JP2009011978A - Hydrogen separator and manufacturing method of the same - Google Patents
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Description
本発明は水素分離体及びその製造方法に関し、更に詳しくは、耐久性の向上した水素分離体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen separator and a method for producing the same, and more particularly to a hydrogen separator having improved durability and a method for producing the same.
従来、多成分混合ガスから特定のガス成分のみを得る方法として、有機物質又は無機物質から構成されるガス分離膜を用いた膜分離方法が知られている。膜分離方法に用いられる分離膜のうち水素分離膜としては、ポリイミドやポリスルホンなどの有機高分子膜及びパラジウム又はパラジウム合金等の無機化合物膜がある。パラジウム又はパラジウム合金膜は耐熱性を有し、また極めて高純度の水素を得ることができる。 Conventionally, as a method for obtaining only a specific gas component from a multi-component mixed gas, a membrane separation method using a gas separation membrane composed of an organic substance or an inorganic substance is known. Among the separation membranes used in the membrane separation method, examples of the hydrogen separation membrane include organic polymer membranes such as polyimide and polysulfone, and inorganic compound membranes such as palladium and palladium alloys. The palladium or palladium alloy film has heat resistance, and extremely high purity hydrogen can be obtained.
このような高純度の水素ガスを得ることができる水素分離膜を有する装置として、多孔質支持体と、少なくともその一の面上に、水素分離能を有する金属で被膜形成された水素分離膜とを備えた水素分離体が知られている(例えば、特許文献1参照)。水素分離能を有する金属は、多孔質支持体の表面に開いている小孔の内部にも充填され、この小孔を閉塞している。特許文献1で開示された水素分離体においては、水素分離膜を貫通している欠陥を少なくすることで高純度の水素を分離している。 As an apparatus having a hydrogen separation membrane capable of obtaining such a high-purity hydrogen gas, a porous support, and a hydrogen separation membrane having a film formed of a metal having hydrogen separation capability on at least one surface thereof, There is known a hydrogen separator provided with (for example, see Patent Document 1). The metal having hydrogen separation ability is also filled in the small holes opened on the surface of the porous support and closes the small holes. In the hydrogen separator disclosed in Patent Document 1, high purity hydrogen is separated by reducing defects penetrating the hydrogen separation membrane.
しかしながら、特許文献1で開示された製造方法に従い水素分離膜を形成しても、形成された膜を熱処理して水素分離体を製造すると、この水素分離体を用いて得られる水素純度が低いという問題点があった。 However, even if the hydrogen separation membrane is formed according to the manufacturing method disclosed in Patent Document 1, if the hydrogen separator is manufactured by heat-treating the formed membrane, the hydrogen purity obtained using the hydrogen separator is low. There was a problem.
このような問題点を解消すべく、その膜厚が1〜30μmであり、その表面に0.010個/cm2以下の欠陥を有する水素分離膜を備えた水素分離体が開示されている(例えば、特許文献2参照)。しかしながら、水素分離膜からのリーク量の増大は、欠陥の大きさが大きいほど大きくなるため、欠陥密度の低減だけでは、長期の使用において水素純度を維持することが困難であるという問題点があった。 In order to solve such problems, a hydrogen separator having a thickness of 1 to 30 μm and a hydrogen separation membrane having defects of 0.010 / cm 2 or less on its surface is disclosed ( For example, see Patent Document 2). However, the increase in the amount of leakage from the hydrogen separation membrane increases as the size of the defect increases. Therefore, it is difficult to maintain the hydrogen purity in long-term use only by reducing the defect density. It was.
水素分離体を用いた際の透過水素純度は、水素分離膜に存在する欠陥からの水素以外のガスのリーク量に依存し、使用している間に、欠陥部分からのリーク量が増大することで低下していく。このリーク量の増大は、欠陥の大きさが大きいほど、すなわち初期のリーク量が多いほど大きい。この問題を解消すべく、例えば前記水素分離膜を厚くすることが考えられる。しかしながら、これは同時に水素透過速度が低下するという問題が生じる。 The permeated hydrogen purity when using a hydrogen separator depends on the leak amount of gas other than hydrogen from defects existing in the hydrogen separation membrane, and the leak amount from the defect portion increases during use. It will drop at. The increase in the leak amount is larger as the defect size is larger, that is, as the initial leak amount is larger. In order to solve this problem, for example, it is conceivable to increase the thickness of the hydrogen separation membrane. However, this causes a problem that the hydrogen permeation rate is lowered at the same time.
