JP4064774B2

JP4064774B2 - 水素透過体とその製造方法

Info

Publication number: JP4064774B2
Application number: JP2002281698A
Authority: JP
Inventors: 俊樹佐藤; 岳穂川中; 宏幸三谷; 一孝國井; 誠矢古田; 高裕工藤
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2002-09-26
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: JP2004113950A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスと他の種類のガスとの混合ガス（以下、「粗製ガス」という）から水素を分離するために用いられる水素透過体と、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギー型分離技術として、膜による気体の選択分離法が注目されている。例えば最近、燃料電池の実用化研究が進んでくるにつれて、燃料となる水素ガスを如何に高純度で効率よく製造するかが重要な課題となっており、その代表的な方法として、都市ガスや天然ガスの如き炭化ガスの熱分解によって水素を製造し、該生成ガス（粗製ガス）から高純度の水素を得る方法がある。この場合、熱分解によって得られる粗製ガスには、水素の他、一酸化炭素や炭酸ガスなどが多量に含まれているので、これらを含む粗製ガスの中から水素を分離する必要があり、そのための分離法として、多孔質体の表面に水素選択透過膜を形成させた水素透過体を利用する方法が知られている。
【０００３】
こうした水素透過体は、水素を選択的に透過する水素選択透過膜と、この膜を支持する支持体から構成され、該支持体には、粉末を焼結した多孔質の金属やセラミックス、金属不織布、発泡メタル、さらにはバルク材に微細な穴を無数にあけたものなどが使用されている。
【０００４】
そしてこれら多孔質支持体の表面に、例えばスパッタリング法、アークイオンプレーティング法、めっき法、溶射法、もしくは圧延箔の積層法などによって水素選択透過膜を形成し、水素透過体を得ている。
【０００５】
水素選択透過膜としては、Ｐｄ系の膜（Ｐｄや、Ｐｄ−Ａｇ合金などのＰｄ合金によって構成される膜）などがよく知られている。さらに、このＰｄ系膜としては、特許文献１（特開２００１−４６８４５号）、および特許文献２（特開２００１−１３１６５３号）に、特定の希土類元素を３〜１５ａｔ％含有するＰｄ合金膜が開示されている。これらの記載によると、上記希土類元素を含有するＰｄ合金膜は、従来のＰｄ−Ａｇ合金膜の約２倍の水素透過性能を有している。
【０００６】
ところで、このようなＰｄ系の水素選択透過膜を、金属製の多孔質支持体上に直接形成させた水素透過体では、次のような問題がある。即ち、高温で粗製ガスを分離処理するなど、上記水素透過体が高温に曝された場合に、多孔質支持体の金属成分がＰｄ系膜中に拡散して、Ｐｄなどと反応し、粗製ガスの分離処理時間の経過と共に、Ｐｄ系膜の水素選択透過性が低下してしまうのである。
【０００７】
多孔質支持体の金属成分が水素選択透過膜へ拡散することを防止するため、多孔質支持体の素材としてアルミナなどの酸化物を用いる方法や、金属製多孔質支持体の表面に酸化物層を形成させる方法が知られている。しかし、これら酸化物と上記の希土類元素を含むＰｄ系膜とは密着性が低いため、該膜が剥離してしまうといった問題があった。また、金属製多孔質支持体表面に酸化物層を形成させる場合は、支持体金属と酸化物層との熱膨張率の相違から、粗製ガス分離処理を繰り返し行うことで支持体−酸化物層界面に発生する熱応力の影響によって、酸化物層が支持体表面から剥離するといった問題もあった。
【０００８】
上記の諸問題を解決する技術として、特許文献３（特開２０００−１２６５６５号）には、金属製多孔質支持体の表面に酸化処理または窒化処理を施すことで、該表面に酸化物層または窒化物層を形成し、該層上に水素選択透過膜を形成する方法が提案されている。この技術は、水素選択透過膜と金属製多孔質支持体との間に、酸化物層または窒化物層を存在させることで、該多孔質支持体の金属成分が該膜中に拡散するのを防止し、該膜の水素選択透過性の劣化を抑制するものである。さらに、この技術では、支持体の表面を酸化処理または窒化処理して酸化物層または窒化物層を形成するため、該酸化物層や窒化物層が剥離することもない。
【０００９】
しかしながら、多孔質支持体表面の酸化物層または窒化物層と、上述の希土類元素を含有するＰｄ系膜との密着性は必ずしも良好とはいえず、該膜の形成時、あるいは水素透過体の使用時に該膜が剥離する場合があった。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−４６８４５号公報（［特許請求の範囲］、［００１８］、図１）
【特許文献２】
特開２００１−１３１６５３号公報（［特許請求の範囲］、［００１９］、図１）
【特許文献３】
特開２０００−１２６５６５号公報（［００１４］〜［００１５］）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは上記事情に鑑み、希土類元素を含むＰｄ合金膜を水素選択透過膜として用い、該膜の多孔質支持体への密着性および水素透過性能の耐久性を向上させた水素透過体を提供すべく検討を重ねた結果、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜が岩塩構造型の窒化物と良好な親和性を示すことを見出し、多孔質支持体との密着性および水素透過性能とを向上し得た水素透過体の提供を可能とした。尚、この発明については、既に特願２００１−３６６１９８号で出願している。
【００１２】
しかしながら、水素透過体は、高温下で使用されることも多く、例えば天然ガスと水蒸気を４００〜６００℃程度の温度下で、触媒により水素と二酸化炭素に改質する改質器の水素分離媒体等として使用する場合には、上記水素透過体の最表層に設けられたＰｄ−ＲＥＭ合金膜は、酸化雰囲気に直接曝されることになる。その結果、該Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の希土類元素が酸化され、水素透過性能が低下するという新たな問題が生じてきた。
