JP2005324166A - 水素分離シート及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 十分な水素透過性能と十分な機械的強度とを兼ね備え、かつ従来よりも安価な水素分離シート及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 水素分離シートAは、複数の貫通孔2を有する多孔シート材1に複数の貫通孔2を埋めるように水素透過性材料Bを固着したことを特徴とする。
また、水素分離シートの製造方法は、複数の貫通孔2を有する多孔シート材1に複数の貫通孔2を埋めるように水素透過性材料Bを固着して水素分離シートAを成形する成形工程と、この水素分離シートAを熱間圧延する圧延工程とを有することを特徴とする。
【選択図】 図3
【解決手段】 水素分離シートAは、複数の貫通孔2を有する多孔シート材1に複数の貫通孔2を埋めるように水素透過性材料Bを固着したことを特徴とする。
また、水素分離シートの製造方法は、複数の貫通孔2を有する多孔シート材1に複数の貫通孔2を埋めるように水素透過性材料Bを固着して水素分離シートAを成形する成形工程と、この水素分離シートAを熱間圧延する圧延工程とを有することを特徴とする。
【選択図】 図3
Description
本発明は、水素分離シート及びその製造方法に関する。
将来、燃料電池による発電システムが普及するようになると、燃料となる水素のインフラ設備が必要である。そのため、都市ガスやメタノール等の炭化水素を改質して水素を生成する水素生成技術の開発が進められている。また、改質ガスには、水素以外のガスも混入しているため、改質ガスから水素を分離して、高純度水素を取り出すことができる水素分離膜の研究も盛んに行われている。
従来、水素分離膜は、多孔質体を強度支持体として、その表面にパラジウム(Pd)膜を形成するものが提案されている。
従来、水素分離膜は、多孔質体を強度支持体として、その表面にパラジウム(Pd)膜を形成するものが提案されている。
例えば、特許文献1には、金属粉末を焼結してなる多孔質支持体の一方の表面にパラジウム膜またはパラジウム合金膜を形成し、その表面層に冷間塑性加工を施す技術が開示されている。
多孔質支持体をセラミックスで形成するとパラジウム膜またはパラジウム合金膜と熱膨張係数が異なるため、膜の剥離や亀裂が発生することがあり、水素純度の低下を引き起こす原因となる。
一方、特許文献1で開示されているように、多孔質支持体を金属で生成したものは、前記熱膨張係数の違いによる問題を解決することができる。
特開2002−355537号公報
多孔質支持体をセラミックスで形成するとパラジウム膜またはパラジウム合金膜と熱膨張係数が異なるため、膜の剥離や亀裂が発生することがあり、水素純度の低下を引き起こす原因となる。
一方、特許文献1で開示されているように、多孔質支持体を金属で生成したものは、前記熱膨張係数の違いによる問題を解決することができる。
ところで、セラミックス多孔質支持体や、特許文献1に開示された技術である金属多孔質支持体の両者に共通する課題として、多孔質支持体の表面に例えば数μmの厚さのパラジウム膜またはパラジウム合金膜を欠陥なく形成するためには、多孔質支持体の微細孔サイズが1μm以下であることが重要である。しかしながら、焼結体で均一に1μm以下の微細孔サイズを形成することは容易ではなく、一部でも微細孔の大きいものがあると、表面に形成したパラジウム膜のピンホール発生原因となり、高純度水素が得られなくなる。
また、パラジウムは希少金属であり高価であるため、膜厚を薄くしてパラジウムの使用量をできるだけ削減し、コストを削減した水素分離膜が望まれている。
しかし、パラジウム膜厚を薄くすると欠陥が発生しやすくなり、その欠陥が発生すれば水素以外のガスが混入し、必要とされている純度99.99%以上の高純度水素が得られないといった問題がある。
また、パラジウムは希少金属であり高価であるため、膜厚を薄くしてパラジウムの使用量をできるだけ削減し、コストを削減した水素分離膜が望まれている。
しかし、パラジウム膜厚を薄くすると欠陥が発生しやすくなり、その欠陥が発生すれば水素以外のガスが混入し、必要とされている純度99.99%以上の高純度水素が得られないといった問題がある。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、十分な水素透過性能と十分な機械的強度とを兼ね備えた水素分離シート及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。すなわち本発明に係る水素分離シートは、複数の貫通孔を有する多孔シート材に前記複数の貫通孔を埋めるように水素透過性材料を固着したことを特徴とする。
