JP2003094542A

JP2003094542A - 開口積層材および開口積層材を用いた部品

Info

Publication number: JP2003094542A
Application number: JP2001290632A
Authority: JP
Inventors: Kinji Saijo; 謹二西條; Kazuo Yoshida; 一雄吉田; Shinji Osawa; 真司大澤
Original assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Current assignee: Toyo Kohan Co Ltd
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2003-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】透過層にピンホールなどの悪影響を与えること
なく、支持層に２段エッチング加工を施して、所定の開
口率で少なくとも１つの開口を設けてなる開口積層材お
よび開口積層材を用いた部品の提供。【解決手段】支持層と透過層を複数層積層した積層材に
おいて、積層材の開口部の支持層に２段エッチング加工
を施して、所定の開口率で少なくとも１つの開口を設け
ることにより、開口積層材を製造する。さらにこの開口
積層材を分離膜部品として、またはメッシュ板や基台を
積層して分離膜ユニットとして、水素分離装置などに適
用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、支持層と透過層を
複数層積層してなる積層材に複数段のエッチング処理を
施し、所定の開口率で開口を設けてなる開口積層材およ
び開口積層材を用いた部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、燃料電池システムの開発が進むに
つれて、高純度水素を得るための改質器用途に水素分離
膜を用いた水素分離装置が注目されてきており、これに
適用される各種の水素分離部品が提案されている。例え
ば、特開平７−１２４４５３号公報では、金属支持体に
電気メッキ法を用いて水素分離膜を積層させて、エッチ
ング法を用いて前記金属支持体に多数の細孔を設けるこ
とにより水素分離部品を形成している。しかしながら金
属支持体をエッチング加工して開口部を設けて水素分離
膜を露出させるする際に、水素分離膜にピンホールなど
の悪影響を生じさせてしまい分離機能を害してしまうな
どの問題点があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の技術
的問題に鑑みて、支持層のエッチング加工時に透過層に
悪影響を与えないように、支持層と透過層を複数層積層
してなる積層材に複数段のエッチング処理を施してなる
開口積層材および水素分離装置などに適用できる開口積
層材を用いた部品を提供することを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】前記課題に対する第１の
解決手段として本発明の開口積層材は、支持層と透過層
を複数層積層してなる積層材であって、積層材の少なく
とも１つの支持層に、複数段のエッチング処理を施し、
所定の開口率で少なくとも１つの開口を設けてなる構成
とした。この場合、前記所定の開口率が、５０％〜９９
％である構成とした。また前記複数段のエッチング処理
が、第１段がウェットエッチング処理からなり、第２段
が電解エッチング処理からなる構成とし、さらに前記複
数段のエッチング処理が、第１段で支持層の厚みの５μ
ｍ〜５０μｍを残すようにエッチング処理し、第２段で
支持層の厚み残部をエッチング処理してなる構成とし
た。

【０００５】前記課題に対する第２の解決手段として本
発明の部品は、第１の解決手段に記載の開口積層材を用
いた構成とした。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施形態を説明
する。図３は、本発明の開口積層材３０の一実施形態を
示す概略断面図であり、透過層２８の片面に支持層２６
を積層してなる積層材２０にエッチング加工を施して開
口を設けた例を示している。また図１は、本発明の開口
積層材３０の製造に用いる積層材２０の一実施形態を示
す概略断面図であり、透過層２８の片面に支持層２６を
積層した例を示している。

【０００７】支持層２６の材質としては、開口積層材３
０を製造可能であり、形成された部品を充分に支持しう
る強度などを有する素材で、エッチング加工が可能であ
れば特にその種類は限定されず、開口積層材３０の用途
により適宜選択して用いることができる。例えば、ステ
ンレス鋼、ニッケル、ニッケル基合金、銅合金、鉄−ニ
ッケル合金などを適用することができる。開口積層材３
０の用途が水素分離装置などであれば、支持層２６とし
てはステンレス鋼などを適用することができる。また支
持層２６の厚みは、１０〜５００μｍが好ましい。１０
μｍ未満では充分な強度を維持することが難しく、５０
０μｍを超えるとエッチング加工に向かなくなるととも
に重くなり過ぎる。

