JP2008272605A

JP2008272605A - 水素透過膜およびその製造方法

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Publication number: JP2008272605A
Application number: JP2007115816A
Authority: JP
Inventors: Isao Ando; 勲雄安東
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-11-13

Abstract

【課題】安価で、生産性よく、水素を選択的に透過・分離する性能に優れ、膜厚が０．１〜５μｍの水素透過膜およびその製造方法を提供する。
【解決手段】基板（１）の上に、スパッタリング法により、順次、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第１表面層膜（２）を形成し、その上に、膜厚が０．１〜５μｍのＺｒ−Ｎｉ合金またはＮｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金からなる非晶質合金層膜（３）を形成し、さらに、その上に、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第２表面層膜（４）を形成させた後、基板（１）と第１表面層膜（２）との間を剥離させることにより、第１表面層膜／非晶質合金層膜／第２表面層膜からなる積層膜（５）を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含む混合ガスから水素を選択的に透過および分離する水素透過膜およびその製造方法に関する。

近年、深刻化している大気の環境の悪化を改善するための手段の一つとして、低公害エネルギーの利用が求められてきており、それに伴って、新しい低公害エネルギーの開発が進められている。このような低公害エネルギーの一つとして、水素を使用したエンジンあるいは燃料電池がある。これらの装置において燃料として使用する水素を効率よく安価に製造することが、この低公害エネルギーの普及に役立つことになる。

水素を精製する方法としては、選択的に水素のみを透過させる水素透過膜を使用することにより、水素を含む混合ガスから水素を分離する水素分離法が知られている。特に、パラジウム（Ｐｄ）は、常温で約９００倍の体積の水素を原子として吸収することができるため、従来から水素透過膜として広く利用されてきている。

Ｐｄ膜を利用した水素ガスの分離・精製のプロセスについて、以下に示す。

炭化水素燃料などを改質することにより改質ガスを得て、得られた改質ガスである混合ガスを所定温度で加圧して、ＰｄまたはＰｄ合金の薄膜の一方側に供給し、一定の温度まで加熱すると、膜表面に接触している水素分子が原子状に解離し、Ｐｄと固溶体を形成して膜内に取り込まれる。このとき、混合ガスに含有する多くの不純物や、水素以外のガス成分は、Ｐｄと反応しないため、ＰｄまたはＰｄ合金の薄膜内に取りこまれることなく、薄膜の一方側に残存する。

このように、ＰｄまたはＰｄ合金に取り込まれ、吸蔵された水素原子は、薄膜の両側に設定した水素の分圧の差によって生じた膜厚方向の水素吸蔵量の差によって、水素吸蔵量が多い一方側から、水素吸蔵量が少ない他方側へ拡散し、他方側の膜表面で再び水素分子になる。

このようにして、改質ガスから水素ガスを選択的に分離することができ、完全に精製される。精製後の水素純度は、７Ｎ（９９．９９９９９％）以上あり、通常は、投入された水素の９５％以上を精製できるといわれている。

このように、水素を選択的に透過・分離する水素透過膜は、従来から、半導体用のシリコン製造工程などにおいて、高純度水素の精製装置に使用されている。また、近年では、低公害エネルギーとしても注目されている燃料電池において、その燃料に用いる水素ガスの精製・分離装置への適用も検討されている。

水素透過膜の水素透過流量Ｊ（ｍｏｌＨ₂・ｍ^-2・ｓｅｃ^-1）は、水素透過係数φ（ｍｏｌＨ₂・ｍ^-1・ｓｅｃ^-1・Ｐａ^-0.5）、加圧側の水素分圧Ｐｈ（Ｐａ）、透過側の水素分圧Ｐｌ（Ｐａ）、および水素透過膜の膜厚ｄ（ｍ）を用いて、次式のように表される。