多孔シート材は多数の貫通孔を有したシートであり、水素透過性材料がシートの貫通孔を埋めるように固着することにより、水素透過性材料の強度の弱さを多孔シート材が補強材となって使用時の耐久性を満足するシート材とすることができる。
また、多孔シート材に設けられた多数の貫通孔の中に水素透過性材料が埋められることで、シートの表裏面に水素透過性材料が貫通しているので、水素イオンがシートの表裏面間を透過することができる。
多孔シート材は多数の貫通孔を有したシートであり、水素透過性材料がシートの貫通孔を埋めるように固着することにより、水素透過性材料の強度の弱さを多孔シート材が補強材となって使用時の耐久性を満足するシート材とすることができる。
また、多孔シート材に設けられた多数の貫通孔の中に水素透過性材料が埋められることで、シートの表裏面に水素透過性材料が貫通しているので、水素イオンがシートの表裏面間を透過することができる。
また、本発明に係る水素分離シートにおいて、前記多孔シート材は、ラスシート、パンチングシートまたは網状シートであることを特徴とする。
多孔シート材には、貫通孔の外縁部に多孔シート材の表面から外方に突出した突出部が形成されており、水素透過性材料が突出部と絡み合うことで、水素透過性材料の固着力を高めることができる。また、多孔シート材の貫通孔に埋められた水素透過性材料として、粉末材料を用いることにより、多孔シート材の基材表面から基材に粉末材料をめり込ませることで、多孔シート材と水素透過性材料の固着力をさらに高めることができる。
多孔シート材には、貫通孔の外縁部に多孔シート材の表面から外方に突出した突出部が形成されており、水素透過性材料が突出部と絡み合うことで、水素透過性材料の固着力を高めることができる。また、多孔シート材の貫通孔に埋められた水素透過性材料として、粉末材料を用いることにより、多孔シート材の基材表面から基材に粉末材料をめり込ませることで、多孔シート材と水素透過性材料の固着力をさらに高めることができる。
また、本発明に係る水素分離シートにおいて、前記水素透過性材料は、水素非透過性材料との混合材であることを特徴とする。
水素透過性材料には、水素を吸収すると体積が膨張するという性質を有しているため、水素透過性材料に水素非透過性材料を混合することで、水素分離シートの水素透過性材料による体積膨張を抑制することができる。
水素透過性材料には、水素を吸収すると体積が膨張するという性質を有しているため、水素透過性材料に水素非透過性材料を混合することで、水素分離シートの水素透過性材料による体積膨張を抑制することができる。
また、本発明に係る水素分離シートの製造方法は、複数の貫通孔を有する多孔シート材に前記複数の貫通孔を埋めるように水素透過性材料を固着して水素分離シートを成形する成形工程と、この水素分離シートを熱間または冷間で圧延する圧延工程とを有することを特徴とする。
水素透過性材料を貫通孔に埋める手法として、例えば粉末圧延を用いる。水素分離シートを製造する際、複数の貫通孔を有する多孔シート材に複数の貫通孔を埋めるように水素透過性材料を固着して水素分離シートを成形した後、この水素分離シートを熱間または冷間で圧延することによって、水素透過性材料が固着された水素分離シートの緻密化が十分となる。
また、水素分離シートを熱間で圧延する場合、多孔シート材に固着した水素透過性材料の固着強度を高めるとともに、粉末圧延で、多孔シート材の貫通孔に埋めた水素透過性粉末材料を焼結し緻密化することができる。
水素透過性材料を貫通孔に埋める手法として、例えば粉末圧延を用いる。水素分離シートを製造する際、複数の貫通孔を有する多孔シート材に複数の貫通孔を埋めるように水素透過性材料を固着して水素分離シートを成形した後、この水素分離シートを熱間または冷間で圧延することによって、水素透過性材料が固着された水素分離シートの緻密化が十分となる。
また、水素分離シートを熱間で圧延する場合、多孔シート材に固着した水素透過性材料の固着強度を高めるとともに、粉末圧延で、多孔シート材の貫通孔に埋めた水素透過性粉末材料を焼結し緻密化することができる。
また、本発明に係る水素分離シートの製造方法において、前記圧延工程は、熱間で圧延する場合、通電圧延であることを特徴とする。
