JP2007245122A - Hydrogen permeable membrane of composite multi-layer structure and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタンガスなどの炭化水素と水蒸気とを混合し、高温にて改質処理した後、生成した混合ガスの中から水素ガスのみを透過分離して、高純度の水素ガスを生成する複合多層構造の水素透過膜とその製造方法に関するものである。 The present invention is a composite in which a hydrocarbon such as methane gas and steam are mixed and reformed at high temperature, and then only hydrogen gas is permeated and separated from the generated mixed gas to produce high purity hydrogen gas. The present invention relates to a hydrogen permeable membrane having a multilayer structure and a manufacturing method thereof.
従来、この種の複合多層構造の水素透過膜は、選択的に水素のみを透過させるPd又はPdを含有する合金を使用した単一層のものが知られている。また、セラミック多孔質支持体表面にPd合金膜をメッキ法により形成しているものもある(特許文献1参照)。 Conventionally, this type of composite multilayer structure hydrogen permeable membrane is known as a single layer using Pd or an alloy containing Pd that selectively transmits only hydrogen. In some cases, a Pd alloy film is formed on the surface of the ceramic porous support by a plating method (see Patent Document 1).
また、サンドウィッチ構造を有する複合多層構造の水素透過膜として、水素透過性能の高い金属膜の両面にPd膜又はPd合金膜を配してなるものもある(特許文献2参照)。 In addition, as a composite multilayer structure hydrogen permeable film having a sandwich structure, there is a film in which a Pd film or a Pd alloy film is arranged on both surfaces of a metal film having high hydrogen permeability (see Patent Document 2).
まず、Pd又はPd合金を水素透過膜として使用されている水素分離法について簡単に述べる。 First, a hydrogen separation method using Pd or Pd alloy as a hydrogen permeable membrane will be briefly described.
通常、複合多層構造の水素透過膜はPd又はPd合金を薄膜状に圧延加工して使用する。例えばPd膜又はPd合金膜で円筒状のチューブを作り、その一端を密封溶接してチューブの外側に加圧された原料水素ガスを供給し、一定温度まで加熱するとチューブ表面に接触している水素分子は原子状に解離し、Pdと固溶体を形成してPd膜内に取り込まれる。 Normally, a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure is used by rolling Pd or a Pd alloy into a thin film. For example, a cylindrical tube is made of a Pd film or a Pd alloy film, one end of the tube is sealed and welded, hydrogen gas in a pressurized state is supplied to the outside of the tube, and heated to a certain temperature. Molecules dissociate atomically, form a solid solution with Pd, and are taken into the Pd film.
取り込まれた水素原子はチューブ内外の水素分圧差により、圧力が高いチューブの外側から低い内側へ拡散し、その内側表面で再度水素分子となる。メタンやメタノールから水蒸気改質により作り出される改質ガスに含有する水素以外の不純物はPdと反応しないためチューブの外側に残存し、これにより水素が精製される。 The incorporated hydrogen atoms diffuse from the outside of the high pressure tube to the low inside due to the difference in hydrogen partial pressure inside and outside the tube, and become hydrogen molecules again on the inside surface. Impurities other than hydrogen contained in the reformed gas produced from methane or methanol by steam reforming do not react with Pd, and therefore remain outside the tube, thereby purifying hydrogen.
Pdのみの複合多層構造の水素透過膜では水素脆性による劣化が課題であり、合金化して使用される。すでに、23%銀や40%銅とのPd合金が良く知られており、Pd合金膜だけの単一管を用いた水素精製装置は実用化されている。しかし、用いられている管の膜厚は強度を保つために80μm以上と厚くなり、水素透過量が少なく、且つ高価であるとの問題点を有していた。 In a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure of only Pd, deterioration due to hydrogen embrittlement is a problem, and it is used after being alloyed. Already, Pd alloys with 23% silver and 40% copper are well known, and hydrogen purifiers using a single tube made of only a Pd alloy film have been put into practical use. However, the thickness of the tube used is as thick as 80 μm or more in order to maintain the strength, and there is a problem that the amount of hydrogen permeation is small and expensive.
