JP4224272B2 - 水素製造用フィルタに用いる薄膜支持基板および水素製造用フィルタの製造方法 - Google Patents
水素製造用フィルタに用いる薄膜支持基板および水素製造用フィルタの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素製造用フィルタ、特に燃料電池用に各種の炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素リッチガスを生成するための水素製造用フィルタに用いる薄膜支持基板と、この薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平６−３４５４０５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２６８６７号公報
近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発は海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでいる。また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
【０００３】
燃料電池は、天然ガス、ガソリン、ブタンガス、メタノール等の炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスと、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出す発電装置である。一般に燃料電池は炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素リッチガスを生成する改質器と、電気を発生させる燃料電池本体と、発生した直流電気を交流に変換する変換器等で構成されている。
このような燃料電池は、燃料電池本体に使用する電解質、反応形態等により、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の５種類がある。このうち、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）等の他の燃料電池と比較して、電解質が固体である点において有利な条件を備えている。
【０００４】
しかし、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は触媒に白金を使用し、かつ、作動温度が低いため、電極触媒が少量のＣＯによって被毒し、特に高電流密度領域において性能劣化が著しいという欠点がある。このため、改質器で生成された改質ガス（水素リッチガス）に含有されるＣＯ濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減して高純度水素を製造する必要がある。
改質ガスからのＣＯ除去の方法の一つとして、Ｐｄ合金膜をフィルタとして使用した膜分離法が用いられている（特許文献１、２）。Ｐｄ合金膜は、膜にピンホールやクラック等がなければ原理的には水素のみが透過可能であり、改質ガス側を高温高圧（例えば、３００℃、３〜１００ｋｇ／ｃｍ2）とすることにより、低水素分圧側に水素を透過する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような膜分離法では、水素の透過速度は膜厚に反比例するため薄膜化が要求されるが、Ｐｄ合金膜は機械的強度の面から、単体では３０μｍ程度までの薄膜化が限度であり、膜厚が十数μｍ程度のＰｄ合金膜を使用する場合には、Ｐｄ合金膜の低水素分圧側に多孔構造の支持体を配置していた。しかし、Ｐｄ合金膜と支持体とを別体で改質器に装着するので、良好なシーリングを得るための作業性が悪く、また、Ｐｄ合金膜と支持体との擦れが生じてＰｄ合金膜の耐久性が十分ではないという問題があった。
【０００６】
上記の問題を解消するために、接着剤を用いてＰｄ合金膜と多孔構造の支持体とを一体化したフィルタが開発されている。しかし、支持体の孔部に位置するＰｄ合金膜から接着剤を除去する必要があり製造工程が煩雑であるという問題があった。また、改質器において高温高圧下で使用されるので、接着剤の劣化が避けられずフィルタの耐久性が不十分であった。さらに、支持体に所望の強度をもたせるために、支持体が有する孔部の開口径の大きさには限度があり、したがって、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積拡大にも限界があり、水素透過効率向上に支障を来たしていた。
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の改質器に使用して高純度の水素ガスを安定して製造できる水素製造用フィルタを可能とするための薄膜支持基板と、この薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、水素製造用フィルタに用いる薄膜支持基板において、金属基板と、該金属基板の一方の面に形成された複数の柱状凸部と、該柱状凸部の非形成部位に金属基板を貫通するように形成された複数の貫通孔とを備え、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積が２０〜９０％の範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記柱状凸部は径が２０〜５００μｍの範囲、形成ピッチが４０〜７００μｍの範囲、高さが１０〜２００μｍの範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記貫通孔は開口径が２０〜２００μｍの範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板はオーステナイト系またはフェライト系のステンレス基板であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記柱状凸部は前記金属基板をハーフエッチングすることにより形成されたものであり、前記貫通孔は前記金属基板を両面からエッチングすることにより形成されたものであるような構成とした。
【０００８】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、絶縁性フィルムを前記柱状凸部の上端面に固着させるように配設する配設工程と、前記柱状凸部の上端面を除く前記薄膜支持基板上、および、前記絶縁性フィルムの固着面側に、無電解めっきにより導電性下地層を形成する下地層形成工程と、前記薄膜支持基板の金属基板と前記絶縁性フィルムとの間に形成される空間と、前記薄膜支持基板の貫通孔の内部とを埋めるように前記導電性下地層上に銅めっき層を形成する銅めっき工程と、前記絶縁性フィルムを除去した後の前記柱状凸部の上端面と銅めっき層とがなす面の上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記銅めっき層を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【０００９】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面と反対側の面に絶縁性フィルムを配設する配設工程と、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に前記貫通孔の内部を埋め、かつ、柱状凸部を覆うように銅めっき層を形成する銅めっき工程と、前記柱状凸部の上端面が露出し、該上端面と同一平面をなすように前記銅めっき層を平坦除去する平坦化工程と、前記柱状凸部の上端面および銅めっき層からなる平坦面上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記絶縁性フィルムを除去した後、銅めっき層を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【００１０】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、前記貫通孔の内部を埋め、かつ、前記柱状凸部を覆うように樹脂層を形成する樹脂層形成工程と前記柱状凸部の上端面が露出し、該上端面と同一平面をなすように前記樹脂層を平坦除去する平坦化工程と、前記柱状凸部の上端面および樹脂層からなる平坦面上に無電解めっきおよび真空成膜法のいずれかにより導電性下地層を形成する下地層形成工程と、前記導電性下地層上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記樹脂層のみを溶解して除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【００１１】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板に対して選択エッチングが可能な金属基材の一方の面にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、前記Ｐｄ合金膜を柱状凸部の上端面と拡散接合させることにより前記金属基材を配設する拡散接合工程と、前記金属基材を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【００１２】
