JP4038292B2 - Hydrogen separator - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多成分混合ガス(原料ガス)から水素のみを拡散分離する水素分離体に関する。
【0002】
【従来の技術】
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、有機又は無機のガス分離膜によって分離する方法が知られている。
膜分離法に用いられる分離膜は、水素分離膜として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膜などの無機化合物膜が、酸素分離膜として銀又は銀合金膜が知られている。特に、パラジウム又はパラジウム合金膜は耐熱性もあり、また極めて高純度の水素を得ることができる。
【0003】
パラジウム又はパラジウム合金は、水素を固溶して透過させる性質があり、この性質を利用し、パラジウム又はパラジウム合金からなる薄膜は水素を含有する混合ガスから水素を分離する水素分離体に広く用いられている。
しかしながら、このパラジウム薄膜単独では機械的強度が弱いので、特開昭62−273030号公報には、多孔質ガラス、多孔質セラミックス、又は多孔質酸化アルミニウムなどの無機多孔質支持体の表面に、パラジウム又はパラジウム合金を被着させ、パラジウム又はパラジウム合金からなる薄膜の機械強度を高めている。
【0004】
また、特開平3−146122号公報には、耐熱性多孔質基体の表面に、無電解めっき法によりパラジウム薄膜を形成し、パラジウム薄膜上に無電解めっき法により銀薄膜を形成し、次いで、熱処理を行う水素分離体の製造方法を開示している。この製造方法は、多孔質基体とそれを被覆するパラジウム合金薄膜とを有する水素分離体が得られるが、この熱処理によって、パラジウム合金薄膜において、パラジウムと銀とが均一に分布するようになっている。
【0005】
更に、特公平5−53527号公報には、多孔質セラミック層の表面に、無電解パラジウムめっきを施して電気伝導性を付与した後、その上に、電解パラジウムめっきにより、表面を完全に被覆する電解パラジウム又はパラジウム合金めっき膜の被膜を形成するガス分離薄膜の製造方法を開示している。
これにより、比較的大きな孔径を有する多孔質セラミック表面であっても、より緻密なパラジウム又はパラジウム合金薄膜を得ることができる。
【0006】
しかしながら、以上に示したそれぞれの水素分離体は、例えば、低温(室温)から高温(300〜500℃)までの広い温度範囲で変動する雰囲気下に晒された場合、多孔質基体とパラジウムを含む水素分離膜との熱膨張率の違いから、昇温時に圧縮応力、降温時に引張応力が水素分離膜に発生し、この操作の繰り返しにより、加工硬化を起こし、変形ができなくなった時点で水素分離膜に亀裂が生じたり、多孔質基体から剥離するという問題点があった。
【0007】
これらを解消するために、特開平10−28850号公報には、図4に示すような、多孔質セラミックスからなる基材32と、基材32上に形成された第1層34と、第1層34上に形成されかつパラジウム又はパラジウムを含む合金からなる第2層36とを積層して構成された水素分離構造体30が開示されている。
これは、第1層34を基材32と第2層36との間の熱膨張係数の材料で形成することにより、温度変動の激しい雰囲気下において、基材32と第2層36との熱膨張差により発生する応力を緩和して、基材32から第2層36の剥離を防止するものである。
【0008】
しかしながら、上記の第1層34は、パラジウムを含まないため、水素透過の点から阻害層となり、第1層34をポーラスな膜(基材の表面の孔の一部を埋めるように形成した膜)にしても、水素透過速度の低下による水素分離効率の低下は避けられない。
また、水素透過速度の低下を防ぐために、第1層34をよりポーラスな膜にした場合、第2層36で基材の表面の孔を埋めきることができず、ピンホールが発生し、第2層36の気密性が保てなくなるため、高純度の水素が得られなくなるという問題点があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、昇降温時に多孔質基体と水素分離膜との熱膨張差により発生する応力を緩和することにより、水素分離膜の亀裂や多孔質基体からの剥離を防止することができ、水素分離効率および耐久性に優れた水素分離体を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、多孔質基体上に水素分離膜を形成させた水素分離体であって、上記水素分離膜が、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を分散させたものであるとともに、無機材料粒子の熱膨張率が、多孔質基体と水素分離能を有する金属との間の値であり、且つ水素分離膜が、多孔質基体の表面から水素分離膜の表面に向い、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を段階的又は連続的に傾斜して分散させてなることを特徴とする水素分離体が提供される。
【0011】
このとき、本発明では、水素分離膜中の無機材料粒子の含有率が、5〜40容積%であることが好ましい。
【0012】
また、本発明によれば、多孔質基体上に水素分離膜を形成させた水素分離体であって、上記水素分離膜が、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を分散させたものであるとともに、無機材料粒子の熱膨張率が、多孔質基体と水素分離能を有する金属との間の値である第1層と、第1層上に積層され、水素分離能を有する金属からなる第2層と、からなることを特徴とする水素分離体が提供される。
【0013】
このとき、本発明では、第1層が、多孔質基体の表面から第1層の表面に向い、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を段階的又は連続的に傾斜して分散させたものであることが好ましく、第1層中の無機材料粒子の含有率が、5〜40容積%であることが好ましい。
【0014】
尚、本発明では、無機材料粒子の平均粒子径が、0.1〜5μmであることが好ましく、無機材料粒子の主成分が、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、Cr2O3のいずれかであることが好ましい。
【0015】
また、水素分離能を有する金属は、パラジウム、パラジウムを主成分とする合金、又はパラジウムを含有する合金であることが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の水素分離体は、多孔質基体上に形成させた水素分離膜が、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を分散させたものであるとともに、無機材料粒子が多孔質基体と水素分離能を有する金属との間の値である第1層と、第1層上に積層され、水素分離能を有する金属からなる第2層とからなるものである。
尚、上記の水素分離膜は、第1層のみであってもよい。
【0017】
これにより、昇降温時における多孔質基体と水素分離膜との熱膨張差により発生する応力を緩和することにより、水素分離膜の亀裂や多孔質基体からの剥離を防止することができるため、水素分離効率および耐久性に優れた水素分離体を得ることができる。
【0018】
以下、図面に基づき本発明を更に詳細に説明する。
図1は、本発明の水素分離体の一例を示す部分断面説明図である。
本発明の水素分離体の一例は、図1に示すように、多孔質基体2上に、水素分離能を有する金属3中に無機材料粒子6を分散させた水素分離膜4を形成させたものである。
上記の水素分離体1は、水素分離膜4の熱膨張率を多孔質基体2の熱膨張率に近づけることにより、水素分離膜4の降伏応力を小さくすることができ、昇降温時に水素分離膜4に発生する応力を緩和することができるため、水素分離膜4の亀裂や多孔質基体からの剥離を防止することができる。
これにより、水素分離体1の耐久性および信頼性を大幅に向上させることができる。
【0019】
上記のことを実現するために、無機材料粒子6の熱膨張率は、多孔質基体2と水素分離能を有する金属3との間の値、より好ましくは、多孔質基体2と水素分離能を有する金属3との中間の値であることが重要である。
これは、水素分離能を有する金属3中に、上記の条件を満たした無機材料粒子6を分散させることにより、水素分離膜4と多孔質基材2との熱膨張差をマクロ的に補完することができるため、昇降温時に多孔質基材2と水素分離膜4との熱膨張差により発生する応力を緩和することができるからである。
【0020】
また、水素分離膜4は、多孔質基体の表面2aから水素分離膜の表面4aに向い、水素分離能を有する金属3中に無機材料粒子6を段階的又は連続的に傾斜して分散させたものであることが重要である。
これは、多孔質基体の表面2a付近の無機材料粒子6の含有率を水素分離膜の表面4a付近よりも相対的に高くすることにより、昇降温時に多孔質基材2と水素分離膜4との熱膨張差により発生する応力がより緩和されるため、水素分離膜4の亀裂や多孔質基体2からの剥離を防止する効果をより向上させることができるからである。
【0021】
更に、水素分離膜4中の無機材料粒子の含有率は、5〜40容積%であることが好ましい。