【０００８】透過層２８の材質としては、開口積層材３
０を製造可能であり、目的とするガスなどを充分に透過
しうる素材であれば特にその種類は限定されず開口積層
材３０の用途により適宜選択して用いることができる。
開口積層材３０の用途が水素分離装置などであれば、透
過層２８としては、パラジウム、パラジウムを含む合
金、ジルコニウム−ニッケル合金などを適用することが
できる。パラジウムを含む合金として、例えばパラジウ
ム−銀合金（例えば２３％銀含有）、パラジウム−ホル
ミウム合金（例えば８％ホルミウム含有）、パラジウム
−ガドリニウム合金など）が適用できる。パラジウムに
合金化させる元素の含有量は、特に限定されないが、１
〜５０重量％であることが好ましく、１０〜３０重量％
が更に好ましい。パラジウム合金を用いる理由は、パラ
ジウム単体では、水素脆化が生じ、合金元素の含有量を
１重量％以上とすると、水素脆化が防止できるからであ
る。また、合金元素の含有量が５０重量％を超えると、
水素の透過速度が遅くなるので好ましくないからであ
る。透過層２８は、板材でもよいし、メッキや蒸着など
により作製した膜材であってもよいし、アモルファスで
あってもよいし、複数層の透過層からなる積層体であっ
てもよい。また透過層２８の厚みは、１〜１００μｍが
好ましい。１μ未満ではピンホールを生じやすくなり、
１００μｍを超えると透過効率が低下したり重くなり過
ぎる。より好ましくは、５〜５０μｍである。

【０００９】開口積層材は、支持層と透過層を複数層積
層してなる積層材にエッチング加工を施して開口を設け
たものであって、積層材の少なくとも１つの接合面は高
圧延率での冷間圧延などにより接合が可能であり、さら
に必要により冷間圧延や焼鈍処理などを施して所要の板
厚を得ることができる。その他にも、所定の板厚の２つ
の層に活性化処理を施して積層接合する方法があり、以
下にその活性化接合法について説明する。

【００１０】活性化接合法による製造方法について、図
１に示す２層構造の積層材２０を例に取り、支持層２６
ならびに透過層２８が共に板材である場合を説明する。
図６に示すように、真空槽５２内において、巻き戻しリ
ール６２に設置された透過層２８は、支持層２６との接
合予定面側を、活性化処理装置７０で活性化処理され
る。同様にして巻き戻しリール６４に設置された支持層
２６は、透過層２８との接合予定面側を、活性化処理装
置８０で活性化処理される。

【００１１】活性化処理は、以下のようにして実施す
る。すなわち、真空槽５２内に装填された支持層２６、
透過層２８をそれぞれアース接地された一方の電極Ａと
接触させ、絶縁支持された他の電極Ｂとの間に、１０〜
１×１０^−３Ｐａの極低圧不活性ガス雰囲気好ましくは
アルゴンガス中で、１〜５０ＭＨｚの交流を印加してグ
ロー放電を行わせ、グロー放電によって生じたプラズマ
中に露出される電極Ａと接触した支持層２６、透過層２
８のそれぞれの面積が、電極Ｂの面積の１／３以下とな
るようにスパッタエッチング処理する。なお不活性ガス
圧力が１×１０⁻ ^３Ｐａ未満では安定したグロー放電が
行いにくく高速エッチングが困難であり、１０Ｐａを超
えると活性化処理効率が低下する。印加する交流は、１
ＭＨｚ未満では安定したグロー放電を維持するのが難し
く連続エッチングが困難であり、５０ＭＨｚを超えると
発振し易く電力の供給系が複雑となり好ましくない。ま
た、効率よくエッチングするためには電極Ａと接触した
支持層２６、透過層２８のそれぞれの面積を電極Ｂの面
積より小さくする必要があり、１／３以下とすることに
より充分な効率でエッチング可能となる。