そこで、本発明の目的は、実用的な水素透過速度が維持されるとともに、優れた耐久性を有する水素分離体及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a hydrogen separator having a high durability while maintaining a practical hydrogen permeation rate and a method for producing the same.
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、水素分離膜が薄い場合においても、水素分離膜に不可避的に形成される欠陥が所定の特性を示すことによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned problems, the present inventors have achieved the above-mentioned problems by the fact that defects inevitably formed in the hydrogen separation film exhibit predetermined characteristics even when the hydrogen separation film is thin. As a result, the present invention has been completed.
即ち、本発明によれば、以下に示す、耐久性の向上した水素分離体及びその製造方法が提供される。 That is, according to the present invention, the following hydrogen separator having improved durability and a method for producing the same are provided.
[1]多孔質支持体と、前記多孔質支持体の少なくとも一の面上に配設された水素分離膜とを備え、前記水素分離膜が、一方の膜面側に0.9MPaの圧力でHeガスを供給した場合における、他方の膜面側から漏出するHeガスが、一個当たり平均0.5ml/min以下の欠陥を有する水素分離体。 [1] A porous support, and a hydrogen separation membrane disposed on at least one surface of the porous support, the hydrogen separation membrane at a pressure of 0.9 MPa on one membrane surface side A hydrogen separator in which the He gas leaked from the other membrane surface side when the He gas is supplied has defects of 0.5 ml / min or less on average per piece.
[2]前記多孔質支持体が、セラミックスで構成される[1]に記載の水素分離体。 [2] The hydrogen separator according to [1], wherein the porous support is made of ceramics.
[3]前記水素分離膜が、水素透過性金属又は水素透過性金属を含有する合金から構成される膜である[1]又は[2]に記載の水素分離体。 [3] The hydrogen separator according to [1] or [2], wherein the hydrogen separation membrane is a membrane made of a hydrogen permeable metal or an alloy containing a hydrogen permeable metal.
[4]前記水素透過性金属が、パラジウムである[3]に記載の水素分離体。 [4] The hydrogen separator according to [3], wherein the hydrogen permeable metal is palladium.
[5]前記水素分離膜の膜厚が、0.5〜10μmである[1]〜[4]のいずれかに記載の水素分離体。 [5] The hydrogen separator according to any one of [1] to [4], wherein the hydrogen separation membrane has a thickness of 0.5 to 10 μm.
[6]多孔質支持体の少なくとも一の面上に、クリーン度100,000以下の環境下で水素分離膜を形成する水素分離体の製造方法。 [6] A method for producing a hydrogen separator, wherein a hydrogen separation membrane is formed on at least one surface of a porous support in an environment having a cleanness of 100,000 or less.
本発明の水素分離体は、実用的な水素透過速度が維持されるとともに、優れた耐久性を有する水素分離膜を備えているといった効果を奏するものである。 The hydrogen separator of the present invention has an effect that a practical hydrogen permeation rate is maintained and a hydrogen separation membrane having excellent durability is provided.
また、本発明の水素分離体の製造方法によれば、実用的な水素透過速度が維持されるとともに、優れた耐久性を有する水素分離膜を備えた水素分離体を製造することができる。 Moreover, according to the method for producing a hydrogen separator of the present invention, a hydrogen separator having a hydrogen separation membrane having excellent durability while maintaining a practical hydrogen permeation rate can be produced.
以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiment, and is based on the ordinary knowledge of those skilled in the art without departing from the gist of the present invention. It should be understood that modifications and improvements as appropriate to the following embodiments also fall within the scope of the present invention.
本発明の水素分離体は、多孔質支持体と、この多孔質支持体の少なくとも一の面上に水素分離膜を有するものである。以下、本発明に係る水素分離体の構成要素について詳細に説明する。 The hydrogen separator of the present invention has a porous support and a hydrogen separation membrane on at least one surface of the porous support. Hereinafter, the components of the hydrogen separator according to the present invention will be described in detail.