これは、水素分離膜4中の無機材料粒子6の含有率が、5容積%未満である場合、昇降温時に多孔質基材2と水素分離膜4との熱膨張差により発生する応力を緩和することができないからである。
一方、水素分離膜4中の無機材料粒子6の含有率が、40容量%を超過する場合、無機材料粒子6が水素拡散を阻害するため、水素透過速度が低下するからである。
【0022】
尚、水素分離膜4の厚さbは、50μm以下であることが好ましい。
これは、水素分離膜4の厚さbが、50μmを超過すると、水素分離体1による水素分離の際に、水素分離膜4中で水素が拡散するのに時間がかかるため、水素分離時間が長時間となり、水素分離効率が低下するからである。
【0023】
次に、本発明の水素分離体の他の例について説明する。
本発明の水素分離体の他の例は、図2に示すように、多孔質基体2上に、水素分離能を有する金属3中に無機材料粒子6を分散させた第1層7と、第1層4上に積層され、水素分離能を有する金属3からなる第2層8とからなる水素分離膜4を形成させたものである。
【0024】
上記に示す水素分離体10は、多孔質基体2の熱膨張率に近づけた第1層7を多孔質基体2と第2層8との間に緩衝層として存在させることにより、昇降温時に第2層8に発生する応力を緩和することができるため、水素分離膜4の亀裂や多孔質基体2からの剥離を防止することができる。
これにより、水素分離体10の耐久性および信頼性を大幅に向上させることができる。
また、上記に示す水素分離体10は、第1層7のみを用いた場合(図1参照)と比較して、水素拡散を阻害する無機材料粒子6の含有量を必要最小限にすることができるため、水素分離膜4の水素透過速度をより向上させることができる。更に、第1層は、水素分離能を有する金属3中に無機材料粒子6を分散させたものであるため、第2層8である水素分離能を有する金属3との相性がよい。
【0025】
上記のことを実現するために、無機材料粒子6の熱膨張率は、多孔質基体2と水素分離能を有する金属3との間の値、より好ましくは、多孔質基体2と水素分離能を有する金属3との中間の値であることが重要である。
これは、水素分離能を有する金属3中に、上記の条件を満たした無機材料粒子6を分散することにより、第1層7と多孔質基材2との熱膨張差をマクロ的に補完することができるため、昇降温時に多孔質基材2と第1層7との熱膨張差により発生する応力を緩和することができるからである。
【0026】
また、第1層7は、多孔質基体の表面2aから第1層の表面7aに向い、水素分離能を有する金属3中に無機材料粒子6を段階的又は連続的に傾斜して分散させたものであることが好ましい。
これは、多孔質基体の表面2a付近の無機材料粒子6の含有率を第1層の表面7a付近よりも相対的に高くすることにより、昇降温時に多孔質基材2と第1層7との熱膨張差により発生する応力をより緩和することができるため、第1層7の亀裂や多孔質基体からの剥離を防止する効果をより向上することができるからである。
【0027】
更に、第1層7中の無機材料粒子6の含有率は、5〜40容積%であることが好ましい。
これは、第1層7中の無機材料粒子6の含有率が、5容積%未満である場合、昇降温時に多孔質基材2と第1層7との熱膨張差により発生する応力を緩和することができないからである。
一方、第1層中の無機材料粒子6の含有率が、40容量%を超過する場合、無機材料粒子6が水素拡散を阻害するため、水素透過速度が低下するからである。
【0028】
尚、水素分離膜4の厚さ(c+d)は、50μm以下であることが好ましい。
これは、水素分離膜4の厚さ(c+d)が、50μmを超過すると、水素分離体1による水素分離の際に、水素分離膜4中を水素が拡散するのに時間がかかるため、水素分離時間が長時間となり、水素分離効率が低下するからである。
また、昇降温時に多孔質基材2と第2層8との熱膨張差により発生する応力を緩和させつつ、水素分離膜4の水素分離効率を向上させるため、水素分離膜4の膜厚割合は、第1層7の厚さc:20〜50%、第2層8の厚さd:50〜80%とすることが好ましい。
【0029】
ここで、本発明の水素分離体1,10は、図1〜2に示すように、水素分離膜4中の水素分離能を有する金属3の一部が、多孔質基体の表面2aを被覆することが好ましく、多孔質基体の表面2aに開いている小孔5の内部を充填して閉塞する水素分離能を有する金属3が、水素分離膜4と連続していることが好ましい。
これにより、水素分離膜4と多孔質基体2との密着性が向上し、水素分離膜4が多孔質基体表面2aから剥離し難くなる。
【0030】
また、水素分離能を有する金属3が多孔質基体2の内部に侵入している深さaは、多孔質基体の表面2aから1〜30μmであることが好ましく、1〜20μmであることが更に好ましく、1〜10μmであることが更になお好ましい。
これは、この深さが1μmより小さいと、水素分離能を有する金属3による小孔の閉塞が充分でなく、原料ガスが精製ガス側に漏洩する可能性があるとともに、水素分離膜4が多孔質基体の表面2aから剥離しやすくなるからである。
一方、この深さが30μmより大きいと、水素分離体1による水素分離の際に、水素分離能を有する金属3中を水素が拡散するのに時間がかかるので、水素分離時間が長時間となり、水素分離効率が低下するからである。
また、多孔質基体2が管形状を有するとき、水素分離能を有する金属3が小孔内に充填される多孔質基体の表面2aは、管形状を有する多孔質基体の外側でも、内側でもよい。
【0031】
本発明で用いる無機材料粒子6の平均粒子径は、0.1〜5μmであることが好ましい。
これは、無機材料粒子の平均粒子径が0.1μm未満の場合、無機材料粒子同士が凝集してしまうため、水素分離膜中に無機材料粒子が不適切に偏析してしまうからである。
一方、無機材料粒子の平均粒子径が5μmを超過する場合、水素分離膜の気密性を得ることが困難になるだけでなく、めっき液中の無機材料粒子が分散しにくくなるため、無機材料粒子の含有率の制御が困難となるからである。
【0032】
また、本発明で用いる無機材料粒子6の形状は、球形であることが好ましい。
これにより、昇降温時に水素分離能を有する金属と無機材料粒子との界面において発生する応力を分散することができるため、水素分離膜の亀裂等を防止することができる。
【0033】
更に、本発明で用いる無機材料粒子6の主成分は、多孔質基体と水素分離能を有する金属との間の値、より好ましくは、多孔質基体と水素分離能を有する金属との中間の値の熱膨張率を有するものであれば、特に限定されないが、SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2、Cr2O3のいずれかであることが好ましい。
【0034】
本発明で用いる多孔質基体2は、原料ガスと反応しないものであることが好ましく、具体的には、アルミナ、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のほか、カーボンや多孔質ガラス等を用いることができる。
【0035】
上記の多孔質基体は、3次元状に連続した多数の微細な小孔を有するものであり、多孔質基体の平均細孔径が、0.1〜3.0μmであることが好ましい。
これは、平均細孔径が0.1μm未満の場合、多孔質基体と水素分離膜とのアンカー効果が小さいため、長時間使用した場合、温度変化による多孔質基体と水素分離膜との膨張差あるいはガスの吸蔵・放出による水素分離膜の膨張・収縮が原因となって、水素分離膜が多孔質基体から剥離してしまうからである。
一方、平均細孔径が3.0μmを超過する場合、無電解めっきにより小孔を閉塞することができず、気密性が確保できないため、高純度の水素を得ることができない。
即ち、本発明の水素分離体は、多孔質基体の小孔の平均細孔径を上記の大きさに限定することにより、水素分離膜の多孔質基体からの剥離を抑制することができる。
このような多孔質基体は、例えば、特開昭62−273030号公報に記載する方法により得ることができる。
【0036】
また、本発明で用いる多孔質基体2の小孔は、その細孔径がそろっていることが好ましい。
これにより、活性化工程、無電解複合めっき工程、無電解めっき工程で、多孔質基体の内部に侵入する溶液の深さを調整しやすく、従って、水素分離能を有する金属が、多孔質基体の内部へ侵入する深さを均一に保持しやすくなるからである。
尚、多孔質基体2の厚さは、特に制限されるものではなく、使用環境において十分な機械強度を保持できればよい。
【0037】
更に、本発明で用いる多孔質基体2の気孔率は、25〜45%であることが好ましい。
これは、多孔質基体2の気孔率が25%より小さいと水素の拡散性が悪く、45%より大きいと機械的強度が低下するからである。
上記の条件を満足させるために、多孔質基体2を構成する粒子の大きさは、多孔質基体2の平均細孔径の1.5〜6.0倍であることが好ましく、2.0〜4.0倍であることがより好ましい。
【0038】
尚、多孔質基体2の形状は、面であることは好ましく、面とは、平面及び曲面を包含し、また、曲面が閉じている形状に相当する管形状も当然に含有する。
多孔質基体が管形状の場合、管断面の形状は任意であるが、円形のものは入手が容易であるため好ましい。
また、多孔質基体2の形状は板状でもよく、その使用目的により任意の形状にできる。
【0039】
本発明で用いる水素分離能を有する金属3は、パラジウム、パラジウムを主成分とする合金、又はパラジウムを含有する合金であることが好ましい。
