JP2015016420A - Hydrogen separation body and hydrogen production apparatus using hydrogen separation body - Google Patents

Hydrogen separation body and hydrogen production apparatus using hydrogen separation body Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen separation body capable of establishing compatibility between high hydrogen permeability and peeling resistance and a hydrogen production apparatus using the hydrogen separation body.SOLUTION: In a hydrogen separation body (1) having a porous body (20) and a hydrogen separation layer (17) filled with a hydrogen separation metal selectively permeating only hydrogen in hydrogen-containing gases in the pores of the porous body (20), a ratio (ε/τ) of a filling rate ε being an index exhibiting the filling rate of the hydrogen separation metal in the hydrogen separation layer (17) and a flexion degree τ being an index exhibiting the degree of the permeation path length of hydrogen in a thickness direction of the hydrogen separation layer (17) is in the range of 0.2-0.6.

Description

本発明は、水素含有ガス等の被分離ガス(原料ガス)から水素ガスを選択して分離することにより純度の高い水素ガスを得ることができる水素分離体及び水素分離体を用いた水素製造装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen separator capable of obtaining a high-purity hydrogen gas by selecting and separating the hydrogen gas from a gas to be separated (source gas) such as a hydrogen-containing gas, and a hydrogen production apparatus using the hydrogen separator About.

従来、例えば燃料電池に供給する水素を製造するために、天然ガスを水蒸気改質した改質ガス等の水素を含むガスから水素のみを選択的に取り出す水素分離体が開発されている。この水素分離体は、例えば有底円筒状のセラミック多孔質体の表面などに、パラジウム(Pd)やPd合金等の水素のみを透過させる水素透過性金属(以下水素分離金属と記す)からなる水素透過膜(以下水素分離層と記す)を形成したものである。   Conventionally, in order to produce hydrogen to be supplied to a fuel cell, for example, a hydrogen separator that selectively extracts only hydrogen from a gas containing hydrogen such as a reformed gas obtained by steam reforming natural gas has been developed. This hydrogen separator is, for example, hydrogen made of a hydrogen permeable metal (hereinafter referred to as a hydrogen separation metal) that allows only hydrogen such as palladium (Pd) or Pd alloy to permeate on the surface of a bottomed cylindrical ceramic porous body. A permeable membrane (hereinafter referred to as a hydrogen separation layer) is formed.

また、この種の水素分離体を製造する方法としては、セラミック多孔質体の細孔内に水素分離金属を充填することによって、水素分離層を形成する技術が開示されている(特許文献1〜3参照)。   Moreover, as a method for producing this type of hydrogen separator, a technique for forming a hydrogen separation layer by filling a hydrogen separation metal in the pores of a ceramic porous body is disclosed (Patent Documents 1 to 3). 3).

特開2006−95521号公報JP 2006-95521 A 特開2007−301514号公報JP 2007-301514 A 特開2005−13853号公報JP 2005-13853 A

しかしながら、上述した従来技術では、水素分離体において、高い水素透過性能と(水素分離層の)耐剥離性とを両立するための設計指針が開示されておらず、どのようにすれば、高い水素透過性能と耐剥離性とを両立できるかが不明であった。   However, the above-described conventional technology does not disclose a design guideline for achieving both high hydrogen permeation performance and separation resistance (of the hydrogen separation layer) in the hydrogen separator. It was unclear whether both permeation performance and peel resistance could be achieved.

なお、水素分離層は、水素分離金属が充填される割合が高い場合には、水素分離層の厚み方向の両側において、セラミック多孔質部分との界面にて剥離が生ずる恐れがある。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、高い水素透過性能と耐剥離性とを両立できる水素分離体及び水素分離体を用いた水素製造装置を提供することにある。
In addition, when the ratio with which a hydrogen separation metal is filled into a hydrogen separation layer is high, there exists a possibility that peeling may arise in the interface with a ceramic porous part in the both sides of the thickness direction of a hydrogen separation layer.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen separator capable of achieving both high hydrogen permeation performance and peeling resistance and a hydrogen production apparatus using the hydrogen separator. There is.

(1)本発明は、第1態様(水素分離体)として、多孔質体と、該多孔質体の細孔内に水素を含む気体のうち水素のみを選択して透過させる水素分離金属が充填された水素分離層と、を有する水素分離体において、前記水素分離層における前記水素分離金属の充填の割合を示す指標である充填率εと、前記水素分離層の厚み方向における前記水素の透過経路の長さの程度を示す指標である屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2〜0.6の範囲であることを特徴とする。   (1) In the present invention, as a first aspect (hydrogen separator), a porous body and a hydrogen separation metal that allows permeation by selectively selecting only hydrogen from the gas containing hydrogen in the pores of the porous body are filled. And a hydrogen permeation path in the thickness direction of the hydrogen separation layer in the hydrogen separation layer, and a filling rate ε which is an index indicating a filling ratio of the hydrogen separation metal in the hydrogen separation layer. The ratio (ε / τ) to the degree of bending τ, which is an index indicating the degree of the length, is in the range of 0.2 to 0.6.

本第1態様では、後述する実験例からも明らかなように、水素分離層における水素分離金属の充填の割合を示す指標である充填率εと、水素分離層の厚み方向における水素の透過経路の長さの程度を示す指標である屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2〜0.6の範囲であるので、高い水素透過性能と高い耐剥離性とを両立できる。   In the first aspect, as is apparent from the experimental examples described later, the filling rate ε, which is an index indicating the filling ratio of the hydrogen separation metal in the hydrogen separation layer, and the hydrogen permeation path in the thickness direction of the hydrogen separation layer. Since the ratio (ε / τ) to the bending degree τ, which is an index indicating the degree of length, is in the range of 0.2 to 0.6, both high hydrogen permeation performance and high peel resistance can be achieved.

詳しくは、本第1態様では、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2以上であるので、高い水素透過性能を実現できるとともに、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.6以下であるので、高い耐剥離性を実現できる。   Specifically, in the first aspect, since the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ is 0.2 or more, high hydrogen permeation performance can be realized, and the filling rate ε and the bending degree τ. Since the ratio (ε / τ) to 0.6 is 0.6 or less, high peel resistance can be realized.

ここで、充填率εとは、後に詳述するように、水素分離層の厚み方向に沿った断面において、「水素分離金属の占める面積/断面の全面積」で示される値である。
また、屈曲度(Tortuosity)τとは、後に詳述するように、「(水素分離層の厚み方向において水素分離金属中を水素が透過する経路の長さである)水素の経路長/水素分離層の厚み」で示される値である。
Here, as will be described in detail later, the filling rate ε is a value represented by “area occupied by hydrogen separation metal / total area of the cross section” in the cross section along the thickness direction of the hydrogen separation layer.
The tortuosity τ is, as will be described in detail later, “the length of a hydrogen path / hydrogen separation (which is the length of a hydrogen permeation path through the hydrogen separation metal in the thickness direction of the hydrogen separation layer). This is a value indicated by “layer thickness”.

(2)本発明は、第2態様として、前記水素分離金属が充填された水素分離層の厚みが、0.1〜10μmの範囲であることを特徴とする。
本第2態様では、水素分離層の厚みが0.1μm以上であるので、(原料ガス等から)分離される水素の純度が高い。また、水素分離層の厚みが10μm以下であるので、水素透過性能が高いという効果がある。
(2) The present invention is characterized in that, as a second aspect, the thickness of the hydrogen separation layer filled with the hydrogen separation metal is in the range of 0.1 to 10 μm.
In the second aspect, since the thickness of the hydrogen separation layer is 0.1 μm or more, the purity of hydrogen to be separated (from the source gas or the like) is high. Moreover, since the thickness of the hydrogen separation layer is 10 μm or less, there is an effect that the hydrogen permeation performance is high.

つまり、水素透過性能は水素分離層の厚み(層厚)に反比例するので、水素分離層の層厚は可能な限り薄い方が良い。他方、薄層化していくと水素分離金属が未充填な部分、即ち空孔部分が多くなり、空孔が連結してのリークが発生し易くなる。このため、水素透過性能と封止性を両立可能な層厚の範囲としては、0.1〜10μmの範囲が好適である。   That is, since the hydrogen permeation performance is inversely proportional to the thickness (layer thickness) of the hydrogen separation layer, the layer thickness of the hydrogen separation layer is preferably as thin as possible. On the other hand, as the layer is made thinner, the portion that is not filled with the hydrogen separation metal, that is, the vacancy portion increases, and leakage due to vacancies is likely to occur. For this reason, the range of 0.1-10 micrometers is suitable as a range of the layer thickness which can make hydrogen permeability and sealing performance compatible.

