JP2005013855A - Hydrogen separating body and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素分離体及びその製造方法に関し、更に詳しくは、熱サイクルを加えても水素分離層の剥離や欠陥が発生し難く、気密性が低下し難い水素分離体及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、水蒸気改質ガス等の水素を含有するガスから水素のみを選択的に取り出すために、セラミック多孔質基体にパラジウム等からなる水素分離層を配設した水素分離体が使用されている。水素分離体は、高温において水素のみを分離するために使用されることがあるため、高温又は昇降温が繰り返される環境において高い気密性を有することが要求される。
【0003】パラジウム等の水素分離層をセラミック多孔質基体に配設して水素分離体を製造するときには、例えば、メッキ等の方法によりパラジウムをセラミック多孔質基体の表面に配設している(例えば、特許文献1〜3参照)。しかし、この場合、パラジウムとセラミック多孔質基体のそれぞれの熱膨張係数が異なり、更に、パラジウムとセラミック多孔質基体との濡れ性が良くないため、昇降温が繰り返され、熱サイクルが加えられると、パラジウムがセラミック多孔質基体から剥離したり、パラジウムに欠陥が発生し、気密性が低下するという問題があった。また、パラジウムをセラミック多孔質基体に配設した後に銀等をパラジウムの表面に配設し、その後に加熱することにより、パラジウムと銀との合金をセラミック多孔質基体に配設して、水素分離層とする場合には、上記合金がセラミック多孔質基体から、より剥離し易くなるという問題があった。
【0004】
【特許文献1】
特開平3−146122号公報
【特許文献2】
特許第3213430号公報
【特許文献3】
特開昭62−273030号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱サイクルを加えても水素分離層の剥離や欠陥が発生し難く、気密性が低下し難い水素分離体及びその製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明によって以下の水素分離体及びその製造方法が提供される。
【0007】
[1] その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体に配設された、前記一又は他の表面側から流入する水素を含む気体のうち水素だけを選択的に透過させて前記他又は一の表面側から流出させることが可能な水素分離層とを備える水素分離体であって、前記水素分離層が、前記多孔質基体の前記一の表面に所定の金属層を介在させた状態で配設され、前記所定の金属層を介在させることにより、水素の前記他又は一の表面側からの流出を妨げることなしに、前記水素分離層と前記多孔質基体との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させてなることを特徴とする水素分離体。
【0008】
[2] 前記所定の金属層がチタン(Ti)からなる金属層である[1]に記載の水素分離体。
【0009】
[3] 前記多孔質基体がセラミックを主成分としてなる[1]又は[2]に記載の水素分離体。
【0010】
[4] 前記水素分離層が水素選択透過性金属から構成されてなる[1]〜[3]のいずれかに記載の水素分離体。
【0011】
[5] 前記水素選択透過性金属が、パラジウム又はパラジウムを含有する合金である[4]に記載の水素分離体。
【0012】
[6] 前記水素分離層の厚さが1〜5μmである[1]〜[5]のいずれかに記載の水素分離体。
【0013】
[7] 前記所定の金属層が、真空蒸着法により形成されてなる[1]〜[6]のいずれかに記載の水素分離体。
【0014】
[8] その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体に配設された、前記一の表面側から流入する水素を含む気体のうち水素だけを選択的に透過させて前記他の表面側から流出させることが可能な水素分離層とを備える水素分離体の製造方法であって、前記多孔質基体の前記一の表面に所定の金属層を配設し、前記所定の金属層の表面に前記水素分離層をメッキ処理により配設し、前記水素分離層と前記多孔質基体との間の接着性を、前記所定の金属層を介在させることにより、水素の前記他の表面側からの流出を妨げることなしに、両者の直接的な接触による場合よりも向上させることを特徴とする水素分離体の製造方法。
【0015】
[9] 前記所定の金属層がチタン(Ti)からなる金属層である[8]に記載の水素分離体の製造方法。
【0016】
[10] 前記多孔質基体がセラミックを主成分としてなる[8]又は[9]に記載の水素分離体の製造方法。
【0017】
[11] 前記水素分離層が水素選択透過性金属から構成されてなる[8]〜[10]のいずれかに記載の水素分離体の製造方法。
【0018】
[12] 前記水素選択透過性金属が、パラジウム又はパラジウムを含有する合金である[11]に記載の水素分離体の製造方法。
【0019】
[13] 前記水素分離層の厚さが1〜5μmである[8]〜[12]のいずれかに記載の水素分離体の製造方法。
【0020】
[14] 前記所定の金属層を、真空蒸着法により配設する[8]〜[13]のいずれかに記載の水素分離体の製造方法。
【0021】このように、本発明の水素分離体によれば、水素分離層が、多孔質基体の一の表面に所定の金属層を介在させた状態で配設され、その所定の金属層を介在させることにより、水素を含む気体を一の表面側又は他の表面側から流入させたときに水素が他の表面側又は一の表面側から流出することを妨げずに、水素分離層と多孔質基体との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させてなるため、熱サイクルを加えても水素分離層の剥離や欠陥が発生し難く、気密性が低下し難くなる。
【0022】本発明の水素分離体の製造方法によれば、多孔質基体の一の表面に所定の金属層を配設し、その所定の金属層の表面に水素分離層をメッキ処理により配設し、水素分離層と多孔質基体との間の接着性を、所定の金属層を介在させることにより、水素を含む気体を一の表面側又は他の表面側から流入させたときに水素が他の表面側又は一の表面側から流出することを妨げずに、両者の直接的な接触による場合よりも向上させるため、熱サイクルを加えても水素分離層の剥離や欠陥が発生し難く、気密性が低下し難い水素分離体を得ることができる。
