JP2002219343A - 物質分離構造体とその製造方法 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 厚みが１μｍ以下の水素透過性膜を多孔質の
基材の表面にピンホールのない緻密な膜として形成する
ことができるとともに、高い水素透過性能と耐久性を備
えた物質分離構造体とその製造方法を提供することであ
る。 【解決手段】 物質分離構造体は、連続した孔を有する
多孔質材料を含み少なくとも一方の表面に孔の開口を有
する基材と、開口を塞ぐように形成され基材の孔よりも
小さな孔を有する多孔質層と、多孔質層が形成された基
材の少なくとも一方の表面の上にイオンまたは中性の元
素もしくは分子を選択的に透過するように形成された厚
みが１μｍ以下の透過性膜とを備え、多孔質層が形成さ
れた後の基材の少なくとも一方の表面側の表面粗さＲｍ
ａｘが０．３μｍ以下である。基材の開口を多孔質層で
塞ぐことができるように多孔質材料を含む砥粒で基材の
表面を研磨した後、メッキ法またはイオンプレーティン
グ法で透過性膜を形成する。
基材の表面にピンホールのない緻密な膜として形成する
ことができるとともに、高い水素透過性能と耐久性を備
えた物質分離構造体とその製造方法を提供することであ
る。 【解決手段】 物質分離構造体は、連続した孔を有する
多孔質材料を含み少なくとも一方の表面に孔の開口を有
する基材と、開口を塞ぐように形成され基材の孔よりも
小さな孔を有する多孔質層と、多孔質層が形成された基
材の少なくとも一方の表面の上にイオンまたは中性の元
素もしくは分子を選択的に透過するように形成された厚
みが１μｍ以下の透過性膜とを備え、多孔質層が形成さ
れた後の基材の少なくとも一方の表面側の表面粗さＲｍ
ａｘが０．３μｍ以下である。基材の開口を多孔質層で
塞ぐことができるように多孔質材料を含む砥粒で基材の
表面を研磨した後、メッキ法またはイオンプレーティン
グ法で透過性膜を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、一般的には物質
分離構造体とその製造方法に関し、より特定的には連続
した孔を有する多孔質の基材に透過性膜が形成された物
質分離構造体とその製造方法に関するものである。
分離構造体とその製造方法に関し、より特定的には連続
した孔を有する多孔質の基材に透過性膜が形成された物
質分離構造体とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】気体分離膜は、酸素冨化、窒素冨化、二
酸化炭素分離、水素分離などの分野において実用化され
ている。空気中の酸素または窒素を濃縮する酸素冨化膜
または窒素冨化膜は、それぞれ燃焼用または医療用に用
いられている。天然ガス中のメタンと二酸化炭素を分離
する二酸化炭素分離膜は、二酸化炭素の回収に利用され
ている。水素分離膜には、石油の脱硫に用いた水素ガス
の分離回収の用途がある。
酸化炭素分離、水素分離などの分野において実用化され
ている。空気中の酸素または窒素を濃縮する酸素冨化膜
または窒素冨化膜は、それぞれ燃焼用または医療用に用
いられている。天然ガス中のメタンと二酸化炭素を分離
する二酸化炭素分離膜は、二酸化炭素の回収に利用され
ている。水素分離膜には、石油の脱硫に用いた水素ガス
の分離回収の用途がある。
【０００３】水素ガスは燃料電池用の燃料等に用いら
れ、ガス体燃料の変成法等によって工業的に製造され
る。たとえば、ガス体燃料の変成法によれば、水蒸気を
改質することによって水素ガスが製造されるが、改質ガ
スには主成分としての水素以外に副成分として一酸化炭
素、二酸化炭素等が含まれている。この改質ガスをたと
えば燃料電池用の燃料にそのまま用いると電池の性能が
劣化する。このため、水素ガス以外の副成分を除去し、
高純度の水素ガスを得るために改質ガスを精製する必要
がある。その精製法の一つとして、水素透過性膜が水素
のみを選択的に透過させる特性を利用した方法がある。
れ、ガス体燃料の変成法等によって工業的に製造され
る。たとえば、ガス体燃料の変成法によれば、水蒸気を
改質することによって水素ガスが製造されるが、改質ガ
スには主成分としての水素以外に副成分として一酸化炭
素、二酸化炭素等が含まれている。この改質ガスをたと
えば燃料電池用の燃料にそのまま用いると電池の性能が
劣化する。このため、水素ガス以外の副成分を除去し、
高純度の水素ガスを得るために改質ガスを精製する必要
がある。その精製法の一つとして、水素透過性膜が水素
のみを選択的に透過させる特性を利用した方法がある。
【０００４】水素透過性膜の製造方法として、特開平１
１−２６７４７７号公報には、ピンホールのない水素透
過性膜を作製するために、ステンレス鋼製、またはアル
ミナ、窒化珪素等のセラミックス製の多孔質支持体の表
面にイオンプレーティング法によって厚みが０．１〜２
０μｍ程度のＰｄ膜、Ｎｂ膜等の水素透過性金属膜を形
成する方法が提案されている。
１−２６７４７７号公報には、ピンホールのない水素透
過性膜を作製するために、ステンレス鋼製、またはアル
ミナ、窒化珪素等のセラミックス製の多孔質支持体の表
面にイオンプレーティング法によって厚みが０．１〜２
０μｍ程度のＰｄ膜、Ｎｂ膜等の水素透過性金属膜を形
成する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】水素透過性膜の水素透
過性能はその膜厚に反比例するので、水素透過量を高め
るためには水素透過性膜の厚みをできるだけ薄くする必
要がある。しかしながら、多孔質の基材の表面にイオン