(I)多孔質支持体:
本発明の水素分離体は、多孔質支持体と、この多孔質支持体の少なくとも一の面上に水素分離膜とを有するものである。多孔質支持体があることで、水素分離膜を薄膜にした場合であっても、多孔質支持体に支えられてその形状が維持されるため、破損等を防止することが可能となる。
(I) Porous support:
The hydrogen separator of the present invention has a porous support and a hydrogen separation membrane on at least one surface of the porous support. Due to the presence of the porous support, even when the hydrogen separation membrane is made into a thin film, it is supported by the porous support and its shape is maintained, so that it is possible to prevent damage and the like.
水素分離体の多孔質支持体は、特に限定されるものではなく、従来公知の水素分離体に用いられる多孔質支持体を好適に用いることができる。例えば、セラミックス、金属、セラミックスと金属の複合体等がある。なお、本実施形態の水素分離体においては、多孔質支持体はセラミックスを主成分とするものが好ましい。これは耐熱性、耐食性に優れ、水素分離体の機械的強度を高めることができるからである。 The porous support body of a hydrogen separator is not specifically limited, The porous support body used for a conventionally well-known hydrogen separator can be used suitably. For example, there are ceramics, metal, a composite of ceramics and metal, and the like. In the hydrogen separator of this embodiment, the porous support is preferably composed mainly of ceramics. This is because it is excellent in heat resistance and corrosion resistance, and can increase the mechanical strength of the hydrogen separator.
セラミックスの種類としては特に限定されるものではなく、水素分離体として一般的に使用されるセラミックスのいずれでも用いることが可能である。例えば、アルミナ、チタニア、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニアといったものがある。なお、セラミックス以外の成分として、不可避的に含有される成分や、通常添加されるような成分を少量含有してもよい。また、多孔質支持体をその目的に応じ、例えば熱膨張率を調整すべく、二種類以上のセラミックスや、セラミックスと金属とを複合した材料によって構成することも好ましい。 The type of ceramic is not particularly limited, and any ceramic generally used as a hydrogen separator can be used. Examples include alumina, titania, silica, silica-alumina, mullite, cordierite, and zirconia. In addition, as components other than ceramics, a small amount of components inevitably contained or components that are usually added may be contained. Moreover, it is also preferable that the porous support is composed of two or more kinds of ceramics or a composite material of ceramics and metal in order to adjust, for example, the coefficient of thermal expansion.
多孔質支持体は、表面に三次元状に連続した多数の微細な小孔を有する。この小孔の孔径は、0.003〜2μmであることが好ましく、0.1〜1μmであることがさらに好ましい。孔径が0.003μm未満であると、水素が通過するときの抵抗が大きくなる場合がある。一方、孔径が2μm超であると、水素分離膜を形成するときに、水素透過性金属により小孔を閉塞し難くなり、気密性が低下する場合がある。 The porous support has a large number of small pores that are three-dimensionally continuous on the surface. The hole diameter of the small holes is preferably 0.003 to 2 μm, and more preferably 0.1 to 1 μm. If the pore diameter is less than 0.003 μm, the resistance when hydrogen passes may increase. On the other hand, when the pore diameter is more than 2 μm, when forming the hydrogen separation membrane, it is difficult to close the small holes with the hydrogen permeable metal, and the airtightness may be lowered.
また、前記小孔は、その孔径が揃っていることが好ましい。このことにより、水素分離膜を形成するときに、水素透過性金属によって閉塞されない小孔が生じて気密性が低下してしまうという問題を回避できる。 The small holes preferably have the same hole diameter. As a result, when forming the hydrogen separation membrane, it is possible to avoid the problem that small holes that are not blocked by the hydrogen permeable metal are generated and the airtightness is lowered.
(II)水素分離膜:
本発明の水素分離体は、多孔質支持体と、この多孔質支持体の少なくとも一の面上に配設される水素分離膜とを有するものである。水素分離膜があることで、目的とする高純度の水素の分離が可能となる。
(II) Hydrogen separation membrane:
The hydrogen separator of the present invention has a porous support and a hydrogen separation membrane disposed on at least one surface of the porous support. The presence of the hydrogen separation membrane makes it possible to separate the target high-purity hydrogen.