【0023】
【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。
【0024】図1は、本発明の水素分離体の一の実施の形態を模式的に示す、水素分離層に垂直な平面で切断した断面図である。
【0025】図1に示すように、本実施の形態の水素分離体1は、その一の表面5から他の表面(図示せず)まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体2と、多孔質基体2に配設された、一の表面5側又は他の表面(図示せず)側から流入する水素を含む気体のうち水素だけを選択的に透過させて他の表面(図示せず)側又は一の表面5側から流出させることが可能な水素分離層3とを備える水素分離体1であって、水素分離層3が、多孔質基体2の一の表面5に所定の金属層4を介在させた状態で配設され、所定の金属層4を介在させることにより、水素の他の表面(図示せず)側又は一の表面5側からの流出を妨げることなしに、水素分離層3と多孔質基体2との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させてなることを特徴とする。水素分離体1により、水素を含む気体から水素を分離するときには、水素を含む気体を、一の表面5側から流入させて他の表面(図示せず)側から流出させてもよいし、他の表面(図示せず)側から流入させて一の表面5側から流出させてもよい。
【0026】このように、水素分離層3が、多孔質基体2の一の表面5に所定の金属層4を介在させた状態で配設されており、水素分離層3と多孔質基体2との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させているため、熱サイクルを加えても水素分離層3の剥離や欠陥が発生し難く、気密性が低下し難い水素分離体1を得ることができる。
【0027】本実施の形態の水素分離体1を構成する多孔質基体2は、セラミックを主成分とする多孔質体であることが好ましい。セラミックを主成分とすることにより、耐熱性、耐食性等に優れ、機械的強度の強い水素分離体1とすることができる。セラミックとしては特に限定されるものではなく、水素分離体として一般的に使用されるセラミックのいずれでも採用することができる。例えば、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア等が挙げられる。セラミック以外の成分としては、不可避的に含有される成分や、通常添加されるような成分を少量含有してもよい。この多孔質基体2は、3次元状に連続した多数の微細な細孔を有するものであるが、この細孔の孔径は、0.003〜2μmであることが好ましく、0.1〜1μmであることがより好ましい。孔径が0.003μm未満では、ガスが通過するときの抵抗が大きくなることがある。一方、孔径が2μmを超えると、本実施の形態の水素分離体1を製造するときに、化学メッキにより水素分離層3を配設する場合には、水素選択透過性金属により細孔を閉塞し難くなり、気密性が低下することがあるので、好ましくない。
【0028】また、多孔質基体2の細孔は、孔径が揃っていることが好ましい。これにより、上記化学メッキにより水素分離層3を配設する場合に、メッキ溶液を細孔に漏れなく均一に侵入させ易く、水素選択透過性金属が充填されない細孔が生じ、気密性が低下してしまう問題を回避できる。
【0029】所定の金属層4とは、多孔質基体2との濡れ性が良く、接着性のよいものである。それにより、得られる水素分離体1に熱サイクルが加わっても、多孔質基体2と所定の金属層4との接続部分から剥離が発生することを抑制することができる。多孔質基体2がセラミックを主成分とするときには、所定の金属層4を構成する金属がチタンであることが好ましい。また、水素分離層3は水素選択透過性金属から構成されていることが好ましい。このように構成することにより、チタンとセラミックとの濡れ性がよいため、チタンとセラミックとの間の接着性は良好なものとなる。そして、チタンと水素選択透過性金属とは共に金属であるためその接着性が良好である。つまり、セラミックと水素選択透過性金属との間にチタンを介在させる構成にすることにより、水素分離層3と多孔質基体2との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させることになる。そのため、水素分離体1に加熱、冷却の熱サイクルを加えることにより、水素分離層3と多孔質基体2が膨張、収縮を繰り返しても、水素分離層3に剥離や欠陥が発生し難く、気密性が低下し難いものとなる。
【0030】所定の金属層4とは、多孔質基体2との濡れ性が良好である金属(活性金属)を含有する金属層であり、多孔質基体2の材質に合わせて適宜決定することができる。上記活性金属としては、例えば、多孔質基体2がセラミックからなる場合には、上述のようにチタンが好ましいが、チタン以外にも、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)等を挙げることができる。
【0031】所定の金属層4の厚さは、0.01〜1μmが好ましい。0.01μmより薄いと、水素分離層3と多孔質基体2との間の接着性を向上させる効果が低下することがあり、1μmより厚いと、多孔質基体2の細孔を塞ぐことがある。所定の金属層4は、多孔質基体2の一の表面5を、細孔を塞がないようにしながら覆う必要がある。それにより、水素分離層3を透過した水素が、細孔を通過して、多孔質基体2の他の表面(図示せず)側から流出することが可能となる。さらに、上記活性金属は水素化物を形成し所定の金属層の破壊を生じるため、1μmより厚いと、水素分離層が破壊されることがある。
【0032】水素分離層3の厚さは、1〜5μmが好ましい。1μmより薄いと、水素分離層3に欠陥が生じ易くなることがあり、5μmより厚いと、水素分離層3による水素の分離の分離効率が低下することがある。
【0033】水素分離層3を構成する水素選択透過性金属は、水素を選択的に透過させることができれば特に限定されるものではなく、パラジウム又はパラジウムを含有する合金等が挙げられる。これらのなかでも、パラジウム又はパラジウムを含有する合金が好ましい。パラジウムは水素だけを選択的に効率よく透過させることができる。パラジウムを含有する合金としては、パラジウムと銀との合金が好ましい。パラジウムと銀とを合金化することにより、パラジウムの水素脆化が防止され、高温時の水素の分離効率が向上する。