図8は、特許文献1に記載された従来の複合多層構造の水素透過膜の一例を示すものである。図8に示すように、水素分離体1は、円筒状のセラミックで出来た多孔質基体2と、その外側で被処理面となる多孔質基体の表面2aにPdおよびPd等の水素分離能を有する金属3を無電解メッキにより形成した水素分離膜4とで構成され、多孔質基体2の小孔5の径が水素分離膜4の厚み以下でかつ1μm以上である。
FIG. 8 shows an example of a conventional hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure described in Patent Document 1. As shown in FIG. As shown in FIG. 8, the hydrogen separator 1 has a
ここで水素分離膜4が外面部を形成する円筒状の水素分離体1についてその動作を説明する。
Here, the operation of the cylindrical hydrogen separator 1 in which the
まず、円筒状の水素分離体1の外側に加圧された原料水素ガスを供給し、そして一定温度まで加熱すると多孔質体2表面の水素分離膜4に接触している水素分子は原子状に解離し、Pdと固溶体を形成してPd膜内、すなわち水素分離膜4に取り込まれる。
First, when pressurized hydrogen gas is supplied to the outside of the cylindrical hydrogen separator 1 and heated to a certain temperature, the hydrogen molecules in contact with the
取り込まれた水素原子は水素分離膜4内外の水素分圧差により、圧力が高い水素分離膜4の外側から低い内側へ拡散し、その内側表面で再度水素分子となる。その後、多孔質体の表面2aから円筒状の多孔質基体2の小孔5内を流れる。改質水素ガスに含有されている多くの不純物はPdと反応しないため水素分離体1の外側に残存し、これにより水素が精製される。
The taken-in hydrogen atoms diffuse from the outer side of the
しかしながら従来のセラミックから成る多孔質基体外表面にPd膜或いはPd合金膜をメッキ法により形成する方法では、構造体としての機械的強度を高めることができ、1〜5μm程度の薄膜であり一定量の水素分離能を確保できるが、多孔質支持体の孔径を透過量に影響を及ぼさない程度に小さなものを選定しても、メッキ処理においてメッキ厚みのばらつきが生じ、Pd合金膜が薄くなる部分にはピンホールが残り、漏れを解消することは困難である。 However, the conventional method of forming a Pd film or Pd alloy film on the outer surface of a porous substrate made of ceramic by plating can increase the mechanical strength of the structure, and is a thin film of about 1 to 5 μm and a certain amount Even if the pore size of the porous support is selected so as not to affect the permeation amount, the plating thickness varies in the plating process and the Pd alloy film becomes thin. It is difficult to eliminate the leakage of the pinhole.
よって、水蒸気改質の結果生成する改質水素ガスに不純物があると、膜を透過し分離して得られる水素ガスの純度も不純物の濃度に比例して悪くなり、例えばPd合金膜の厚さ5μmでは純度99.9%程度で、50ppm以上の一酸化炭素が混入するため、透過したガスを固体高分子膜の燃料電池に供給して使用することはできなかった。また、長時間使用すると水素脆性によって強度が低下し、特にピンホール部の劣化が促進され破壊が生じやすいといった問題が残る。 Therefore, if there is an impurity in the reformed hydrogen gas generated as a result of the steam reforming, the purity of the hydrogen gas obtained through permeation through the film also deteriorates in proportion to the impurity concentration. For example, the thickness of the Pd alloy film At 5 μm, the purity was about 99.9%, and carbon monoxide of 50 ppm or more was mixed, so that the permeated gas could not be used by supplying it to a solid polymer membrane fuel cell. In addition, when used for a long time, the strength decreases due to hydrogen embrittlement, and in particular, there is a problem that deterioration of the pinhole portion is promoted and breakage easily occurs.
図9は特許文献2に記載された従来の水素透過膜である。図9に示すように、水素透過膜6は水素透過性能の高い金属膜7とその両側に配置されたPd膜又はPd合金膜8とから構成されている。
FIG. 9 shows a conventional hydrogen permeable membrane described in
このサンドウィッチ構造を有する水素透過膜6は以下に示す(1)と(2)のような形態で作製される。
The hydrogen
(1)水素透過性能の高い金属膜7とPd膜又はPd合金膜8を真空中でドライエッチングして表面の不純物及び酸化物層を除去する。エッチングには不活性ガスイオンによるイオン衝撃等により行うことができる。その後、真空を保持したまま水素透過性能の高い金属膜7の両面にPd膜又はPd膜を配置して真空中で圧延する。
(1) The
(2)水素透過性能の高い金属膜7の両面にPd膜又はPd合金膜8を配置して真空中で加熱することにより不純物及び酸化物層を除去する。真空中での加熱にはホットプレス等の手法が適用できる。その後圧延する。
(2) The Pd film or the
このようにして作成されたサンドウィッチ構造の水素透過膜の取り付け方法と作用を説明する。 An attachment method and operation of the hydrogen permeable membrane having the sandwich structure thus prepared will be described.
