JP2007269595A - Hydrogen production system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen production system which, while preventing the releasing or cracking of a porous support and a hydrogen-permeable membrane, prevents the diffusion and reaction between a metal component in the hydrogen-permeable membrane and a metal component in the porous substrate, and thus exhibits a long life even when used at a high temperature. <P>SOLUTION: There is provided the hydrogen production system 1 having the following characteristics: an adhesion layer 3, a barrier layer 4, and the hydrogen-permeable membrane 5 are formed sequentially on the surface of the porous substrate 2; the porous substrate 2 contains a catalyst metal component; the hydrogen-permeable membrane 5 contains a hydrogen-permeable metal; the barrier layer 4 is a porous layer having a layer not containing the catalyst metal component; and the adhesion layer 3 is a porous layer having a thermal expansion coefficient between that of the porous substrate 2 and that of the barrier layer 4. There is also provided the hydrogen production system 1 having the following characteristics: an adhesion layer 3, a barrier layer 4, and a hydrogen-permeable membrane 5 are formed sequentially on the surface of the porous substrate 2; the porous substrate 2, the hydrogen-permeable membrane 5, and the barrier layer 4 are each the same as those described above; and the adhesion layer 3 is a porous layer containing the catalyst metal component in a quantity smaller than that contained in the porous substrate 2. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素製造装置に関し、詳しくは、高純度水素生産性能および耐久性の優れた水素製造装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus, and more particularly, to a hydrogen production apparatus excellent in high-purity hydrogen production performance and durability.

水素の工業的製造方法には、水の電気分解法、炭化水素の水蒸気改質法、石炭、重質油等の部分酸化法、合成ガス、水性ガスのスチームによる水素製造法などがある。炭化水素の水蒸気改質法や石炭、重質油の部分酸化法等においては、炭酸ガス、一酸化炭素、水蒸気、メタンなどの不純物ガスを含む原料ガスから水素ガスを分離することが重要な課題であり、分離には吸収法、吸着法、膜分離法など多くの方法が利用されている。   Industrial production methods of hydrogen include water electrolysis, hydrocarbon steam reforming, partial oxidation of coal, heavy oil, etc., synthesis gas, and hydrogen production using water gas steam. In the steam reforming method of hydrocarbons and the partial oxidation method of coal and heavy oil, it is important to separate the hydrogen gas from the source gas containing impurity gases such as carbon dioxide, carbon monoxide, steam and methane. Many methods such as an absorption method, an adsorption method, and a membrane separation method are used for separation.

一方、最近は水素燃料電池が高効率の小型発電装置として期待され、急速にその技術開発が進められている。一般に、水素燃料電池は、大きく分けてふたつの部分からなっており、ひとつは、水素と酸素とを電気化学的に反応させて電力を取り出す電池本体であり、もうひとつは電池本体の原料となる水素製造装置である。水素燃料電池は、分散型燃料電池や自動車用燃料電池としての研究が盛んであるが、自動車用の燃料電池は発電性能や耐久性だけでなく、小型化が大きな課題となっている。燃料電池自動車には水素製造装置搭載型と非搭載型とがあり、水素製造装置搭載型の燃料電池自動車には、電池本体だけでなく、水素製造装置の小型化の研究も非常に重要である。水素製造装置非搭載型の燃料電池自動車、例えば水素ガスタンク搭載型の燃料電池自動車においても、燃料供給にはガソリンスタンドに代わる水素供給スタンドのような施設が必要であり、水素供給スタンドにおいて水素を製造することが考えられている。その場合、水素供給スタンドは現在のガソリンスタンドのような比較的狭い敷地に水素製造装置を設置せねばならない。そのため、このような水素製造装置においても小型化は重要な課題である。   On the other hand, recently, a hydrogen fuel cell is expected as a highly efficient small power generation device, and its technological development is rapidly progressing. In general, a hydrogen fuel cell is roughly divided into two parts, one is a battery body that takes out electric power by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, and the other is a raw material for the battery body. This is a hydrogen production device. Hydrogen fuel cells are actively researched as distributed fuel cells and fuel cells for automobiles, but not only power generation performance and durability, but also miniaturization of automobile fuel cells is a major issue. There are two types of fuel cell vehicles, one with and without a hydrogen production device. For fuel cell vehicles with a hydrogen production device, it is very important to study not only the battery itself but also the size of the hydrogen production device. . Fuel cell vehicles without a hydrogen production device, for example, fuel cell vehicles with a hydrogen gas tank, require a facility such as a hydrogen supply station to replace the gas station, and produce hydrogen at the hydrogen supply station. It is considered to be. In that case, the hydrogen supply station must be installed on a relatively small site like the current gas station. Therefore, downsizing is also an important issue in such a hydrogen production apparatus.

さらに、燃料電池の電池本体に使用される水素は、効率よく利用するためには高純度にする必要がある。また、電池本体に触媒を使用しているため、炭酸ガスや一酸化炭素などの不純物が触媒毒や機器の劣化要因となり易く、これらの不純物を非常に嫌い、この点からも高純度水素であることが要求される。そこで、炭化水素の水蒸気改質や合成ガス、水性ガスからの水素製造においては、水素純度の低い混合ガスからの水素の分離、精製が不可欠である。燃料電池システムの水素製造におけるこのような水素の分離、精製の際は、特に装置の小型化が要求され、膜分離法による水素分離装置が検討されている。膜分離法とは、パラジウム等の水素ガスを選択的に透過する水素透過膜を用いて水素含有ガスから水素ガスを選択的に分離、精製する方法である。この水素透過膜は、通常、多孔質セラミックス、多孔質ガラス、多孔質金属等からなる多孔質支持体の表面に形成して使用される。例えば、図5に示すような水素分離システム16が知られている。この水素分離システム16は、円筒状の多孔質支持体の外表面に水素透過膜が形成されている水素分離装置15が、隔壁8に支持された状態で外筒7中に収められている。水素分離用の原料ガスが原料ガス入口11から導入され、原料ガス流路9を通過しながら、水素ガスのみが水素分離装置15を通って製品ガス流路10へと透過していく。水素以外の炭酸ガスなどの不純物ガスは、原料ガス流路9および水素分離装置15の多孔質支持体内を原料ガス流路9の下流側へ流れ、オフガスとしてオフガス出口13から排出される。このようにして高純度水素が分離され製品ガス出口12から取り出される。   Furthermore, the hydrogen used in the battery body of the fuel cell needs to be highly purified in order to use it efficiently. Also, since a catalyst is used in the battery body, impurities such as carbon dioxide and carbon monoxide are likely to cause catalyst poisoning and deterioration of the equipment, and these impurities are very disliked. From this point, it is high-purity hydrogen. Is required. Therefore, in the steam reforming of hydrocarbons and the production of hydrogen from synthesis gas and water gas, it is essential to separate and purify hydrogen from a mixed gas having a low hydrogen purity. At the time of such hydrogen separation and purification in hydrogen production of a fuel cell system, it is particularly required to reduce the size of the apparatus, and a hydrogen separation apparatus based on a membrane separation method has been studied. The membrane separation method is a method for selectively separating and purifying hydrogen gas from a hydrogen-containing gas using a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen gas such as palladium. This hydrogen permeable membrane is usually used by being formed on the surface of a porous support made of porous ceramics, porous glass, porous metal or the like. For example, a hydrogen separation system 16 as shown in FIG. 5 is known. In this hydrogen separation system 16, a hydrogen separator 15 in which a hydrogen permeable membrane is formed on the outer surface of a cylindrical porous support is housed in an outer cylinder 7 while being supported by a partition wall 8. A source gas for hydrogen separation is introduced from the source gas inlet 11, and only hydrogen gas permeates to the product gas channel 10 through the hydrogen separator 15 while passing through the source gas channel 9. Impurity gases such as carbon dioxide other than hydrogen flow through the porous support body of the raw material gas passage 9 and the hydrogen separator 15 to the downstream side of the raw material gas passage 9 and are discharged from the off-gas outlet 13 as off-gas. In this way, high purity hydrogen is separated and removed from the product gas outlet 12.

一方、水素製造において上述のような水素含有ガスの製造と、水素含有ガスからの水素ガスの分離とを別々に行うのではなく、炭化水素の水蒸気改質等による水素含有ガスの製造と同時に、この水素含有ガスから水素ガスを選択的に分離し精製する方法が知られている。例えば、上述の図5に示すような水素分離システムにおける水素分離装置15の原料ガス流路9を比較的太くして、この原料ガス流路9中に炭化水素の水蒸気改質用のニッケル系触媒を充填して触媒層とし、水蒸気改質用の原料ガスである高温のメタンと水蒸気とからなる混合ガスを原料ガス入り口11から供給して、反応と分離とを同時に行い、水素を製造する方法がある。原料ガスは、原料ガス流路9の触媒層で水蒸気改質反応により水素、一酸化炭素、炭酸ガスになる。そして、水素は水素分離装置15を形成する多孔質支持体、水素透過膜を通過して製品ガス流路10へと流出していく。一方、炭酸ガス、一酸化炭素、未反応メタン、残余水蒸気などは原料ガス流路9を通ってオフガスとしてオフガス出口13から排出される。このように水素製造反応と水素分離とを同時に行って高純度水素を製造することができる。   On the other hand, in the hydrogen production, instead of separately performing the production of the hydrogen-containing gas as described above and the separation of the hydrogen gas from the hydrogen-containing gas, simultaneously with the production of the hydrogen-containing gas by steam reforming of hydrocarbons, A method for selectively separating and purifying hydrogen gas from this hydrogen-containing gas is known. For example, the raw material gas passage 9 of the hydrogen separator 15 in the hydrogen separation system as shown in FIG. 5 is made relatively thick, and the nickel-based catalyst for steam reforming of hydrocarbons in the raw material gas passage 9 is used. To produce hydrogen by supplying a mixed gas composed of high-temperature methane, which is a raw material gas for steam reforming, and water vapor from the raw material gas inlet 11 and simultaneously performing reaction and separation There is. The source gas becomes hydrogen, carbon monoxide, and carbon dioxide gas by the steam reforming reaction in the catalyst layer of the source gas flow path 9. Then, hydrogen flows out to the product gas flow path 10 through the porous support and the hydrogen permeable membrane forming the hydrogen separator 15. On the other hand, carbon dioxide, carbon monoxide, unreacted methane, residual water vapor, and the like are discharged from the off-gas outlet 13 as off-gas through the raw material gas passage 9. Thus, high-purity hydrogen can be produced by simultaneously performing the hydrogen production reaction and hydrogen separation.

さらに、メンブレンリアクタ等の装置を使用した水素製造システムが知られている。メンブレンリアクタは、例えば図5に示す水素分離システムと同じ形状をしているが、図5に示す水素分離装置15の代わりに、水素製造機能と水素分離機能とを持った水素製造装置を備えている。すなわち、メンブレンリアクタにおいては、上述のように原料ガス流路9には触媒を充填しないで、水素分離装置の代わりに多孔質支持体に触媒成分を含有させた触媒兼多孔質支持体とその外表面に水素透過膜とを有する水素製造装置を備えている。図5をメンブレンリアクタとみなすと、このメンブレンリアクタでは、原料ガス入口11から供給され、原料ガス流路9に到達した原料ガス、例えばメタンとスチームとの混合ガスが水素製造装置を形成する触媒兼多孔質支持体中に侵入すると、そこでメタンの水蒸気改質反応が起こって水素が発生し、発生した水素は水素透過膜を通って製品ガス流路10へと透過していき、高純度の水素が製品ガス出口12からとりだされる。残った炭酸ガスや一酸化炭素等はオフガスとしてオフガス出口13から排出される(特許文献1、特許文献2参照。)。   Furthermore, a hydrogen production system using an apparatus such as a membrane reactor is known. The membrane reactor has, for example, the same shape as the hydrogen separation system shown in FIG. 5, but includes a hydrogen production device having a hydrogen production function and a hydrogen separation function instead of the hydrogen separation device 15 shown in FIG. Yes. That is, in the membrane reactor, as described above, the raw material gas flow path 9 is not filled with a catalyst, but instead of the hydrogen separator, a catalyst / porous support in which a catalyst component is contained in a porous support, and the outside thereof. A hydrogen production apparatus having a hydrogen permeable membrane on the surface is provided. When FIG. 5 is regarded as a membrane reactor, in this membrane reactor, a raw material gas supplied from the raw material gas inlet 11 and reaches the raw material gas flow path 9, for example, a mixed gas of methane and steam forms a hydrogen production apparatus. When entering the porous support, a steam reforming reaction of methane occurs to generate hydrogen, and the generated hydrogen permeates through the hydrogen permeable membrane to the product gas flow path 10 to produce high purity hydrogen. Is taken from the product gas outlet 12. The remaining carbon dioxide, carbon monoxide, and the like are discharged as off-gas from the off-gas outlet 13 (see Patent Document 1 and Patent Document 2).

