され、開口部を塞い
でしまわないような条件としなければならない。このよ
うなセラミックス層形成が可能であれば、上記の方法に
限定されず、他の形成方法を採用することも可能であ
る。セラミックス層の厚みは１〜２μｍ程度であれば、
必要な拡散防止効果を確保できる。また、このセラミッ
クス層形成に先立ち、粗製ガス接触面を酸化処理して酸
化被膜を形成させておくことも、拡散防止効果を一層高
めることができる点で好ましい。

【００４２】以上、説明したガス選択透過膜支持用基材
は、金属粉末の多孔質焼結体であるが、この他、金属長
繊維、あるいは金属短繊維から得られる不織布の多孔質
焼結体であってもよい。この場合、金属不織布多孔質焼
結体中の金属繊維の平均直径および最大直径が、上述し
た金属粉末焼結体の平均粒径および最大粒径の範囲を満
たせばよい。また、金属粉末と金属不織布を同時に用い
て、焼結体とすることも可能である。

【００４３】本発明の水素選択透過部材においては、通
常、水素選択透過膜面（粗製ガス接触面）から粗製ガス
を供給すると、ガス中の水素が選択的に膜を透過し、支
持用基材の水素選択透過面から放出される。他方、水素
選択透過面から粗製ガスを供給してもよく、この場合、
水素選択透過膜面から高純度の水素が放出される。

【００４４】本発明のガス選択透過膜支持用基材は、適
用される用途、箇所などに応じて、図２に示すような円
筒状、図３に示すような平板状などの種々の形状とする
ことができる。また、本発明のガス選択透過膜支持用基
材、水素選択透過膜支持用基材および水素選択透過部材
は、単独で使用するほか、複数個を集めてモジュール化
などすることにより、対象である水素などのガスを、よ
り効率よく分離・回収することが可能となる。

【００４５】本発明の支持用基材をジョイント部材など
と接合する際には、上記の通り、レーザー溶接、電子ビ
ーム溶接、摩擦圧接などが好ましく採用されるが、この
他、本発明の支持用基材は金属多孔質体であるため、セ
ラミックス多孔質体の場合とは異なり、ろう付けによっ
ても信頼性の高い接合が可能である。

【００４６】このようにして得られる本発明の水素選択
透過部材を使用すれば、例えば、燃料電池での従来の要
求性能である２０ｃｍ³／ｍｉｎ・ｃｍ²を大きく上回る
４０ｃｍ³／ｍｉｎ・ｃｍ²程度の透過量で、９９．９９
％以上の高純度水素を得ることのできる分離装置が製造
可能である。

【００４７】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べ
る。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではな
く、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をする
ことは全て本発明の技術的範囲に包含される。

【００４８】実験１図２に示す支持用基材を作製した。表１に示す条件でス
テンレス鋼粉末を圧粉成形・焼結し、外径φ２０ｍｍ、
内径φ１８ｍｍ、長さ８０ｍｍの円筒状の多孔質支持用
基材を得た。この両端に、レーザー溶接または摩擦圧接
によってキャップを接合後、６００℃でＨｅガスリーク
試験を行った。入り口側の圧力を４ａｔｍとし、流量を
５Ｎｌ／ｍｉｎとしてＨｅのリーク量を測定して接合部
の欠陥を評価した。結果を表１に示す。なお、レーザー
溶接および摩擦圧接の条件は以下の通りである。レーザー溶接キャップと支持用基材の付き合わせ圧力：７ｋＰａ出力：３ｋＷ溶接速度：２ｍ／ｍｉｎインサート材：高Ｍｎ系オーステナイト鋼（０．４Ｃ−
２２Ｍｎ−１３Ｃｒ−７Ｎｉ−０．３Ｔｉ−０．３Ａ
ｌ）の線状材（直径０．８ｍｍ）送給速度３ｍ／ｍｉ
ｎ。

【００４９】摩擦圧接支持用基材を回転側として（回転数２５００ｒｐｍ）、
押付け圧力３０ＭＰａで０．２秒間キャップを押付け、
その後直ちに回転を止めて５０ＭＰａで３秒間保持して
圧接した。