(3)本発明は、第3態様(水素製造装置)として、前記請求項1又は2に記載の水素分離体を備えたことを特徴とする。
本第3態様の水素製造装置は、上述した水素分離体を備えているので、高い水素製造能力と高い耐久性を有している。
(3) The present invention is characterized in that the hydrogen separator according to claim 1 or 2 is provided as a third aspect (hydrogen production apparatus).
Since the hydrogen production apparatus according to the third aspect includes the hydrogen separator described above, it has high hydrogen production capacity and high durability.

経路長を求めるための手順を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the procedure for calculating | requiring a path length. 経路が折れ曲がる際の角度を求めるための説明図である。It is explanatory drawing for calculating | requiring the angle when a path | route bends. 実施例の水素分離体を軸方向に沿って破断して示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures and shows the hydrogen separator of an Example along an axial direction. 実施例の水素分離体を軸方向に沿って破断し、その一部(図3のA部)を拡大して模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which fractures | ruptures the hydrogen separator of an Example along an axial direction, expands the part (A part of FIG. 3), and shows typically. 実施例の水素分離体を軸方向に沿って破断し、その一部を更に拡大して模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which fractures | ruptures the hydrogen separator of an Example along an axial direction, and further expands the part further and is shown typically. 実施例における水素分離装置を軸方向に沿って破断して示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures and shows the hydrogen separator in an Example along an axial direction. 実施例の水素分離体の製造方法のうち、有底円筒形状成形体の形成手順等を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the formation procedure etc. of a bottomed cylindrical molded object among the manufacturing methods of the hydrogen separator of an Example. 実施例の水素分離体の製造方法のうち、水素分離層の形成手順等を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the formation procedure etc. of a hydrogen separation layer among the manufacturing methods of the hydrogen separator of an Example. 実施例の水素分離体の製造方法のうち、内部給電方式の電解めっきを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the electroplating of an internal electric power feeding system among the manufacturing methods of the hydrogen separator of an Example. 実験結果を示すグラフである。It is a graph which shows an experimental result.

以下、本発明の実施形態について説明する。
・多孔質体としては、多孔質支持体と、多孔質支持体の表面に形成された内側多孔質層と、内側多孔質層の表面に形成された外側多孔質層(保護層)とからなる構成が挙げられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
-The porous body comprises a porous support, an inner porous layer formed on the surface of the porous support, and an outer porous layer (protective layer) formed on the surface of the inner porous layer. A configuration is mentioned.

なお、水素分離層は、例えば内側多孔質層の一部とそれに隣接した保護層の一部等に形成される。
この多孔質体の材料としては、例えばセラミックスが用いられる。このセラミックスとしては、イットリア安定化ジルコニア、安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、セリア、ドープドセリアのうち、少なくとも1種が挙げられる。
The hydrogen separation layer is formed, for example, on a part of the inner porous layer and a part of the protective layer adjacent thereto.
As the material of the porous body, for example, ceramic is used. Examples of the ceramic include at least one of yttria stabilized zirconia, stabilized zirconia, alumina, magnesia, ceria, and doped ceria.

・水素分離層を構成する材料としては、多孔質体と(多孔質体の細孔内に充填された)水素分離金属が挙げられる。なお、細孔が完全に充填されていない場所は空孔となっている場合がある。   -As a material which comprises a hydrogen separation layer, the porous body and the hydrogen separation metal (filled in the pore of the porous body) are mentioned. A place where the pores are not completely filled may be vacant.

このうち、水素分離金属としては、Pd、PdCu合金、PdAg合金、PdAu合金が挙げられる。詳しくは、Pd、Cu、Ag、Au、PdCu合金、PdAg合金、PdAu合金が挙げられる。なお、Cu、Ag、Auは、単独で用いられるものではなく、水素透過性を有するPdと合金化して用いられる合金用金属である。   Among these, examples of the hydrogen separation metal include Pd, PdCu alloy, PdAg alloy, and PdAu alloy. Specifically, Pd, Cu, Ag, Au, PdCu alloy, PdAg alloy, and PdAu alloy can be used. Cu, Ag, and Au are not used alone, but are alloys for use in alloying with Pd having hydrogen permeability.

・充填率εとは、水素分離層の厚み方向に沿った断面において、「水素分離金属の占める面積/断面の面積」で示される値である。
具体的には、下記の方法によって、充填率εを求めることができる。
The filling rate ε is a value represented by “area occupied by hydrogen separation metal / area of cross section” in the cross section along the thickness direction of the hydrogen separation layer.
Specifically, the filling rate ε can be obtained by the following method.

水素分離層を含む多孔質体を水素分離層の厚み方向(水素分離層の広がる平面と垂直)に破断した断面を、電子顕微鏡にて観察する(SEM写真を撮影する)。電子顕微鏡の視野の全範囲において、水素分離層(断面)が観察視野全範囲の20%以上を占めるように調整する。さらに、水素分離層の断面及びその厚み方向の両側において水素分離層に隣接する層の断面が視野に入るように調整して観察する(SEM写真を撮影する)。   A cross section of the porous body including the hydrogen separation layer, broken in the thickness direction of the hydrogen separation layer (perpendicular to the plane in which the hydrogen separation layer spreads) is observed with an electron microscope (take a SEM photograph). Adjustment is made so that the hydrogen separation layer (cross section) occupies 20% or more of the entire observation visual field in the entire range of the field of view of the electron microscope. Further, the cross section of the hydrogen separation layer and the cross section of the layer adjacent to the hydrogen separation layer on both sides in the thickness direction are adjusted and observed so as to be in the field of view (take an SEM photograph).

なお、SEM写真撮影の際は、例えば図1に例示するように、画像上辺(若しくは下辺)と水素分離層の厚み方向における両端面(水素分離層が広がる平面)とが平行になるように調整して撮影する。詳しくは、画像上辺(若しくは下辺)と水素分離層の保護層側(図1上方)の界面(外側界面)と内側多孔質層側(図1下方)の界面(内側界面)とが平行になるように調整して撮影する。   At the time of SEM photography, for example, as illustrated in FIG. 1, the upper side (or the lower side) of the image is adjusted so that both end faces in the thickness direction of the hydrogen separation layer (planes on which the hydrogen separation layer spreads) are parallel to each other. Then shoot. Specifically, the upper side (or lower side) of the image is parallel to the interface (outer interface) on the protective layer side (upper side in FIG. 1) and the interface (inner side interface) on the inner porous layer side (lower side in FIG. 1). Adjust and shoot as follows.

そして、水素分離層に対して平行に、所定幅(例えば0.1μm)の短冊状の領域(測定範囲)を設定し、その測定範囲内において、水素分離金属とその他のもの(セラミック又は空孔)との割合を求める。そして、その割合が50%となった測定範囲、例えば測定範囲の厚み方向の一方の端面(例えば図1の上端又は下端)を、水素分離層の外側界面又は内側界面とする。従って、外側界面と内側界面との距離から水素分離層の厚みを求めることができる。   A strip-shaped region (measurement range) having a predetermined width (for example, 0.1 μm) is set in parallel to the hydrogen separation layer, and the hydrogen separation metal and other materials (ceramics or pores) within the measurement range. ) And the ratio. Then, the measurement range in which the ratio is 50%, for example, one end face in the thickness direction of the measurement range (for example, the upper end or the lower end in FIG. 1) is defined as the outer interface or the inner interface of the hydrogen separation layer. Therefore, the thickness of the hydrogen separation layer can be obtained from the distance between the outer interface and the inner interface.

水素分離層の幅方向(例えば図1の左右方向)における両端の界面(例えば図1の左端および右端)と、外側界面および内側界面とで形成される領域(測定領域;SR)の面積を、全面積とする。画像解析により、セラミック部分と水素分離金属と空孔との面積を算出する。そして、水素分離金属の占める面積を画像解析を行った(水素分離層の)全面積で除した値を充填率εとする。なお、図1のSAは、水素分離層の厚み(層厚)を示している。   The area of the region (measurement region; SR) formed by the interface (for example, the left end and the right end of FIG. 1) at both ends in the width direction of the hydrogen separation layer (for example, the left and right direction in FIG. 1) and the outer interface and the inner interface, The total area. The area of the ceramic portion, the hydrogen separation metal, and the pores is calculated by image analysis. A value obtained by dividing the area occupied by the hydrogen separation metal by the total area (of the hydrogen separation layer) subjected to image analysis is defined as a filling rate ε. In addition, SA of FIG. 1 has shown the thickness (layer thickness) of the hydrogen separation layer.

