JP2002239352A - 水素透過構造体およびその製造方法 - Google Patents

水素透過構造体およびその製造方法

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JP2002239352A JP2001039745A JP2001039745A JP2002239352A JP 2002239352 A JP2002239352 A JP 2002239352A JP 2001039745 A JP2001039745 A JP 2001039745A JP 2001039745 A JP2001039745 A JP 2001039745A JP 2002239352 A JP2002239352 A JP 2002239352A
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permeable
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Taku Kamimura
卓 上村
Kentaro Yoshida
健太郎 吉田
Nobuyuki Okuda
伸之 奥田
Takeshi Hikata
威 日方
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた水素透過性能を有し、かつ耐久性のあ
るコンパクトな水素透過構造体およびその製造方法を提
供する。 【解決手段】 本発明の水素透過構造体は、金属材料か
らなる多孔質の基材1と、その基材1表面の孔1a内に
埋込まれ、かつ金属およびセラミックスの少なくともい
ずれかの微粒子よりなる埋込材3と、埋込材3で埋込ま
れた基材1の表面上に形成され、かつパラジウムを含有
する水素透過性膜2とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的な水素透過
構造体およびその製造方法に関し、より特定的には多孔
質の基材に水素透過性膜が形成された水素透過構造体お
よびその製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】水素ガスは燃料電池用の燃料などに用い
られ、ガス体燃料の変成法など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、二酸化炭素などが含まれている。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1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。この水素透過性膜は多孔質の支持体または基材の上
に形成することによって用いられる。
【0003】たとえば、特開平11−267477号公
報(以下、文献1と称する)には、多孔質支持体の表面
に水素透過性金属膜を有する水素透過膜であって、その
水素透過性金属膜が多孔質支持体の表面に対してイオン
プレーティング法により形成される水素透過膜およびそ
の作製方法が提案されている。また文献1には、多孔質
支持体としてステンレス鋼製またはセラミックス製のも
のが用いられており、セラミックスにはアルミナなどの
酸化物系、窒化珪素などの窒化物系、炭化珪素などの炭
化物系などの各種を適宜選定して用いることが記載され
ている。
【0004】また、A. Li et al.,“Characterisation
and permeation of palladium/stainless steel compo
site membranes” Journal of Membrane Science 149
(1998),pp.259−268(以下、文献2と称する)にも
水素透過構造体が提案されている。この水素透過構造体
においては、ステンレス多孔質支持体の表面に、パラジ
ウム(Pd)膜がめっき法で成膜されている。またこの
パラジウム膜の厚みは10μmと記載されており、その
水素透過量は20ml/min/cm2以下であると記
載されている。
【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ため、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、文献1において、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1μm以下
の厚みの水素透過性金属膜を形成した場合、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、水素透過性能を十分に高めた水素透過性金属膜を作
製することができなかった。
【0006】また、文献2においても、めっき法により
水素透過性膜となるパラジウム膜が形成されるため、そ
の膜厚を10μm程度にまで厚くしないと欠陥を低減す
ることができなかった。それゆえ、文献2における水素
透過構造体においても、水素透過膜の膜厚を薄くした場