特開2004−149332号公報JP 2004-149332 A 特開2005−314163号公報JP 2005-314163 A

上述のようなメンブレンリアクタにおいては、通常、水素製造装置は多孔質支持体とその表面に形成された水素透過膜とを備えている。そして、多孔質支持体中にはニッケルなどの水素製造用の触媒機能を持つ金属成分が存在する。この場合、多孔質支持体の表面に水素透過膜を形成すると、高温での水素製造装置の使用中に、これらの界面において、多孔質支持体中の一部の金属成分と、水素透過膜を形成する材料中の一部の金属成分とが相互に拡散し合うことがある。例えば、多孔質支持体中の触媒成分であるニッケルと水素透過膜中の成分であるパラジウムのような金属成分とが相互に拡散し合う。水素透過膜中の金属成分が多孔質支持体中の金属成分中へと拡散すると、当然水素透過膜の水素透過機能や水素分離の選択性が低下する。そこで、多孔質支持体と水素透過膜との間にバリア層を介在させることにより、多孔質支持体を形成する材料の金属成分と水素透過膜を形成する材料の金属成分とが相互に拡散することを防ぎ、水素透過膜の性能を維持する方法が考えられる。ところが、多孔質支持体とも水素透過膜とも性質の異なるバリア層を設けると、多孔質支持体とバリア層との間、および水素透過膜とバリア層との間で熱膨張率の違いが発生し易い。熱膨張率の異なった層間では、水素製造装置の使用温度である250〜900℃までの温度変化により剥離や亀裂が生じ易い。本発明では、このような剥離や亀裂を防ぎながら、水素透過膜中の金属成分と多孔質支持体中の金属成分との拡散、溶融を防止する水素製造装置の提供を目的とする。   In the membrane reactor as described above, the hydrogen production apparatus usually includes a porous support and a hydrogen permeable membrane formed on the surface thereof. A metal component having a catalytic function for hydrogen production such as nickel is present in the porous support. In this case, when a hydrogen permeable membrane is formed on the surface of the porous support, during use of the hydrogen production apparatus at a high temperature, a part of the metal components in the porous support and the hydrogen permeable membrane are formed at these interfaces. Some metal components in the material to be formed may diffuse to each other. For example, nickel, which is a catalyst component in the porous support, and a metal component such as palladium, which is a component in the hydrogen permeable membrane, diffuse to each other. When the metal component in the hydrogen permeable membrane diffuses into the metal component in the porous support, the hydrogen permeable function and the hydrogen separation selectivity of the hydrogen permeable membrane naturally fall. Therefore, by interposing a barrier layer between the porous support and the hydrogen permeable membrane, the metal component of the material forming the porous support and the metal component of the material forming the hydrogen permeable membrane diffuse to each other. A method of preventing this and maintaining the performance of the hydrogen permeable membrane is conceivable. However, when a barrier layer having different properties from the porous support and the hydrogen permeable membrane is provided, a difference in thermal expansion coefficient occurs between the porous support and the barrier layer, and between the hydrogen permeable membrane and the barrier layer. easy. Between layers having different coefficients of thermal expansion, peeling and cracking are likely to occur due to temperature changes from 250 to 900 ° C., which is the operating temperature of the hydrogen production apparatus. An object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus that prevents diffusion and melting of the metal component in the hydrogen permeable membrane and the metal component in the porous support while preventing such peeling and cracking.

本発明においては、上記課題を解決するために以下の手段を提供する。
(1)多孔質支持体の表面に、密着層、バリア層、水素透過膜が順次形成されており、多孔質支持体は触媒金属成分を含み、水素透過膜は水素透過性金属を含み、バリア層は前記触媒金属成分を含まない層を有する多孔質層であり、密着層は多孔質支持体の熱膨張率とバリア層の熱膨張率との間の熱膨張率を持つ多孔質層である水素製造装置。
(2)多孔質支持体の表面に、密着層、バリア層、水素透過膜が順次形成されており、多孔質支持体は触媒金属成分を含み、水素透過膜は水素透過性金属を含み、バリア層は前記触媒金属成分を含まない層を有する多孔質層であり、密着層は多孔質支持体よりも少ない前記触媒金属成分を含む多孔質層である水素製造装置。
(3)密着層が複数の層からなり、バリア層に近い側の密着層の熱膨張率が、多孔質支持体に近い側の密着層の熱膨張率よりも小さい(1)または(2)に記載の水素製造装置。
(4)密着層中の熱膨張率が、密着層の多孔質支持体側からバリア層側に向かって連続的に減少している(1)または(2)に記載の水素製造装置。
The present invention provides the following means in order to solve the above problems.
(1) An adhesion layer, a barrier layer, and a hydrogen permeable membrane are sequentially formed on the surface of the porous support. The porous support contains a catalytic metal component, the hydrogen permeable membrane contains a hydrogen permeable metal, and a barrier. The layer is a porous layer having a layer not containing the catalytic metal component, and the adhesion layer is a porous layer having a thermal expansion coefficient between the thermal expansion coefficient of the porous support and the thermal expansion coefficient of the barrier layer. Hydrogen production equipment.
(2) An adhesion layer, a barrier layer, and a hydrogen permeable membrane are sequentially formed on the surface of the porous support. The porous support contains a catalytic metal component, the hydrogen permeable membrane contains a hydrogen permeable metal, and a barrier. The hydrogen production apparatus, wherein the layer is a porous layer having a layer that does not contain the catalytic metal component, and the adhesion layer is a porous layer that contains fewer catalytic metal components than the porous support.
(3) The adhesion layer is composed of a plurality of layers, and the thermal expansion coefficient of the adhesion layer near the barrier layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the adhesion layer near the porous support (1) or (2) The hydrogen production apparatus described in 1.
(4) The hydrogen production apparatus according to (1) or (2), wherein the thermal expansion coefficient in the adhesion layer continuously decreases from the porous support side to the barrier layer side of the adhesion layer.

本発明の水素製造装置は、多孔質支持体と水素透過膜との密着性がよく、特に水素製造装置の使用による温度変化に対しても多孔質支持体と水素分離膜との間での熱歪による剥離や亀裂がなく、多孔質支持体の変形や水素透過膜の破損や性能低下もなく長期間使用できる。また、水素透過膜中のパラジウムなどの金属成分が多孔質支持体中に拡散することがなく、水素透過膜の寿命が長くなる。   The hydrogen production apparatus of the present invention has good adhesion between the porous support and the hydrogen permeable membrane, and in particular, the heat between the porous support and the hydrogen separation membrane against temperature changes due to the use of the hydrogen production apparatus. There is no peeling or cracking due to strain, and it can be used for a long time without deformation of the porous support, damage to the hydrogen permeable membrane, and performance degradation. In addition, metal components such as palladium in the hydrogen permeable membrane do not diffuse into the porous support, and the life of the hydrogen permeable membrane is extended.

本発明の水素製造装置は、図1にその構造の一例を示すように、多孔質支持体2の表面に、密着層3、バリア層4、水素透過膜5がこの順に形成された少なくとも4層を有する。多孔質支持体2は触媒金属成分を含んでおり水素製造触媒機能を有している。水素透過膜5は水素透過性金属を含んだ緻密層であり水素ガスを選択的に透過できる。そして、多孔質支持体2、密着層3、およびバリア層4は共に多孔質層であり、水素製造時の原料ガスおよび反応ガスは、多孔質支持体2側からバリア層4までは自由に流通できる。しかし、水素透過膜5を透過することができるのは水素ガスだけである。ところで、多孔質支持体2は触媒金属成分を含んだ層であるが、バリア層4は少なくとも一層は前記触媒金属成分を含まない層を有し、その場合、通常は、密着層3に接する面に前記触媒金属成分を含まない層を配置することが好ましい。   As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus of the present invention has at least four layers in which an adhesion layer 3, a barrier layer 4, and a hydrogen permeable membrane 5 are formed in this order on the surface of the porous support 2. Have The porous support 2 contains a catalytic metal component and has a hydrogen production catalyst function. The hydrogen permeable membrane 5 is a dense layer containing a hydrogen permeable metal and can selectively permeate hydrogen gas. The porous support 2, the adhesion layer 3, and the barrier layer 4 are all porous layers, and the source gas and the reaction gas at the time of hydrogen production freely flow from the porous support 2 side to the barrier layer 4. it can. However, only hydrogen gas can pass through the hydrogen permeable membrane 5. By the way, the porous support 2 is a layer containing a catalytic metal component, but the barrier layer 4 has at least one layer not containing the catalytic metal component, and in that case, usually the surface in contact with the adhesion layer 3. It is preferable to arrange a layer not containing the catalytic metal component.

一般に、金属成分(金属成分とは金属の酸化物等ではなく金属または合金を表わす。)を含む層、例えばセラミックスやガラスと金属成分との複合層は、金属成分を含まない層に比べ熱膨張率が大きくなり易い。例えば、イットリア安定化ジルコニア粉末から作った多孔質体の熱膨張率は9.67×10−6/℃であり、同じイットリア安定化ジルコニア粉末40質量%とニッケル粉末60質量%とから作った多孔質体の熱膨張率は12.05×10−6/℃である(本発明における熱膨張率は、特に断らない限り線熱膨張率を表わす。)。このような熱膨張率の異なった多孔質体で作った多層構造体は、温度変化を受けるとその界面に熱応力が発生し、歪を生じたり、剥離したり、一方の層に亀裂が生じたりする。そこで、本発明では、金属成分を含み大きな熱膨張率を有する多孔質支持体2と、金属成分を含まないで比較的小さな熱膨張率の層を有するバリア層4との間に、両者の中間の熱膨張率を有する密着層3を設けてある。この密着層3は、この水素製造装置1を製造する際に多孔質支持体2とバリア層4との接合性を向上させる作用と、この水素製造装置1の使用時に上述のような温度変化に対する熱応力の影響を和らげる作用を持つ。 In general, a layer containing a metal component (a metal component represents a metal or an alloy rather than a metal oxide or the like), for example, a composite layer of ceramics or glass and a metal component, has a thermal expansion as compared with a layer not containing a metal component. The rate tends to increase. For example, the thermal expansion coefficient of a porous body made from yttria stabilized zirconia powder is 9.67 × 10 −6 / ° C., and the porous body made from the same yttria stabilized zirconia powder 40% by mass and nickel powder 60% by mass. The thermal expansion coefficient of the material is 12.05 × 10 −6 / ° C. (The thermal expansion coefficient in the present invention represents the linear thermal expansion coefficient unless otherwise specified). When a multilayer structure made of porous materials with different coefficients of thermal expansion is subjected to temperature changes, thermal stress is generated at the interface, causing distortion, peeling, or cracking in one layer. Or Therefore, in the present invention, between the porous support 2 containing a metal component and having a large coefficient of thermal expansion, and the barrier layer 4 having a layer having a relatively small coefficient of thermal expansion and not containing a metal component, an intermediate between the two. The adhesion layer 3 having a thermal expansion coefficient of 2 is provided. The adhesion layer 3 has an effect of improving the bonding property between the porous support 2 and the barrier layer 4 when the hydrogen production apparatus 1 is produced, and the above-described temperature change when the hydrogen production apparatus 1 is used. Has the effect of reducing the effect of thermal stress.