本発明の他の態様として、前記膜形成工程では、電解めっきによりＰｄ合金膜を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記膜形成工程では、まずＰｄ合金を構成する各成分の薄膜をめっきにより積層し、その後、熱処理を施して成分拡散によりＰｄ合金膜を形成するような構成とした。
上記のような本発明では、薄膜支持基板が金属基板を備えているため、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積比率を大きくしても薄膜支持基板は高い強度を有し、また、Ｐｄ合金膜が薄くても、柱状凸部の上端面に高い強度で固着され一体化されているので、フィルタの耐久性が極めて高いものとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
薄膜支持基板
図１は本発明の薄膜支持基板の一実施形態を示す平面図であり、図２は図１に示される薄膜支持基板のII−II線における縦断面図であり、図３は図１に示される薄膜支持基板のIII−III線における縦断面図であり、図４は図１に示される薄膜支持基板のIV−IV線における縦断面図である。図１乃至図４において、本発明の薄膜支持基板１は、金属基板２と、この金属基板２の一方の面の所定部位に形成された複数の柱状凸部３と、柱状凸部３の非形成部位２ａの所定部位に金属基板２を貫通するように形成された複数の貫通孔４とを備えている。そして、柱状凸部３が形成されている面側に占める柱状凸部非形成部位２ａの面積が２０〜９０％の範囲、好ましくは３０〜８５％となっている。柱状凸部の非形成部位２ａの面積が２０％未満であると、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積を拡大する効果が充分なものとならず、一方、９０％を超えると、水素透過膜の支持に支障を来たし、水素製造用フィルタの耐久性が低下するので好ましくない。
【００１４】
薄膜支持基板１を構成する金属基板２の材質は、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のオーステナイト系、フェライト系のステンレスであってよい。この金属基板２の厚み（柱状凸部の非形成部位２ａにおける厚み）は、２０〜３００μｍの範囲内で適宜設定することができる。金属基板２の厚みが２０μｍ未満であると、薄膜支持基板１の強度が不十分となり、一方、３００μｍを超えると、重量増加の弊害があり、また、貫通孔４の形成が困難になり好ましくない。
薄膜支持基板１を構成する柱状凸部３は、径を２０〜５００μｍ、好ましくは３０〜３００μｍの範囲、形成ピッチを４０〜７００μｍ、好ましくは６０〜５２０μｍの範囲とすることができ、柱状凸部の非形成部位２ａの面積が上述のように２０〜９０％を占めるように設定される。また、柱状凸部３の高さは１０〜２００μｍ、好ましくは２０〜１５０μｍの範囲とすることができる。図示例では、柱状凸部は円柱形状であるが、これに限定されるものではない。このような柱状凸部３は、例えば、所望の開口部を複数有するレジストパターンを介して金属基板を一方の面からハーフエッチングして形成することができる。
【００１５】
薄膜支持基板１を構成する貫通孔４は、開口径を２０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１５０μｍの範囲とすることができる。但し、貫通孔４の内径が均一ではない場合、最小内径を開口径とする。本発明の薄膜支持基板１は、柱状凸部３の上端面３ａにＰｄ合金膜が形成されて水素製造用フィルタを構成するものであり、貫通孔４側は低水素分圧側となる。このため、貫通孔４の形成密度は、金属基板２の強度に影響を与えない範囲であれば充分であり、例えば、単位面積当たりの柱状凸部３の個数Ａと貫通孔４の個数Ｂとの比Ａ／Ｂは１〜１０程度とすることができる。このような貫通孔４は、例えば、所望の開口部を複数有するレジストパターンを介して金属基板２を両面からエッチングすることにより形成することができる。
【００１６】
図示例では、最近傍の３つの柱状凸部３の中心を頂点とする三角形が正三角形をなし、また、最近傍の３つの貫通孔４の中心を頂点とする三角形が正三角形をなし、一方の正三角形の頂点が他方の正三角形の重心位置となるように柱状凸部３と貫通孔４が形成されているが、これに限定されるものではない。
上述のような本発明の薄膜支持基板１は、金属基板２を備えているため、柱状凸部３の形成面側に占める柱状凸部非形成部位２ａの面積比率を大きくしても、所望の強度を維持することができ、したがって、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積を拡大することができる。
【００１７】
水素製造用フィルタの製造方法
次に、本発明の水素製造用フィルタの製造方法について説明する。
図５は上述の薄膜支持基板１を用いた本発明の水素製造用フィルタの製造方法の一実施形態を示す工程図である。
本発明の製造方法は、まず、配設工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、絶縁性フィルム１２を柱状凸部３の上端面３ａに固着させるように配設する（図５（Ａ））。絶縁性フィルム１２としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリカーボネート等の樹脂フィルムを使用することができる。このような絶縁性フィルム１２の厚みは、材質、電気絶縁性能、フィルム強度等を考慮して適宜設定することができ、例えば、３０〜３００μｍ程度とすることができる。柱状凸部３の上端面３ａ上への絶縁性フィルム１２の固着は、例えば、ポリアミド系等の接着剤を用いた方法、絶縁性フィルムの熱融着性を利用した方法等により行うことができる。また、絶縁性フィルムとして、ドライフィルムレジストを配設してもよい。ドライフィルムを使用することにより、後述する絶縁性フィルム１２の除去をアルカリ水溶液等の剥離液を用いて行うことができ、上記の樹脂フィルムを使用した場合に比べて、薄膜支持基板１への物理的ダメージがなく有利である。絶縁性フィルムとして感光性ドライフィルムレジストを用いた場合、柱状凸部３の上端面３ａ上への固着は、ロールラミネート、あるいは、真空ラミネート後、全面を露光し、必要に応じて加熱硬化を施す方法等により行うことができる。
【００１８】
次いで、下地層形成工程において、柱状凸部３の上端面３ａを除く薄膜支持基板１上（貫通孔４内も含む）、および、絶縁性フィルム１２の固着面側に、無電解めっきにより導電性下地層１３を形成する（図５（Ｂ））。この導電性下地層１３の形成は、無電解ニッケルめっき、無電解銅めっき等により行うことができ、導電性下地層１３の厚みは０．０１〜０．２μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、この無電解めっき条件は、使用する絶縁性フィルム１２の材質に応じて適宜設定する。
次に、銅めっき工程において、薄膜支持基板１の金属基板２と絶縁性フィルム１２との間に形成される空間、および、薄膜支持基板１の貫通孔４の内部を埋めるように導電性下地層１３上に銅めっき層１４を形成する（図５（Ｃ））。
【００１９】
次いで、膜形成工程において、絶縁性フィルム１２を除去し、その後、柱状凸部３の上端面３ａと銅めっき層１４（導電性下地層１３）とがなす面の上に、めっきによりＰｄ合金膜１５を形成する（図５（Ｄ））。絶縁性フィルム１２の除去は、剥離、あるいは、溶解により行うことができる。また、Ｐｄ合金膜１５の形成は、電解めっきにより直接Ｐｄ合金膜を形成する方法、電解めっき、あるいは、Ｐｄ合金を構成する各成分の薄膜を無電解めっきにより積層し、その後、熱処理を施して成分拡散によりＰｄ合金膜を形成する方法等により行うことができる。例えば、めっきによりＰｄを１０μｍの厚みで形成し、この上にめっきによりＡｇを１μｍの厚みで形成し、その後、２５０℃、１０分間の熱処理を施すことによりＰｄ合金化することができる。また、Ｐｄ／Ａｇ／Ｐｄ３層、Ｐｄ／Ａｇ／Ｐｄ／Ａｇ４層等の多層めっきを行った後、熱処理を施してもよい。形成するＰｄ合金薄膜１５の厚みは０．５〜３０μｍ、好ましくは１〜１５μｍ程度とすることができる。
【００２０】
次に、除去工程において、選択エッチングにより銅めっき層１４（導電性下地層１３）を除去することにより水素製造用フィルタ１１を得る（図５（Ｅ））。選択エッチングは、アンモニア系のエッチング液を使用し、スプレー方式、浸漬方式、吹きかけ等により行うことができる。
【００２１】
図６は本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
まず、配設工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面と反対側の面に絶縁性フィルム２２を配設する（図６（Ａ））。絶縁性フィルム２２は、上述の絶縁性フィルム１２と同様のものを使用することができ、絶縁性フィルム２２の配設方法も、上述の絶縁性フィルム１２と同様とすることができる。
次に、銅めっき工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、貫通孔４の内部を埋め、かつ、柱状凸部３を覆うように銅めっき層２４を形成する（図６（Ｂ））。
【００２２】
次いで、平坦化工程において、柱状凸部３の上端面３ａが露出し、この上端面３ａと同一平面をなすように銅めっき層２４を平坦除去する（図６（Ｃ））。銅めっき層２４の平坦除去は、例えば、機械研磨等により行うことができる。
