JP2006015266A - Hydrogen separation membrane structure - Google Patents
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Description
本発明は、水素分離膜構造体の改良に関する。 The present invention relates to an improvement of a hydrogen separation membrane structure.
水素分離膜構造体として特許文献1に示したようなものが知られている。これはステンレス等の板状の金属支持体にエッチングで細孔を形成し、一方の面にパラジウムおよび銀からなる合金膜を被膜形成したものである。
前記水素分離膜構造体において合金膜は平滑な金属平面上に形成されているため、被膜と支持体間にいわゆるアンカー効果による接合力が働かず、合金膜と支持体金属間の熱膨張差や金属平板側からガス圧が作用した場合に剥がれやすいという問題がある。 In the hydrogen separation membrane structure, since the alloy membrane is formed on a smooth metal plane, the bonding force due to the so-called anchor effect does not work between the coating and the support, and the difference in thermal expansion between the alloy membrane and the support metal There is a problem that it is easy to peel off when gas pressure is applied from the metal flat plate side.
本発明は、水素分離膜の支持体となる金属基板に多数の貫通孔を設けると共に、前記金属基板の一方の面に水素分離膜を被覆形成した水素分離膜構造体において、前記水素分離膜を被覆する側の金属基板表面に凹部を形成し、前記貫通孔と凹部とにセラミック粒子を充填した構造を持たせる。 The present invention provides a hydrogen separation membrane structure in which a plurality of through-holes are provided in a metal substrate serving as a support for a hydrogen separation membrane, and one surface of the metal substrate is coated with a hydrogen separation membrane. A recess is formed on the surface of the metal substrate to be coated, and the through hole and the recess are filled with ceramic particles.
本発明によれば、金属基板上に設けた貫通孔と凹部にセラミック粒子を充填する構成としたため、セラミック粒子と水素分離膜との間に十分なアンカー効果が生じて水素分離膜が剥がれにくくなるという効果が得られる。 According to the present invention, since the ceramic particles are filled in the through holes and the recesses provided on the metal substrate, a sufficient anchor effect is generated between the ceramic particles and the hydrogen separation membrane, and the hydrogen separation membrane is difficult to peel off. The effect is obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図1(図1−1〜図1−3)は、本発明の第1の実施形態を示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 (FIGS. 1-1 to 1-3) shows a first embodiment of the present invention.
図において、11は水素分離膜構造体を、12と13は前記水素分離膜構造体を形成する金属基板と水素分離膜をそれぞれ示している。金属基板12は薄板円盤状に形成してあり、材質としては例えばステンレス合金材を適用する。水素分離膜13は水素分離機能を有するPd等の合金材をめっき、真空蒸着、スパッタリング等により金属基板12の一方の面に被覆してある。
In the figure, 11 is a hydrogen separation membrane structure, and 12 and 13 are a metal substrate and a hydrogen separation membrane forming the hydrogen separation membrane structure, respectively. The
前記金属基板12には該基板の表裏を貫通するように多数の貫通孔12aを形成すると共に、前記水素分離膜13を被覆する側の面のみに多数の凹部12bを形成する。前記凹部12bは、この場合金属基板12の中央部と、外周域とに形成してある。外周域の凹部12bは、前記貫通孔12aを包囲するように多数のものを等間隔で環状に配置してある。なお図示した金属基板12および水素分離膜13の厚さ、貫通孔12aおよび凹部12bの個数は、説明の便宜上実際のものとは異なる(以下の各図について同様)。