一般に、層間に強い接合力を持つ多層構造体を作るには、それぞれの層を類似の材料で形成することが好ましい。この水素製造装置1の場合も多孔質支持体2に使用した一方の材料であるセラミック材料と同じセラミック材料を用いてバリア層4と密着層3とを製造することが好ましい。この場合、密着層3の熱膨張率を多孔質支持体2の熱膨張率とバリア層4の熱膨張率との間の値にするには、多孔質支持体2に含有するもう一方の材料である金属成分と同じ金属成分を、多孔質支持体2よりも少ない比率で含有する多孔質層とすればよい。例えば、上述のイットリア安定化ジルコニア粉末40質量%とニッケル粉末60質量%とから作った多孔質支持体2上に形成する密着層3は、イットリア安定化ジルコニア60質量%とニッケル粉末40質量%とから作った多孔質層とすることができる。図6は、図1の構造に対応する上記の組成の多孔質支持体2、密着層3およびイットリア安定化ジルコニア製のバリア層4の断面電子顕微鏡写真(SEM)、並びにそのエネルギー分散型X線分析装置(EDS)の解析図である。図6(a)は電子顕微鏡写真、図6(b),図6(c),図6(d)はそれぞれ触媒金属成分であるNi元素,ジルコニアの成分であるZr元素,イットリアの成分であるY元素のEDSの解析図である。なお、これらの図には水素透過膜5は表わしていない。Ni元素は最上層であるバリア層4には存在せず、Zr元素,Y元素は多孔質支持体2、密着層3、バリア層4と順次その存在量が増加していることがわかる。この密着層3と同じ組成で多孔質体を作って測定した熱膨張率は11.25×10−6/℃で、密着層3の熱膨張率は多孔質支持体2の熱膨張率とバリア層4の熱膨張率とのほぼ中間の値となる。これにより、製造時の密着性が向上するだけでなく、水素製造装置としての使用中の熱応力の影響を抑え、装置の耐久性を向上できる。 In general, in order to make a multilayer structure having a strong bonding force between layers, it is preferable to form each layer with a similar material. In the case of this hydrogen production apparatus 1 as well, it is preferable to produce the barrier layer 4 and the adhesion layer 3 using the same ceramic material as the ceramic material that is one of the materials used for the porous support 2. In this case, in order to set the thermal expansion coefficient of the adhesion layer 3 to a value between the thermal expansion coefficient of the porous support 2 and the thermal expansion coefficient of the barrier layer 4, the other material contained in the porous support 2 is used. What is necessary is just to set it as the porous layer which contains the same metal component as this metal component in a ratio smaller than the porous support body 2. For example, the adhesion layer 3 formed on the porous support 2 made of 40% by mass of the yttria-stabilized zirconia powder and 60% by mass of the nickel powder is composed of 60% by mass of yttria-stabilized zirconia and 40% by mass of nickel powder. A porous layer made from 6 is a cross-sectional electron micrograph (SEM) of the porous support 2, the adhesion layer 3, and the yttria-stabilized zirconia barrier layer 4 corresponding to the structure of FIG. 1, and its energy dispersive X-ray. It is an analysis figure of an analyzer (EDS). 6A is an electron micrograph, and FIGS. 6B, 6C, and 6D are a catalytic metal component, an Ni element, a zirconia component, a Zr element, and a yttria component, respectively. It is an analysis figure of EDS of Y element. In these figures, the hydrogen permeable membrane 5 is not shown. It can be seen that the Ni element does not exist in the uppermost barrier layer 4 and the abundance of the Zr element and Y element increases in the order of the porous support 2, the adhesion layer 3, and the barrier layer 4. The thermal expansion coefficient measured by making a porous body with the same composition as the adhesion layer 3 is 11.25 × 10 −6 / ° C., and the thermal expansion coefficient of the adhesion layer 3 is the thermal expansion coefficient and the barrier of the porous support 2. It becomes a value approximately in the middle of the thermal expansion coefficient of the layer 4. Thereby, not only the adhesiveness at the time of manufacture improves, but also the durability of the apparatus can be improved by suppressing the influence of thermal stress during use as a hydrogen production apparatus.

上述のように、多孔質支持体2とバリア層4との間に密着層3を設けると、水素製造装置として使用中の熱応力の影響を抑えることができるが、この作用をさらに向上させるには、多孔質支持体2と密着層3との間、および密着層3とバリア層4との間の熱膨張率の変化を小さくすることが好ましい。このためには、密着層3を多層構造として、多孔質支持体2と接する密着層は多孔質支持体2の熱膨張率に近い値とし、多孔質支持体2側からバリア層4側に向かって密着層中の各層の熱膨張率を順次低下させて、バリア層4に接している密着層はバリア層4の熱膨張率に近づけることが好ましい。例えば、図2に示すように、密着層を密着層3a、3bからなる2層構造とした場合、多孔質支持体2と密着層4とを上述の材料としたとして、密着層3aの材料組成は上述のイットリア安定化ジルコニア60質量%とニッケル粉末40質量%とし、密着層3bの材料組成は上述のイットリア安定化ジルコニア80質量%とニッケル粉末20質量%とすればよい。この場合、密着層3aの熱膨張率は11.25×10−6/℃であり、密着層3bの熱膨張率は10.44×10−6/℃であり、多孔質支持体2と密着層3との接合面も密着層3とバリア層4との接合面も熱膨張率の差が小さくなる。 As described above, when the adhesion layer 3 is provided between the porous support 2 and the barrier layer 4, the influence of thermal stress during use as a hydrogen production apparatus can be suppressed, but this effect can be further improved. It is preferable to reduce the change in the coefficient of thermal expansion between the porous support 2 and the adhesion layer 3 and between the adhesion layer 3 and the barrier layer 4. For this purpose, the adhesion layer 3 has a multilayer structure, and the adhesion layer in contact with the porous support 2 has a value close to the coefficient of thermal expansion of the porous support 2 and is directed from the porous support 2 side toward the barrier layer 4 side. Thus, it is preferable that the thermal expansion coefficient of each layer in the adhesion layer is sequentially decreased so that the adhesion layer in contact with the barrier layer 4 approaches the thermal expansion coefficient of the barrier layer 4. For example, as shown in FIG. 2, when the adhesion layer has a two-layer structure composed of adhesion layers 3a and 3b, the material composition of the adhesion layer 3a is assumed to be the porous support 2 and the adhesion layer 4 described above. May be 60% by mass of the above-mentioned yttria-stabilized zirconia and 40% by mass of the nickel powder, and the material composition of the adhesion layer 3b may be 80% by mass of the above-mentioned yttria-stabilized zirconia and 20% by mass of the nickel powder. In this case, the thermal expansion coefficient of the adhesion layer 3a is 11.25 × 10 −6 / ° C., and the thermal expansion coefficient of the adhesion layer 3b is 10.44 × 10 −6 / ° C. The difference in thermal expansion coefficient between the bonding surface with the layer 3 and the bonding surface between the adhesion layer 3 and the barrier layer 4 is small.

このように密着層を多層構造として、多孔質支持体に使用した触媒金属の含有量を減少させた密着層を多孔質支持体表面に順次形成すれば、多孔質支持体2と密着層3との接合面および密着層3とバリア層4との接合面だけでなく、多層構造とした密着層同士の接合面においても熱膨張率の差が小さくなり、熱応力の影響を受け難くなり耐久性のある水素製造装置とすることができる。この多層構造の他の例として、触媒金属の含有量が、多孔質支持体側からバリア層側に向かって連続的に減少している密着層とすることができる。そして、密着層3中の触媒金属の含有量を、多孔質支持体2と密着層3との接合面においては多孔質支持体2と同じとし、密着層3とバリア層4との接合面においてはバリア層4と同じとすることが好ましい。なお、通常バリア層4中の触媒金属含有量は0であるので、この場合密着層3とバリア層4との接合面における密着層3中の触媒金属の含有量もほぼ0とすればよい。このようにすれば、密着層は1層ではあるけれども、密着層中の多孔質支持体側からバリア層側に向かって熱膨張率を連続的に減少させることができる。なお、密着層は必ずしも金属成分を含まなくとも、所望の熱膨張率を得られる材料で形成してもよい。例えば、MgOを少量加えた多孔質体は熱膨張率が大きくなり易く、密着層の熱膨張率の調整に好適である。   In this way, if the adhesion layer has a multi-layer structure and the adhesion layer with the reduced content of the catalyst metal used in the porous support is sequentially formed on the surface of the porous support, the porous support 2, the adhesion layer 3, The difference in the coefficient of thermal expansion is small not only on the bonding surface of the adhesive layer and the bonding surface of the adhesion layer 3 and the barrier layer 4, but also on the bonding surface of the adhesion layers having a multilayer structure, and is less susceptible to the influence of thermal stress and durability. It can be set as the hydrogen production apparatus with. As another example of this multilayer structure, an adhesive layer in which the content of the catalytic metal continuously decreases from the porous support side toward the barrier layer side can be provided. The catalytic metal content in the adhesion layer 3 is the same as that of the porous support 2 at the bonding surface between the porous support 2 and the adhesion layer 3, and at the bonding surface between the adhesion layer 3 and the barrier layer 4. Is preferably the same as that of the barrier layer 4. In addition, since the catalyst metal content in the barrier layer 4 is usually 0, in this case, the content of the catalyst metal in the adhesion layer 3 at the bonding surface between the adhesion layer 3 and the barrier layer 4 may be almost zero. In this way, although the adhesion layer is a single layer, the coefficient of thermal expansion can be continuously reduced from the porous support side in the adhesion layer toward the barrier layer side. The adhesion layer may be formed of a material that can obtain a desired coefficient of thermal expansion without necessarily including a metal component. For example, a porous material to which a small amount of MgO is added tends to have a large coefficient of thermal expansion, and is suitable for adjusting the coefficient of thermal expansion of the adhesion layer.

バリア層は、前記触媒金属成分を含まない層を含む。特に、バリア層は前記触媒以外の金属成分をも含まない層を含むことが好ましい。バリア層の機能は水素透過膜を構成する金属成分、たとえばパラジウムなどが多孔質支持体や密着層中の金属と相互に拡散し合い、水素透過膜の水素分離機能を低下させたり、多孔質支持体の触媒機能を低下させたりしないことである。バリア層が単層構造の場合は、前記触媒金属成分を含んでいなければどのような多孔質層でもよいが、通常は、多孔質支持体を形成している材料と同じ材料から金属材料を除いた材料、例えばセラミック材料やガラス材料で形成することができる。しかし、バリア層と水素透過膜との界面においても上述のように熱応力による界面の剥離や水素透過膜の歪、変形、亀裂、破損などの恐れがある。水素透過膜は、パラジウムなどのような金属製の場合が多く、その熱膨張率は、例えば12.55×10−6/℃程度である。そうすると、水素透過膜と熱膨張率が9.67×10−6/℃である上述のバリア層との接合面では熱応力が発生し易い。水素透過膜は比較的薄いのである程度の熱応力には対応力があるが、接合面での熱膨張率の差は小さいほうがよい。 The barrier layer includes a layer that does not contain the catalytic metal component. In particular, the barrier layer preferably includes a layer that does not contain any metal component other than the catalyst. The barrier layer functions as a metal component of the hydrogen permeable membrane, such as palladium, which diffuses with the porous support or the metal in the adhesion layer to reduce the hydrogen separation function of the hydrogen permeable membrane, or to support the porous layer. It does not reduce the catalytic function of the body. When the barrier layer has a single-layer structure, any porous layer may be used as long as it does not contain the catalytic metal component. Usually, the metal material is made of the same material as that forming the porous support. It can be formed of a removed material, such as a ceramic material or a glass material. However, at the interface between the barrier layer and the hydrogen permeable membrane, there is a risk of peeling of the interface due to thermal stress or distortion, deformation, cracking, or breakage of the hydrogen permeable membrane as described above. The hydrogen permeable membrane is often made of a metal such as palladium, and its thermal expansion coefficient is, for example, about 12.55 × 10 −6 / ° C. As a result, thermal stress is likely to occur at the bonding surface between the hydrogen permeable membrane and the above-described barrier layer having a thermal expansion coefficient of 9.67 × 10 −6 / ° C. Since the hydrogen permeable membrane is relatively thin, it can cope with a certain amount of thermal stress, but the difference in the coefficient of thermal expansion at the joint surface should be small.

