JP4184705B2

JP4184705B2 - 水素分離膜構造体

Info

Publication number: JP4184705B2
Application number: JP2002127091A
Authority: JP
Inventors: 一志岡登; 厚志蒲地
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003320214A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含む気体または液体から、水素が富化された気体を取り出すために用いられる水素分離膜構造体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、石油資源が枯渇化する一方、化石燃料の消費による地球温暖化等の環境問題が深刻化している。そこで、二酸化炭素の発生を伴わないクリーンな電動機用電力源として燃料電池が注目され、広範に開発が行われている。
【０００３】
前記燃料電池の燃料として、例えば、イソプロパノール等の低級アルコールを分解して得られる水素ガスを用いることが考えられる。前記イソプロパノールは通常は液体であるが、触媒存在下で８０℃程度に加熱することにより、分解してアセトンと水素との混合気体が得られる。また、液体の前記イソプロパノールを８０℃未満の温度で加熱して気化させた後、イソプロパノール蒸気に触媒を作用させて分解することによっても、アセトンと水素との混合気体が得られる。前記混合気体は、水素分離膜の表裏両側に圧力差を設けることにより、該水素分離膜を透過させて、水素が富化された気体とすることができる。
【０００４】
前記水素分離膜は、スルホン化ポリイミド、酸修飾ポリベンズイミダゾール等の原料樹脂の溶液をガラス基板上に流延した後、乾燥させることにより製造することができる。このとき、前記水素分離膜は、高度の水素分離性能を得るためには、膜厚をできるだけ薄く、例えば１０μｍ未満とすることが望まれる。
【０００５】
ところが、前記水素分離膜は、１０μｍ未満というような膜厚では自己支持性に乏しくなるため、気体透過性のシート状支持体と接合された状態とする必要がある。
【０００６】
そこで、従来、ＳＵＳ等の金網を圧延したものを支持体とし、前記水素分離膜を該支持体と接合した水素分離膜構造体が知られている。しかし、前記水素分離膜構造体では、前記支持体の材料が金属であるために、該金属の細線を用いるとしても細くするには限界があり、該支持体の表面に凹凸ができたり、細線と細線との間に間隙ができるという問題がある。前記支持体に表面の凹凸や細線間の間隙があると、前記水素分離膜に水素を含む気体または液体を透過させる際の圧力差により、該水素分離膜が前記凹凸や間隙に押圧されて破損する虞がある。
【０００７】
前記圧力差による破損を防止するには、前記水素分離膜の膜厚は１０μｍ程度とすることが限界であり、十分な水素分離性能を得ることが難しい。
【０００８】
前記問題を解決するために、前記ＳＵＳ等の金網に代えて、合成繊維等からなる不織布を前記支持体とし、前記水素分離膜を該支持体と接合した水素分離膜構造体も知られている。前記不織布を構成する繊維は、繊維径が１３μｍ程度であり、前記金網に比較して、表面の凹凸や繊維間の間隙を著しく低減することができる。従って、前記不織布からなる支持体に接合された前記水素分離膜に水素を含む気体または液体を透過させる際に、圧力差による該水素分離膜の破損を防止することが容易となり、該水素分離膜の膜厚を１０μｍ未満とすることが可能になる。
【０００９】