また、水素分離能を有する金属3がパラジウム合金からなる場合には、Japanese Membrane Science,56(1991)315-325:"Hydrogen Permeable Palladium - Silver Alloy Membrane Supported on Porous Ceramics" や特開昭63−29540号公報に記載されているように、パラジウム以外の金属の含量は10〜30重量%であることが好ましい。
パラジウムを合金化する主目的は、パラジウムの水素脆化防止と高温時の分離効率向上のためである。
また、パラジウム以外の金属として銀を含有することは、パラジウムの水素脆化防止のため好ましい。
【0040】
次に、本発明の水素分離体は、例えば、以下に示すような活性化工程を行った後、無電解複合めっき工程および無電解めっき工程を適宜選択して行うことにより作製される。
このとき、無電解めっきによる成膜方法を用いることにより、他の成膜方法と比較して、多孔質基材が複雑な形状であっても膜形成が可能であるため、例えば、凹形状部や管内面にも好適に成膜することができる。
【0041】
活性化工程は、多孔質基体の片面を、その片面にかかる圧力が多孔質基体の反対側の片面の圧力より大きくなるように、活性化金属を含有する溶液に浸漬させ、これにより、多孔質基体の圧力が大きい方の片面において表面に開いている小孔の内部に溶液を侵入させる。
このような圧力差があることにより、多孔質基体の表面に活性化金属が付着するとともに、多孔質基体の表面に開いている小孔の内部の表面にも活性化金属が付着する。
この活性化金属が付着した表面に、次の無電解複合めっき工程で、分散めっき被膜が形成される。
この活性化工程では、より大きな圧力がかかる方の片面が、上記溶液に浸漬されていれば、その反対側の片面が溶液に浸漬されている必要はない。
例えば、管形状の多孔質基体を用い、その外側を活性化金属を含有する溶液に浸漬させ、管の内側を真空ポンプで引くことができる。また、管形状の多孔質基体を用い、その外側を活性化金属を含有する溶液に浸漬させ、この溶液に圧力をかけ、管の内側を一定の圧力に保ってもよい。
いずれの場合でも、この管の外側と内側とを逆にして、管の内側に上記溶液を浸漬させ、圧力を変化させることもできる。
【0042】
活性化金属としては、パラジウム2価イオンを含有する化合物を好適に用いることができる。活性化工程は、具体的には、多孔質基体を塩化パラジウムの塩酸水溶液と、塩化錫との塩酸水溶液に交互に浸漬させることを行うことができ、このいずれの溶液に浸漬させているときも、所定の圧力差を保つことが好ましい。
【0043】
無電解複合めっき工程は、パラジウム塩又は銀塩、錯化剤および還元剤等を含む水溶液中に所定の平均粒径の無機材料粒子をめっき液中の粒子濃度が5〜100g/lになるように分散させためっき液に、活性化された多孔質基体の表面を浸漬することにより、多孔質基体の表面に分散めっき被膜(パラジウム又は銀に無機材料粒子が共析されためっき被膜)を形成するものである。
尚、めっき液中の無機材料粒子の凝集および沈澱を防止するために、浴撹拌を連続して行うことが好ましい。
また、めっき液中の粒子濃度を上記のように限定する理由は、多孔質基体の表面の分散めっき被膜中の無機材料粒子の含有率を最適化(5〜40容積%)するためである。
【0044】
この無電解複合めっき工程でも、活性化工程と同様の手法で、活性化された多孔質基体の片面を、その片面にかかる圧力が多孔質基体の反対側の片面の圧力より大きくなるように、上記めっき溶液に浸漬させることが好ましい。
この圧力差により、多孔質基体の表面に開いている小孔の内部に、上記めっき液を侵入させることが容易になるからである。
【0045】
また、無電解複合めっき工程における浸漬時間、めっき液の温度、多孔質基体にかかる両面の圧力差等を調節することにより、パラジウムが多孔質基体の表面から侵入する深さを調節することができる。
【0046】
更に、分散めっき被膜中に無機材料粒子を段階的又は連続的に傾斜して分散させる場合、分散めっき被膜中の無機材料粒子の含有率の異なった分散めっき被膜を段階的又は連続的に多孔質基体の表面に形成させることにより、実現することができる。
【0047】
無電解めっき工程は、銀塩、錯化剤および還元剤等を含むめっき液に、多孔質基体の表面に形成された分散めっき被膜の表面に浸漬することにより、分散めっき被膜の表面にめっき被膜を形成するものである。
【0048】
この無電解めっき工程でも、活性化工程と同様の手法で、活性化された多孔質基体の片面を、その片面にかかる圧力が多孔質基体の反対側の片面の圧力より大きくなるように、上記めっき液に浸漬させることが好ましい。
この圧力差により、多孔質基体の表面に開いている小孔の内部に、上記めっき液を侵入させることが容易になるからである。
【0049】
ここで、本発明の水素分離体を作製するときは、多孔質基体の表面に分散めっき被膜であるパラジウム複合層を形成させた後、更にその表面に分散めっき被膜である銀複合層又はめっき被膜である銀層を形成させ、次いで熱処理を行うことにより、パラジウムと銀とを相互拡散させ、パラジウムと銀とを合金化することが好ましい。
【0050】
【実施例】
以下、実施例に基づいて、更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
【0051】
(実施例1)
まず、多孔質基体を活性化処理した。外径17mm、内径13mm、長さ1000mmの円筒形状を有し、平均細孔径がそれぞれ0.5μmの多孔質α−アルミナ管を、多孔質基体に用いた。このアルミナ管の外表面を、SnCl2・2H2Oを0.1重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。次いで、この管の外表面を、PdCl2を0.01重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。各々の塩酸水溶液に10回、浸漬させるように、この浸漬処理を両塩酸水溶液で繰り返した。
【0052】
次に、上記アルミナ管の外表面に無電解複合めっきによりPd複合層を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(5.4g)、2Na・EDTA(67.2g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液中に平均粒径0.2μmのアルミナ粒子を、濃度が10g/lとなるように分散させて、複合めっき浴とした。めっき中は、浴撹拌を連続して行い、アルミナ粒子の凝集及び沈澱を防止した。上記活性化処理を行った多孔質アルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に180分間浸漬した。
【0053】
更に、Pd複合層が形成されたアルミナ管の外表面に無電解複合めっきによりAg複合層を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(0.54g)、AgNO3(4.86g)、2Na・EDTA(33.6g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液中に平均粒径0.2μmのアルミナ粒子を、濃度が10g/lとなるように分散させて、複合めっき浴とした。めっき中は、浴撹拌を連続して行い、アルミナ粒子の凝集及び沈澱を防止した。Pd複合層が形成されたアルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に60分間浸漬した。
最後に、1000℃で10時間保持して、熱処理を行い、パラジウムと銀とを相互拡散させ、パラジウムと銀とを合金化し、水素分離体を得た。
【0054】
(実施例2)
まず、多孔質基体を活性化処理した。外径17mm、内径13mm、長さ1000mmの円筒形状を有し、平均細孔径がそれぞれ0.5μmの多孔質α−アルミナ管を、多孔質基体に用いた。このアルミナ管の外表面を、SnCl2・2H2Oを0.1重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。次いで、この管の外表面を、PdCl2を0.01重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。各々の塩酸水溶液に10回、浸漬させるように、この浸漬処理を両塩酸水溶液で繰り返した。
【0055】
次に、上記アルミナ管の外表面に無電解複合めっきによりPd複合層を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(5.4g)、2Na・EDTA(67.2g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液中に平均粒径0.2μmのアルミナ粒子を、濃度が10g/lとなるように分散させて、複合めっき浴とした。めっき中は、浴撹拌を連続して行い、アルミナ粒子の凝集及び沈澱を防止した。上記活性化処理を行った多孔質アルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に180分間浸漬した。
【0056】
