JP3801838B2 - 水素ガス分離ユニット及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素含有ガス中の水素を分離する水素ガス分離ユニットの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、水素含有ガスから水素を精製回収する方法としては、吸着剤を利用した圧力スイング吸着法(PSA法)で不純物を分離除去する方法や、有機または無機の水素分離膜によって水素を分離する方法などがある。水素分離膜を用いる方法は、省エネルギー、分離効率、装置構成の簡易性、運転容易性などの点で注目されている。
【0003】
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、多孔質ガラスや多孔質セラミックスなどの無機多孔質膜、パラジウムまたはパラジウム合金膜などがある。例えば、特開平7−124453号公報においては、金属支持体の片面にパラジウムと他の金属の薄膜をそれぞれ電気メッキ法により交互積層し、金属支持体の片面にエッチング法により細孔を多数穿孔し、熱処理してパラジウム合金化し、さらに、金属板表面をエッチングして細孔を多数穿孔したものを作り、それらを一体化して水素分離膜を形成する工程が記載されている。
【0004】
しかし、上記のようにステンレス鋼板等の金属支持板上に直接密着性の良いめっき層を形成することは困難であという問題があり、最後に行う熱処理工程でのパラジウムとニッケルとの合金層なども一定の厚みに安定的に形成されないおそれがある。
【0005】
さらに、めっき処理は、ピンホールなどの欠陥が出やすく、パラジウムなどの金属薄膜に孔が形成されたものができるという問題がある。特に複層めっき処理の場合にはめっき浴組成及び電流、温度等のめっき条件の管理も厳密にする必要があり煩雑な工程となる。
また、パラジウムなどの金属薄膜の露出面積を大きくとれないのでガスの透過量に制限があるという問題もある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、水素ガス分離を行うにあたり、水素ガス分離性を有する材料の有効面積を大きくとれる水素ガス分離ユニットの製造方法を提供することである。また、水素ガス分離性を有する材料のハンドリング性を考慮した水素ガス分離ユニットの製造方法を提供することを課題とする。さらに、水素ガス分離性を有する材料の露出面積を増し水素ガスの透過ガス量を増大させることができる水素ガス分離ユニットの製造方法を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素ガス分離ユニットの製造方法は、金属板の片面に水素ガス分離性を有する材料をクラッド加工法により積層してクラッド板を製造し、得られたクラッド板を切断してクラッド切板とし、クラッド切板の金属板をエッチングして水素ガス分離性を有する材料を露出させるとともに展張枠を形成し、前記材料の他面に該材料を支持する金属支持体を積層することを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の製造方法によって製造される水素ガス分離ユニットを図面を用いて説明する。図1は、水素ガス分離ユニットAの構造を説明するために上中下3層に分解した斜視図である。図1において、水素ガス分離ユニットAは、水素ガス分離性を有する材料(例えば、パラジウム合金箔。以下、パラジウム合金箔を例として説明する。)13の片面に展張枠10が積層されており、他面には、多数の孔が形成された金属支持体11が積層されている。
【0009】
図1に示すように、水素ガス分離ユニットAの上面に積層されている展張枠10は、中央部に2個の開口部105がエッチング法などで形成された枠体である。開口部105の形状は、四角形、六角形、円形、楕円形など様々なものが適用できる。その並び方も、特に問わない。展張枠10は、できるだけ大きく開口されている方がガス流通面積を大きくとれて好ましい。例えば、周囲部分101のみの骨組みとすることも好ましい。