・屈曲度τとは、「(水素分離層の厚み方向において水素分離金属中を水素が透過する経路の長さである)水素の経路長/水素分離層の厚み」で示される値である。
具体的には、下記の方法によって、屈曲度τを求めることができる。
The bending degree τ is a value indicated by “(path length of hydrogen through which hydrogen permeates through the hydrogen separation metal in the thickness direction of the hydrogen separation layer) / thickness of the hydrogen separation layer”.
Specifically, the bending degree τ can be obtained by the following method.

経路長は、経路線の長さによって決められる。また、下記の方法によって、経路線の長さを求めることができる。
第1に、上述した短冊状の領域(測定範囲)に対して、水素分離層の厚み方向(図1の上下方向)に垂線を引く。例えば、同図の左右方向に広がる水素分離層に対して垂直(同図上下方向)に垂線を引く。
第2に、外側界面から内側界面に向かって、経路線を下記に従って、図1の白線で示すように引く。スタート時の空孔(K)は経路から外し、水素分離金属(M)又はセラミック(S)からのスタートとする。なお、途中の空孔はセラミック扱いとする。
The route length is determined by the length of the route line. Further, the length of the route line can be obtained by the following method.
First, a perpendicular line is drawn in the thickness direction of the hydrogen separation layer (vertical direction in FIG. 1) with respect to the strip-shaped region (measurement range) described above. For example, a perpendicular line is drawn perpendicularly (vertical direction in the figure) to the hydrogen separation layer spreading in the horizontal direction in the figure.
Secondly, a route line is drawn from the outer interface toward the inner interface as shown by the white line in FIG. The start hole (K) is removed from the path, and the start is from the hydrogen separation metal (M) or ceramic (S). In the meantime, holes in the middle are treated as ceramic.

<水素分離金属からスタートした場合>
(A)水素分離金属の存在する領域内を垂線に沿って経路線を引く。
(B)(A)にて引いた経路線がセラミック部分に到達した場合
セラミック部分と水素分離金属との境界線と、経路線とが点Pにて交わる。点Pでの境界線の傾線を求める。内側界面に延びる方向における傾線と垂線との成す角度θ(図2参照)を求める。
<When starting from hydrogen separation metal>
(A) A route line is drawn along the vertical line in the region where the hydrogen separation metal exists.
(B) When the route line drawn in (A) reaches the ceramic portion The boundary line between the ceramic portion and the hydrogen separation metal and the route line intersect at a point P. The inclination of the boundary line at the point P is obtained. An angle θ (see FIG. 2) formed by a tilt line and a perpendicular line in a direction extending to the inner interface is obtained.

(B−1)角度θが50°より大きい場合
点P(P1)から経路線を垂線に沿って進めると、セラミック部分と水素分離金属との境界線と、経路線とが点Qにて交わる。点Pと点Qの長さを直径とした仮想円を描く。点Pと点Qとをつなぐ仮想円の半円が経路線となる。経路線の長さは仮想円の円周の長さの半分である。点Qからは(A)のルールに戻る。
(B-1) When the angle θ is larger than 50 ° When the route line is advanced from the point P (P1) along the perpendicular line, the boundary line between the ceramic portion and the hydrogen separation metal and the route line intersect at the point Q. . A virtual circle is drawn with the length of point P and point Q as the diameter. A semicircle of a virtual circle connecting the point P and the point Q becomes a route line. The length of the route line is half of the circumference of the virtual circle. From the point Q, the process returns to the rule (A).

(B−2)角度θが50°以下の場合
点P(P2)から境界線を近似した直線に沿って経路線を進める。そして、その直線と垂線との成す角度が0°の方向に水素分離金属が出現する点Rまで経路線を進める。点Rで再びθ=0°方向(図1の下方向)に進むこととする。点Rからは(A)のルールに戻る。
(B-2) When the angle θ is 50 ° or less The route line is advanced from the point P (P2) along a straight line approximating the boundary line. Then, the route line is advanced to the point R where the hydrogen separation metal appears in the direction in which the angle between the straight line and the perpendicular is 0 °. At point R, it proceeds again in the direction of θ = 0 ° (downward direction in FIG. 1). From the point R, the process returns to the rule (A).

点P(P3)から境界線を近似した直線に沿って経路線を進める際に、境界線を近似した直線と垂線とのなす角度が50°より大きくなった場合は、(B−1)のルールに進む。   When the route line is advanced from the point P (P3) along the straight line approximating the boundary line, when the angle formed by the straight line approximating the boundary line and the perpendicular becomes larger than 50 °, Go to the rules.

<セラミックからスタートした場合>
(B−1)のルールから始める。
そして、これらのルールに従った操作を水素分離層の厚みの範囲内で繰り返す。これにより、実際の水素が水素分離金属中を進む距離(経路長)が計算される。
<When starting from ceramic>
Start with the rule (B-1).
And the operation according to these rules is repeated within the range of the thickness of the hydrogen separation layer. Thereby, the distance (path length) that actual hydrogen travels in the hydrogen separation metal is calculated.

従って、この経路長を、水素分離層の厚みで除することにより屈曲度τが算出される。なお、実際にはバラツキも存在するため、同一画面中で5箇所以上同操作により屈曲度τを算出し、これらを平均化したものを実際に計算に用いるτとする。   Therefore, the bending degree τ is calculated by dividing the path length by the thickness of the hydrogen separation layer. Since there are actually variations, the bending degree τ is calculated by the same operation at five or more locations on the same screen, and an average of these values is used as τ for actual calculation.

・ここで、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)を0.2〜0.6の範囲に調節する場合には、水素分離金属が充填される多孔質体の状態を制御すればよい。
具体的には、多孔質の原料粉末の粒径や形成時の焼成温度等を調節することにより、多孔質体における空孔(細孔)の状態を調節でき、それによって、この細孔内に充填される水素分離金属の充填状態(従って水素分離体の組織の状態)を制御できる。
Here, when the ratio (ε / τ) of the filling rate ε and the bending degree τ is adjusted to the range of 0.2 to 0.6, the state of the porous body filled with the hydrogen separation metal is controlled. do it.
Specifically, the state of pores (pores) in the porous body can be adjusted by adjusting the particle size of the porous raw material powder, the firing temperature at the time of formation, etc. The filling state of the hydrogen separation metal to be filled (and hence the state of the structure of the hydrogen separator) can be controlled.

詳しくは、原料粉末の平均粒径を小さくすれば、粒子が焼結し易い為、粒子間の焼結が進み多孔質層内の空隙(即ち被充填部の空間)が減少するので、または、焼成温度を高くすれば、同様に粒子間の焼結が進み多孔質層内の空隙が減少するので、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)を小さくできる。逆に、原料粉末の平均粒径を大きくすれば、または、焼成温度を低くすれば、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)を大きくできる。   Specifically, if the average particle size of the raw material powder is reduced, the particles are easily sintered, so that the sintering between the particles proceeds and the voids in the porous layer (that is, the space of the filled portion) decreases, or If the firing temperature is increased, similarly, the sintering between the particles proceeds and the voids in the porous layer are reduced, so that the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ can be reduced. On the contrary, if the average particle diameter of the raw material powder is increased or the firing temperature is decreased, the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ can be increased.

また、どの程度の充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)に設定するかは、上述した傾向に基づいて、予め実験によって求めることができる。
・なお、水素透過性能と充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)との間には、下記の関係があると考えられる。
In addition, the degree of filling ratio ε and the ratio of bending degree τ (ε / τ) can be determined in advance by experiments based on the above-described tendency.
It is considered that the following relationship exists between the hydrogen permeation performance and the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ.