【００１３】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、希土類元素を含むＰｄ合金膜を水素選択透過膜として用い、該膜の多孔質支持体への密着性を確保しつつ、高温下で繰り返し使用した時でも水素透過性能の経時劣化を起こすことのない水素透過体と、その製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成し得た本発明の水素透過体は、希土類元素を含むＰｄ−ＲＥＭ合金膜を有する水素透過体において、該Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜と多孔質支持体との間に岩塩構造型の窒化膜を有し、該Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の表面側にＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を有するところに要旨を有する。
【００１５】
上記窒化膜は、４ａ族元素、５ａ族元素、ＣｒおよびＡｌよりなる群から選択される少なくとも１種の元素の窒化物から構成されるものであることが好ましい。
【００１６】
また、上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜に含まれる希土類元素は、Ｙ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｒおよびＹｂよりなる群から選択される少なくとも１種であることが推奨される。
【００１７】
この他、上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜は、さらにＡｇおよび／またはＣｕを含有するものであることが望ましい。
【００１８】
ステンレス鋼製の多孔質支持体を使用する場合、該支持体の片側表面に形成される上記窒化膜は、厚みが０．５μｍ以上であることが推奨される。さらに、上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜と、Ｐｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜とを合わせた膜厚は２〜５０μｍであることが望ましい。
【００１９】
また、上記岩塩構造型の窒化膜、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜、およびＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を、イオンプレーティング法またはスパッタリング法により形成する上記水素透過体の製造方法も本発明に包含される。
【００２０】
なお、上記窒化膜および上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜、およびＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜の形成には、アークイオンプレーティング法（ＡＩＰ法）を採用することが推奨される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
上述の通り、特願２００１−３６６１９８号に開示した技術によって、金属製多孔質支体表面に形成された窒化層と、希土類元素を含むＰｄ系水素選択透過膜（以下、「Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜」という）との密着性は大幅に改善された。ところが、この水素透過体を使用する際に、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜が高温かつ酸化ガスの存在する雰囲気下に直接曝されると、該合金膜中の希土類元素が酸化され、その結果、水素透過体の水素透過性能が徐々に低下するという問題が生じてくる。
【００２２】
そこで本発明者らは、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜を多孔質支持体上に形成させた水素透過体において、該膜と該支持体との密着性を低下させることなく、水素透過性能の持続性を向上させるべく、更に研究を重ねた。その結果、従来から水素選択透過膜として用いられていたＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜表面、つまり水素透過体の最表層として設ければ、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の酸化劣化による水素透過性能の低下が阻止されることを見出し、本発明を完成した。
【００２３】
即ち、本発明の水素透過体は、該水素透過体の最表層にＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を形成させるところに最大の特徴を有している。このような構成とすることで、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜が直接酸化雰囲気下に曝されるのを防ぎ、水素透過体使用時における水素透過性能の持続性を確保し得たのである。なお、上記Ｐｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜は、従来から水素透過膜として使用されていたものであるため、水素透過性能を低下させる虞はない。以下、本発明の水素透過体の構成について詳細に説明する。
【００２４】
本発明の水素透過体では多孔質支持体が用いられる。このような多孔質支持体を採用することで、水素選択透過膜の厚みをできる限り小さくして粗製ガスの処理量（すなわち水素透過量）を高く維持しつつ、水素透過体の機械的強度を高めることができる。
【００２５】
上記多孔質支持体としては、粗製ガスの分離処理条件（通常、７００℃以下）で耐久性を有する素材によって構成されたものであればよく、該素材としては、例えば、ステンレス鋼（具体的には、ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１０Ｓ，ＳＵＳ３１６，ＳＵＳ４１０，ＳＵＳ４３０など）や、アルミナなどの耐熱酸化物が挙げられる。
【００２６】
なお、水素透過体を粗製ガス処理装置へ組み込むためには、機械加工性や溶接性に優れることが望ましい。よって、上記の素材の中でも、ステンレス鋼が推奨される。
【００２７】