プレーティング法によって厚みが１μｍ以下の水素透過
性膜を形成した場合、ピンホールのない緻密な膜を形成
することができなかった。このため、水素透過性能を充
分に高めた水素透過性膜を作製することができないとい
う問題があった。
過性能はその膜厚に反比例するので、水素透過量を高め
るためには水素透過性膜の厚みをできるだけ薄くする必
要がある。しかしながら、多孔質の基材の表面にイオン
プレーティング法によって厚みが１μｍ以下の水素透過
性膜を形成した場合、ピンホールのない緻密な膜を形成
することができなかった。このため、水素透過性能を充
分に高めた水素透過性膜を作製することができないとい
う問題があった。
【０００６】そこで、この発明の目的は、厚みが１μｍ
以下の水素透過性膜を多孔質の基材の表面にピンホール
のない緻密な膜として形成することができるとともに、
高い水素透過性能と耐久性を備えた物質分離構造体とそ
の製造方法を提供することである。
以下の水素透過性膜を多孔質の基材の表面にピンホール
のない緻密な膜として形成することができるとともに、
高い水素透過性能と耐久性を備えた物質分離構造体とそ
の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本願発明者は、成膜方法
を種々検討した結果、多孔質の基材の表面を多孔質材料
を含む砥粒で研磨した後、透過性膜を形成することによ
ってピンホールのない緻密な膜を作製することができる
ことを見出した。
を種々検討した結果、多孔質の基材の表面を多孔質材料
を含む砥粒で研磨した後、透過性膜を形成することによ
ってピンホールのない緻密な膜を作製することができる
ことを見出した。
【０００８】この知見に基づいて、この発明の一つの局
面による物質分離構造体は、連続した孔を有する多孔質
材料を含み、少なくとも一方の表面に孔の開口を有する
基材と、この基材の少なくとも一方の表面の開口を塞ぐ
ように形成され、基材の孔よりも小さな孔を有する多孔
質層と、この多孔質層が形成された基材の少なくとも一
方の表面の上に、イオンまたは中性の元素もしくは分子
を選択的に透過するように形成された厚みが１μｍ以下
の透過性膜とを備え、多孔質層が形成された後の基材の
少なくとも一方の表面側の表面粗さＲｍａｘが０．３μ
ｍ以下である。
面による物質分離構造体は、連続した孔を有する多孔質
材料を含み、少なくとも一方の表面に孔の開口を有する
基材と、この基材の少なくとも一方の表面の開口を塞ぐ
ように形成され、基材の孔よりも小さな孔を有する多孔
質層と、この多孔質層が形成された基材の少なくとも一
方の表面の上に、イオンまたは中性の元素もしくは分子
を選択的に透過するように形成された厚みが１μｍ以下
の透過性膜とを備え、多孔質層が形成された後の基材の
少なくとも一方の表面側の表面粗さＲｍａｘが０．３μ
ｍ以下である。
【０００９】この発明の物質分離構造体においては、基
材表面の孔の開口が多孔質層で塞がれた状態で、基材の
表面がＲｍａｘで０．３μｍ以下の表面粗さに平坦化さ
れているので、厚みが1μｍ以下の透過性膜を基材表面
の上にピンホールのない緻密な状態で形成することがで
きる。これにより、透過性膜の透過性能を向上させるこ
とができる。
材表面の孔の開口が多孔質層で塞がれた状態で、基材の
表面がＲｍａｘで０．３μｍ以下の表面粗さに平坦化さ
れているので、厚みが1μｍ以下の透過性膜を基材表面
の上にピンホールのない緻密な状態で形成することがで
きる。これにより、透過性膜の透過性能を向上させるこ
とができる。
【００１０】また、本発明の物質分離構造体において
は、基材の孔の内部に形成された前記多孔質層の部分の
平均厚みＴａに対する、基材の孔の外で基材の表面の上
に形成された多孔質層の部分の平均厚みＴｂの比率（Ｔ
ｂ／Ｔａ）を０以上１以下にすることによって、透過性
膜と基材表面との間の密着性は高くなる。これにより、
物質分離構造体の耐久性を高めることができる。
は、基材の孔の内部に形成された前記多孔質層の部分の
平均厚みＴａに対する、基材の孔の外で基材の表面の上
に形成された多孔質層の部分の平均厚みＴｂの比率（Ｔ
ｂ／Ｔａ）を０以上１以下にすることによって、透過性
膜と基材表面との間の密着性は高くなる。これにより、
物質分離構造体の耐久性を高めることができる。
【００１１】好ましくは、基材の多孔質材料は、セラミ
ックス、金属、および、セラミックスと金属の複合体か
らなる群より選ばれた少なくとも１種である。
ックス、金属、および、セラミックスと金属の複合体か
らなる群より選ばれた少なくとも１種である。
【００１２】より好ましくは、基材の多孔質材料は、気
孔率が３０％以上７０％以下の多孔質窒化珪素である。
孔率が３０％以上７０％以下の多孔質窒化珪素である。
【００１３】さらに好ましくは、基材の多孔質材料は、
鉄およびニッケルからなる群より選ばれた少なくとも１
種を含み、気孔率が６０％以上９５％以下である多孔質
金属である。
鉄およびニッケルからなる群より選ばれた少なくとも１
種を含み、気孔率が６０％以上９５％以下である多孔質
金属である。
【００１４】この発明の物質分離構造体において、透過
性膜は多孔質でなくてもよい。また、好ましくは、透過
性膜は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａ
ｕ）、銀（Ａｇ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔ
ａ）、バナジウム（Ｖ）およびジルコニウム（Ｚｒ）か
らなる群より選ばれた少なくとも１種を含む金属、合金