次に、膜形成工程において、柱状凸部３の上端面３ａおよび銅めっき層２４からなる平坦面上にめっきによりＰｄ合金膜２５を形成する（図６（Ｄ））。このＰｄ合金膜２５の形成は、上述のＰｄ合金膜１５の形成と同様に行うことができる。
【００２３】
次に、除去工程において、絶縁性フィルム２２を除去し、その後、選択エッチングにより銅めっき層２４を除去することにより水素製造用フィルタ２１を得る（図６（Ｅ））。絶縁性フィルム２２の除去は、上述の絶縁性フィルム１２の除去と同様に行うことができる。また、銅めっき層２４の除去も、上述の銅めっき層１４の除去と同様に行うことができる。
尚、上述の例では、絶縁性フィルム２２は除去工程において除去されるが、平坦化工程の前に絶縁性フィルム２２を除去し、平坦化工程後、膜形成工程前に再度絶縁性フィルム２２を薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面と反対側の面に配設し、これを除去工程で除去するようにしてもよい。
【００２４】
図７は本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
まず、樹脂層形成工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、貫通孔４の内部を埋め、かつ、柱状凸部３を覆うように樹脂層３２を形成する（図７（Ａ））。樹脂層３２は、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂モノマー溶液をスキージング等により流し込み、所定の硬化温度で熱硬化させることで形成することができる。
【００２５】
次に、平坦化工程において、柱状凸部３の上端面３ａが露出し、この上端面３ａと同一平面をなすように樹脂層３２を平坦除去する（図７（Ｂ））。樹脂層３２の平坦除去は、例えば、機械研磨等により行うことができる。
次いで、下地層形成工程において、柱状凸部３の上端面３ａおよび樹脂層３２からなる平坦面上に無電解めっきおよび真空成膜法のいずれかにより導電性下地層３３を形成する（図７（Ｃ））。導電性下地層３３を無電解めっきにより形成する場合、無電解ニッケルめっき、無電解銅めっき等により行うことができ、導電性下地層３３の厚みは０．０１〜０．２μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、この無電解めっき条件は、樹脂層３２の材質に応じて適宜設定する。また、導電性下地層３３を真空成膜法により形成する場合、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ等の薄膜を形成することができ、この薄膜の厚みは０．０１〜０．２μｍ程度の範囲で設定することができる。
【００２６】
次に、膜形成工程において、導電性下地層３３上にめっきによりＰｄ合金膜３５を形成する（図７（Ｄ））。このＰｄ合金膜３５の形成は、上述のＰｄ合金膜１５の形成と同様に行うことができる。
次いで、除去工程において、樹脂層３２のみを溶解して除去することにより水素製造用フィルタ３１を得る（図７（Ｅ））。樹脂層３２の除去は、樹脂層３２を溶解可能な有機溶剤等を用いて行うことができる。尚、この樹脂層３２の除去において、Ｐｄ合金膜３５の薄膜支持基板１側の面を露出させるように導電性下地層３３を除去する。この導電性下地層３３の除去は、Ｎｉを用いた場合は過酸化水素・硫酸系、Ｃｕを用いた場合はアンモニアアルカリ系のエッチング液により行うことができ、Ａｇを用いた場合には、そのまま熱拡散によりＰｄと合金化可能なため除去する必要はない。
【００２７】
図８は本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
まず、膜形成工程で、薄膜支持基板１に対して選択エッチングが可能な金属基材４２の一方の面にめっきによりＰｄ合金膜４５を形成する（図８（Ａ））。上記の金属基材４２としては、銅、銅合金等を使用することができ、厚みは０．０５〜０．３ｍｍの範囲で適宜設定することができる。また、Ｐｄ合金膜４５の形成は、上述のＰｄ合金膜１５の形成と同様に行うことができる。尚、金属基材４２に、例えば、Ｎｉストライクめっきを施すことにより、形成されるＰｄ合金膜４５に対する密着性を高めることができる。このようなＮｉストライクめっきの厚みは、例えば、０．０１〜０．１μｍの範囲で設定することができる。
【００２８】
次に、拡散接合工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、上記のＰｄ合金膜４５を柱状凸部３の上端面３ａと拡散接合させることにより金属基材４２を配設する（図８（Ｂ））。拡散接合によるＰｄ合金膜４５と柱状凸部３の上端面３ａとの接合は、真空中で９００〜１４００℃、１２〜１８時間の加熱処理を施すことにより行うことができる。
次いで、除去工程において、選択エッチングにより金属基材４２を除去することにより水素製造用フィルタ４１を得る（図８（Ｃ））。選択エッチングは、例えば、金属基材４２が銅基材である場合、アンモニア系のエッチング液を使用し、スプレー方式、浸漬方式、吹きかけ等により行うことができる。
【００２９】
上述のように製造される水素製造用フィルタ１１，２１，３１，４１は、いずれも本発明の薄膜支持基板１を使用しているので、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積が大きく、また、強度の高い薄膜支持基板１の柱状凸部３に対して高い強度でＰｄ合金膜が固着されており、水素透過効率を高めるためにＰｄ合金膜を薄くしても、耐久性が極めて高いフィルタである。また、接着剤は使用されていないため、耐熱性に優れ高温高圧下での使用が可能であり、さらに、改質器への装着等の作業性にも優れている。
【００３０】
【実施例】
次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
【００３１】
薄膜支持基板の製造
基材として厚み１５０μｍのＳＵＳ３０４材を準備し、このＳＵＳ３０４材の両面に感光性レジスト材料（東京応化工業（株）製ＯＦＰＲ）をディップ法により塗布（膜厚７μｍ（乾燥時））した。次に、ＳＵＳ３０４材の柱状凸部を形成する側のレジスト塗膜上に、直径が３９０μｍの円形遮光部をピッチ４３０μｍで複数備えたフォトマスクを、また、反対面のレジスト塗膜上に、開口寸法（開口直径）が１００μｍである円形状の開口部をピッチ４３０μｍで複数備えたフォトマスクをそれぞれ配し、このフォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光し、炭酸水素ナトリウム溶液を使用して現像した。これにより、ＳＵＳ３０４材の一方の面には、直径が３９０μｍの円形のレジストが４３０μmのピッチで形成され、反対面には、開口寸法（開口直径）が１００μｍである円形状の開口部を有するレジストパターンが形成された。尚、最近傍の３つの円形レジスト（直径３９０μｍ）の中心を頂点とする三角形の各頂点が、ＳＵＳ３０４材を介して反対面側のレジストパターンの最近傍の３つの開口部の中心を頂点とする三角形の重心位置となるように位置合わせを行った。
【００３２】
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件でＳＵＳ３０４材をエッチングした。このエッチングは、ＳＵＳ３０４材の一方の面からハーフエッチングにより柱状凸部を形成し、同時に両面からのエッチングにより貫通孔を形成するものであり、エッチングに要した時間は６分間であった。
（エッチング条件）
・温度：５０℃
・塩化鉄濃度：４５ボーメ
・圧力：３ｋｇ／ｃｍ2
上記のエッチング処理が終了した後、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。これにより、厚み９０μｍのＳＵＳ３０４材の一方の面に直径が２９０μｍ、高さが６０μｍの円柱形状の柱状凸部が４３０μmのピッチで形成され、この柱状凸部の非形成部位のＳＵＳ３０４材に、開口直径が７０〜１００μｍの貫通孔が４３０μｍのピッチで形成された、図１に示すような薄膜支持基板を得た。この薄膜支持基板では、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積が約５０％であった。
【００３３】
水素製造用のフィルタの作製
上記のように作製した薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、厚み２００μｍの絶縁性フィルム（ポリエチレンテレフタレートフィルム）を貼り付けて配設した（以上、配設工程）。
次に、柱状凸部の上端面を除く薄膜支持基板上（貫通孔内も含む）と、絶縁性フィルムの貼着面側に、下記の前処理を施し、その後、下記の条件で無電解めっきを行い、無電解ニッケルめっき層（厚み０．４μｍ）を形成して導電性下地層とした。（以上、下地層形成工程）
（前処理）
アルカリ脱脂 → 水洗 → 化学エッチング（過硫酸アンモニウム２００ｇ／Ｌ水溶液（２０℃±５℃）中にて） → 水洗 → 酸処理（１０％希硫酸（常温）） → 水洗 → 酸処理（３０％希塩酸（常温）） → 増感剤付与液中に浸漬（組成：塩化Ｐｄ０．５ｇ、塩化第一スズ２５ｇ、塩酸３００ｍＬ、水６００ｍＬ） → 水洗
【００３４】
【００３５】
次に、下記の条件で導電性下地層上に電解銅めっきを行い、薄膜支持基板の柱状凸部非形成面と絶縁性フィルムとの間に形成された空間と、薄膜支持基板の貫通孔の内部とを埋めるように銅めっき層を形成した。（以上、銅めっき工程）