合、水素透過量が小さくなるという問題があった。
【0007】また、セラミックスよりなる多孔質支持体
と水素透過性金属膜との組合せからなる水素透過構造体
では、種々の条件の雰囲気下で用いた場合、水素透過性
膜が剥離し、耐久性の点で問題があった。
【0008】それゆえ、本発明の目的は、優れた水素透
過性能を有し、かつ耐久性のあるコンパクトな水素透過
構造体およびその製造方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本願発明者らは、上記課
題に鑑みて種々検討した結果、多孔質の基材表面の孔を
所定の微粒子によって埋込んだ後に水素透過性膜を形成
することによって、ピンホールのない緻密な膜を製造で
きるとともに耐久性に優れた水素透過構造体が得られる
ことを見出した。この知見に基づいて以下に記述する本
発明の水素透過構造体およびその製造方法がなされてい
る。
【0010】本発明の水素透過構造体は、金属材料から
なる多孔質の基材と、基材表面の孔内に埋込まれた金属
およびセラミックスの少なくともいずれかの微粒子より
なる埋込材と、埋込材で埋込まれた基材表面上に形成さ
れかつパラジウムを含有する水素透過性膜とを備える。
【0011】本発明の水素透過構造体は、基材表面の孔
が埋込材により埋込まれることにより比較的平坦になっ
ているため、厚みが1μm以下の水素透過性膜を基材表
面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、ピンホールの発生を防止できるとと
もに優れた水素透過性能を実現することができる。
【0012】また、水素透過性膜の厚みを薄くすること
ができるため、コストの高い貴金属であるパラジウムの
使用量を減少させることができる。また、単位面積当た
りの水素ガス透過能力は膜厚に反比例するため、水素透
過能力に優れる水素透過構造体となり、必要水素量一定
と考えるとより面積が少なくコンパクトになるメリット
がある。
【0013】また、本願発明者らは、従来例において剥
離が生じるのは、多孔質支持体と水素透過性膜との熱膨
張率差とともに、水素吸収に伴う金属膜の格子膨張によ
る圧縮応力が主因であることを指示する結果を得た。つ
まり、パラジウムを含有した金属膜は水素吸収によりパ
ラジウム格子の膨張を引き起こし、これがセラミックス
の基材との熱膨張率差と相俟って、基材と水素透過性膜
との界面に剪断応力を生じさせるために膜の剥離、亀裂
などの物理的劣化が生じる。
【0014】これに対して本発明では、多孔質の基材を
セラミックスではなく金属材料から形成したことによ
り、パラジウムを含有する水素透過性膜との熱膨張率差
を小さくすることができる。それにより、多孔質の基材
から水素透過性膜が剥離することを抑制でき、耐久性を
向上させることが可能となる。
【0015】上記局面において好ましくは、微粒子の材
質は金属である。これにより、微粒子と基材または水素
透過性膜との熱膨張差も小さくすることができる。
【0016】上記局面において好ましくは、微粒子の平
均粒径は2μm以下である。このように微粒子の粒径を
小さくすることにより、孔を埋め込んだ後の微粒子同士
の隙間を小さくできるため、水素以外のガスリークの少
ない水素透過構造体を得ることができる。
【0017】また、微粒子の粒径を小さくすることによ
り、微粒子を埋込んだ状態での基材表面の表面粗さをさ
らに小さくすることができる。このため、この微粒子に
より埋込まれた基材表面上に形成される水素透過性膜に
ピンホールが生じることをさらに抑制することができ
る。
【0018】上記局面において好ましくは、微粒子は酸
化した金属の粉末である。これにより耐久性をさらに向
上させることができる。
【0019】本発明の水素透過構造体の製造方法は、パ
ラジウムを含有させた水素透過性膜を多孔質の基材上に
有する水素透過構造体の製造方法であって、金属材料か
らなる多孔質の基材表面に、少なくとも金属成分を含む
物質を分散させたスラリーを塗布した後に焼結する工程
を備えたことを特徴とするものである。
【0020】本発明の水素透過構造体の製造方法によれ
ば、基材表面の孔が埋込材により埋込まれることにより
比較的平坦になっているため、厚みが1μm以下の水素
透過性膜を基材表面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、ピンホールの発生
を防止できるとともに優れた水素透過性能を実現するこ
とができる。
【0021】また、水素透過性膜の厚みを薄くすること
ができるため、コストの高い貴金属であるパラジウムの
使用量を減少させることができる。また、単位面積当た
りの水素ガス透過能力は膜厚に反比例するため、水素透
過能力に優れる水素透過構造体となり、必要水素量一定
と考えるとより面積が少なくコンパクトになるメリット
がある。
【0022】多孔質の基材の孔に微粒子が埋込まれるこ
とにより、各微粒子間の隙間により孔の微細化を実現す
ることができる。
【0023】上記においてスラリーを塗布した後であっ
て焼結前に、基材表面が露出するまでスラリーを除去し