または化合物から構成される。より好ましくは、透過性
膜は、単一の層または複数の層から構成される。さらに
好ましくは、透過性膜はゼオライト構造またはペロブス
カイト構造の化合物から構成される。
性膜は多孔質でなくてもよい。また、好ましくは、透過
性膜は、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａ
ｕ）、銀（Ａｇ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔ
ａ）、バナジウム（Ｖ）およびジルコニウム（Ｚｒ）か
らなる群より選ばれた少なくとも１種を含む金属、合金
または化合物から構成される。より好ましくは、透過性
膜は、単一の層または複数の層から構成される。さらに
好ましくは、透過性膜はゼオライト構造またはペロブス
カイト構造の化合物から構成される。
【００１５】好ましくは、多孔質層が形成される前の基
材の少なくとも一方の表面側の表面粗さＲｍａｘが０．
３μｍ以下である。さらに好ましくは、多孔質層と透過
性膜が形成された後の基材の少なくとも一方の表面側の
表面粗さＲｍａｘが０．３μｍ以下である。
材の少なくとも一方の表面側の表面粗さＲｍａｘが０．
３μｍ以下である。さらに好ましくは、多孔質層と透過
性膜が形成された後の基材の少なくとも一方の表面側の
表面粗さＲｍａｘが０．３μｍ以下である。
【００１６】この発明のもう一つの局面による物質分離
構造体の製造方法は、連続した孔を有する多孔質材料を
含み、少なくとも一方の表面に孔の開口を有する基材の
開口を多孔質層で塞ぐことができるように、多孔質材料
を含む砥粒で基材の表面を研磨する工程と、研磨によ
り、多孔質層が形成された基材の表面の上に、メッキ法
またはイオンプレーティング法で厚みが１μｍ以下の透
過性膜を形成する工程とを備える。
構造体の製造方法は、連続した孔を有する多孔質材料を
含み、少なくとも一方の表面に孔の開口を有する基材の
開口を多孔質層で塞ぐことができるように、多孔質材料
を含む砥粒で基材の表面を研磨する工程と、研磨によ
り、多孔質層が形成された基材の表面の上に、メッキ法
またはイオンプレーティング法で厚みが１μｍ以下の透
過性膜を形成する工程とを備える。
【００１７】好ましくは、この発明の製造方法におい
て、基材の多孔質材料は、セラミックス、金属、およ
び、セラミックスと金属の複合体からなる群より選ばれ
た少なくとも１種である。
て、基材の多孔質材料は、セラミックス、金属、およ
び、セラミックスと金属の複合体からなる群より選ばれ
た少なくとも１種である。
【００１８】好ましくは、多孔質材料を含む砥粒は、多
孔質の酸化アルミニウムおよび酸化チタンからなる群よ
り選ばれた少なくとも１種を含む。さらに好ましくは、
多孔質材料を含む砥粒の平均直径は、基材の少なくとも
一方表面の開口の平均直径よりも小さい。
孔質の酸化アルミニウムおよび酸化チタンからなる群よ
り選ばれた少なくとも１種を含む。さらに好ましくは、
多孔質材料を含む砥粒の平均直径は、基材の少なくとも
一方表面の開口の平均直径よりも小さい。
【００１９】本発明の製造方法においてイオンプレーテ
ィング法としては、好ましくはアークイオンプレーティ
ング法が用いられる。
ィング法としては、好ましくはアークイオンプレーティ
ング法が用いられる。
【００２０】
【発明の実施の形態】この発明の物質分離構造体の一つ
の実施の形態においては、多孔質材料を含む砥粒を用い
た研磨によって表面粗さがＲｍａｘで０．３μｍ以下ま
で平坦化された多孔質の窒化珪素基材の表面上に、厚み
が１μｍ以下の透過性膜が形成されている。多孔質材料
を含む砥粒としては、γ−酸化アルミニウム（γ−Ａｌ
2Ｏ3）粒子を含むものを用いるのが好ましい。平均直径
が窒化珪素基材表面の孔の開口の平均直径よりも小さい
酸化アルミニウム砥粒を用いるのが好ましい。透過性膜
の材料としては、パラジウム、白金、金、銀、バナジウ
ム、ニオブ、タンタルまたはジルコニウムのいずれかの
金属、またはそれらのいずれかの金属を含む合金や化合
物が挙げられる。
の実施の形態においては、多孔質材料を含む砥粒を用い
た研磨によって表面粗さがＲｍａｘで０．３μｍ以下ま
で平坦化された多孔質の窒化珪素基材の表面上に、厚み
が１μｍ以下の透過性膜が形成されている。多孔質材料
を含む砥粒としては、γ−酸化アルミニウム（γ−Ａｌ
2Ｏ3）粒子を含むものを用いるのが好ましい。平均直径
が窒化珪素基材表面の孔の開口の平均直径よりも小さい
酸化アルミニウム砥粒を用いるのが好ましい。透過性膜
の材料としては、パラジウム、白金、金、銀、バナジウ
ム、ニオブ、タンタルまたはジルコニウムのいずれかの
金属、またはそれらのいずれかの金属を含む合金や化合
物が挙げられる。
【００２１】平坦化された窒化珪素基材の表面では、孔
の部分に多孔質の酸化アルミニウム層が形成されてい
る。多孔質の酸化アルミニウム層が窒化珪素基材の孔の
内部に形成された部分Ａと、窒化珪素基材の孔の外で窒
化珪素基材の表面の上に形成された部分Ｂとからなり、
部分Ａの平均厚みＴａに対する部分Ｂの平均厚みＴｂの
比率（Ｔｂ／Ｔａ）が０以上１以下である。このような
基材の表面上に形成された透過性膜と基材との間の密着
性は高い。このため、水素含有ガスを精製する際に透過
性膜は基材から剥離することはなく、ピンホールのない
緻密な状態が維持されるので、水素以外のガスが透過性
膜を通過するのを極度に低減することができ、高純度の
水素ガスを得ることができる。
の部分に多孔質の酸化アルミニウム層が形成されてい
る。多孔質の酸化アルミニウム層が窒化珪素基材の孔の