（銅めっき条件）
・使用浴：硫酸銅めっき浴
・液温：３０℃
・電流密度：１Ａ／ｄｍ2
【００３６】
次に、絶縁性フィルムを薄膜支持基板から剥離して除去し、この除去後の薄膜支持基板（柱状凸部の上端面）および銅めっき層上に下記の条件で電解めっきによりＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、この電解めっき時に薄膜支持基板の裏面側の銅めっき層は絶縁性フィルムで被覆した。（以上、膜形成工程）
（電解めっきによるＰｄ合金膜の成膜条件）
・使用浴：塩化Ｐｄめっき浴（Ｐｄ濃度：１２ｇ／Ｌ）
・ｐＨ：７〜８
・電流密度：１Ａ／ｄｍ2
・液温：４０℃
次に、絶縁性フィルムを剥離して除去し、さらに銅めっき層を選択的にエッチングして除去した。（以上、除去工程）
上記の銅めっき層の除去が終了した後、３ｃｍ×３ｃｍの寸法に切断して、水素製造用のフィルタとした。
【００３７】
［実施例２］
薄膜支持基板の製造
実施例１と同様にして、本発明の薄膜支持基板を作製した。
水素製造用のフィルタの作製
上記のように作製した薄膜支持基板の柱状凸部形成側と反対側の面に、厚み２００μｍの絶縁性フィルム（ポリエチレンテレフタレートフィルム）を貼り付けて配設した（以上、配設工程）。
次に、薄膜支持基板の柱状凸部形成側の面に、電解銅めっきを行い、貫通孔の内部を埋め、かつ、柱状凸部を覆うように薄膜支持基板上に銅めっき層（厚み約８０μｍ）を形成した。尚、銅めっき条件は実施例１と同様とした。（以上、銅めっき工程）
【００３８】
次に、柱状凸部の上端面が露出し、この上端面と同一平面をなすように銅めっき層を研磨加工により平坦除去した。この時、研磨面はできるだけ平滑に整えた。（以上、平坦化工程）
次に、上記の平坦面上にＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、このＰｄ合金膜の電解めっき条件は実施例１と同様とした。（以上、膜形成工程）
次に、絶縁性フィルムを剥離して除去し、さらに銅めっき層を選択的にエッチングして除去した。（以上、除去工程）
上記の銅めっき層の除去が終了した後、３ｃｍ×３ｃｍの寸法に切断して、水素製造用のフィルタとした。
【００３９】
［実施例３］
薄膜支持基板の製造
実施例１と同様にして、本発明の薄膜支持基板を作製した。
水素製造用のフィルタの作製
上記のように作製した薄膜支持基板の柱状凸部形成側の面に、貫通孔の内部を埋め、かつ、柱状凸部を覆うように樹脂部材（シプレイ（株）製ＡＺ１１１１）をスキージングにより充填塗布して樹脂層を形成した。（以上、樹脂層形成工程）
次に、柱状凸部の上端面が露出し、この上端面と同一平面をなすように樹脂層を研磨加工により平坦除去した。この時、研磨面はできるだけ平滑に整えた。（以上、平坦化工程）
【００４０】
次に、上記の平坦面上に、無電解めっきを行って無電解ニッケルめっき層（厚み０．４μｍ）を形成して導電性下地層とした。尚、無電解ニッケルめっきの条件は実施例１と同様とした。（以上、下地層形成工程）
次に、上記の導電性下地層上にＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、このＰｄ合金膜の電解めっき条件は実施例１と同様とした。また、電解めっき時に、Ｐｄ合金膜形成の反対面は絶縁性フィルムで被覆した。（以上、膜形成工程）
【００４１】
次に、絶縁性フィルムを剥離して除去し、さらに樹脂層を下記の処理浴（シプレイ（株）製デスミア浴）を用いて溶解除去した。（以上、除去工程）
（デスミア浴の処理条件）
上記の樹脂層の除去が終了した後、３ｃｍ×３ｃｍの寸法に切断して、水素製造用のフィルタとした。
【００４２】
［実施例４］
薄膜支持基板の製造
実施例１と同様にして、本発明の薄膜支持基板を作製した。
水素製造用のフィルタの作製
厚み０．２ｍｍの銅基材上に下記の条件でＮｉストライクめっき（厚み０．０１μｍ）を施した。
【００４３】
次に、上記のＮｉストライクめっきを行った銅基材の片面にＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、このＰｄ合金膜の電解めっき条件は実施例１と同様とした。また、電解めっき時に、Ｐｄ合金膜形成の反対面は絶縁性フィルムで被覆した。（以上、膜形成工程）
次に、銅基材から絶縁性フィルムを剥離して除去した後、薄膜支持基板の柱状凸部の上端面に上記のＰｄ合金膜を当接し、真空中で１０００℃、１２時間の加熱処理を施すことによりＰｄ合金膜と柱状凸部上端面を拡散接合させて銅基材を配設した。（以上、拡散接合工程）
次に、銅基材を選択的にエッチングして除去した。（以上、除去工程）
上記の銅基材の除去が終了した後、３ｃｍ×３ｃｍの寸法に切断して、水素製造用のフィルタとした。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、薄膜支持基板が金属基板を備えているため、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積比率を大きくしても薄膜支持基板は高い強度を有し、これにより、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積を拡大することができ、水素透過効率向上が可能となる。また、このような本発明の薄膜支持基板を使用した本発明の製造方法では、めっきにより形成されたＰｄ合金膜が貫通孔を備えた薄膜支持基板の柱状凸部の上端面に高い強度で固着され一体化されているので、広い有効水素透過面積をもち、また、接着剤は使用されていないため、耐熱性に優れ高温高圧下での使用が可能であるとともに、Ｐｄ合金膜を薄くして水素透過効率を高めても耐久性に優れ、かつ、改質器への装着等の作業性に優れた水素製造用フィルタを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜支持基板の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１に示される薄膜支持基板のII−II線における縦断面図である。
【図３】図１に示される薄膜支持基板のIII−III線における縦断面図である。
【図４】図１に示される薄膜支持基板のIV−IV線における縦断面図である。
【図５】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【図６】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
【図７】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
【図８】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
【符号の説明】
１…薄膜支持基板
２…金属基板
２ａ…柱状凸部非形成部位
３…柱状凸部
４…貫通孔
１１，２１，３１，４１…水素製造用フィルタ
１２，２２…絶縁性フィルム
１３，３３…導電性下地層
１４，２４…銅めっき層
１５，２５，３５，４５…Ｐｄ合金膜
４２…金属基材
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素製造用フィルタ、特に燃料電池用に各種の炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素リッチガスを生成するための水素製造用フィルタに用いる薄膜支持基板と、この薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開平６−３４５４０５号公報
【特許文献２】
特開２００２−２２６８６７号公報
近年、地球環境保護の観点で二酸化炭素等の地球温暖化ガスの発生がなく、また、エネルギー効率が高いことから、水素を燃料とすることが注目されている。特に、燃料電池は水素を直接電力に変換できることや、発生する熱を利用するコジェネレーションシステムにおいて高いエネルギー変換効率が可能なことから注目されている。これまで燃料電池は宇宙開発は海洋開発等の特殊な条件において採用されてきたが、最近では自動車や家庭用分散電源用途への開発が進んでいる。また、携帯機器用の燃料電池も開発されている。
【０００３】
燃料電池は、天然ガス、ガソリン、ブタンガス、メタノール等の炭化水素系燃料を改質して得られる水素リッチガスと、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出す発電装置である。一般に燃料電池は炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素リッチガスを生成する改質器と、電気を発生させる燃料電池本体と、発生した直流電気を交流に変換する変換器等で構成されている。
このような燃料電池は、燃料電池本体に使用する電解質、反応形態等により、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の５種類がある。このうち、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）等の他の燃料電池と比較して、電解質が固体である点において有利な条件を備えている。
【０００４】
