JP2005144363A - Hydrogen separation membrane structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は燃料電池等に供給する水素含有ガスから不純物を除去するための水素分離膜およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen separation membrane for removing impurities from a hydrogen-containing gas supplied to a fuel cell or the like, and a method for manufacturing the same.
水素分離膜の従来技術として特許文献1に示したようなものが知られている。これは水素透過性および耐久性を向上させることを目的として、金属製基材に設けた多数の孔部に金属またはセラミクスの粒子を埋め込み、その表面にPdを含有する水素透過性膜をイオンプレーティング等の化学めっき法により形成したものである。
金属製基材の孔部にセラミック等の粒子を充填、焼成した場合に粒子の脱落や位置ずれが起こり、または体積変化によるめっき面粗度の悪化が生じることから、水素透過膜として所期の性能が得られないことがある。 When particles such as ceramics are filled and fired in the holes of a metal substrate, the particles may fall off or be displaced, or the plating surface roughness may deteriorate due to volume changes. Performance may not be obtained.
本発明は次のような水素分離膜構造体を形成する点を特徴とする。すなわち、金属またはセラミクスの粒子を充填する貫通孔をその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように基板に形成する。
この基板には、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面に水素透過性膜を形成したものとする。
The present invention is characterized in that the following hydrogen separation membrane structure is formed. That is, through-holes filled with metal or ceramic particles are formed in the substrate so that the opening areas thereof are different from each other at the opening portions at both ends.
In this substrate, a hydrogen permeable film is formed on the surface on the side where the opening area of the through hole is large.
また、本発明は次の工程からなる前記水素分離膜構造体の製造方法を提供する。
貫通孔がその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように形成された基板に、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面にフィルムを被覆する。
前記貫通孔の開口面積が小である開口部から金属またはセラミクスの粒子を充填する。
前記粒子を貫通孔内に充填した基板に加振力および前記粒子に前記フィルム方向への付勢力が作用するように遠心力を付与する。
前記フィルムを剥離したのち焼成処理を施す。
当該基板のフィルム剥離面に水素透過性膜を形成する。
The present invention also provides a method for producing the hydrogen separation membrane structure comprising the following steps.
A substrate on which the through holes are formed so that the opening areas thereof are different from each other at the opening portions at both ends is coated with a film on the surface of the through hole having the large opening area.
Metal or ceramic particles are filled from an opening having a small opening area of the through hole.
A centrifugal force is applied so that an excitation force and a biasing force in the direction of the film act on the substrate filled with the particles in the through holes.
After the film is peeled off, a baking treatment is performed.
A hydrogen permeable film is formed on the film peeling surface of the substrate.
本発明による水素分離膜構造体では、基板に形成した貫通孔の開口面積の大きい側に水素分離膜を形成したので、粒子の脱落を抑えることができる。 In the hydrogen separation membrane structure according to the present invention, since the hydrogen separation membrane is formed on the side of the through-hole formed in the substrate that has a large opening area, it is possible to suppress the dropping of particles.
本発明による水素分離膜構造体の製造方法によれば、基板の貫通孔に充填した粒子に加振と遠心力を作用させてから焼成するので、焼結後の体積変化を少なくすることができる。 According to the method for producing a hydrogen separation membrane structure according to the present invention, the particles filled in the through holes of the substrate are fired after being subjected to vibration and centrifugal force, so that the volume change after sintering can be reduced. .
図1に本発明による水素分離膜構造体の第1の実施形態を示す。図において11は金属製基板であり、その表裏を貫通する貫通孔12が多数形成してある。貫通孔12は基板11の表面側と裏面側とでその開口面積が大小異なるように、この場合半球形状もしくはテーパ孔状に形成してある。
FIG. 1 shows a first embodiment of a hydrogen separation membrane structure according to the present invention. In the figure,
前記貫通孔12にはセラミクスからなる粒子13を充填したうえで、該貫通孔12の開口面積が大である側の基板表面にPd等の水素分離機能を有する水素透過性膜14が被覆してある。粒子13の材料としては、セラミクスのほか、鉄、ステンレス、ニッケル等の金属材料またはこれらの酸化物を適用することもできる。水素分離機能を持つ水素透過性膜14の材料としてはPdの他にNb、V、Ta、Zr、Fe、Ni、Pt等があり、それらを組み合わせ、またはさらに前記材料にAg、Au、Cu、B、Ni、Ru、Ce、Y等を組み合わせて使用してもよい。水素透過性膜14の被覆方法としては、めっき、スパッタ、真空蒸着等、乾式、湿式問わず、各種の成膜加工法を適用することができる。
The through
この実施形態によれば、開口面積が大きい側の基板表面に水素透過性膜を形成するようにしたので、粒子の脱落を防止することができる。 According to this embodiment, since the hydrogen permeable film is formed on the surface of the substrate having the larger opening area, it is possible to prevent the particles from falling off.