水素分離膜は、水素を選択的に透過させるものであれば、特に限定されるものではなく、水素に対する選択的透過能を有する金属又は合金から構成される水素分離膜が好ましい。水素選択的透過能を有する金属又は合金としては、例えば、パラジウム(Pd)、タンタル(Ta)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)等の金属、又はこれらを主成分とする合金、及び金属ガラス等がある。 The hydrogen separation membrane is not particularly limited as long as it selectively permeates hydrogen, and a hydrogen separation membrane composed of a metal or an alloy having a selective permeability to hydrogen is preferable. Examples of the metal or alloy having hydrogen-selective permeability include, for example, metals such as palladium (Pd), tantalum (Ta), niobium (Nb), and vanadium (V), or alloys containing these as a main component, and metal glass. Etc.
水素分離膜は、パラジウム又はパラジウムを含有する合金から形成されることが更に好ましい。パラジウムは水素を固溶して透過させる性質を有する。パラジウムを含有する合金としては、パラジウムと銀との合金又はパラジウムと銅との合金が好ましい。パラジウムと銀又は銅とを合金化することにより、パラジウムの水素劣化が防止され、高温時における水素の分離効率が向上するといった効果がある。 More preferably, the hydrogen separation membrane is formed from palladium or an alloy containing palladium. Palladium has the property of allowing hydrogen to dissolve and permeate. As the alloy containing palladium, an alloy of palladium and silver or an alloy of palladium and copper is preferable. By alloying palladium and silver or copper, there is an effect that hydrogen degradation of palladium is prevented and hydrogen separation efficiency at high temperatures is improved.
水素分離膜の膜厚は、0.5〜10μmであることが好ましく、1〜5μmであることが更に好ましく、1〜4μmであることが特に好ましい。0.5μm未満では、水素分離能が不十分な場合がある。一方、10μm超であると、膜厚が厚いために水素透過能が不十分な場合がある。 The thickness of the hydrogen separation membrane is preferably 0.5 to 10 μm, more preferably 1 to 5 μm, and particularly preferably 1 to 4 μm. If it is less than 0.5 μm, the hydrogen separation ability may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 10 μm, the hydrogen permeability may be insufficient due to the thick film thickness.
多孔質支持体の面上に水素分離膜を形成すると、その表面に不可避的な欠陥が生じる。水素分離膜の一方の膜面側に0.9MPaの圧力でHeガスを供給した場合における、欠陥1個当たりから生じるHeガスのリーク量の平均は、0.5ml/min以下であり、0.2ml/min以下であることが好ましく、0.05ml/min以下であることが更に好ましい。欠陥1個当たりから生じるHeガスのリーク量が0.5ml/min超であると、使用の度に水素分離膜にある欠陥部分からのリーク量が増加する割合が高くなるため、水素分離膜の耐久性が低下する場合がある。 When a hydrogen separation membrane is formed on the surface of the porous support, inevitable defects are generated on the surface. When He gas is supplied at a pressure of 0.9 MPa to one membrane surface side of the hydrogen separation membrane, the average amount of leak of He gas generated per defect is 0.5 ml / min or less. It is preferably 2 ml / min or less, and more preferably 0.05 ml / min or less. If the leak amount of He gas generated per defect exceeds 0.5 ml / min, the rate of increase in the leak amount from the defective portion in the hydrogen separation membrane increases every time it is used. Durability may be reduced.
また、欠陥から生じる単位面積あたりのHeガスのリーク量は、少ないほど透過水素純度が高くなるため好ましい。具体的には、単位面積あたりのHeガスのリーク量は、平均で0.05ml/min以下であることが好ましく、0.03ml/min以下であることが更に好ましく、0.01ml/min以下であることが特に好ましい。 Further, the smaller the amount of He gas leaked per unit area resulting from defects, the higher the permeated hydrogen purity. Specifically, the average leak amount of He gas per unit area is preferably 0.05 ml / min or less, more preferably 0.03 ml / min or less, and 0.01 ml / min or less. It is particularly preferred.