尚、例えば多孔質支持体の素材として、岩塩構造型の窒化物を形成し得る元素（例えばＴｉやＣｒなど）を用い、上記特開２０００−１２６５６５号に開示の技術を利用して、該多孔質支持体表面を窒化処理して窒化層を形成した場合、上記窒化層は岩塩構造型であるため、該窒化層上にＰｄ−ＲＥＭ合金膜を形成させれば、該膜の多孔質支持体に対する密着性を高めつつ、水素透過性能の耐久性を確保し得ることが予想される。
【００２８】
しかしながら、上記の岩塩構造型の窒化物を形成し得る元素は、溶接性や機械加工性が非常に悪いため、これらを素材として水素透過体用の支持体を得ることは、実質的に不可能である。
【００２９】
上記多孔質支持体の平均孔径は、１μｍ以上、好ましくは２μｍ以上であって、１０μｍ以下、好ましくは６μｍ以下であることが推奨される。平均孔径が上記範囲を下回ると、多孔質支持体を流れる水素の圧力損失が大きくなり、水素の流量が少なくなる。他方、平均孔径が上記範囲を超えると、孔を塞ぐためにＰｄ−ＲＥＭ合金膜を厚くしなければならなくなり、水素透過体の水素透過速度が低下すると共に、コストも増大する。
【００３０】
また、多孔質支持体の相対密度は、水素透過体の機械的強度を確保する観点から、６５％以上、好ましくは７０％以上とすることが望ましい。
【００３１】
多孔質支持体の形状は特に限定されず、粗製ガス処理装置の形状、構造などに応じて円筒状、平板状など任意の形状に設計することができる。なお、現在実用化されている粗製ガス処理装置に適用する上で最も一般的なのは円筒状のものである。
【００３２】
多孔質支持体の製造方法にも、格別の制限はなく、従来公知の方法が採用できる。例えば、素材となるステンレス鋼粒子や、アルミナなどの酸化物の粒子に、必要に応じてバインダーを混合し、焼結する方法などが挙げられる。
【００３３】
本発明の水素透過体は、多孔質支持体表面に後述するＰｄ−ＲＥＭ合金膜を形成させるに当たり、該支持体と該膜の間に、岩塩構造型の窒化膜を介在させている。本発明において、上記窒化膜は、以下の機能を有する。
【００３４】
（１）金属製の多孔質支持体を用いる場合には、既述の通り、金属成分がＰｄ合金膜中に拡散して該膜の水素透過性能を損なう問題があるが、上記岩塩構造型の窒化膜の存在により、該金属成分のＰｄ−ＲＥＭ合金膜中への拡散が防止される。また、岩塩構造型の窒化物は安定であり、Ｐｄ−ＲＥＭ合金とは反応しないため、この窒化物から構成される膜自体がＰｄ−ＲＥＭ合金膜を侵すことはない。よって、水素透過体の水素透過性能の耐久性が向上する。
【００３５】
（２）Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中に存在する希土類元素は、それ自体岩塩構造型の窒化物を形成し得るものであり、他の元素の岩塩構造型窒化物とも親和性が良好である。また、岩塩構造型の窒化物は、本発明に係る水素透過体の多孔質支持体として好ましく採用されるステンレス鋼やアルミナなどの酸化物との親和性も良好である。よって、多孔質支持体表面に岩塩構造型の窒化膜を形成させ、該窒化膜表面にＰｄ−ＲＥＭ合金膜を形成させることで、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜−多孔質支持体間の密着性が向上する。
【００３６】
このように、上記岩塩構造型の窒化膜を形成することで、水素透過性能に優れるＰｄ−ＲＥＭ合金膜の密着性と水素透過性能の耐久性が、従来よりも遥かに優れた水素透過体の提供が可能となったのである。
【００３７】
上記岩塩構造型の窒化膜としては、４ａ族元素（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）、５ａ族元素（Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ）、ＣｒおよびＡｌよりなる群から選択される少なくとも１種の元素の窒化物から構成されるものが挙げられる。好ましい窒化物としては、例えば、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮ、ＺｒＮ、ＨｆＮ、ＶＮ、ＮｂＮ，ＴａＮなどが挙げられるが、中でも、ＴｉＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＡｌＮがコストの面で特に好ましい。
【００３８】
岩塩構造型の窒化膜の厚みは、採用する多孔質支持体の素材によって異なる。多孔質支持体の素材としてステンレス鋼を用いる場合には、上記窒化膜はより厚くする必要がある。Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜は、多孔質支持体の孔を塞ぐように厚く形成させるため、該孔の内壁までＰｄ−ＲＥＭ合金膜で被覆されてしまう。よって、多孔質支持体の孔の内壁が上記窒化膜で被覆されていないと、該孔部でステンレス鋼とＰｄ−ＲＥＭ合金膜とが接触して反応し、水素透過性能が損なわれるからである。このため上記窒化膜は、上記孔の内壁まで該窒化膜が回り込んで被覆される程度の厚みを確保すべきである。具体的には、上記窒化膜の厚みは０．５μｍ以上、好ましくは０．８μｍ以上とすることが推奨される。
【００３９】
他方、多孔質支持体の素材として、アルミナなどの耐熱酸化物を用いる場合は、該耐熱酸化物とＰｄ−ＲＥＭ合金膜とは反応しないため、該多孔質支持体の孔内壁まで上記窒化膜で覆う必要はない。よって、上記窒化膜の厚みは、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の密着性が確保できる程度（すなわち、耐熱酸化物製多孔質支持体の多孔質部の表面のほとんどが、上記窒化膜で覆われている程度）であればよい。具体的には、上記窒化層の厚みは０．０５μｍ以上、好ましくは０．１μｍ以上とすることが推奨される。
【００４０】
ただし、多孔質支持体の素材に関わらず、上記窒化膜を厚くし過ぎると、多孔質支持体の孔を塞いでしまい、水素透過体中を水素が透過し難くなる。よって、上記窒化膜の厚みは、多孔質支持体の素材がステンレス鋼の場合、およびアルミナなどの耐熱酸化物の場合のいずれにおいても、多孔質支持体の平均孔径の１／３以下とすることが望ましい。よって、上記窒化膜の厚みの好ましい上限は、多孔質支持体として推奨される平均孔径から求めればよい。
【００４１】
上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜は、高度な水素透過性能を有すると共に、膜中の希土類元素の存在によって、岩塩構造型の窒化膜との密着性に優れる。Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の希土類元素の含有量は、５ａｔ％以上、好ましくは７ａｔ％以上、さらに好ましくは８ａｔ％以上である。希土類元素の含有量を上記下限以上とすることで、上記窒化膜との良好な密着性、および高度な水素透過性能を確保することができる。