そこで、バリア層を多層構造にして、例えば図3に示すように第1バリア層4a,第2バリア層4bの2層とすれば、水素透過膜5とバリア層4との接合面の熱膨張率の差が小さくでき接合面での熱応力の発生を抑制できる。ここで、第1バリア層4aには、第2バリア層4bに比べて水素透過膜5の熱膨張率に近い熱膨張率を持つ材料を用いる。この第2バリア層4bへは水素透過膜5の材料成分であるパラジウムなどの金属も、上述の多孔質支持体2に含まれる触媒金属成分も拡散してこないようにする。このようにして多孔質支持体2に含まれるニッケルなどの触媒金属成分と、水素分離膜5に含まれるパラジウムなどの金属とが相互に拡散し合わないようにすることがバリア層4の機能である。さらに、水素透過膜5と第2バリア層4bとの間にこれらの層の中間の熱膨張率を持つ第1バリア層4aを介在させて、各層間の急激な熱膨張率の変化を抑えている。具体的な方法としては、例えば熱膨張率の比較的大きい金属成分や金属酸化物を第2バリア層4bと同じセラミック成分中に添加することにより第1バリア層4aを形成し、第1バリア層4aの熱膨張率を水素透過膜の熱膨張率に近づけることができる。この際、金属成分としては熱膨張率を大きく出来るものであればどのようなものでもよいが、水素透過膜の材料である金属成分、例えばパラジウムなどが好適である。水素透過膜の材料と同じ金属成分であれば、水素製造装置の高温での使用時に接合面から金属同士が拡散し合っても水素透過膜の組成に大きな変化はなく、水素透過膜の機能がそこなわれることもない。添加する金属成分としては、その他にも金、銀、銅など、また添加する金属酸化物としてはマグネシアなどが挙げられる。なお、第2バリア層4bは金属成分を含まない層であることが好ましく、そうすればこの第2バリア層へは水素透過膜の材料成分であるパラジウムなどの金属は拡散してこない。   Therefore, if the barrier layer has a multi-layer structure, for example, as shown in FIG. 3, two layers of the first barrier layer 4a and the second barrier layer 4b, the thermal expansion of the bonding surface between the hydrogen permeable film 5 and the barrier layer 4 is achieved. The difference in rate can be reduced and the generation of thermal stress at the joint surface can be suppressed. Here, a material having a thermal expansion coefficient close to that of the hydrogen permeable film 5 is used for the first barrier layer 4a as compared to the second barrier layer 4b. A metal such as palladium, which is a material component of the hydrogen permeable membrane 5, and a catalyst metal component contained in the porous support 2 described above are prevented from diffusing into the second barrier layer 4b. Thus, the function of the barrier layer 4 is to prevent the catalytic metal component such as nickel contained in the porous support 2 and the metal such as palladium contained in the hydrogen separation membrane 5 from diffusing each other. is there. Further, the first barrier layer 4a having a thermal expansion coefficient intermediate between these layers is interposed between the hydrogen permeable membrane 5 and the second barrier layer 4b to suppress a rapid change in the thermal expansion coefficient between the respective layers. Yes. As a specific method, for example, a first barrier layer 4a is formed by adding a metal component or metal oxide having a relatively high thermal expansion coefficient to the same ceramic component as that of the second barrier layer 4b. The thermal expansion coefficient of 4a can be brought close to the thermal expansion coefficient of the hydrogen permeable membrane. At this time, any metal component may be used as long as it can increase the coefficient of thermal expansion, but a metal component that is a material of the hydrogen permeable membrane, such as palladium, is preferable. If the metal component is the same as the material of the hydrogen permeable membrane, the composition of the hydrogen permeable membrane will not change greatly even if metals diffuse from the joint surface when the hydrogen production device is used at high temperatures. There will never be a failure. Other examples of the metal component to be added include gold, silver, and copper, and examples of the metal oxide to be added include magnesia. The second barrier layer 4b is preferably a layer that does not contain a metal component, so that a metal such as palladium that is a material component of the hydrogen permeable membrane does not diffuse into the second barrier layer.

図7は、図3の構造に対応する多孔質支持体2、密着層3およびイットリア安定化ジルコニア製のバリア層4b、マグネシアを40質量%添加したイットリア安定化ジルコニア製のバリア層4aの積層体の断面電子顕微鏡写真(SEM)、並びにそのエネルギー分散型X線分析装置(EDS)の解析図である。図7に示す積層体の組成は、バリア層以外は図6に示した積層体の組成と同じであり、第1バリア層4aはYSZ80質量%,マグネシア20質量%の組成であり、第2バリア層4bはYSZ100質量%の組成である。図7(a)は電子顕微鏡写真、図7(b),図7(c),図7(d),図7(e)はそれぞれ触媒金属成分であるNi元素,ジルコニアの成分であるZr元素,イットリアの成分であるY元素、マグネシアの成分であるMg元素のEDSの解析図である。なお、これらの図には水素透過膜5は表わしていない。Ni元素は上層の第1バリア層4a,4bには存在せず、Zr元素,Y元素は多孔質支持体2、密着層3、バリア層4bと順次その存在量が増加していることがわかる。また、最上層の第2バリア層4bにはMg元素が存在していることがわかる。   7 shows a laminate of the porous support 2, the adhesion layer 3, the yttria-stabilized zirconia barrier layer 4b, and the yttria-stabilized zirconia barrier layer 4a added with 40% by mass of magnesia corresponding to the structure of FIG. FIG. 2 is an analysis view of a cross-sectional electron micrograph (SEM) of FIG. The composition of the laminate shown in FIG. 7 is the same as that of the laminate shown in FIG. 6 except for the barrier layer. The first barrier layer 4a has a composition of 80% by mass of YSZ and 20% by mass of magnesia. The layer 4b has a composition of YSZ 100% by mass. FIG. 7A is an electron micrograph, and FIG. 7B, FIG. 7C, FIG. 7D, and FIG. 7E are a Ni element as a catalytic metal component and a Zr element as a component of zirconia, respectively. FIG. 6 is an analysis diagram of EDS of a Y element that is a yttria component and a Mg element that is a magnesia component. In these figures, the hydrogen permeable membrane 5 is not shown. It can be seen that the Ni element does not exist in the upper first barrier layers 4a and 4b, and the abundance of the Zr element and Y element increases in the order of the porous support 2, the adhesion layer 3, and the barrier layer 4b. . It can also be seen that Mg element is present in the uppermost second barrier layer 4b.

次に、この水素製造装置を構成する多孔質支持体の組成、製造方法等について説明する。多孔質支持体は原料ガスおよび反応後の生成ガスの透過機能と原料ガスの反応触媒の機能とを持っている。さらに、通常はこの多孔質支持体によって水素透過膜が支持されている。通常、水素製造装置の原料ガス成分としては、炭化水素、アルコール、一酸化炭素およびスチームなどであり、生成ガスとしては、水素の他に炭酸ガス、一酸化炭素、水蒸気、メタンなどの混合ガスである場合が多いので、多孔質支持体を形成する材料としては、原料ガスからの水素製造の触媒機能を持ち、これらのガスにより変質せず、水素透過膜を支持できる材料であれば特に限定されない。このような材料は非触媒成分と触媒成分とから形成することができる。このうち非触媒成分としては、無機酸化物、カーボン、無機窒化物等が挙げられる。無機酸化物としては、アルミナ(酸化アルミニウム)、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、安定化ジルコニア、ガラス等が挙げられる。触媒成分としては、例えば、炭化水素の水蒸気改質による水素製造装置であれば、炭化水素の水蒸気改質触媒(単に改質触媒ともいう。)として利用されるニッケルを挙げることができる。多孔質支持体の具体例として、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物を主成分とする多孔質焼結体(Ni−YSZサーメットという。)、ニッケルを付加した多孔質セラミックス、ニッケルを付加した多孔質ガラス等を挙げることができる。合成ガスや水性ガスを原料とする水素製造装置であれば、多孔質支持体として鉄やクロム成分等を触媒成分として付加した多孔質セラミックスや多孔質ガラス等を挙げることができる。なお、触媒成分は、原料ガスおよび所望の反応によって適宜選択することができる。   Next, the composition and manufacturing method of the porous support constituting the hydrogen production apparatus will be described. The porous support has a function of permeating the source gas and the product gas after the reaction and a function of a reaction catalyst for the source gas. Furthermore, the hydrogen permeable membrane is usually supported by this porous support. Usually, the raw material gas components of a hydrogen production apparatus are hydrocarbons, alcohol, carbon monoxide, steam, etc., and the generated gas is a mixed gas such as carbon dioxide, carbon monoxide, water vapor, methane, etc. in addition to hydrogen. Since there are many cases, the material for forming the porous support is not particularly limited as long as it is a material that has a catalytic function of hydrogen production from a raw material gas, is not altered by these gases, and can support the hydrogen permeable membrane. . Such materials can be formed from non-catalytic components and catalytic components. Among these, examples of the non-catalytic component include inorganic oxides, carbon, and inorganic nitrides. Examples of the inorganic oxide include alumina (aluminum oxide), silica, silica-alumina, mullite, cordierite, zirconia, stabilized zirconia, and glass. Examples of the catalyst component include nickel used as a hydrocarbon steam reforming catalyst (also simply referred to as a reforming catalyst) in the case of a hydrogen production apparatus using hydrocarbon steam reforming. Specific examples of the porous support include a porous sintered body (referred to as Ni-YSZ cermet) mainly composed of a mixture of nickel and yttria-stabilized zirconia, porous ceramic added with nickel, and porous added with nickel. Glass or the like. In the case of a hydrogen production apparatus using synthetic gas or water gas as a raw material, porous ceramics or porous glass to which iron or chromium component or the like is added as a catalyst component can be cited as a porous support. The catalyst component can be appropriately selected depending on the raw material gas and the desired reaction.

ニッケルを付加した多孔質支持体、特にNi−YSZサーメットにおいて、このNi−YSZサーメット中のNi成分の含有量は、改質触媒としての性能、支持される水素透過膜を形成する材料、及び、水素透過膜との熱膨張率等の各種条件を考慮して決定される。例えば、Ni成分の含有量は、このNi−YSZサーメット全体に対して、1〜99質量%、好ましくは30〜85質量%、さらに好ましくは50〜70質量%とすればよい。また、水素透過膜がパラジウムまたはパラジウム−銀合金を含む材料で形成されている場合には、この水素透過膜の熱膨張係数は、その水素透過膜に吸蔵しうる水素ガス量に依存して、10×10−6〜16×10−6/℃の間で変化する。そこで、Ni−YSZサーメット中のNi成分の含有量を調整すれば、このNi−YSZサーメットの熱膨張係数を、水素透過膜の熱膨張係数に近い値、9×10−6〜17×10−6/℃に調整することができる。これにより、水素製造装置の使用中における温度変化によって発生する熱応力を低減させることができる。多孔質支持体中の金属成分を、少なくしすぎると触媒作用が不十分となり易く、多くしすぎると多孔質支持体の高温での強度が低下する場合がある。 In a nickel-added porous support, particularly Ni-YSZ cermet, the content of the Ni component in the Ni-YSZ cermet depends on the performance as a reforming catalyst, the material forming the supported hydrogen permeable membrane, and It is determined in consideration of various conditions such as the coefficient of thermal expansion with the hydrogen permeable membrane. For example, the content of the Ni component may be 1 to 99% by mass, preferably 30 to 85% by mass, and more preferably 50 to 70% by mass with respect to the entire Ni-YSZ cermet. When the hydrogen permeable membrane is formed of a material containing palladium or a palladium-silver alloy, the thermal expansion coefficient of the hydrogen permeable membrane depends on the amount of hydrogen gas that can be stored in the hydrogen permeable membrane. It varies between 10 × 10 −6 and 16 × 10 −6 / ° C. Therefore, if the content of the Ni component in the Ni-YSZ cermet is adjusted, the thermal expansion coefficient of the Ni-YSZ cermet is set to a value close to the thermal expansion coefficient of the hydrogen permeable membrane, 9 × 10 −6 to 17 × 10 −. It can be adjusted to 6 / ° C. Thereby, the thermal stress generated by the temperature change during use of the hydrogen production apparatus can be reduced. If the metal component in the porous support is too small, the catalytic action tends to be insufficient, and if it is too large, the strength of the porous support at high temperatures may decrease.