【0034】次に、本発明の水素分離体の製造方法の一の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【0035】図2(a)、図2(b)は、本実施の形態の水素分離体の製造方法において水素分離体が得られる過程を模式的に示し、図2(a)は多孔質基体に所定の金属を配設したものを示す断面図であり、図2(b)は得られた水素分離体を示す断面図である。
【0036】本実施の形態の水素分離体の製造方法では、まず、図2(a)に示すように、その一の表面15から他の表面(図示せず)まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体12の、一の表面15に所定の金属層14を配設する。そして、図2(b)に示すように、所定の金属層14の表面に水素分離層13をメッキ処理により配設することにより水素分離体10を得る。水素分離体10により、水素を含む気体から水素を分離するときには、水素を含む気体を、一の表面15側から流入させてもよいし、上記他の表面(図示せず)側から流入させてもよい。
【0037】多孔質基体12としては、セラミックを主成分とする多孔質体であることが好ましい。セラミックを主成分とすることにより、耐熱性、耐食性等に優れ、機械的強度の高い水素分離体10とすることができる。セラミックとしては特に限定されるものではなく、水素分離体として一般的に使用されるセラミックのいずれでも採用することができる。例えば、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア等が挙げられる。セラミック以外の成分としては、不可避的に含有される成分や、通常添加されるような成分を少量含有してもよい。この多孔質基体12は、3次元状に連続した多数の微細な細孔を有するものであるが、この細孔の孔径は、0.003〜2μmであることが好ましく、0.1〜1μmであることがより好ましい。孔径が0.003μm未満では、ガスが通過するときの抵抗が大きくなることがある。一方、孔径が2μmを超えると、本実施の形態の水素分離体の製造方法により水素分離体10を製造するときに、化学メッキにより水素分離層13を配設する場合には、水素選択透過性金属により細孔を閉塞し難くなり、気密性が低下することがあるので、好ましくない。
【0038】また、多孔質基体12の細孔は、孔径が揃っていることが好ましい。これにより、上記化学メッキにより水素分離層13を配設する場合に、メッキ溶液を細孔に漏れなく均一に侵入させ易く、水素選択透過性金属が充填されない細孔が生じ、気密性が低下してしまう問題を回避できる。
【0039】所定の金属層14とは、多孔質基体12との濡れ性が良く、接着性のよいものである。例えば、多孔質基体12がセラミックである場合には、所定の金属層14をチタンとすることが好ましい。これにより、得られる水素分離体に熱サイクルが加わっても、セラミックとチタンとの接続部分から剥離が発生することを抑制することができる。
【0040】チタンをセラミック製の多孔質基体12に配設する方法は、特に限定されるものではないが、真空蒸着法により多孔質基体12の一の表面15にチタン膜を形成することが好ましい。真空蒸着法によりチタン膜を形成することにより、所望の厚さの膜を、一の表面15全体に均一に配設することができる。
【0041】多孔質基体12にチタンを真空蒸着法により配設するときには、清浄化した多孔質基体を真空容器上部に配置し、内部を排気した後、容器下部のるつぼ内部でチタン金属を加熱融解し、その蒸気を多孔質基体に当てることで配設することができる。
【0042】また、真空蒸着法以外にも、スパッタリング法や、プラズマCVD法等により多孔質基体12に所定の金属層14を配設してもよい。
【0043】所定の金属層14の厚さは、0.01〜1μmが好ましい。0.01μmより薄いと、水素分離層13(図2(b)参照)を配設したときに、多孔質基体12との間の接着性を向上させる効果が低下することがあり、1μmより厚いと、多孔質基体12の細孔を塞ぐことがある。所定の金属層14は、多孔質基体12の一の表面15を、細孔を塞がないように、覆う必要がある。それにより、例えば、水素を含む気体を一の表面15側から流入させたときには、水素分離層13(図2(b)参照)を透過した水素が、細孔を通過して、多孔質基体12の他の表面(図示せず)側から流出することが可能となる。さらに、上記活性金属は水素化物を形成し所定の金属層の破壊を生じるため、1μmより厚いと、水素分離層が破壊されることがある。
【0044】所定の金属層14を構成する金属としては、特に限定されるものではなく、多孔質基体12との濡れ性が良好であるものを、多孔質基体12の材質に合わせて適宜決定することができる。例えば、多孔質基体12がセラミックからなる場合には、上述のようにチタンが好ましいが、チタン以外にも、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、バナジウム(V)等を挙げることができる。
【0045】そして、上述のように、多孔質基体12の一の表面15に所定の金属層14を配設した後に、所定の金属層14の表面に水素分離層13をメッキ処理により配設する。水素分離層13を配設することにより、多孔質基体12の一の表面15側から水素を含む気体が流入したときには、水素だけを選択的に透過させて多孔質基体12の他の表面(図示せず)側から流出させることが可能となる。また、他の表面(図示せず)側から水素を含む気体が流入したときには、水素分離層13により水素だけを選択的に透過させて多孔質基体12の一の表面15側から流出させることができる。
【0046】水素分離層13は、水素選択透過性金属から構成されることが好ましい。水素選択透過性金属としては、水素を選択的に透過させることができるものであれば特に限定されるものではなく、パラジウム又はパラジウムを含有する合金等を使用することができる。これらのなかでも、パラジウム又はパラジウムを含有する合金が好ましい。パラジウムは水素だけを選択的に効率よく透過させることができる。パラジウムを含有する合金としては、パラジウムと銀との合金が好ましい。パラジウムと銀とを合金化することにより、パラジウムの水素脆化が防止され、高温時の水素の分離効率が向上する。
【0047】所定の金属層14の表面に水素分離層13をメッキ処理により配設するときには、例えば、所定の金属層14の表面にパラジウムを化学メッキにより配設することが好ましい。