て、スラリーが基材表面の孔内にのみ残存される。
【0024】このようにスラリーを除去して基材表面を
露出させることにより、その上に形成される水素透過性
膜との界面が強固な金属結合となる。このため、水素透
過性膜の水素吸収または膨張によって水素透過性膜と支
持体との界面に剪断応力がかかる場合でも、膜の剥離、
亀裂などの物理的劣化を抑制することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図に基づいて説明する。
【0026】図1は、本発明の一実施の形態における水
素透過構造体の構成を概略的に示す断面図であり、図2
は図1の領域Pを拡大して示す断面図である。
【0027】図1および図2を参照して、本実施の形態
の水素透過構造体は、基材1と、水素透過性膜2と、埋
込材3とを有している。基材1は、金属材料からなり、
複数の孔1aを有する多孔質である。埋込材3は、基材
1表面の孔1a内に埋込まれている。水素透過性膜2
は、埋込材3によって埋込まれた基材1の表面上に形成
され、かつパラジウムを含有している。
【0028】多孔質の基材1の材質としては、たとえば
SUS316などの、鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニ
ッケル(Ni)の少なくとも1種を含有した金属が望ま
しい。また基材1の表面における孔1aの径は、ガス透
過の際の圧力損失を考えると5μm以上であることが望
ましい。
【0029】また埋込材3の充填微粒子の材質はどのよ
うな材質でもよいが、耐久性の観点からは、鉄、SU
S、ニッケルなどの金属、あるいは酸化鉄、アルミナ
(Al23)などの各種酸化物(酸化した金属の粉末)
などが望ましい。充填微粒子3の径は、水素透過性膜2
の欠陥を少なくすることを考えると平均径で2μm以下
であることが好ましい。
【0030】水素透過性膜2としてのパラジウム膜は優
れた水素透過性能を有するが、パラジウムの(100)
面での水素透過性能は他の結晶面に比べて低い。このた
め、(111)配向したパラジウム膜では配向していな
いパラジウム膜に比べて、良好な水素透過性能が得られ
る。本実施の形態では、電圧差を印加して形成したパラ
ジウム膜は(111)配向しており、これにより良好な
水素透過性能が得られる。
【0031】なお、図1および図2においては説明の便
宜上、孔1aの形状を単純化して直線状で示している
が、実際には孔1aはより複雑な形状を有している。こ
れは、後述する図3および図4のついても同様である。
【0032】次に、本実施の形態の製造方法について説
明する。図3および図4は、本発明の一実施の形態にお
ける水素透過構造体の製造方法を工程順に示す概略断面
図である。まず図3を参照して、たとえば径が5μm以
上の孔1aを多数有する多孔性の基材1の表面上に、水
あるいは有機溶媒にポリビニルアルコールやカルボキシ
ルメチルセルロースなどの増粘剤や界面活性剤とともに
酸化金属あるいは金属の微粒子を入れてよく混合した微
粒子分散スラリー3aがディップ法やスクリーン印刷法
で塗布される。これにより、微粒子分散スラリー3a中
の微粒子が基材1の孔1a内を埋込む。
【0033】この後、微粒子分散スラリー3a中の微粒
子が金属であれば水素などの還元雰囲気中で、また微粒
子が酸化物などのセラミックスであれば酸化雰囲気中
で、焼結が行なわれる。この焼結工程で、孔1a内の微
粒子同士の隙間により孔1aの微細化が実現する。
【0034】なお、微粒子分散スラリー3aを塗布した
後であって焼結前に、図4に示すように多孔質の基材1
の表面が露出するまで微粒子分散スラリー3aをゴムベ
ラあるいは布で拭き取ることにより、微粒子分散スラリ
ー3aを孔1a内にのみ残存させることが望ましい。上
記焼結後に、図1に示すようにパラジウムを含有した水
素透過性膜2が形成されるが、水素透過性膜2は基材1
に直接接して形成されるため、両者の界面は強固な金属
接合となる。これにより、水素透過性膜2の基材1への
密着特性を向上することができる。
【0035】なお、微粒子分散スラリー3a中の微粒子
の径を1μmとした場合、孔1a内を埋込む微粒子同士
の隙間は1μm程度もしくはそれ以下となるため、膜厚
が1μmという薄い水素透過性膜2を設けるだけで、水
素以外のガスリークの少ない水素透過構造体を実現する
ことができる。
【0036】水素透過性膜2の膜厚を薄くできることで
コストの高い貴金属であるパラジウムの使用量を減少さ
せることができる。また単位面積当りの水素ガス透過能
力は膜厚に反比例するため、水素透過能力に優れる水素
透過構造体が得られる。これにより、必要水素量を一定
と考えると、より面積が少なくコンパクトな水素透過構
造体が得られる。
【0037】また本実施の形態におけるパラジウムを含
有した水素透過性膜は水素吸収によりパラジウム格子の
膨張を引起す。セラミックス支持体との組合せで考える
と、水素透過性膜への水素吸収ひいては膜の膨張により
支持体との界面に剪断応力がかかり、膜の剥離、亀裂な