水素分離層が緻密な水素分離金属からなる膜の場合には、下記式(1)によって水素透過性能(ここでは水素透過流速)が決まると考えられる。
J=q×(S/d)・{(P1)1/2−(P2)1/2} ・・・(1)
J:水素透過流速[mol/m/sec]
q:水素透過係数[mol/sec/Pa0.5]
S:水素分離層面積[m
d:水素分離層厚[m]
P1:供給側圧力[Pa]
P2:透過側圧力[Pa]
また、細孔内に水素分離金属が充填される場合には、下記式(2)及び(3)の関係があると考えられる。
In the case where the hydrogen separation layer is a membrane made of a dense hydrogen separation metal, it is considered that the hydrogen permeation performance (here, the hydrogen permeation flow rate) is determined by the following formula (1).
J = q × (S / d) · {(P1) 1/2 − (P2) 1/2 } (1)
J: Hydrogen permeation flow rate [mol / m 2 / sec]
q: Hydrogen permeability coefficient [mol / sec / Pa0.5]
S: Hydrogen separation layer area [m 2 ]
d: Hydrogen separation layer thickness [m]
P1: Supply side pressure [Pa]
P2: Permeation side pressure [Pa]
Moreover, when the hydrogen separation metal is filled in the pores, it is considered that there is a relationship of the following formulas (2) and (3).

なお、下記式(2)において、水素分離層面積とは、水素分離層のみかけの面積(水素分離体における水素分離層部分の表面積)であり、相当水素分離層面積とは、みかけの面積に水素分離金属の充填率を乗じた値であり、水素分離層面積中において実際に水素分離金属が占有している面積を表している。   In the following formula (2), the hydrogen separation layer area is the apparent area of the hydrogen separation layer (surface area of the hydrogen separation layer portion in the hydrogen separator), and the equivalent hydrogen separation layer area is the apparent area. It is a value obtained by multiplying the filling rate of the hydrogen separation metal, and represents the area actually occupied by the hydrogen separation metal in the hydrogen separation layer area.

また、下記式(3)において、実測水素分離層厚とは、測定された水素分離層の厚みであり、相当水素分離層厚とは、実測水素分離層厚に屈曲度を乗じた値であり、水素が供給側から透過側へ水素透過層中通過する際に実際に通過する距離を表している。   In the following formula (3), the measured hydrogen separation layer thickness is the measured hydrogen separation layer thickness, and the equivalent hydrogen separation layer thickness is a value obtained by multiplying the measured hydrogen separation layer thickness by the bending degree. , Represents the distance that hydrogen actually passes when passing through the hydrogen-permeable layer from the supply side to the permeation side.

S=S'×ε ・・・(2)
d=d'×τ ・・・(3)
S :相当水素分離層面積[m]
S':水素分離層面積[m]
d :相当水素分離層厚[m]
d':実測水素分離層厚[m]
ε :充填率
τ :屈曲度
従って、上記式(2)及び(3)を上記(1)に代入することにより、下記式(4)が得られる。
S = S ′ × ε (2)
d = d ′ × τ (3)
S: equivalent hydrogen separation layer area [m 2 ]
S ′: Hydrogen separation layer area [m 2 ]
d: equivalent hydrogen separation layer thickness [m]
d ′: Actual hydrogen separation layer thickness [m]
ε: Filling rate
τ: Degree of bending Therefore, the following formula (4) is obtained by substituting the above formulas (2) and (3) into the above (1).

J=q×(S'/d')・(ε/τ)・{(P1)1/2−(P2)1/2}・・・(4)
よって、この式(4)から、水素透過性能とε/τとには、対応関係があることが分かる。
J = q × (S ′ / d ′) · (ε / τ) · {(P1) 1/2 − (P2) 1/2 } (4)
Therefore, it can be seen from this equation (4) that there is a correspondence between the hydrogen permeation performance and ε / τ.

以下、本発明の実施例について説明する。   Examples of the present invention will be described below.

ここでは、原料ガスから水素を選択的に分離する水素分離体及びその水素分離体を備えた水素製造装置の実施例について説明する。
a)まず、本実施例の水素分離体の構成について説明する。
Here, an embodiment of a hydrogen separator that selectively separates hydrogen from a source gas and a hydrogen production apparatus including the hydrogen separator will be described.
a) First, the configuration of the hydrogen separator of this example will be described.

図3に示すように、本実施例の水素分離体1は、原料ガス(例えば天然ガスと水蒸気を触媒に接触させ生成した改質ガス)から、水素を選択的に分離する試験管形状の部材であり、先端側(同図上方)が閉塞されるとともに基端側(同図下方)が開放され、その軸中心に中心孔3を有している。   As shown in FIG. 3, the hydrogen separator 1 of this embodiment is a test tube-shaped member that selectively separates hydrogen from a raw material gas (for example, a reformed gas produced by bringing natural gas and water vapor into contact with a catalyst). The distal end side (upper side in the figure) is closed, the proximal end side (lower side in the figure) is opened, and the center hole 3 is provided at the axial center.

この水素分離体1は、基本的な構成として、その先端側に試験管形状の多孔質支持体5を備えるとともに、その基端側に筒状の緻密質支持体7を備えており、多孔質支持体5と緻密質支持体7とは同軸に配置されて一体のセラミック支持体9を構成している。   The hydrogen separator 1 has, as a basic structure, a test tube-shaped porous support 5 on the distal end side and a cylindrical dense support 7 on the proximal end side. The support body 5 and the dense support body 7 are arranged coaxially to constitute an integral ceramic support body 9.

なお、水素分離体1の寸法は、例えば長さ300mm×内径6mm×外径10mmである。
このうち、多孔質支持体5は、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ)からなり、原料ガスを透過可能な通気性を有する多孔質セラミックス製の支持体である。
The dimensions of the hydrogen separator 1 are, for example, length 300 mm × inner diameter 6 mm × outer diameter 10 mm.
Among these, the porous support 5 is made of, for example, yttria-stabilized zirconia (YSZ), and is a support made of porous ceramics having air permeability that can transmit the raw material gas.

一方、緻密質支持体7は、YSZからなる緻密質セラミックス製の支持体、即ち、通気性が無い支持体である。
そして、後述するように、セラミック支持体9の外表面には、その大部分を(基端側を除いて)を覆うように、層状の表面構造11が形成されている。
On the other hand, the dense support 7 is a dense ceramic support made of YSZ, that is, a support having no air permeability.
As will be described later, a layered surface structure 11 is formed on the outer surface of the ceramic support 9 so as to cover most of the ceramic support 9 (excluding the base end side).

この表面構造11としては、図4に要部(図3のA部)を拡大して示すように、多孔質支持体5の表面を覆う内側多孔質層13と、内側多孔質層13の表面を覆う外側多孔質層(以下保護層と称する)15と、内側多孔質層13及び保護層15に渡って(その一部分に)形成された水素分離層17とを備えている。なお、内側多孔質層13と保護層15とから多孔質層19が構成され、多孔質支持体5と多孔質層19とから多孔質体20が構成されている。以下、各構成について説明する。   The surface structure 11 includes an inner porous layer 13 covering the surface of the porous support 5 and the surface of the inner porous layer 13, as shown in FIG. And an outer porous layer (hereinafter referred to as a protective layer) 15 and a hydrogen separation layer 17 formed over (in part of) the inner porous layer 13 and the protective layer 15. A porous layer 19 is composed of the inner porous layer 13 and the protective layer 15, and a porous body 20 is composed of the porous support 5 and the porous layer 19. Each configuration will be described below.

前記内側多孔質層13は、多孔質支持体5の外周面全体と、緻密質支持体7の(多孔質支持体5)端部側の外周面を覆うように構成されている。
この内側多孔質層13は、YSZからなり、原料ガスを透過可能な通気性を有する多孔質セラミックス製の被覆層である。
The inner porous layer 13 is configured to cover the entire outer peripheral surface of the porous support 5 and the outer peripheral surface of the dense support 7 on the (porous support 5) end side.
The inner porous layer 13 is a coating layer made of YSZ and made of porous ceramics having air permeability capable of transmitting a raw material gas.

前記保護層15は、内側多孔質層13の外側の全表面を覆うように形成されている。また、保護層15の基端側は、緻密質支持体7の先端側の外周面に密着して接合するように形成されている。   The protective layer 15 is formed so as to cover the entire outer surface of the inner porous layer 13. Further, the proximal end side of the protective layer 15 is formed so as to be in close contact with and bonded to the outer peripheral surface on the distal end side of the dense support 7.