【0048】所定の金属層14の表面にパラジウムを化学メッキにより配設するときには、まず、所定の金属層14を配設した多孔質基体12を活性化金属を含有する溶液に浸漬させ、所定の金属層14の表面側に活性化金属を含有する溶液を付着させ、水洗する。活性化金属としては、パラジウム2価イオンを含有する化合物を好適に用いることができる。活性化金属を多孔質基体12の所定の金属層14側に付着させる方法としては、水素選択透過性金属としてパラジウムを配設する場合には、多孔質基体12を塩化パラジウムの塩酸水溶液と、塩化錫の塩酸水溶液に交互に浸漬させることが好ましい。
【0049】活性化金属を多孔質基体12の所定の金属層14側に付着させた後に、多孔質基体12の所定の金属層14側を、水素選択透過性金属(パラジウム)と還元剤とを含有するメッキ溶液に浸漬させる。これにより、活性化金属を核として、パラジウムが析出し、パラジウムからなる水素分離層13が形成される。還元剤としては、ヒドラジン、ジメチルアミンボラン、ホスフィン酸ナトリウム、ホスホン酸ナトリウム等を挙げることができる。
【0050】このようにして作製された、図2(b)に示す水素分離体10は、セラミック製の多孔質基体12の一の表面15にチタンから構成された所定の金属層14を配設し、その所定の金属層14の表面にパラジウムから構成された水素分離層13が配設されるため、水素分離層13と多孔質基体12との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させることができ、熱サイクルを加えても水素分離層13の剥離や欠陥が発生し難く、気密性が低下し難い水素分離体10となる。
【0051】本実施の形態の水素分離体の製造方法において、水素分離層13の厚さは、1〜5μmが好ましい。1μmより薄いと、水素分離層13に欠陥が生じ易くなることがあり、5μmより厚いと、水素分離層13による水素分離の分離効率が低下することがある。
【0052】本実施の形態の水素分離体の製造方法において、水素分離層13を構成する水素選択透過性金属を、パラジウムと銀との合金とするときには、パラジウム膜を所定の金属14の表面に化学メッキすることにより配設した後、そのパラジウム膜の表面に銀を更にメッキする。次いで、加熱することにより、パラジウムと銀とを相互拡散させ、パラジウムと銀との合金を形成することが好ましい。パラジウム膜の表面に銀をメッキするときは、パラジウム膜を電極として、電気メッキすることが好ましい。このとき、パラジウムと銀との質量比(パラジウム:銀)が90:10〜70:30であることが好ましい。
【0053】
【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0054】
(実施例1)
多孔質基体として平板形状の非対称型無機多孔質材料(α−アルミナ製、NGKアドレック(株)製)を用いた。このものは直径30mm、厚さ3.5mmで、その表面近傍における平均細孔径は0.1μmである。
【0055】このセラミック製の多孔質基体の一の表面に、セラミック製の多孔質基体との濡れ性が良好な金属層として、厚さ(チタン膜厚)が0.01μmのチタンからなる所定の金属層を真空蒸着法にて、窒素ガス圧を2×10−4Paとし、基板温度を室温として形成した。このセラミック製の多孔質基体の一の表面上に配設されたチタンからなる所定の金属層の表面上に水素分離層として無電解メッキ法で厚さ2.0μmのパラジウム膜を形成し、水素分離体を得た(実施例1)。
【0056】上記、所定の金属層の表面上に、無電解メッキ法でパラジウム膜(水素分離層)を形成する方法を以下に示す。
【0057】まず、チタンを表面に配設した多孔質体を水で洗浄した。次いで、脱脂処理として奥野製薬(株)製OPC370を10体積%含む溶液を70℃に保持し、5分間浸漬した後、水洗した。
【0058】次いで、このチタンを表面に配設した多孔質基体を活性化処理した。上記の多孔質基体を、奥野製薬(株)製OPCプリディップを1体積%含む溶液に2分間浸漬した。次に、奥野製薬(株)製インデューサーA及びインデューサーCを各々5体積%含む溶液を50℃に保持し、5分間浸漬した後、水洗した。次に、奥野製薬(株)製クリスターMUを15体積%含む溶液に5分間浸漬した。次に、奥野製薬(株)製クリスターMUを3体積%含む溶液に1分間浸漬した後、水洗して、活性化金属としてパラジウム核が付着した活性化処理基体を得た。
【0059】次いで、上記活性化処理基体を化学メッキ処理することによりパラジウムを水素選択透過性金属とした水素分離層を形成した。イオンを除去した水1L(リットル)中に[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(5.4g)、2Na・EDTA(67.2g)、アンモニア濃度28質量%のアンモニア水(651.3mL)及びH2NNH2・H2O(0.64mL)を加えた水溶液を準備した。そして上記水溶液を50℃に温度制御し、上記活性化処理基体の外表面をその水溶液に浸漬した。浸漬時間は15分とし、これによりその表面に配設されたチタン(所定の金属層)の表面上にパラジウムからなる水素分離層が形成され、多孔質基体(水素分離体)を得た。
【0060】
(実施例2〜9)
実施例1において、チタンからなる所定の金属層の厚さ(チタン膜厚)を0.025μm、0.05μm、0.05μm、0.05μm、0.10μm、0.15μm、0.50μm、1.00μmと順次変更するとともに、パラジウム膜厚を2.1μm、1.8μm、2.6μm、5.0μm、2.1μm、1.9μm、2.0μm、1.9μmと順次変更することにより、実施例2〜9のそれぞれの水素分離体を得た。上記条件以外の条件は、実施例1と同様にして水素分離体を作製した。
【0061】
(比較例1)
実施例1において、多孔質基体の一の表面に、チタンからなる所定の金属層を形成せずに、多孔質基体の一の表面に直接膜厚が2.6μmのパラジウム膜を形成した以外は、実施例1と同様にして水素分離体を作製した。
【0062】
(比較例2)
比較例1において、パラジウム膜の膜厚を5.0μmとした以外は、比較例1と同様にして水素分離体を作製した。
【0063】上記、所定の金属層を構成するチタン膜の厚さ、及びパラジウム膜の厚さの測定は、蛍光X線の強度測定により行った。
【0064】上述の方法により得られた水素分離体(実施例1〜9、比較例1,2)について、パラジウム膜からなる水素分離層からのヘリウムガスの漏洩量を測定した。このヘリウムガスの漏洩量の測定は、熱サイクル(熱処理)を加える前と、熱サイクル(熱処理)を加えた後について行った。
【0065】水素分離層からのヘリウムガスの漏洩量(熱処理前)は、ヘリウムガスを水素分離体の一の表面のパラジウム膜側に導入し、250kPaの圧力で保持し、多孔質基体の他の表面側に漏洩するガス量を測定することにより得た。