図2は本発明による水素分離膜構造体の第2の実施形態である。これは、前記金属基板11を、前記貫通孔12の開口面積が大である側が外側となるように円筒状に形成したものである。この場合、水素透過性膜14は、貫通孔12の開口面積が大である円筒状基板11の外側面に形成する。
FIG. 2 shows a second embodiment of the hydrogen separation membrane structure according to the present invention. In this configuration, the
この実施形態によれば、円筒状基板11の外側に水素透過性膜14を形成してあるので、水素透過膜14に作用する張力により膜14自体および粒子13が脱落を起こしにくく、粒子13の保持をより確実に行わせることができる。
According to this embodiment, since the hydrogen
図3は本発明による水素分離膜構造体の第3の実施形態である。これは、前記金属基板11の貫通孔12に互いに粒径の異なる数種類の粒子13を充填したものである。ただし、図示したように粒子13は貫通孔12の開口面積が小さい側ほど平均粒径が大となるように層状に充填してある。
FIG. 3 shows a third embodiment of the hydrogen separation membrane structure according to the present invention. In this case, the through
この実施形態によれば、粒径の小さい粒子で水素透過性膜14に近い側の平滑度を確保しつつ、粒径の大きい粒子を設けたことで貫通孔12を水素ガスが流れる際の圧力損失を軽減することができる。
According to this embodiment, the pressure when hydrogen gas flows through the through-
図4に前記水素分離膜構造体の製造方法に関する実施例を示す。図には、以下に説明する製造工程順に(1)〜(5)の数字を付してある。
(1)貫通孔12がその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように形成された基板11に、前記貫通孔12の開口面積が大である側の表面にフィルム15を被覆する。
(2)前記貫通孔12内に、その開口面積が小である開口部側からスラリー化したセラミクスの粒子13を流し込んで充填する。
(3)前記粒子13を貫通孔12内に充填した基板11を、該基板のフィルム被覆面に面接触するように形成した治具16上に固定し、この治具16と共に面方向(図の左右方向)に振動させて貫通孔12内の粒子13に加振力を付与する。前記加振力の付与と共にまたはこれに前後して、前記粒子13に前記フィルム15方向への付勢力が作用する方向に遠心力を与える。この工程は、例えば基板11を固定した治具16を回転機で旋回させることにより実施する。
(4)貫通孔12内のスラリーを乾燥させたのち前記フィルム15を剥離し、高温で焼成する。
(5)その後基板11のフィルム剥離面に水素透過性膜14を成膜する。
FIG. 4 shows an embodiment relating to a method for producing the hydrogen separation membrane structure. The figures are numbered (1) to (5) in the order of the manufacturing process described below.