【００４２】
ただし、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の希土類元素の含有量が多過ぎると、該希土類元素が金属間化合物を形成し、これが析出するようになる。この金属間化合物が析出すると、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の水素透過性能が低下する。よって、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の希土類元素の含有量は１５ａｔ％以下、好ましくは１２ａｔ％以下とすることが推奨される。
【００４３】
Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜に含まれる希土類元素は、Ｙ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｒおよびＹｂよりなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。これらの元素は、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中に５ａｔ％以上含有させることが容易であるため、該膜−上記窒化膜間の良好な密着性と、高度な水素透過性能を確保することができる。他方、上記以外の希土類元素では、上記の金属間化合物が生成し易いため、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中にあまり多く含有させることが困難であり、上記の密着性や水素透過性能を十分に確保できない場合がある。
【００４４】
また、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜は、さらにＡｇおよび／またはＣｕを含有するものであることが好ましい。これらの元素の存在により、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の水素透過性能（水素透過速度）がさらに向上するからである。
【００４５】
Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中のＡｇの含有量は、好ましくは１０ａｔ％以上、より好ましくは１５ａｔ％以上であって、好ましくは３０ａｔ％以下、より好ましくは２５ａｔ％以下とすることが望ましい。水素選択透過膜中の水素の透過速度は、該膜中の水素の拡散係数と、該膜中の水素の固溶度との積で決定される。Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中のＡｇ含有量が上記範囲内にある場合、該膜中の水素の固溶度が大きく増大するため、該膜中の水素の透過速度が向上する。
【００４６】
また、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中のＣｕの含有量は、好ましくは４５ａｔ％以上、より好ましくは４７ａｔ％以上であって、好ましくは５５ａｔ％以下、より好ましくは５３ａｔ％以下とすることが望ましい。Ｃｕ含有量が上記範囲内にある場合、Ｐｄ−Ｃｕ合金が面心立方構造から体心立方構造に結晶構造が変化する。この変化により、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の水素の拡散係数が増大するため、該膜中の水素の透過速度が向上する。
【００４７】
Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の厚みは０．０５μｍ以上とすることが好ましい。Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の厚みが０.０５μｍ未満では、窒化膜を十分に覆うことができず、高純度の水素が得られないからである。より好ましくは０．１μｍ以上、さらに好ましくは０．２μｍ以上である。尚、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の厚みの上限については、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜と、後述するＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜とを合わせた厚みから、水素透過速度および分離処理後の水素純度などを考慮して適宜決定すればよい。
【００４８】
本発明の水素透過体は、上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜表面に、Ｐｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を有している。これは、上述のＰｄ−ＲＥＭ合金膜が、高温かつ酸化性ガスの存在する雰囲気下に直接曝されたときに、該合金膜中の希土類元素が酸化することによって生じる水素透過能の低下を防ぐため、該Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の上、即ち水素透過体の最表面において酸化防止層として機能させるためである。尚、ＰｄあるいはＰｄ−Ａｇ合金はそれ自体、従来から水素選択能を有するものとして使用されているものであるため、水素透過性能を低下させるおそれはない。
【００４９】
上記Ｐｄ−Ａｇ合金膜は、これまで水素選択透過膜として用いられてきたものを使用すればよく、Ｐｄ−Ａｇ合金膜中のＡｇ含有量は特に限定されないが、１０ａｔ％以上、３０ａｔ％以下であればよい。
【００５０】
上記ＰｄまたはＰｄ−Ａｇ合金膜の厚みは、１μｍ以上とすることが好ましい。Ｐｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜の厚みが１μｍ未満では、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の酸化を完全に防止できないからである。より望ましくは２μｍ以上、更に好ましくは３μｍ以上である。尚、ＰｄまたはＰｄ−Ａｇ合金膜の厚みの上限については、後述するＰｄ−ＲＥＭ合金膜と、Ｐｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜とを合わせた厚みから、水素透過速度および分離処理後の水素純度などを考慮して適宜決定すればよい。