水素分離シートを熱間で圧延する際に通電圧延を用いれば、水素分離シートが圧延時にのみ加熱されるので、水素分離シートを加熱するための全体の加熱時間が短くなる。そのため、例えば水素透過性材料と水素非透過性材料との混合材を通電圧延する場合には、水素透過性材料が水素非透過性材料と合金化することなく混合状態で緻密化することができる。
水素分離シートを熱間で圧延する際に通電圧延を用いれば、水素分離シートが圧延時にのみ加熱されるので、水素分離シートを加熱するための全体の加熱時間が短くなる。そのため、例えば水素透過性材料と水素非透過性材料との混合材を通電圧延する場合には、水素透過性材料が水素非透過性材料と合金化することなく混合状態で緻密化することができる。
本発明によれば、水素分離シートは、水素透過性材料の強度の弱さを多孔シート材が補強材となって使用時の耐久性を満足し、また、シートの表裏面に水素透過性材料が貫通しているので、十分な機械的強度及び十分な水素透過機能を兼ね備えることができる。
また、本発明によれば、水素分離シートは、多孔シート材に設けられた複数の貫通孔に水素透過性材料が突出部と絡み合って固着力を高めているので、十分な機械的強度及び十分な水素透過機能を兼ね備えることができる。また、多孔シート材の貫通孔に埋められた水素透過性材料として、粉末材料を用いることにより、多孔シート材の基材表面から基材に粉末材料をめり込ませることで、多孔シート材と水素透過性材料の固着力をさらに高め、使用時の耐久性を満足した水素透過性能を有する水素分離シートを得ることができる。
また、本発明によれば、水素透過性材料のみではなく、水素非透過性材料を混合し、多孔シート材の貫通孔を埋めることで、水素分離シートの水素透過性材料による体積膨張を抑制することができ、水素分離シートの材料割れを防止することができる。
また、本発明によれば、水素分離シートを製造する際、水素透過性材料が固着された水素分離シートの緻密化が十分となるので、十分な機械的強度を有しかつ十分な水素透過機能を有することができる。
また、本発明によれば、水素分離シートを熱間で圧延する場合、多孔シート材に固着した水素透過性材料の固着強度を高めるとともに、水素透過性粉末材料を焼結し緻密化するので、多孔シート材が機械的強度を受け持ち、水素透過性材料が水素透過機能を受け持つことで、十分な機械的強度を有しかつ十分な水素透過機能を有することができる。
また、本発明によれば、水素分離シートを熱間で圧延する場合、多孔シート材に固着した水素透過性材料の固着強度を高めるとともに、水素透過性粉末材料を焼結し緻密化するので、多孔シート材が機械的強度を受け持ち、水素透過性材料が水素透過機能を受け持つことで、十分な機械的強度を有しかつ十分な水素透過機能を有することができる。
また、本発明によれば、水素分離シートを加熱するための全体の加熱時間が短くなる。したがって、例えば水素透過性材料と水素非透過性材料との混合材を通電圧延する場合には、水素透過性材料が水素非透過性材料と合金化することなく混合状態で緻密化できるので、水素透過性材料本来の水素透過性能を損なうことなく十分な水素透過性能を有することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明を適用した水素分離シートの概略構成を示す図である。
水素分離シートAは、複数の貫通孔2を離散的に設けた金属製の平板1、すなわち多孔シート材によって形成されている。なお、この平板1は、厚さ10μm〜1mmであり、できるだけ薄く形成されることが好ましいが、10μm程度の厚さが製造限界である。
また、これら貫通孔2は、図2に示すように同一形状かつ同一姿勢の正方形に形状設定されており、その各辺(4辺)2aには、平板1のいずれか片面あるいは両面から局所的に押圧することにより平板1の表面から突出したバリ2bが形成されている。なお、これら貫通孔2の形状は、正方形に限定されるものではなく、例えば円形または不定形でもよい。また、これら貫通孔2の大きさは、0.2mm〜10mmであることが好ましい。
図1は、本発明を適用した水素分離シートの概略構成を示す図である。
水素分離シートAは、複数の貫通孔2を離散的に設けた金属製の平板1、すなわち多孔シート材によって形成されている。なお、この平板1は、厚さ10μm〜1mmであり、できるだけ薄く形成されることが好ましいが、10μm程度の厚さが製造限界である。