【0066】水素分離体に熱サイクルを加えた後の水素分離層からのヘリウムガスの漏洩量は、アルゴンガス圧100kPa、700℃にて1時間の熱処理を行った後(700℃熱処理後)、更に水素ガス圧100kPa、500℃にて1時間の熱処理を行った後(500℃熱処理後)、及び、更に窒素ガス圧100kPaにて室温から500℃まで昇温し、水素ガス圧100kPa、500℃にて1時間の熱処理を行い、窒素ガス圧100kPaにて室温まで降温する操作を1回のサイクルとして、これを50回行った後(500℃−50回熱処理後)、のそれぞれについて測定した。水素分離体に熱サイクルを加えない場合(熱処理前)の測定結果と合わせて、結果を表1に示す。
【0067】
【表1】
【0068】これら水素分離体(実施例1〜9、比較例1,2)についての、上記「500℃−50回熱処理後」の水素分離層からのヘリウムガスの漏洩量の測定結果を、チタン膜厚との関係として図3に示す。また、パラジウム膜厚が2.6μmの実施例4及び比較例1と、パラジウム膜厚が5.0μmの実施例5及び比較例2についての、上記、熱処理前、500℃熱処理後、700℃熱処理後及び500℃−50回熱処理後の、それぞれの熱サイクル条件における水素分離層からのヘリウムガスの漏洩量の測定結果を図4に示す。これら実施例及び比較例より、本発明の水素分離体は高温における熱処理後において、水素分離層の気密性が維持できることがわかる。また、チタン膜厚を0.02μm〜0.50μm程度とすることが特に望ましいことがわかる。
【0069】
【発明の効果】上述したように、本発明の水素分離体によれば、水素分離層が、多孔質基体の一の表面に、多孔質基体との濡れ性が良好な所定の金属層を介在させた状態で配設され、その所定の金属層を介在させることにより、水素分離層と多孔質基体との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させることができるため、高温状態と低温状態とを繰り返す熱サイクルを加えても、従来の水素分離体と比較して、水素分離層の剥離や欠陥が発生し難く、気密性や耐久性が大幅に向上される。
【0070】また、本発明の水素分離体の製造方法によれば、多孔質基体の一の表面に所定の金属層を配設し、その所定の金属層の表面に水素分離層をメッキ処理により配設し、水素分離層と多孔質基体との間の接着性を、所定の金属層を介在させることにより、両者の直接的な接触による場合よりも向上させるため、高温状態と低温状態とを繰り返す熱サイクルを加えても、水素分離層の剥離や欠陥が発生し難く、気密性や耐久性が大幅に向上された水素分離体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水素分離体の一の実施の形態を模式的に示す、水素分離層に垂直な平面で切断した断面図である。
【図2】本実施の形態の水素分離体の製造方法において水素分離体が得られる過程を模式的に示し、図2(a)は多孔質基体に所定の金属を配設したものを示す断面図であり、図2(b)は得られた水素分離体を示す断面図である。
【図3】本発明の水素分離体及び従来技術に係る水素分離体における、「500℃−50回熱処理後」の、チタン膜厚と水素選択透過性金属層の気密性(ヘリウム漏洩量)との関係を示すグラフである。
【図4】本発明の水素分離体及び従来技術に係る水素分離体における、各熱サイクル条件と水素選択透過性金属層の気密性(ヘリウム漏洩量)との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1,10…水素分離体、2,12…多孔質基体、3,13…水素分離層、4,14…所定の金属層、5,15…一の表面。[0001]
BACKGROUND OF THE
[0002]
Conventionally, in order to selectively extract only hydrogen from a gas containing hydrogen such as steam reformed gas, a hydrogen separator having a hydrogen separation layer made of palladium or the like disposed on a ceramic porous substrate has been used. Has been. Since the hydrogen separator may be used to separate only hydrogen at a high temperature, the hydrogen separator is required to have high airtightness in an environment where high temperature or temperature rise and fall are repeated.
When a hydrogen separation layer such as palladium is disposed on a ceramic porous substrate to produce a hydrogen separator, palladium is disposed on the surface of the ceramic porous substrate by a method such as plating (for example,
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-3-146122
[Patent Document 2]
Japanese Patent No. 3213430
[Patent Document 3]
JP-A-62-273030
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and its object is to remove the hydrogen separation layer even if a thermal cycle is applied. It is an object of the present invention to provide a hydrogen separator and a method for producing the same, in which defects are hardly generated and hermeticity is hardly lowered.
