JP2006239528A - Hydrogen permeable membrane and production method for hydrogen permeable membrane - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、水素透過膜および水素透過膜の製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen permeable membrane and a method for producing a hydrogen permeable membrane.
水素含有ガスから水素を抽出するために、従来、水素透過性金属を含む層を備える水素透過膜が用いられてきた。例えば、5族金属を含む水素透過性金属ベース層の両面に、ニッケル(Ni)あるいはコバルト(Co)を含む水素透過性中間層を介して、パラジウム(Pd)を含有する水素透過性金属被覆層を設けた5層構造の水素透過膜が知られている(特許文献1参照)。このような水素透過膜では、水素透過性中間層を設けることによって、金属被覆層を構成する金属が金属ベース層内に拡散することによる水素透過性の低下を防止している。 In order to extract hydrogen from a hydrogen-containing gas, a hydrogen permeable membrane having a layer containing a hydrogen permeable metal has been conventionally used. For example, a hydrogen-permeable metal coating layer containing palladium (Pd) on both sides of a hydrogen-permeable metal base layer containing a Group 5 metal via a hydrogen-permeable intermediate layer containing nickel (Ni) or cobalt (Co) A hydrogen-permeable membrane having a five-layer structure provided with a film is known (see Patent Document 1). In such a hydrogen permeable membrane, by providing a hydrogen permeable intermediate layer, a decrease in hydrogen permeability due to diffusion of the metal constituting the metal coating layer into the metal base layer is prevented.
しかしながら、上記のように中間層を設けても、金属ベース層と金属被覆層との間では、中間層を介した金属拡散が進行し得るため、さらなる金属拡散の抑制が望まれていた。また、中間層を設ける場合には、中間層と他の層との膨張率差(水素膨張および/または熱膨張による膨張率の違い)により、水素透過膜全体の耐久性が不十分となる可能性があった。 However, even if the intermediate layer is provided as described above, metal diffusion through the intermediate layer can proceed between the metal base layer and the metal coating layer, and thus further suppression of metal diffusion has been desired. When an intermediate layer is provided, the durability of the entire hydrogen permeable membrane may be insufficient due to the difference in expansion coefficient between the intermediate layer and other layers (difference in expansion coefficient due to hydrogen expansion and / or thermal expansion). There was sex.
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、中間層を備える水素透過膜において、金属拡散を抑制する効果をさらに高めることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to further enhance the effect of suppressing metal diffusion in a hydrogen permeable membrane including an intermediate layer.
上記目的を達成するために、本発明の第1の水素透過膜は、水素を選択的に透過させる水素透過膜であって、
5族金属を含有する金属ベース層と、
前記金属ベース層上に形成されると共に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層であって、他の部分よりも結晶粒界の密度が低く形成された低粒界密度層を一部に有する中間層と、
前記中間層上に形成されると共に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層と
を備えることを要旨とする。
To achieve the above object, the first hydrogen permeable membrane of the present invention is a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
A metal base layer containing a Group 5 metal;
A part of the low grain boundary density layer formed on the metal base layer and having a composition different from that of the metal base layer and having a crystal grain boundary density lower than other parts. An intermediate layer having
And a metal coating layer containing palladium (Pd) and formed on the intermediate layer.
以上のように構成された本発明の第1の水素透過膜によれば、中間層を備えるため、金属ベース層と金属被覆層との間の金属拡散を抑え、金属拡散に起因する水素透過膜の性能低下を防止することができる。ここで、中間層において一部に低粒界密度層を設けているため、金属ベース層と金属被覆層との間の金属拡散を中間層によって防止する効果を、より高めることができる。 According to the first hydrogen permeable membrane of the present invention configured as described above, since the intermediate layer is provided, metal diffusion between the metal base layer and the metal coating layer is suppressed, and the hydrogen permeable membrane resulting from metal diffusion is provided. It is possible to prevent performance degradation. Here, since the low grain boundary density layer is partially provided in the intermediate layer, the effect of preventing the metal diffusion between the metal base layer and the metal coating layer by the intermediate layer can be further enhanced.
このような本発明の第1の水素透過膜において、
前記中間層が有する前記低粒界密度層は、アモルファス金属により形成される層であり、
前記中間層が有する他の部分は、結晶構造を有する金属層であることとしても良い。
In such a first hydrogen permeable membrane of the present invention,
The low grain boundary density layer of the intermediate layer is a layer formed of an amorphous metal,
The other part of the intermediate layer may be a metal layer having a crystal structure.
アモルファス金属は、結晶構造を有しない金属であるため、アモルファス金属の層は、金属拡散が進行しやすい結晶粒界を有していない層である。このように、低粒界密度層として、結晶粒界を有しないアモルファス金属から成る層を中間層に設けることで、中間層によって金属拡散を妨げる効果を、より高めることができる。 Since an amorphous metal is a metal that does not have a crystal structure, the amorphous metal layer is a layer that does not have a crystal grain boundary that facilitates metal diffusion. Thus, by providing the intermediate layer with a layer made of amorphous metal having no crystal grain boundary as the low grain boundary density layer, the effect of preventing metal diffusion by the intermediate layer can be further enhanced.
また、本発明の第1の水素透過膜では、
前記中間層において、隣接する層との間に形成される界面の内の一方の界面近傍は、前記低粒界密度層としてアモルファス金属によって形成されると共に、他方の界面近傍は、結晶構造を有する金属によって形成され、
前記中間層は、前記一方の界面近傍と前記他方の界面近傍との間で、アモルファス金属から結晶構造を有する金属へと次第に変化する金属層であることとしても良い。
In the first hydrogen permeable membrane of the present invention,
In the intermediate layer, the vicinity of one of the interfaces formed between adjacent layers is formed of amorphous metal as the low grain boundary density layer, and the vicinity of the other interface has a crystal structure. Formed by metal,
The intermediate layer may be a metal layer that gradually changes from an amorphous metal to a metal having a crystal structure between the vicinity of the one interface and the vicinity of the other interface.
このような場合にも、中間層の一部をアモルファス金属の層とすることで、中間層により金属拡散を防止する効果をさらに高めることができる。 Even in such a case, by making a part of the intermediate layer an amorphous metal layer, the effect of preventing metal diffusion by the intermediate layer can be further enhanced.
本発明の第2の水素透過膜は、水素を選択的に透過させる水素透過膜であって、
5族金属を含有する金属ベース層と、
前記金属ベース層上に形成されると共に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層であって、アモルファス金属により構成される中間層と、
前記中間層上に形成されると共に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層と
を備えることを要旨とする。
The second hydrogen permeable membrane of the present invention is a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
A metal base layer containing a Group 5 metal;
An intermediate layer formed on the metal base layer and having a composition different from that of the metal base layer, the intermediate layer being made of an amorphous metal;
And a metal coating layer containing palladium (Pd) and formed on the intermediate layer.
以上のように構成された本発明の第2の水素透過膜によれば、中間層を備えるため、金属ベース層と金属被覆層との間の金属拡散を抑え、金属拡散に起因する水素透過膜の性能低下を防止することができる。また、中間層をアモルファス金属によって構成するため、金属ベース層と金属被覆層との間の金属拡散を中間層によって防止する効果を、さらに高めることができる。 According to the second hydrogen permeable membrane of the present invention configured as described above, since the intermediate layer is provided, metal diffusion between the metal base layer and the metal coating layer is suppressed, and the hydrogen permeable membrane caused by metal diffusion It is possible to prevent performance degradation. Moreover, since the intermediate layer is made of an amorphous metal, the effect of preventing metal diffusion between the metal base layer and the metal coating layer by the intermediate layer can be further enhanced.