また、これら貫通孔2は、図2に示すように同一形状かつ同一姿勢の正方形に形状設定されており、その各辺(4辺)2aには、平板1のいずれか片面あるいは両面から局所的に押圧することにより平板1の表面から突出したバリ2bが形成されている。なお、これら貫通孔2の形状は、正方形に限定されるものではなく、例えば円形または不定形でもよい。また、これら貫通孔2の大きさは、0.2mm〜10mmであることが好ましい。
また、図2に示すように、各貫通孔2は、互いに隣り合う各貫通孔2の対応する各辺2aは直線L上に並ぶように整列配置されている。すなわち、互いに隣り合う各貫通孔2の対応する各辺2aのバリ2bは、直線L上に並ぶように配列している。なお、この図2では、互いに隣り合う貫通孔2の各バリ2bが水素分離シートAの一面側に突出しているが、図3に示すように互いに隣り合う貫通孔2の各バリ2bが水素分離シートAの両面に交互に突出することが好ましい。
ここで、水素分離シートAの両面には、水素透過性を有する水素透過性材料Bが貫通孔2を埋めるように固着されている。この水素透過性材料Bは、水素透過性を有する例えばバナジウム(V)またはバナジウム合金(V合金)を含むものである。また、互いに隣り合う貫通孔2の各バリ2bが水素分離シートAの両面に交互に突出するようにすることが、当該両面における水素透過性材料Bの固着力を同等に高める上で好ましい。
ここで、水素分離シートAの両面には、水素透過性を有する水素透過性材料Bが貫通孔2を埋めるように固着されている。この水素透過性材料Bは、水素透過性を有する例えばバナジウム(V)またはバナジウム合金(V合金)を含むものである。また、互いに隣り合う貫通孔2の各バリ2bが水素分離シートAの両面に交互に突出するようにすることが、当該両面における水素透過性材料Bの固着力を同等に高める上で好ましい。
図4は上記水素分離シートAを製造するための製造装置Sのシステム構成図である。この製造装置Sは、圧延ローラ11A,11B、熱間圧延装置13及びコイラ14から構成されている。圧延ローラ11A,11Bは、互いの周面が所定間隔を隔てて平行対峙するように配置されており、平板1及び平板1に固着する水素透過性材料Bを粉末圧延してシート化し、水素分離シートAを成形する。
熱間圧延装置13は、互いの周面が所定間隔を隔てて平行対峙するように配置された圧延ローラ13A,13Bを備えている。これら圧延ローラ13A,13Bは、水素分離シートAに対して通電圧延を行うために電源に接続され通電されており、圧延ローラ11A,11Bによって圧延された水素分離シートAをさらに圧延して所定の厚さに調節するものである。
コイラ14は、製造装置Sの最も下流に配置され、熱間圧延装置13から排出された水素分離シートAを巻き取るものである。
コイラ14は、製造装置Sの最も下流に配置され、熱間圧延装置13から排出された水素分離シートAを巻き取るものである。
上記製造装置Sを用いた水素分離シートAの製造方法は、水素透過性材料Bを多孔シート材である平板1の表面および貫通孔2内に固着して水素分離シートAを成形する成形工程と、この水素分離シートAを熱間圧延する圧延工程と、この圧延工程後に水素分離シートAを急速に冷却する冷却工程とを有する。すなわち、以下のような手順で水素分離シートAを製造する。
まず、平板1を圧延ローラ11A,11B間に供給する。このとき、例えばバナジウムまたはバナジウム合金を含む粉末材料である水素透過性材料Bを平板1の両面と圧延ローラ11Aまたは圧延ローラ11Bとの間に供給する。そして、例えば粉末圧延法によって圧延ローラ11A,11Bで水素透過性材料Bを平板1に押付けて固着しながら水素分離シートAを成形する(成形工程)。このとき、水素透過性材料Bは、水素透過性粉末材料と水素非透過性粉末材料との混合粉末材料としてもよい。
まず、平板1を圧延ローラ11A,11B間に供給する。このとき、例えばバナジウムまたはバナジウム合金を含む粉末材料である水素透過性材料Bを平板1の両面と圧延ローラ11Aまたは圧延ローラ11Bとの間に供給する。そして、例えば粉末圧延法によって圧延ローラ11A,11Bで水素透過性材料Bを平板1に押付けて固着しながら水素分離シートAを成形する(成形工程)。このとき、水素透過性材料Bは、水素透過性粉末材料と水素非透過性粉末材料との混合粉末材料としてもよい。