更に、Pd複合層が形成されたアルミナ管の外表面に無電解めっきによりAg層を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(0.54g)、AgNO3(4.86g)、2Na・EDTA(33.6g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液を準備し、Pd複合層が形成されたアルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に60分間浸漬した。
最後に、1000℃で10時間保持して、熱処理を行い、パラジウムと銀とを相互拡散させ、パラジウムと銀とを合金化し、水素分離体を得た。
【0057】
(実施例3)
まず、多孔質基体を活性化処理した。外径17mm、内径13mm、長さ1000mmの円筒形状を有し、平均細孔径がそれぞれ0.5μmの多孔質α−アルミナ管を、多孔質基体に用いた。このアルミナ管の外表面を、SnCl2・2H2Oを0.1重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。次いで、この管の外表面を、PdCl2を0.01重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。各々の塩酸水溶液に10回、浸漬させるように、この浸漬処理を両塩酸水溶液で繰り返した。
【0058】
次に、上記アルミナ管の外表面に無電解複合めっきによりPd複合層1を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(5.4g)、2Na・EDTA(67.2g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液中に平均粒径0.2μmのアルミナ粒子を、濃度が20g/lとなるように分散させて、複合めっき浴とした。めっき中は、浴撹拌を連続して行い、アルミナ粒子の凝集及び沈澱を防止した。上記活性化処理を行った多孔質アルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に90分間浸漬した。
【0059】
次に、Pd複合層1が形成されたアルミナ管の外表面に無電解複合めっきによりPd複合層2を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(5.4g)、2Na・EDTA(67.2g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液中に平均粒径0.2μmのアルミナ粒子を、濃度が10g/lとなるように分散させて、複合めっき浴とした。めっき中は、浴撹拌を連続して行い、アルミナ粒子の凝集及び沈澱を防止した。Pd複合層1が形成されたアルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に90分間浸漬した。
【0060】
更に、Pd複合層2が形成されたアルミナ管の外表面に無電解めっきによりAg層を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(0.54g)、AgNO3(4.86g)、2Na・EDTA(33.6g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液を準備し、Pd複合層2が形成されたアルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に60分間浸漬した。
最後に、1000℃で10時間保持して、熱処理を行い、パラジウムと銀とを相互拡散させ、パラジウムと銀とを合金化し、水素分離体を得た。
【0061】
(比較例)
まず、多孔質基体を活性化処理した。外径17mm、内径13mm、長さ1000mmの円筒形状を有し、平均細孔径がそれぞれ0.5μmの多孔質α−アルミナ管を、多孔質基体に用いた。このアルミナ管の外表面を、SnCl2・2H2Oを0.1重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。次いで、この管の外表面を、PdCl2を0.01重量%含有する0.1%塩酸水溶液に1分間浸漬させた。各々の塩酸水溶液に10回、浸漬させるように、この浸漬処理を両塩酸水溶液で繰り返した。
【0062】
次に、上記活性化処理後のアルミナ管の外表面に無電解めっきによりPd層を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(5.4g)、2Na・EDTA(67.2g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液を準備し、上記アルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に180分間浸漬した。
【0063】
更に、Pd層が形成されたアルミナ管の外表面に無電解めっきによりAg層を形成させた。イオンを除去した水1l中に、[Pd(NH3)4]Cl2・H2O(0.54g)、AgNO3(4.86g)、2Na・EDTA(33.6g)、アンモニア濃度28%のアンモニア水(651.3ml)、H2NNH2・H2O(0.46ml)を加えた水溶液を準備し、Pd層が形成されたアルミナ管の外表面を50℃に温度制御したこの水溶液に60分間浸漬した。
最後に、1000℃で10時間保持して、熱処理を行い、パラジウムと銀とを相互拡散させ、パラジウムと銀とを合金化し、水素分離体を得た。
【0064】
こうして得られた水素分離体(実施例1〜3、比較例)について、気密試験を行った。アルゴンガスをアルミナ管外部に導入し、9kg重/cm2の圧力で保持し、アルミナ管内部に漏洩するガス量を測定した。
【0065】
また、それぞれ得られた水素分離体(実施例1〜3、比較例)について、図3に示す装置を用いて、水素分離試験を行った。
このとき、原料ガスとして、水素75容量%及び二酸化炭素25容量%からなる混合ガスを用いた。
まず、チャンバー20を500℃にまで加熱した。次いで、水素分離体24の外側に、圧力が9kg重/cm2である上記混合ガス25を一分あたり5Nリットル(即ち、室温における体積が5リットルである。)で導入した。
また、水素分離体24の内側に、圧力が1kg重/cm2のアルゴンをキャリヤーガス26として、一分当たり0.1Nリットル導入した。
次に、こうして得られた精製ガス27についてガスクロマトグラフィによる定量分析を行い、精製ガス27のガス透過速度及び精製ガス27中の水素濃度を調べた。
【0066】
次に、それぞれ得られた水素分離体(実施例1〜3、比較例)について、評価サイクル試験及び連続評価試験を実施し、水素分離体の耐久性について調べた。
評価サイクル試験は、水素分離体を、室温から500℃までArガス中で昇温し、500℃で混合ガスにさらし、500℃から室温までArガス中で冷却するという工程を繰り返し、気密性が低下するまでに要した工程数を調べることにより行った。
連続評価試験は、水素分離体を500℃の温度で混合ガスにさらし、気密性が低下するまでに要した時間を調べることにより行った。
これらの試験結果を表1に示す。
【0067】
【表1】
【0068】
(考察:実施例1〜3、比較例)
実施例1〜3の水素分離体の断面構造を走査電子顕微鏡により観察したところ、Pd−Ag合金膜中に多量のアルミナ粒子が分散されているとともに、Pd−Ag合金とアルミナ粒子の密着性も良好であることが確認された。
また、実施例1〜3の水素分離体は、水素分離膜と多孔質基体との密着強度が十分であり、評価サイクル試験において400回以上、連続評価試験において9000時間以上という優れた耐久性を示し、更に、水素分離試験において精製された水素の純度は99.9%以上であった。
一方、比較例の水素分離体は、評価サイクル試験及び連続評価試験において容易に水素分離膜の剥離を起こし、又、評価サイクル試験において、150回で気密性が低下した。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水素分離体は、昇降温時に多孔質基体と水素分離膜との熱膨張差により発生する応力を緩和することにより、水素分離膜の亀裂や多孔質基体からの剥離を防止することができるため、水素分離効率および耐久性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の水素分離体の一例を示す部分断面説明図である。
【図2】 本発明の分離体の他の例を示す部分断面説明図である。
【図3】 本発明の水素分離体を用いた水素精製方法についての説明図である。
【図4】 従来の水素分離体の一例を示す部分断面説明図である。
【符号の説明】
1…水素分離体、2…多孔質基体、2a…多孔質基体の表面、3…水素分離能を有する金属、4…水素分離膜、4a…水素分離膜の表面、5…小孔、6…無機材料粒子、7…第1層、7a…第1層の表面、8…第2層、10…水素分離体、20…真空チャンバー、21…導入管(キャリアーガス)、22…導入管(混合ガス)、23…oリング、24…水素分離体、25…混合ガス(原料ガス)、26…キャリヤーガス、27…精製ガス、30…水素分離構造体、32…基材、34…第1層、36…第2層。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen separator that diffuses and separates only hydrogen from a multicomponent mixed gas (raw material gas).