内部に形成された部分Ａと、窒化珪素基材の孔の外で窒
化珪素基材の表面の上に形成された部分Ｂとからなり、
部分Ａの平均厚みＴａに対する部分Ｂの平均厚みＴｂの
比率（Ｔｂ／Ｔａ）が０以上１以下である。このような
基材の表面上に形成された透過性膜と基材との間の密着
性は高い。このため、水素含有ガスを精製する際に透過
性膜は基材から剥離することはなく、ピンホールのない
緻密な状態が維持されるので、水素以外のガスが透過性
膜を通過するのを極度に低減することができ、高純度の
水素ガスを得ることができる。
【００２２】透過性膜は、多孔質の基材の表面上にメッ
キ法またはイオンプレーティング法によって形成され
る。イオンプレーティング法には各種の方法があり、本
発明においてはいずれの方法でも適用できるが、特に好
ましくはアークイオンプレーティング法（アーク放電型
イオンプレーティング法）が用いられる。
キ法またはイオンプレーティング法によって形成され
る。イオンプレーティング法には各種の方法があり、本
発明においてはいずれの方法でも適用できるが、特に好
ましくはアークイオンプレーティング法（アーク放電型
イオンプレーティング法）が用いられる。
【００２３】透過性膜として、たとえば、パラジウム膜
は優れた水素透過性能を有するが、パラジウム結晶の
（１００）面における水素透過性能は他の結晶面に比べ
て低い。これに対して、パラジウム結晶が（１１１）面
に配向するようにパラジウム膜を形成すると、配向して
いないパラジウム膜に比べて良好な水素透過性能を得る
ことができる。本発明の製造方法によれば、多孔質材料
を含む砥粒を用いた研磨によって平坦化された、連続し
た孔を有する多孔質基材の表面上に、アークイオンプレ
ーティング法によりバイアス電圧を印加して形成したパ
ラジウム膜はパラジウム結晶が（１１１）面に配向して
いるので、良好な水素透過性能を得ることができる。
は優れた水素透過性能を有するが、パラジウム結晶の
（１００）面における水素透過性能は他の結晶面に比べ
て低い。これに対して、パラジウム結晶が（１１１）面
に配向するようにパラジウム膜を形成すると、配向して
いないパラジウム膜に比べて良好な水素透過性能を得る
ことができる。本発明の製造方法によれば、多孔質材料
を含む砥粒を用いた研磨によって平坦化された、連続し
た孔を有する多孔質基材の表面上に、アークイオンプレ
ーティング法によりバイアス電圧を印加して形成したパ
ラジウム膜はパラジウム結晶が（１１１）面に配向して
いるので、良好な水素透過性能を得ることができる。
【００２４】本発明の物質分離構造体の基材として用い
られる多孔質の窒化珪素は、柱状のβ−Ｓｉ3Ｎ4結晶粒
子が絡み合って網目状の空孔部を内部に備えているのが
好ましい。また、多孔質の窒化珪素の気孔率は３０〜７
０％の範囲内であるのが好ましく、４０〜５０％の範囲
内であるのが特に好ましい。さらに、多孔質の窒化珪素
基材の曲げ強度は３０〜４５０ＭＰａの範囲内であるの
が好ましく、２００〜４５０ＭＰａの範囲内であるのが
特に好ましい。
られる多孔質の窒化珪素は、柱状のβ−Ｓｉ3Ｎ4結晶粒
子が絡み合って網目状の空孔部を内部に備えているのが
好ましい。また、多孔質の窒化珪素の気孔率は３０〜７
０％の範囲内であるのが好ましく、４０〜５０％の範囲
内であるのが特に好ましい。さらに、多孔質の窒化珪素
基材の曲げ強度は３０〜４５０ＭＰａの範囲内であるの
が好ましく、２００〜４５０ＭＰａの範囲内であるのが
特に好ましい。
【００２５】なお、透過性膜の水素透過性能はその膜厚
に反比例し、たとえば厚み１μｍの膜の水素透過量は厚
み１０μｍの膜に比べて１０倍である。水素透過量が１
０倍になると、同一の水素透過量を得るために必要な膜
の表面積は１０分の１になる。このため、透過性膜の厚
みが１０分の１になると、必要な膜の重量は１００分の
１になる。したがって、本発明によれば、良好な水素透
過性能を有する緻密な透過性膜を１μｍ以下の厚みで形
成することができるので、低コストで高性能でかつコン
パクトな物質分離構造体を製造することが可能となる。
に反比例し、たとえば厚み１μｍの膜の水素透過量は厚
み１０μｍの膜に比べて１０倍である。水素透過量が１
０倍になると、同一の水素透過量を得るために必要な膜
の表面積は１０分の１になる。このため、透過性膜の厚
みが１０分の１になると、必要な膜の重量は１００分の
１になる。したがって、本発明によれば、良好な水素透
過性能を有する緻密な透過性膜を１μｍ以下の厚みで形
成することができるので、低コストで高性能でかつコン
パクトな物質分離構造体を製造することが可能となる。
【００２６】多孔質材料ではないダイヤモンド砥粒を用
いて多孔質基材の表面を研磨した場合、多孔質基材の空
孔部が表面において凹部として残存するため、表面粗さ
がＲｍａｘで１μｍ以上となる。その結果、厚みが１μ
ｍ以下の透過性膜をピンホールのない状態で基材表面上
に形成することができない。
いて多孔質基材の表面を研磨した場合、多孔質基材の空
孔部が表面において凹部として残存するため、表面粗さ
がＲｍａｘで１μｍ以上となる。その結果、厚みが１μ
ｍ以下の透過性膜をピンホールのない状態で基材表面上
に形成することができない。
【００２７】また、連続した孔を有する多孔質基材の表
面上にゾル−ゲル法等により多孔質層を形成した場合、
基材の孔の内部に形成される多孔質層の部分Ａの平均厚
みＴａが、基材の孔の外で基材の表面の上に形成される
多孔質層の部分Ｂの平均厚みＴｂよりも小さくなる。す
なわち、部分Ａの平均厚みＴａに対する部分Ｂの平均厚