その後、成形した水素分離シートAを熱間圧延装置13に送る。そして、熱間圧延装置13を用いて水素分離シートAを熱間圧延し、所定のシート厚となるように調節する(圧延工程)。ここで、所定のシート厚は10〜200μmである。このような熱間圧延装置13を用いて圧延ローラ13A,13B間に電流を流して水素分離シートAおよび圧延ローラ13A,13Bを通電加熱する通電圧延法を用いることで、水素分離シートAが焼結処理され、十分に緻密化される。
通電圧延法においては、圧延ローラ13A,13B間に通電するにしたがって圧延加工中の水素分離シートAの温度が上昇することとなるが、水素分離シートAの酸化反応が激しく起こらないように、例えば圧力が1×10−2Pa以下の真空雰囲気もしくは純度99.99%以上のArガス等の不活性ガス雰囲気下で通電圧延を実施することが好ましい。
その後、通電圧延された水素分離シートAを冷却してコイラ14に巻き取る(冷却工程)。
通電圧延法においては、圧延ローラ13A,13B間に通電するにしたがって圧延加工中の水素分離シートAの温度が上昇することとなるが、水素分離シートAの酸化反応が激しく起こらないように、例えば圧力が1×10−2Pa以下の真空雰囲気もしくは純度99.99%以上のArガス等の不活性ガス雰囲気下で通電圧延を実施することが好ましい。
その後、通電圧延された水素分離シートAを冷却してコイラ14に巻き取る(冷却工程)。
このような水素分離シートAにおいて、平板1が多数の貫通孔2を有しており、それら貫通孔2を埋めるように水素透過性材料Bが固着されるため、水素透過性材料Bの低い強度を高剛性の平板1で補強することとなる。その結果、平板1が水素透過性材料Bの強度を補う補強材となるため、使用時に十分な耐久性を有する水素分離シートAが成形されることとなる。
また、平板1に設けられた多数の貫通孔2の中に水素透過性材料Bが埋められることで、平板1の表裏面を水素透過性材料Bが貫通しているので、水素イオンが水素分離シートAの表裏面間を透過することができる。
したがって、水素分離シートAは、十分な機械的強度及び十分な水素透過機能を兼ね備えることができる。
また、平板1に設けられた多数の貫通孔2の中に水素透過性材料Bが埋められることで、平板1の表裏面を水素透過性材料Bが貫通しているので、水素イオンが水素分離シートAの表裏面間を透過することができる。
したがって、水素分離シートAは、十分な機械的強度及び十分な水素透過機能を兼ね備えることができる。
また、水素透過性材料Bが多孔シート材の平板1に形成されたバリ2bと絡み合うことで、水素透過性材料Bの固着力を高めることができる。多孔シート材の平板1がラスシートの場合は、ラスの網材がバリと同様に、水素透過性材料と絡み合うことができ、固着力を高めることができる。
また、水素透過性材料Bがバナジウムまたはバナジウム合金を含むことで、従来使用されている高価なパラジウムまたはパラジウム合金の使用量を削減して、水素分離シートAに十分な水素透過性能を得ることとなる。
また、水素透過性材料Bがバナジウムまたはバナジウム合金を含むことで、従来使用されている高価なパラジウムまたはパラジウム合金の使用量を削減して、水素分離シートAに十分な水素透過性能を得ることとなる。
また、このような水素分離シートAを製造する際、複数の貫通孔2を有する平板1に複数の貫通孔2を埋めるように水素透過性材料Bを固着して水素分離シートAを成形した後、この水素分離シートAを熱間圧延することによって、水素透過性材料Bが固着された水素分離シートAが十分に緻密化されることとなり、水素以外のガスの透過ができない水素分離シートを得ることができる。また、熱間圧延により、結晶粒界に存在している酸素等進入型不純物元素を結晶粒界から分散させることができ、その結果、結晶粒界割れを防止することができる。
また、水素分離シートAを熱間圧延する場合、平板1に固着した水素透過性材料Bの固着強度を高めるとともに、水素透過性材料Bを焼結し、より緻密化することができる。
したがって、十分な機械的強度を有しかつ十分な水素透過機能を有する水素分離シートAを得ることができる。
また、水素分離シートAを熱間圧延する場合、平板1に固着した水素透過性材料Bの固着強度を高めるとともに、水素透過性材料Bを焼結し、より緻密化することができる。
したがって、十分な機械的強度を有しかつ十分な水素透過機能を有する水素分離シートAを得ることができる。
また、水素分離シートAを熱間で圧延する際に通電圧延とすることで、水素分離シートAが圧延時にのみ加熱されるので、水素分離シートAを加熱するための全体の加熱時間が短くなる。そのため、バナジウムまたはバナジウム合金と後述する水素非透過性材料との混合材を通電圧延する場合には、バナジウムまたはバナジウム合金が水素非透過性材料と合金化することなく混合状態で緻密化することができる。