この保護層15は、YSZからなり、水素ガスを透過可能な通気性を有する多孔質セラミックス製の被覆層である。
この保護層15は、水素分離層17の外側(図4上方)にも広がっているので、外部から水素分離層17を損なうような汚染物質(例えばFe)が、水素分離層17に付着することを防止している。
The protective layer 15 is a coating layer made of porous ceramics made of YSZ and having air permeability that allows hydrogen gas to pass therethrough.
Since the protective layer 15 extends to the outside of the hydrogen separation layer 17 (upward in FIG. 4), contaminants (for example, Fe) that damage the hydrogen separation layer 17 from the outside adhere to the hydrogen separation layer 17. Is preventing.

前記水素分離層17は、内側多孔質層13においてその保護層15側の内側層17aと、保護層15においてその内側多孔質層13側の外側層17bとから構成されている。この水素分離層17は、多孔質層19内において、水素分離体1の厚み方向(内側から外側)におけるガスの流路を全て覆うように、多孔質層19が広がる全平面にわたって形成されている。なお、水素分離層17の厚み(図4の上下方向の寸法)は、0.1〜10μmの範囲(例えば4.0μm)である。   The hydrogen separation layer 17 includes an inner layer 17a on the protective layer 15 side in the inner porous layer 13, and an outer layer 17b on the inner porous layer 13 side in the protective layer 15. The hydrogen separation layer 17 is formed over the entire plane in which the porous layer 19 extends so as to cover all the gas flow paths in the thickness direction (from inside to outside) of the hydrogen separator 1 in the porous layer 19. . The thickness of the hydrogen separation layer 17 (the vertical dimension in FIG. 4) is in the range of 0.1 to 10 μm (for example, 4.0 μm).

詳しくは、この水素分離層17は、図5に(図4を更に)拡大して模式的に示す様に、YSZからなる内側多孔質層13や保護層15の細孔21、23内に、水素透過性金属(本実施例ではPdAg合金)である水素分離金属が充填されたものである。この水素分離金属は、原料ガスから水素のみを選択して透過させることによって、原料ガスから水素を分離する金属である。   Specifically, as shown schematically in FIG. 5 (further expanding FIG. 4), the hydrogen separation layer 17 is formed in the inner porous layer 13 made of YSZ and the pores 21 and 23 of the protective layer 15, A hydrogen separating metal which is a hydrogen permeable metal (PdAg alloy in this embodiment) is filled. This hydrogen separation metal is a metal that separates hydrogen from the source gas by selecting and allowing only hydrogen from the source gas to permeate.

つまり、水素分離層17は、セラミックからなる内側多孔質層13及び保護層15(即ち多孔質層19)のうち、水素分離金属が充填されたセラミック部分(図3の左右方向の幅の範囲)と、その細孔21、23内に充填された水素分離金属とから構成されている。   That is, the hydrogen separation layer 17 is a ceramic portion filled with a hydrogen separation metal in the inner porous layer 13 and the protective layer 15 (that is, the porous layer 19) made of ceramic (the width range in the horizontal direction in FIG. 3). And a hydrogen separation metal filled in the pores 21 and 23.

なお、以下では、水素分離層17の細孔21、23内に充填された水素分離金属からなる部分を水素分離金属部27と称する。
特に、本実施例では、多孔質層19(詳しくは水素分離層17)における水素分離金属の充填の割合を示す指標である充填率εと、水素分離層17の厚み方向における水素の透過経路の長さの程度を示す指標である屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2〜0.6の範囲である。
Hereinafter, a portion made of the hydrogen separation metal filled in the pores 21 and 23 of the hydrogen separation layer 17 is referred to as a hydrogen separation metal portion 27.
In particular, in this embodiment, the filling rate ε, which is an index indicating the filling ratio of the hydrogen separation metal in the porous layer 19 (specifically, the hydrogen separation layer 17), and the hydrogen permeation path in the thickness direction of the hydrogen separation layer 17 are shown. The ratio (ε / τ) to the degree of bending τ, which is an index indicating the degree of length, is in the range of 0.2 to 0.6.

b)次に、前記水素分離体1を備えた水素分離装置である水素製造装置について、簡単に説明する。
この水素製造装置としては、例えば特開2012−7727号公報に記載の装置を採用できる。
b) Next, a hydrogen production apparatus that is a hydrogen separation apparatus including the hydrogen separator 1 will be briefly described.
As this hydrogen production apparatus, for example, an apparatus described in JP 2012-7727 A can be employed.

具体的には、図6に示す様に、水素製造装置31は、水素分離体1と、水素分離体1の開放端側が挿入された筒状の取付金具33と、水素分離体1の外周面と取付金具33の内周面との間に配置された円筒形の(ガスシールを行う)シール層35と、水素分離体1に外嵌されてシール層35の先端側を押圧する円筒形の押圧金具37と、押圧金具37に外嵌されて取付金具33に螺合する筒状の固定金具39とを備えている。なお、図6では、表面構造11は省略してある。   Specifically, as shown in FIG. 6, the hydrogen production apparatus 31 includes a hydrogen separator 1, a cylindrical mounting bracket 33 into which the open end side of the hydrogen separator 1 is inserted, and an outer peripheral surface of the hydrogen separator 1. And a cylindrical sealing layer 35 (for performing gas sealing) disposed between the inner peripheral surface of the mounting bracket 33 and a cylindrical sealing member that is fitted on the hydrogen separator 1 and presses the distal end side of the sealing layer 35. A pressing metal fitting 37 and a cylindrical fixing metal fitting 39 that is externally fitted to the pressing metal fitting 37 and screwed into the mounting metal fitting 33 are provided. In FIG. 6, the surface structure 11 is omitted.

前記取付金具33は、先端側筒状部41と鍔部43等を備えており、軸中心には、ガスの流路となる貫通孔(中空部)45が形成され、中空部45には、水素分離体1の基端側の端部が収容されている。前記固定金具39は、押圧板47と筒状部49とを備えている。前記押圧金具37は、取付金具33と水素分離体1との間の空間50内にて、(膨張黒鉛からなる)シール層35と隣接して配置されている。   The mounting bracket 33 includes a distal end side tubular portion 41, a flange portion 43, and the like, and a through hole (hollow portion) 45 serving as a gas flow path is formed at the center of the shaft. The base end side end of the hydrogen separator 1 is accommodated. The fixing bracket 39 includes a pressing plate 47 and a cylindrical portion 49. The pressing metal 37 is disposed adjacent to the seal layer 35 (made of expanded graphite) in the space 50 between the mounting metal 33 and the hydrogen separator 1.

ここでは、取付金具33、押圧金具37、固定金具39によって、金属継手51が構成されており、水素分離体1(従って水素製造装置31)は、この金属継手51によって、ステンレス製の金属容器53に固定されて収容されている。なお、金属容器53に収容された水素製造装置31によって、水素分離モジュール55が構成されている。   Here, the metal fitting 51 is constituted by the mounting fitting 33, the pressing fitting 37, and the fixing fitting 39, and the hydrogen separator 1 (and hence the hydrogen production apparatus 31) is made of a stainless metal container 53 by the metal fitting 51. It is fixed and accommodated. A hydrogen separation module 55 is configured by the hydrogen production apparatus 31 accommodated in the metal container 53.

そして、上述した水素分離モジュール55では、例えば水素分離体1の外側(従って金属容器53内)に原料ガスが供給されると、水素分離体1にて原料ガスから水素に分離され、その水素は、水素分離体1の中心孔3を介して外部に取り出される。   In the hydrogen separation module 55 described above, for example, when the source gas is supplied to the outside of the hydrogen separator 1 (therefore, inside the metal container 53), the hydrogen separator 1 separates the source gas into hydrogen. The hydrogen separator 1 is taken out through the central hole 3.