図10で示すように、通常、円筒状の多孔質体9の外層10に水素透過膜6を巻きつけて、合わせ部11を銅ろう12で溶接することにより円筒状のチューブを作る。つぎに、その一端を密封溶接して、チューブの外側に加圧された原料水素ガスを供給する。
As shown in FIG. 10, a cylindrical tube is usually formed by winding a hydrogen
一定温度まで加熱するとチューブ表面に接触している水素分子は原子状に解離し、Pdと固溶体を形成してPd膜内に取り込まれる。取り込まれた水素原子はチューブ内外の水素分圧差により、水素分圧が高いチューブの外側から水素透過性能の高い金属膜を抜け水素分圧の低い内側へすばやく拡散し、その内側のPd膜表面で再度水素分子となる。改質水素ガスに含有されている多くの不純物はPdと反応しないためチューブの外側に残存し、これにより水素が精製される。 When heated to a certain temperature, the hydrogen molecules in contact with the tube surface dissociate into atoms, form a solid solution with Pd, and are taken into the Pd film. Due to the difference in hydrogen partial pressure between the inside and outside of the tube, the incorporated hydrogen atoms quickly diffuse from the outside of the tube with high hydrogen partial pressure through the metal film with high hydrogen permeability to the inside with low hydrogen partial pressure. It becomes hydrogen molecule again. Many impurities contained in the reformed hydrogen gas do not react with Pd and remain outside the tube, thereby purifying the hydrogen.
このように作成されたサンドウィッチ構造を有する水素透過膜6は、芯材に水素の拡散係数が大きく水素透過性能が高い金属7が使用されているので、Pd合金単一管を用いたものより水素透過性能が高いものが得られる。
In the hydrogen
また、水素透過性能の高い金属膜の両面にPd膜又は合金膜を配してなるので、表面に酸化被膜層が生成することも無く、且つ積層構造であるのでピンホールのない緻密な複合多層構造の複合多層構造の水素透過膜が得られ、さらに、水素脆性が特に弱いとされる水素透過性の高い金属膜の両側にPd膜又はPd合金膜を均一に配してなるので、水素脆性による物性の低下は少なくなる。 In addition, since a Pd film or alloy film is arranged on both sides of a metal film having high hydrogen permeation performance, an oxide film layer is not formed on the surface, and since it has a laminated structure, it is a dense composite multilayer having no pinholes. A hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure is obtained, and further, a Pd film or a Pd alloy film is uniformly arranged on both sides of a metal film having high hydrogen permeability, which is considered to be particularly weak in hydrogen embrittlement. Deterioration of physical properties due to is reduced.