(1) A film 15 is coated on the surface of the through
(2) Slurry
(3) The
(4) After drying the slurry in the through-
(5) Thereafter, a hydrogen
前記水素分離膜構造体の製造方法によれば、基板11の貫通孔12に充填した粒子13に加振と遠心力を作用させてから焼成するので、焼結後の体積変化を抑制することができる。前記加工時に治具16を用いることで、基板11に加振力および遠心力を作用させる際のフィルム15の保持強度を確保することができる。
According to the method for manufacturing the hydrogen separation membrane structure, since the
基板11に遠心力を作用させる場合、図2に示したように基板11を円筒状に形成した場合には、円筒状基板11をその中心線の周りに回転させることにより、貫通孔12に充填した粒子に容易にかつ効果的に遠心力を付与することができる。
When a centrifugal force is applied to the
図5は水素分離膜構造体の製造方法に関する第2の実施例である。これは図3に示した異なる粒径の粒子13を層状に充填した構造の水素透過膜構造体を製造するための工程に関する実施例であり、工程上は図4の(2)に対応するので、工程順に(2−1)〜(2−4)の数字を付して示してある。
(2−1)図4と同様のフィルム15を被覆した基板11を治具16上に固定し、その貫通孔12に粒径が最も小さいセラミクス粒子13aのスラリーを貫通孔12の途中まで流し込み、加振力および遠心力を加えたのち乾燥させて第1の粒子層13Aを形成する。
(2−2)次に前記第1の粒子層13Aの上から、2番目に粒径の小さいセラミクス粒子13bのスラリーを途中まで流し込み、加振力および遠心力を加えたのち乾燥させて第2の粒子層13Bを形成する。
(2−3)次に前記第2の粒子層13Bの上から、最も粒径の大きいセラミクス粒子13cのスラリーを貫通孔12がいっぱいになるまで流し込み、加振力および遠心力を加えたのち乾燥させて第3の粒子層13Cを形成する。
(2−4)フィルム15を剥離し、高温で焼成する。その後は図4の(5)と同様に水素透過性膜を被覆して完成する。なおフィルム15の剥離は、前記(2−1)の工程が終了した後であればいつでもよい。
FIG. 5 shows a second embodiment relating to a method for manufacturing a hydrogen separation membrane structure. This is an embodiment relating to a process for producing a hydrogen permeable membrane structure having a structure in which
(2-1) A
(2-2) Next, a slurry of
(2-3) Next, a slurry of
(2-4) The film 15 is peeled off and fired at a high temperature. Thereafter, as in (5) of FIG. 4, a hydrogen permeable membrane is coated and completed. The film 15 may be peeled off at any time after the step (2-1) is completed.
この水素分離膜構造体の製造方法によれば、図3に示した複数の異なる粒径を有する粒子を積層構造とする際に種類の異なる粒子同士が混ざり合わないように確実に層状化することができる。 According to this method for producing a hydrogen separation membrane structure, when particles having a plurality of different particle sizes shown in FIG. 3 are formed into a laminated structure, the particles are surely layered so that different types of particles do not mix with each other. Can do.
11 基板
12 貫通孔
13 粒子
14 水素透過性膜
15 フィルム
16 治具
11
Claims (9)
前記貫通孔をその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように形成すると共に、
前記基板には、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面に前記水素透過性膜を形成したこと
を特徴とする水素分離膜構造体。 A hydrogen separation membrane comprising a substrate having a large number of through holes, metal or ceramic particles filled in the through holes, and a hydrogen permeable membrane coated on the substrate in the state where the particles are filled in the through holes In the structure,
While forming the through-holes so that their opening areas are different from each other at the openings at both ends,
The hydrogen separation membrane structure, wherein the hydrogen permeable membrane is formed on the surface of the substrate on the side where the opening area of the through hole is large.
前記貫通孔の開口面積が小である開口部から金属またはセラミクスの粒子を充填し、
前記粒子を貫通孔内に充填した基板に、加振力および前記粒子に前記フィルム方向への付勢力が作用する方向に遠心力を付与し、
前記フィルムを剥離したのち焼成処理を施し、
その後当該基板のフィルム剥離面に水素透過性膜を形成することを特徴とする水素分離膜構造体の製造方法。 After the substrate is formed so that the opening area of the through hole is different from each other at the opening at both ends, a film is coated on the surface on the side where the opening area of the through hole is large,
Filling metal or ceramic particles from an opening having a small opening area of the through-hole,
A centrifugal force is applied to the substrate filled with the particles in the through-holes in a direction in which an excitation force and a biasing force in the film direction act on the particles,
After peeling off the film, it is fired.
Thereafter, a hydrogen permeable membrane is formed on the film peeling surface of the substrate, and a method for producing a hydrogen separation membrane structure.
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---|---|---|---|---|
JP2007172848A (en) * | 2005-12-19 | 2007-07-05 | Toyota Motor Corp | Fuel cell and method of manufacturing same |
EP2995368A1 (en) * | 2014-09-12 | 2016-03-16 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Method for manufacturing nanoholes and filter manufactured by the same |
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2003
- 2003-11-17 JP JP2003387017A patent/JP2005144363A/en active Pending
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