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method of obtaining only a specific gas component from a multi-component mixed gas, a method of separating with an organic or inorganic gas separation membrane is known.
As separation membranes used in membrane separation methods, organic polymer membranes such as polyimide and polysulfone and inorganic compound membranes such as palladium or palladium alloy membranes are known as hydrogen separation membranes, and silver or silver alloy membranes are known as oxygen separation membranes. . In particular, the palladium or palladium alloy film has heat resistance and can obtain extremely high-purity hydrogen.
[0003]
Palladium or a palladium alloy has a property of allowing hydrogen to dissolve and permeate, and by utilizing this property, a thin film made of palladium or a palladium alloy is widely used as a hydrogen separator that separates hydrogen from a mixed gas containing hydrogen. ing.
However, since the mechanical strength of this palladium thin film alone is weak, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-273030 discloses that palladium on the surface of an inorganic porous support such as porous glass, porous ceramics, or porous aluminum oxide. Alternatively, a palladium alloy is applied to increase the mechanical strength of the thin film made of palladium or palladium alloy.
[0004]
JP-A-3-146122 discloses that a palladium thin film is formed on the surface of a heat-resistant porous substrate by an electroless plating method, a silver thin film is formed on the palladium thin film by an electroless plating method, and then heat treatment is performed. Discloses a method for producing a hydrogen separator. In this manufacturing method, a hydrogen separator having a porous substrate and a palladium alloy thin film covering the porous substrate is obtained. By this heat treatment, palladium and silver are uniformly distributed in the palladium alloy thin film. .
[0005]
Further, Japanese Patent Publication No. 5-53527 discloses that the surface of the porous ceramic layer is electrolessly plated with palladium to impart electrical conductivity, and then the surface is completely covered with electrolytic palladium plating. Disclosed is a method for producing a gas separation thin film for forming an electrolytic palladium or palladium alloy plating film.
Thereby, a denser palladium or palladium alloy thin film can be obtained even on a porous ceramic surface having a relatively large pore size.
[0006]
However, each of the hydrogen separators shown above contains, for example, a porous substrate and palladium when exposed to an atmosphere that fluctuates over a wide temperature range from low temperature (room temperature) to high temperature (300 to 500 ° C.). Due to the difference in thermal expansion coefficient from the hydrogen separation membrane, compressive stress is generated in the hydrogen separation membrane and tensile stress is generated in the hydrogen separation membrane at the time of temperature reduction. By repeating this operation, work hardening occurs and deformation becomes impossible. There was a problem that the film was cracked or peeled off from the porous substrate.
[0007]
In order to solve these problems, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-28850 discloses a
This is because the
[0008]
However, since the
In addition, when the
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object of the present invention is to relieve the stress generated due to the difference in thermal expansion between the porous substrate and the hydrogen separation membrane when the temperature is raised and lowered. An object of the present invention is to provide a hydrogen separator excellent in hydrogen separation efficiency and durability, which can prevent cracking of the hydrogen separation membrane and peeling from a porous substrate.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a hydrogen separator in which a hydrogen separation membrane is formed on a porous substrate, wherein the hydrogen separation membrane is obtained by dispersing inorganic material particles in a metal having hydrogen separation ability. The thermal expansion coefficient of the inorganic material particles is a value between the porous substrate and the metal having hydrogen separation ability. In addition, the hydrogen separation membrane is dispersed in a stepwise or continuously inclined manner in the metal having hydrogen separation ability from the surface of the porous substrate to the surface of the hydrogen separation membrane. A hydrogen separator is provided.
[0011]
At this time, in the present invention, , The content of inorganic material particles in the hydrogen separation membrane is preferably 5 to 40% by volume.
[0012]
According to the present invention, there is also provided a hydrogen separator in which a hydrogen separation membrane is formed on a porous substrate, wherein the hydrogen separation membrane is obtained by dispersing inorganic material particles in a metal having hydrogen separation ability. In addition, inorganic material particles Coefficient of thermal expansion But , A first layer having a value between a porous substrate and a metal having a hydrogen separation ability, and a second layer made of a metal having a hydrogen separation ability and stacked on the first layer. A hydrogen separator is provided.
[0013]
At this time, in the present invention, the first layer is dispersed from the surface of the porous substrate toward the surface of the first layer, and the inorganic material particles are dispersed stepwise or continuously in a metal having hydrogen separation ability. The content of the inorganic material particles in the first layer is preferably 5 to 40% by volume.
[0014]
In the present invention, the average particle diameter of the inorganic material particles is preferably 0.1 to 5 μm, and the main component of the inorganic material particles is
[0015]
Further, the metal having hydrogen separation ability is preferably palladium, an alloy containing palladium as a main component, or an alloy containing palladium.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the hydrogen separator of the present invention, a hydrogen separation membrane formed on a porous substrate is obtained by dispersing inorganic material particles in a metal having hydrogen separation ability. It consists of a first layer having a value between a metal having separability and a second layer made of a metal having a hydrogen separability laminated on the first layer.
Note that the hydrogen separation membrane may be only the first layer.
[0017]
As a result, the stress generated by the difference in thermal expansion between the porous substrate and the hydrogen separation membrane during the temperature rise and fall can be reduced, so that the hydrogen separation membrane can be prevented from cracking and peeling from the porous substrate. A hydrogen separator excellent in separation efficiency and durability can be obtained.