どの物理的劣化を生じやすいが、本実施の形態では、基
材1が金属材料であり基材1と水素透過性膜2との界面
は強固な金属結合となるため、このような物理的劣化も
生じにくい。
【0038】パラジウムを含有する水素透過性膜2の成
膜方法は何でもよいが、イオンプレーティング法、スパ
ッタ法などの13.33Pa以下の真空度で真空成膜す
る手法がよく用いられる。その際、基材1(あるいは基
材ホルダ)と蒸着原料(ターゲット)との間に400V
以上の電位差を設けることが好ましい。電位差を設ける
ことにより、蒸発原料が基材1に付着するときのエネル
ギが増大し、密着性の改善が見られる。
【0039】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。
【0040】(実施例1)φ22×1mmtの円板型の
金属材料よりなる多孔質の基材(以下、多孔質メタルと
称する)を材質SUS316で準備し、その上に平均径
1.2μmの微細鉄粉95質量%およびポリビニルアル
コール5質量%を溶解分散したスラリーをディッピング
により塗布した。この後、多孔質メタル表面に付着した
スラリーをゴムベラあるいは布で拭き取ることにより多
孔質メタルの凹部(孔)以外の部位で多孔質メタルを露
出させた。その後、水素雰囲気中で700℃×1時間の
熱処理を行なった。この表面処理基材をアセトンで超音
波洗浄し乾燥した。基材上に水素透過性金属膜を形成す
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。ターゲットとしてパラジウム金属をセットし、基
材とターゲット間の距離を300mmとした。真空引き
により容器内圧力を2.666×10-3Paとした後、
バイアス電圧値を−1000V、アーク電流値を80A
として、10分間パラジウムの成膜を行ない、多孔質メ
タル上に厚さ0.3μmのパラジウム膜を形成した。
【0041】このようにして形成した水素透過構造体に
ついて、400℃で、水素50%、窒素50%の混合ガ
スで1気圧差での水素透過性能を測定した。その結果、
水素が50ml/min/cm2、窒素0.05ml/
min/cm2の透過量であり、ほとんど水素ガスのみ
が選択透過することを確認した。
【0042】水素1気圧中で400℃と室温とのヒート
サイクル試験を20サイクル行なった。試験後、目視に
よる剥離検査や電子顕微鏡観察による膜の亀裂検査を行
なったが、全くそのような劣化は観測されなかった。ま
た電子顕微鏡観察による膜の亀裂検査を行なったが、全
くそのような劣化は観測されなかった。
【0043】(実施例2)φ22×1mmtの円板型の
多孔質メタル(材質SUS316)上に、平均径0.5
μm以下の微細酸化鉄紛および分散剤をフェノール水溶
液に溶解分散したスラリーをディッピングにより塗布し
た。この後、多孔質メタル表面に付着したスラリーをゴ
ムベラあるいは布で拭き取ることにより多孔質メタルの
凹部(孔)以外の部位で多孔質メタルを露出させた。そ
の後、大気雰囲気中で600℃×1時間の熱処理を行な
った。この表面処理基材をアセトンで超音波洗浄し乾燥
した。基材上に水素透過性金属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。ター
ゲットとしてパラジウム金属をセットし、基材とターゲ
ット間の距離を300mmとした。真空引きにより容器
内圧力を2.666×10-3Paとした後、バイアス電
圧値を−1000V、アーク電流値を80Aとして、1
0分間パラジウムの成膜を行ない、多孔質メタル上に厚
さ0.3μmのパラジウム膜を形成した。
【0044】このようにして形成した水素透過構造体に
ついて、400℃で、水素50%、窒素50%の混合ガ
スで1気圧差での水素透過性能を測定した。その結果、
水素40ml/分、窒素0.03ml/分の透過量であ
り、ほとんど水素ガスのみが選択透過することを確認し
た。
【0045】水素1気圧中で400℃と室温とのヒート
サイクル試験を20サイクル行なった。試験後、目視に
よる剥離検査や電子顕微鏡観察による膜の亀裂検査を行
なったが、全くそのような劣化は観測されなかった。ま
た、電子顕微鏡観察による膜の亀裂検査を行なったが、
全くそのような劣化は観測されなかった。
【0046】(実施例3)φ22×1mmtの円板型の
多孔質メタル(材質SUS316)上に、平均径1.2
μmの微細鉄粉95質量%およびポリビニルアルコール
5質量%を溶解分散したスラリーをディッピングにより
塗布した。この後、多孔質メタル表面に付着したスラリ
ーをゴムベラあるいは布で拭き取ることにより多孔質メ
タルの凹部(孔)以外の部位で多孔質メタルを露出させ
た。その後、水素雰囲気中で700℃×1時間の熱処理
を行なった。この表面処理基材をアセトンで超音波洗浄
し乾燥した。基材上に水素透過性金属膜を形成する装置
として、アークイオンプレーティング装置を使用した。
ターゲットとして、パラジウム90質量%、白金10質
量%の合金をセットし、基材とターゲットとの間の距離
を300mmとした。真空引きにより容器内圧力を2.