【００１２】その後これら活性化処理された支持層２
６、透過層２８を積層接合する。積層接合は、支持層２
６、透過層２８のそれぞれ活性化処理された面が対向す
るようにして両者を当接して重ね合わせ圧接ユニット６
０で冷間圧接を施すことによって達成される。この際の
積層接合は低温度で可能であり、支持層２６、透過層２
８ならびに接合部に組織変化や合金層の形成などといっ
た悪影響を軽減または排除することが可能である。Ｔを
支持層、透過層の温度（℃）とするとき、０℃＜Ｔ≦３
００℃で良好な圧接状態が得られる。０℃以下では特別
な冷却装置が必要となり、３００℃を超えると組織変化
などの悪影響が生じてくるため好ましくない。また圧延
率Ｒ（％）は、０．０１％≦Ｒ≦３０％であることが好
ましい。０．０１％未満では充分な接合強度が得られ
ず、３０％を超えると変形が大きくなり加工精度上好ま
しくない。より好ましくは、０．１％≦Ｒ≦３％であ
る。

【００１３】このように積層接合することにより、所要
の層厚みを有する積層材２０を形成することができ、巻
き取りロール６６に巻き取られる。さらに必要により所
定の大きさに切り出して、図１に示す積層材２０を製造
することができる。またこのようにして製造された積層
材２０に、必要により残留応力の除去または低減などの
ために熱処理を施してもよい。

【００１４】なお積層材２０の製造にはバッチ処理を用
いることができる。すなわち真空槽内に予め所定の大き
さに切り出された支持層や透過層の板材を複数枚装填し
て活性化処理装置に搬送して垂直または水平など適切な
位置に処理すべき面を対向または並置した状態などで設
置または把持して固定して活性化処理を行い、さらに支
持層や透過層の板材を保持する装置が圧接装置を兼ねる
場合には活性化処理後に設置または把持したまま圧接
し、支持層や透過層の板材を保持する装置が圧接装置を
兼ねない場合にはプレス装置などの圧接装置に搬送して
圧接を行うことにより達成される。なお活性化処理は、
支持層や透過層の板材を絶縁支持された一方の電極Ａと
し、アース接地された他の電極Ｂとの間で行うことが好
ましい。

【００１５】次に支持層−透過層−支持層の３層構造の
積層材は、上記説明において支持層２６に、透過層２８
に替えて上記説明した方法で製造した２層構造の積層材
２０を積層することにより製造することができる。また
前記３層構造の積層材は、板材の支持層２６にメッキや
蒸着などによる膜材の透過層２８を積層した積層材２０
を用いることでも製造することができる。さらに必要に
より積層材にメッキや蒸着などによる膜を積層してもよ
い。

【００１６】本発明の開口積層材は、例えば図３に示す
ように支持層−透過層の２層構造の積層材２０に２段の
エッチング加工を施して、所定の開口率で支持層２６に
少なくとも１つの開口を設けたものである。この場合、
支持層２６の材質、エッチング方法、エッチング液など
を適切に選定することにより、透過層２８に悪影響を与
えることなくエッチング加工を施すことができる。すな
わち、支持層２６を加工する１段目をウェットエッチン
グ処理として、支持層２６の厚みの大部分をエッチング
加工して中間加工材２２を製造し、次いで中間加工材２
２の支持層２６の残部を加工する２段目を電解エッチン
グ処理として、支持層２６の残部をエッチング加工する
ことにより、透過層２８がエッチングの影響を受けない
ように開口を設けることができる。例えばこの２層構造
の積層材２０は、ステンレス箔２６にパラジウム合金箔
２８を積層接合してなるステンレス（支持層２６）−パ
ラジウム合金（透過層２８）構造のものを用い、エッチ
ング液として、ステンレス箔２６に対して、第１段のウ
ェットエッチング処理では塩化第二鉄液を用い、第２段
の電解エッチング処理ではリン酸液を用いる。この場
合、ウエットエッチング処理はスプレー式によるエッチ
ングによる方法が好ましい。リン酸液の電解エッチング
では透過層２８のパラジウム合金はエッチングされない
ので、透過層２８に悪影響を与えることなく支持層２６
に開口を設けることができる。またウェットエッチング
処理は電解エッチング処理に比較してエッチングスピー
ドが速いため、第１段エッチング処理で支持層２６の厚
みの大部分をエッチング加工し、第２段エッチング処理
で残部をエッチング処理することにより総加工時間を短
縮することができる。第１段エッチングによる加工は、
支持層２６の厚みの５μｍ〜５０μｍを残すようにする
ことが好ましい。残部が５μｍ未満では局部的に透過層
にピンホールを発生させるなどの悪影響が生じる恐れが
あり、残部が５０μｍを超えると総加工時間が長くなり
すぎる。より好ましくは、１０μｍ〜３０μｍである。
さらに好ましくは、１５μｍ〜２５μｍである。同様に
して支持層−透過層−支持層の３層構造の積層材にエッ
チング加工を施すことによって、透過層の両面に開口を
設けた開口積層材を製造することができる。