また、多孔シート材が平面的なシートの場合、水素分離シートAが繰り返し熱履歴を受けたときに、多孔シート材と水素透過性材料Bの熱膨張率が一致していないと、多孔シート材に固着した水素透過性材料Bが多孔シート材から剥離しやすいが、多孔シート材に立体的なバリ2bが存在していると、多孔シート材と水素透過性材料Bの熱膨張率が多少一致していなくても、その剥離を防止することができる。
また、バナジウム及びバナジウム合金は、その結晶粒の粒界に酸素、窒素、炭素等が集積されるため、それら酸素、窒素、炭素等によって平板1の強度を著しく低下させてしまう性質を有する。そこで、この水素透過性材料Bを平板1の表面に固着して水素分離シートAを成形した後、熱間圧延装置13を用いて水素分離シートAを通電圧延することによって、それら酸素、窒素、炭素等を結晶粒の粒界から排除することとなる。また、水素分離シートAを圧延した後に急速に冷却することで、粉末圧延時に、多孔シート材である平板1に固着された水素非透過性材料を混合した水素透過性材料Bを合金化することなく、混合したままの状態で、緻密化したシートを得ることができる。
また、結晶粒界に集まる酸素等を分散させることで、粒界割れを防止し、水素非透過性材料と合金化しないため、水素透過性材料Bの本来の水素透過性能を維持することができ、十分な機械的強度と水素透過性能とを有する水素分離シートAを得ることができる。
また、結晶粒界に集まる酸素等を分散させることで、粒界割れを防止し、水素非透過性材料と合金化しないため、水素透過性材料Bの本来の水素透過性能を維持することができ、十分な機械的強度と水素透過性能とを有する水素分離シートAを得ることができる。
ここで、水素分離シートに固着された水素透過性材料にバナジウムを使用するメリットについて説明する。
バナジウムは、パラジウムのおよそ10倍の水素透過性能を有しており、通電圧延によれば、水素非透過性材料を混合しても合金化しないため、バナジウムが本来所有する水素透過性能を発揮できる。例えば、バナジウムに水素非透過性材料を50%混合しても、パラジウムよりもおよそ5倍の水素透過性能を有する水素分離シートを得ることができる。さらにバナジウムは、材料強度面から水素分離シートへの実用化が遅れているが、パラジウムよりも安価である。したがって、強度面の課題を克服し、十分な水素透過機能を有しかつ安価な水素分離シートを提供することができる。
バナジウムは、パラジウムのおよそ10倍の水素透過性能を有しており、通電圧延によれば、水素非透過性材料を混合しても合金化しないため、バナジウムが本来所有する水素透過性能を発揮できる。例えば、バナジウムに水素非透過性材料を50%混合しても、パラジウムよりもおよそ5倍の水素透過性能を有する水素分離シートを得ることができる。さらにバナジウムは、材料強度面から水素分離シートへの実用化が遅れているが、パラジウムよりも安価である。したがって、強度面の課題を克服し、十分な水素透過機能を有しかつ安価な水素分離シートを提供することができる。
なお、上記実施の形態において、水素分離シートAは、複数の貫通孔2を離散的に設けた金属製の平板1をラスシート、パンチングシートまたは網状シートに置き換えてもよい。
ここで、平板1をラスシートとした場合、ラスの網目が平面的でなく立体的になっているため、ラスの網目に水素透過性材料が入り込み、バリと同様に、ラスシートと水素透過性材料Bとが絡み合って固着することにより、ラスシートと水素透過性材料Bとの固着力が高まるとともに、ラスシートが水素透過性材料の強度の弱さを補強することとなる。
また、平板1をパンチングシートとした場合、パンチ孔に水素透過性材料が入り込み、パンチングシートと水素透過性材料とが固着することにより、パンチングシートが水素透過性材料の強度の弱さを補強することとなる。そして、パンチングシートのパンチ孔のエッジにバリが突出しているものについては、バリが水素透過性材料を固定することができ、平板1と水素透過性材料との密着性を高めることができる。
ここで、平板1をラスシートとした場合、ラスの網目が平面的でなく立体的になっているため、ラスの網目に水素透過性材料が入り込み、バリと同様に、ラスシートと水素透過性材料Bとが絡み合って固着することにより、ラスシートと水素透過性材料Bとの固着力が高まるとともに、ラスシートが水素透過性材料の強度の弱さを補強することとなる。