また、パラジウム合金箔13のハンドリング時の破れなどを考慮すれば、図1に示すように、中央部分102を設けることも好ましい。展張枠10の材質は、ステンレス鋼、ニッケル又はニッケル基合金、銅又は銅合金、鉄合金などが好ましい。展張枠10の厚みは、10〜500μmであるのが好ましく、50〜200μm程度であるのがさらに好ましい。厚みが10μm未満であると枠体としての機械的強度に欠け、一方500μmを超えると、例えばエッチング法などで形成させるのに時間がかかり好ましくない。
【0010】
次に、パラジウム合金箔13の他面に積層される金属支持体11について説明する。
金属支持体11には、直径が10〜500μm、好ましくは50〜200μmの円形状又は楕円形状の細孔bが形成されている。直径が10μm未満ではガスの流通抵抗が大きく、一方500μmを超えると、パラジウム合金箔12が細孔b内に食い込み、パラジウム合金箔13に亀裂を生じやすくなる。なお、細孔bの形成密度は、150〜3000個/cm2 程度が好ましい。
【0011】
また、この細孔bの形状は、図1に示すように、一方の径が極めて長い長孔状であっても差し支えない。細孔bの配置状態は、どのような並べ方であっても差し支えないが、千鳥状に並べると孔形成密度を高めることができ好ましい。
【0012】
金属支持体11は、ステンレス鋼板、ニッケル又はニッケル基合金板、銅又は銅合金板、鉄合金板などの金属板が好ましい。金属支持体11は、材質としてセラミックスなどの多孔質の無機材料を用いることもできる。
【0013】
金属支持体11の厚みは、10〜500μmであるのが好ましく、50〜200μm程度であるのがさらに好ましい。厚みが10μm未満であると支持体としての機械的強度に欠け、一方500μmを超えると、例えばエッチング法などにより細孔を形成させるのに時間がかかり好ましくない。
【0014】
次に、パラジウム合金箔13について説明する。パラジウム合金箔13は、パラジウムを主体とする合金の薄い箔であり、パラジウムに、周期律表第VIII族元素(例えば、コバルト、ニッケル)、IB族(例えば、銅、銀、金)、IIIB族(例えば、イットリウム)の群から選ばれた少なくとも1種の他の金属を合金化させたものが好ましく用いられる。なかでも、パラジウムと銀との合金箔、パラジウムと銀とホロニウムとの合金箔がさらに好ましい。
パラジウムに合金化させる元素の含有量は、1〜50重量%であることが好ましく、10〜30重量%であることがさらに好ましい。パラジウム合金を用いる理由は、パラジウム単体では水素脆化が生じ、合金元素の含有量を1重量%以上とすると、水素脆化が防止できるからである。
また、合金元素の含有量が50重量%を超えると、水素の透過速度が遅くなるので好ましくないからである。
【0015】
パラジウム合金箔13の厚みは、ハンドリング性などを鑑みて、3〜100μmとすることが好ましい。さらに好ましくは5〜50μmである。パラジウム合金箔13の厚みが3μm未満では、パラジウム合金箔13にピンホールが生じやすくなり、分離水素の純度も低下することになる。一方厚みが100μmを超えると、水素の透過速度が遅くなる。
なお、水素ガス分離性を有する材料として、パラジウム合金箔を一例として説明したが、水素ガス分離性を有するものであれば、他の材料でもかまわない。形態も、板状、箔状など様々なものが使用可能である。ここで、「水素ガス分離性を有する」とは、水素を含んだ混合ガス中の中から、水素ガスを選択的に分離できる機能を有することをいう。
【0016】
次に、本発明の水素ガス分離ユニットの製造方法を説明する。
図2は、水素ガス分離ユニット製造工程の一部を示すクラッド板加工装置の概略図である。まず、展張枠となる金属板21の片面にパラジウム合金箔23をクラッド加工して積層する。クラッド加工は、事前に表面清浄化処理した金属板21を、図2に示すクラッド板加工装置の巻戻しリール22に巻き付ける。