[0018]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partial cross-sectional explanatory view showing an example of the hydrogen separator of the present invention.
An example of the hydrogen separator of the present invention is obtained by forming a
The hydrogen separator 1 can reduce the yield stress of the
Thereby, the durability and reliability of the hydrogen separator 1 can be greatly improved.
[0019]
In order to realize the above, the thermal expansion coefficient of the
This macroscopically complements the difference in thermal expansion between the
[0020]
Further, the
This is because the content of the
[0021]
Furthermore, the content of the inorganic material particles in the
This relieves the stress generated by the difference in thermal expansion between the
On the other hand, when the content of the
[0022]
Note that the thickness b of the
This is because, if the thickness b of the
[0023]
Next, another example of the hydrogen separator of the present invention will be described.
As shown in FIG. 2, another example of the hydrogen separator of the present invention includes a
[0024]
The
Thereby, the durability and reliability of the
Further, the
[0025]
In order to realize the above, the thermal expansion coefficient of the
This macroscopically complements the difference in thermal expansion between the
[0026]
Further, the
This is because the content of the
[0027]
Furthermore, the content of the
When the content of the
On the other hand, when the content rate of the
[0028]
The thickness (c + d) of the
This is because if the thickness (c + d) of the
Further, in order to improve the hydrogen separation efficiency of the
[0029]
Here, in the
As a result, the adhesion between the
[0030]
Further, the depth a in which the
This is because if the depth is smaller than 1 μm, the small holes are not sufficiently blocked by the
On the other hand, if this depth is larger than 30 μm, it takes time for hydrogen to diffuse through the
Further, when the
[0031]
The average particle diameter of the
This is because when the average particle diameter of the inorganic material particles is less than 0.1 μm, the inorganic material particles aggregate together, and the inorganic material particles segregate inappropriately in the hydrogen separation membrane.
On the other hand, when the average particle diameter of the inorganic material particles exceeds 5 μm, not only is it difficult to obtain the airtightness of the hydrogen separation membrane, but also the inorganic material particles in the plating solution are difficult to disperse. This is because it becomes difficult to control the content ratio of the.
[0032]
Moreover, it is preferable that the shape of the
This can disperse the stress generated at the interface between the metal having the ability to separate hydrogen and the inorganic material particles when the temperature is raised and lowered, so that cracking of the hydrogen separation membrane can be prevented.
[0033]
Further, the main component of the
[0034]
The
[0035]
The porous substrate described above has a large number of fine pores that are three-dimensionally continuous, and the average pore diameter of the porous substrate is preferably 0.1 to 3.0 μm.
This is because when the average pore diameter is less than 0.1 μm, the anchor effect between the porous substrate and the hydrogen separation membrane is small, so when used for a long time, the difference in expansion between the porous substrate and the hydrogen separation membrane due to temperature change or This is because the hydrogen separation membrane is peeled off from the porous substrate due to expansion / contraction of the hydrogen separation membrane due to gas occlusion / release.
On the other hand, when the average pore diameter exceeds 3.0 μm, small holes cannot be closed by electroless plating, and airtightness cannot be ensured, so that high-purity hydrogen cannot be obtained.
That is, the hydrogen separator of the present invention can suppress peeling of the hydrogen separation membrane from the porous substrate by limiting the average pore diameter of the small pores of the porous substrate to the above-mentioned size.
Such a porous substrate can be obtained, for example, by the method described in JP-A-62-273030.
[0036]
Further, it is preferable that the pores of the
This makes it easy to adjust the depth of the solution that penetrates into the porous substrate in the activation process, the electroless composite plating process, and the electroless plating process. This is because it is easy to maintain a uniform depth of penetration into the inside.
In addition, the thickness of the
[0037]
Furthermore, the porosity of the
This is because if the porosity of the
In order to satisfy the above conditions, the size of the particles constituting the
[0038]
The shape of the
When the porous substrate has a tube shape, the shape of the tube cross section is arbitrary, but a circular substrate is preferable because it is easily available.
Moreover, the shape of the
[0039]
The
In addition, when the
The main purpose of alloying palladium is to prevent hydrogen embrittlement of palladium and improve the separation efficiency at high temperatures.
Moreover, it is preferable to contain silver as a metal other than palladium in order to prevent hydrogen embrittlement of palladium.
[0040]
Next, the hydrogen separator of the present invention is produced, for example, by performing an activation process as shown below, and then appropriately selecting an electroless composite plating process and an electroless plating process.
At this time, by using a film formation method by electroless plating, it is possible to form a film even if the porous substrate has a complicated shape as compared with other film formation methods. It is also possible to suitably form a film on the inner surface of the tube.
[0041]
In the activation step, one side of the porous substrate is immersed in a solution containing an activated metal so that the pressure applied to the one side is greater than the pressure on the other side of the porous substrate, whereby the porous substrate is porous. The solution is allowed to enter the inside of a small hole opened in the surface on one side where the pressure of the substrate is larger.
Due to such a pressure difference, the activated metal adheres to the surface of the porous substrate, and the activated metal also adheres to the surface inside the small holes opened on the surface of the porous substrate.
A dispersion plating film is formed on the surface to which the activated metal has adhered in the following electroless composite plating process.
In this activation step, if one side to which a larger pressure is applied is immersed in the solution, the opposite one side does not need to be immersed in the solution.
For example, a tube-shaped porous substrate can be used, the outside thereof can be immersed in a solution containing an activated metal, and the inside of the tube can be drawn with a vacuum pump. Alternatively, a tubular porous substrate may be used, and the outside thereof may be immersed in a solution containing an activated metal, pressure may be applied to the solution, and the inside of the tube may be maintained at a constant pressure.
In any case, the pressure can be changed by immersing the solution inside the tube by reversing the outside and inside of the tube.
[0042]
As the activated metal, a compound containing a palladium divalent ion can be suitably used. Specifically, the activation step can be performed by alternately immersing the porous substrate in an aqueous hydrochloric acid solution of palladium chloride and an aqueous hydrochloric acid solution of tin chloride, and even when immersed in any of these solutions. It is preferable to maintain a predetermined pressure difference.
[0043]
In the electroless composite plating step, inorganic material particles having a predetermined average particle diameter in an aqueous solution containing a palladium salt or silver salt, a complexing agent, a reducing agent, and the like are adjusted so that the particle concentration in the plating solution is 5 to 100 g / l. By immersing the surface of the activated porous substrate in the plating solution dispersed in, a dispersed plating film (plating film in which inorganic material particles are co-deposited on palladium or silver) is formed on the surface of the porous substrate. To do.
In order to prevent aggregation and precipitation of inorganic material particles in the plating solution, it is preferable to continuously perform bath agitation.
The reason for limiting the particle concentration in the plating solution as described above is to optimize the content of inorganic material particles in the dispersion plating film on the surface of the porous substrate (5 to 40% by volume).
[0044]
Even in this electroless composite plating process, by the same method as the activation process, the pressure applied to one side of the activated porous substrate is larger than the pressure on the other side of the porous substrate. It is preferable to immerse in the plating solution.
This pressure difference makes it easy to allow the plating solution to enter the small holes opened on the surface of the porous substrate.
[0045]
In addition, the depth of penetration of palladium from the surface of the porous substrate can be adjusted by adjusting the immersion time, the temperature of the plating solution, the pressure difference between both surfaces of the porous substrate, etc. in the electroless composite plating process. .
[0046]
Further, when the inorganic material particles are dispersed in a stepwise or continuous manner in the dispersion plating film, the dispersion plating film having a different content of the inorganic material particles in the dispersion plating film is porous stepwise or continuously. It can be realized by forming it on the surface of the substrate.