Ｊ＝φ・（Ｐｈ^0.5−Ｐｌ^0.5）／ｄ

この式から、膜厚ｄが薄いほど、水素透過流量Ｊが増加することが理解される。例えば、温度を４００℃、加圧側の水素分圧を０．２ＭＰａ、透過側の水素分圧を常圧とした条件で、膜厚が２０μｍであるＰｄ膜の水素透過流量Ｊが２０ｍＬ／ｍｉｎ・ｃｍ²であった場合、膜厚を１／２０の１μｍにすると、水素透過流量Ｊは、２０倍の４００ｍＬ／ｍｉｎ・ｃｍ²まで増加する。ここで、Ｐｄの使用量は膜厚に比例するので、Ｐｄの使用量は１／２０となる。このため、膜厚を薄くすることは、水素透過膜の水素透過性および材料費の両面から有利である。

以上に示したＰｄ系水素透過膜は、高価な材料であるので、安価な材料として、Ｐｄ系の合金以外にも、以下の文献に示すようにいろいろな種類の合金を用いて作製した水素透過合金膜が存在する。

例えば、特許文献１には、ニッケル（Ｎｉ）またはコバルト（Ｃｏ）を含有するバナジウム（Ｖ）合金からなる水素透過膜が記載されている。この水素透過膜は、結晶質金属材料であって、アーク熔解法で厚さ１ｍｍのＶ−Ｎｉ系合金膜を形成し、その表面にパルスメッキ法で厚さ約１０ｎｍのＰｄを被覆することにより得られる。しかしながら、圧延法で膜化しようとすると、ピンホールや膜の破損が生じて、２０μｍ以下まで薄くするのは困難である。さらに、水素脆化して割れやすいという問題がある。

これに対して、本出願人は、特許文献２において、基板上に、スパッタリング法を利用して、順次、Ｐｄ膜、５Ａ族金属およびＣｕの合金膜、さらにその上にＰｄ膜を形成させた後、基板から、Ｐｄ膜／合金膜／Ｐｄ膜からなる積層膜を剥離することにより得られる、膜厚が０．５〜５０μｍ程度の水素透過膜を、提案している。しかしながら、水素脆化しやすいというという問題がある。

非特許文献１によれば、非晶質材料は、結晶質の材料に比べて水素脆化を起こし難いことが知られており、以下に示す非晶質の水素透過膜が提案されている。

特許文献３には、液体急冷法を用いて得られ、非晶質ジルコニウム−ニッケル（Ｚｒ−Ｎｉ）系合金からなる水素透過膜が記載されている。この水素透過膜は、液体急冷法で、厚さが３０〜４０μｍのＺｒ−Ｎｉ系合金のリボン状非晶質膜とすることにより得られる。

さらに、特許文献４では、液体急冷法により得られ、アモルファス結晶構造を有するニオブ（Ｎｂ）合金からなる厚さが３０μｍ程度の水素透過膜が提案されている。

このように液体急冷法を用いれば、水素脆化に強いとされる非晶質の水素透過膜材料を、膜厚３０μｍに膜化することができる。しかしながら、液体急冷法では、膜厚５μｍ以下の薄膜を作製しようとすると、多量のピンホールが発生したり、破損したりするため、安定して膜を製造することが困難になるという問題がある。
特許第１９４６４３８号公報特開２００６−７２２号公報特許第３０７９２２５号公報特開２００４−４２０１７号公報山浦真一、木村久道、井上明久、「金属ガラスと水素」、「金属」、株式会社アクネ技術センター、Ｖｏｌ．７５（２００５）Ｎｏ．１，Ｐ．４８

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて、安価で、かつ、生産性よく、水素を選択的に透過・分離する性能に優れ、膜厚が０．１〜５μｍの水素透過膜およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る水素透過膜は、膜厚が０．１〜５μｍの非晶質合金層膜の両側に、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる表面層膜が形成されていることを特徴とする。

前記非晶質合金層膜は、非晶質のＺｒ−Ｎｉ合金または非晶質のＮｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金により形成されていることが好ましい。