【００５１】
一般に、分離処理後の水素の純度は、用途にもよるが、通常は９９．９９％以上が要求される。よって、これ以上の水素純度が確保できる程度のピンホールはＰｄ−ＲＥＭ膜、およびＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜（以下、これらを合わせてＰｄ系合金膜という）に存在していても構わない。しかし、Ｐｄ系合金膜の厚みが２μｍ未満では、通常、多孔質支持体の孔が完全に塞がらずにピンホールが多数存在するため、分離処理後の水素純度を９９．９９％以上とすることが困難になる。よって、Ｐｄ系合金膜の厚みの下限は、３μｍが好ましく、より好ましくは５μｍ、さらに好ましくは８μｍである。
【００５２】
他方、Ｐｄ系合金膜の厚みが増大すると、上記ピンホールは減少するが、水素透過速度は該膜厚に反比例して低下する。また、Ｐｄは高価であるため、コストの面からもＰｄ系合金膜を薄くすることが好ましい。よって、実用的な水素透過速度を確保することおよびコスト面での有利さを考慮すると、Ｐｄ系合金膜の厚みは５０μｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは４０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下が推奨される。
【００５３】
尚、Ｐｄ系合金膜を構成するＰｄ−ＲＥＭ合金膜およびＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜の膜厚は、夫々上述の条件を満たしていれば特に制限されるものではないが、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の厚みを大きくした方が水素透過速度を速くできるため好ましい。
【００５４】
上記の窒化膜、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜およびＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜の形成法としては、従来公知の種々の方法が採用できるが、緻密且つ薄い膜を、多孔質支持体表面（上記窒化膜）や上記窒化膜表面（Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜）に直接形成できる点で、イオンプレーティング法やスパッタリング法が好ましい。特にＰｄ−ＲＥＭ合金膜は、該膜と同じ組成の合金固体ターゲットを用いて上記例示の方法によって形成することが、該膜の組成を均一にし得る点で推奨される。また、上記窒化膜の形成においても、例えばＴｉＡｌＮなどの２種以上の元素と窒素から構成される窒化物を素材とする場合は、特に上記例示の方法を採用することが好ましい。
【００５５】
さらに上記例示の膜形成法の中でも特にアークイオンプレーティング法（ＡＩＰ）は、成膜速度が速く、高い密着性が得られ、より緻密な膜が形成できるため推奨される。
【００５６】
また、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜形成後あるいはＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜形成後、研磨を施すことにより膜中のピンホールが埋められ、一層緻密な膜とすることが可能となる。
【００５７】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは全て本発明の技術的範囲に包含される。
【００５８】
実験１
図１に示す円筒状の多孔質支持体１を用いた。この多孔質支持体１は、多孔質部２がＳＵＳ４１０製であり、この両端にＳＵＳ４１０製のキャップ３をレーザー溶接したものである。なお、キャップ３のうちの一方は、ＳＵＳ４１０製のパイプ４（１／４インチφ）をレーザー溶接したものを用いた。
【００５９】
このとき用いた多孔質部２の平均孔径は約４μｍである。なお、多孔質部の平均孔径は、次の方法で求めた。光学顕微鏡を用い、倍率１０００倍で多孔質支持体の多孔質部を４箇所写真撮影した。得られた写真の孔の部分を黒く塗りつぶし、画像処理によって孔の面積を測定後、孔の個数で該孔の面積を割って１個当たりの孔の面積を算出し、孔を円形と仮定して平均孔径を求めた。また、多孔質部２は、外径２２ｍｍ、厚み１ｍｍ、長さ７０ｍｍである。
【００６０】
このステンレス鋼製多孔質支持体１を、図２に示すイオンプレーティング装置内にセットした。イオンプレーティング装置の真空チャンバー５内の下部に配置した３個の坩堝に、夫々Ｔｉ、Ｐｄ、Ｙを入れた。真空チャンバー５内を１×１０^-3Ｐａまで減圧した後、窒素ガスを導入して、該真空チャンバー５内の圧力を１．３Ｐａとした。この後、ステンレス鋼製多孔質支持体１に１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を５００Ｗで印加し、窒素プラズマを形成した。さらに、Ｔｉの入った坩堝に電子銃６で電子線を照射し、Ｔｉを溶解蒸発させて、ステンレス鋼製多孔質支持体表面にＴｉＮ膜を形成した（膜厚１μｍ）。
【００６１】
その後、ＲＦ電源および電子銃電源を切り、真空チャンバー５内への窒素の導入を止め、再び真空チャンバー５内を１×１０^-3Ｐａまで減圧した。次に真空チャンバー５内にアルゴンガスを導入して、該チャンバー内の圧力を１．３Ｐａとした。この後、ステンレス鋼製多孔質支持体１に１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ）を５００Ｗで印加し、アルゴンプラズマを形成した。さらに、ＰｄおよびＹの入った各坩堝に電子銃６で電子線を交互に照射してＰｄおよびＹを溶解蒸発させ、上記ＴｉＮ膜表面にＰｄ−Ｙ合金膜を形成して（膜厚２０μｍ）、水素透過体（１）を得た。なお、各坩堝への電子線の照射時間を調整して、Ｐｄ−Ｙ合金膜中のＹ含有量を１０ａｔ％とした。
【００６２】
真空チャンバー５から取り出した水素透過体（１）には、Ｐｄ−Ｙ合金膜の剥離は認められなかった。
【００６３】
さらに、上述の方法と同様にして、ステンレス鋼製多孔質支持体表面にＴｉＮ膜（膜厚１μｍ）、Ｐｄ−１０ａｔ％Ｙを成膜した（膜厚２０μｍ）。Ｐｄ−１０ａｔ％Ｙ合金膜の成膜後、Ｙの入った坩堝への電子線の照射を止めて、Ｐｄのみを溶解蒸発させてＰｄ膜を成膜した（膜厚５μｍ）。これを水素透過体（２）とする。