【００１７】本発明の開口積層材を分離膜部品や図４に
示す分離膜ユニットに適用する場合、目的とするガスの
分離効率を高めるために、供給ガスＧ側の開口部は開口
の総面積を増して透過層と供給ガスＧとの接触面積を大
きくすることが求められる。開口積層材の支持層に丸孔
や長孔などの開口を多数設けることでは開口間に支持層
が残るため開口率は低くなり、そのため開口積層材自体
を大きくしなければらなくなが、逆に各開口を大きくし
て開口間の残部を減らすことにより開口率を上げて開口
の総面積を増すことができる。本発明の開口積層材で
は、支持層に２段エッチング加工を施すことにより、各
開口の面積を増しても支持層のエッチング加工による透
過層へのピンホール発生などの悪影響はないため、各開
口の大きさはエッチング加工による制限は受けずに、強
度などにより決定することができる。各開口の大きさは
形状により異なるが、幅または短径で１ｍｍ〜１００ｍ
ｍ、あるいは面積で１ｍｍ^２〜１００００ｍｍ^２である
ことが好ましい。１ｍｍ未満では充分な接触面積が得ら
れず、１００ｍｍを超えると強度が不足してくる。同様
に１ｍｍ^２未満では充分な接触面積が得られず、１００
００ｍｍ^２を超えると強度が不足してくる。より好まし
くは、幅または短径で２ｍｍ〜１０ｍｍ、あるいは面積
で４ｍｍ^２〜１００ｍｍ^２である。開口積層材は、溶接
しろなどの固定や保持のための領域の枠部と透過層を露
出させるための孔開け加工を施す領域の開口部からな
り、さらに開口部は透過層が露出する少なくとも１つの
開口と開口間に残された支持層の仕切からなる。開口面
積を開口部における透過層の露出した面積とし、仕切面
積を開口部における透過層が隠れた非露出面積とすると
き、開口面積の総和と仕切面積の総和の比率である開口
率は、開口率（％）＝露出総面積／（露出総面積＋仕切
総面積）で表すことができる。なお開口率は５０％〜９
９％が好ましい。５０％未満では分離効率が悪く９９％
を超えると強度が不足する。より好ましくは７０％〜９
５％であり、さらに好ましくは８０％〜９０％である。

【００１８】また本発明の部品は、本発明の開口積層材
を適用してなるもので、分離膜部品などや、さらにメッ
シュ板や基台を積層してレーザー溶接などで接合するこ
とにより製造された分離膜ユニットなどである。さらに
分離膜部品や分離膜ユニットを水素分離装置などに適用
することができる。

【００１９】分離膜ユニットは、例えば開口積層材３０
にメッシュ板３４を積層したものであり、あるいは図４
に示すように基台３６をさらに積層したものである。開
口積層材３０は、支持層−透過層の２層構造の積層材２
０に２段のエッチング加工を施して製造したもので、透
過層２８の片面に開口を有し他面が露出した形態であ
る。この開口積層材３０の透過層露出面側にメッシュ板
３４を、また必要により基台３６を積層してレーザー溶
接などで接合することにより分離膜ユニット３２を製造
することができる。メッシュ板３４は開口積層材の保護
や補強などを図るためのものであり、ステンレス鋼など
にエッチング加工などを施して貫通孔を設けたものであ
る。基台３６は、開口積層材の保持や透過層より透過し
た水素などの目的とする透過ガスを集めるためのもので
あり、例えば図５に示すように基台の表面や内部に透過
ガスＨのための溝３７やトンネル３８などの導出路を設
けたものである。図５では、基台の凸部３９はメッシュ
板３４を支えるために６ヶ所設けてあり、この基台の凸
部の形あるいは数は適宜設ければよい。さらに基台の他
の面にも適切な導出路を設けることにより、基台の上下
面や側面にも開口積層材を配置することができ、分離膜
ユニットの分離能力を高めることができる。例えば、基
台の上下面に導出路を設けて２つの開口積層材を積層し
た場合、分離能力はほぼ２倍となる。なお必要により開
口積層材の供給ガスＧ側にメッシュ板を積層してもよい
し、透過層の両面に開口を有する開口積層材を用いる場
合は、開口積層材と基台３６の間のメッシュ板３４を省
略してもよい。