本発明に係る水素透過膜は、スパッタリング法を用いて、基板上に、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第１表面層膜を形成し、その上に、膜厚が０．１〜５μｍの非晶質合金層膜を形成し、さらにその上に、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第２表面層膜を形成させた後、基板と第１表面層膜との間を剥離させることにより、第１表面層膜／非晶質合金層膜／第２表面層膜からなる積層膜である水素透過膜を得ることにより、製造される。

前記基板として、ガラス、酸化物もしくは窒化物を被覆したガラス、酸化物もしくは窒化物を被覆したシリコンウエハー、酸化物もしくは窒化物を被覆した金属、および、樹脂からなる群から選ばれる１種を用いることができる。

本発明によれば、水素を透過・分離する性能に優れ、膜厚が薄い水素透過膜を、安価で、かつ、生産性よく、得ることができ、得られた水素透過膜を水素ガスの精製・分離装置に適用することで、エンジンや燃料電池の燃料として用いる水素を効率良く得ることが可能となり、工業的な価値は大きい。

本発明の水素透過膜は、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第１表面層膜と、その上に形成され、膜厚が０．１〜５μｍの非晶質合金層膜と、さらにその上に形成され、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第２表面層膜とからなる。

非晶質合金層膜は、ＰｄまたはＰｄ合金の代替材料として知られ、液体急冷法で非晶質化が可能な材料であって、水素透過・分離性能を有するＺｒ−Ｎｉ合金、Ｎｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金、Ｎｂ−Ｚｒ−Ｎｉ−Ｔｉ合金などから選択することができ、また、これらの代替材料も用いることができる。液体急冷法による非晶質化が困難な材料では、靱性が不足して水素脆化を生じやすい。

また、非晶質合金層膜の表面は、水素分子の解離および再結合触媒能が不十分であるために、非晶質合金層膜が単独では、実質的に水素原子が浸入できず、水素透過性能が得られない。これに対して、ＰｄまたはＰｄ合金は、良好な触媒能を有するので、本発明においては、非晶質合金層膜の両表面に、膜厚が０．０１〜０．１μｍであるＰｄまたはＰｄ合金からなる表面層膜を形成する。

非晶質合金層膜は、膜厚が０．１〜５μｍであることが好ましい。膜厚が厚いと水素透過流量が減少するばかりでなく、製造コストが増加してしまうので、膜厚が５μｍ以下であることが必要である。また、水素透過性能上、膜厚が薄いほど水素透過量が増加するので、膜厚が薄いほど好ましい。ただし、非晶質合金層膜の膜厚を０．１μｍより薄くすると、機械的強度が不足し、基板から剥離することが困難になったり、破損しやすくなったりするので、０．１μｍ以上の膜厚が必要である。

第１表面層膜または第２表面層膜を形成するＰｄまたはＰｄ合金の膜は、一方において、水素が非晶質合金層膜の中へ溶け込むための触媒性能を有し、他方において、水素ガス分子として再結合させるための触媒性能を有する。また、非晶質合金層膜が酸化して劣化するのを防止するバリア性能を有する。

第１表面層膜または第２表面層膜を形成する材料としては、純Ｐｄのほか、Ａｇ、Ｃｕ、Ｙまたは希土類元素などを含むＰｄ合金から適宜選択して用いることができる。

第１表面層膜または第２表面層膜は、膜厚が０．０１〜０．１μｍであることが好ましい。第１表面層膜または第２表面層膜の膜厚が厚いと、製造コストが増加してしまうので、膜厚は０．１μｍ以下であることが好ましい。一方、第１表面層膜または第２表面層膜の膜厚が０．０１μｍ未満になると、バリア性能が不十分となるため、好ましくない。

また、基板上に第１表面層膜を施さないで、非晶質合金層膜を直接に基板上に形成すると、非晶質合金層膜と基板の密着力が強すぎて、積層膜を基板から剥がすことが困難となる。