なお、原料ガスとしては、メタンなどの炭化水素ガスと水蒸気との混合ガスや、少なくとも水素ガスを含む混合ガスが挙げられる。
c)次に、本実施例の水素分離体1の製造方法について説明する。
<第1粉末充填工程>
本実施例では、図7(a)に示す様な型枠61を用いてプレス成形を行う。この型枠61の筒状のゴム型63の軸中心には、水素分離体1の外形に対応した円柱形の内部孔65が形成されており、この内部孔65の軸中心には、水素分離体1の中心孔3の形状に対応した円柱状(試験管形状)の中心ピン67が立設されている。これにより、略円筒形状の型枠孔69が形成されている。
Examples of the source gas include a mixed gas of a hydrocarbon gas such as methane and water vapor, or a mixed gas containing at least hydrogen gas.
c) Next, the manufacturing method of the hydrogen separator 1 of a present Example is demonstrated.
<First powder filling step>
In this embodiment, press molding is performed using a mold 61 as shown in FIG. A cylindrical inner hole 65 corresponding to the outer shape of the hydrogen separator 1 is formed at the axial center of the cylindrical rubber mold 63 of the mold 61, and hydrogen separation is performed at the axial center of the inner hole 65. A cylindrical (test tube shape) center pin 67 corresponding to the shape of the center hole 3 of the body 1 is provided upright. Thereby, a substantially cylindrical mold hole 69 is formed.

そして、このゴム型63の型枠孔69内に、緻密質支持体7を形成する材料として、YSZ造粒粉を充填し、円筒状の緻密質形成部71を作製した。
<第2粉末充填工程>
次に、図7(b)に示す様に、同様に、ゴム型63の型枠孔69内において、緻密質形成部71の上に、多孔質支持体5を形成する材料として、造孔材として有機ビーズを48体積%添加したYSZ造粒粉を充填した。
<加圧工程>
次に、図7(c)に示す様に、ゴム型63の上部に、上部金型73を固定した。
Then, YSZ granulated powder was filled into the mold hole 69 of the rubber mold 63 as a material for forming the dense support 7, thereby producing a cylindrical dense forming portion 71.
<Second powder filling step>
Next, as shown in FIG. 7 (b), similarly, a pore former is used as a material for forming the porous support 5 on the dense formation portion 71 in the mold hole 69 of the rubber mold 63. As above, YSZ granulated powder added with 48% by volume of organic beads was filled.
<Pressurization process>
Next, as shown in FIG. 7C, the upper mold 73 was fixed to the upper part of the rubber mold 63.

そして、この状態でゴム型63の外周側より、100MPaにて加圧してプレス成形することにより、図7(d)に示す様な、水素分離体1の形状に対応した有底円筒形状成形体79を作製した。
<焼成工程>
次に、ゴム型63より取り出した有底円筒形状成形体79を脱脂し、その後、大気中で1500℃にて1時間焼成することにより、図8(a)に示す様に、φ10mm×長さ300mmのセラミック焼成体85を得た。なお、このセラミック焼成体85は、緻密質支持体7と多孔質支持体5とからなる
<内側多孔質層形成工程>
次に、YSZ粉末を有機溶媒中に分散させたスラリーを作製し、ディップコーティング法によって、セラミック焼成体85の表面(即ち多孔質支持体5の表面)にスラリーを付着させた。
In this state, the bottomed cylindrical molded body corresponding to the shape of the hydrogen separator 1 as shown in FIG. 7 (d) is formed by pressurizing and pressing at 100 MPa from the outer peripheral side of the rubber mold 63. 79 was produced.
<Baking process>
Next, the bottomed cylindrical molded body 79 taken out from the rubber mold 63 is degreased, and then fired in the atmosphere at 1500 ° C. for 1 hour, thereby obtaining φ10 mm × length as shown in FIG. A 300 mm ceramic fired body 85 was obtained. The ceramic fired body 85 includes the dense support 7 and the porous support 5 <inner porous layer forming step>
Next, a slurry in which YSZ powder was dispersed in an organic solvent was prepared, and the slurry was adhered to the surface of the ceramic fired body 85 (that is, the surface of the porous support 5) by a dip coating method.

そして、このスラリーを付着させたセラミック焼成体85を、大気中にて1150℃で2時間焼き付けて、図8(b)に(図8(a)のB部を拡大して)示す様に、セラミック焼成体85の表面(即ち多孔質支持体5の表面)を覆う内側多孔質層13を形成した。
<Pd金属核形成工程>
次に、内側多孔質層13を備えた多孔質支持体5(その外側)を、Snイオン溶液に浸漬し、Snイオンを内側多孔質層13の表面側(図8(b)の右側)に吸着させ、水洗後、Pdイオン溶液に浸漬させて、SnイオンとPdイオンの交換反応によりPdイオンを吸着させた。
Then, the ceramic fired body 85 to which the slurry is attached is baked at 1150 ° C. for 2 hours in the atmosphere, and as shown in FIG. 8B (enlarged B part in FIG. 8A), The inner porous layer 13 covering the surface of the ceramic fired body 85 (that is, the surface of the porous support 5) was formed.
<Pd metal nucleation process>
Next, the porous support 5 (outside) provided with the inner porous layer 13 is immersed in an Sn ion solution, and Sn ions are placed on the surface side of the inner porous layer 13 (on the right side in FIG. 8B). It was adsorbed, washed with water, immersed in a Pd ion solution, and Pd ions were adsorbed by an exchange reaction between Sn ions and Pd ions.

その後、ヒドラジン溶液に浸漬させることにより、Pdイオンを還元しPd金属核(メッキ核)とした。つまり、内側多孔質層13の細孔21の内周面に、Pd金属核を付着させた。
<保護層形成工程>
次に、Pd金属核を付着させた内側多孔質層13に対して、再度上述したYSZスラリーをディップコーティングした後に、大気中で1500℃にて2時間焼き付けることにより、図8(c)に示す様に、保護層15を形成した。
Then, Pd ions were reduced by dipping in a hydrazine solution to form Pd metal nuclei (plating nuclei). That is, Pd metal nuclei were attached to the inner peripheral surface of the pores 21 of the inner porous layer 13.
<Protective layer forming step>
Next, after the above-described YSZ slurry is again dip-coated on the inner porous layer 13 to which the Pd metal nuclei are attached, baking is performed at 1500 ° C. for 2 hours in the atmosphere, as shown in FIG. Thus, the protective layer 15 was formed.

これによって、多孔質支持体5の表面に内側多孔質層13及び保護層15が形成された水素分離中間体87が得られた。
<無電解メッキ工程>
次に、図8(d)に示す様に、無電解メッキ法(化学メッキ法)により、内側多孔質層13の細孔21内に付着させたPd金属核を成長させ、細孔21の一部を埋めるようにして、内側多孔質層13の表面側(保護層15側:図8(d)の右側)に、3.0μmの厚みでPdからなる無電解メッキ層91を形成した。
As a result, a hydrogen separation intermediate 87 in which the inner porous layer 13 and the protective layer 15 were formed on the surface of the porous support 5 was obtained.
<Electroless plating process>
Next, as shown in FIG. 8D, Pd metal nuclei attached in the pores 21 of the inner porous layer 13 are grown by an electroless plating method (chemical plating method). An electroless plating layer 91 made of Pd with a thickness of 3.0 μm was formed on the surface side of the inner porous layer 13 (the protective layer 15 side: the right side of FIG. 8D) so as to fill the portion.

この無電解メッキ法では、多孔質支持体5の内側多孔質層13や保護層15で覆われた部分を、浴温60℃の無電解Pdメッキ液(パラジウム化合物:濃度2g/L)中にセットし、20分にわたり無電解メッキを行って、無電解メッキ層91を形成した。
<電解メッキ工程>
次に、電解メッキによって、無電解メッキ層91の表面側(保護層15側)に、図8(e)に示す様に、電解メッキによって電解メッキ層93を形成した。
In this electroless plating method, the portion of the porous support 5 covered with the inner porous layer 13 and the protective layer 15 is placed in an electroless Pd plating solution (palladium compound: concentration 2 g / L) at a bath temperature of 60 ° C. The electroless plating layer 91 was formed by performing electroless plating for 20 minutes.
<Electrolytic plating process>
Next, as shown in FIG. 8E, an electrolytic plating layer 93 was formed by electrolytic plating on the surface side (protective layer 15 side) of the electroless plating layer 91 by electrolytic plating.