しかし、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は触媒に白金を使用し、かつ、作動温度が低いため、電極触媒が少量のＣＯによって被毒し、特に高電流密度領域において性能劣化が著しいという欠点がある。このため、改質器で生成された改質ガス（水素リッチガス）に含有されるＣＯ濃度を１０ｐｐｍ程度まで低減して高純度水素を製造する必要がある。
改質ガスからのＣＯ除去の方法の一つとして、Ｐｄ合金膜をフィルタとして使用した膜分離法が用いられている（特許文献１、２）。Ｐｄ合金膜は、膜にピンホールやクラック等がなければ原理的には水素のみが透過可能であり、改質ガス側を高温高圧（例えば、３００℃、３〜１００ｋｇ／ｃｍ2）とすることにより、低水素分圧側に水素を透過する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような膜分離法では、水素の透過速度は膜厚に反比例するため薄膜化が要求されるが、Ｐｄ合金膜は機械的強度の面から、単体では３０μｍ程度までの薄膜化が限度であり、膜厚が十数μｍ程度のＰｄ合金膜を使用する場合には、Ｐｄ合金膜の低水素分圧側に多孔構造の支持体を配置していた。しかし、Ｐｄ合金膜と支持体とを別体で改質器に装着するので、良好なシーリングを得るための作業性が悪く、また、Ｐｄ合金膜と支持体との擦れが生じてＰｄ合金膜の耐久性が十分ではないという問題があった。
【０００６】
上記の問題を解消するために、接着剤を用いてＰｄ合金膜と多孔構造の支持体とを一体化したフィルタが開発されている。しかし、支持体の孔部に位置するＰｄ合金膜から接着剤を除去する必要があり製造工程が煩雑であるという問題があった。また、改質器において高温高圧下で使用されるので、接着剤の劣化が避けられずフィルタの耐久性が不十分であった。さらに、支持体に所望の強度をもたせるために、支持体が有する孔部の開口径の大きさには限度があり、したがって、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積拡大にも限界があり、水素透過効率向上に支障を来たしていた。
本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の改質器に使用して高純度の水素ガスを安定して製造できる水素製造用フィルタを可能とするための薄膜支持基板と、この薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明は、水素製造用フィルタに用いる薄膜支持基板において、金属基板と、該金属基板の一方の面に形成された複数の柱状凸部と、該柱状凸部の非形成部位に金属基板を貫通するように形成された複数の貫通孔とを備え、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積が２０〜９０％の範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記柱状凸部は径が２０〜５００μｍの範囲、形成ピッチが４０〜７００μｍの範囲、高さが１０〜２００μｍの範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記貫通孔は開口径が２０〜２００μｍの範囲であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記金属基板はオーステナイト系またはフェライト系のステンレス基板であるような構成とした。
本発明の他の態様として、前記柱状凸部は前記金属基板をハーフエッチングすることにより形成されたものであり、前記貫通孔は前記金属基板を両面からエッチングすることにより形成されたものであるような構成とした。
【０００８】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、絶縁性フィルムを前記柱状凸部の上端面に固着させるように配設する配設工程と、前記柱状凸部の上端面を除く前記薄膜支持基板上、および、前記絶縁性フィルムの固着面側に、無電解めっきにより導電性下地層を形成する下地層形成工程と、前記薄膜支持基板の金属基板と前記絶縁性フィルムとの間に形成される空間と、前記薄膜支持基板の貫通孔の内部とを埋めるように前記導電性下地層上に銅めっき層を形成する銅めっき工程と、前記絶縁性フィルムを除去した後の前記柱状凸部の上端面と銅めっき層とがなす面の上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記銅めっき層を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【０００９】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面と反対側の面に絶縁性フィルムを配設する配設工程と、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に前記貫通孔の内部を埋め、かつ、柱状凸部を覆うように銅めっき層を形成する銅めっき工程と、前記柱状凸部の上端面が露出し、該上端面と同一平面をなすように前記銅めっき層を平坦除去する平坦化工程と、前記柱状凸部の上端面および銅めっき層からなる平坦面上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記絶縁性フィルムを除去した後、銅めっき層を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【００１０】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、前記貫通孔の内部を埋め、かつ、前記柱状凸部を覆うように樹脂層を形成する樹脂層形成工程と前記柱状凸部の上端面が露出し、該上端面と同一平面をなすように前記樹脂層を平坦除去する平坦化工程と、前記柱状凸部の上端面および樹脂層からなる平坦面上に無電解めっきおよび真空成膜法のいずれかにより導電性下地層を形成する下地層形成工程と、前記導電性下地層上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記樹脂層のみを溶解して除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【００１１】
また、本発明は、上記のような薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、前記薄膜支持基板に対して選択エッチングが可能な金属基材の一方の面にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、前記Ｐｄ合金膜を柱状凸部の上端面と拡散接合させることにより前記金属基材を配設する拡散接合工程と、前記金属基材を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有するような構成とした。
【００１２】
本発明の他の態様として、前記膜形成工程では、電解めっきによりＰｄ合金膜を形成するような構成とした。
本発明の他の態様として、前記膜形成工程では、まずＰｄ合金を構成する各成分の薄膜をめっきにより積層し、その後、熱処理を施して成分拡散によりＰｄ合金膜を形成するような構成とした。
上記のような本発明では、薄膜支持基板が金属基板を備えているため、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積比率を大きくしても薄膜支持基板は高い強度を有し、また、Ｐｄ合金膜が薄くても、柱状凸部の上端面に高い強度で固着され一体化されているので、フィルタの耐久性が極めて高いものとなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
薄膜支持基板
図１は本発明の薄膜支持基板の一実施形態を示す平面図であり、図２は図１に示される薄膜支持基板のII−II線における縦断面図であり、図３は図１に示される薄膜支持基板のIII−III線における縦断面図であり、図４は図１に示される薄膜支持基板のIV−IV線における縦断面図である。図１乃至図４において、本発明の薄膜支持基板１は、金属基板２と、この金属基板２の一方の面の所定部位に形成された複数の柱状凸部３と、柱状凸部３の非形成部位２ａの所定部位に金属基板２を貫通するように形成された複数の貫通孔４とを備えている。そして、柱状凸部３が形成されている面側に占める柱状凸部非形成部位２ａの面積が２０〜９０％の範囲、好ましくは３０〜８５％となっている。柱状凸部の非形成部位２ａの面積が２０％未満であると、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積を拡大する効果が充分なものとならず、一方、９０％を超えると、水素透過膜の支持に支障を来たし、水素製造用フィルタの耐久性が低下するので好ましくない。
【００１４】
薄膜支持基板１を構成する金属基板２の材質は、例えば、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のオーステナイト系、フェライト系のステンレスであってよい。この金属基板２の厚み（柱状凸部の非形成部位２ａにおける厚み）は、２０〜３００μｍの範囲内で適宜設定することができる。金属基板２の厚みが２０μｍ未満であると、薄膜支持基板１の強度が不十分となり、一方、３００μｍを超えると、重量増加の弊害があり、また、貫通孔４の形成が困難になり好ましくない。