水素分離膜の表面に存在する欠陥1個当たりから生じるHeガスのリーク量の平均は次のようにして求める。まず、水素分離膜に存在する欠陥全体から生じるHeガスのリーク量を測定する。具体的には、水素分離膜の一方の面側に0.9MPaのHeガスを供給し、他方の面側に漏れてくるHeガスの量で測定する。次に、水素分離膜の表面に存在する欠陥の個数を測定する。具体的には水素分離膜の多孔質支持体に配設されていない面(一方の面)側から、0.3MPaのHeガスを供給した状態で膜全体を水中に浸漬し、他方の面側から漏れてくるHeガスの気泡発生箇所を数えることで測定する。測定した水素分離膜の表面に存在する欠陥全体から生じるHeガスのリーク量を、欠陥の個数で割ることによって、水素分離膜の表面に存在する欠陥1個当たりから生じるHeガスのリーク量を算出することができる。 The average of the leak amount of He gas generated from one defect existing on the surface of the hydrogen separation membrane is obtained as follows. First, a leak amount of He gas generated from all defects present in the hydrogen separation membrane is measured. Specifically, 0.9 MPa He gas is supplied to one side of the hydrogen separation membrane, and the amount of He gas leaking to the other side is measured. Next, the number of defects present on the surface of the hydrogen separation membrane is measured. Specifically, from the surface (one surface) side of the hydrogen separation membrane that is not disposed on the porous support, the entire membrane is immersed in water while supplying 0.3 MPa of He gas, and the other surface side It is measured by counting the bubble generation locations of the He gas leaking from. The amount of He gas leaked from one defect present on the surface of the hydrogen separation membrane is calculated by dividing the amount of He gas leak caused by the total defects present on the surface of the hydrogen separation membrane by the number of defects. can do.
本発明の水素分離体の製造方法は、クリーン度100,000以下、好ましくは10,000以下、更に好ましくは1,000以下の環境下で、多孔質支持体の少なくとも一の面上に水素分離膜を成膜する。これにより、水素分離膜の一方の膜面側に0.9MPaの圧力でHeガスを供給した場合に、他方の膜面側から漏出するHeガスが、欠陥一個当たり平均0.5ml/min以下である水素分離膜を有する水素分離体を得ることができる。 The method for producing a hydrogen separator according to the present invention comprises hydrogen separation on at least one surface of a porous support in an environment having a cleanness of 100,000 or less, preferably 10,000 or less, more preferably 1,000 or less. A film is formed. As a result, when He gas is supplied to one membrane surface side of the hydrogen separation membrane at a pressure of 0.9 MPa, the He gas leaking from the other membrane surface side is an average of 0.5 ml / min or less per defect. A hydrogen separator having a certain hydrogen separation membrane can be obtained.
本明細書にいう「クリーン度」とは、米国連邦規格Federal Standard 209D(FED−STD−209D)に基づき規定される、クリーンルーム内の清浄度を表す指標をいう。具体的には、1CF(1立方フィート=約28.3L)の空間内に存在する0.5μm以上の粒子の個数の上限値によって示される。 As used herein, “cleanness” refers to an index representing cleanliness in a clean room, which is defined based on the US Federal Standard Federal Standard 209D (FED-STD-209D). Specifically, it is indicated by the upper limit value of the number of particles of 0.5 μm or more existing in a space of 1 CF (1 cubic foot = about 28.3 L).
水素分離膜は、クリーン度100,000以下、好ましくは10,000以下、更に好ましくは1,000以下のクリーンルーム中で、例えば、めっき方法、スパッタリング方法、又は真空蒸着法等により成膜することによって、多孔質支持体の面上に形成することができる。また、パラジウムと銀又は銅との合金により構成される水素分離膜については、各金属膜を積層成膜後、不活性ガス中で加熱処理を行うことで多孔質支持体の面上に形成することができる。パラジウム合金で構成された水素分離膜は、金属劣化の抑制が可能であるため好ましい。 The hydrogen separation membrane is formed by, for example, a plating method, a sputtering method, or a vacuum deposition method in a clean room having a cleanness of 100,000 or less, preferably 10,000 or less, more preferably 1,000 or less. It can be formed on the surface of a porous support. In addition, a hydrogen separation membrane composed of an alloy of palladium and silver or copper is formed on the surface of the porous support by performing heat treatment in an inert gas after laminating each metal membrane. be able to. A hydrogen separation membrane made of a palladium alloy is preferable because metal degradation can be suppressed.
水素分離膜の成膜方法は、具体的には、高い水素透過性能を有する水素透過膜が容易に形成される点で、めっき方法を行うことが好ましい。めっき方法は、具体的には、無電解めっき法が挙げられる。無電解めっき法は、通常、活性化工程とめっき工程を含む。 Specifically, the hydrogen separation membrane is preferably formed by a plating method in that a hydrogen permeable membrane having high hydrogen permeation performance is easily formed. Specific examples of the plating method include an electroless plating method. The electroless plating method usually includes an activation process and a plating process.