また、本発明の第1の水素透過膜において、
前記中間層において、前記他の部分は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属によって形成され、前記低粒界密度層は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属を含有するアモルファス合金により形成されていることとしても良い。
In the first hydrogen permeable membrane of the present invention,
In the intermediate layer, the other part is formed of a metal having a higher melting point than the metal base layer and the metal coating layer, and the low grain boundary density layer has a melting point higher than that of the metal base layer and the metal coating layer. However, it may be formed of an amorphous alloy containing a high metal.
このような構成とすれば、中間層全体において構成金属の融点を高めることにより、中間層を設けることで金属拡散を防止する効果を高めることができる。このとき、特に、低粒界密度層ではない上記他の部分において、構成金属の融点が高いことにより金属拡散を抑える効果を顕著に得ることができる。 With such a configuration, the effect of preventing metal diffusion can be enhanced by providing the intermediate layer by increasing the melting point of the constituent metal in the entire intermediate layer. At this time, in particular, in the other part that is not the low grain boundary density layer, the effect of suppressing metal diffusion can be significantly obtained due to the high melting point of the constituent metals.
あるいは、本発明の第2の水素透過膜において、
前記中間層は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属を含有する合金により形成されていることとしても良い。
Alternatively, in the second hydrogen permeable membrane of the present invention,
The intermediate layer may be formed of an alloy containing a metal having a higher melting point than the metal base layer and the metal coating layer.
融点が高い金属ほど、一般に金属拡散を起こし難いという性質を有しているため、このような構成とすることで、中間層を設けることにより金属拡散を抑える効果をより高めることができる。 A metal having a higher melting point generally has a property that metal diffusion is less likely to occur. Therefore, with such a configuration, the effect of suppressing metal diffusion can be further enhanced by providing an intermediate layer.
このような本発明の第1または第2の水素透過膜において、前記中間層は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属として、タンタル(Ta)またはニオブ(Nb)を備えることとしても良い。また、前記金属ベース層は、該金属ベース層の主金属としてバナジウム(V)を備えることとしても良い。 In the first or second hydrogen permeable membrane of the present invention, the intermediate layer includes tantalum (Ta) or niobium (Nb) as a metal having a melting point higher than that of the metal base layer and the metal coating layer. It's also good. The metal base layer may include vanadium (V) as a main metal of the metal base layer.
V、Ta、Nbなどの5族金属は、優れた水素透過性能を有しており、中でも、TaおよびNbは、VおよびPdに比べて高い融点を示す。したがって、中間層をTaまたはNbで形成し、また、さらに金属ベース層をVで形成する場合には、水素透過性能および耐久性に優れた水素透過膜を得ることができる。このとき、金属ベース層は、Vの単体から成る層であっても良く、V合金から成る層であっても良い。 Group 5 metals such as V, Ta, and Nb have excellent hydrogen permeation performance. Among them, Ta and Nb exhibit a higher melting point than V and Pd. Therefore, when the intermediate layer is formed of Ta or Nb and the metal base layer is further formed of V, a hydrogen permeable membrane having excellent hydrogen permeation performance and durability can be obtained. At this time, the metal base layer may be a layer made of V alone or a layer made of a V alloy.
本発明の第1の水素透過膜の製造方法は、水素を選択的に透過させる水素透過膜の製造方法であって、
(a)5族金属を含有する金属ベース層を用意する工程と、
(b)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層であって、他の部分よりも結晶粒界の密度が低く形成された低粒界密度層を一部に有する中間層を形成する工程と、
(c)前記中間層上に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層を形成する工程と
を備えることを要旨とする。
The first method for producing a hydrogen permeable membrane of the present invention is a method for producing a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
(A) preparing a metal base layer containing a Group 5 metal;
(B) On the metal base layer, a metal layer having a composition different from that of the metal base layer, wherein a low grain boundary density layer is formed in which the density of crystal grain boundaries is lower than other parts. Forming an intermediate layer having;
And (c) forming a metal coating layer containing palladium (Pd) on the intermediate layer.
以上のように構成された本発明の第1の水素透過膜の製造方法によれば、本発明の第1の水素透過膜を製造することができ、このような水素透過膜において、既述した効果が得られる。 According to the manufacturing method of the first hydrogen permeable membrane of the present invention configured as described above, the first hydrogen permeable membrane of the present invention can be manufactured. An effect is obtained.
本発明の第1の水素透過膜の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b−1)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成の金属層を成膜する工程と、
(b−2)前記金属層の表面に対して加熱処理を施して、前記金属層において前記表面を含む一部における結晶粒界の密度を低くする工程と
を備えることとしても良い。
In the first method for producing a hydrogen permeable membrane of the present invention,
The step (b)
(B-1) forming a metal layer having a composition different from that of the metal base layer on the metal base layer;
(B-2) It is good also as providing the process which heat-processes with respect to the surface of the said metal layer, and lowers the density of the crystal grain boundary in a part including the said surface in the said metal layer.
このような構成とすれば、加熱処理という簡便な処理により、中間層の一部を構成する低粒界密度層を形成することができる。このとき、加熱処理は金属層の表面に対して行なわれるため、加熱処理時には金属ベース層の昇温を抑えることができる。したがって、加熱処理に伴う金属ベース層を構成する金属の拡散を抑制することができる。 With such a configuration, a low grain boundary density layer constituting a part of the intermediate layer can be formed by a simple process called heat treatment. At this time, since the heat treatment is performed on the surface of the metal layer, the temperature rise of the metal base layer can be suppressed during the heat treatment. Therefore, the diffusion of the metal constituting the metal base layer accompanying the heat treatment can be suppressed.
また、本発明の第1の水素透過膜の製造方法において、
前記(b)工程は、
(b−1)前記金属ベース層とは異なる組成のアモルファス金属層を形成する工程と、
(b−2)前記金属ベース層とは異なる組成の結晶構造を有する金属層を形成する工程と
を備えることとしても良い。
In the first method for producing a hydrogen permeable membrane of the present invention,
The step (b)
(B-1) forming an amorphous metal layer having a composition different from that of the metal base layer;
(B-2) forming a metal layer having a crystal structure having a composition different from that of the metal base layer.
このような構成とすれば、中間層の一部としてアモルファス金属から成る低粒界密度層が形成された中間層を備える水素透過膜を製造することができる。 With such a configuration, it is possible to manufacture a hydrogen permeable membrane including an intermediate layer in which a low grain boundary density layer made of amorphous metal is formed as a part of the intermediate layer.
あるいは、本発明の第1の水素透過膜の製造方法において、
前記(b)工程は、前記金属ベース層との界面近傍と、前記金属被覆層との界面との間で、アモルファス金属から結晶構造を有する金属へと次第に変化する金属層を形成する工程であることとしても良い。
Alternatively, in the first method for producing a hydrogen permeable membrane of the present invention,
The step (b) is a step of forming a metal layer that gradually changes from an amorphous metal to a metal having a crystal structure between the vicinity of the interface with the metal base layer and the interface with the metal coating layer. It's also good.
このような構成とすれば、一方の界面近傍はアモルファス金属によって形成されると共に、他方の界面近傍は結晶構造を有する金属によって形成され、一方の界面近傍と他方の界面近傍との間で、アモルファス金属から結晶構造を有する金属へと次第に変化する中間層を備える水素透過膜を製造することができる。 With such a configuration, the vicinity of one interface is formed of an amorphous metal, the vicinity of the other interface is formed of a metal having a crystal structure, and an amorphous region is formed between one interface vicinity and the other interface vicinity. A hydrogen permeable membrane having an intermediate layer that gradually changes from a metal to a metal having a crystal structure can be produced.