【００５０】また、表１に記載する平均粒径および相対
密度は、以下のようにして測定した。

【００５１】［平均粒径］光学顕微鏡を用いて１０００
倍で観察し、写真サイズが７５×９５ｍｍの写真を１０
視野撮影した。この写真に撮影されている各粒子に縁取
りを行った。各粒子は粒成長をほとんどしておらず、ほ
ぼ焼結前の粉末時の形状・粒径を保っており、また、多
孔質体であるため、１個１個の粒子を十分区別できる。
平均粒径Ｄは、以下の式（フルマン法）によって求め
た：Ｄ＝（４／π）×（ＮＬ／ＮＳ）ここで、ＮＬ：写真面状の任意の直線によってヒットされる単位
長さ当たりの粒子数、ＮＳ：任意の単位面積内に含まれる粒子数である。

【００５２】［相対密度］支持用基材は多孔質体である
ため、その寸法と質量を測定し、真密度を７．８ｇ／ｃ
ｍ³として求めた。

【００５３】これらの結果、および接合部の欠陥の評価
結果を表１に示す。

【００５４】

【表１】

【００５５】本発明の要件を満足する試験Ｎｏ．１〜９
の支持用基材では、Ｈｅのリークが検出下限以下であ
り、接合が極めて良好である。これに対し、本発明の要
件を満たさない試験Ｎｏ．１１、１２、１４、１５の支
持用基材では、Ｈｅがリークしており、接合不良を起こ
している。また、本発明の要件を一部満足しない試験Ｎ
ｏ．１０、１３の支持用基材では、ややＨｅのリークは
検出されるものの、試験Ｎｏ，１１、１２、１４、１５
と比較すると、接合は良好である。

【００５６】実験２図４に示す２層構造のガス透過部を有する円筒状の水素
選択透過部材を作製し、その水素透過量、および回収水
素の純度を評価した。ガス透過部の製造は表２に示す条
件で行い、接合施工部は、平均粒径８μｍ以下のガス透
過部と同じステンレス鋼粉末を用いて、粗製ガス接触面
側と同時に圧粉・焼結して、外層外径φ２０．２ｍｍ、
外層内径φ２０ｍｍ、内層内径φ１８ｍｍ、長さ８０ｍ
ｍの支持用基材を作製した。この両端にＳＵＳ４１０Ｌ
のキャップを、実験１と同じ条件でのレーザー溶接によ
り接合した。次に大気中で６５０℃×３０ｍｉｎの酸化
処理によって酸化被膜を形成、あるいは外層表面に表２
に示すセラミックスコーティングを行った。その後、外
層表面にＰｄ−Ａｇ膜をＡＩＰ法により形成させ、表３
に示す水素選択透過部材を得た。これを用いて６００℃
×２４時間、水素透過性試験を行い、水素透過量および
回収水素の純度を評価した。この結果を表３に示す。な
お、表２で記載する平均粒径および相対密度は、実験１
と同じ測定法により求めた。また、最大粒径および開口
面積率は、下記の方法により求めた。

【００５７】［最大粒径・開口面積率］最大粒径は、光
学顕微鏡を用いて１０００倍で観察し、写真サイズが７
５×９５ｍｍの写真を１０視野撮影し、求めた。

【００５８】開口面積率（％）は、下記の式によって求
めた：｛（写真の面積−粒子の占める面積）／（写真の面
積）｝×１００。

【００５９】また、表３の耐久性は、水素透過性試験の
最初の１時間の水素透過量に対する、２４時間経過後の
１時間の水素透過量の減少量によって評価し、該減少量
が１％未満であった場合を○、１％以上であった場合を
×とした。

【００６０】

【表２】

【００６１】

【表３】

【００６２】表２、３からも明らかなように、本発明の
要件を全て満足する試験Ｎｏ．１、２、４〜６では、水
素の純度が９９．９９％以上で、且つ高い水素透過量が
得られている。なお、試験Ｎｏ．３は支持用基材と水素
選択透過膜の間に拡散防止層を形成させなかった例であ
り、耐久性に問題がある。これらに対し、本発明の要件
を満足しない試験Ｎｏ．７〜１０では、透過水素の純度
が目標レベルに達していないか、水素透過量不足で生産
性を満足できない。