しかしながら、前記不織布からなる支持体に接合される前記水素分離膜の膜厚を１０μｍ未満とすると、繊維径が１３μｍ程度である前記繊維が該水素分離膜を突き破り、該水素分離膜が破損されることがあるという不都合がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、水素分離膜と接合される支持体による該水素分離膜の破損を防止することができ、優れた水素分離性能を備える水素分離膜構造体を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の水素分離膜構造体は、水素分離膜と、該水素分離膜を支持する気体透過性支持体とを備える水素分離膜構造体において、０．３〜８μｍの範囲の厚さを備える水素分離膜が、アラミド樹脂からなり、０．１〜５μｍの範囲の繊維径と、０．１〜４ｍｍの範囲の繊維長とを備えるフィブリル化された繊維をバインダーにより一体化してなる不織布に接合されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水素分離膜構造体は、フィブリル化された繊維をバインダーにより一体化してなる不織布を気体透過性支持体としている。前記フィブリル化された繊維は、通常の繊維径１３μｍ程度の繊維に比較して、繊維径が数分の一から十数分の一となっており、繊維長も短くなっている。そこで、前記フィブリル化された繊維を用いる不織布では、通常の繊維を用いる不織布に比較して、表面の凹凸、繊維間の間隙がさらに低減されている。
【００１３】
従って、前記フィブリル化された繊維を用いる不織布は、０．３〜８μｍの範囲の厚さを備える水素分離膜と接合されても、該水素分離膜に水素を含む気体または液体を透過させる際の圧力差により該水素分離膜を破損する虞がない。また、前記フィブリル化された繊維は、通常の繊維に比較して繊維径が低減されているので、前記水素分離膜の膜厚を前記範囲としても、該水素分離膜を突き破って破損する虞がない。さらに、前記フィブリル化された繊維は、前記バインダーにより束ねられていることにより強度が高くなり、前記不織布を薄くすることができる。
【００１４】
従って、本発明の水素分離膜構造体によれば、前記水素分離膜を前記範囲の厚さとしても、該水素分離膜が前記気体透過性支持体により破損されることがなく、優れた水素分離性能を得ることができる。
【００１５】
前記水素分離膜は、膜厚が０．３μｍ未満であっても前記気体透過性支持体により破損される虞は無いが、製造時におけるピンホールの発生が避けられない。また、前記膜厚が８μｍを超えると、十分な量の水素を分離することができない。
【００１６】
前記フィブリル化された繊維は、繊維径が５μｍを超えるか、または繊維長が４ｍｍを超えると、該繊維が前記範囲の厚さを備える水素分離膜を突き破って破損する虞がある。また、通常の繊維をフィブリル化するときに、繊維径を０．１μｍ未満とし、或いは繊維長を０．１ｍｍ未満とすることは難しい。
【００１７】
前記アラミド樹脂は、通常の紡糸により得られた繊維を機械的な剪断によりフィブリル化することにより、１本の繊維が数本から数十本に別れ、前記範囲の繊維径及び繊維長とすることができる。また、アラミド樹脂から通常の紡糸により得られた繊維はそれ自体剛直であるが、機械的な剪断によりフィブリル化された繊維は柔軟であり、前記不織布としたときに、前記範囲の膜厚の水素分離膜を突き破る虞がない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の水素分離膜構造体の構成を示す説明的断面図であり、図２は本実施形態の水素分離膜構造体の製造方法の一例を示す説明的断面図である。
【００１９】
図１示のように、本実施形態の水素分離膜構造体１は、水素分離膜２がフィブリル化された繊維からなる不織布３に接合されたものである。
【００２０】
水素分離膜２は、スルホン化ポリイミド、酸修飾ポリベンズイミダゾール等の原料樹脂の溶液をガラス等の基板上に流延し、乾燥することにより得ることができ、０．３〜８μｍ、好ましくは０．５〜３μｍの範囲の厚さを備えている。前記スルホン化ポリイミドは、例えば、２，２’−ビス（３，４−ジカルボキシフェニル）ヘキサフルオロプロパン二無水物と、スルホン酸基を有する少なくとも１種の芳香族アミンとの共重合により得ることができる。前記芳香族アミンとしては、例えば、２，４，６−トリメチルフェニレンジアミンを挙げることができる。