本発明の第2の水素透過膜の製造方法は、水素を選択的に透過させる水素透過膜の製造方法であって、
(a)5族金属を含有する金属ベース層を用意する工程と、
(b)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成を有し、全体がアモルファス金属により構成される中間層を形成する工程と、
(c)前記中間層上に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層を形成する工程と
を備えることを要旨とする。
The second method for producing a hydrogen permeable membrane of the present invention is a method for producing a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
(A) preparing a metal base layer containing a Group 5 metal;
(B) forming on the metal base layer an intermediate layer having a composition different from that of the metal base layer and entirely composed of amorphous metal;
And (c) forming a metal coating layer containing palladium (Pd) on the intermediate layer.
以上のように構成された本発明の第2の水素透過膜の製造方法によれば、本発明の第2の水素透過膜を製造することができ、このような水素透過膜において、既述した効果が得られる。 According to the manufacturing method of the second hydrogen permeable membrane of the present invention configured as described above, the second hydrogen permeable membrane of the present invention can be manufactured. An effect is obtained.
本発明の第3の水素透過膜の製造方法は、水素を選択的に透過させる水素透過膜の製造方法であって、
(a)5族金属を含有する金属ベース層を用意する工程と、
(b)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層を形成する工程と、
(c)前記金属層の表面に対して加熱処理を施すことによって、前記金属層の少なくとも一部の結晶粒界の密度を低くする工程と、
(d)前記金属層上に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層を形成する工程と
を備えることを要旨とする。
The third method for producing a hydrogen permeable membrane of the present invention is a method for producing a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
(A) preparing a metal base layer containing a Group 5 metal;
(B) forming a metal layer having a composition different from that of the metal base layer on the metal base layer;
(C) reducing the density of at least some of the crystal grain boundaries of the metal layer by performing a heat treatment on the surface of the metal layer;
And (d) forming a metal coating layer containing palladium (Pd) on the metal layer.
以上のように構成された本発明の第3の水素透過膜の製造方法によれば、加熱処理という簡便な処理により、中間層の少なくとも一部において結晶粒界の密度を低くすることができる。このとき、加熱処理は金属層の表面に対して行なわれるため、加熱処理時には金属ベース層の昇温を抑えることができる。したがって、加熱処理に伴う金属ベース層を構成する金属の拡散を抑制することができる。 According to the third method for manufacturing a hydrogen permeable membrane of the present invention configured as described above, the density of crystal grain boundaries can be lowered in at least a part of the intermediate layer by a simple process such as heat treatment. At this time, since the heat treatment is performed on the surface of the metal layer, the temperature rise of the metal base layer can be suppressed during the heat treatment. Therefore, the diffusion of the metal constituting the metal base layer accompanying the heat treatment can be suppressed.
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、水素透過膜を用いた水素抽出装置や、燃料電池などの形態で実現することが可能である。 The present invention can be realized in various forms other than those described above. For example, the present invention can be realized in the form of a hydrogen extraction device using a hydrogen permeable membrane, a fuel cell, or the like.
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.水素透過膜の構成:
B.水素透過膜の製造方法:
C.第1実施例の変形例:
D.第2実施例:
E.第3実施例:
F.水素透過膜の利用:
G.変形例:
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Configuration of hydrogen permeable membrane:
B. Manufacturing method of hydrogen permeable membrane:
C. Modification of the first embodiment:
D. Second embodiment:
E. Third embodiment:
F. Use of hydrogen permeable membrane:
G. Variations:
A.水素透過膜の構成:
図1は、本発明の第1実施例である水素透過膜10の構成の概略を表わす断面模式図である。水素透過膜10は、金属ベース層12と、金属ベース層の両面上に形成される中間層13と、各々の中間層13上に形成される金属被覆層16と、を備えている。ここで、中間層13は、金属ベース層12と接する界面を含む領域に設けられたアモルファス層14と、その他の領域であって金属被覆層16と接する界面を含む領域に設けられた結晶質金属層15とを備えている。すなわち、水素透過膜10は、全体では、7層構造を有している。
A. Configuration of hydrogen permeable membrane:
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the outline of the configuration of a hydrogen
金属ベース層12は、バナジウム(V)、あるいはVを主要な構成成分として50%を超える割合で含むバナジウム合金など、Vを含む金属によって形成されており、優れた水素透過性を示す金属層である。
The
金属被覆層16は、Pdを含む金属によって形成されており、例えば、パラジウム(Pd)や、Pdを主要な構成成分として50%を超える割合で含むパラジウム合金によって形成されている。この金属被覆層16は、水素透過膜の表面における水素分子の解離反応あるいは水素分子への結合反応を促進する活性を有する触媒層として機能する層である。
The
中間層13は、金属ベース層12および金属被覆層16とは異なる組成の水素透過性金属から成る層であって、金属ベース層12と金属被覆層16との間の金属拡散を防止するために設けられる層である。中間層13の内、結晶質金属層15は、タンタル(Ta)によって形成されている。また、アモルファス層14は、Taを含有する合金により形成されており、具体的には、Taを64%、銅(Cu)を36%含有するTa−Cu系合金(以下、Ta64Cu36合金と表わす)により形成した。
The
B.水素透過膜の製造方法:
図2は、水素透過膜10の製造方法を表わす工程図である。水素透過膜10を製造する際には、まず、金属ベース層12となるVを含有する金属層を用意する(ステップS100)。ステップS100で用意する金属層は、例えば、Vを主要な構成成分とする金属塊に対して圧延と焼鈍の工程を繰り返すことにより作製することができ、このような工程により、極めて緻密な結晶質から成る金属層を得ることができる。なお、このステップS100では、用意した金属層の表面をアルカリ溶液でエッチングして、表面に形成された酸化膜等の不純物の除去を行なっている。
B. Manufacturing method of hydrogen permeable membrane:
FIG. 2 is a process diagram showing a method for manufacturing the hydrogen