本発明に係る水素透過膜を得るための製造方法は、次の通りである。すなわち、基板上に、スパッタリング法により、順次、ＰｄまたはＰｄ合金からなる第１表面層膜を形成し、その上に、Ｚｒ−Ｎｉ合金またはＮｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金からなる非晶質合金層膜を形成し、さらにその上に、ＰｄまたはＰｄ合金からなる第２表面層膜を形成させた後、基板と第１表面層膜との間を剥離することにより、第１表面層膜／非晶質合金層膜／第２表面層膜からなる積層膜である水素透過膜を得る。

水素透過膜の製造方法の一実施例について、図１に説明図を示す。

まず、（Ａ）基板（１）をスパッタリング装置内にセットし、（Ｂ）基板（１）の上に、スパッタリング法により、ＰｄまたはＰｄ合金からなる第１表面層膜（２）を形成し、（Ｃ）その上に、Ｚｒ−Ｎｉ合金またはＮｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金からなる非晶質合金層膜（３）を形成し、（Ｄ）さらにその上に、ＰｄまたはＰｄ合金からなる第２表面層膜（４）を形成させ、（Ｅ）その後、第１表面層膜（２）／非晶質合金層膜（３）／第２表面層膜（４）からなる積層膜（５）を基板（１）から剥離する。

非晶質合金層膜を形成する場合において、Ｚｒ−Ｎｉ合金またはＮｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金ターゲットをスパッタリングしてもよいし、あるいは、これらの合金の主成分の金属ターゲットと第２成分および第３成分の金属ターゲットを同時にスパッタリングしてもよい。また、非晶質合金層膜を得るために使用するターゲットは、非晶質である必要はなく、市販の金属ターゲットを使用することができる。

基板としては、ガラス、酸化物もしくは窒化物を被覆したガラス、酸化物もしくは窒化物を被覆したシリコンウエハー、酸化物もしくは窒化物を被覆した金属、および、樹脂から、適宜選択して使用することができる。このうち、ガラスからなる基板は、比較的均一に成膜が可能であり、かつ、成膜後に水素透過膜を剥離しやすいので好ましい。

基板から剥離させて得た本発明の水素透過膜は、通気性多孔質支持体で支えるなどして使用する。通気性多孔質支持体は、ステンレス鋼（ＳＵ３１６）などの金属粒子を焼結したもの、あるいは、アルミナなどの多孔質セラミックスでも可能である。金属製の通気性多孔質支持体の場合は、通気性多孔質支持体の表面にアルミナなどの熱拡散防止層を施す必要がある。

（実施例１）
スパッタリング装置（ＵＬＶＡＣ社製、ＳＢＨ２３０６ＲＤＥ）に、Ｐｄ、Ｚｒ、Ｎｉの３つのターゲットを取り付け、基板ホルダーに、５６×７６ｍｍクラウンガラス基板を取りつけて、５×１０^-4Ｐａ以下まで真空排気した。そして、Ａｒガスを該スパッタリング装置内に導入して、Ａｒガスの圧力を１Ｐａにするとともに、ＰｄターゲットにＤＣ１．０Ａのスパッタ電流を投入して、基板上にＰｄ膜を０．０５μｍ形成した。

続いて、ＺｒとＮｉターゲットにそれぞれＤＣ１．０ＡとＤＣ１．３Ａのスパッタ電流を同時に投入して、Ｐｄ膜の上に、Ｚｒ−Ｎｉ非晶質合金層膜を０．８μｍ形成した。

再び、Ｐｄターゲットに、ＤＣ１．０Ａのスパッタ電流を投入して、Ｚｒ−Ｎｉ非晶質合金層膜の上に、Ｐｄ膜を０．０５μｍ形成した。

前記成膜が終了した後、大気中において、クラウンガラス基板から、得られたＰｄ／Ｚｒ−Ｎｉ／Ｐｄの積層膜を剥離させて、水素透過膜を得た。

得られた水素透過膜をＸ線回折（ＸＲＤ）分析した結果、表面層膜であるＰｄのピーク以外は、ブロードな回折パターンであることから、得られた水素透過膜中のＺｒ−Ｎｉ合金膜は、非晶質であった。また、得られた水素透過膜中のＺｒ−Ｎｉ合金膜の組成をＩＣＰ−ＡＥＳ（誘導プラズマ発光分光分析：Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy）で分析した結果、Ｎｉが６８ａｔ％含有され、残りがＺｒからなる合金であった。