まず、活性化工程について説明する。多孔質支持体の一の表面を活性化金属を含有する溶液に浸漬することにより、一の表面に活性化金属を含有する溶液を付着させた後、水洗する。パラジウムを活性化金属として用いるときには、例えば、塩化パラジウムの塩酸水溶液を用いることができる。次に、活性化金属を一の表面に付着させる。この方法としては、例えば、活性化金属としてパラジウムを用いる場合、多孔質支持体を塩化パラジウムの塩酸水溶液と塩化錫の塩酸水溶液に交互に浸漬することが好ましい。 First, the activation process will be described. After immersing one surface of the porous support in a solution containing an activated metal, the solution containing the activated metal is attached to one surface, and then washed with water. When palladium is used as the activation metal, for example, an aqueous hydrochloric acid solution of palladium chloride can be used. Next, an activated metal is deposited on one surface. As this method, for example, when palladium is used as the activation metal, it is preferable to immerse the porous support alternately in an aqueous hydrochloric acid solution of palladium chloride and an aqueous hydrochloric acid solution of tin chloride.
次に、めっき工程について説明する。活性化金属を一の表面に付着させた後に、多孔質支持体の一の表面側を、パラジウム2価イオンを含有する溶液に浸漬した後、還元処理を行うことで、活性化金属を核として、パラジウムが析出する。還元処理は、パラジウム2価イオンと還元剤を含有するめっき溶液に浸漬することにより行う。還元剤としては、具体的には、ヒドラジン、ジメチルアミンボラン、ホスフィン酸ナトリウム、ホスホン酸ナトリウム等を挙げることができる。 Next, the plating process will be described. After attaching the activated metal to one surface, after immersing one surface side of the porous support in a solution containing palladium divalent ions, a reduction treatment is performed, and the activated metal is used as a nucleus. , Palladium is deposited. The reduction treatment is performed by immersing in a plating solution containing divalent palladium ions and a reducing agent. Specific examples of the reducing agent include hydrazine, dimethylamine borane, sodium phosphinate, sodium phosphonate, and the like.
この後、析出したパラジウムの上を銀でさらにめっきし、例えば、アルゴンガス等の不活性ガス中で加熱処理を行うことで合金化することも好ましい。この際、化学めっき又はパラジウムからなる層を電極として電気めっきすることが好ましい。また、パラジウムと銀との質量比(パラジウム:銀)は、90:10〜70:30であることが好ましい。 Thereafter, it is also preferable that the deposited palladium is further plated with silver and alloyed by heat treatment in an inert gas such as argon gas. At this time, it is preferable to perform electroplating using a layer made of chemical plating or palladium as an electrode. Moreover, it is preferable that mass ratio (palladium: silver) of palladium and silver is 90:10 to 70:30.
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例、比較例中の「部」及び「%」は、特に断らない限り質量基準である。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples. In the examples and comparative examples, “parts” and “%” are based on mass unless otherwise specified.
[クリーン度]:米国連邦規格FEDERAL STANDARD 209Dに準拠して測定した。 [Cleanness]: Measured according to the US federal standard FEDERAL STANDARD 209D.
[単位面積あたりのHeリーク量]:0.9MPaのHeガスを水素分離膜の外側に供給し、内側に漏れてくるHeガス量を測定して膜面積で割ることによって求めた。 [He leak amount per unit area]: 0.9 MPa of He gas was supplied to the outside of the hydrogen separation membrane, and the amount of He gas leaking inside was measured and divided by the membrane area.
[欠陥1個あたりのHeリーク量]:0.3MPaのHeガスを膜の内側に供給した状態で膜全体を水中に浸漬し、水素分離膜上の気泡の発生箇所を数えることによって欠陥の個数をカウントし、前記Heリーク量を欠陥の個数で割ることによって求めた。 [He leak amount per defect]: The number of defects is determined by immersing the entire membrane in water with 0.3 MPa of He gas supplied to the inside of the membrane, and counting the locations of bubbles on the hydrogen separation membrane. And the amount of He leak was divided by the number of defects.