ステップS100の次には、用意した金属ベース層12の両面のそれぞれに、既述したTa−Cu系合金から成るアモルファス層14を形成する(ステップS110)。アモルファス層14の形成は、例えばPVD法あるいはCVD法により行なうことができる。PVD法としては、スパッタ法やイオンプレーティング、あるいは真空蒸着法を挙げることができる。成膜すべきアモルファス層14の組成に応じた成膜材料を用意すると共に、成膜時に成膜材料に供給されるエネルギ量を充分に少なくして結晶化を抑えることにより、結晶構造を有しないアモルファス層14を形成することができる。成膜材料に供給するエネルギ量は、成膜の基板である金属ベース層12の成膜時における温度や、成膜材料が基板に衝突する際の投入エネルギによって、調節することができる。成膜材料が基板に衝突する際の投入エネルギは、例えば成膜速度を上げることにより小さくすることができる。また、スパッタ法やイオンプレーティングによりアモルファス層を形成する場合には、アモルファス層の成膜時に、チャンバ内を満たすアルゴン(Ar)ガスのガス圧をより高くして、成膜材料により多くのArを衝突させることとしても良い。あるいは、イオンプレーティングを行なう場合には、アモルファス層の成膜時に、基板に印加するバイアス電圧をより低く設定することによっても、成膜材料が基板に衝突する際の投入エネルギを小さくすることができる。なお、アモルファス層14は、結晶化温度以上に昇温すると結晶化が始まるため、ステップS110以降の工程では、アモルファス層14が、その結晶化温度以上に昇温しないように温度管理する必要がある。具体的には、ステップS110以降の成膜工程において、成膜の基板温度を、アモルファス層14を構成する合金の結晶化温度よりも低く保つように制御すればよい。本実施例のTa64Cu36合金では、結晶化温度は656℃である。
Following step S100, the
アモルファス層14を形成すると、次に、アモルファス層14上に、Taから成る結晶質金属層15を形成する(ステップS120)。結晶質金属層15は、例えば、PVD法やCVD法あるいはメッキ処理(例えば無電解メッキや電解メッキ)によって形成することができる。
Once the
ステップS120で結晶質金属層15を形成すると、この結晶質金属層15上に、Pdを含有する金属被覆層16を形成し(ステップS130)、水素透過膜10を完成する。金属被覆層16は、例えば、PVD法やCVD法、あるいはメッキ処理によって形成することができる。
When the
なお、水素透過膜10を製造する際には、用途に基づいて要求される水素透過性能や強度に応じて、各層の厚みを設定すればよい。例えば、金属ベース層12は、10〜100μmとすることができる。金属被覆層16は、0.1〜1.0μmとすることができる。金属被覆層16は、既述したように触媒層として機能する層であるため、金属ベース層12に比べて薄くすることができる。中間層13は、金属ベース層12と金属被覆層16との間の金属拡散を防止するためにはより厚く形成することが望ましいが、両者の間に介在していれば金属拡散を防止する所定の効果が得られるため、金属被覆層16よりもさらに薄く形成しても良い。そのため、例えば、0.01〜10μm程度の厚みとすることができる。
When the hydrogen
以上のように構成された第1実施例の水素透過膜10によれば、中間層13においてアモルファス層14を設けているため、金属ベース層12と金属被覆層16との間の金属拡散を中間層13によって防止する効果を、より高めることができる。ここで、非結晶質のアモルファス層14は、結晶構造を有しないため、金属拡散が進行する主要な場の一つである結晶粒界を有していない。このように、金属拡散が進行し易い結晶粒界を有していない(広義には結晶粒界の密度がより低く形成されている)アモルファス層14を中間層13に設けることで、金属拡散を防止する効果をより高めることができる。すなわち、中間層13全体をPVDやCVDにより結晶構造を有する層として形成した場合に比べて、金属ベース層12と金属被覆層16との間の金属拡散を妨げる効果を、より高めることができる。特に、金属被覆層16内に拡散した金属が金属被覆層16の表面にまで達すると、膜内を透過させるべき水素分子を水素透過膜表面において解離させる触媒活性が妨げられてしまうが、上記のように金属拡散を抑制することで、このような水素透過膜10の水素透過性能の低下を防止することができる。
According to the hydrogen
また、水素透過膜10の使用時には、熱膨張および水素膨張による膨張率差に起因して、隣り合う金属層の間に応力が発生するが、本実施例では、アモルファス層14を設けることで、水素透過膜10全体の強度を高めて応力の影響を緩和することができる。すなわち、金属層内で発生した応力は、結晶質を有する金属層では一般に結晶粒界に集中するが、結晶粒界を持たないアモルファス層14では、応力はアモルファス層14全体に分散し、応力が局所的に集中することがない。このように、応力が集中する粒界を有しないアモルファス層14は、結晶構造を有する層に比べて強度に優れた層であるということができる。したがって、強度に優れたアモルファス層14を設けることで、隣接する層との間の膨張率差に起因する水素透過膜10内における損傷の発生を抑え、水素透過膜10全体の耐久性を向上させることができる。
Further, when the hydrogen
なお、一般に純度の高い金属はアモルファス化し難いという性質を有しているため、アモルファス層14を形成するためには、水素透過性能を有する金属元素(Ta)に対して、アモルファス化を容易にする元素を加える必要がある。ここで、アモルファス化し易くする元素とは、例えば、得られる合金が、状態図において共晶反応を持つような場合には、その共晶組成付近の融点をより低くする性質を有するものを選択することができる。あるいは、Taに対して、原子半径が著しく異なる元素を選択することとしても良い。本実施例では、アモルファス化し易くする元素としてCuを選択し、Ta−Cu合金(Ta64Cu36合金)を用いているが、これに限るものではない。実施例のようにTa−Cu合金によりアモルファス層を形成する場合には、水素透過性能を維持しつつアモルファス層の形成を容易にするために、Cuの含有割合は25〜60%であることが望ましい。
In general, a high-purity metal has a property that it is difficult to become amorphous. Therefore, in order to form the
ここで、金属は、一般に、融点が高いほど金属拡散を起こし難いという性質を有しているが、中間層13全体に含まれるTaは、金属ベース層12や金属被覆層16を構成する金属に比べて高融点な金属である。本実施例では、既述したように、アモルファス層14はTaとCuとの合金であるため、Taに比べて低い融点を示すが、結晶質金属層15はTaにより形成しているため、金属ベース層12や金属被覆層16に比べて高い融点を示す。したがって、本実施例の水素透過膜10は、このような結晶質金属層15を設けることで、水素透過膜10における金属拡散を抑える効果をより高めることができる。
Here, the metal generally has the property that the higher the melting point, the less likely it is to cause metal diffusion. However, Ta contained in the entire
C.第1実施例の変形例:
C1.変形例1:
第1実施例の結晶質金属層15は、Taによって構成されることとしたが、Taを含有する合金、例えば、アモルファス層14よりもCuの含有割合の低いTa−Cu合金によって構成しても良い。このような構成としても、結晶質金属層15を構成するTa−Cu合金の融点が、金属ベース層12および金属被覆層16を構成する金属に比べて高融点であれば、実施例と同様の効果が得られる。すなわち、中間層の一部を結晶粒界を有しないアモルファス層とすることで金属拡散を抑制する効果と、中間層の一部を融点がより高い金属から成る層とすることで金属拡散を抑制する効果との両方の効果を得ることができる。
C. Modification of the first embodiment:
C1. Modification 1:
Although the
C2.変形例2:
第1実施例では、金属ベース層12との界面側にアモルファス層14を設け、金属被覆層16との界面側に結晶質金属層15を設けているが、これらの配置を逆にすることも可能である。すなわち、金属ベース層12との界面側に結晶質金属層15を設け、金属被覆層16との界面側にアモルファス層14を設けることとしても良い。このように金属被覆層16との界面側をアモルファス層14とする場合には、表面に粒界段差(金属結晶の境界に生じる段差)や結晶構造の欠陥を有しないアモルファス層14上に金属被覆層16を成膜することになる。したがって、上記粒界段差や結晶構造の欠陥に起因して、上側に設ける金属被覆層16において結晶構造の欠陥が生じることがない。金属被覆層16において結晶構造の欠陥が生じると、このような欠陥を介して金属被覆層16において金属拡散が進行しやすくなるが、欠陥の発生を抑えることで、金属拡散に起因する水素透過性能の低下を防止することができる。
C2. Modification 2:
In the first embodiment, the
C3.変形例3:
また、アモルファス層14は、中間層13と中間層13に隣接する層との界面近傍ではなく、中間層13の中程に設けることとしても良い。このような水素透過膜の例である水素透過膜110の構成を図3に示す。水素透過膜110は、水素透過膜10の中間層13に代えて、アモルファス層14を上下から結晶質金属層15で挟持した中間層113を備えている。
C3. Modification 3:
The
あるいは、中間層を、アモルファス層14と結晶質金属層15とを交互に複数積層することによって形成しても良い。このような水素透過膜の例である水素透過膜210の構成を図4に示す。図4に示す水素透過膜210は、アモルファス層14と結晶質金属層15との積層構造を3組積層した中間層213を有している。
Alternatively, the intermediate layer may be formed by alternately laminating a plurality of
このような構成とすることで、結晶粒界を有しないアモルファス層14を設けることで金属拡散を抑えると共に強度を確保する効果と、高融点金属であるTaの含有割合が高い結晶質金属層15を設けることで金属拡散を抑える効果とを、さらに高めることができる。