詳しくは、図9に示す様に、水素分離中間体87の中心孔3に、濃度6.0mol/LのNaCl水溶液(NaCl飽和水溶液)を電解液として導入した。
また、NaCl電解液中に給電電極95を挿し込んだ後、水素分離中間体87を、予め対極97の配置された浴温30℃の電解Agメッキ液(硝酸銀溶液:濃度37g/L)中にセットした。なお、電解Agメッキ液は、保護層15の外側(図9の右図の右側)に供給される。
Specifically, as shown in FIG. 9, a 6.0 mol / L NaCl aqueous solution (NaCl saturated aqueous solution) was introduced as an electrolyte into the center hole 3 of the hydrogen separation intermediate 87.
Further, after inserting the feeding electrode 95 into the NaCl electrolyte, the hydrogen separation intermediate 87 is placed in an electrolytic Ag plating solution (silver nitrate solution: concentration 37 g / L) at a bath temperature of 30 ° C. in which the counter electrode 97 is previously arranged. I set it. The electrolytic Ag plating solution is supplied to the outside of the protective layer 15 (the right side of the right diagram in FIG. 9).

そして、電流値(電流密度)0.3A/dmにて定電流電解メッキを2.0分間実施し、無電解メッキ層91上にAgメッキ膜である厚さ1.0μmの電解メッキ層93を形成し、(後に水素分離金属部27となる)金属部形成体101を作製した。 Then, constant current electrolytic plating was performed for 2.0 minutes at a current value (current density) of 0.3 A / dm 2 , and an electroplating layer 93 having a thickness of 1.0 μm as an Ag plating film was formed on the electroless plating layer 91. To form a metal part forming body 101 (which later becomes the hydrogen separation metal part 27).

なお、電解メッキ層93は、保護層15の内側の一部にも形成されるが、製品としては、メッキ金属が充填されていない外側の多孔質部分が実質的に保護層15として機能する。   The electrolytic plating layer 93 is also formed on a part of the inner side of the protective layer 15, but as a product, the outer porous portion not filled with the plating metal substantially functions as the protective layer 15.

また、この電解メッキでは、多孔質支持体5の内側の中心孔3(従って多孔質支持体5の細孔103)に供給された電解液を介して、無電解メッキ層91に電子が供給され、保護層15の外側(従って保護層15の細孔23)に供給された電解Agメッキ液を介して、無電解メッキ層91の外側にメッキ金属(ここではAg)が供給される。
<合金化工程>
洗浄後に、金属部形成体101に対して、窒素中750℃で熱処理を行い、PdとAgとを合金化し、厚み4μmのPdAg合金からなる水素分離金属部27とした。これにより、厚み4μmの水素分離層17が形成された。
Further, in this electrolytic plating, electrons are supplied to the electroless plating layer 91 via the electrolytic solution supplied to the central hole 3 inside the porous support 5 (and hence the pore 103 of the porous support 5). The plating metal (here, Ag) is supplied to the outside of the electroless plating layer 91 through the electrolytic Ag plating solution supplied to the outside of the protective layer 15 (and hence the pores 23 of the protective layer 15).
<Alloying process>
After cleaning, the metal part forming body 101 was heat-treated at 750 ° C. in nitrogen to alloy Pd and Ag, thereby obtaining a hydrogen separation metal part 27 made of a PdAg alloy having a thickness of 4 μm. Thereby, a hydrogen separation layer 17 having a thickness of 4 μm was formed.

これらの工程によって、水素分離体1が完成した。また、この水素分離体1に金属継手51を取り付けて、水素分離装置31を完成した。
e)次に、本実施例の効果について説明する。
Through these steps, the hydrogen separator 1 was completed. Further, a metal joint 51 was attached to the hydrogen separator 1 to complete the hydrogen separator 31.
e) Next, the effect of the present embodiment will be described.

本実施例では、後述する実験例からも明らかなように、多孔質体20における水素分離金属の充填の割合を示す指標である充填率εと、水素分離層17の厚み方向における水素の透過経路の長さの程度を示す指標である屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2〜0.6の範囲であるので、高い水素透過性能と高い耐剥離性とを両立できる。   In this embodiment, as is apparent from the experimental examples described later, the filling rate ε, which is an index indicating the filling ratio of the hydrogen separation metal in the porous body 20, and the hydrogen permeation path in the thickness direction of the hydrogen separation layer 17 Since the ratio (ε / τ) to the bending degree τ, which is an index indicating the degree of the length, is in the range of 0.2 to 0.6, both high hydrogen permeation performance and high peel resistance can be achieved.

また、本実施例では、水素分離層17の厚みが0.1μm以上であるので、(原料ガス等から)分離される水素の純度が高い。また、水素分離層17の厚みが10μm以下であるので、水素透過性能が高いという効果がある。
[実験例]
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
In the present embodiment, since the thickness of the hydrogen separation layer 17 is 0.1 μm or more, the purity of hydrogen separated (from the raw material gas or the like) is high. Moreover, since the thickness of the hydrogen separation layer 17 is 10 μm or less, there is an effect that the hydrogen permeation performance is high.
[Experimental example]
Next, experimental examples conducted for confirming the effects of the present invention will be described.

実験に使用する水素分離体として、下記表1に示す実施例1〜5の試料を作製した。また、比較例として、比較例1〜6の試料を作製した。なお、製造方法(製造条件)は、下記表1に示す内容以外は、上述した実施例と同様である。   Samples of Examples 1 to 5 shown in Table 1 below were produced as hydrogen separators used in the experiment. Moreover, the sample of Comparative Examples 1-6 was produced as a comparative example. The manufacturing method (manufacturing conditions) is the same as that in the above-described example except for the contents shown in Table 1 below.

そして、これらの試料に対して、上述した方法によって、水素分離層における、充填率ε、屈曲度τ、厚みd、水素透過性能を調べた。また、水素分離層の厚み方向の界面における剥離の有無を拡大鏡によって調べた。   Then, for these samples, the filling rate ε, the bending degree τ, the thickness d, and the hydrogen permeation performance in the hydrogen separation layer were examined by the method described above. Moreover, the presence or absence of peeling at the interface in the thickness direction of the hydrogen separation layer was examined with a magnifying glass.

なお、水素透過性能は、下記の方法によって測定した。
温度550℃の条件下で、水素分離体の外側(供給側)に水素ガスを供給して内側(透過側)に水素ガスを透過させて、外側と内側との圧力差を0.1MPaとなるよう調整し、湿式ガスメーターを用いて、内側に透過してくる水素ガスの単位面積[cm]及び単位時間[min]当たりの透過量[cc]を測定した。
The hydrogen permeation performance was measured by the following method.
Under the condition of a temperature of 550 ° C., hydrogen gas is supplied to the outside (supply side) of the hydrogen separator and permeated to the inside (permeation side), and the pressure difference between the outside and inside becomes 0.1 MPa. Then, using a wet gas meter, the permeation amount [cc] per unit area [cm 2 ] and unit time [min] of hydrogen gas permeating inward was measured.

その結果を、下記表1及び図10に示す。なお、図10の縦軸は水素透過性能(Hydrogen permeability)を示し、横軸は充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)を示す。   The results are shown in Table 1 below and FIG. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 10 shows hydrogen permeability (Hydrogen permeability), and a horizontal axis | shaft shows ratio ((epsilon) / (tau)) of the filling rate (epsilon) and bending degree (tau).

また、下記表2〜5には、実施例1〜3、比較例1における屈曲度τの算出手順を示した。なお、表2〜5において、直線部経路長とは図1における白線の(上下方向の)垂線部分の長さ(円内は除く)であり、斜線部経路長とは傾斜した部分の長さであり、円周部経路長とは円の半円部分の長さであり、全経路長とはこれらの3種の長さを合計した長さであり、屈曲度τとは全経路長を層厚みdで割ったものである。   In Tables 2 to 5 below, calculation procedures of the degree of bending τ in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown. In Tables 2 to 5, the straight portion path length is the length (excluding the inside of the circle) of the white line (vertical direction) of the white line in FIG. 1, and the shaded portion path length is the length of the inclined portion. The circumferential path length is the length of the semicircular part of the circle, the total path length is the total length of these three types, and the bending degree τ is the total path length. Divided by the layer thickness d.