【００６３】

【発明の効果】本発明は上記のように構成されており、
接合施工部を高密度として容易且つ信頼性の高い接合を
可能とすると共に、ガス透過部を低密度として圧損を下
げ、ガス透過量を確保することで、理想的なガス選択透
過膜支持用基材を提供することができた。このような構
成の支持用基材表面に水素選択透過膜などのガス選択透
過膜を形成させることで、優れたガス選択透過部材が提
供できる。

【００６４】さらに、支持用基材のガス透過部を特定の
多層構造とすることにより、緻密且つ薄い水素選択透過
膜形成が可能となり、透過性・分離性・耐久性に優れた
水素選択透過部材とすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２層構造を有する本発明の水素選択透過膜支持
用基材を用いた水素選択透過部材の拡大断面模式図であ
る。

【図２】キャップと接合した本発明のガス選択透過膜支
持用基材（円筒状）の側面模式図である。

【図３】キャップと接合した本発明のガス選択透過膜支
持用基材（平板状）の断面模式図である。

【図４】実験２で用いた本発明の水素選択透過部材（円
筒状）の側面模式図である。

【図５】実験２で用いた本発明の水素選択透過部材（円
筒状）の断面模式図である。

【符号の説明】

１粗製ガス接触面側の層２水素選択透過面側の層３水素選択透過膜４ステンレス鋼粒子５セラミックス層６ガス透過部７接合施工部８接合用キャップ９パイプ１０水素選択透過部材１１水素選択透過膜支持用基材

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者安永龍哉神戸市西区高塚台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Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA22 JA03A JA03B JA03C JA22A JA27A MA02 MA23 MA24 MB04 MC02 MC02X NA31 NA32 PA04 PB18 PB66 PC80 4G075 AA25 BA08 BB02 BC03 CA17 FB02 FC02 4K018 AA33 BA17 BB04 JA09 KA22

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属多孔質焼結体からなり、ガス選択透
過膜を支持するためのガス選択透過膜支持用基材であっ
て、ガス透過部と接合施工部を有し、且つ前記接合施工部の
密度が、前記ガス透過部の密度よりも高いことを特徴と
するガス選択透過膜支持用基材。
【請求項２】前記金属多孔質焼結体を構成する金属が
ステンレス鋼である請求項１に記載のガス選択透過膜支
持用基材。
【請求項３】前記接合施工部の相対密度が少なくとも
６５％である請求項２に記載のガス選択透過膜支持用基
材。
【請求項４】前記接合施工部の平均粒径が８μｍ以下
である請求項２または３に記載のガス選択透過膜支持用
基材。
【請求項５】水素選択透過部材に用いられるものであ
る請求項２〜４のいずれかに記載の水素選択透過膜支持
用基材。
【請求項６】少なくとも前記ガス透過部が、多層構造
であって、粗製ガス接触面側は、焼結体の平均粒径が８μｍ以下、
最大粒径が４５μｍ以下で且つ開口面積率が３０％以上
であり、水素選択透過面側は、相対密度が少なくとも５０％で且
つ平均粒径が１０μｍ以上である請求項５に記載の水素
選択透過膜支持用基材。
【請求項７】前記粗製ガス接触面側の焼結体表面に拡
散防止層が形成されている請求項５または６に記載の水
素選択透過膜支持用基材。
【請求項８】前記拡散防止層が酸化被膜および／また
はセラミックス層である請求項７に記載の水素選択透過
膜支持用基材。
【請求項９】前記請求項５〜８のいずれかに記載のガ
ス選択透過膜支持用基材における粗製ガス接触面側に、
水素選択透過膜を形成してなる水素選択透過部材。
【請求項１０】前記水素選択透過膜が、水素選択透過
性の金属膜または合金膜である請求項９に記載の水素選
択透過部材。
【請求項１１】金属または合金が、Ｐｄまたはその合
金である請求項１０に記載の水素選択透過用部材。
【請求項１２】前記水素選択透過膜が、気相合成法に
よって形成されたものである請求項１０または１１に記
載の水素選択透過部材。
【請求項１３】前記気相合成法がアークイオンプレー
ティング法である請求項１２に記載の水素選択透過部
材。