With such a configuration, the
C4.変形例4:
また、中間層全体をアモルファス層によって形成することとしても良い。中間層の少なくとも一部を結晶粒界を有しないアモルファス層とすることで、中間層によって金属拡散を抑えると共に強度を確保する同様の効果を得ることができる。さらに、この場合にも、金属ベース層12や金属被覆層16を構成する金属よりも高融点である金属(例えばTa)を含むアモルファス合金によって中間層を構成することで、中間層が金属拡散を抑制する効果を高めることができる。特に、中間層を構成するアモルファス金属の融点が、金属ベース層12や金属被覆層16を構成する金属の融点よりも高ければ、中間層により金属拡散を抑制する効果をより高めることができる。
C4. Modification 4:
Further, the entire intermediate layer may be formed of an amorphous layer. By making at least a part of the intermediate layer an amorphous layer having no crystal grain boundary, it is possible to obtain the same effect of suppressing the metal diffusion and securing the strength by the intermediate layer. Furthermore, in this case, the intermediate layer is formed of an amorphous alloy containing a metal (for example, Ta) having a melting point higher than that of the metal constituting the
D.第2実施例:
図5は、第2実施例の水素透過膜310の構成の概略を表わす説明図である。第2実施例の水素透過膜310は、第1実施例の水素透過膜10と類似する構成を有するため、以下、水素透過膜10と共通する部分には、同じ参照番号を付して説明する。
D. Second embodiment:
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of the hydrogen
水素透過膜310は、金属ベース層12と金属被覆層16との間に、中間層313を備えている。この中間層313では、金属ベース層12との界面を含む領域はTa−Cu合金であるアモルファス合金により形成され、金属被覆層16との界面に向かって次第にTaの含有割合が増加すると共に結晶構造が形成され、金属被覆層16との界面近傍はTaによって形成されている。このように、中間層313では、金属ベース層12との界面を含む領域には、Ta−Cu合金によって形成されるアモルファス層314が形成され、金属被覆層16との界面を含む領域には、結晶構造を有するTaから成る結晶質金属層315が形成されている。しかしながら、第2実施例では、アモルファス層314と結晶質金属層315との間の界面は、第1実施例の水素透過膜10のような明確な界面ではなく、所定の厚みにわたって組成および結晶構造が次第に変化する層(以下、傾斜界面と呼ぶ)となっている。
The hydrogen
図6は、第2実施例の水素透過膜310の製造方法を表わす工程図である。水素透過膜310を製造する際には、まず、図2のステップS100と同様に金属ベース層12を用意する(ステップS200)。その後、ステップS200で用意した金属ベース層12の両面上に、Ta−Cu合金によって構成されるアモルファスの層から、Taによって構成される結晶質金属の層へと次第に変化する中間層313を形成する(ステップS210)。
FIG. 6 is a process diagram showing a method for manufacturing the hydrogen
ここで、中間層313の形成は、例えば、PVD法により成膜する際に、金属ベース層12との界面を含む所定の領域は、Cuの含有割合の高いTa合金を成膜材料として用いると共に、より少ないエネルギを成膜材料に対して供給しつつ成膜すれば良い。Cuのようにアモルファス化を容易にする元素の含有量が多い状態で、成膜材料に供給するエネルギ量を充分に少なくすることで、アモルファス金属層を形成することができる。また、上記界面から離れるに従って、成膜材料におけるCuの割合を減少させてTaの割合を増加させつつ、成膜材料に供給するエネルギ量を次第に多くすればよい。このように成膜材料に供給するエネルギ量を次第に多くすることで、成膜材料は結晶化に要するエネルギが得られるようになり、結晶構造を有する膜が形成されるようになる。成膜材料に供給するエネルギ量は、既述したように、成膜の基板である金属ベース層12の温度や、成膜材料が基板に衝突する際の投入エネルギによって、調節することができる。
Here, the intermediate layer 313 is formed by using, for example, a Ta alloy having a high Cu content ratio as a film forming material in a predetermined region including the interface with the
ステップS210で中間層313を形成した後は、この中間層313上に、図2のステップS130と同様に金属被覆層16を形成して(ステップS220)、水素透過膜310を完成する。
After forming the intermediate layer 313 in step S210, the
以上のように構成された第2実施例の水素透過膜310においても、中間層313の一部を、結晶粒界を有しないアモルファス層314とすることで、第1実施例と同様の効果を得ることができる。特に第2実施例では、アモルファス層314と結晶質金属層315との間を傾斜界面としているため、両者の格子定数の違いや、水素膨張時あるいは熱膨張時における膨張率の違いに起因する、中間層313内での結晶構造の欠陥(点欠陥や転位)の発生を防止可能となる。従って、上記結晶構造の欠陥を介した中間層313内への金属拡散を、効果的に抑えることができる。
Also in the hydrogen
なお、第2実施例においても、第1実施例と同様に種々の変形が可能である。例えば、結晶質金属層315における金属被覆層16との界面近傍を、Taではなく、Taの含有割合の高いTa−Cu合金により構成しても良い。あるいは、アモルファス層314と結晶質金属層315の配置を上下逆にしても良い。
In the second embodiment, various modifications can be made as in the first embodiment. For example, the vicinity of the interface between the crystalline metal layer 315 and the
E.第3実施例:
第1および第2実施例では、結晶粒界の密度がより低い層としてアモルファス層を設けたが、異なる構成としても良い。図7は、結晶粒界の密度がより低い層として、結晶粒を成長させて緻密化した結晶質金属層を有する第3実施例の水素透過膜410の構成の概略を表わす説明図である。第3実施例の水素透過膜410は、第1実施例の水素透過膜10と類似する構成を有するため、以下、水素透過膜10と共通する部分には、同じ参照番号を付して説明する。
E. Third embodiment:
In the first and second embodiments, an amorphous layer is provided as a layer having a lower density of crystal grain boundaries, but a different configuration may be used. FIG. 7 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of the hydrogen
水素透過膜410は、水素透過膜10の中間層13に代えて、金属ベース層12との界面側に設けられた結晶質金属層415と、金属被覆層16との界面側に設けられた緻密化結晶質層414とを備える中間層413を有している。図8は、水素透過膜410の製造方法を表わす工程図である。
Instead of the
水素透過膜410を製造する際には、まず、図2のステップS100と同様に金属ベース層12を用意する(ステップS300)。その後、ステップS300で用意した金属ベース層12の両面上に、結晶構造を有するTa層を形成する(ステップS310)。このTa層の形成は、図2のステップS120における結晶質金属層15の形成の工程と同様に行なえばよい。
When manufacturing the hydrogen
その後、上記Ta層の表面に対して加熱処理(アニーリング)を行ない、Ta層の表面近傍において結晶粒を成長させて緻密化結晶質層414を形成する(ステップS320)。Ta層において、金属ベース層12との界面を含む領域であって結晶粒が成長していない領域は、結晶質金属層415となる。ここで、加熱処理は、例えば、Ta層に対するパルスレーザの照射によって行なうことができる。このようにTa層表面を局所的に加熱してエネルギを与えることで、Ta層の表面近傍においては金属結晶の結晶粒が成長し、結晶粒径が大型化する。結晶粒が成長するということは、結晶構造における欠陥が解消されると共に粒界密度が低下するということである。
Thereafter, heat treatment (annealing) is performed on the surface of the Ta layer, and crystal grains are grown in the vicinity of the surface of the Ta layer to form a densified crystalline layer 414 (step S320). In the Ta layer, the region including the interface with the
加熱処理の方法はパルスレーザに限るものではなく、結晶粒が成長可能であってTaの溶融温度よりも低い所定の高温にまでTa層表面を加熱可能な方法であればよい。ただし、金属ベース層12の温度が上昇すると、金属ベース層12からTa層への金属拡散が進行するため、このような金属拡散を抑制するためには、金属ベース層12の温度上昇を抑えることができる加熱方法を選択することが望ましい。金属ベース層12の温度上昇を抑えるようにTa層表面の加熱状態を制御可能となる加熱処理の方法として、パルスレーザによる加熱は優れた方法である。