[0006]
In order to achieve the above object, the present invention provides the following hydrogen separator and method for producing the same.
[0007]
[1] A porous substrate having a large number of pores communicating from one surface to another surface, and a gas containing hydrogen that is disposed on the porous substrate and flows from the one or other surface side A hydrogen separator that selectively allows only hydrogen to permeate and flow out from the other or one surface side, wherein the hydrogen separator is the one of the porous substrates. The hydrogen separation layer is disposed with a predetermined metal layer interposed on the surface thereof, and without interfering the outflow of hydrogen from the other or one surface side by interposing the predetermined metal layer. The hydrogen separator is characterized in that the adhesion between the porous substrate and the porous substrate is improved as compared with the case of direct contact between the two.
[0008]
[2] The hydrogen separator according to [1], wherein the predetermined metal layer is a metal layer made of titanium (Ti).
[0009]
[3] The hydrogen separator according to [1] or [2], wherein the porous substrate has ceramic as a main component.
[0010]
[4] The hydrogen separator according to any one of [1] to [3], wherein the hydrogen separation layer is made of a hydrogen selective permeable metal.
[0011]
[5] The hydrogen separator according to [4], wherein the hydrogen selective permeable metal is palladium or an alloy containing palladium.
[0012]
[6] The hydrogen separator according to any one of [1] to [5], wherein the hydrogen separation layer has a thickness of 1 to 5 μm.
[0013]
[7] The hydrogen separator according to any one of [1] to [6], wherein the predetermined metal layer is formed by a vacuum deposition method.
[0014]
[8] Hydrogen among a gas including a porous substrate having a large number of pores communicating from one surface to another surface, and hydrogen flowing from the one surface side disposed on the porous substrate. And a hydrogen separation layer capable of selectively permeating and flowing out from the other surface side, wherein a predetermined metal layer is formed on the one surface of the porous substrate. The hydrogen separation layer is disposed by plating on the surface of the predetermined metal layer, and the adhesion between the hydrogen separation layer and the porous substrate is interposed between the predetermined metal layer. Thus, the method for producing a hydrogen separator can be improved as compared with the case of direct contact between the two without impeding the outflow of hydrogen from the other surface side.
[0015]
[9] The method for producing a hydrogen separator according to [8], wherein the predetermined metal layer is a metal layer made of titanium (Ti).
[0016]
[10] The method for producing a hydrogen separator according to [8] or [9], wherein the porous substrate contains ceramic as a main component.
[0017]
[11] The method for producing a hydrogen separator according to any one of [8] to [10], wherein the hydrogen separation layer is made of a hydrogen selective permeable metal.
[0018]
[12] The method for producing a hydrogen separator according to [11], wherein the hydrogen selective permeable metal is palladium or an alloy containing palladium.
[0019]
[13] The method for producing a hydrogen separator according to any one of [8] to [12], wherein the hydrogen separation layer has a thickness of 1 to 5 μm.
[0020]
[14] The method for producing a hydrogen separator according to any one of [8] to [13], wherein the predetermined metal layer is disposed by a vacuum deposition method.
As described above, according to the hydrogen separator of the present invention, the hydrogen separation layer is disposed in a state where the predetermined metal layer is interposed on the surface of the porous substrate. By interposing, the hydrogen separation layer and the porous layer are not disturbed without preventing hydrogen from flowing out from the other surface side or the one surface side when the gas containing hydrogen flows from the one surface side or the other surface side. Since the adhesion between the porous substrates is improved compared to the case of direct contact between the two, the separation of the hydrogen separation layer and defects are less likely to occur even when a thermal cycle is applied, and the hermeticity is unlikely to decrease. Become.
According to the method for producing a hydrogen separator of the present invention, a predetermined metal layer is disposed on one surface of the porous substrate, and a hydrogen separation layer is disposed on the surface of the predetermined metal layer by plating. In addition, by interposing a predetermined metal layer between the hydrogen separation layer and the porous substrate, when a gas containing hydrogen flows from one surface side or the other surface side, the hydrogen is In order not to prevent the flow from one surface side or the other surface side, but to improve compared to the case of direct contact between the two, even if a thermal cycle is applied, peeling and defects of the hydrogen separation layer are unlikely to occur. It is possible to obtain a hydrogen separator that is less likely to deteriorate in properties.
[0023]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments and does not depart from the spirit of the present invention. It should be understood that design changes, improvements, and the like can be made as appropriate based on ordinary knowledge of those skilled in the art.
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to the hydrogen separation layer, schematically showing one embodiment of the hydrogen separator of the present invention.
As shown in FIG. 1, the
As described above, the
The
The pores of the
The predetermined metal layer 4 has good wettability with the
The predetermined metal layer 4 is a metal layer containing a metal (active metal) that has good wettability with the
The thickness of the predetermined metal layer 4 is preferably 0.01 to 1 μm. If it is thinner than 0.01 μm, the effect of improving the adhesion between the
The thickness of the
The hydrogen selective permeable metal constituting the
Next, an embodiment of the method for producing a hydrogen separator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIGS. 2 (a) and 2 (b) schematically show the process of obtaining a hydrogen separator in the method for producing a hydrogen separator of the present embodiment, and FIG. 2 (a) shows a porous substrate. FIG. 2B is a cross-sectional view showing a hydrogen separator obtained by arranging a predetermined metal in FIG.