薄膜支持基板１を構成する柱状凸部３は、径を２０〜５００μｍ、好ましくは３０〜３００μｍの範囲、形成ピッチを４０〜７００μｍ、好ましくは６０〜５２０μｍの範囲とすることができ、柱状凸部の非形成部位２ａの面積が上述のように２０〜９０％を占めるように設定される。また、柱状凸部３の高さは１０〜２００μｍ、好ましくは２０〜１５０μｍの範囲とすることができる。図示例では、柱状凸部は円柱形状であるが、これに限定されるものではない。このような柱状凸部３は、例えば、所望の開口部を複数有するレジストパターンを介して金属基板を一方の面からハーフエッチングして形成することができる。
【００１５】
薄膜支持基板１を構成する貫通孔４は、開口径を２０〜２００μｍ、好ましくは５０〜１５０μｍの範囲とすることができる。但し、貫通孔４の内径が均一ではない場合、最小内径を開口径とする。本発明の薄膜支持基板１は、柱状凸部３の上端面３ａにＰｄ合金膜が形成されて水素製造用フィルタを構成するものであり、貫通孔４側は低水素分圧側となる。このため、貫通孔４の形成密度は、金属基板２の強度に影響を与えない範囲であれば充分であり、例えば、単位面積当たりの柱状凸部３の個数Ａと貫通孔４の個数Ｂとの比Ａ／Ｂは１〜１０程度とすることができる。このような貫通孔４は、例えば、所望の開口部を複数有するレジストパターンを介して金属基板２を両面からエッチングすることにより形成することができる。
【００１６】
図示例では、最近傍の３つの柱状凸部３の中心を頂点とする三角形が正三角形をなし、また、最近傍の３つの貫通孔４の中心を頂点とする三角形が正三角形をなし、一方の正三角形の頂点が他方の正三角形の重心位置となるように柱状凸部３と貫通孔４が形成されているが、これに限定されるものではない。
上述のような本発明の薄膜支持基板１は、金属基板２を備えているため、柱状凸部３の形成面側に占める柱状凸部非形成部位２ａの面積比率を大きくしても、所望の強度を維持することができ、したがって、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積を拡大することができる。
【００１７】
水素製造用フィルタの製造方法
次に、本発明の水素製造用フィルタの製造方法について説明する。
図５は上述の薄膜支持基板１を用いた本発明の水素製造用フィルタの製造方法の一実施形態を示す工程図である。
本発明の製造方法は、まず、配設工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、絶縁性フィルム１２を柱状凸部３の上端面３ａに固着させるように配設する（図５（Ａ））。絶縁性フィルム１２としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリカーボネート等の樹脂フィルムを使用することができる。このような絶縁性フィルム１２の厚みは、材質、電気絶縁性能、フィルム強度等を考慮して適宜設定することができ、例えば、３０〜３００μｍ程度とすることができる。柱状凸部３の上端面３ａ上への絶縁性フィルム１２の固着は、例えば、ポリアミド系等の接着剤を用いた方法、絶縁性フィルムの熱融着性を利用した方法等により行うことができる。また、絶縁性フィルムとして、ドライフィルムレジストを配設してもよい。ドライフィルムを使用することにより、後述する絶縁性フィルム１２の除去をアルカリ水溶液等の剥離液を用いて行うことができ、上記の樹脂フィルムを使用した場合に比べて、薄膜支持基板１への物理的ダメージがなく有利である。絶縁性フィルムとして感光性ドライフィルムレジストを用いた場合、柱状凸部３の上端面３ａ上への固着は、ロールラミネート、あるいは、真空ラミネート後、全面を露光し、必要に応じて加熱硬化を施す方法等により行うことができる。
【００１８】
次いで、下地層形成工程において、柱状凸部３の上端面３ａを除く薄膜支持基板１上（貫通孔４内も含む）、および、絶縁性フィルム１２の固着面側に、無電解めっきにより導電性下地層１３を形成する（図５（Ｂ））。この導電性下地層１３の形成は、無電解ニッケルめっき、無電解銅めっき等により行うことができ、導電性下地層１３の厚みは０．０１〜０．２μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、この無電解めっき条件は、使用する絶縁性フィルム１２の材質に応じて適宜設定する。
次に、銅めっき工程において、薄膜支持基板１の金属基板２と絶縁性フィルム１２との間に形成される空間、および、薄膜支持基板１の貫通孔４の内部を埋めるように導電性下地層１３上に銅めっき層１４を形成する（図５（Ｃ））。
【００１９】
次いで、膜形成工程において、絶縁性フィルム１２を除去し、その後、柱状凸部３の上端面３ａと銅めっき層１４（導電性下地層１３）とがなす面の上に、めっきによりＰｄ合金膜１５を形成する（図５（Ｄ））。絶縁性フィルム１２の除去は、剥離、あるいは、溶解により行うことができる。また、Ｐｄ合金膜１５の形成は、電解めっきにより直接Ｐｄ合金膜を形成する方法、電解めっき、あるいは、Ｐｄ合金を構成する各成分の薄膜を無電解めっきにより積層し、その後、熱処理を施して成分拡散によりＰｄ合金膜を形成する方法等により行うことができる。例えば、めっきによりＰｄを１０μｍの厚みで形成し、この上にめっきによりＡｇを１μｍの厚みで形成し、その後、２５０℃、１０分間の熱処理を施すことによりＰｄ合金化することができる。また、Ｐｄ／Ａｇ／Ｐｄ３層、Ｐｄ／Ａｇ／Ｐｄ／Ａｇ４層等の多層めっきを行った後、熱処理を施してもよい。形成するＰｄ合金薄膜１５の厚みは０．５〜３０μｍ、好ましくは１〜１５μｍ程度とすることができる。
【００２０】
次に、除去工程において、選択エッチングにより銅めっき層１４（導電性下地層１３）を除去することにより水素製造用フィルタ１１を得る（図５（Ｅ））。選択エッチングは、アンモニア系のエッチング液を使用し、スプレー方式、浸漬方式、吹きかけ等により行うことができる。
【００２１】
図６は本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
まず、配設工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面と反対側の面に絶縁性フィルム２２を配設する（図６（Ａ））。絶縁性フィルム２２は、上述の絶縁性フィルム１２と同様のものを使用することができ、絶縁性フィルム２２の配設方法も、上述の絶縁性フィルム１２と同様とすることができる。
次に、銅めっき工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、貫通孔４の内部を埋め、かつ、柱状凸部３を覆うように銅めっき層２４を形成する（図６（Ｂ））。
【００２２】
次いで、平坦化工程において、柱状凸部３の上端面３ａが露出し、この上端面３ａと同一平面をなすように銅めっき層２４を平坦除去する（図６（Ｃ））。銅めっき層２４の平坦除去は、例えば、機械研磨等により行うことができる。
次に、膜形成工程において、柱状凸部３の上端面３ａおよび銅めっき層２４からなる平坦面上にめっきによりＰｄ合金膜２５を形成する（図６（Ｄ））。このＰｄ合金膜２５の形成は、上述のＰｄ合金膜１５の形成と同様に行うことができる。
【００２３】
次に、除去工程において、絶縁性フィルム２２を除去し、その後、選択エッチングにより銅めっき層２４を除去することにより水素製造用フィルタ２１を得る（図６（Ｅ））。絶縁性フィルム２２の除去は、上述の絶縁性フィルム１２の除去と同様に行うことができる。また、銅めっき層２４の除去も、上述の銅めっき層１４の除去と同様に行うことができる。
尚、上述の例では、絶縁性フィルム２２は除去工程において除去されるが、平坦化工程の前に絶縁性フィルム２２を除去し、平坦化工程後、膜形成工程前に再度絶縁性フィルム２２を薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面と反対側の面に配設し、これを除去工程で除去するようにしてもよい。
【００２４】
図７は本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
まず、樹脂層形成工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、貫通孔４の内部を埋め、かつ、柱状凸部３を覆うように樹脂層３２を形成する（図７（Ａ））。樹脂層３２は、例えば、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂モノマー溶液をスキージング等により流し込み、所定の硬化温度で熱硬化させることで形成することができる。
【００２５】
次に、平坦化工程において、柱状凸部３の上端面３ａが露出し、この上端面３ａと同一平面をなすように樹脂層３２を平坦除去する（図７（Ｂ））。樹脂層３２の平坦除去は、例えば、機械研磨等により行うことができる。
次いで、下地層形成工程において、柱状凸部３の上端面３ａおよび樹脂層３２からなる平坦面上に無電解めっきおよび真空成膜法のいずれかにより導電性下地層３３を形成する（図７（Ｃ））。導電性下地層３３を無電解めっきにより形成する場合、無電解ニッケルめっき、無電解銅めっき等により行うことができ、導電性下地層３３の厚みは０．０１〜０．２μｍ程度の範囲で設定することができる。尚、この無電解めっき条件は、樹脂層３２の材質に応じて適宜設定する。また、導電性下地層３３を真空成膜法により形成する場合、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ等の薄膜を形成することができ、この薄膜の厚みは０．０１〜０．２μｍ程度の範囲で設定することができる。
【００２６】