The heat treatment method is not limited to the pulse laser, and any method can be used as long as crystal grains can be grown and the surface of the Ta layer can be heated to a predetermined high temperature lower than the melting temperature of Ta. However, when the temperature of the
なお、上記加熱処理の際に金属ベース層12からTa層側への金属拡散を抑制するためには、例えば、金属ベース層12を構成する金属のタンマン温度以下となるように、金属ベース層12の温度を制御すればよい。タンマン温度とは、固体内で自己拡散の始まる温度であり、融点に対して一定の関係を示す温度である。このように、金属ベース層12を、構成金属のタンマン温度より低い温度、例えば500℃以下に維持しつつ、Ta層に対する加熱処理を行なうことで、金属ベース層12からの金属拡散を抑えつつ、Ta層表面近傍の粒界密度の低減を図ることができる。なお、Ta層表面に対する加熱処理の際だけでなく、Ta層の成膜時および金属被覆層16の成膜時にも、金属ベース層12の温度を同様に制御することが望ましい。
In order to suppress metal diffusion from the
ステップS310で緻密化結晶質層414を形成した後は、この緻密化結晶質層414上に、図2のステップS130と同様に金属被覆層16を形成して(ステップS330)、水素透過膜410を完成する。
After forming the densified
以上のように構成された第3実施例の水素透過膜410によれば、中間層413の一部を緻密化結晶質層414とすることで、中間層413を介した金属拡散を抑制する効果が得られる。このような効果は、加熱処理によって、金属拡散が進行しやすい結晶構造の欠陥や粒界が減少するために得られるものである。これにより、金属ベース層12を構成する金属が金属被覆層16内へと拡散し、さらに金属被覆層16表面に達することが抑えられ、水素透過膜の性能低下を防止することができる。
According to the hydrogen
さらに、第3実施例の水素透過膜410では、粒界密度がより低い層である緻密化結晶質層414をTaにより構成しているため、粒界密度がより低い層として合金から成るアモルファス層を設ける場合に比べて、粒界密度がより低い層における融点を高くすることができる。したがって、緻密化結晶質層414においては、粒界密度が低いことにより金属拡散を抑える効果に加えて、融点が高いことにより金属拡散を抑える効果も得ることができる。なお、緻密化結晶質層414および結晶質金属層415を形成するためにステップS310で設ける金属層は、Ta以外の層、例えばTa合金であっても良いが、この場合にも、金属ベース層12および金属被覆層16の構成金属よりも高融点な金属を用いることが望ましい。
Further, in the hydrogen
また、上記第3実施例では、金属ベース層12側に結晶質金属層15を設け、金属被覆層16側に緻密化結晶質層414を設けたが、逆の配置も可能である。すなわち、金属ベース層12上にTa層を形成した後にこのTa層を加熱処理してTa層全体における粒界密度を低減して緻密化結晶質層414と成し、その後その上に結晶質金属層15としてTa層をPVDやCVDによってさらに成膜することとしても良い。ただし、加熱処理時に金属ベース層12が温度上昇することによる金属拡散を防止するためには、第3実施例に示したように、金属ベース層12から離れた領域のみを加熱する構成が望ましい。
In the third embodiment, the
あるいは、金属ベース層12上に設けたTa層の表面から加熱を行なうことで、Ta層全体の粒界密度を低減し、その上に金属被覆層16を成膜して、中間層全体を緻密化結晶質層414によって構成することも可能である。中間層の少なくとも一部の粒界密度をより低くすることで、中間層により金属拡散を抑制する効果を高めることができる。
Alternatively, by heating from the surface of the Ta layer provided on the
また、第3実施例では、PVDやCVDにより一旦成膜したTa層を加熱処理することによって中間層の一部の粒界密度を低減しているが、粒界密度の高い層と低い層とを有する中間層は、成膜時に成膜材料に与えるエネルギ量を調節することによっても形成することができる。既述したように、成膜時における成膜基板の温度や、成膜材料が基板に衝突する際の投入エネルギによって、成膜材料に供給するエネルギ量を調節することができる。したがって、中間層の一部を成膜する際に、供給エネルギ量をより多くすることで、他の領域に比べて結晶構造の欠陥がより少なく粒界密度がより低い金属層を形成することができる。ただし、第3実施例の水素透過膜410は、粒界密度を低くするための加熱処理を成膜工程とは別に行なっているため、成膜時のエネルギ量のみを制御する場合に比べて、緻密化結晶質層414の粒界密度をより低くして、金属拡散を防止する効果を高めることができる。
In the third embodiment, the Ta layer once formed by PVD or CVD is heat-treated to reduce the grain boundary density of a part of the intermediate layer. The intermediate layer having can also be formed by adjusting the amount of energy applied to the film formation material during film formation. As described above, the amount of energy supplied to the film forming material can be adjusted by the temperature of the film forming substrate at the time of film formation and the input energy when the film forming material collides with the substrate. Therefore, when a part of the intermediate layer is formed, by increasing the amount of energy supplied, it is possible to form a metal layer with fewer crystal structure defects and a lower grain boundary density compared to other regions. it can. However, since the hydrogen
F.水素透過膜の利用:
F−1.水素抽出装置:
図9は、実施例の水素透過膜10(以下、第1実施例ないし第3実施例の水素透過膜を合わせて水素透過膜10とする)を利用した水素抽出装置20の構成を表わす断面模式図である。水素抽出装置20は、複数の水素透過膜10を積層した構造を有しており、図9では、水素透過膜10の積層に関わる構成についてのみ示している。水素抽出装置20では、積層される各水素透過膜10間に、水素透過膜10の外周部と接合する支持部22が配設されており、支持部22によって各水素透過膜10間に所定の空間が形成されている。支持部22は、水素透過膜10との接合が可能であって充分な剛性を有していればよい。例えばステンレス鋼(SUS)等の金属材料により形成することで、金属層である水素透過膜10と容易に接合可能となる。
F. Use of hydrogen permeable membrane:
F-1. Hydrogen extraction equipment:
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a
各水素透過膜10間に形成される上記所定の空間は、水素含有ガス路24とパージガス路26とを交互に形成する。各々の水素含有ガス路24に対しては、図示しない水素含有ガス供給部より、水素抽出の対象となる水素含有ガスが供給される。また、各々のパージガス路26に対しては、図示しないパージガス供給部から、水素濃度が充分に低いパージガスが供給される。水素含有ガス路24に供給されたガス中の水素は、水素濃度差に従ってパージガス路26側へと水素透過膜10を透過することによって、水素含有ガスから抽出される。
The predetermined spaces formed between the hydrogen
このような水素抽出装置20によれば、水素透過膜として、金属拡散に起因する性能低下が抑えられた水素透過膜10を用いているため、水素抽出装置20全体の水素抽出性能の低下を防ぐことができる。
According to such a
F−2.燃料電池:
図10は、実施例の水素透過膜10を利用した燃料電池の構成の一例を表わす断面模式図である。図10は、単セル30を表わしているが、燃料電池は、この単セル30を複数積層することによって形成される。
F-2. Fuel cell:
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a fuel cell using the hydrogen
単セル30は、水素透過膜10と、水素透過膜10の一方の面上に形成された電解質層32と、電解質層32上に形成されたカソード電極34と、から成るMEA(Membrane Electrode Assembly)31を備えている。また、単セル30は、MEA31をさらに両側から挟持する2つのガスセパレータ36,37を備えている。水素透過膜10と、これに隣接するガスセパレータ36との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路38が形成されている。また、カソード電極34と、これに隣接するガスセパレータ37との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路39が形成されている。
The