In the method for producing a hydrogen separator according to this embodiment, first, as shown in FIG. 2A, a large number of pores communicating from one
The
Further, it is preferable that the pores of the
The
The method of disposing titanium on the ceramic
When titanium is disposed on the
In addition to the vacuum deposition method, a
The thickness of the
The metal constituting the
As described above, after the
The
When the
When palladium is disposed on the surface of the
After depositing the activated metal on the
The
In the method for manufacturing a hydrogen separator according to this embodiment, the thickness of the
In the method of manufacturing a hydrogen separator according to the present embodiment, when the hydrogen selective permeable metal constituting the
[0053]
EXAMPLES The present invention will be described in detail below by way of examples, but the present invention is not limited to these examples.
[0054]
(Example 1)
A plate-shaped asymmetric inorganic porous material (manufactured by α-alumina, manufactured by NGK Adrec Co., Ltd.) was used as the porous substrate. This has a diameter of 30 mm and a thickness of 3.5 mm, and the average pore diameter in the vicinity of the surface is 0.1 μm.
A predetermined layer made of titanium having a thickness (titanium film thickness) of 0.01 μm is formed on one surface of the ceramic porous substrate as a metal layer having good wettability with the ceramic porous substrate. The metal layer is vacuum evaporated and the nitrogen gas pressure is 2 × 10 -4 Pa was used, and the substrate temperature was room temperature. A palladium film having a thickness of 2.0 μm is formed as a hydrogen separation layer by an electroless plating method on the surface of a predetermined metal layer made of titanium disposed on one surface of the ceramic porous substrate, A separated body was obtained (Example 1).
A method for forming a palladium membrane (hydrogen separation layer) on the surface of the predetermined metal layer by electroless plating will be described below.
First, the porous body on which titanium was disposed was washed with water. Next, as a degreasing treatment, a solution containing 10% by volume of OPC370 manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd. was maintained at 70 ° C., immersed for 5 minutes, and then washed with water.
Next, the porous substrate on which titanium was disposed was activated. The porous substrate was immersed in a solution containing 1% by volume of OPC pre-dip manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd. for 2 minutes. Next, a solution containing 5% by volume of each of Inducer A and Inducer C manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd. was kept at 50 ° C., immersed for 5 minutes, and then washed with water. Next, it was immersed for 5 minutes in a solution containing 15% by volume of Crister MU manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd. Next, after immersing in a solution containing 3% by volume of Crister MU manufactured by Okuno Pharmaceutical Co., Ltd. for 1 minute, it was washed with water to obtain an activation-treated substrate with palladium nuclei attached as an activation metal.
Next, the activation substrate was subjected to a chemical plating treatment to form a hydrogen separation layer using palladium as a hydrogen selective permeable metal. In 1 L (liter) of water from which ions have been removed, [Pd (NH 3 ) 4 ] Cl 2 ・ H 2 O (5.4 g), 2Na · EDTA (67.2 g), ammonia water having an ammonia concentration of 28 mass% (651.3 mL) and H 2 NNH 2 ・ H 2 An aqueous solution to which O (0.64 mL) was added was prepared. The temperature of the aqueous solution was controlled at 50 ° C., and the outer surface of the activation-treated substrate was immersed in the aqueous solution. The immersion time was 15 minutes, whereby a hydrogen separation layer made of palladium was formed on the surface of titanium (predetermined metal layer) disposed on the surface, and a porous substrate (hydrogen separator) was obtained.
[0060]
(Examples 2-9)
In Example 1, the thickness of the predetermined metal layer made of titanium (titanium film thickness) is 0.025 μm, 0.05 μm, 0.05 μm, 0.05 μm, 0.10 μm, 0.15 μm, 0.50 μm, 1 By sequentially changing to 0.000 μm and sequentially changing the palladium film thickness to 2.1 μm, 1.8 μm, 2.6 μm, 5.0 μm, 2.1 μm, 1.9 μm, 2.0 μm, and 1.9 μm, The hydrogen separators of Examples 2 to 9 were obtained. A hydrogen separator was produced in the same manner as in Example 1 except for the above conditions.
[0061]
(Comparative Example 1)
In Example 1, a palladium film having a thickness of 2.6 μm was directly formed on one surface of the porous substrate without forming a predetermined metal layer made of titanium on one surface of the porous substrate. A hydrogen separator was prepared in the same manner as in Example 1.
[0062]
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 1, a hydrogen separator was produced in the same manner as in Comparative Example 1, except that the thickness of the palladium film was 5.0 μm.
The thicknesses of the titanium film and the palladium film constituting the predetermined metal layer were measured by measuring the intensity of fluorescent X-rays.
With respect to the hydrogen separators (Examples 1 to 9, Comparative Examples 1 and 2) obtained by the above method, the amount of helium gas leaked from the hydrogen separation layer made of a palladium membrane was measured. The amount of leakage of this helium gas was measured before the thermal cycle (heat treatment) and after the thermal cycle (heat treatment).
The amount of helium gas leaked from the hydrogen separation layer (before heat treatment) was determined by introducing helium gas into the palladium membrane side of one surface of the hydrogen separator and holding it at a pressure of 250 kPa. It was obtained by measuring the amount of gas leaking to the surface side.