A large number of through
前記貫通孔12aおよび凹部12bは、金属基板12にエッチング、ドリル、レーザ加工等の加工法により形成する。凹部12bについては、言うまでもなく金属基板12を貫通しないように所要の深さに形成する。
The through
前記金属基板12の貫通孔12aおよび凹部12bには、水素分離膜13を形成する前にセラミック粒子14を充填して乾燥および焼結してある。セラミック粒子14の材質としては例えばアルミナ、シリカ等が適用可能である。
The through
前記水素分離膜構造体11においては、金属基板12の貫通孔12aに充填したセラミクス粒子14による多孔質構造部分および水素分離膜13を通して水素ガスが通過する。この実施形態では、前記金属基板12上の貫通孔12aのみならず凹部12bにもセラミック粒子14を充填し、その上から水素分離膜13を被覆してある。このため水素分離膜13とセラミック粒子14とがアンカー効果によって強固に結合され、金属基板12と水素分離膜13の熱膨張差や金属基板12側からガス圧が作用した場合に水素分離膜13が金属基板12から剥がれるおそれが減少する。
In the hydrogen
図2(図2−1〜図2−2)は、本発明の第2の実施形態を示している。この実施形態では、金属基板12の外周域に、凹部として基板外形に沿った環状溝12cを形成し、その内側域に円形の凹部領域15を前記環状溝12cまたは金属基板12に対して同心円状に形成してある。前記凹部領域15にはガス透過のための多数の貫通孔12aを形成してある。この場合、セラミック粒子14を前記環状溝12cと凹部領域15とに充填した上で焼結してある。なお水素分離膜形成は図示省略してあるが、前記環状溝12cおよび凹部領域15を形成した側の面に被覆する点は図1と同様である。
FIG. 2 (FIGS. 2-1 to 2-2) shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, an
この実施形態は、水素分離膜を形成する側の金属基板面を平滑に研磨する際に、凹部領域15を形成した領域においてセラミック粒子14の層内に金属基板12の金属部分が介在しないので加工がしやすく、より精度の高い平滑面が得られるという利点がある。
In this embodiment, when the metal substrate surface on the side where the hydrogen separation membrane is formed is polished smoothly, the metal portion of the
図3(図3−1〜図3−2)は、本発明の第3の実施形態を示している。金属基板12の形状は図1と同様である。ただし貫通孔12aに充填するセラミック粒子14の粒径を凹部12bに充填するものよりも小さくした点で異なる。水素分離膜は図示省略してある。
FIG. 3 (FIGS. 3-1 to 3-2) shows a third embodiment of the present invention. The shape of the
貫通孔12a上の膜部分にピンホールがあると水素以外のガスが漏れてくるという問題を生じるが、この実施形態のように貫通孔12aに充填するセラミック粒子14の粒径を細かくすることにより、均一でピンホールを生じにくい水素分離膜を形成することができる。一方、凹部12bには水素が透過しないのでピンホールは問題にならず、むしろセラミック粒子14の粒径を大きくすることで強いアンカー効果を生じるようにしている。これによりセラミック粒子〜水素分離膜間に強固な密着力を得ることができる。
If there is a pinhole in the film portion on the through-
図4(図4−1〜図4−3)は、本発明の第4の実施形態を示している。この実施形態では、図1に示したものと比較すると、金属基板12の外周域に環状溝12cを基板外径に沿って環状に形成した点で異なる。金属基板12の貫通孔12aおよび環状溝12cにセラミック粒子14を充填し、乾燥および焼結したのち該環状溝12cを形成した側の基板表面に水素分離膜13を被覆する。
FIG. 4 (FIGS. 4-1 to 4-3) shows a fourth embodiment of the present invention. This embodiment is different from that shown in FIG. 1 in that an
この実施形態によれば、水素分離膜13の外周部を環状溝12cに充填したセラミック粒子14のアンカー効果により保持するので、水素分離膜13の縁部Aが剥がれても環状溝12cよりも内側域にまで剥がれが及びにくくなり、所要の水素分離機能を維持することができる。
According to this embodiment, the outer peripheral portion of the
また、貫通孔12aを環状溝12cの内側域に設けたため、貫通孔12aに面した水素分離膜が剥がれにくくなると共に、水素以外の不純物ガスが漏れるおそれをより確実に防止することができる。
In addition, since the
図5は、本発明の第5の実施形態を示している。この実施形態では、金属基板12を円筒状に形成し、該円筒状基板12の両端部付近に円筒外周に沿って環状溝12cを形成し、その内側に貫通孔12aを形成してある。環状溝12cおよび貫通孔12aにはセラミック粒子14を充填し、乾燥および焼結したうえで、環状溝12cおよび貫通孔12aを覆うように、基板外周面に水素分離膜(図示せず)を被覆する。
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, the
この実施形態においても、円筒状金属基板12の両端に環状溝12cを形成してあるので、図4のものと同様に水素分離膜の剥がれを起こしにくい信頼性の高い水素分離膜構造体が得られる。
Also in this embodiment, since the