【００６４】
得られた水素透過体（１）および（２）について、下記のピンホール評価、および温度サイクル試験を行った。
【００６５】
［ピンホール評価］
上記水素透過体（１）を、図３に示す水素透過試験装置の加熱炉８内にセットし、該水素透過体（１）の外側および内側をロータリーポンプで減圧した後、加熱ヒーター１０によって、加熱炉８内を６００℃に加熱した。次に、水素透過体（１）の外側および内側にヘリウムガスを流し、外側圧力が２．０１３×１０⁵Ｐａ、内側圧力が１．０１３×１０⁵Ｐａ（大気圧）とした。その後、水素透過体（１）の内側から加熱炉８外へ流れ出すヘリウムガスの流量を測定し、該水素透過体（１）のＰｄ合金膜中のピンホールの有無を確認した。
【００６６】
［温度サイクル試験］
上記ピンホール評価の後、真空ポンプによって加熱炉８内のヘリウムガスを排気し、その後水素透過体（１）の外側に水素ガス（１０％の水蒸気を含む、以下単に「混合水素ガス」という）を流して、圧力を２．０２６×１０⁵Ｐａとした。このとき、水素透過体（１）の内側にはＰｄ合金膜を通過した水素が流入して大気圧以上となるため、水素透過体（１）の内側の圧力を大気開放することによって１．０１３×１０⁵Ｐａとした。他方、水素透過体（１）の外側には圧力が２．０２６×１０⁵Ｐａとなるように混合水素ガスを流し続けた。このようにして水素透過体（１）の外側と内側で水素の圧力に差を設けた水素透過試験を５０時間継続し、透過水素流量の経時変化を測定した。
【００６７】
その後、真空ポンプによって加熱炉８内の水素ガスを排気し、加熱ヒーター１０の電源を切って、加熱炉８内を室温まで冷却した。２時間後、再び加熱ヒーター１０によって加熱炉８内を６００℃まで昇温して、上述の水素透過試験を５０時間継続して行った。このように６００℃での水素透過試験と、室温冷却を繰り返し行う温度サイクル試験により水素透過体（１）の耐久性を評価した。温度サイクル試験は、試験に供した水素透過体の状態によって適宜調整し、水素透過試験と加熱炉８の室温への冷却を最大で各々２０回繰り返した。同様にして、水素透過体（２）についてもピンホール評価および温度サイクル試験を行った。
【００６８】
上記ピンホール評価において、水素透過体（１）を用いた場合のヘリウムガス流量は０であり、Ｐｄ−１０ａｔ％Ｙ合金膜中にピンホールの無いことが確認された。また、水素透過体（２）にもピンホールが発生していないことが確認された。
【００６９】
温度サイクル試験において、水素透過体（１）では、１回目の水素透過試験中に水素透過量が徐々に低下し、試験開始当初１．５Ｌ／ｍｉｎであった水素透過量が、試験開始後２０時間で０．３Ｌ／ｍｉｎにまで低下したため、この時点で水素透過試験を中止し、温度サイクル試験は行わなかった。これに対して、Ｐｄ−１０ａｔ％Ｙ合金膜上にＰｄ膜を形成した水素透過体（２）では、温度サイクル試験を２０回繰り返した後であっても水素透過量にほとんど変化が無く、１．０Ｌ／ｍｉｎと安定しており、温度サイクル試験後の水素透過体（２）表面のＰｄ合金膜に剥離は認められず、良好な密着性を有していた。
【００７０】
実験２
実験１と同じステンレス鋼製多孔質支持体に、大気炉中で、６５０℃、１０分の条件で酸化処理を行い、該支持体表面に酸化物層を形成した（層厚約０．３μｍ）。その後、図２に示すイオンプレーティング装置内にセットした。尚、このときのイオンプレーティング装置内の坩堝にはＰｄおよびＡｇを入れておいた。その後、実験１と同様にして、酸化物層上に直接Ｐｄ−２０ａｔ％Ａｇ合金膜を成膜した（膜厚２０μｍ）。これを水素透過体（３）とする。
【００７１】
尚、ステンレス鋼製多孔質支持体上に酸化物層を設ける代わりに、スパッタリング法によってＳｉ酸化物層（層厚０．５μｍ）を形成したものについても同様にしてＰｄ−２０ａｔ％Ａｇ合金膜を成膜した（層厚２０μｍ）。これを水素透過体（４）とする。
【００７２】
これらの水素透過体について実験１と同様にしてピンホール評価および温度サイクル試験を行った。
【００７３】
ピンホール試験では、水素透過体（３）、（４）のいずれもヘリウムガスの流量は０であり、Ｐｄ−２０ａｔ％Ａｇ合金膜中にピンホールが無いことが確認された。
【００７４】
しかしながら、温度サイクル試験において、ステンレス鋼製多孔質支持体に酸化物層を設けた水素透過体（３）には、３回目の水素透過試験開始直後に、Ｓｉ酸化物層を設けた水素透過体（４）では２回目の水素透過試験直後に、それぞれ水素透過量が急増する傾向が見られたため、この時点で水素透過試験を中止し、水素透過体を取り出してその表面を観察したところ、どちらもＰｄ合金膜が一部剥離して、合金膜に破れが生じているのが確認された。尚、水素透過体（３）、（４）のいずれもにおいても、剥離は多孔質支持体と酸化物層あるいはＳｉ酸化物層との界面から生じていた。
【００７５】
実験３
多孔質部の平均孔径が３μｍである以外は、実験１で用いたものと同一形状・サイズのステンレス鋼製多孔質支持体の表面に、以下のようにして岩塩構造型の窒化膜を形成し、次いでＰｄ−ＲＥＭ合金膜を、最表層にＰｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金膜を形成した。なお、ステンレス鋼製多孔質支持体の素材には、ＳＵＳ３１０、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３０のいずれかを採用した。
【００７６】
図４に示す３つの蒸発源を有するスパッタリング装置を用いた。直径６インチのＴｉターゲット１１、希土類元素含有Ｐｄ合金ターゲット１２およびＰｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金ターゲット１３を取り付けたスパッタリング装置内の回転テーブル１４上に、上記の多孔質支持体をセットし、真空チャンバー５内が１×１０^-3Ｐａ以下になるまで真空排気した。次に、真空チャンバー５内に、窒素ガスとアルゴンガスを１：１の流量比で導入し、該チャンバー５内の圧力を１．３Ｐａとした。その後、多孔質支持体に１００Ｖの負のバイアス電圧を印加し、Ｔｉターゲット１１をＤＣパワー１ｋＷで放電させ、該Ｔｉターゲット１１をスパッタさせて、多孔質支持体表面にＴｉＮ膜を形成した。
【００７７】
その後、Ｔｉターゲット１１の放電を止め、真空チャンバー５内を真空排気した後、アルゴンガスを導入して該チャンバー５内の圧力を１．３Ｐａとした。次に、希土類元素含有Ｐｄ合金ターゲット１２をＤＣパワー１ｋＷで放電させ、該希土類元素含有Ｐｄ合金ターゲット１２をスパッタさせて、上記ＴｉＮ膜表面に希土類元素含有Ｐｄ合金膜を形成した。