【００２０】

【実施例】以下に、実施例を図面に基づいて説明する。（実施例１）支持層２６として厚み１００μｍのステン
レス（ＪＩＳ規定のＳＵＳ４３０）箔を用い、透過層２
８として厚み２０μｍのパラジウム−２８％Ａｇ合金箔
を用いて、ステンレス箔、パラジウム−２８％Ａｇ合金
箔を積層材製造装置５０にセットし、真空槽５２内の活
性化処理ユニット７０および８０でスパッタエッチング
法により、アルゴンガス雰囲気中（圧力：１０^ー１Ｐ
ａ）で、それぞれ活性化処理した。次に圧接ユニット６
０を用いて、これら活性化処理されたステンレス箔、パ
ラジウム−２８％Ａｇ合金箔を、活性化処理面同士を重
ね合わせて圧接（圧延率：１％）して積層接合して積層
材２０を製造した。さらに積層材２０に２段エッチング
加工を施して開口積層材３０を製造し、開口積層材３０
にメッシュ板３４、基台３６を接合して分離膜ユニット
３２を製造した。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の開口積層材
は支持層と透過層を複数層積層してなる積層材に２段エ
ッチング処理を施してなるものであり、本発明の部品は
開口積層材を用いたものである。このため透過層に悪影
響を与えることなく支持層に開口を形成可能であり、水
素分離装置などへの適用も好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の開口積層材に用いる積層材の一実施形
態を示す概略断面図である。

【図２】本発明の開口積層材に用いる中間加工材の一実
施形態を示す概略断面図である。

【図３】本発明の開口積層材の一実施形態を示す概略断
面図である。

【図４】本発明の部品の一実施形態を示す概略断面図で
ある。

【図５】本発明の部品の製造に用いる基台の一実施形態
を示す概略平面図である。

【図６】積層材の製造に用いる装置の一実施形態を示す
概略断面図である。

【符号の説明】

２０積層材２２中間加工材２６支持層２８透過層３０開口積層材３２透過膜ユニット３４メッシュ板３６基台３７溝３８トンネル３９基台の凸部５０積層材製造装置５２真空槽６０圧接ユニット６１圧接ロール６２巻き戻しリール６３圧接ロール６４巻き戻しリール６６巻き取りロール７０活性化処理装置７２電極ロール７４電極８０活性化処理装置８２電極ロール８４電極Ａ電極ＡＢ電極ＢＧ供給ガスＨ透過ガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4F100 AB04 AB24 AB31 AB33 AR00B AT00A BA02 BA07 BA41A DC11A EJ153 GB41 JD02 JD02B YY00A 5H027 AA02 BA01 DD00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持層と透過層を複数層積層してなる積
層材であって、積層材の少なくとも１つの支持層に、複
数段のエッチング処理を施し、所定の開口率で少なくと
も１つの開口を設けてなることを特徴とする開口積層
材。
【請求項２】前記所定の開口率が、５０％〜９９％で
あることを特徴とする請求項１に記載の開口積層材。
【請求項３】前記複数段のエッチング処理が、第１段
がウェットエッチング処理からなり、第２段が電解エッ
チング処理からなることを特徴とする請求項１または２
に記載の開口積層材。
【請求項４】前記複数段のエッチング処理が、第１段
で支持層の厚みの５μｍ〜５０μｍを残すようにエッチ
ング処理し、第２段で支持層の厚み残部をエッチング処
理してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに
記載の開口積層材。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の開口積
層材を用いたことを特徴とする部品。