しかし、特許文献2の様な、V(バナジウム)ベース層の両面にPd(パラジウム)被覆層が形成された水素透過膜では、実用温度条件でVとPdとの相互拡散が進み、Vが表面の触媒層であるPdに移動し、さらにPdの外表面に析出し、酸化しやすいVは酸化膜を形成することになり、水素分子を原子化して解離する触媒能を喪失し水素透過性能が低下してしまうという問題があった。
However, in a hydrogen permeable membrane in which a Pd (palladium) coating layer is formed on both surfaces of a V (vanadium) base layer as in
上記問題点を解決する方法として、特許文献3では、Vベース層とPd被覆層との間に、SiO2中間層を介在させた水素透過膜が開示されている。
As a method for solving the above problem,
また、特許文献4では、VA族元素を含む金属ベース層と、この金属ベース層の2つの面のうちの少なくとも一方に形成され、Ni(ニッケル)とCo(コバルト)とのうちから選択された元素を含む金属中間層と、この金属中間層の2つの面のうち、金属ベース層が形成されていない面に形成され、Pd(パラジウム)を含む金属被覆層と、を備える水素透過膜が開示されている。
しかしながら、上記の特許文献3で示されるような、Vベース層とPd被覆層との間にSiO2中間層を介在させた水素透過膜では、VとPdとの間の拡散を低減させることはできるが、SiO2などのセラミック中間層は、水素透過性能が低いという問題があった。
However, in the hydrogen permeable membrane in which the SiO 2 intermediate layer is interposed between the V base layer and the Pd coating layer as shown in
これはセラミック中間層が分子状態の水素のみを透過させるためであり、水素がセラミック中間層を透過する前には、一旦再結合し、透過した後には、再度解離する工程を必要とするため水素透過性能が低くなる。さらに、セラミックと金属とを接合する場合には、製造が比較的困難であるとともに、熱膨張率の相違により水素透過膜に割れ等が発生し易いという問題もある。 This is because the ceramic intermediate layer allows only hydrogen in the molecular state to pass through. Since hydrogen needs to be recombined once before passing through the ceramic intermediate layer and then dissociated again after passing through the ceramic intermediate layer, hydrogen is required. Transmission performance is low. Furthermore, when ceramic and metal are joined, there are problems that the production is relatively difficult and the hydrogen permeable membrane is easily cracked due to the difference in thermal expansion coefficient.
また、特許文献4は、VA族元素を含む金属ベース層と、この金属ベース層の2つの面のうちの少なくとも一方に形成され、Ni(ニッケル)とCo(コバルト)とのうちから選択された元素を含む金属中間層と、この金属中間層の2つの面のうち、金属ベース層が形成されていない面に形成され、Pd(パラジウム)を含む金属被覆層とを備える水素を選択的に透過させる水素透過膜であるが、先のセラミック中間層に比べると密着性もよく水素透過性能も良く、相互拡散も小さくなり水素透過性能の劣化も抑制できる。
しかし、拡散係数が大きくても水素の固溶度が低いニッケルまたはコバルトの中間層が透過膜に形成すると、その部分での水素透過性能は極端に低下してしまう課題があった。また、VA族元素を含む金属ベース層となる金属は水素の介在で水素化物をつくり体積膨張を繰り返す為に水素脆性により物性が劣化する課題を有していた。 However, when a nickel or cobalt intermediate layer having a low hydrogen solubility even though the diffusion coefficient is large is formed on the permeable membrane, there is a problem that the hydrogen permeation performance in that portion is extremely lowered. In addition, the metal serving as the metal base layer containing the VA group element has a problem in that physical properties deteriorate due to hydrogen embrittlement because hydride is formed through the presence of hydrogen and volume expansion is repeated.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、メタンガスなどを水蒸気改質処理した後の混合ガスの中から水素ガスのみを透過分離して高純度の水素ガスを生成するピンホールがなく、水素の透過分離性能が良く、水素脆性しない安価な複合多層構造の水素透過膜とその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and there is no pinhole that permeates and separates only hydrogen gas from a mixed gas after methane gas or the like is subjected to steam reforming treatment to produce high-purity hydrogen gas, An object of the present invention is to provide an inexpensive composite multilayer structure hydrogen permeable membrane having good hydrogen permeation separation performance and not hydrogen embrittlement, and a method for producing the same.
上記目的を達成するために、本発明の複合多層構造の水素透過膜は、水素透過性能の高いベース金属からなる第一金属層と金属水素化物を作りにくい改質金属である第二金属層とが交互に積層してなり最上下層が前記第二金属層である複合コア積層体を有し、前記複合コア積層体の両面にはPdまたはPd合金とからなる触媒金属層が形成してなる複合多層構造のものである。 In order to achieve the above object, a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to the present invention includes a first metal layer made of a base metal having high hydrogen permeable performance, and a second metal layer made of a modified metal that hardly forms a metal hydride. Have a composite core laminate in which the uppermost lower layer is the second metal layer, and a catalyst metal layer made of Pd or Pd alloy is formed on both surfaces of the composite core laminate. It has a composite multilayer structure.