[0047]
The electroless plating process is performed by immersing the surface of the dispersion plating film formed on the surface of the porous substrate in a plating solution containing a silver salt, a complexing agent, a reducing agent, etc. Is formed.
[0048]
Even in this electroless plating process, in the same manner as in the activation process, the pressure applied to one side of the activated porous substrate is larger than the pressure on the other side of the porous substrate. It is preferable to immerse in a plating solution.
This pressure difference makes it easy to allow the plating solution to enter the small holes opened on the surface of the porous substrate.
[0049]
Here, when producing the hydrogen separator of the present invention, after forming a palladium composite layer as a dispersion plating film on the surface of the porous substrate, a silver composite layer or a plating film as a dispersion plating film is further formed on the surface. It is preferable to form a silver layer, and then perform a heat treatment to interdiffuse palladium and silver, thereby alloying palladium and silver.
[0050]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although it demonstrates still in detail based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
[0051]
Example 1
First, the porous substrate was activated. A porous α-alumina tube having a cylindrical shape with an outer diameter of 17 mm, an inner diameter of 13 mm, and a length of 1000 mm and an average pore diameter of 0.5 μm was used as the porous substrate. The outer surface of this alumina tube is SnCl 2 ・ 2H 2 It was immersed in a 0.1% hydrochloric acid aqueous solution containing 0.1% by weight of O for 1 minute. The outer surface of the tube is then 2 Was immersed in a 0.1% aqueous hydrochloric acid solution containing 0.01% by weight for 1 minute. This immersion treatment was repeated with both aqueous hydrochloric acid solutions so that each aqueous hydrochloric acid solution was immersed 10 times.
[0052]
Next, a Pd composite layer was formed on the outer surface of the alumina tube by electroless composite plating. In 1 l of water from which ions have been removed, [Pd (NH Three ) Four ] Cl 2 ・ H 2 O (5.4 g), 2Na · EDTA (67.2 g), ammonia water having an ammonia concentration of 28% (651.3 ml), H 2 NNH 2 ・ H 2 Alumina particles having an average particle diameter of 0.2 μm were dispersed in an aqueous solution to which O (0.46 ml) was added so as to have a concentration of 10 g / l to obtain a composite plating bath. During plating, the bath was continuously stirred to prevent the aggregation and precipitation of alumina particles. The outer surface of the porous alumina tube subjected to the activation treatment was immersed in this aqueous solution whose temperature was controlled at 50 ° C. for 180 minutes.
[0053]
Further, an Ag composite layer was formed on the outer surface of the alumina tube on which the Pd composite layer was formed by electroless composite plating. In 1 l of water from which ions have been removed, [Pd (NH Three ) Four ] Cl 2 ・ H 2 O (0.54g), AgNO Three (4.86 g), 2Na · EDTA (33.6 g), ammonia water with an ammonia concentration of 28% (651.3 ml), H 2 NNH 2 ・ H 2 Alumina particles having an average particle diameter of 0.2 μm were dispersed in an aqueous solution to which O (0.46 ml) was added so as to have a concentration of 10 g / l to obtain a composite plating bath. During plating, the bath was continuously stirred to prevent the aggregation and precipitation of alumina particles. The outer surface of the alumina tube on which the Pd composite layer was formed was immersed in this aqueous solution controlled at 50 ° C. for 60 minutes.
Finally, it was kept at 1000 ° C. for 10 hours, and was subjected to heat treatment, whereby palladium and silver were interdiffused, and palladium and silver were alloyed to obtain a hydrogen separator.
[0054]
(Example 2)
First, the porous substrate was activated. A porous α-alumina tube having a cylindrical shape with an outer diameter of 17 mm, an inner diameter of 13 mm, and a length of 1000 mm and an average pore diameter of 0.5 μm was used as the porous substrate. The outer surface of this alumina tube is SnCl 2 ・ 2H 2 It was immersed in a 0.1% hydrochloric acid aqueous solution containing 0.1% by weight of O for 1 minute. The outer surface of the tube is then 2 Was immersed in a 0.1% aqueous hydrochloric acid solution containing 0.01% by weight for 1 minute. This immersion treatment was repeated with both aqueous hydrochloric acid solutions so that each aqueous hydrochloric acid solution was immersed 10 times.
[0055]
Next, a Pd composite layer was formed on the outer surface of the alumina tube by electroless composite plating. In 1 l of water from which ions have been removed, [Pd (NH Three ) Four ] Cl 2 ・ H 2 O (5.4 g), 2Na · EDTA (67.2 g), ammonia water having an ammonia concentration of 28% (651.3 ml), H 2 NNH 2 ・ H 2 Alumina particles having an average particle diameter of 0.2 μm were dispersed in an aqueous solution to which O (0.46 ml) was added so as to have a concentration of 10 g / l to obtain a composite plating bath. During plating, the bath was continuously stirred to prevent the aggregation and precipitation of alumina particles. The outer surface of the porous alumina tube subjected to the activation treatment was immersed in this aqueous solution whose temperature was controlled at 50 ° C. for 180 minutes.
[0056]
Furthermore, an Ag layer was formed on the outer surface of the alumina tube on which the Pd composite layer was formed by electroless plating. In 1 l of water from which ions have been removed, [Pd (NH Three ) Four ] Cl 2 ・ H 2 O (0.54g), AgNO Three (4.86 g), 2Na · EDTA (33.6 g), ammonia water with an ammonia concentration of 28% (651.3 ml), H 2 NNH 2 ・ H 2 An aqueous solution to which O (0.46 ml) was added was prepared, and the outer surface of the alumina tube on which the Pd composite layer was formed was immersed in this aqueous solution whose temperature was controlled at 50 ° C. for 60 minutes.
Finally, it was kept at 1000 ° C. for 10 hours, and was subjected to heat treatment, whereby palladium and silver were interdiffused, and palladium and silver were alloyed to obtain a hydrogen separator.
[0057]
(Example 3)
First, the porous substrate was activated. A porous α-alumina tube having a cylindrical shape with an outer diameter of 17 mm, an inner diameter of 13 mm, and a length of 1000 mm and an average pore diameter of 0.5 μm was used as the porous substrate. The outer surface of this alumina tube is SnCl 2 ・ 2H 2 It was immersed in a 0.1% hydrochloric acid aqueous solution containing 0.1% by weight of O for 1 minute. The outer surface of the tube is then 2 Was immersed in a 0.1% aqueous hydrochloric acid solution containing 0.01% by weight for 1 minute. This immersion treatment was repeated with both aqueous hydrochloric acid solutions so that each aqueous hydrochloric acid solution was immersed 10 times.
[0058]
Next, the Pd composite layer 1 was formed on the outer surface of the alumina tube by electroless composite plating. In 1 l of water from which ions have been removed, [Pd (NH Three ) Four ] Cl 2 ・ H 2 O (5.4 g), 2Na · EDTA (67.2 g), ammonia water having an ammonia concentration of 28% (651.3 ml), H 2 NNH 2 ・ H 2 Alumina particles having an average particle diameter of 0.2 μm were dispersed in an aqueous solution to which O (0.46 ml) was added so as to have a concentration of 20 g / l to obtain a composite plating bath. During plating, the bath was continuously stirred to prevent the aggregation and precipitation of alumina particles. The outer surface of the porous alumina tube subjected to the activation treatment was immersed in this aqueous solution whose temperature was controlled at 50 ° C. for 90 minutes.