得られた水素透過膜を直径１０ｍｍに切り出した。切り出した水素透過膜を、表面が予めアルミナで０．２μｍコーティングされ、熱拡散を防止した直径１１ｍｍのステンレス製多孔質支持体の表面に重ねて、本発明者が作製した水素透過測定装置の直径８ｍｍの本体部に取り付け、水素ガスの温度を３００℃とし、上流側水素ガス圧０．１ＭＰａ、透過側水素ガス圧は常圧として、透過水素流量をマスフローメーター（日本アエラ株式会社製、ＦＭ−３９０）で測定した。得られた透過水素流量を、単位面積（１ｍ²）の水素透過膜を単位時間あたりに透過する水素の量に換算し、さらに、標準状態での体積に換算した値（ＮＬ／（ｍｉｎ・ｍ^-2））で評価した。得られた透過水素流量は、２９０ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ²であった。

（実施例２）
基板をクラウンガラス製から熱酸化皮膜付きシリコンウエハー製に代えて、該基板の上に、膜厚０．０２μｍのＰｄ膜／膜厚０．４μｍＺｒ−６８Ｎｉ膜／膜厚０．０２μｍのＰｄ膜からなる積層膜を形成したこと以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。その後、実施例１と同様に、得られた水素透過膜の透過水素流量をマスフローメーターで測定したところ、透過水素流量は、５７３ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ²であった。

（実施例３）
基板をクラウンガラス製からポリイミドフィルム製に代えて、非晶質合金層膜の材料として、Ｚｒ−３６Ｎｉを用い、膜厚０．０８μｍのＰｄ膜／膜厚４．０μｍのＺｒ−３６Ｎｉ膜／膜厚０．０８μｍのＰｄ膜からなる積層膜を形成したこと以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。その後、実施例１と同様に、得られた水素透過膜の透過水素流量をマスフローメーターで測定したところ、透過水素流量は、１４３ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ²であった。

（実施例４）
基板をクラウンガラス製から、あらかじめアルミナを０．２μｍ被覆したアルミニウム製に代えて、表面層膜の材料として、Ｐｄの代わりにＰｄ−２３Ａｇ合金を用いて、膜厚０．０５μｍのＰｄ−２３Ａ合金膜／膜厚０．８μｍのＺｒ−６８Ｎｉ膜／膜厚０．０５μｍのＰｄ−２３Ａ合金膜からなる積層膜を形成したこと以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。その後、実施例１と同様に、得られた水素透過膜の透過水素流量をマスフローメーターで測定したところ、透過水素流量は、２９５ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ²であった。

（実施例５）
非晶質合金層膜の材料として、Ｚｒ−６８Ｎｉの代わりにＮｂ−２９Ｚｒ−４２Ｎｉを用い、膜厚０．０５μｍのＰｄ膜／膜厚２．０μｍのＮｂ−２９Ｚｒ−４２Ｎｉ膜／膜厚０．０５μｍのＰｄ膜からなる積層膜を形成したこと以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。その後、実施例１と同様に、得られた水素透過膜の透過水素流量をマスフローメーターで測定したところ、透過水素流量は、７８５ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ²であった。