図6は、本発明の第6の実施形態を示している。この実施形態では、図4に示したのと同様に外周域に環状溝12cを形成した金属基板12において、水素分離膜13をその輪郭が前記環状溝12cの溝幅内に収まるように形成してある。
FIG. 6 shows a sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, in the same manner as shown in FIG. 4, in the
この実施形態によれば、水素分離膜13の縁部Aが、環状溝12cに充填したセラミック粒子14により強固に密着されるので、縁部からの剥がれがなくなり、水素分離膜構造体としての信頼性をより高めることができる。
According to this embodiment, since the edge A of the
図7は、本発明の第7の実施形態を示している。この実施形態は、図示したように中央部に形成した凹部12bおよび外周域に形成した環状溝12cの断面形状を、それぞれ開口端部側の幅よりも底部側の幅が大となるように形成した点を特徴としている。
FIG. 7 shows a seventh embodiment of the present invention. In this embodiment, as shown in the drawing, the cross-sectional shape of the
この実施形態によれば、凹部12bまたは環状溝12cに充填したセラミック粒子14が脱落し難くなり、表面に被覆する水素分離膜(図示せず)に対する保持強度をより高めることができる。
According to this embodiment, the
図8は、本発明に係る水素分離膜構造体11の製造方法の一例を示している。これは前記第3の実施形態として説明した水素分離膜構造体、すなわちセラミクス粒子14として小径のものを貫通孔12aに、大径のものを凹部12bにそれぞれ充填した構造のものについての製造工程例である。以下、工程に従って製造方法を説明する。
工程1
金属基板12にエッチング等により貫通孔12aおよび凹部12b、環状溝12cを形成する。
工程2
金属基板12の上面に貫通孔12aのみを覆うようにマスキング16を施したうえで、凹部12bおよび環状溝12cに粒径の大きなセラミックスラリ14’を充填し、乾燥させる。
工程3
貫通孔12aのマスキング16を除去し、凹部12bと環状溝12cを覆うようにマスキング17を施したうえで、貫通孔12aに粒径の小さなセラミックスラリ14’を充填し、乾燥させる。
工程4
マスキング17を除去し、セラミックスラリ14’を焼成して固化させる。
工程5
金属基板12の凹部12bを形成した側の表面略全域に真空蒸着法等により水素分離膜13を被覆する。これにより本発明に係る水素分離膜構造体11が得られる。
FIG. 8 shows an example of a method for producing the hydrogen
Process 1
Through
Process 2
After masking 16 is performed on the upper surface of the
Process 3
The masking 16 of the through-
Process 4
The masking 17 is removed, and the ceramic slurry 14 'is fired and solidified.
Process 5
The
11 水素分離膜構造体
12 金属基板
12a 貫通孔
12b 凹部
12c 凹部(環状溝)
13 水素分離膜
14 セラミック粒子
15 凹部領域
11 Hydrogen
13
Claims (7)
前記水素分離膜を被覆する側の金属基板表面に凹部を形成し、
前記貫通孔と凹部とにセラミック粒子を充填した構造を有することを特徴とする
水素分離膜構造体。 In the hydrogen separation membrane structure in which a large number of through holes are provided in a metal substrate that is a support for the hydrogen separation membrane, and one surface of the metal substrate is coated with a hydrogen separation membrane.
Forming a recess in the metal substrate surface on the side covering the hydrogen separation membrane,
A hydrogen separation membrane structure having a structure in which the through holes and the recesses are filled with ceramic particles.
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WO2008155992A1 (en) * | 2007-06-20 | 2008-12-24 | Nissan Motor Co., Ltd. | Hydrogen separation apparatus and process for manufacturing the same |
JP2009095749A (en) * | 2007-10-16 | 2009-05-07 | Dainippon Printing Co Ltd | Hydrogen-permeable membrane, fuel cell, and hydrogen modification receptacle |
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2004
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