電解質層32は、プロトン伝導性を有する固体電解質、例えば、BaCeO3、SrCeO3系のセラミックスプロトン伝導体から成る層である。この電解質層32は、PVDやCVD等の手法により、水素透過膜10上に上記固体酸化物を生成させることによって形成することができる。このように、電解質層32を緻密な金属膜である水素透過膜10上に成膜することにより、電解質層32を薄膜化し、電解質層32の膜抵抗をより低減することが可能となる。これにより、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約200〜600℃程度で発電を行なうことが可能となる。
The
カソード電極34は、電気化学反応を促進する触媒活性を有する層であり、例えば、貴金属であるPtから成る多孔質なPt層により構成すればよい。また、単セル30において、カソード電極34とガスセパレータ37との間、あるいは水素透過膜10とガスセパレータ36との間に、導電性およびガス透過性を有する集電部をさらに設けても良い。
The
ガスセパレータ36,37は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ36,37の表面には、単セル内燃料ガス流路38あるいは単セル内酸化ガス流路39を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。
The
このような燃料電池によれば、電解質層を形成する基板である水素透過膜として、金属拡散に起因する水素透過性能の低下が抑制された水素透過膜10を用いているため、燃料電池全体の性能低下を防ぐことができる。
According to such a fuel cell, since the hydrogen
なお、図10に示す燃料電池が備える水素透過膜では、図1に示した水素透過膜10とは異なり、電解質層32と接する面には、金属被覆層16および中間層13を設けない構成とすることも可能である。
In the hydrogen permeable membrane provided in the fuel cell shown in FIG. 10, unlike the hydrogen
G.変形例:
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
G. Variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
G1.変形例1:
水素透過膜を構成する各層を、第1ないし第3実施例とは異なる金属により形成しても良い。例えば、実施例では金属ベース層12をVあるいはV合金により形成しているが、他種の5族金属を含有する金属(単体を含む)により形成してもよい。
G1. Modification 1:
Each layer constituting the hydrogen permeable membrane may be formed of a metal different from those in the first to third embodiments. For example, although the
G2.変形例2:
また、第1実施例では、アモルファス層14を、Ta−Cu系合金(Ta64Cu36合金)によって形成しているが、異なる組成のアモルファス層を設けることとしても良い。例えば、さらにホウ素(B)を含有する合金であるTa63Cu36B1合金を用いることとしても良い。このような場合にも、アモルファス層の形成を容易にするためには、合金中のCu含有割合は、25〜60%とすることが望ましい。
G2. Modification 2:
In the first embodiment, the
その他、アモルファス層を構成する合金として、Ta−Ni系合金(例えば、Ta60Ni40合金)、Ta−ケイ素(Si)系合金(例えば、Ta80Si20合金)を用いても良い。Taは、優れた水素透過性を有すると共に、VおよびPdよりも高い融点を示すが、アモルファス層を形成するために用いるTa合金もまた、金属ベース層12および金属被覆層16よりも高融点である場合には、金属拡散を抑制する効果をさらに高める同様の効果が得られる。
In addition, as an alloy constituting the amorphous layer, a Ta—Ni alloy (for example, Ta60Ni40 alloy) or a Ta—silicon (Si) alloy (for example, Ta80Si20 alloy) may be used. Ta has excellent hydrogen permeability and a higher melting point than V and Pd. However, the Ta alloy used to form the amorphous layer also has a higher melting point than the
また、Taの他、Taと同様に5族金属に属すると共に、VおよびPdよりも高融点であるニオブ(Nb)を用いて中間層を構成しても良い。Taを用いる場合と同様に、Nbに対して、CuやNiあるいはSiをさらに混合することで、アモルファス層の形成が容易になる。アモルファス層を形成するためのこのような合金としては、Nb−Si系合金(例えば、Nb80Si20合金)を挙げることができる。また、第3実施例のステップS310において、Ta層に代えてNb層を形成しても良い。 Further, in addition to Ta, the intermediate layer may be formed using niobium (Nb), which belongs to the group 5 metal like Ta and has a higher melting point than V and Pd. As in the case of using Ta, the amorphous layer can be easily formed by further mixing Cu, Ni, or Si with Nb. As such an alloy for forming an amorphous layer, an Nb-Si alloy (for example, an Nb80Si20 alloy) can be cited. In step S310 of the third embodiment, an Nb layer may be formed instead of the Ta layer.
あるいは、金属ベース層12をV、あるいはV合金で形成する場合に、中間層全体(アモルファス層および結晶質金属層、あるいは、緻密化結晶質層および結晶質金属層)を、TaとNb双方を含有する合金により形成することとしても良い。その他に、アモルファス層あるいは緻密化結晶質層は、TaおよびNbの一方を含むこととし、結晶質金属層は、他方を含有する合金あるいは単体により形成することも可能である。あるいは、金属ベース層12をTaおよびNbの一方を含有する金属層として、中間層全体を、他方を含有する金属層としても良い。
Alternatively, when the
また、中間層は、5族金属を含まないこととしても良い。TaやNbを用いなくても、金属ベース層12や金属被覆層16よりも高融点である水素透過性金属により中間層を形成し、少なくともその一部において粒界密度をより低く形成することで、同様の効果が得られる。
Further, the intermediate layer may not contain a Group 5 metal. Even if Ta or Nb is not used, an intermediate layer is formed of a hydrogen permeable metal having a melting point higher than that of the
G3.変形例3:
既述した第1ないし第3実施例の水素透過膜では、水素透過膜を、水素透過性を有する金属薄膜の自立膜としたが、ガス透過性を有する多孔質基材上に水素透過性金属を担持させることにより水素透過膜を形成してもよい。すなわち、金属被覆層、中間層、金属ベース層、中間層、金属被覆層の順で積層された金属層を、層状の多孔質体の上に順次形成し、水素透過膜としてもよい。このように多孔質基材上に担持された水素透過膜は、例えば、図9に示した水素抽出装置において、実施例の水素透過膜10に代えて用いることができる。
G3. Modification 3:
In the hydrogen permeable membranes of the first to third embodiments already described, the hydrogen permeable membrane is a self-supporting membrane of a metal thin film having hydrogen permeability, but the hydrogen permeable metal is formed on a porous substrate having gas permeability. A hydrogen permeable membrane may be formed by supporting. That is, a metal layer laminated in the order of a metal coating layer, an intermediate layer, a metal base layer, an intermediate layer, and a metal coating layer may be sequentially formed on the layered porous body to form a hydrogen permeable membrane. Thus, the hydrogen permeable membrane carry | supported on the porous base material can be used instead of the hydrogen
10,110,210,310,410…水素透過膜
12…金属ベース層
13,113,213,313,413…中間層
14,314…アモルファス層
15,315,415…結晶質金属層
16…金属被覆層
20…水素抽出装置
22…支持部
24…水素含有ガス路
26…パージガス路
30…単セル
31…MEA
32…電解質層
34…カソード電極
36,37…ガスセパレータ
38…単セル内燃料ガス流路
39…単セル内酸化ガス流路
414…緻密化結晶質層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,110,210,310,410 ... Hydrogen
32 ...