同様に、事前に表面清浄化処理したパラジウム合金箔23を巻戻しリール24に巻き付ける。巻戻しリール22,24から金属板21とパラジウム合金箔23とを同時に巻戻し、エッチングチャンバ25内に突出した電極ロール26,26に巻付け、エッチングチャンバ25内において、それぞれの合わせ面をスパッタエッチング処理して活性化する。
【0017】
このスパッタエッチング処理して活性化処理する方法は、本出願人が先に特開平1−224184号公報で開示したように、(1)1×10−1〜1×10−4 Torr の極低圧不活性ガス雰囲気中で、(2)金属板21とパラジウム合金箔23とを、それぞれアース接地した一方の電極とし、絶縁支持された他の電極との間に1〜50 MHzの交流を印加してグロー放電を行わせ、(3)かつ、前記グロー放電によって生じたプラズマ中に露出される電極の面積が、電極の面積の1/3以下で、(4)スパッタエッチング処理することによって行うことが好ましい。
その後、真空槽20内に設けた圧延ユニット27によってクラッド加工(冷間圧接)し、二層構造を有するクラッド板29を巻き取りロール28に巻き取り、2層の積層構造を有するクラッド板29を製造する。
【0018】
このようにして作製したクラッド板29を、適宜な縦横サイズに切断し、クラッド切板K(図3(a)参照)とし、水素ガス分離ユニットの原板に供する。
【0019】
次に、前工程で得られたクラッド切板Kの片面に開口部105をエッチング法により形成する。エッチングする方法としては、まず、クラッド切板Kの片面(金属板21)にネガ型レジスト31を塗布し(図3(b)参照)、ベーキング後、開口部105に相当するパターンが形成されたマスクを介して紫外線などの光を照射し露光する。露光後、現像して(図3(c)参照)ポストベークし、エッチングし、残存するレジストを除去し、展張枠10を完成させる。
【0020】
なお、金属板21上のレジスト密着性を向上させるために、前処理として水酸化ナトリウム水溶液であらかじめクラッド切板Kをアルカリ洗浄し、水洗、中和、乾燥などを行い、レジスト塗布面の清浄化を行っておくことが望ましい。レジストのタイプとしては、カゼインタイプ、PVAタイプなどの水溶性タイプ、アクリルポリマー系の溶剤溶解性タイプなどが用いられる。レジスト被覆の条件としては、例えば次のようなものが好ましい。
レジスト種類;PVA−重クロム酸系の水溶性タイプ〔富士薬品工業(株)製、FR−14〕
塗布厚;7μm
洗浄化した金属板21へレジストを塗布する方法としては、ロールコート法、スピンコート法、ディップ引き上げコート法などが用いられる。
【0021】
塗布厚みは、レジスト粘度、引き上げスピードなどで変わるが、解像度の面からは、3〜15μmが好ましい。次に、レジスト31の皮膜にあらかじめパターン画像が形成されたフィルムマスクを密着させて、紫外線を60〜70秒程照射する。
【0022】
次の現像工程で未露光部分のレジストが溶解除去され、金属板21の面が露出され、後の工程でエッチングされる部分となる(図3(c)参照)。現像は、水をスプレー塗布して行った。開口部105となるパターンが形成されたレジスト31皮膜は、エッチング工程に先立ち、塗膜密着性などを高めるため、熱風や遠紫外線輻射などを用いてポストベークを行うことが好ましい。通常、100〜120℃で15〜30分行う。
【0023】
金属板21のエッチングは、2段階に分けて行う。
まず、第1段階のエッチングとして、45〜49°Be(ボーメ)の塩化第2鉄水溶液を対象物面にスプレーすることが好ましい。塩化第2鉄水溶液の液温は、45〜65℃が好ましい。第1段階のエッチングは、全エッチング量の8〜9割行う。次に第2段階目のエッチングを行う。第2段階目エッチングは、残りの金属板21を完全に除去するため電解エッチングを行う。電解エッチング液は、リン酸液を用いることが望ましいが、金属板をエッチングできる液であれば特にその種類は問わない。エッチングされた金属板21は、水洗洗浄、レジスト除去して、水素ガス分離ユニットAの一部である、展張枠10とパラジウム合金箔13とが一体化した、枠付きパラジウム合金箔pが得られる。