（実施例６）
基板をクラウンガラス製から、あらかじめアルミナを０．２μｍ被覆したアルミニウム製に代えて、表面層膜の材料として、Ｐｄの代わりにＰｄ−２３Ａｇ合金を用い、非晶質合金層膜の材料として、Ｚｒ−６８Ｎｉの代わりにＮｂ−２９Ｚｒ−４２Ｎｉを用いて、膜厚０．０８μｍのＰｄ−２３Ａｇ膜／膜厚４．０μｍのＮｂ−２９Ｚｒ−４２Ｎｉ膜／膜厚０．０８μｍのＰｄ−２３Ａｇ膜からなる積層膜を形成したこと以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。その後、実施例１と同様に、得られた水素透過膜における透過水素流量をマスフローメーターで測定したところ、透過水素流量は、３９６ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ²であった。

（比較例１）
非晶質合金層であるＺｒ−６８Ｎｉ膜の上に、第２表面層膜としてＰｄ膜を形成しなかったこと以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。その後、実施例１と同様に、得られた水素透過膜の透過水素流量をマスフローメーターで測定した。しかし、比較例１の水素透過膜からは透過水素ガスを検出できなかった。

（比較例２）
膜厚０．０２μｍのＰｄ膜／膜厚０．０５μｍのＺｒ−６８Ｎｉ膜／膜厚０．０２μｍのＰｄ膜からなる積層膜を形成したこと以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。しかしながら、水素透過膜をガラス基板から剥離することができなかった。

（比較例３）
基板上に、第１表面層膜としてＰｄ膜を形成せずに、直接、非晶質合金層膜としてＺｒ−６８Ｎｉ膜を形成した以外、実施例１と同様に行い、水素透過膜を得た。しかしながら、水素透過膜をガラス基板から剥離することができなかった。

表１に示すように、本発明の範囲に属する実施例１〜６の水素透過膜は、１４３〜７８５ＮＬ／ｍｉｎ／ｍ²の水素ガスを透過した。したがって、本発明に係る水素透過膜は、水素ガスの精製・分離に有用であると考えられる。

これに対し、非晶質合金層膜上にＰｄを形成しない比較例１の水素透過膜を用いた場合には、透過する水素ガスを検出できなかった。また、非晶質合金層膜の膜厚が本発明の０．１〜５μｍを満たさない比較例２の水素透過膜を用いた場合には、基板から水素透過膜を剥離することができなかったが、非晶質合金層膜の機械的強度が不足していたためと考えられる。さらに、基板上に直接、非晶質合金層膜を形成した比較例３の水素透過膜を用いた場合には、基板から水素透過合金膜を剥離することができなかったが、非晶質合金層膜と基板の密着力が強すぎたためと考えられる。

本発明の水素透過膜の製造方法の一実施例について、示した説明図である。

符号の説明

１基板
２第１表面層膜
３非晶質合金層膜
４第２表面層膜
５積層膜

Claims

膜厚が０．１〜５μｍの非晶質合金層膜の両側に、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる表面層膜が形成されていることを特徴とする水素透過膜。
前記非晶質合金層膜が、非晶質のＺｒ−Ｎｉ合金または非晶質のＮｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金からなる請求項１に記載の水素透過膜。
スパッタリング法を用いて、基板上に、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第１表面層膜を形成し、その上に、膜厚が０．１〜５μｍの非晶質合金層膜を形成し、さらにその上に、膜厚が０．０１〜０．１μｍのＰｄまたはＰｄ合金からなる第２表面層膜を形成させた後、基板と第１表面層膜との間を剥離させることにより、第１表面層膜／非晶質合金層膜／第２表面層膜からなる積層膜である水素透過膜を得ることを特徴とする水素透過膜の製造方法。
前記非晶質合金層膜の材料として、Ｚｒ−Ｎｉ合金またはＮｂ−Ｚｒ−Ｎｉ合金を用いる請求項３に記載の水素透過膜の製造方法。
前記基板が、ガラス、酸化物もしくは窒化物を被覆したガラス、酸化物もしくは窒化物を被覆したシリコンウエハー、酸化物もしくは窒化物を被覆した金属、および、樹脂からなる群から選ばれる１種であることを特徴とする請求項３に記載の水素透過膜の製造方法。