また、平板1をパンチングシートとした場合、パンチ孔に水素透過性材料が入り込み、パンチングシートと水素透過性材料とが固着することにより、パンチングシートが水素透過性材料の強度の弱さを補強することとなる。そして、パンチングシートのパンチ孔のエッジにバリが突出しているものについては、バリが水素透過性材料を固定することができ、平板1と水素透過性材料との密着性を高めることができる。
また、平板1をワイヤを編んで形成された網状シートとした場合、網目に水素透過性材料が入り込み、網状シートと水素透過性材料とが固着することにより、網状シートが水素透過性材料の強度の弱さを補強することとなる。
また、この平板1は、金属製の材料に限定するものではなく、樹脂系材料または炭素系材料に置き換えられてもよい。
また、この平板1は、金属製の材料に限定するものではなく、樹脂系材料または炭素系材料に置き換えられてもよい。
また、上記実施の形態において、水素透過性材料Bとしてバナジウムまたはバナジウム合金を用いるのみならず、他の金属、例えば5A族の金属、ニオブ(Nb)またはニオブ合金(Nb合金)、タンタル(Ta)またはタンタル合金(Ta合金)、さらに4A族の金属、ジルコニウム(Zr)またはジルコニウム合金(Zr合金)を用いることも可能である。すなわち、水素透過性材料Bとして水素を透過する金属または合金等の材料を用いることができるものであれば、その材料を特に限定するものではない。
また、上記実施の形態において、水素透過性材料Bとしてバナジウムまたはバナジウム合金を用いる場合、水素分離シートAの内部を水素イオンが透過できるように水素をイオン化するための触媒として、水素分離シートAの表面にパラジウムをコーティングしてもよい。水素分離シートAの表面にパラジウムをコーティングすることによって、水素分離シートAの表面に微細孔が存在する場合、コーティングしたパラジウムで微細孔を塞ぐことができる。なお、このパラジウムのコーティング膜の生成方法は、スパッタリング、電解メッキ、無電解メッキ、真空蒸着等、いずれの既存の方法でもよい。ここで、このパラジウムのコーティング膜の厚さは、0.05〜3μmであることが好ましい。特に、0.05μm程度の比較的薄い膜厚を生成する際にはスパッタリング法が用いられ、3μm程度の比較的厚い膜厚を生成する際には電解メッキ法が用いられている。
また、上記実施の形態において、例えばバナジウムまたはバナジウム合金等の水素透過性を有する水素透過性材料Bに水素非透過性材料を混合してもよい。ここで、水素非透過性材料として、ニッケル(Ni)、鉄(Fe)、銅(Cu)を含む材料、ステンレス材、セラミックスまたは炭素系材料等が用いられてもよい。水素透過性材料Bには、水素を吸収すると体積が膨張するという性質を有しているため、水素透過性材料Bに水素非透過性材料を混合することで、水素分離シートAの水素透過性材料Bによる体積膨張を抑制することができる。したがって、水素分離シートAの材料割れを防止することができる。なお、水素透過性材料Bへの水素非透過性材料の混合は、2種類の混合のみならず、何種類の材料を混合してもよい。また、水素透過性材料Bに水素非透過性材料を混合する際、いずれも粉末を使用し、粉末圧延により、多孔シート材に水素透過性材料Bを固定し、さらに、通電圧延すれば、粉末どうしを合金化せずに混合状態となる水素分離シートAを得ることができる。
また、上記実施の形態において、熱間圧延装置13を備えた製造装置Sを用いて熱間圧延により水素分離シートAを成形しているが、熱間圧延工程を冷間圧延工程に置き換えてもよい。このように冷間圧延に置き換えても、水素分離シートAの緻密化を図ることができる。
また、上記実施の形態において、熱間圧延装置13は複数設置されてもよい。熱間圧延装置13が複数設置されることで圧延工程を繰り返し行うこととなり、水素透過性材料Bに含まれる酸素、窒素、炭素等を結晶粒の粒界からの排除を確実に行うことができる。また、水素分離シートAの結晶粒が圧延時にせん断変形して圧延方向に延びた組織となるため、水素分離シートAの強度を増大させることができる。
また、表面にパラジウムをコーティングした水素分離シートAにおいても、圧延工程を繰り返し行うことで、コーティング膜の固着強度を高めることができ、このコーティング膜の剥離を防止することができる。
また、表面にパラジウムをコーティングした水素分離シートAにおいても、圧延工程を繰り返し行うことで、コーティング膜の固着強度を高めることができ、このコーティング膜の剥離を防止することができる。