多孔質支持体は、その材料となる成分の粒子を混合して成形し焼結して作ることができる。例えば、Ni−YSZサーメットは、Ni粒子またはNiO粒子とイットリア安定化ジルコニア(YSZともいう。)粒子とを混合、成形し、得られた成形体を焼成し、触媒として使用する前に高温の水素で還元することにより触媒作用を持つNi−YSZサーメットとされる。すなわち、多孔質支持体は、水素製造装置が使用されるときに触媒機能を有していればよく、必ずしも多孔質支持体を形成するために焼成した直後に改質触媒機能を有する必要はない。成形にあたっては、混合粒子中にバインダや気孔形成用のカーボンなどを加えておくこともできる。焼成条件は、焼成される材料の融点や粒径により異なるが、800〜1500℃で0.5〜48時間が好ましい。   The porous support can be made by mixing, molding, and sintering the particles of the constituent components. For example, Ni-YSZ cermet is prepared by mixing and molding Ni particles or NiO particles and yttria-stabilized zirconia (also referred to as YSZ) particles, firing the resulting molded body, Ni-YSZ cermet having a catalytic action is obtained by reduction with the above. That is, the porous support only needs to have a catalytic function when a hydrogen production apparatus is used, and does not necessarily have a reforming catalytic function immediately after calcination to form the porous support. . In molding, a binder, carbon for forming pores, or the like can be added to the mixed particles. The firing condition varies depending on the melting point and particle size of the material to be fired, but is preferably 800 to 1500 ° C. and 0.5 to 48 hours.

多孔質支持体は、その気孔率及び平均気孔径が適切に制御されていることが好ましい。多孔質支持体の気孔率は、10〜85%であることが好ましい。気孔率が10%未満であると、多孔質支持体中を原料ガスが速やかに流れず、圧力損失が大きくなることがあり、特に炭化水素の水蒸気改質用の触媒を兼ねる多孔質支持体の場合には、炭化水素を十分に改質できないことがある。一方、多孔質支持体の気孔率が85%を超えると、支持体としての強度が低下することがある。ここでいう気孔率は、アルキメデス法によって測定したときの値として定義される。多孔質支持体の気孔率は、支持体としての強度、原料ガス、生成ガスおよびオフガスが多孔質支持体を通過する際の圧力損失等を勘案して適切に制御する。   It is preferable that the porosity and the average pore diameter of the porous support are appropriately controlled. The porosity of the porous support is preferably 10 to 85%. When the porosity is less than 10%, the raw material gas does not flow quickly in the porous support, and the pressure loss may increase. In particular, the porous support also serves as a catalyst for hydrocarbon steam reforming. In some cases, the hydrocarbon may not be sufficiently reformed. On the other hand, when the porosity of the porous support exceeds 85%, the strength as the support may be lowered. The porosity here is defined as a value when measured by the Archimedes method. The porosity of the porous support is appropriately controlled in consideration of the strength of the support, the pressure loss when the raw material gas, the generated gas, and the off gas pass through the porous support.

多孔質支持体の気孔の平均気孔径は0.05〜30μmであることが好ましい。この平均気孔径が0.05μm未満であると、多孔質支持体中を原料ガス、生成ガスおよびオフガスが速やかに流れず、圧力損失が大きくなったり、原料ガスを十分に改質できないことがある。一方、平均気孔径が30μmを超えると、支持体としての十分な強度が保てないことがある。ここで、多孔質支持体における気孔の平均気孔径は、表面を電子顕微鏡例えば走査型電子顕微鏡(SEM)等により観察して、気孔の開口を円に近似して求められる開口径を、算術平均して算出した値である。多孔質支持体の気孔率及び平均気孔径を前記範囲に制御するには、多孔質支持体を形成する材料として用いられる粉末の粒径、粒径分布及び/又は焼成温度を適宜調整すればよい。   The average pore diameter of the pores of the porous support is preferably 0.05 to 30 μm. When this average pore diameter is less than 0.05 μm, the raw material gas, the generated gas and the off-gas do not flow quickly through the porous support, and the pressure loss may increase or the raw material gas may not be sufficiently reformed. . On the other hand, if the average pore diameter exceeds 30 μm, sufficient strength as a support may not be maintained. Here, the average pore diameter of the pores in the porous support is the arithmetic average obtained by observing the surface with an electron microscope such as a scanning electron microscope (SEM) and approximating the opening of the pores to a circle. This is the calculated value. In order to control the porosity and average pore diameter of the porous support within the above ranges, the particle size, particle size distribution and / or firing temperature of the powder used as the material for forming the porous support may be adjusted as appropriate. .

多孔質支持体の形状は特に限定されない。多孔質支持体は、例えば、板状、両端が開口した中空の円筒状または多角形筒状、両端が開口した中空のU字管状、両端が開口した中空の螺旋管状、一端が開口し他端が閉塞した中空の円筒状または多角形筒状等とすることができる。多孔質支持体の大きさは取付けられるメンブレンリアクタ等の大きさに応じて決定すればよい。図4に示すメンブレンリアクタは水素製造装置1を一本だけ備えているが、通常は多数本の水素製造装置を並べて隔壁8に取り付ける場合が多い。水素製造装置は多孔質支持体の表面に密着層、バリア層を介して水素分離膜を形成したものであり、水素製造装置の形状は多孔質支持体の形状とほぼ同じである。   The shape of the porous support is not particularly limited. The porous support is, for example, a plate, a hollow cylindrical or polygonal tube having both ends open, a hollow U-shaped tube having both ends open, a hollow spiral tube having both ends open, one end open and the other A hollow cylindrical shape or a polygonal cylindrical shape in which is closed. The size of the porous support may be determined according to the size of the membrane reactor or the like to be attached. The membrane reactor shown in FIG. 4 includes only one hydrogen production apparatus 1, but usually there are many cases where a large number of hydrogen production apparatuses are arranged and attached to the partition wall 8. In the hydrogen production apparatus, a hydrogen separation membrane is formed on the surface of a porous support through an adhesion layer and a barrier layer, and the shape of the hydrogen production apparatus is almost the same as the shape of the porous support.

密着層は、多孔質支持体とバリア層との間に設ける。密着層は、多孔質支持体とバリア層との密着性を向上し、バリア層の表面状態を均一にし、バリア層の表面状態に起因する水素透過膜の欠陥を少なくし、水素透過膜のバリア層への密着性をよくする。その結果、水素透過膜を薄く形成することができ、水素透過性能を向上させることができる。密着層は、多孔質支持体の一部であると考えてもよく、多孔質支持体と類似の材料成分で形成することができる。密着層が多孔質支持体と異なるのは、その熱膨張率である。密着層の熱膨張率は、上述のように多孔質支持体の熱膨張率とバリア層の熱膨張率との間の値である。そして、密着層は多孔質支持体側からバリア層側に向かって熱膨張率が減少していることが好ましい。材料組成の面から見ると、密着層は多孔質支持体中の触媒金属と同じ触媒金属を多孔質支持体よりも少ない組成で含んでいる。そして、好ましくは多孔質支持体側からバリア層側に向かって触媒金属含有量が減少している。さらに、好ましくは、密着層は多孔質支持体に比べて平均気孔径が小さい点である。このような密着層は、その表面に存在する気孔の平均気孔径が0.05〜10μmであることが好ましい。平均気孔径が0.05μm未満であると、ガスの透過を妨げることがあり、一方、10μmを超えると、密着層上に形成されるバリア層の表面状態を効果的に改善できないことがある。密着層の表面における気孔の平均気孔径は、0.05〜8μmであることが好ましく、0.05〜7μmであることがさらに好ましい。ここで、多孔質支持体における気孔の平均気孔径は、表面を電子顕微鏡例えば走査型電子顕微鏡(SEM)等により観察して、気孔の開口を円に近似して求められる開口径を、算術平均して算出した値である。   The adhesion layer is provided between the porous support and the barrier layer. The adhesion layer improves the adhesion between the porous support and the barrier layer, makes the surface state of the barrier layer uniform, reduces defects of the hydrogen permeable membrane due to the surface state of the barrier layer, and prevents the barrier of the hydrogen permeable membrane. Improves adhesion to the layer. As a result, the hydrogen permeable membrane can be formed thin and the hydrogen permeation performance can be improved. The adhesion layer may be considered to be a part of the porous support, and can be formed of material components similar to the porous support. The adhesion layer differs from the porous support in the coefficient of thermal expansion. As described above, the thermal expansion coefficient of the adhesion layer is a value between the thermal expansion coefficient of the porous support and the thermal expansion coefficient of the barrier layer. The adhesive layer preferably has a coefficient of thermal expansion that decreases from the porous support side toward the barrier layer side. From the viewpoint of the material composition, the adhesion layer contains the same catalytic metal as the catalytic metal in the porous support in a smaller composition than the porous support. Preferably, the catalytic metal content decreases from the porous support side toward the barrier layer side. Furthermore, preferably, the adhesion layer has a smaller average pore diameter than the porous support. Such an adhesion layer preferably has an average pore diameter of 0.05 to 10 μm on the surface thereof. If the average pore diameter is less than 0.05 μm, gas permeation may be hindered. On the other hand, if it exceeds 10 μm, the surface state of the barrier layer formed on the adhesion layer may not be effectively improved. The average pore diameter of pores on the surface of the adhesion layer is preferably 0.05 to 8 μm, and more preferably 0.05 to 7 μm. Here, the average pore diameter of the pores in the porous support is the arithmetic average obtained by observing the surface with an electron microscope such as a scanning electron microscope (SEM) and approximating the opening of the pores to a circle. This is the calculated value.

密着層は、多孔質支持体と同じ金属成分の含有量を減らした材料を用いてスラリーを作り、焼結前または焼結後の多孔質支持体の表面に、ディップコート法、スプレー吹き付け法、印刷法等の方法によって成形し、この成形体を焼結すればよい。焼結条件は上述の多孔質支持体と同様である。密着層は、バリア層の表面状態を改善でき、バリア層の熱応力による多孔質支持体からの剥離が防げれば、その層厚は特に限定されず、例えば、0.1μm以上にすることができる。密着層の層厚が、0.1μm未満であると、熱応力によるバリア層の歪や剥離が起こったり、バリア層の表面状態を効果的に改善できない場合がある。一方、密着層の膜厚の上限は特に限定されない。その膜厚は、例えば、100μmに調整することができる。密着層の表面には、バリア層が形成され、さらにその表面に水素透過膜が形成されて、水素製造装置となる。   The adhesion layer makes a slurry using a material having the same metal component content as that of the porous support, and the surface of the porous support before or after sintering is subjected to dip coating, spray spraying, What is necessary is just to shape | mold by methods, such as a printing method, and to sinter this molded object. The sintering conditions are the same as those for the porous support described above. The adhesion layer can improve the surface state of the barrier layer, and if the peeling from the porous support due to the thermal stress of the barrier layer can be prevented, the thickness of the adhesion layer is not particularly limited. it can. If the thickness of the adhesion layer is less than 0.1 μm, the barrier layer may be distorted or peeled off due to thermal stress, or the surface state of the barrier layer may not be effectively improved. On the other hand, the upper limit of the film thickness of the adhesion layer is not particularly limited. The film thickness can be adjusted to 100 μm, for example. A barrier layer is formed on the surface of the adhesion layer, and a hydrogen permeable film is further formed on the surface, thereby forming a hydrogen production apparatus.