666×10-3Paとした後、バイアス電圧値を−10
00V、アーク電流値を80Aとして、10分間、パラ
ジウム−白金合金の成膜を行ない、多孔質メタル上に厚
さ0.3μmのパラジウム−白金膜を形成した。
【0047】このようにして形成した水素透過構造体に
ついて、400℃で、水素50%、窒素50%の混合ガ
スで1気圧差での水素透過性能を測定した。その結果、
水素80ml/min/cm2、窒素0.05ml/m
in/cm2の透過量であり、ほとんど水素ガスのみが
選択透過することを確認した。
【0048】水素1気圧中で400℃と室温のヒートサ
イクル試験を20サイクル行なった。試験後、目視によ
る剥離検査や電子顕微鏡観察による膜の亀裂検査を行な
ったが、全くそのような劣化は観測されなかった。また
電子顕微鏡観察による膜の亀裂検査を行なったが全くそ
のような劣化は観測されなかった。
【0049】今回開示された実施の形態および実施例は
すべての点で例示であって制限的なものではないと考え
られるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではな
くて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変更が含まれるこ
とが意図される。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い水素透過性能を有し、かつ耐久性のあるコンパクト
な水素透過構造体を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態における水素透過構造
体の構成を概略的に示す断面図である。
【図2】 図1の領域Pを拡大して示す断面図である。
【図3】 本発明の一実施の形態における水素透過構造
体の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。
【図4】 本発明の一実施の形態における水素透過構造
体の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
1 多孔質の基材、1a 孔、2 パラジウムを含有す
る水素透過性膜、3微粒子よりなる埋込材、3a 微粒
子分散スラリー。
───────────────────────────────────────────────────── 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 日方 威 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 MA03 MA07 MA09 MA22 MA31 MB04 MC02 MC02X NA31 NA49 PA01 PB20 PB63 PC80 5H027 AA02 BA01 BA16

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属材料からなる多孔質の基材と、 前記基材表面の孔内に埋込まれた金属およびセラミック
    スの少なくともいずれかの微粒子よりなる埋込材と、 前記埋込材で埋込まれた前記基材表面上に形成され、か
    つパラジウムを含有する水素透過性膜とを備えた、水素
    透過構造体。
  2. 【請求項2】 前記微粒子の材質は金属であることを特
    徴とする、請求項1に記載の水素透過構造体。
  3. 【請求項3】 前記微粒子の平均粒径が2μm以下であ
    ることを特徴とする、請求項1または2に記載の水素透
    過構造体。
  4. 【請求項4】 前記微粒子は酸化した金属の粉末である
    ことを特徴とする、請求項3に記載の水素透過構造体。
  5. 【請求項5】 パラジウムを含有させた水素透過性膜を
    多孔質の基材上に有する水素透過構造体の製造方法であ
    って、 金属材料からなる多孔質の前記基材表面に、少なくとも
    金属成分を含む物質を分散させたスラリーを塗布した後
    に焼結する工程を備えたことを特徴とする、水素透過構
    造体の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記スラリーを塗布した後であって前記
    焼結前に、前記基材表面が露出するまで前記スラリーを
    除去して、前記基材表面の孔内にのみ残存させることを
    特徴とする、請求項5に記載の水素透過構造体の製造方
    法。
JP2001039745A 2001-02-16 2001-02-16 水素透過構造体およびその製造方法 Withdrawn JP2002239352A (ja)

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