[0059]
Next, the Pd
[0060]
Further, an Ag layer was formed on the outer surface of the alumina tube on which the Pd
Finally, it was kept at 1000 ° C. for 10 hours, and was subjected to heat treatment, whereby palladium and silver were interdiffused, and palladium and silver were alloyed to obtain a hydrogen separator.
[0061]
(Comparative example)
First, the porous substrate was activated. A porous α-alumina tube having a cylindrical shape with an outer diameter of 17 mm, an inner diameter of 13 mm, and a length of 1000 mm and an average pore diameter of 0.5 μm was used as the porous substrate. The outer surface of this alumina tube is SnCl 2 ・ 2H 2 It was immersed in a 0.1% hydrochloric acid aqueous solution containing 0.1% by weight of O for 1 minute. The outer surface of the tube is then 2 Was immersed in a 0.1% aqueous hydrochloric acid solution containing 0.01% by weight for 1 minute. This immersion treatment was repeated with both aqueous hydrochloric acid solutions so that each aqueous hydrochloric acid solution was immersed 10 times.
[0062]
Next, a Pd layer was formed on the outer surface of the alumina tube after the activation treatment by electroless plating. In 1 l of water from which ions have been removed, [Pd (NH Three ) Four ] Cl 2 ・ H 2 O (5.4 g), 2Na · EDTA (67.2 g), ammonia water having an ammonia concentration of 28% (651.3 ml), H 2 NNH 2 ・ H 2 An aqueous solution to which O (0.46 ml) was added was prepared, and the outer surface of the alumina tube was immersed in this aqueous solution whose temperature was controlled at 50 ° C. for 180 minutes.
[0063]
Further, an Ag layer was formed on the outer surface of the alumina tube on which the Pd layer was formed by electroless plating. In 1 l of water from which ions have been removed, [Pd (NH Three ) Four ] Cl 2 ・ H 2 O (0.54g), AgNO Three (4.86 g), 2Na · EDTA (33.6 g), ammonia water with an ammonia concentration of 28% (651.3 ml), H 2 NNH 2 ・ H 2 An aqueous solution to which O (0.46 ml) was added was prepared, and the outer surface of the alumina tube on which the Pd layer was formed was immersed in this aqueous solution whose temperature was controlled at 50 ° C. for 60 minutes.
Finally, it was kept at 1000 ° C. for 10 hours, and was subjected to heat treatment, whereby palladium and silver were interdiffused, and palladium and silver were alloyed to obtain a hydrogen separator.
[0064]
The hydrogen separator thus obtained (Examples 1 to 3, Comparative Example) was subjected to an airtight test. Argon gas was introduced to the outside of the alumina tube, and 9 kgf / cm 2 The amount of gas leaking into the alumina tube was measured.
[0065]
Moreover, about each obtained hydrogen separator (Examples 1-3, a comparative example), the hydrogen separation test was done using the apparatus shown in FIG.
At this time, a mixed gas composed of 75 volume% hydrogen and 25 volume% carbon dioxide was used as the source gas.
First, the
The pressure is 1 kgf / cm inside the
Next, the purified
[0066]
Next, for each of the obtained hydrogen separators (Examples 1 to 3, Comparative Example), an evaluation cycle test and a continuous evaluation test were performed to examine the durability of the hydrogen separator.
In the evaluation cycle test, the hydrogen separator was heated in Ar gas from room temperature to 500 ° C., exposed to a mixed gas at 500 ° C., and cooled in Ar gas from 500 ° C. to room temperature. This was done by examining the number of steps required to decrease.
The continuous evaluation test was performed by exposing the hydrogen separator to a mixed gas at a temperature of 500 ° C. and examining the time required until the airtightness was lowered.
These test results are shown in Table 1.
[0067]
[Table 1]
[0068]
(Discussion: Examples 1 to 3, Comparative Example)
When the cross-sectional structures of the hydrogen separators of Examples 1 to 3 were observed with a scanning electron microscope, a large amount of alumina particles were dispersed in the Pd—Ag alloy film, and the adhesion between the Pd—Ag alloy and the alumina particles was also high. It was confirmed to be good.
The hydrogen separators of Examples 1 to 3 have sufficient adhesion strength between the hydrogen separation membrane and the porous substrate, and have excellent durability of 400 times or more in the evaluation cycle test and 9000 hours or more in the continuous evaluation test. Furthermore, the purity of the hydrogen purified in the hydrogen separation test was 99.9% or more.
On the other hand, the hydrogen separator of the comparative example easily peeled off the hydrogen separation membrane in the evaluation cycle test and the continuous evaluation test, and the hermeticity decreased after 150 times in the evaluation cycle test.
[0069]
【The invention's effect】
As described above, the hydrogen separator of the present invention relaxes the stress generated by the thermal expansion difference between the porous substrate and the hydrogen separation membrane when the temperature is raised and lowered, thereby preventing the hydrogen separation membrane from cracking or from the porous substrate. Since peeling can be prevented, hydrogen separation efficiency and durability are excellent.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial cross-sectional explanatory view showing an example of a hydrogen separator according to the present invention.
FIG. 2 is a partial cross-sectional explanatory view showing another example of the separator of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a hydrogen purification method using the hydrogen separator of the present invention.
FIG. 4 is a partial cross-sectional explanatory view showing an example of a conventional hydrogen separator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen separator, 2 ... Porous substrate, 2a ... Surface of porous substrate, 3 ... Metal which has hydrogen separation ability, 4 ... Hydrogen separation membrane, 4a ... Surface of hydrogen separation membrane, 5 ... Small hole, 6 ... Inorganic material particles, 7 ... first layer, 7a ... surface of first layer, 8 ... second layer, 10 ... hydrogen separator, 20 ... vacuum chamber, 21 ... introduction tube (carrier gas), 22 ... introduction tube (mixing) Gas), 23 ... o-ring, 24 ... hydrogen separator, 25 ... mixed gas (source gas), 26 ... carrier gas, 27 ... purified gas, 30 ... hydrogen separation structure, 32 ... substrate, 34 ... first layer 36 ... Second layer.
Claims (11)
上記水素分離膜が、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を分散させたものであるとともに、無機材料粒子の熱膨張率が、多孔質基体と水素分離能を有する金属との間の値であり、且つ水素分離膜が、多孔質基体の表面から水素分離膜の表面に向い、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を段階的又は連続的に傾斜して分散させてなることを特徴とする水素分離体。A hydrogen separator in which a hydrogen separation membrane is formed on a porous substrate,
The hydrogen separation membrane is obtained by dispersing inorganic material particles in a metal having hydrogen separation ability, and the thermal expansion coefficient of the inorganic material particles is a value between the porous substrate and the metal having hydrogen separation ability. der is, and the hydrogen separation membrane, facing the surface of the porous substrate on the surface of the hydrogen separation membrane, by comprising stepwise or continuously graded by dispersing inorganic material particles in a metal having a hydrogen separation performance A hydrogen separator characterized by
上記水素分離膜が、水素分離能を有する金属中に無機材料粒子を分散させたものであるとともに、無機材料粒子の熱膨張率が、多孔質基体と水素分離能を有する金属との間の値である第1層と、
第1層上に積層され、水素分離能を有する金属からなる第2層と、
からなることを特徴とする水素分離体。A hydrogen separator in which a hydrogen separation membrane is formed on a porous substrate,
The hydrogen separation membrane, with one in which the inorganic material particles are dispersed in a metal having a hydrogen separation performance, the thermal expansion coefficient of the inorganic material particles, the value between the metal having a porous substrate and hydrogen resolution A first layer,
A second layer made of a metal laminated on the first layer and having hydrogen separation ability;
A hydrogen separator comprising:
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