バリア層は多孔質の層であり、多孔質支持体中に存在するニッケルなどの金属成分の影響から水素透過膜の性能を保護するために設けられる。すなわち、多孔質支持体や密着層の表面に直接水素透過膜を形成すると、高温での使用中にその界面において、多孔質支持体を形成する金属成分、例えば多孔質支持体中の触媒成分であるニッケルと、水素透過膜を形成する金属成分、例えば水素透過膜中の成分であるパラジウムのような金属成分とが相互に拡散し合い、互いに性能低下を来たすことがある。そこで、多孔質支持体と水素透過膜との間にバリア層を介在させることにより、多孔質支持体を形成する金属成分と水素透過膜を形成する金属成分とが相互に拡散することを防ぎ、水素透過膜の水素透過性能および多孔質支持体の触媒機能を維持する。したがって、バリア層は、多孔質支持体を形成する材料の金属成分と水素透過膜を形成する材料の金属成分との相互拡散を防ぎ、かつ、水素ガスが流通できる多孔質材料で形成されていればよく、例えば、多孔質な無機酸化物等によって、形成される。無機酸化物としては、ジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、又は、これらの混合物もしくは化合物等が挙げられる。通常、バリア層は、多孔質支持体の触媒成分を除いた材料、例えばイットリア安定化ジルコニアの多孔質層として形成する場合が多い。   The barrier layer is a porous layer and is provided to protect the performance of the hydrogen permeable membrane from the influence of a metal component such as nickel present in the porous support. That is, when the hydrogen permeable membrane is formed directly on the surface of the porous support or the adhesion layer, the metal component that forms the porous support at the interface during use at high temperature, for example, the catalyst component in the porous support. Some nickel and a metal component forming the hydrogen permeable film, for example, a metal component such as palladium, which is a component in the hydrogen permeable film, may diffuse to each other, resulting in a decrease in performance. Therefore, by interposing a barrier layer between the porous support and the hydrogen permeable membrane, the metal component forming the porous support and the metal component forming the hydrogen permeable membrane are prevented from diffusing each other, The hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable membrane and the catalytic function of the porous support are maintained. Therefore, the barrier layer should be formed of a porous material that prevents mutual diffusion between the metal component of the material forming the porous support and the metal component of the material forming the hydrogen permeable membrane and allows hydrogen gas to flow. For example, it is formed of a porous inorganic oxide or the like. Examples of the inorganic oxide include zirconia, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, alumina, magnesia, or a mixture or compound thereof. Usually, the barrier layer is often formed as a porous layer of a material excluding the catalyst component of the porous support, for example, yttria-stabilized zirconia.

バリア層は、上記材料を用いて、焼結前または焼結後の密着層を形成してある多孔質支持体上に、例えば、ディップコート法、スプレー吹き付け法、印刷法等によって上記材料で作ったスラリーから薄層を成形し、これを焼結して形成することができる。あるいは、多孔質支持体表面の密着層中の一部から触媒金属を溶解除去してもよい。触媒金属の溶解除去は密着層を少し厚め、例えば40μmに形成して、密着層表面のバリア層の形成予定部分、例えば20μmの厚さから多孔質支持体中の成分である金属を溶媒や反応剤を用いて溶出させればよい。このとき用いられる溶媒や反応剤としては、金属を溶出できるものであれば、特に限定されない。例えば、密着層および多孔質支持体が前記Ni−YSZサーメットで形成されている場合には、密着層の表面近傍に存在するNiを硫酸や塩酸などの酸溶液を用いて溶出させればよい。バリア層は、多孔質支持体および密着層を形成する材料成分と水素透過膜を形成する材料成分とが相互に拡散しない程度であれば、その層厚は特に限定されず、例えば、5〜100μmに調整される。バリア層の層厚が5μm未満であると、多孔質支持体および密着層を形成する材料成分と水素透過膜を形成する材料成分との相互拡散を防ぐことができないことがあり、一方、100μmを越えると、水素透過部材のスムーズな水素透過を妨げたり、多孔質支持体の水素製造機能を低下させる恐れがある。   The barrier layer is made of the above-mentioned material by using, for example, a dip coating method, a spray spraying method, a printing method, etc. on a porous support on which an adhesion layer before or after sintering is formed. A thin layer can be formed from the slurry and sintered to form. Alternatively, the catalytic metal may be dissolved and removed from a part of the adhesion layer on the surface of the porous support. The catalyst metal is dissolved and removed by slightly thickening the adhesion layer, for example, 40 μm, and forming the barrier layer on the surface of the adhesion layer, for example, 20 μm thick, the metal that is a component in the porous support from the solvent or reaction What is necessary is just to elute using an agent. The solvent and the reactant used at this time are not particularly limited as long as the metal can be eluted. For example, when the adhesion layer and the porous support are formed of the Ni-YSZ cermet, Ni existing near the surface of the adhesion layer may be eluted using an acid solution such as sulfuric acid or hydrochloric acid. The thickness of the barrier layer is not particularly limited as long as the material component forming the porous support and the adhesion layer and the material component forming the hydrogen permeable membrane do not diffuse to each other. For example, the layer thickness is 5 to 100 μm. Adjusted to When the thickness of the barrier layer is less than 5 μm, mutual diffusion between the material component forming the porous support and the adhesion layer and the material component forming the hydrogen permeable membrane may not be prevented, while 100 μm may be prevented. If it exceeds, there is a risk of hindering the smooth hydrogen permeation of the hydrogen permeable member or reducing the hydrogen production function of the porous support.

水素透過膜は、原料ガスまたは反応ガスの成分であるメタン、水蒸気、水素、炭酸ガス、一酸化炭素などの混合ガスから水素ガスのみを選択的に透過する膜である。水素透過膜は、多孔質支持体の表面に密着層、バリア層を介して形成されている。水素透過膜は、例えば、多孔質支持体が円筒体に成形されている場合には、多孔質支持体の外表面のほぼ全体を覆うように形成されていてもよく、この多孔質支持体の内表面に形成されていてもよい。図4には、水素透過膜を多孔質支持体の外表面のほぼ全体に形成した水素製造装置を備えたメンブレンリアクタの例を示した。多孔質支持体が板状であればその片側の表面に水素透過膜が形成されていればよい。多孔質支持体の表面に水素透過膜を形成した水素製造装置は、上記混合ガス中の水素ガスのみを多孔質支持体側から水素透過膜の表面側へと透過させ、他のガスから分離する。図4に示すように、製品ガス流路10側には多孔質支持体表面が露出していないことが好ましい。多孔質支持体表面が製品ガス10側に露出していると、この部分から水素ガス以外の混合ガスの成分が製品ガス10側に漏出し製品ガス中の水素純度を下げてしまう。さらに、水素ガスが透過していく流通路としての水素透過膜の断面積は広いことが好ましい。このため、図4に示す多孔質支持体の外側表面のほぼ全体に水素透過膜を形成した水素製造装置が好ましい。   The hydrogen permeable membrane is a membrane that selectively permeates only hydrogen gas from a mixed gas such as methane, water vapor, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide, which is a component of the source gas or reaction gas. The hydrogen permeable membrane is formed on the surface of the porous support via an adhesion layer and a barrier layer. For example, when the porous support is formed into a cylindrical body, the hydrogen permeable membrane may be formed so as to cover almost the entire outer surface of the porous support. It may be formed on the inner surface. FIG. 4 shows an example of a membrane reactor equipped with a hydrogen production apparatus in which a hydrogen permeable membrane is formed on almost the entire outer surface of a porous support. If the porous support is plate-shaped, a hydrogen permeable membrane may be formed on the surface on one side. A hydrogen production apparatus in which a hydrogen permeable membrane is formed on the surface of a porous support allows only hydrogen gas in the mixed gas to permeate from the porous support to the surface of the hydrogen permeable membrane and separate it from other gases. As shown in FIG. 4, it is preferable that the porous support surface is not exposed on the product gas flow path 10 side. If the surface of the porous support is exposed to the product gas 10 side, the components of the mixed gas other than the hydrogen gas leak to the product gas 10 side from this portion and the hydrogen purity in the product gas is lowered. Furthermore, it is preferable that the cross section of the hydrogen permeable membrane as a flow path through which hydrogen gas permeates is wide. Therefore, a hydrogen production apparatus in which a hydrogen permeable membrane is formed on almost the entire outer surface of the porous support shown in FIG. 4 is preferable.

この水素透過膜を形成する材料としては、混合ガス中の水素ガスのみを選択的に透過する膜であればどのようなものでも良いが、パラジウム、パラジウム合金、1989年改訂の周期律表第5族元素、この元素を含む合金等の金属が好適に用いられる。前記第5族元素としては、例えば、V、Nb、Ta等が挙げられる。パラジウム合金及び前記第5族元素を含む合金に含まれるパラジウム及び前記第5族元素以外の金属としては、例えば、1989年改訂の周期律表第3族元素(ランタノイド元素を含む)、第8族元素、第9族元素、第10族元素、第11族元素又はこれらの2種以上の組み合わせ等が挙げられる。周期律表第3族元素としてはY等が挙げられ、ランタノイド元素としてはCe、Sm、Gd、Dy、Ho、Er、Yb等が挙げられ、第8族元素としてはRu等が挙げられ、第9族元素としてはRh、Ir等が挙げられ、第10族元素としてはPt等が挙げられ、第11族元素としてはCu、Ag、Au等が挙げられる。   The material for forming the hydrogen permeable membrane may be any membrane as long as it selectively permeates only hydrogen gas in the mixed gas. Palladium, palladium alloy, periodic table 5th revised in 1989 Metals such as group elements and alloys containing these elements are preferably used. Examples of the Group 5 element include V, Nb, and Ta. Examples of the metal other than palladium and the group 5 element included in the alloy containing the palladium alloy and the group 5 element include, for example, group 3 elements (including lanthanoid elements) of the periodic table revised in 1989, group 8 Elements, Group 9 elements, Group 10 elements, Group 11 elements, or combinations of two or more thereof. Examples of Group 3 elements in the periodic table include Y, etc., examples of lanthanoid elements include Ce, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb, etc., examples of Group 8 elements include Ru, etc. Examples of the Group 9 element include Rh and Ir, examples of the Group 10 element include Pt, and examples of the Group 11 element include Cu, Ag, and Au.

水素透過膜は、多孔質支持体の表面に、例えば、真空蒸着法、無電解めっき法、スパッタリング法等によって形成される。水素透過膜を形成する際、水素透過膜の材料成分をバリア層の表面の気孔内に入り込ませるように、水素透過膜を形成すると、気孔内に入り込んだ水素透過膜成分のフック効果により、バリア層上に水素透過膜を強固に形成することができ、水素透過膜の耐久性も向上する。水素透過膜の厚さは、要求される水素分離性能、例えば水素ガスの透過速度や選択性、水素透過膜の機械的強度等によって決定されるから、一概に決定されるものではないが、例えば、1〜30μmに調整することが好ましい。   The hydrogen permeable membrane is formed on the surface of the porous support by, for example, a vacuum deposition method, an electroless plating method, a sputtering method, or the like. When the hydrogen permeable membrane is formed so that the material component of the hydrogen permeable membrane enters the pores on the surface of the barrier layer when the hydrogen permeable membrane is formed, the barrier effect is caused by the hook effect of the hydrogen permeable membrane component that has entered the pores. The hydrogen permeable film can be formed firmly on the layer, and the durability of the hydrogen permeable film is also improved. The thickness of the hydrogen permeable membrane is determined by the required hydrogen separation performance, such as the permeation rate and selectivity of hydrogen gas, the mechanical strength of the hydrogen permeable membrane, etc. It is preferable to adjust to 1 to 30 μm.

通常、この発明の水素分離装置は図4に示すメンブレンリアクタなどに配置されて利用される。図4に示すメンブレンリアクタを簡単に説明すると、外筒7の中に隔壁8によって支持された水素製造装置1がある。外筒7および隔壁8は、900℃を超えない使用条件であれば、強度、緻密性、耐熱衝撃性等の点から金属製が好ましい。金属としては鉄、鋼鉄、銅、鉄、ニッケル、銅、クロミウム、アルミニウム、ボロン、シリコン、モリブテン、タングステン、又は、これらの合金、ステンレス、インコネル、コバール等が挙げられる。   Usually, the hydrogen separator of the present invention is used by being disposed in the membrane reactor shown in FIG. The membrane reactor shown in FIG. 4 will be briefly described. There is a hydrogen production apparatus 1 supported by a partition wall 8 in an outer cylinder 7. The outer cylinder 7 and the partition wall 8 are preferably made of metal from the viewpoints of strength, denseness, thermal shock resistance and the like as long as the usage conditions do not exceed 900 ° C. Examples of the metal include iron, steel, copper, iron, nickel, copper, chromium, aluminum, boron, silicon, molybdenum, tungsten, or alloys thereof, stainless steel, inconel, and kovar.