これによって、ベース金属の第一金属層とPdの触媒金属層との間にベース金属とは拡散し易くPdとは拡散し難い第二金属層が形成されており、ベース金属の触媒金属層までの相互拡散が抑制され、また、第一金属層と第二金属層とは複数枚の積層による拡散接合と圧延の繰り返しにより交互に積層してなる多層の積層体となるものであり、第一金属層であるベース金属が極薄膜状態で構造分断される為、体積膨張による歪が少なくなり、水素脆性による物性の低下が抑制される。 As a result, a second metal layer is formed between the first metal layer of the base metal and the catalytic metal layer of Pd, which is easily diffused with the base metal and difficult to diffuse with Pd. In addition, the first metal layer and the second metal layer become a multilayer laminate that is alternately laminated by repetition of diffusion bonding and rolling by laminating a plurality of layers. Since the base metal, which is the metal layer, is structurally divided in an extremely thin film state, distortion due to volume expansion is reduced, and deterioration of physical properties due to hydrogen embrittlement is suppressed.
また、複合多層構造の水素透過膜の両表面にのみ、高価なPdを使用するだけであり、ピンホールがない薄くて安価な水素透過膜となる。 Also, expensive Pd is only used on both surfaces of the composite multilayer structure hydrogen permeable membrane, resulting in a thin and inexpensive hydrogen permeable membrane free of pinholes.
本発明の複合多層構造の水素透過膜とその製造方法は、Pdの触媒金属層とベース金属の第一金属層との間にベース金属とは拡散し易くPdとは拡散し難い第二金属層が形成されており第一金属層と触媒金属層との相互拡散が抑制され表面層の触媒機能を維持し、第一金属層と第二金属層とが交互に積層された多層状態で熱処理による拡散接合と圧延処理される為、第一金属層と第二金属層との固溶化と極薄膜積層効果により水素脆性が抑制され、多層であり薄く圧延されてもピンホールがなく、高純度水素の透過分離性能が良く、高性能な水素透過量を有する膜を提供することができる。 A hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure and a method for producing the same according to the present invention include a second metal layer that is easily diffused between a base metal and a Pd catalyst metal layer and a base metal first metal layer, and hardly diffuses from Pd. Is formed, the interdiffusion between the first metal layer and the catalytic metal layer is suppressed and the catalytic function of the surface layer is maintained, and the first metal layer and the second metal layer are alternately laminated by heat treatment. Due to diffusion bonding and rolling treatment, hydrogen embrittlement is suppressed by the solid solution of the first metal layer and the second metal layer and the ultrathin film stacking effect. Therefore, it is possible to provide a membrane having a high permeation separation performance and a high-performance hydrogen permeation amount.
請求項1に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、水素透過性能の高いベース金属からなる第一金属層と金属水素化物を作りにくい改質金属である第二金属層とが交互に積層してなる複合コア積層体を有し、前記複合コア積層体の両面にはPdまたはPd合金からなる触媒金属層が形成してなるものであり、第一金属層と第二金属層とが交互に積層された多層状態で拡散接合と圧延処理がされると、第一金属層への第二金属層の固溶化と極薄膜積層効果により水素脆性が抑制され、多層であり薄く圧延されてもピンホールがなく、高純度水素の透過分離性能が良く、高性能な水素透過量を維持できる。 In the invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 1, the first metal layer made of a base metal having high hydrogen permeable performance and the second metal layer which is a modified metal which is difficult to form a metal hydride are alternately formed. The composite core laminate is formed by laminating a catalyst metal layer made of Pd or a Pd alloy on both sides of the composite core laminate, and the first metal layer and the second metal layer are When diffusion bonding and rolling are performed in a multilayered state in which the layers are alternately stacked, hydrogen embrittlement is suppressed by the solid solution of the second metal layer in the first metal layer and the effect of ultrathin film stacking. However, there is no pinhole, the permeation separation performance of high-purity hydrogen is good, and high-performance hydrogen permeation can be maintained.