(実施例1〜4)
多孔質支持体として、外径10mm、長さ100mmの円筒管形状を有し、表面の平均細孔径が0.1μmであるα−アルミナ管を使用した。この多孔質支持体の表面に、クリーン度1,000のクリーンルーム中で、パラジウム、銀を順次めっきした。なお、パラジウムと銀の割合は、パラジウム80部に対して、銀が20部となるように調整した。これをアルゴンガス中700℃で1時間加熱処理をすることによって合金化を行い、パラジウム合金を水素分離膜として有する水素分離体(実施例1〜4)を製造した。水素分離膜の厚さは、2μmとなるように調整した。これらの水素分離膜について、単位面積あたりのHeリーク量及び欠陥1個あたりのHeリーク量の測定を行った。測定結果を表1に示す。また、水素分離体を構成する水素分離膜の、単位面積あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図1に、欠陥1個あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図2に示す。
(Examples 1-4)
As the porous support, an α-alumina tube having a cylindrical tube shape having an outer diameter of 10 mm and a length of 100 mm and an average pore diameter of 0.1 μm on the surface was used. Palladium and silver were sequentially plated on the surface of the porous support in a clean room having a cleanness of 1,000. In addition, the ratio of palladium and silver was adjusted so that silver might be 20 parts with respect to 80 parts of palladium. This was alloyed by heat treatment at 700 ° C. for 1 hour in argon gas to produce hydrogen separators (Examples 1 to 4) having a palladium alloy as a hydrogen separation membrane. The thickness of the hydrogen separation membrane was adjusted to 2 μm. For these hydrogen separation membranes, the amount of He leak per unit area and the amount of He leak per defect were measured. The measurement results are shown in Table 1. In addition, a graph plotting the He leak amount per unit area of the hydrogen separation membrane constituting the hydrogen separator is shown in FIG. 1, and a graph plotting the He leak amount per defect is shown in FIG.
(実施例5,6)
水素分離膜のめっき作業をクリーン度100,0000のクリーンルーム中で行ったこと以外は、実施例1〜4と同様にして水素分離膜を形成して水素分離体(実施例5,6)を製造した。これらの水素分離膜について、単位面積あたりのHeリーク量及び欠陥1個あたりのHeリーク量の測定を行った。測定結果を表1に示す。また、水素分離体を構成する水素分離膜の、単位面積あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図1に、欠陥1個あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図2に示す。
(Examples 5 and 6)
A hydrogen separator (Examples 5 and 6) was manufactured by forming a hydrogen separation membrane in the same manner as in Examples 1 to 4, except that the plating operation of the hydrogen separation membrane was performed in a clean room with a clean degree of 100,000. did. For these hydrogen separation membranes, the amount of He leak per unit area and the amount of He leak per defect were measured. The measurement results are shown in Table 1. FIG. 1 shows a graph plotting the amount of He leak per unit area of the hydrogen separation membrane constituting the hydrogen separator, and FIG. 2 shows a graph plotting the amount of He leak per defect.
(実施例7〜10)
水素分離膜の膜厚が5μmとなるように調整したこと以外は、実施例1〜4と同様にして水素分離膜を形成して水素分離体(実施例7〜10)を製造した。これらの水素分離膜について、単位面積あたりのHeリーク量及び欠陥1個あたりのHeリーク量の測定を行った。測定結果を表1に示す。また、水素分離体を構成する水素分離膜の、単位面積あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図1に、欠陥1個あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図2に示す。
(Examples 7 to 10)
A hydrogen separator (Examples 7 to 10) was manufactured by forming a hydrogen separation membrane in the same manner as in Examples 1 to 4, except that the thickness of the hydrogen separation membrane was adjusted to 5 μm. For these hydrogen separation membranes, the amount of He leak per unit area and the amount of He leak per defect were measured. The measurement results are shown in Table 1. FIG. 1 shows a graph plotting the amount of He leak per unit area of the hydrogen separation membrane constituting the hydrogen separator, and FIG. 2 shows a graph plotting the amount of He leak per defect.