なお、表1中の層厚みと下記表2、3、4中の平均厚みが若干異なっているが、表1中は、上述した充填率εを求める方法を説明する箇所で示したルールに基づき切り出された測定領域の水素分離層の厚み方向の長さであり、他方、表2〜4中の各No.1〜5の水素分離層厚みは、上述した経路長の長さを求める方法を説明した箇所に記載のようにスタート時の空孔は除外している。このため、両者の層厚みに若干の差が存在する場合があるが、1%程度の差であり、屈曲度τに与える影響は非常に小さく無視できるレベルであるため、問題はない。
<実施例1>
実施例1では、画像解析による水素分離層における面積比は、空孔1.2%、YSZ47.1%、PdAg51.7%、厚み4.48μmである。
In addition, although the layer thickness in Table 1 and the average thickness in the following Tables 2, 3, and 4 are slightly different, Table 1 is based on the rules shown in the section explaining the method for obtaining the above-described filling rate ε. It is the length in the thickness direction of the hydrogen separation layer in the cut out measurement region. The hydrogen separation layer thickness of 1 to 5 excludes the vacancies at the start as described in the section explaining the method for obtaining the path length described above. For this reason, there may be a slight difference in the layer thickness between the two, but this is a difference of about 1%, and the influence on the bending degree τ is very small and can be ignored, so there is no problem.
<Example 1>
In Example 1, the area ratio in the hydrogen separation layer by image analysis is 1.2% of holes, 47.1% of YSZ, 51.7% of PdAg, and a thickness of 4.48 μm.

<実施例2>
実施例2では、画像解析による水素分離層における面積比は、空孔1.5%、YSZ56.2%、PdAg42.3%、厚み3.96μmである。
<Example 2>
In Example 2, the area ratio in the hydrogen separation layer by image analysis is 1.5% of holes, 56.2% of YSZ, 42.3% of PdAg, and a thickness of 3.96 μm.

<実施例3>
実施例3では、画像解析による水素分離層における面積比は、空孔1.3%、YSZ64.1%、PdAg34.6%、厚み4.71μmである。
<Example 3>
In Example 3, the area ratio in the hydrogen separation layer by image analysis is 1.3% of pores, 64.1% of YSZ, 34.6% of PdAg, and 4.71 μm in thickness.

<比較例1>
比較例1では、画像解析による水素分離層における面積比は、空孔1.3%、YSZ72.5%、PdAg26.2%、厚み4.92μmである。
<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, the area ratio in the hydrogen separation layer by image analysis is 1.3% vacancy, 72.5% YSZ, 26.2% PdAg, and 4.92 μm in thickness.

表1及び図10から明らかなように、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2以上の試料(実施例1〜5)では、水素透過性能が18.7[cc/min/cm]以以上と高く好適である。 As is clear from Table 1 and FIG. 10, in the samples (Examples 1 to 5) in which the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ is 0.2 or more, the hydrogen permeation performance is 18.7. [Cc / min / cm 2 ] or higher is preferable.

なお、この水素透過性能は、15[cc/min/cm]以上が好適であり、これを下回ると、水素製造装置として使用する際に、十分な水素量(従って水素製造量)を得る為に必要な膜面積が多くなる(水素透過性能NG)。即ち、装置が大きくなる且つコストが高くなるため好ましくない。 The hydrogen permeation performance is preferably 15 [cc / min / cm 2 ] or more, and below this value, in order to obtain a sufficient amount of hydrogen (and hence the amount of hydrogen production) when used as a hydrogen production apparatus. The required membrane area is increased (hydrogen permeation performance NG). That is, it is not preferable because the apparatus becomes large and the cost becomes high.

また、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.6以下の試料(実施例1〜5)では、水素分離層の界面における剥離が見られず好適である。
つまり、この実験から、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2〜0.6の範囲の場合(実施例1〜5)には、高い水素透過性能と高い耐剥離性とを両立できることが分かる。
In addition, a sample (Examples 1 to 5) having a ratio (ε / τ) of the filling rate ε and the bending degree τ of 0.6 or less is preferable because peeling at the interface of the hydrogen separation layer is not observed.
That is, from this experiment, when the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ is in the range of 0.2 to 0.6 (Examples 1 to 5), high hydrogen permeation performance and high It can be seen that both the peel resistance can be achieved.

それに対して、比較例1〜3では、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2未満であるので、水素透過性能が低く好ましくない。また、比較例4〜6では、充填率εと屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.6を上回るので、剥離が発生しており好ましくない(剥離NG)。   On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3, since the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ is less than 0.2, the hydrogen permeation performance is low, which is not preferable. Further, in Comparative Examples 4 to 6, the ratio (ε / τ) between the filling rate ε and the bending degree τ exceeds 0.6, and thus peeling is not preferable (peeling NG).

尚、本発明は前記実施形態や実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば、水素分離金属層中の充填率は、層厚方向で片側から反対側へ傾斜していてもよく、中央部で充填率が高くなるよう傾斜していてもよく、また充填率の異なる複数の層で構成されていてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment and Example at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
(1) For example, the filling rate in the hydrogen separation metal layer may be inclined from one side to the opposite side in the layer thickness direction, and may be inclined so as to increase the filling rate in the central part. May be composed of a plurality of different layers.

(2)また、上述した内部給電方式の電解めっき以外に、通常の電解めっきを採用できる。この場合は、全多孔質層内に形成したPd金属層等に対して、導通を取るようにクリップ等によって一方の電極を取り付け、通常の様に電解めっきを行うことができる。   (2) In addition to the above-described internal feeding type electrolytic plating, normal electrolytic plating can be employed. In this case, one electrode is attached to the Pd metal layer or the like formed in the entire porous layer with a clip or the like so as to be conductive, and electrolytic plating can be performed as usual.

つまり、(一方の電極が取り付けられた)金属層等と他方の電極との間にめっき液を供給し、両電極間に電圧を印加することによって電解めっきを行うことができる。
(3)更に、内部給電方式の場合には、セラミック支持体の外側に電解液を供給するとともに、内側に電解めっき液を供給し、内側(中心孔側)よりめっき金属を析出させてもよい。
That is, electrolytic plating can be performed by supplying a plating solution between a metal layer (with one electrode attached) and the other electrode and applying a voltage between the two electrodes.
(3) Further, in the case of the internal power feeding method, the electrolytic solution may be supplied to the outside of the ceramic support, and the electrolytic plating solution may be supplied to the inside to deposit the plating metal from the inside (center hole side). .

(4)また、前記各実施例の水素分離体中(例えば多孔質支持体内など)に、天然ガス等の原料ガスを改質(例えば水蒸気改質)して、水素リッチの改質ガスとする(Ni等の)改質触媒を加えてもよい。   (4) Further, a raw material gas such as natural gas is reformed (for example, steam reforming) in the hydrogen separator of each of the above embodiments (for example, a porous support body) to obtain a hydrogen-rich reformed gas. A reforming catalyst (such as Ni) may be added.

1…水素分離体
5…多孔質支持体
7…緻密質支持体
9…セラミック支持体
13…内側多孔質層
15…外側多孔質層(保護層)
17…水素分離層
19…多孔質層
20…多孔質体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen separator 5 ... Porous support 7 ... Dense support 9 ... Ceramic support 13 ... Inner porous layer 15 ... Outer porous layer (protective layer)
17 ... Hydrogen separation layer 19 ... Porous layer 20 ... Porous body

Claims (3)

多孔質体と、該多孔質体の細孔内に水素を含む気体のうち水素のみを選択して透過させる水素分離金属が充填された水素分離層と、を有する水素分離体において、
前記水素分離層における前記水素分離金属の充填の割合を示す指標である充填率εと、前記水素分離層の厚み方向における前記水素の透過経路の長さの程度を示す指標である屈曲度τとの比(ε/τ)が、0.2〜0.6の範囲であることを特徴とする水素分離体。
In a hydrogen separator having a porous body, and a hydrogen separation layer filled with a hydrogen separation metal that selectively allows permeation of hydrogen in a gas containing hydrogen in the pores of the porous body,
A filling rate ε, which is an index indicating the filling ratio of the hydrogen separation metal in the hydrogen separation layer, and a bending degree τ, which is an index indicating the degree of the length of the hydrogen permeation path in the thickness direction of the hydrogen separation layer; A hydrogen separator having a ratio (ε / τ) of 0.2 to 0.6.
前記水素分離金属が充填された水素分離層の厚みが、0.1〜10μmの範囲であることを特徴とする請求項1に記載の水素分離体。   2. The hydrogen separator according to claim 1, wherein a thickness of the hydrogen separation layer filled with the hydrogen separation metal is in a range of 0.1 to 10 μm. 前記請求項1又は2に記載の水素分離体を備えたことを特徴とする水素製造装置。   A hydrogen production apparatus comprising the hydrogen separator according to claim 1.
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