請求項2に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、水素透過性能の高いベース金属からなる第一金属層と金属水素化物を作りにくい改質金属である第二金属層とが交互に積層してなり最上下層が前記第二金属層である複合コア積層体を有し、前記複合コア積層体の両面にはPdまたはPd合金からなる触媒金属層が形成してなるものであり、最上下層がPdの触媒金属層とは拡散し難い第二金属層が形成されており第一金属層と触媒金属層との相互拡散が抑制され、表面層の触媒機能を安定して維持し、触媒金属層の表面にベース金属層が析出することが抑制され、長期信頼性を確保するものである。
In the invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項3に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、請求項1または2に記載の発明における第一金属層の水素透過性能の高いベース金属が、体心立方構造を有する高融点の遷移金属のVA族金属またはその合金であるものであり、体心立方構造を有するVA族金属は水素拡散係数が高く比較的水素透過性能が高い金属であり、複合多層構造の水素透過膜としての性能が確保できるものとなり、水素生成装置に必要な複合多層構造の水素透過膜の面積が小さな面積で対応が可能となり、装置自体の大きさをコンパクトなものにできる。
In the invention of the hydrogen permeable membrane having the composite multilayer structure according to
請求項4に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載の発明における第一金属層の水素透過性能の高いベース金属が、体心立方構造を有する高融点の遷移金属であるTa、Nb、V、Ta合金、Nb合金、V合金のいずれかであるものであり、Ta、Nb、Vは、水素拡散係数が高いだけでなく水素固溶度も大きく、水素透過性能として特に優れている金属であり、複合多層構造の水素透過膜としての性能を高めることができ、水素生成装置に応用したときには、さらに小さな面積で対応が可能で装置自体の大きさをよりコンパクトなものにできる。
The invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項5に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、請求項1から4のいずれか一項に記載の発明における金属水素化物を作りにくい改質金属である第二金属層が、Mo、Re、Mo合金、Re合金のいずれかであるものであり、Mo、Reは金属水素化物を形成し難い金属で、VA族金属とは全率固溶する金属であり、固溶することによりVA族金属の水素脆性を抑制すると共に、相互拡散を抑制する働きを顕著に示すものである。
The invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項6に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、請求項1から5のいずれか一項に記載の発明における複合コア積層体が、少なくとも一回以上の拡散接合と圧延とを繰り返されて形成されたものであり、拡散接合と圧延とを繰り返すことによりベース金属である第一金属層への改質金属の固溶が進み、水素脆性が少ない金属層へと改質すると共に、一枚の層が薄くなるに連れて、金属間の構造断絶が進むために、金属水素化物での体積膨張を抑制し水素脆性は少なくなる。
In the invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項7に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、請求項1から6のいずれか一項に記載の発明における複合コア積層体の総厚みが、1〜200μmで第一金属層の一枚の厚みが100nm以下となるものであり、総厚みが200μm以上では水素透過性能が極端に悪くなり、薄いほど水素透過性能が高くなるが、1μm以下では膜として自立できなくなる。また、金属層の一枚の厚みを100nm以下にすることで、金属層の構造断絶が顕著となり、金属水素化物の体積膨張が抑制され水素脆性による物性の劣化が小さくできる。
The invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項8に記載の複合多層構造の水素透過膜の発明は、請求項1から7のいずれか一項に記載の発明において、複合コア積層体の第一金属層と第二金属層との厚みの比率が、元素比に換算して0.05%から10%に相当する配分で構成されたものであり、厚み比率が元素比に換算して0.05%以下では、相互拡散の抑制効果が悪くなり、10%以上では水素透過性能が低下する。
The invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項9に記載の複合多層構造の水素透過膜の製造方法の発明は、水素透過性能の高いベース金属からなる第一金属箔と金属水素化物を作りにくい改質金属である第二金属箔とを交互に複数枚積層し積層品とする積層工程と、前記積層品を熱と圧力により拡散接合し拡散接合品とする拡散接合工程と、前記拡散接合品を所定の厚みにまで圧延し圧延複合コア積層体とする圧延工程と、必要に応じ複合コア積層体同士をさらに積層と圧延を繰り返し行い複合コア積層体とする繰り返し積層圧延工程と、前記複合コア積層体の両面にPdまたはPd合金からなる触媒金属箔を形成する触媒金属層形成工程とを有するものであり、改質金属の介在で実用時の熱負荷での相互拡散により水素透過性能が経時的に劣化しない、また、極箔膜の積層物の構造により水素脆性が抑制される複合多層構造の水素透過膜を容易に製造できる。
The invention of the method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は本実施の形態1における複合多層構造の水素透過膜21が組み込まれた水素生成分離装置22の概略構成図である。図2は同実施の形態1の複合多層構造の水素透過膜21の断面図である。図3は同実施の形態1の複合多層構造の水素透過膜21のA部拡大断面図である。図4は本発明の実施の形態1における金属箔体を拡散接合する拡散接合装置23の概略断面構成図である。図5は同発明の実施の形態1の拡散接合装置23のプレス部材73を示す拡大断面図である。図6は本発明の実施の形態1の圧延機20の圧延加工状態における断面図である。図7は本発明の実施の形態1の複合多層構造の水素透過膜21の製造工程図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen generation /
図1において、水素生成分離装置22は、炭化水素ガスと水蒸気とを300℃以上且つ1550℃以下の高温で反応させて水素混合ガスを生成させる反応室25と、反応室25で生成された混合ガス中の水素ガスだけを透過する複合多層構造の水素透過膜21と、複合多層構造の水素透過膜21を通過して高純度の水素ガスとして分離され介在する分離室26とからなるもので、反応室25と分離室26とは複合多層構造の水素透過膜21によって二つの独立する部屋として分割するように構成されている。
In FIG. 1, the hydrogen generation /
反応室25は上部に連結開口部27を有するステンレス鋼板からなる矩形状の反応容器28であり、連結開口部27の全周は外側に向かって張り出すフランジ29が形成されている。
The
また、反応室25の壁面30には、水素生成分離装置22の外部と連通し燃料を供給する供給口31と、改質処理後の残渣ガスを排出する排出口32を有している。供給口31と排出口32とはできるだけ遠く離れるように配置され、反応室25の供給口31と排出口32との間の空間には連通のニッケルフォームからなる改質触媒33が挿入されてあり、反応室25の下部には反応室25を加熱する加熱手段34が配置されている。
Further, the
分離室26は、下方に連結開口部35を有するステンレス製の分離容器36からなり、連結開口部35の周囲には反応室25のフランジ29に対応するように外側に向かって張り出すフランジ37が形成されている。
The
また、分離室26の外郭部38の側面には水素生成分離装置22の外部と連通する水蒸気等のスイーブガスを導入する導入口39と、生成された水素を吐出する吐出口40とを有している。
The side surface of the
複合多層構造の水素透過膜21は、分離室26のフランジ37と反応室25のフランジ29との合わせ目に位置し、フランジ29とフランジ37とに設置されたガスケット41とガスケット42とを介し、フランジ29とフランジ37の外側の複数のボルト43とナット44により締め付けて固定したものである。
The hydrogen
また、連結開口部27と連結開口部35とを覆うように貼り付けた複合多層構造の水素透過膜21の変形を最小限に抑えるために、複合多層構造の水素透過膜21とフランジ29とフランジ37の突出部45とで支持される様にステンレス多孔質材のスペーサ46が介在させてある。
Further, in order to minimize the deformation of the hydrogen
また、反応室25は分離室26より圧力が高くなるように、排出口32の下流に圧力調整弁47を設置して圧力調整が可能となっている。
Further, the pressure in the
なお、ガスケット41とガスケット42は、軟鋼や銅製の金属物でも良いが、複合多層構造の水素透過膜21への傷つき等の影響を考慮すると、よりフレキシブルなグラファイトを使用するのが良い。今回使用したガスケット材は高純度化処理した黒鉛(日本カーボン社、ニカフィルム、FL−300SH)を使用した。
Note that the
スペーサ46に使用する多孔質性のステンレス材としては、SUS316材でできたメッシュ状のフィルター材を使用した。
As the porous stainless steel material used for the
図2と図3において、複合多層構造の水素透過膜21は、水素透過性能の高いベース金属としてTa(タンタル)からなる第一金属層48と、金属水素化物を作りにくい改質金属としてMo(モリブデン)である第二金属層49とが交互に積層してなり、最上下層50が第二金属層49となる複合コア積層体51を有し、前記複合コア積層体51の両面にはPdまたはPd合金とからなる触媒金属層52が形成してなる複合多層構造を有するものである。
2 and 3, the hydrogen