みＴｂの比率（Ｔｂ／Ｔａ）が１よりも大きくなる。こ
のように処理された基材表面上に透過性膜を形成した場
合、透過性膜と基材との間の密着性は低い。このため、
水素含有ガスを精製する際に透過性膜は基材から剥離す
る。
面上にゾル−ゲル法等により多孔質層を形成した場合、
基材の孔の内部に形成される多孔質層の部分Ａの平均厚
みＴａが、基材の孔の外で基材の表面の上に形成される
多孔質層の部分Ｂの平均厚みＴｂよりも小さくなる。す
なわち、部分Ａの平均厚みＴａに対する部分Ｂの平均厚
みＴｂの比率（Ｔｂ／Ｔａ）が１よりも大きくなる。こ
のように処理された基材表面上に透過性膜を形成した場
合、透過性膜と基材との間の密着性は低い。このため、
水素含有ガスを精製する際に透過性膜は基材から剥離す
る。
【００２８】
【実施例】（実施例１）表面粗さがＲｍａｘで２．０μ
ｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の基
材として準備した。平均粒径が０．０５μｍの酸化アル
ミニウム砥粒を用いて上記の多孔質の窒化珪素焼結体の
表面を研磨して平坦化した。多孔質の窒化珪素焼結体の
平均細孔径は０．３μｍであった。酸化アルミニウム砥
粒は、α−酸化アルミニウム粒子を１５質量％、γ−酸
化アルミニウム粒子を８５質量％含むものを用いた。研
磨後の多孔質窒化珪素基材の表面粗さはＲｍａｘで０．
３μｍであった。表面粗さは、触針の先端部の半径Ｒが
１００μｍである触針式表面粗さ測定機（測定分解能
０．０１μｍ）で測定した。窒化珪素基材の孔の内部に
形成された多孔質の酸化アルミニウム層の部分Ａの平均
厚みＴａと、窒化珪素基材の孔の外で窒化珪素基材の表
面の上に形成された酸化アルミニウム層の部分Ｂの平均
厚みＴｂの比率（Ｔｂ／Ｔａ）は０．１であった。
ｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の基
材として準備した。平均粒径が０．０５μｍの酸化アル
ミニウム砥粒を用いて上記の多孔質の窒化珪素焼結体の
表面を研磨して平坦化した。多孔質の窒化珪素焼結体の
平均細孔径は０．３μｍであった。酸化アルミニウム砥
粒は、α−酸化アルミニウム粒子を１５質量％、γ−酸
化アルミニウム粒子を８５質量％含むものを用いた。研
磨後の多孔質窒化珪素基材の表面粗さはＲｍａｘで０．
３μｍであった。表面粗さは、触針の先端部の半径Ｒが
１００μｍである触針式表面粗さ測定機（測定分解能
０．０１μｍ）で測定した。窒化珪素基材の孔の内部に
形成された多孔質の酸化アルミニウム層の部分Ａの平均
厚みＴａと、窒化珪素基材の孔の外で窒化珪素基材の表
面の上に形成された酸化アルミニウム層の部分Ｂの平均
厚みＴｂの比率（Ｔｂ／Ｔａ）は０．１であった。
【００２９】このようにして処理された多孔質窒化珪素
基材の表面上に透過性膜を形成する装置として、アーク
イオンプレーティング装置を使用した。アークイオンプ
レーティング装置のチャンバ内のターゲットに透過性膜
の材料としてパラジウム金属をセットし、基材とターゲ
ットの間の距離を３００ｍｍとした。アークイオンプレ
ーティング装置のチャンバ内の圧力を２．６６×１０-3
Ｐａ（２×１０-5Ｔｏｒｒ）とした後、バイアス電圧値
を−４００Ｖ、アーク電流値を８０Ａとして、１０分間
作動させた。これにより、基材の表面上に厚み１．０μ
ｍのパラジウム膜を形成した。
基材の表面上に透過性膜を形成する装置として、アーク
イオンプレーティング装置を使用した。アークイオンプ
レーティング装置のチャンバ内のターゲットに透過性膜
の材料としてパラジウム金属をセットし、基材とターゲ
ットの間の距離を３００ｍｍとした。アークイオンプレ
ーティング装置のチャンバ内の圧力を２．６６×１０-3
Ｐａ（２×１０-5Ｔｏｒｒ）とした後、バイアス電圧値
を−４００Ｖ、アーク電流値を８０Ａとして、１０分間
作動させた。これにより、基材の表面上に厚み１．０μ
ｍのパラジウム膜を形成した。
【００３０】得られたパラジウム膜の表面にはピンホー
ルは観測されなかった。また、膜中、パラジウム結晶は
（１１１）面に配向して成長していた。
ルは観測されなかった。また、膜中、パラジウム結晶は
（１１１）面に配向して成長していた。
【００３１】上記のようにして製造された物質分離構造
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム膜が基材から剥離することはなく、ピ
ンホールのない緻密な状態が維持されたので、水素以外
のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減することが
でき、高純度の水素ガスを得ることができた。
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム膜が基材から剥離することはなく、ピ
ンホールのない緻密な状態が維持されたので、水素以外
のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減することが
でき、高純度の水素ガスを得ることができた。
【００３２】（実施例２）実施例１と同様にして表面が
平坦化処理された多孔質の窒化珪素基材の表面上に透過
性膜を形成するために、バイアス電圧値を−１０００Ｖ
としたこと以外は実施例１と同じ条件でアークイオンプ
レーティング装置を１０分間作動させた。これにより、
基材の表面上に厚み０．３μｍのパラジウム膜を形成し
た。
平坦化処理された多孔質の窒化珪素基材の表面上に透過
性膜を形成するために、バイアス電圧値を−１０００Ｖ