Claims (15)
5族金属を含有する金属ベース層と、
前記金属ベース層上に形成されると共に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層であって、他の部分よりも結晶粒界の密度が低く形成された低粒界密度層を一部に有する中間層と、
前記中間層上に形成されると共に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層と
を備える水素透過膜。 A hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
A metal base layer containing a Group 5 metal;
A part of the low grain boundary density layer formed on the metal base layer and having a composition different from that of the metal base layer and having a crystal grain boundary density lower than other parts. An intermediate layer having
A hydrogen permeable membrane formed on the intermediate layer and comprising a metal coating layer containing palladium (Pd).
前記中間層が有する前記低粒界密度層は、アモルファス金属により形成される層であり、
前記中間層が有する他の部分は、結晶構造を有する金属層である
水素透過膜。 The hydrogen permeable membrane according to claim 1,
The low grain boundary density layer of the intermediate layer is a layer formed of an amorphous metal,
The other part of the intermediate layer is a metal layer having a crystal structure.
前記中間層において、隣接する層との間に形成される界面の内の一方の界面近傍は、前記低粒界密度層としてアモルファス金属によって形成されると共に、他方の界面近傍は、結晶構造を有する金属によって形成され、
前記中間層は、前記一方の界面近傍と前記他方の界面近傍との間で、アモルファス金属から結晶構造を有する金属へと次第に変化する金属層である
水素透過膜。 The hydrogen permeable membrane according to claim 1,
In the intermediate layer, the vicinity of one of the interfaces formed between adjacent layers is formed of amorphous metal as the low grain boundary density layer, and the vicinity of the other interface has a crystal structure. Formed by metal,
The intermediate layer is a metal layer that gradually changes from an amorphous metal to a metal having a crystal structure between the vicinity of the one interface and the vicinity of the other interface.
前記中間層において、前記他の部分は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属によって形成され、前記低粒界密度層は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属を含有するアモルファス合金により形成されている
水素透過膜。 The hydrogen permeable membrane according to claim 2 or 3,
In the intermediate layer, the other part is formed of a metal having a higher melting point than the metal base layer and the metal coating layer, and the low grain boundary density layer has a melting point higher than that of the metal base layer and the metal coating layer. A hydrogen permeable membrane formed of an amorphous alloy containing a high metal.
5族金属を含有する金属ベース層と、
前記金属ベース層上に形成されると共に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層であって、アモルファス金属により構成される中間層と、
前記中間層上に形成されると共に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層と
を備える水素透過膜。 A hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
A metal base layer containing a Group 5 metal;
An intermediate layer formed on the metal base layer and having a composition different from that of the metal base layer, the intermediate layer being made of an amorphous metal;
A hydrogen permeable membrane formed on the intermediate layer and comprising a metal coating layer containing palladium (Pd).
前記中間層は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属を含有する合金により形成されている
水素透過膜。 The hydrogen permeable membrane according to claim 5,
The intermediate layer is formed of an alloy containing a metal having a higher melting point than the metal base layer and the metal coating layer.
前記中間層は、前記金属ベース層および前記金属被覆層よりも融点が高い金属として、タンタル(Ta)またはニオブ(Nb)を備える
水素透過膜。 The hydrogen permeable membrane according to claim 4 or 6,
The intermediate layer includes tantalum (Ta) or niobium (Nb) as a metal having a higher melting point than the metal base layer and the metal coating layer.
前記金属ベース層は、該金属ベース層の主金属としてバナジウム(V)を備える
水素透過膜。 The hydrogen permeable membrane according to any one of claims 1 to 7,
The metal base layer includes vanadium (V) as a main metal of the metal base layer.
(a)5族金属を含有する金属ベース層を用意する工程と、
(b)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層であって、他の部分よりも結晶粒界の密度が低く形成された低粒界密度層を一部に有する中間層を形成する工程と、
(c)前記中間層上に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層を形成する工程と
を備える水素透過膜の製造方法。 A method for producing a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
(A) preparing a metal base layer containing a Group 5 metal;
(B) On the metal base layer, a metal layer having a composition different from that of the metal base layer, wherein a low grain boundary density layer is formed in which the density of crystal grain boundaries is lower than other parts. Forming an intermediate layer having;
(C) forming a metal coating layer containing palladium (Pd) on the intermediate layer.
前記(b)工程は、
(b−1)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成の金属層を成膜する工程と、
(b−2)前記金属層の表面に対して加熱処理を施して、前記金属層において前記表面を含む一部における結晶粒界の密度を低くする工程と
を備える水素透過膜の製造方法。 A method for producing a hydrogen permeable membrane according to claim 9,
The step (b)
(B-1) forming a metal layer having a composition different from that of the metal base layer on the metal base layer;
(B-2) A method of manufacturing a hydrogen permeable membrane, comprising: subjecting a surface of the metal layer to a heat treatment to reduce a density of crystal grain boundaries in a part of the metal layer including the surface.
前記(b)工程は、
(b−1)前記金属ベース層とは異なる組成のアモルファス金属層を形成する工程と、
(b−2)前記金属ベース層とは異なる組成の結晶構造を有する金属層を形成する工程と
を備える水素透過膜の製造方法。 A method for producing a hydrogen permeable membrane according to claim 9,
The step (b)
(B-1) forming an amorphous metal layer having a composition different from that of the metal base layer;
(B-2) forming a metal layer having a crystal structure having a composition different from that of the metal base layer.
前記(b)工程は、前記金属ベース層との界面近傍と、前記金属被覆層との界面との間で、アモルファス金属から結晶構造を有する金属へと次第に変化する金属層を形成する工程である
水素透過膜の製造方法。 A method for producing a hydrogen permeable membrane according to claim 9,
The step (b) is a step of forming a metal layer that gradually changes from an amorphous metal to a metal having a crystal structure between the vicinity of the interface with the metal base layer and the interface with the metal coating layer. A method for producing a hydrogen permeable membrane.
(a)5族金属を含有する金属ベース層を用意する工程と、
(b)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成を有し、全体がアモルファス金属により構成される中間層を形成する工程と、
(c)前記中間層上に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層を形成する工程と
を備える水素透過膜の製造方法。 A method for producing a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
(A) preparing a metal base layer containing a Group 5 metal;
(B) forming on the metal base layer an intermediate layer having a composition different from that of the metal base layer and entirely composed of amorphous metal;
(C) forming a metal coating layer containing palladium (Pd) on the intermediate layer.
(a)5族金属を含有する金属ベース層を用意する工程と、
(b)前記金属ベース層上に、前記金属ベース層とは異なる組成を有する金属層を形成する工程と、
(c)前記金属層の表面に対して加熱処理を施すことによって、前記金属層の少なくとも一部の結晶粒界の密度を低くする工程と、
(d)前記金属層上に、パラジウム(Pd)を含有する金属被覆層を形成する工程と
を備える水素透過膜の製造方法。 A method for producing a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
(A) preparing a metal base layer containing a Group 5 metal;
(B) forming a metal layer having a composition different from that of the metal base layer on the metal base layer;
(C) reducing the density of at least some of the crystal grain boundaries of the metal layer by performing a heat treatment on the surface of the metal layer;
(D) forming a metal coating layer containing palladium (Pd) on the metal layer.
請求項10ないし14記載の水素透過膜の製造方法により製造される
水素透過膜。 A hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen,
A hydrogen permeable membrane produced by the method for producing a hydrogen permeable membrane according to claim 10.
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