(比較例1〜4)
水素分離膜のめっき作業を通常の実験室(クリーン度1,000,000相当)で行ったこと以外は、実施例1〜4と同様にして水素分離膜を形成して水素分離体(比較例1〜4)を製造した。この水素分離膜について、単位面積あたりのHeリーク量及び欠陥1個あたりのHeリーク量の測定を行った。測定結果を表1に示す。また、水素分離体を構成する水素分離膜の、単位面積あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図1に、欠陥1個あたりのHeリーク量をプロットしたグラフを図2に示す。
(Comparative Examples 1-4)
A hydrogen separator (comparative example) was formed by forming a hydrogen separation membrane in the same manner as in Examples 1 to 4, except that the plating operation of the hydrogen separation membrane was performed in a normal laboratory (equivalent to a cleanness of 1,000,000). 1-4) were produced. For this hydrogen separation membrane, the amount of He leak per unit area and the amount of He leak per defect were measured. The measurement results are shown in Table 1. In addition, a graph plotting the He leak amount per unit area of the hydrogen separation membrane constituting the hydrogen separator is shown in FIG. 1, and a graph plotting the He leak amount per defect is shown in FIG.
(耐久試験)
実施例1、実施例7、比較例1の水素分離体のそれぞれの多孔質支持体の両端をシールした後、耐圧容器内にセットし、水素分離膜の透過耐久試験を行った。耐久試験は、耐圧容器を加熱することによって、水素分離膜をアルゴンガス雰囲気中で500℃まで昇温した後、0.7MPaの水素を耐圧容器に導入して水素透過試験を1時間行い、水素分離体から水素を除去した後、水素分離膜をアルゴンガス雰囲気下で500℃から常温まで温度を下げる操作を1サイクルとした。この操作を26サイクル繰り返す耐久試験を行った。上記耐久試験を2サイクル行う毎に、水素分離膜にある欠陥から生じるHeガスのリーク量の測定を行った。測定結果を表2に示す。また、耐久試験のサイクルに対して単位面積あたりのHeガスリーク量をプロットしたグラフを図3に示す。なお、比較例1の水素分離体については、16サイクル目までの測定において、Heガスのリーク量が大きく増大したため、これ以降の測定は行わなかった。
(An endurance test)
After sealing the both ends of each porous support body of the hydrogen separator of Example 1, Example 7, and Comparative Example 1, it set in the pressure-resistant container, and the permeation durability test of the hydrogen separation membrane was done. In the durability test, the hydrogen separation membrane was heated to 500 ° C. in an argon gas atmosphere by heating the pressure vessel, then 0.7 MPa of hydrogen was introduced into the pressure vessel and the hydrogen permeation test was performed for 1 hour. After removing hydrogen from the separated body, the operation of lowering the temperature of the hydrogen separation membrane from 500 ° C. to room temperature in an argon gas atmosphere was defined as one cycle. A durability test was repeated for 26 cycles. Every time the endurance test was performed for two cycles, the amount of He gas leaked from defects in the hydrogen separation membrane was measured. The measurement results are shown in Table 2. Moreover, the graph which plotted the amount of He gas leaks per unit area with respect to the cycle of an endurance test is shown in FIG. In addition, about the hydrogen separator of the comparative example 1, since the leak amount of He gas increased greatly in the measurement to the 16th cycle, the subsequent measurement was not performed.
(結果)
本耐久試験の結果から、多孔質支持体の表面に水素分離膜を形成する際、クリーン度の低い環境下で成膜することで、単位面積あたりのHeリーク量と欠陥1個あたりのHeリーク量が減少し、水素分離膜が薄膜である場合においても、水素分離体の耐久性が向上することがわかる。
(result)
From the results of this endurance test, when forming a hydrogen separation membrane on the surface of the porous support, by forming the film in a low clean environment, the amount of He leak per unit area and the He leak per defect It can be seen that the durability of the hydrogen separator is improved even when the amount is reduced and the hydrogen separation membrane is a thin film.
本発明の水素分離体は、実用的な水素透過速度が維持されるとともに、優れた耐久性を有する水素分離膜を備えているため、繰り返し高純度の水素の分離に用いることが可能である。 Since the hydrogen separator of the present invention has a hydrogen separation membrane that maintains a practical hydrogen permeation rate and has excellent durability, it can be used repeatedly for separating high-purity hydrogen.
Claims (6)
前記水素分離膜が、一方の膜面側に0.9MPaの圧力でHeガスを供給した場合における、他方の膜面側から漏出するHeガスが、一個当たり平均0.5ml/min以下の欠陥を有する水素分離体。 A porous support, and a hydrogen separation membrane disposed on at least one surface of the porous support,
When the hydrogen separation membrane supplies He gas at a pressure of 0.9 MPa to one membrane surface side, the He gas leaking from the other membrane surface side has an average defect of 0.5 ml / min or less per piece. Having a hydrogen separator.
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