としたこと以外は実施例１と同じ条件でアークイオンプ
レーティング装置を１０分間作動させた。これにより、
基材の表面上に厚み０．３μｍのパラジウム膜を形成し
た。
【００３３】得られたパラジウム膜の表面にはピンホー
ルは観測されなかった。また、膜中、パラジウム結晶は
（１１１）面に配向して成長していた。
ルは観測されなかった。また、膜中、パラジウム結晶は
（１１１）面に配向して成長していた。
【００３４】上記のようにして製造された物質分離構造
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム膜が基材から剥離することはなく、ピ
ンホールのない緻密な状態が維持されたので、水素以外
のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減することが
でき、高純度の水素ガスを得ることができた。
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム膜が基材から剥離することはなく、ピ
ンホールのない緻密な状態が維持されたので、水素以外
のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減することが
でき、高純度の水素ガスを得ることができた。
【００３５】（実施例３）実施例１と同様にして表面が
平坦化処理された多孔質の窒化珪素基材の表面上に透過
性膜を形成するために、ターゲットに透過性膜の材料と
してパラジウム−銀（Ｐｄ−Ａｇ）合金（Ｐｄ：７５質
量％、Ａｇ：２５質量％）をセットしたこと以外は実施
例１と同じ条件でアークイオンプレーティング装置を１
０分間作動させた。これにより、基材の表面上に厚み
１．０μｍのパラジウム−銀合金膜を形成した。
平坦化処理された多孔質の窒化珪素基材の表面上に透過
性膜を形成するために、ターゲットに透過性膜の材料と
してパラジウム−銀（Ｐｄ−Ａｇ）合金（Ｐｄ：７５質
量％、Ａｇ：２５質量％）をセットしたこと以外は実施
例１と同じ条件でアークイオンプレーティング装置を１
０分間作動させた。これにより、基材の表面上に厚み
１．０μｍのパラジウム−銀合金膜を形成した。
【００３６】得られたパラジウム−銀合金膜の表面には
ピンホールは観測されなかった。また、膜中、パラジウ
ム−銀合金の結晶は（１１１）面に配向して成長してい
た。
ピンホールは観測されなかった。また、膜中、パラジウ
ム−銀合金の結晶は（１１１）面に配向して成長してい
た。
【００３７】上記のようにして製造された物質分離構造
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム−銀合金膜が基材から剥離することは
なく、ピンホールのない緻密な状態が維持されたので、
水素以外のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減す
ることができ、高純度の水素ガスを得ることができた。
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム−銀合金膜が基材から剥離することは
なく、ピンホールのない緻密な状態が維持されたので、
水素以外のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減す
ることができ、高純度の水素ガスを得ることができた。
【００３８】（実施例４）表面粗さがＲｍａｘで２．０
μｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の
基材として準備した。平均粒径が０．０５μｍの酸化ア
ルミニウム砥粒を用いて上記の多孔質の窒化珪素焼結体
の表面を研磨して平坦化した。多孔質の窒化珪素焼結体
の平均細孔径は０．３μｍであった。酸化アルミニウム
砥粒は、α−酸化アルミニウム粒子を１５質量％、γ−
酸化アルミニウム粒子を８５質量％含むものを用いた。
研磨後の多孔質窒化珪素基材の表面粗さはＲｍａｘで
０．３μｍであった。表面粗さは、触針の先端部の半径
Ｒが１００μｍである触針式表面粗さ測定機（測定分解
能０．０１μｍ）で測定した。窒化珪素基材の孔の内部
に形成された多孔質の酸化アルミニウム層の部分Ａの平
均厚みＴａと、窒化珪素基材の孔の外で窒化珪素基材の
表面の上に形成された酸化アルミニウム層の部分Ｂの平
均厚みＴｂの比率（Ｔｂ／Ｔａ）は０．９であった。
μｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の
基材として準備した。平均粒径が０．０５μｍの酸化ア
ルミニウム砥粒を用いて上記の多孔質の窒化珪素焼結体
の表面を研磨して平坦化した。多孔質の窒化珪素焼結体
の平均細孔径は０．３μｍであった。酸化アルミニウム
砥粒は、α−酸化アルミニウム粒子を１５質量％、γ−
酸化アルミニウム粒子を８５質量％含むものを用いた。
研磨後の多孔質窒化珪素基材の表面粗さはＲｍａｘで
０．３μｍであった。表面粗さは、触針の先端部の半径
Ｒが１００μｍである触針式表面粗さ測定機（測定分解
能０．０１μｍ）で測定した。窒化珪素基材の孔の内部
に形成された多孔質の酸化アルミニウム層の部分Ａの平
均厚みＴａと、窒化珪素基材の孔の外で窒化珪素基材の
表面の上に形成された酸化アルミニウム層の部分Ｂの平
均厚みＴｂの比率（Ｔｂ／Ｔａ）は０．９であった。
【００３９】このようにして処理された多孔質窒化珪素
基材の表面上に透過性膜を形成するために、実施例１と
同じ条件でアークイオンプレーティング装置を１０分間
作動させた。これにより、基材の表面上に厚み１．０μ