The amount of leakage of helium gas from the hydrogen separation layer after the thermal cycle was applied to the hydrogen separator was as follows. After heat treatment for 1 hour at an argon gas pressure of 100 kPa and 700 ° C. (after heat treatment at 700 ° C.) Further, after heat treatment for 1 hour at a hydrogen gas pressure of 100 kPa and 500 ° C. (after heat treatment at 500 ° C.), the temperature was further raised from room temperature to 500 ° C. at a nitrogen gas pressure of 100 kPa, and the hydrogen gas pressure of 100 kPa and 500 ° C. The heat treatment was performed for 1 hour and the temperature was lowered to room temperature at a nitrogen gas pressure of 100 kPa as one cycle. After this was performed 50 times (after 500 ° C.-50 times heat treatment), each was measured. The results are shown in Table 1 together with the measurement results when the thermal cycle is not applied to the hydrogen separator (before heat treatment).
[0067]
[Table 1]
For these hydrogen separators (Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2), the measurement results of the amount of helium gas leaked from the hydrogen separation layer after “500 ° C.-50 times heat treatment” described above were obtained as titanium. FIG. 3 shows the relationship with the film thickness. Further, for Example 4 and Comparative Example 1 in which the palladium film thickness is 2.6 μm, and in Example 5 and Comparative Example 2 in which the palladium film thickness is 5.0 μm, before the heat treatment, after the 500 ° C. heat treatment, and 700 ° C. heat treatment. FIG. 4 shows the measurement results of the leakage amount of helium gas from the hydrogen separation layer under each thermal cycle condition after and after the heat treatment at 500 ° C. for 50 times. From these Examples and Comparative Examples, it can be seen that the hydrogen separator of the present invention can maintain the airtightness of the hydrogen separation layer after the heat treatment at a high temperature. Moreover, it turns out that it is especially desirable to make a titanium film thickness into about 0.02 micrometer-0.50 micrometer.
[0069]
As described above, according to the hydrogen separator of the present invention, the hydrogen separation layer interposes a predetermined metal layer having good wettability with the porous substrate on one surface of the porous substrate. Since the predetermined metal layer is interposed between the hydrogen separation layer and the porous substrate, the adhesion between the hydrogen separation layer and the porous substrate can be improved as compared with the case of direct contact between the two. Even when a heat cycle that repeats a high temperature state and a low temperature state is added, peeling and defects of the hydrogen separation layer are less likely to occur and the airtightness and durability are greatly improved as compared with the conventional hydrogen separator.
According to the method for producing a hydrogen separator of the present invention, a predetermined metal layer is disposed on one surface of the porous substrate, and the hydrogen separation layer is plated on the surface of the predetermined metal layer. In order to improve the adhesion between the hydrogen separation layer and the porous substrate by interposing a predetermined metal layer, compared with the case of direct contact between the two, a high temperature state and a low temperature state are provided. Even when a repeated heat cycle is applied, it is difficult to cause separation and defects of the hydrogen separation layer, and a hydrogen separator having greatly improved airtightness and durability can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a plane perpendicular to a hydrogen separation layer, schematically showing one embodiment of a hydrogen separator of the present invention.
FIG. 2 schematically shows a process of obtaining a hydrogen separator in the method of manufacturing a hydrogen separator according to the present embodiment, and FIG. 2 (a) is a cross-sectional view showing a porous substrate provided with a predetermined metal. FIG. 2B is a cross-sectional view showing the obtained hydrogen separator.
FIG. 3 shows the titanium film thickness and the hydrogen-permeable metal layer gas tightness (helium leakage amount) after “500 ° C.-50 times heat treatment” in the hydrogen separator of the present invention and the hydrogen separator according to the prior art. It is a graph which shows the relationship.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between each thermal cycle condition and the gas tightness (helium leakage amount) of the hydrogen selective permeable metal layer in the hydrogen separator of the present invention and the hydrogen separator according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記水素分離層が、前記多孔質基体の前記一の表面に所定の金属層を介在させた状態で配設され、前記所定の金属層を介在させることにより、水素の前記他又は一の表面側からの流出を妨げることなしに、前記水素分離層と前記多孔質基体との間の接着性を、両者の直接的な接触による場合よりも向上させてなることを特徴とする水素分離体。A porous substrate having a large number of pores communicating from one surface to the other surface, and only hydrogen in a gas including hydrogen flowing from the one or the other surface side disposed on the porous substrate. A hydrogen separator comprising a hydrogen separation layer capable of selectively permeating and flowing out from the other or one surface side,
The hydrogen separation layer is disposed in a state in which a predetermined metal layer is interposed on the one surface of the porous substrate, and the other or one surface side of hydrogen by interposing the predetermined metal layer. A hydrogen separator characterized in that the adhesion between the hydrogen separation layer and the porous substrate is improved as compared with the case of direct contact between the two without interfering with the outflow from the substrate.
前記多孔質基体の前記一の表面に所定の金属層を配設し、前記所定の金属層の表面に前記水素分離層をメッキ処理により配設し、前記水素分離層と前記多孔質基体との間の接着性を、前記所定の金属層を介在させることにより、水素の前記他又は一の表面側からの流出を妨げることなしに、両者の直接的な接触による場合よりも向上させることを特徴とする水素分離体の製造方法。A porous substrate having a large number of pores communicating from one surface to the other surface, and only hydrogen in a gas including hydrogen flowing from the one or the other surface side disposed on the porous substrate. A hydrogen separation layer comprising a hydrogen separation layer capable of selectively permeating and flowing out from the other or one surface side,
A predetermined metal layer is disposed on the one surface of the porous substrate, the hydrogen separation layer is disposed on the surface of the predetermined metal layer by plating, and the hydrogen separation layer and the porous substrate By interposing the predetermined metal layer, the adhesiveness between the two is improved as compared with the case of direct contact between the two without interfering with the outflow of hydrogen from the other or one surface side. A method for producing a hydrogen separator.
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- 2003-06-25 JP JP2003181594A patent/JP2005013855A/en active Pending
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