次に、膜形成工程において、導電性下地層３３上にめっきによりＰｄ合金膜３５を形成する（図７（Ｄ））。このＰｄ合金膜３５の形成は、上述のＰｄ合金膜１５の形成と同様に行うことができる。
次いで、除去工程において、樹脂層３２のみを溶解して除去することにより水素製造用フィルタ３１を得る（図７（Ｅ））。樹脂層３２の除去は、樹脂層３２を溶解可能な有機溶剤等を用いて行うことができる。尚、この樹脂層３２の除去において、Ｐｄ合金膜３５の薄膜支持基板１側の面を露出させるように導電性下地層３３を除去する。この導電性下地層３３の除去は、Ｎｉを用いた場合は過酸化水素・硫酸系、Ｃｕを用いた場合はアンモニアアルカリ系のエッチング液により行うことができ、Ａｇを用いた場合には、そのまま熱拡散によりＰｄと合金化可能なため除去する必要はない。
【００２７】
図８は本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
まず、膜形成工程で、薄膜支持基板１に対して選択エッチングが可能な金属基材４２の一方の面にめっきによりＰｄ合金膜４５を形成する（図８（Ａ））。上記の金属基材４２としては、銅、銅合金等を使用することができ、厚みは０．０５〜０．３ｍｍの範囲で適宜設定することができる。また、Ｐｄ合金膜４５の形成は、上述のＰｄ合金膜１５の形成と同様に行うことができる。尚、金属基材４２に、例えば、Ｎｉストライクめっきを施すことにより、形成されるＰｄ合金膜４５に対する密着性を高めることができる。このようなＮｉストライクめっきの厚みは、例えば、０．０１〜０．１μｍの範囲で設定することができる。
【００２８】
次に、拡散接合工程において、薄膜支持基板１の柱状凸部３を形成した面に、上記のＰｄ合金膜４５を柱状凸部３の上端面３ａと拡散接合させることにより金属基材４２を配設する（図８（Ｂ））。拡散接合によるＰｄ合金膜４５と柱状凸部３の上端面３ａとの接合は、真空中で９００〜１４００℃、１２〜１８時間の加熱処理を施すことにより行うことができる。
次いで、除去工程において、選択エッチングにより金属基材４２を除去することにより水素製造用フィルタ４１を得る（図８（Ｃ））。選択エッチングは、例えば、金属基材４２が銅基材である場合、アンモニア系のエッチング液を使用し、スプレー方式、浸漬方式、吹きかけ等により行うことができる。
【００２９】
上述のように製造される水素製造用フィルタ１１，２１，３１，４１は、いずれも本発明の薄膜支持基板１を使用しているので、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積が大きく、また、強度の高い薄膜支持基板１の柱状凸部３に対して高い強度でＰｄ合金膜が固着されており、水素透過効率を高めるためにＰｄ合金膜を薄くしても、耐久性が極めて高いフィルタである。また、接着剤は使用されていないため、耐熱性に優れ高温高圧下での使用が可能であり、さらに、改質器への装着等の作業性にも優れている。
【００３０】
【実施例】
次に、より具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
【００３１】
薄膜支持基板の製造
基材として厚み１５０μｍのＳＵＳ３０４材を準備し、このＳＵＳ３０４材の両面に感光性レジスト材料（東京応化工業（株）製ＯＦＰＲ）をディップ法により塗布（膜厚７μｍ（乾燥時））した。次に、ＳＵＳ３０４材の柱状凸部を形成する側のレジスト塗膜上に、直径が３９０μｍの円形遮光部をピッチ４３０μｍで複数備えたフォトマスクを、また、反対面のレジスト塗膜上に、開口寸法（開口直径）が１００μｍである円形状の開口部をピッチ４３０μｍで複数備えたフォトマスクをそれぞれ配し、このフォトマスクを介してレジスト塗布膜を露光し、炭酸水素ナトリウム溶液を使用して現像した。これにより、ＳＵＳ３０４材の一方の面には、直径が３９０μｍの円形のレジストが４３０μmのピッチで形成され、反対面には、開口寸法（開口直径）が１００μｍである円形状の開口部を有するレジストパターンが形成された。尚、最近傍の３つの円形レジスト（直径３９０μｍ）の中心を頂点とする三角形の各頂点が、ＳＵＳ３０４材を介して反対面側のレジストパターンの最近傍の３つの開口部の中心を頂点とする三角形の重心位置となるように位置合わせを行った。
【００３２】
次に、上記のレジストパターンをマスクとして、下記の条件でＳＵＳ３０４材をエッチングした。このエッチングは、ＳＵＳ３０４材の一方の面からハーフエッチングにより柱状凸部を形成し、同時に両面からのエッチングにより貫通孔を形成するものであり、エッチングに要した時間は６分間であった。
（エッチング条件）
・温度：５０℃
・塩化鉄濃度：４５ボーメ
・圧力：３ｋｇ／ｃｍ2
上記のエッチング処理が終了した後、水酸化ナトリウム溶液を用いてレジストパターンを除去し、水洗した。これにより、厚み９０μｍのＳＵＳ３０４材の一方の面に直径が２９０μｍ、高さが６０μｍの円柱形状の柱状凸部が４３０μmのピッチで形成され、この柱状凸部の非形成部位のＳＵＳ３０４材に、開口直径が７０〜１００μｍの貫通孔が４３０μｍのピッチで形成された、図１に示すような薄膜支持基板を得た。この薄膜支持基板では、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積が約５０％であった。
【００３３】
水素製造用のフィルタの作製
上記のように作製した薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、厚み２００μｍの絶縁性フィルム（ポリエチレンテレフタレートフィルム）を貼り付けて配設した（以上、配設工程）。
次に、柱状凸部の上端面を除く薄膜支持基板上（貫通孔内も含む）と、絶縁性フィルムの貼着面側に、下記の前処理を施し、その後、下記の条件で無電解めっきを行い、無電解ニッケルめっき層（厚み０．４μｍ）を形成して導電性下地層とした。（以上、下地層形成工程）
（前処理）
アルカリ脱脂 → 水洗 → 化学エッチング（過硫酸アンモニウム２００ｇ／Ｌ水溶液（２０℃±５℃）中にて） → 水洗 → 酸処理（１０％希硫酸（常温）） → 水洗 → 酸処理（３０％希塩酸（常温）） → 増感剤付与液中に浸漬（組成：塩化Ｐｄ０．５ｇ、塩化第一スズ２５ｇ、塩酸３００ｍＬ、水６００ｍＬ） → 水洗
【００３４】
次に、下記の条件で導電性下地層上に電解銅めっきを行い、薄膜支持基板の柱状凸部非形成面と絶縁性フィルムとの間に形成された空間と、薄膜支持基板の貫通孔の内部とを埋めるように銅めっき層を形成した。（以上、銅めっき工程）
（銅めっき条件）
・使用浴：硫酸銅めっき浴
・液温：３０℃
・電流密度：１Ａ／ｄｍ2
【００３６】
次に、絶縁性フィルムを薄膜支持基板から剥離して除去し、この除去後の薄膜支持基板（柱状凸部の上端面）および銅めっき層上に下記の条件で電解めっきによりＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、この電解めっき時に薄膜支持基板の裏面側の銅めっき層は絶縁性フィルムで被覆した。（以上、膜形成工程）
（電解めっきによるＰｄ合金膜の成膜条件）
・使用浴：塩化Ｐｄめっき浴（Ｐｄ濃度：１２ｇ／Ｌ）
・ｐＨ：７〜８
・電流密度：１Ａ／ｄｍ2
・液温：４０℃
次に、絶縁性フィルムを剥離して除去し、さらに銅めっき層を選択的にエッチングして除去した。（以上、除去工程）
上記の銅めっき層の除去が終了した後、３ｃｍ×３ｃｍの寸法に切断して、水素製造用のフィルタとした。
【００３７】
［実施例２］
薄膜支持基板の製造
実施例１と同様にして、本発明の薄膜支持基板を作製した。
水素製造用のフィルタの作製
上記のように作製した薄膜支持基板の柱状凸部形成側と反対側の面に、厚み２００μｍの絶縁性フィルム（ポリエチレンテレフタレートフィルム）を貼り付けて配設した（以上、配設工程）。
次に、薄膜支持基板の柱状凸部形成側の面に、電解銅めっきを行い、貫通孔の内部を埋め、かつ、柱状凸部を覆うように薄膜支持基板上に銅めっき層（厚み約８０μｍ）を形成した。尚、銅めっき条件は実施例１と同様とした。（以上、銅めっき工程）
【００３８】
次に、柱状凸部の上端面が露出し、この上端面と同一平面をなすように銅めっき層を研磨加工により平坦除去した。この時、研磨面はできるだけ平滑に整えた。（以上、平坦化工程）
次に、上記の平坦面上にＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、このＰｄ合金膜の電解めっき条件は実施例１と同様とした。（以上、膜形成工程）
次に、絶縁性フィルムを剥離して除去し、さらに銅めっき層を選択的にエッチングして除去した。（以上、除去工程）
上記の銅めっき層の除去が終了した後、３ｃｍ×３ｃｍの寸法に切断して、水素製造用のフィルタとした。
【００３９】
［実施例３］
薄膜支持基板の製造
実施例１と同様にして、本発明の薄膜支持基板を作製した。
水素製造用のフィルタの作製
上記のように作製した薄膜支持基板の柱状凸部形成側の面に、貫通孔の内部を埋め、かつ、柱状凸部を覆うように樹脂部材（シプレイ（株）製ＡＺ１１１１）をスキージングにより充填塗布して樹脂層を形成した。（以上、樹脂層形成工程）
次に、柱状凸部の上端面が露出し、この上端面と同一平面をなすように樹脂層を研磨加工により平坦除去した。この時、研磨面はできるだけ平滑に整えた。（以上、平坦化工程）
【００４０】
次に、上記の平坦面上に、無電解めっきを行って無電解ニッケルめっき層（厚み０．４μｍ）を形成して導電性下地層とした。尚、無電解ニッケルめっきの条件は実施例１と同様とした。（以上、下地層形成工程）