また、上記実施の形態において、図5に示すように、圧延工程を繰り返し行うために、コイラ14に巻き取られた水素分離シートAを再度熱間圧延装置13に取付けた後、水素分離シートAを熱間圧延装置13に供給して通電圧延し、水素分離シートAの供給側に設けた別のコイラ15に水素分離シートAを巻き取るようにしてもよい。さらに、別のコイラ15に巻き取られた水素分離シートAを再度熱間圧延装置13に供給して通電圧延し、コイラ14に水素分離シートAを巻き取るようにしてもよい。このように圧延工程を繰り返し行うことによって、水素透過性材料Bに含まれる酸素、窒素、炭素等を結晶粒の粒界からの排除を確実に行うことができるとともに、板厚を薄くし、高い水素透過性能を有する水素分離シートAを得やすくなる。また、水素分離シートAの強度を増大させることができる。
また、上記実施の形態において、図6に示すように、平板1及び平板1に固着する水素透過性材料Bを圧延してシート化する際、圧延ローラ11A,11Bの上部にそれぞれ粉末投入ケース21A,21Bおよびコンベア22A,22Bを設置して、粉末投入ケース21A,21Bに投入された水素透過性材料Bの粉末を圧延ローラ11A,11Bに送出するようにしてもよい。このとき、圧延ローラ11A,11Bを回転させて平板1を圧延ローラ11A,11B間に送入すると同時にコンベア22A,22Bを稼動することによって、粉末投入ケース21A,21Bに投入された水素透過性材料Bがコンベア22A,22Bから圧延ローラ11A,11B間に送出され、この水素透過性材料Bが圧延ローラ11A,11Bによって平板1に固着される。すなわち、図7に簡略化して示すように、水素透過性材料Bが平板1の貫通孔2および平板1の表裏面に固着される。また、水素分離シートAとしては、水素透過性材料としてバナジウム系材料を用いた場合は、シートの表裏面にパラジウムまたはパラジウム合金のコーティング膜1’が着けられている。
また、上記実施の形態において、熱間圧延装置13は通電圧延法を用いなくてもよいため、圧延ローラ13A,13Bには通電されなくてもよい。すなわち、図8に示すように、圧延ローラ13A,13Bそれぞれに加熱手段、例えばヒータ23A,23Bを圧延ローラ13A,13Bを囲むようにそれぞれ設置し、圧延ローラ13A,13Bを加熱しながら水素分離シートAを熱間圧延してもよい。
A 水素分離シート
B 水素透過性材料
1 平板(多孔シート材)
2 貫通孔
2b バリ
13 通電圧延装置
B 水素透過性材料
1 平板(多孔シート材)
2 貫通孔
2b バリ
13 通電圧延装置
Claims (5)
- 複数の貫通孔を有する多孔シート材に前記複数の貫通孔を埋めるように水素透過性材料を固着したことを特徴とする水素分離シート。
- 前記多孔シート材は、ラスシート、パンチングシートまたは網状シートであることを特徴とする請求項1記載の水素分離シート。
- 前記水素透過性材料は、水素非透過性材料との混合材であることを特徴とする請求項1または2記載の水素分離シート。
- 複数の貫通孔を有する多孔シート材に前記複数の貫通孔を埋めるように水素透過性材料を固着して水素分離シートを成形する成形工程と、この水素分離シートを熱間または冷間で圧延する圧延工程とを有することを特徴とする水素分離シートの製造方法。
- 前記圧延工程は、熱間で圧延する場合、通電圧延であることを特徴とする請求項4記載の水素分離シートの製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004146479A JP2005324166A (ja) | 2004-05-17 | 2004-05-17 | 水素分離シート及びその製造方法 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008246408A (ja) * | 2007-03-30 | 2008-10-16 | Ihi Corp | 水素透過膜 |
JP2015181109A (ja) * | 2010-01-15 | 2015-10-15 | 住友化学株式会社 | 有機半導体素子用の液状組成物の保管方法 |
-
2004
- 2004-05-17 JP JP2004146479A patent/JP2005324166A/ja active Pending
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