ｍのパラジウム膜を形成した。
基材の表面上に透過性膜を形成するために、実施例１と
同じ条件でアークイオンプレーティング装置を１０分間
作動させた。これにより、基材の表面上に厚み１．０μ
ｍのパラジウム膜を形成した。
【００４０】得られたパラジウム膜の表面にはピンホー
ルは観測されなかった。また、膜中、パラジウム結晶は
（１１１）面に配向して成長していた。
ルは観測されなかった。また、膜中、パラジウム結晶は
（１１１）面に配向して成長していた。
【００４１】上記のようにして製造された物質分離構造
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム膜が基材から剥離することはなく、ピ
ンホールのない緻密な状態が維持されたので、水素以外
のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減することが
でき、高純度の水素ガスを得ることができた。
体を用いて、温度５００℃で水素含有ガスを精製したと
ころ、パラジウム膜が基材から剥離することはなく、ピ
ンホールのない緻密な状態が維持されたので、水素以外
のガスが透過性膜を通過するのを極度に低減することが
でき、高純度の水素ガスを得ることができた。
【００４２】（比較例１）表面粗さがＲｍａｘで２．０
μｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の
基材として準備した。平均粒径が０．２５μｍのダイヤ
モンド砥粒を用いて上記の多孔質の窒化珪素焼結体の表
面を研磨して平坦化した。多孔質の窒化珪素焼結体の平
均細孔径は０．３μｍであった。研磨後の多孔質窒化珪
素基材の表面粗さはＲｍａｘで１．２μｍであった。
μｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の
基材として準備した。平均粒径が０．２５μｍのダイヤ
モンド砥粒を用いて上記の多孔質の窒化珪素焼結体の表
面を研磨して平坦化した。多孔質の窒化珪素焼結体の平
均細孔径は０．３μｍであった。研磨後の多孔質窒化珪
素基材の表面粗さはＲｍａｘで１．２μｍであった。
【００４３】このようにして処理された多孔質窒化珪素
基材の表面上に透過性膜を形成するために、実施例２と
同じ条件でアークイオンプレーティング装置を１０分間
作動させた。これにより、基材の表面上に厚み０．３μ
ｍのパラジウム膜を形成した。
基材の表面上に透過性膜を形成するために、実施例２と
同じ条件でアークイオンプレーティング装置を１０分間
作動させた。これにより、基材の表面上に厚み０．３μ
ｍのパラジウム膜を形成した。
【００４４】上記のようにして形成されたパラジウム膜
の表面にはピンホールが存在し、基材の表面上に緻密な
パラジウム膜を形成することができなかった。
の表面にはピンホールが存在し、基材の表面上に緻密な
パラジウム膜を形成することができなかった。
【００４５】（比較例２）表面粗さがＲｍａｘで２．０
μｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の
基材として準備した。この多孔質窒化珪素基材の表面上
に透過性膜を形成するために、実施例２と同じ条件でア
ークイオンプレーティング装置を１０分間作動させた。
これにより、基材の表面上に厚み０．３μｍのパラジウ
ム膜を形成した。
μｍ程度の多孔質の窒化珪素焼結体を物質分離構造体の
基材として準備した。この多孔質窒化珪素基材の表面上
に透過性膜を形成するために、実施例２と同じ条件でア
ークイオンプレーティング装置を１０分間作動させた。
これにより、基材の表面上に厚み０．３μｍのパラジウ
ム膜を形成した。
【００４６】上記のようにして形成されたパラジウム膜
の表面にはピンホールが存在し、基材の表面上に緻密な
パラジウム膜を形成することができなかった。
の表面にはピンホールが存在し、基材の表面上に緻密な
パラジウム膜を形成することができなかった。
【００４７】以上に開示された実施の形態や実施例はす
べての点で例示であって制限的なものではないと考慮さ
れるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や
実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許
請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正
や変形を含むものと意図される。
べての点で例示であって制限的なものではないと考慮さ
れるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態や
実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許
請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正
や変形を含むものと意図される。
【００４８】
【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、高い水
素透過性能を有し、かつ耐久性のあるコンパクトな物質
分離構造体を低コストで製造することができる。
素透過性能を有し、かつ耐久性のあるコンパクトな物質