本実施例のエッチング処理では、金属板の開口部105の面積が70mm×140mmになるように、片面からエッチング液を吹きつけて行った。レジスト除去は、5〜10重量%の水酸化ナトリウム水溶液を、50〜70℃に加温した液に浸漬して行った。なお、本実施例では、金属板21とパラジウム合金箔23とを一体化した積層体の製造方法ついては、クラッド法を用いて説明したが、他の方法で両者を積層することもできる。例えば、接着剤を用いて金属板21とパラジウム合金箔23とを一体化した積層体を製造することもできる。
また、あらかじめプレス法等で金属板の中央部を打ち抜き、枠体を作成し、その枠体を、パラジウム合金箔と溶接法を用いて一体化することもできる。
【0024】
次に、前述した工程で作成した枠付きパラジウム合金箔pの下側に、前述の図1に示したような金属支持板11をあてがい、水素ガス分離ユニットAを完成させる。上記のようにして完成した水素ガス分離ユニットAを、金属支持板11の面が内側になるように、その周囲をレーザー溶接などでケース34に固定化して水素ガス分離体Yとする(図5参照)。
【0025】
次に、本発明製造方法によって製造された水素ガス分離ユニットAを用いて水素を分離する方法の一例を図4を用いて説明する。図4に示すように、水素ガス分離機Xには、水素ガス分離ユニットAを組み込んである水素ガス分離機Xが設置されている。
【0026】
原料ガスGgは、水素ガス分離機Xの上部の原料ガス導入パイプ42から導入されると、原料ガスGg中の水素ガスが、水素ガス分離ユニット105のパラジウム合金箔13を透過し、透過ガスGtとして下部の分離ガス排出パイプ41から取り出される。一方、非透過ガスGnは、水素ガス分離機Xの上方43より系外へ排出される。
【0027】
【発明の効果】
本発明の水素ガス分離ユニット製造方法は、水素ガス分離性を有する材料(パラジウム合金箔)の露出面積が大きく、パラジウム合金箔が展張枠によって展張された状態にあるので、パラジウム合金箔を破壊することなく水素ガス分離ユニットを製造することができる。また、パラジウム合金箔の下側には、金属支持板をあてがってあるので、原料ガスの圧力によってパラジウム合金箔が破壊されることがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】水素ガス分離ユニットの構造を説明するための分解した斜視図である。
【図2】水素ガス分離ユニットの製造工程の一部を示すクラッド板加工装置の概略図である。
【図3】クラッド切板Kをエッチングする説明図である。
【図4】水素ガス分離ユニットを用いて水素を分離する方法の一例を示す説明図である。
【図5】水素ガス分離体Yの概略斜視図である。
【符号の説明】
10・・・展張枠
11・・・金属支持体
13・・・水素ガス分離性を有する材料(パラジウム合金箔)
20・・・真空槽
21・・・金属板
22・・・巻戻しリール
23・・・水素ガス分離性を有する材料(パラジウム合金箔)
24・・・巻戻しリール
25・・・エッチングチャンバー
26・・・電極ロール
28・・・巻取りリール
29・・・クラッド板
31・・・レジスト
41・・・分離ガス排出パイプ
42・・・原料ガス導入パイプ
A・・・水素ガス分離ユニット
K・・・クラッド切板
X・・・水素ガス分離機
Y・・・水素ガス分離体
Gg・・・原料ガス
Gt・・・透過ガス
Gn・・・非透過ガス
Claims (1)
- 金属板の片面に水素ガス分離性を有する材料をクラッド加工法により積層してクラッド板を製造し、得られたクラッド板を切断してクラッド切板とし、クラッド切板の金属板をエッチングして水素ガス分離性を有する材料を露出させるとともに展張枠を形成し、前記材料の他面に該材料を支持する金属支持体を積層することを特徴とする、水素ガス分離ユニットの製造方法。
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