【００７８】
希土類元素含有Ｐｄ合金ターゲット１２の放電を止め、引き続きＰｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金ターゲット１３をＤＣパワー１ｋＷで放電させて、Ｐｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金ターゲットをスパッタさせて、上記希土類元素含有Ｐｄ合金膜表面にＰｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金膜を形成して、ＴｉＮ／希土類元素含有Ｐｄ合金／Ｐｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金の３層膜を有する水素透過体（５）〜（２２）を得た。
【００７９】
得られた水素透過体（５）〜（２２）について、実験１と同様のピンホール評価および温度サイクル試験を行い、膜の密着性および水素透過耐久性を評価した。水素透過体（５）〜（２２）の構成と上記の評価・試験結果を、表１に示す。
【００８０】
なお、表１において、例えば、水素透過体（５）の希土類元素と組成「６ａｔ％Ｃｅ」とは、「Ｃｅを６ａｔ％含有するＰｄ合金」であることを意味する。（以下同じ）。
【００８１】
表１から分かるように、水素透過体（５）〜（１４）は、Ｐｄ系合金膜（Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜およびＰｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金膜を指す、以下同じ）の密着性、ピンホールフリー性共に良好であった。また、水素透過体（１２）以外の水素透過体では、２０回の温度サイクル試験後（水素透過時間１０００時間）も水素透過量がほとんど変化せず、良好な耐久性を有していた。尚、水素透過体（１２）には、試験後の該水素透過体表面に直径１ｍｍ程度のドーム状のふくれが数箇所見られ、剥離の兆候が現れたため、再度ピンホール評価試験を実施したが、リーク量は試験開始当初と同じ０．２ｃｃ／ｍｉｎを示し、膜の破れは認められなかった。
【００８２】
これに対し、水素透過体（１５）は、Ｐｄ合金膜中の希土類元素量が３ａｔ％と少なかったためにＴｉＮ膜との十分な密着性が得られず、温度サイクル試験４回目で、ＴｉＮ膜とＰｄ−ＲＥＭ合金膜との界面において剥離が認められた。
【００８３】
水素透過体（１６）および（１７）は、ＴｉＮ膜が厚過ぎたため、水素透過量の変化やＴｉＮ膜およびＰｄ系合金膜の剥離は生じなかったものの、多孔質支持体の孔がＴｉＮで塞がれてしまい、水素透過量自体が低い値であった。
【００８４】
水素透過体（１８）は、ＴｉＮ膜の厚みを薄くしたため、ステンレス鋼製多孔質支持体の孔内壁へのＴｉＮの被覆が不十分であり、ステンレス鋼が露出した多孔質支持体の孔内壁にＰｄ合金膜が形成されていた。このため、水素透過試験中にステンレス鋼成分とＰｄ合金が反応し、最終的に水素透過量が初期値の半分にまで低下した。
【００８５】
水素透過体（１９）は、反応防止層であるＴｉＮ層を形成していないため、水素透過試験開始と共に水素透過量が急速に低下し、試験開始後２時間でその値は０．１ｌ／ｍｉｎにまで低下した。このため、この時点で試験を中止した。
【００８６】
水素透過体（２０）は、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の厚みが薄かったために、Ｐｄ−Ａｇ合金膜との密着性が不十分となり、温度サイクル試験９回目でＰｄ−ＲＥＭ合金膜とＰｄ−Ａｇ合金膜の界面に剥離が発生した。
【００８７】
水素透過体（２１）は、Ｐｄ−Ａｇ合金膜の厚みが薄かったために、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の酸化を防ぐことができず、Ｙが酸化されて、水素透過性能が大きく低下した。
【００８８】
水素透過体（２２）は、Ｐｄ系合金膜全体の厚みが薄かったために、多孔質支持体の孔を塞ぐことができず、ヘリウムガスのリーク量が大きかった。尚、初期の水素透過量は２．４Ｌ／ｍｉｎであったが、水素の純度が低かったため、その後の温度サイクル試験は実施しなかった。
【００８９】
【表１】

【００９０】
実験４
多孔質部の平均孔径が５μｍである以外は、実験１で用いた物と同一形状・サイズのステンレス鋼製多孔質支持体を、図５に示す３つの蒸発源を有するアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）装置の真空チャンバー５内にセットした。ＡＩＰ装置の３つの蒸発源には、岩塩構造型の窒化膜を形成するための金属または合金ターゲット１４（以下、「窒化膜形成用ターゲット」という）、希土類元素含有Ｐｄ合金ターゲット１２およびＰｄ―２３ａｔ％Ａｇ合金ターゲット１３をそれぞれ取り付けた。真空チャンバー５内の圧力を１×１０^-3Ｐａにまで減圧した。その後、真空チャンバー５内に窒素ガスを導入し、該チャンバー５内の圧力を２．７Ｐａとした。次に多孔質支持体に５０Ｖの負のバイアス電圧を印加し、窒化膜形成用ターゲット１４にアーク電流１００Ａを流してアーク放電を行うことにより、多孔質支持体表面に岩塩構造型の窒化膜を形成した。
【００９１】
その後放電を止め、真空チャンバー５内の圧力を１×１０^-3Ｐａにまで減圧し、さらにアルゴンガスを導入して該チャンバー５内の圧力を２．７Ｐａとした。次に多孔質支持体に２５Ｖの負のバイアス電圧を印加し、Ｐｄ−ＲＥＭ合金ターゲット１２にアーク電流８０Ａを流してアーク放電を行うことにより、岩塩構造型の窒化膜表面にＰｄ−ＲＥＭ合金膜を形成した。
【００９２】
さらにその後、Ｐｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金ターゲットにアーク電流８０Ａを流してアーク放電を行うことにより、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜上にＰｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金膜を形成し、水素透過体（２３）〜（３３）を得た。
【００９３】