このメンブレンリアクタを、例えば、炭化水素の水蒸気改質による水素製造に使用する場合は、ニッケル系の触媒成分を多孔質支持体の成分として加え、500〜900℃で反応させることが好ましい。そうすれば、改質触媒の水素製造性能も水素透過膜の水素分離性能も充分に発揮できる。また、メタノールなどのアルコールを水蒸気改質する場合は、同じ触媒成分の多孔質支持体を用いて反応温度は250〜600℃とすればよい。合成ガスや水性ガスからの水素製造では、鉄系やクロム系の触媒成分を多孔質支持体中に含ませて200〜500℃で反応させることができる。炭化水素の水蒸気改質による水素製造においては、例えば、原料ガスにメタンを用いた場合、その改質温度が600℃で、原料中のカーボン原子に対するスチーム分子の比率(通常S/Cと称する。)が3.0である場合には、58%程度のメタン転化率とすることができ、通常用いられる粒状の水蒸気改質触媒とほぼ同等の水蒸気改質性能である。なお、このような反応と水素分離が同時に行われる本発明の水素製造装置においては、反応と同時に生成ガス中から水素が分離されるので、反応が熱力学的な平衡の制約を受けずに原料の転化率を高めることができる。このため、非常に高い効率で純水素の製造が出来る。   When this membrane reactor is used, for example, for hydrogen production by hydrocarbon steam reforming, it is preferable to add a nickel-based catalyst component as a component of the porous support and react at 500 to 900 ° C. Then, the hydrogen production performance of the reforming catalyst and the hydrogen separation performance of the hydrogen permeable membrane can be sufficiently exhibited. Moreover, when steam reforming alcohol, such as methanol, the reaction temperature should just be 250-600 degreeC using the porous support body of the same catalyst component. In hydrogen production from synthesis gas or water gas, an iron-based or chromium-based catalyst component can be contained in the porous support and reacted at 200 to 500 ° C. In hydrogen production by hydrocarbon steam reforming, for example, when methane is used as a raw material gas, the reforming temperature is 600 ° C., and the ratio of steam molecules to carbon atoms in the raw material (usually referred to as S / C). ) Is 3.0, a methane conversion rate of about 58% can be obtained, and the steam reforming performance is almost the same as that of a normally used granular steam reforming catalyst. In the hydrogen production apparatus of the present invention in which such reaction and hydrogen separation are performed simultaneously, since hydrogen is separated from the product gas simultaneously with the reaction, the reaction is not subject to thermodynamic equilibrium restrictions. The conversion rate of can be increased. For this reason, pure hydrogen can be produced with very high efficiency.

(実施例1)
水300質量部中で、NiO粉(平均粒径0.5μm)60質量部と、イットリア8モル%を固溶させたジルコニア(以下、単に「8YSZ」と称する。)粉(平均粒径0.5μm)40質量部と、造孔剤として人造黒鉛粉20質量部と、バインダーとしてアクリル系共重合体5質量部とを混合してスラリーAを調製した。このスラリーAをスプレードライによって造粒した。得られた造粒体を、中空の円筒状に加圧成形し、脱脂処理した後、1400℃で1時間焼成して、NiO−8YSZサーメットで形成された多孔質支持体を作成した。この多孔質支持体の大きさは、外径9mm、内径7mm、長さ100mmであった。この多孔質支持体の気孔率、並びに、その表面における気孔の平均気孔径および単位面積当たりの気孔の個数を前記した各方法で求めた。その結果、この多孔質支持体1の気孔率は48%であり、平均気孔径は16μmであり、単位面積当たりの気孔の個数は1.3×10個/cmであった。この多孔質支持体を多孔質支持体Xとした。
Example 1
In 300 parts by mass of water, 60 parts by mass of NiO powder (average particle size 0.5 μm) and zirconia (hereinafter simply referred to as “8YSZ”) powder in which 8 mol% of yttria are solid-dissolved (average particle size 0. 5 μm) 40 parts by mass, 20 parts by mass of artificial graphite powder as a pore-forming agent, and 5 parts by mass of an acrylic copolymer as a binder were mixed to prepare slurry A. This slurry A was granulated by spray drying. The obtained granulated body was pressure-molded into a hollow cylindrical shape, degreased, and then fired at 1400 ° C. for 1 hour to prepare a porous support formed of NiO-8YSZ cermet. The porous support was 9 mm in outer diameter, 7 mm in inner diameter, and 100 mm in length. The porosity of the porous support, the average pore diameter of the pores on the surface, and the number of pores per unit area were determined by the above-described methods. As a result, the porosity of this porous support 1 was 48%, the average pore diameter was 16 μm, and the number of pores per unit area was 1.3 × 10 5 / cm 2 . This porous support was designated as porous support X.

エタノール300質量部中で、上記のNiO粉20質量部と、8YSZ粉80質量部と、人造黒鉛粉20質量部と、バインダー5質量部とを混合してスラリーCを調製した。このスラリーCを、上記の多孔質支持体Xの外表面にディップコーティングした。焼成後の層厚が約20μmになるようにスラリーCのディップコーティングを数回繰り返した。このスラリーCをディップコーティングした多孔質支持体Xを1400℃で1時間焼成して密着層を形成した。この密着層の表面における、気孔の平均気孔径は2.7μmであり、気孔の個数は8.2×10個/cmであった。この密着層を形成した多孔質支持体Xを密着層形成多孔質支持体U1とした。 In 300 parts by mass of ethanol, 20 parts by mass of NiO powder, 80 parts by mass of 8YSZ powder, 20 parts by mass of artificial graphite powder, and 5 parts by mass of binder were mixed to prepare slurry C. The slurry C was dip coated on the outer surface of the porous support X. The dip coating of slurry C was repeated several times so that the layer thickness after firing was about 20 μm. The porous support X coated with the slurry C by dip coating was fired at 1400 ° C. for 1 hour to form an adhesion layer. The average pore diameter of the pores on the surface of this adhesion layer was 2.7 μm, and the number of pores was 8.2 × 10 6 / cm 2 . The porous support X on which the adhesion layer was formed was used as an adhesion layer-forming porous support U1.

エタノール300質量部中で、上記の8YSZ粉100質量部と、バインダー5質量部とを混合してスラリーDを調製した。このスラリーDを、上記の密着層形成多孔質支持体U1の外表面にディップコーティングした。この操作を焼成後の層厚が約20μmになるように数回繰り返した。このスラリーDをディップコーティングした密着層形成多孔質支持体U1を1300℃で1時間焼成してバリア層を形成した。このバリア層の表面における気孔の平均気孔径は0.2μmであった。このバリア層を形成した密着層形成多孔質支持体U1をバリア層形成多孔質支持体V1とした。   In 300 parts by mass of ethanol, 100 parts by mass of the above 8YSZ powder and 5 parts by mass of the binder were mixed to prepare slurry D. This slurry D was dip-coated on the outer surface of the adhesion layer-forming porous support U1. This operation was repeated several times so that the layer thickness after firing was about 20 μm. The adhesion layer forming porous support U1 dip coated with the slurry D was baked at 1300 ° C. for 1 hour to form a barrier layer. The average pore diameter of the pores on the surface of this barrier layer was 0.2 μm. The adhesion layer forming porous support U1 on which this barrier layer was formed was designated as a barrier layer forming porous support V1.

バリア層形成多孔質支持体V1を、エタノール中で30分間超音波洗浄した後、120℃で乾燥し、無電解めっきによってバリア層の表面に水素透過膜を形成した。無電解めっきは、先ず、バリア層形成多孔質支持体V1の円筒内に溶液が侵入しないように開口部をゴム栓で閉じておき、これをSnCl・2HOを含むHCl水溶液に1分間浸漬した後、蒸留水で洗浄し、PdClを含むHCl水溶液に1分間浸漬してから蒸留水で洗浄する。このSnCl・2HO処理及びPdCl処理を3回繰り返す。次いで、Pd(NHCl、EDTA・2Na、アンモニア水及びヒドラジン水溶液からなるめっき液を作成し、上記処理をしたバリア層形成多孔質支持体V1を、常圧下、50℃のめっき液に、めっき厚が1.5μmとなるまで浸漬する。その後、バリア層形成多孔質支持体X2の円筒内部を減圧して、再度めっき液に浸漬しめっき厚を合計9.0μmとした。円筒内部の減圧には、開口部に取り付けたゴム栓にテフロン(登録商標)製チューブを接続して減圧した。この処理によって、バリア層形成多孔質支持体V1の表面に9μmの厚さを有する水素透過膜を形成した。この水素透過膜を形成したバリア層形成多孔質支持体V1を水素製造装置Z1とした。 The barrier layer-forming porous support V1 was ultrasonically washed in ethanol for 30 minutes and then dried at 120 ° C., and a hydrogen permeable film was formed on the surface of the barrier layer by electroless plating. In the electroless plating, first, an opening is closed with a rubber stopper so that the solution does not enter the cylinder of the barrier layer forming porous support V1, and this is placed in an aqueous HCl solution containing SnCl 2 .2H 2 O for 1 minute. After soaking, the substrate is washed with distilled water, immersed in an aqueous HCl solution containing PdCl 2 for 1 minute, and then washed with distilled water. This SnCl 2 .2H 2 O treatment and PdCl 2 treatment are repeated three times. Next, a plating solution composed of Pd (NH 3 ) 4 Cl 2 , EDTA · 2Na, aqueous ammonia and hydrazine aqueous solution was prepared, and the barrier layer-forming porous support V1 treated as described above was subjected to a plating solution at 50 ° C. under normal pressure. And dipping until the plating thickness is 1.5 μm. Thereafter, the inside of the cylinder of the barrier layer-forming porous support X2 was depressurized, and dipped again in the plating solution, so that the total plating thickness was 9.0 μm. For reducing the pressure inside the cylinder, a Teflon (registered trademark) tube was connected to a rubber stopper attached to the opening to reduce the pressure. By this treatment, a hydrogen permeable membrane having a thickness of 9 μm was formed on the surface of the barrier layer-forming porous support V1. The barrier layer-forming porous support V1 on which this hydrogen permeable membrane was formed was used as the hydrogen production apparatus Z1.

(実施例2)
実施例1で用いたNiO粉40質量部と、8YSZ粉60質量部と、人造黒鉛粉20質量部と、バインダー5質量部とをエタノール300質量部中で混合してスラリーBを調製しておき、このスラリーBを実施例1において作成した多孔質支持体Xの外表面に、焼成後の層厚が約10μmになるようにディップコーティングした。このスラリーBをディップコーティングした多孔質支持体Xの外表面に、さらに、実施例1で調製したスラリーCを焼成後の層厚が約10μmになるようにディップコーティングした。これを実施例1と同様にして焼成し、密着層を形成した。これを密着層形成多孔質支持体U2とした。この密着層形成多孔質支持体U2に、実施例1と同様にしてバリア層を形成した。このバリア層を形成した密着層形成多孔質支持体U2をバリア層形成多孔質支持体V2とした。さらに、このバリア層形成多孔質支持体V2に実施例1と同様にして水素透過膜を形成した。この水素透過膜を形成したバリア層形成多孔質支持体V2を水素製造装置Z2とした。
(Example 2)
A slurry B was prepared by mixing 40 parts by mass of NiO powder, 60 parts by mass of 8YSZ powder, 20 parts by mass of artificial graphite powder, and 5 parts by mass of a binder used in Example 1 in 300 parts by mass of ethanol. The slurry B was dip-coated on the outer surface of the porous support X prepared in Example 1 so that the layer thickness after firing was about 10 μm. The slurry C prepared in Example 1 was further dip-coated on the outer surface of the porous support X dip-coated with the slurry B so that the layer thickness after firing was about 10 μm. This was fired in the same manner as in Example 1 to form an adhesion layer. This was designated as an adhesion layer-forming porous support U2. A barrier layer was formed on the adhesion layer-forming porous support U2 in the same manner as in Example 1. The adhesion layer forming porous support U2 on which this barrier layer was formed was used as a barrier layer forming porous support V2. Further, a hydrogen permeable membrane was formed on the barrier layer-forming porous support V2 in the same manner as in Example 1. The barrier layer-forming porous support V2 on which this hydrogen permeable membrane was formed was used as the hydrogen production apparatus Z2.