【００２１】
不織布３は、フィブリル化されたアラミド樹脂製繊維をバインダーにより一体化したものであり、５〜２００μｍ、好ましくは２０〜１００μｍの厚さを備えている。
【００２２】
不織布３は、次のようにして製造することができる。まず、例えば繊維径１３μｍ程度の市販のアラミド樹脂製繊維を約３重量％の濃度で水に懸濁させ、パルパーにて約３０分間処理して離解させる。前記市販のアラミド樹脂製繊維として、例えば、デュポン社製ケプラー（登録商標）、帝人社製テクノーラ（登録商標）、テイジン・トワロン社製トワロン（登録商標）等を挙げることができる。
【００２３】
次に、離解された繊維を水流式叩解装置（熊谷機器社製）を用い、約１時間叩解することにより、フィブリル化された繊維を得る。前記フィブリル化された繊維は、カナディアン濾水度約１２０ｍｌ、繊維径０．１〜５μｍ、繊維長０．１〜４ｍｍである。
【００２４】
次に、前記フィブリル化された繊維を抄造することにより坪量約９０ｇ／ｍ²の紙状シートを得る。そして、前記紙状シートに、バインダーとして５〜５０重量％、好ましくは２０〜３０重量％のフェノール樹脂を含浸せしめ、網上で予備乾燥させた後、熱プレスで硬化させる。この結果、前記紙状シートが前記フェノール樹脂で一体化された不織布３を得ることができる。
【００２５】
前記フェノール樹脂の含浸量は、前記紙状シートに対して５重量％未満ではバインダーとしての効果を得ることができず、５０重量％を超えると不織布３において十分な気体透過性を得ることができない。
【００２６】
また、不織布３は、前記抄造時に全体の３０重量％以下の範囲で、ケイソウ土、アルミナ、カーボンブラック等のフィラーを混入されたものでもよい。不織布３は、前記フィラーの混入量が全体の３０重量％を超えると、十分な気体透過性を得ることができない。
【００２７】
また、不織布３は、前記抄造後、全体の１０重量％の範囲でポリビニルアルコールを含浸させたものであってもよい。ポリビニルアルコールはバインダーとして働くので、不織布３に含浸させることにより、不織布３の強度を向上させることができる。ただし、不織布３は、前記ポリビニルアルコールの含浸量が全体の１０重量％を超えると、目詰まりを起こし、十分な気体透過性を得ることができない。
【００２８】
本実施形態の水素分離膜構造体１は、例えば図２示のように、それぞれ別に製造された長尺の水素分離膜２と長尺の不織布３とを、積層された状態で圧着ロール４と受けロール５とからなるロールプレス６に供給することにより得ることができる。ロールプレス６によれば、受けロール５上で圧着ロール４にプレスされることにより、水素分離膜２が不織布３に接合され、水素分離膜構造体１が得られる。このとき、前記圧着ロール４と受けロール５とは、図示しない加熱装置を備え、水素分離膜２と不織布３とを加熱した状態でプレスできるようになっているものであってもよい。
【００２９】
また、本実施形態の水素分離膜構造体１は、前記水素分離膜２と不織布３とをそれぞれ別に製造したのち、不織布３上に水素分離膜２を配設して熱プレスすることにより、水素分離膜２と不織布３とを接合するようにしてもよい。或いは、不織布３上に、水素分離膜２の前記原料樹脂の溶液を直接スプレーして、不織布３に水素分離膜２が接合された水素分離膜構造体１を得るようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素分離膜構造体の構成を示す説明的断面図。
【図２】本発明の水素分離膜構造体の製造方法の一例を示す説明的断面図。
【符号の説明】
１…水素分離膜構造体、２…水素分離膜、３…不織布。

Claims

水素分離膜と、該水素分離膜を支持する気体透過性支持体とを備える水素分離膜構造体において、
０．３〜８μｍの範囲の厚さを備える水素分離膜が、アラミド樹脂からなり、０．１〜５μｍの範囲の繊維径と、０．１〜４ｍｍの範囲の繊維長とを備えるフィブリル化された繊維をバインダーにより一体化してなる不織布に接合されていることを特徴とする水素分離膜構造体。