分離構造体を低コストで製造することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥田 伸之 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 上村 卓 兵庫県伊丹市昆陽北一丁目１番１号 住友 電気工業株式会社伊丹製作所内 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 MA06 MA24 MA31 MB20 MC02 MC03 NA42 PA03 PB66
Claims (15)
- 【請求項１】 連続した孔を有する多孔質材料を含み、
少なくとも一方の表面に前記孔の開口を有する基材と、 前記基材の少なくとも一方の表面の開口を塞ぐように形
成され、前記基材の孔よりも小さな孔を有する多孔質層
と、 前記多孔質層が形成された前記基材の少なくとも一方の
表面の上に、イオンまたは中性の元素もしくは分子を選
択的に透過するように形成された厚みが１μｍ以下の透
過性膜とを備え、 前記多孔質層が形成された後の前記基材の少なくとも一
方の表面側の表面粗さＲｍａｘが０．３μｍ以下であ
る、物質分離構造体。 - 【請求項２】 前記基材の孔の内部に形成された前記多
孔質層の部分の平均厚みＴａに対する、前記基材の孔の
外で前記基材の表面の上に形成された前記多孔質層の部
分の平均厚みＴｂの比率（Ｔｂ／Ｔａ）が０以上１以下
である、請求項１に記載の物質分離構造体。 - 【請求項３】 前記基材の多孔質材料は、セラミック
ス、金属、および、セラミックスと金属の複合体からな
る群より選ばれた少なくとも１種である、請求項１また
は請求項２に記載の物質分離構造体。 - 【請求項４】 前記基材の多孔質材料は、気孔率が３０
％以上７０％以下の多孔質窒化珪素である、請求項１ま
たは請求項２に記載の物質分離構造体。 - 【請求項５】 前記基材の多孔質材料は、鉄およびニッ
ケルからなる群より選ばれた少なくとも１種を含み、気
孔率が６０％以上９５％以下である多孔質金属である、
請求項１または請求項２に記載の物質分離構造体。 - 【請求項６】 前記透過性膜は、パラジウム、白金、
金、銀、バナジウム、ニオブ、タンタルおよびジルコニ
ウムからなる群より選ばれた少なくとも１種を含む金
属、合金または化合物から構成される、請求項１から請
求項５までのいずれか１項に記載の物質分離構造体。 - 【請求項７】 前記透過性膜は、単一の層または複数の
層から構成される、請求項６に記載の物質分離構造体。 - 【請求項８】 前記透過性膜は、ゼオライト構造または
ペロブスカイト構造の化合物から構成される、請求項１
から請求項７までのいずれか１項に記載の物質分離構造
体。 - 【請求項９】 前記多孔質層が形成される前の前記基材
の少なくとも一方の表面側の表面粗さＲｍａｘが０．３
μｍ以下である、請求項１から請求項８までのいずれか
１項に記載の物質分離構造体。 - 【請求項１０】 前記多孔質層と前記透過性膜が形成さ
れた後の前記基材の少なくとも一方の表面側の表面粗さ
Ｒｍａｘが０．３μｍ以下である、請求項１から請求項
９までのいずれか１項に記載の物質分離構造体。 - 【請求項１１】 連続した孔を有する多孔質材料を含
み、少なくとも一方の表面に前記孔の開口を有する基材
の前記開口を多孔質層で塞ぐことができるように、多孔
質材料を含む砥粒で前記基材の表面を研磨する工程と、 前記研磨により、多孔質層が形成された前記基材の表面
の上に、メッキ法またはイオンプレーティング法で厚み
が１μｍ以下の透過性膜を形成する工程とを備えた、物
質分離構造体の製造方法。 - 【請求項１２】 前記基材の多孔質材料は、セラミック
ス、金属、および、セラミックスと金属の複合体からな
る群より選ばれた少なくとも１種である、請求項１１に
記載の物質分離構造体の製造方法。 - 【請求項１３】 前記多孔質材料を含む砥粒は、多孔質
の酸化アルミニウムおよび酸化チタンからなる群より選
ばれた少なくとも１種を含む、請求項１１または請求項
１２に記載の物質分離構造体の製造方法。 - 【請求項１４】 前記多孔質材料を含む砥粒の平均直径
は、前記基材の少なくとも一方表面の開口の平均直径よ
りも小さい、請求項１１から請求項１３までのいずれか
１項に記載の物質分離構造体の製造方法。 - 【請求項１５】 前記イオンプレーティング法はアーク
イオンプレーティング法である、請求項１１から請求項
１４までのいずれか１項に記載の物質分離構造体の製造
方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001314754A JP3882567B2 (ja) | 2000-11-24 | 2001-10-12 | 物質分離構造体 |
| CA002363321A CA2363321A1 (en) | 2000-11-24 | 2001-11-19 | Substance separation structure and method of preparing the same |
| US09/991,349 US6572683B2 (en) | 2000-11-24 | 2001-11-20 | Substance separation structure and method of preparing the same |
| EP01309840A EP1208904A1 (en) | 2000-11-24 | 2001-11-22 | Substance separation structure and method of preparing the same |
Applications Claiming Priority (3)
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