(実施例3)
実施例1において作成した密着層形成多孔質支持体U1の外表面に、スラリーDを焼成後の層厚が約10μmになるようにディップコーティングした。さらに、このスラリーDをディップコーティングした密着層形成多孔質支持体U1の外表面に、エタノール300質量部中で、MgO粉(平均粒径0.5μm)40質量部と、実施例1で使用した8YSZ粉60質量部と、人造黒鉛粉20質量部と、バインダー5質量部とを混合して調製したスラリーEを、焼成後の層厚が約10μmになるようにディップコーティングした。その後、このスラリーEをディップコーティングした密着層形成多孔質支持体U1を実施例1と同様にして焼成し、バリア層を形成した。これをバリア層形成多孔質支持体V3とした。このバリア層形成多孔質支持体V3の外表面に実施例1と同様にして水素透過膜を形成した。この水素透過膜を形成したバリア層形成多孔質支持体V3を水素製造装置Z3とした。
(Example 3)
The slurry D was dip coated on the outer surface of the adhesion layer-forming porous support U1 prepared in Example 1 so that the layer thickness after firing was about 10 μm. Furthermore, 40 mass parts of MgO powder (average particle diameter of 0.5 μm) was used in Example 1 in 300 mass parts of ethanol on the outer surface of the adhesion layer forming porous support U1 dip-coated with the slurry D. A slurry E prepared by mixing 60 parts by mass of 8YSZ powder, 20 parts by mass of artificial graphite powder and 5 parts by mass of a binder was dip-coated so that the layer thickness after firing was about 10 μm. Thereafter, the adhesion layer-forming porous support U1 dip-coated with this slurry E was fired in the same manner as in Example 1 to form a barrier layer. This was designated as a barrier layer-forming porous support V3. A hydrogen permeable membrane was formed in the same manner as in Example 1 on the outer surface of the barrier layer-forming porous support V3. The barrier layer forming porous support V3 on which this hydrogen permeable membrane was formed was used as the hydrogen production apparatus Z3.

(比較例1)
実施例1において作成した多孔質支持体Xの外表面に、直接スラリーDを焼成後の層厚が約20μmになるようにディップコーティングし、実施例1と同様にして焼成し、バリア層を形成した。これをバリア層形成多孔質支持体V4とした。このバリア層形成多孔質支持体V4の外表面に実施例1と同様にして水素透過膜を形成した。この水素透過膜を形成したバリア層形成多孔質支持体V4を水素製造装置Z4とした。
(Comparative Example 1)
The slurry D is directly dip-coated on the outer surface of the porous support X prepared in Example 1 so that the layer thickness after firing is about 20 μm, and fired in the same manner as in Example 1 to form a barrier layer. did. This was designated as barrier layer-forming porous support V4. A hydrogen permeable membrane was formed in the same manner as in Example 1 on the outer surface of the barrier layer-forming porous support V4. The barrier layer forming porous support V4 on which this hydrogen permeable membrane was formed was used as the hydrogen production apparatus Z4.

(熱膨張率の測定)
スラリーA〜Eと同様の組成で、それぞれ原料を調整後、プレスし、1400℃で1時間焼成した。焼成後に20mm×3mm×3mmの角柱となるように加工し、熱膨張率測定用の試験片1〜5を作成した。この試験片1〜5につき30〜600℃で線熱膨張率を測定した。線熱膨張率の測定結果を表1に示す。なお、水素透過膜はパラジウム金属の線熱膨張率とした。
(Measurement of thermal expansion coefficient)
The raw materials were adjusted with the same composition as that of the slurry A to E, respectively, pressed, and fired at 1400 ° C. for 1 hour. It processed so that it might become a prism of 20 mm x 3 mm x 3 mm after baking, and the test pieces 1-5 for a thermal expansion coefficient measurement were created. The linear thermal expansion coefficient was measured at 30 to 600 ° C. for each of the test pieces 1 to 5. Table 1 shows the measurement results of the coefficient of linear thermal expansion. The hydrogen permeable membrane was made of a linear thermal expansion coefficient of palladium metal.

Figure 2007269595
Figure 2007269595

(水素製造装置の耐熱性評価)
実施例1〜3および比較例1で作成した水素製造装置Z1〜Z4を、それぞれ恒温槽中で600℃で1時間加熱した後、室温で5時間放置する加熱冷却サイクルを10回繰り返した。その後、水素製造装置Z1〜Z4を取り出し、水素製造装置の開口部断面の各層間の剥離状況、外表面の水素分離膜の亀裂および変形を目視で評価した。評価結果を表2に示した。
(Evaluation of heat resistance of hydrogen production equipment)
The heating and cooling cycle in which the hydrogen production apparatuses Z1 to Z4 created in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were each heated at 600 ° C. for 1 hour in a thermostatic bath and then allowed to stand at room temperature for 5 hours was repeated 10 times. Thereafter, the hydrogen production apparatuses Z1 to Z4 were taken out, and the peeling state between the respective layers of the opening section of the hydrogen production apparatus and the cracks and deformation of the hydrogen separation membrane on the outer surface were visually evaluated. The evaluation results are shown in Table 2.

Figure 2007269595
Figure 2007269595

上記の評価結果から判るように、比較例の水素製造装置Z4に比べ、実施例1〜3、特に実施例2,3の水素製造装置は加熱、冷却のサイクルに対して強固な構造であることがわかる。   As can be seen from the above evaluation results, compared with the hydrogen production apparatus Z4 of the comparative example, the hydrogen production apparatuses of Examples 1 to 3, especially Examples 2 and 3, have a strong structure against the heating and cooling cycle. I understand.

本発明の水素製造装置は、水素燃料電池をはじめとして工業用の高純度水素製造用にも利用可能である。   The hydrogen production apparatus of the present invention can also be used for production of high-purity hydrogen for industrial use including hydrogen fuel cells.

図1は、本発明の水素製造装置の断面構造図の一例である。FIG. 1 is an example of a sectional structural view of a hydrogen production apparatus of the present invention. 図2は、本発明の水素製造装置の断面構造図の一例である。FIG. 2 is an example of a sectional structural view of the hydrogen production apparatus of the present invention. 図3は、本発明の水素製造装置の断面構造図の一例である。FIG. 3 is an example of a sectional structural view of the hydrogen production apparatus of the present invention. 図4は、本発明の水素製造装置を組み込んだ水素製造システムの断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a hydrogen production system incorporating the hydrogen production apparatus of the present invention. 図5は、従来の水素分離装置を組み込んだ水素分離システムの断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a hydrogen separation system incorporating a conventional hydrogen separation apparatus. 図6は、図1の構造に対応する多孔質支持体、密着層およびバリア層の断面電子顕微鏡写真(SEM)、並びにそのエネルギー分散型X線分析装置(EDS)の解析図である。図6(a)は電子顕微鏡写真、図6(b),図6(c),図6(d)はそれぞれNi,Zr,Y元素のEDSの解析図である。FIG. 6 is a cross-sectional electron micrograph (SEM) of the porous support, the adhesion layer, and the barrier layer corresponding to the structure of FIG. 1, and an analysis diagram of the energy dispersive X-ray analyzer (EDS). 6A is an electron micrograph, and FIGS. 6B, 6C, and 6D are analysis diagrams of EDS of Ni, Zr, and Y elements, respectively. 図7は、図3の構造に対応する多孔質支持体、密着層およびバリア層の断面電子顕微鏡写真(SEM)、並びにそのエネルギー分散型X線分析装置(EDS)の解析図である。図7(a)は電子顕微鏡写真、図7(b),図7(c),図7(d),図7(e)はそれぞれNi,Zr,Y,Mg元素のEDSの解析図である。FIG. 7 is a cross-sectional electron micrograph (SEM) of the porous support, the adhesion layer, and the barrier layer corresponding to the structure of FIG. 3, and an analysis diagram of the energy dispersive X-ray analyzer (EDS). FIG. 7A is an electron micrograph, and FIG. 7B, FIG. 7C, FIG. 7D, and FIG. 7E are analysis diagrams of EDS of Ni, Zr, Y, and Mg elements, respectively. .

符号の説明Explanation of symbols

1:水素製造装置, 2:多孔質支持体, 3,3a,3b:密着層,
4:バリア層, 4a:第1バリア層, 4b:第2バリア層,
5:水素透過膜, 7:外筒, 8:隔壁,
9:原料ガス流路, 10:製品ガス流路, 11:原料ガス入り口,
12:製品ガス出口, 13:オフガス出口, 14:メンブレンリアクタ,
15:水素分離装置, 16:水素分離システム
1: hydrogen production apparatus, 2: porous support, 3, 3a, 3b: adhesion layer,
4: barrier layer, 4a: first barrier layer, 4b: second barrier layer,
5: hydrogen permeable membrane, 7: outer cylinder, 8: partition wall,
9: Raw material gas flow path, 10: Product gas flow path, 11: Raw material gas inlet,
12: Product gas outlet, 13: Off-gas outlet, 14: Membrane reactor,
15: Hydrogen separator, 16: Hydrogen separation system

Claims (4)

多孔質支持体の表面に、密着層、バリア層、水素透過膜が順次形成されており、多孔質支持体は触媒金属成分を含み、水素透過膜は水素透過性金属を含み、バリア層は前記触媒金属成分を含まない層を有する多孔質層であり、密着層は多孔質支持体の熱膨張率とバリア層の熱膨張率との間の熱膨張率を持つ多孔質層である水素製造装置。   An adhesion layer, a barrier layer, and a hydrogen permeable membrane are sequentially formed on the surface of the porous support, the porous support contains a catalytic metal component, the hydrogen permeable membrane contains a hydrogen permeable metal, Hydrogen production apparatus comprising a porous layer having a layer not containing a catalytic metal component, and the adhesion layer being a porous layer having a thermal expansion coefficient between the thermal expansion coefficient of the porous support and the thermal expansion coefficient of the barrier layer . 多孔質支持体の表面に、密着層、バリア層、水素透過膜が順次形成されており、多孔質支持体は触媒金属成分を含み、水素透過膜は水素透過性金属を含み、バリア層は前記触媒金属成分を含まない層を有する多孔質層であり、密着層は多孔質支持体よりも少ない前記触媒金属成分を含む多孔質層である水素製造装置。   An adhesion layer, a barrier layer, and a hydrogen permeable membrane are sequentially formed on the surface of the porous support, the porous support contains a catalytic metal component, the hydrogen permeable membrane contains a hydrogen permeable metal, An apparatus for producing hydrogen, which is a porous layer having a layer not containing a catalytic metal component, and the adhesion layer is a porous layer containing a smaller amount of the catalytic metal component than a porous support. 密着層が複数の層からなり、バリア層に近い側の密着層の熱膨張率が、多孔質支持体に近い側の密着層の熱膨張率よりも小さい請求項1または2に記載の水素製造装置。   The hydrogen production according to claim 1 or 2, wherein the adhesion layer comprises a plurality of layers, and the thermal expansion coefficient of the adhesion layer near the barrier layer is smaller than the thermal expansion coefficient of the adhesion layer near the porous support. apparatus. 密着層中の熱膨張率が、密着層の多孔質支持体側からバリア層側に向かって連続的に減少している請求項1または2に記載の水素製造装置。   The hydrogen production apparatus according to claim 1 or 2, wherein the thermal expansion coefficient in the adhesion layer continuously decreases from the porous support side to the barrier layer side of the adhesion layer.
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