次に、上記の導電性下地層上にＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、このＰｄ合金膜の電解めっき条件は実施例１と同様とした。また、電解めっき時に、Ｐｄ合金膜形成の反対面は絶縁性フィルムで被覆した。（以上、膜形成工程）
【００４１】
次に、絶縁性フィルムを剥離して除去し、さらに樹脂層を下記の処理浴（シプレイ（株）製デスミア浴）を用いて溶解除去した。（以上、除去工程）
（デスミア浴の処理条件）
【００４２】
［実施例４］
薄膜支持基板の製造
実施例１と同様にして、本発明の薄膜支持基板を作製した。
水素製造用のフィルタの作製
厚み０．２ｍｍの銅基材上に下記の条件でＮｉストライクめっき（厚み０．０１μｍ）を施した。
次に、上記のＮｉストライクめっきを行った銅基材の片面にＰｄ合金膜（厚み３μｍ）を形成した。尚、このＰｄ合金膜の電解めっき条件は実施例１と同様とした。また、電解めっき時に、Ｐｄ合金膜形成の反対面は絶縁性フィルムで被覆した。（以上、膜形成工程）
次に、銅基材から絶縁性フィルムを剥離して除去した後、薄膜支持基板の柱状凸部の上端面に上記のＰｄ合金膜を当接し、真空中で１０００℃、１２時間の加熱処理を施すことによりＰｄ合金膜と柱状凸部上端面を拡散接合させて銅基材を配設した。（以上、拡散接合工程）
次に、銅基材を選択的にエッチングして除去した。（以上、除去工程）
上記の銅基材の除去が終了した後、３ｃｍ×３ｃｍの寸法に切断して、水素製造用のフィルタとした。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、薄膜支持基板が金属基板を備えているため、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積比率を大きくしても薄膜支持基板は高い強度を有し、これにより、水素透過に有効なＰｄ合金膜の面積を拡大することができ、水素透過効率向上が可能となる。また、このような本発明の薄膜支持基板を使用した本発明の製造方法では、めっきにより形成されたＰｄ合金膜が貫通孔を備えた薄膜支持基板の柱状凸部の上端面に高い強度で固着され一体化されているので、広い有効水素透過面積をもち、また、接着剤は使用されていないため、耐熱性に優れ高温高圧下での使用が可能であるとともに、Ｐｄ合金膜を薄くして水素透過効率を高めても耐久性に優れ、かつ、改質器への装着等の作業性に優れた水素製造用フィルタを製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜支持基板の一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１に示される薄膜支持基板のII−II線における縦断面図である。
【図３】図１に示される薄膜支持基板のIII−III線における縦断面図である。
【図４】図１に示される薄膜支持基板のIV−IV線における縦断面図である。
【図５】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の一実施形態を示す工程図である。
【図６】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
【図７】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
【図８】本発明の水素製造用フィルタの製造方法の他の実施形態を示す工程図である。
【符号の説明】
１…薄膜支持基板
２…金属基板
２ａ…柱状凸部非形成部位
３…柱状凸部
４…貫通孔
１１，２１，３１，４１…水素製造用フィルタ
１２，２２…絶縁性フィルム
１３，３３…導電性下地層
１４，２４…銅めっき層
１５，２５，３５，４５…Ｐｄ合金膜
４２…金属基材
Claims (11)
- 水素製造用フィルタに用いる薄膜支持基板において、
金属基板と、該金属基板の一方の面に形成された複数の柱状凸部と、該柱状凸部の非形成部位に金属基板を貫通するように形成された複数の貫通孔とを備え、柱状凸部形成面側に占める柱状凸部非形成部位の面積が２０〜９０％の範囲であることを特徴とする薄膜支持基板。 - 前記柱状凸部は径が２０〜５００μｍの範囲、形成ピッチが４０〜７００μｍの範囲、高さが１０〜２００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜支持基板。
- 前記貫通孔は開口径が２０〜２００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の薄膜支持基板。
- 前記金属基板はオーステナイト系またはフェライト系のステンレス基板であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の薄膜支持基板。
- 前記柱状凸部は前記金属基板をハーフエッチングすることにより形成されたものであり、前記貫通孔は前記金属基板を両面からエッチングすることにより形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の薄膜支持基板。
- 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、
前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、絶縁性フィルムを前記柱状凸部の上端面に固着させるように配設する配設工程と、
前記柱状凸部の上端面を除く前記薄膜支持基板上、および、前記絶縁性フィルムの固着面側に、無電解めっきにより導電性下地層を形成する下地層形成工程と、
前記薄膜支持基板の金属基板と前記絶縁性フィルムとの間に形成される空間と、前記薄膜支持基板の貫通孔の内部とを埋めるように前記導電性下地層上に銅めっき層を形成する銅めっき工程と、
前記絶縁性フィルムを除去した後の前記柱状凸部の上端面と銅めっき層とがなす面の上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、
前記銅めっき層を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有することを特徴とする水素製造用フィルタの製造方法。 - 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、
前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面と反対側の面に絶縁性フィルムを配設する配設工程と、
前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に前記貫通孔の内部を埋め、かつ、柱状凸部を覆うように銅めっき層を形成する銅めっき工程と、
前記柱状凸部の上端面が露出し、該上端面と同一平面をなすように前記銅めっき層を平坦除去する平坦化工程と、
前記柱状凸部の上端面および銅めっき層からなる平坦面上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、
前記絶縁性フィルムを除去した後、銅めっき層を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有することを特徴とする水素製造用フィルタの製造方法。 - 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、
前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、前記貫通孔の内部を埋め、かつ、前記柱状凸部を覆うように樹脂層を形成する樹脂層形成工程と、
前記柱状凸部の上端面が露出し、該上端面と同一平面をなすように前記樹脂層を平坦除去する平坦化工程と、
前記柱状凸部の上端面および樹脂層からなる平坦面上に無電解めっきおよび真空成膜法のいずれかにより導電性下地層を形成する下地層形成工程と、
前記導電性下地層上にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、
前記樹脂層のみを溶解して除去する除去工程と、を有することを特徴とする水素製造用フィルタの製造方法。 - 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の薄膜支持基板を用いた水素製造用フィルタの製造方法において、
前記薄膜支持基板に対して選択エッチングが可能な金属基材の一方の面にめっきによりＰｄ合金膜を形成する膜形成工程と、
前記薄膜支持基板の柱状凸部を形成した面に、前記Ｐｄ合金膜を柱状凸部の上端面と拡散接合させることにより前記金属基材を配設する拡散接合工程と、
前記金属基材を選択エッチングにより除去する除去工程と、を有することを特徴とする水素製造用フィルタの製造方法。 - 前記膜形成工程では、電解めっきによりＰｄ合金膜を形成することを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の水素製造用フィルタの製造方法。
- 前記膜形成工程では、まずＰｄ合金を構成する各成分の薄膜をめっきにより積層し、その後、熱処理を施して成分拡散によりＰｄ合金膜を形成することを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の水素製造用フィルタの製造方法。
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