表２に使用したターゲット、窒化膜およびＰｄ−ＲＥＭ合金膜の構成化合物、窒化膜、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜およびＰｄ−２３ａｔ％Ａｇ合金膜の厚みを示す。なお、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の組成は、ＩＣＰ発光分析法によって測定した値である。表２から、Ｐｄ合金膜の組成は、使用したターゲットの組成とほぼ同じになることが分かる。
【００９４】
【表２】

【００９５】
また、得られた水素透過体（２３）〜（３３）について、実験１と同様のピンホール評価および温度サイクル試験を行った。結果を表３に示す。
【００９６】
表３から分かるように、水素透過体（２３）〜（３０）は、Ｐｄ合金膜の密着性、ピンホールフリー性、水素透過性とその耐久性のいずれもが良好である。
【００９７】
これに対して、水素透過体（３１）はＰｄ系合金膜の厚みが薄く、ヘリウムガスのリーク量が大きかった。このときの水素透過量に対するヘリウムガスのリーク量の割合から水素の純度を概算すると９９．８％となり、通常要求されるような高純度（９９．９９％以上）の水素を確保することができなかった。
【００９８】
水素透過体（３２）は、ＴｉＡｌＮ膜の厚みが薄すぎたため、温度サイクル試験中に水素透過性能が劣化し、水素透過量の値が初期値の半分以下にまで減少した。
【００９９】
水素透過体（３３）は、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の希土類元素量が少なく、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の形成直後に剥離が生じた。
【０１００】
【表３】

【０１０１】
【発明の効果】
本発明の水素透過体は、以上の通り、ステンレス鋼製多孔質支持体表面に岩塩構造型の窒化膜を形成し、該窒化膜表面にＰｄ−ＲＥＭ合金膜、Ｐｄ−Ａｇ合金膜を形成するものであり、該窒化膜とＰｄ−ＲＥＭ合金膜の良好な親和性を利用して、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の密着性を高めたものである。さらに、ステンレス鋼製多孔質支持体を用いた場合には、該ステンレス鋼成分とＰｄ−ＲＥＭ合金膜との反応を上記窒化膜が防止するため、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の水素透過性の劣化が抑制される。これにより、水素透過性の耐久性も向上する。これらに加えて、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜上にＰｄ−Ａｇ合金膜を設け、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の希土類元素の酸化を防ぐことにより、良好な水素選択性を長期的に維持できる。
【０１０２】
このように、本発明の構成を採用することで、優れた水素透過性能を有するＰｄ−ＲＥＭ合金膜を、従来よりも有効な形で利用し得る水素透過体の提供が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で用いた円筒状多孔質支持体の側面模式図である。
【図２】本発明の実施例で用いたイオンプレーティング装置の概略図である。
【図３】本発明の実施例で用いた水素透過試験装置の概略図である。
【図４】本発明の実施例で用いたスパッタリング装置の概略図である。
【図５】本発明の実施例で用いたアークイオンプレーティング装置の概略図である。
【符合の説明】
１多孔質支持体
２多孔質部
３キャップ
４パイプ
５真空チャンバー
６電子銃
７ＲＦ電源
８加熱炉
９スウェージロック
１０加熱ヒーター
１１Ｔｉターゲット
１２Ｐｄ−ＲＥＭ合金ターゲット
１３Ｐｄ−Ａｇ合金ターゲット
１４回転テーブル
１５岩塩構造型窒化膜形成用元素ターゲット
１６バイアス電源

Claims

希土類元素を含むＰｄ−ＲＥＭ合金膜を多孔質支持体上に有する水素透過体において、
該Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜と該多孔質支持体との間に岩塩構造型の窒化膜を有し、
該Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜中の希土類元素の含有量は５ａｔ％以上であり、
該Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜の表面側にＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を有することを特徴とする水素透過体。
上記窒化膜は、４ａ族元素、５ａ族元素、ＣｒおよびＡｌよりなる群から選択される１種以上の元素の窒化物で構成されている請求項１に記載の水素透過体。
上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜に含まれる希土類元素は、Ｙ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、ＥｒおよびＹｂよりなる群から選択される少なくとも１種である請求項１または２に記載の水素透過体。
上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜が、さらにＡｇおよび／またはＣｕを含有するものである請求項１〜３のいずれかに記載の水素透過体。
ステンレス鋼製多孔質支持体の片側表面に形成される上記窒化膜は、厚みが０．５μｍ以上である請求項１〜４のいずれかに記載の水素透過体。
上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜と、Ｐｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜とを合わせた膜厚が２〜５０μｍである請求項１〜５のいずれかに記載の水素透過体。
前記岩塩構造型の窒化膜、Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜、およびＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を、イオンプレーティング法またはスパッタリング法により形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の水素透過体の製造方法。
上記窒化膜、上記Ｐｄ−ＲＥＭ合金膜、およびＰｄ膜またはＰｄ−Ａｇ合金膜を、アークイオンプレーティング法によって形成する請求項７に記載の製造方法。