この複合多層構造の水素透過膜21は総厚みが50μmであり、第二金属層49を形成するMo金属は、第一金属層48を形成するTa金属に対する元素比率が約2%になるように設定されている。各層の厚み配分は、触媒金属層52が約1μmで、残りの複合コア積層体51は第一金属層48と第二金属層49とのペアでそれぞれ約1万層が形成されてなるものであり、すなわち、第一金属層48の一枚の層の厚みが計算上5nm以下の厚みとなる。
The hydrogen
本実施の形態1では、第一金属層48となるベース金属として、水素透過性能が高く体心立方構造を有する高融点の遷移金属であるVA族元素のTa金属を適用したが、Taの代わりに、Nb、V、Ta合金、Nb合金、V合金のいずれかを採用しても構わない。
In the first embodiment, a VA group element Ta metal, which is a high melting point transition metal having a high hydrogen permeation performance and a body-centered cubic structure, is applied as the base metal to be the
また、第二金属層49の改質金属としてMoを採用したが、Re(レニウム)及びその合金を使用しても構わない。さらに、多層構造の膜の最外層にPdの触媒金属層52を設けているが、Pd層の代わりに、Pd合金層を設けても構わない。
In addition, although Mo is used as the modified metal of the
また、本発明の実施の形態1では、複合多層構造の水素透過膜21の厚みを50μmとしたが、1μm以下では膜としての強度がなく自立できなくなり、200μm以上では水素透過性能が極端に悪くなり、膜面積が大きくなり価格的に高くなるが、50μmに厚みを限定するものではない。
In the first embodiment of the present invention, the thickness of the hydrogen
また、本発明の実施の形態1では、第一金属層の厚みを5nmに設計したが、100nm以下にすることで、金属層の構造断絶が顕著になり水素脆性の抑制効果が得られ、第一金属層の一枚の厚みを5nmに限定するものではない。 In the first embodiment of the present invention, the thickness of the first metal layer is designed to be 5 nm. However, when the thickness is 100 nm or less, the structural breakage of the metal layer becomes remarkable, and the effect of suppressing hydrogen embrittlement is obtained. The thickness of one metal layer is not limited to 5 nm.
また、本発明の実施の形態1では、複合コア積層体51中の第一金属層48に対する第二金属層49の元素比率を2%に設計したが、0.05%以下であれば、水素脆性の効果は見られず、10%以上であれば水素透過性能が極端に悪くなるが、2%に限定するものではない。
In the first embodiment of the present invention, the element ratio of the
次に本発明の実施の形態1の複合多層構造の水素透過膜21の製造方法について図4から図8を参考にして説明する。
Next, a method for manufacturing the hydrogen
図4において、拡散接合装置23は真空チャンバー61と高温拡散炉62と油圧プレス63とで構成されている。
In FIG. 4, the
真空チャンバー61は、ステンレス製の上チャンバー64と下チャンバー65と油回転ポンプと油拡散ポンプとを真空排気方式として用いた真空ポンプ66とから構成され、連結部67のピン68の脱着により上チャンバー64と下チャンバー65とは上下に開閉可能となる。
The
高温拡散炉62は、前面で開放可能な構造(図示せず)のセラミック製の断熱壁69で囲まれた中に、耐熱性の高いカンタル製のヒータ70が埋め込まれてあり、電源及び制御装置71により高温拡散炉62内の温度をコントロールできる。
The high-
高温拡散炉62内には下ステージ72があり、下ステージ72上にプレス部材73を設置することで、上ステージ74を油圧プレス63により下降させ、プレス部材73に圧力を加えることができる。
There is a
上ステージ74の駆動軸75は断熱壁69と上チャンバー64を貫通し、油圧プレス63に連結されており、駆動軸75と上チャンバー64との交差部76はベローズ等を応用した駆動可能気密機構により真空チャンバー61内と外部との間を完全シールしている。
The
図5において、プレス部材73は、SUS316Lのステンレス鋼材の平板を一定寸法に切断した上加圧用平板治具77a、下加圧用平板治具77bと、それらを定置に固定する2本の支持ボルト78a,78bとで構成されている。
In FIG. 5, a
加圧用平板治具77a,77bの間には、水素透過性の高いベース金属のTa金属からなる第一金属箔79と金属水素化物を作りにくい改質金属のMoである第二金属箔80とを交合に複数枚積層した積層品81がセットされている。さらに、積層品81の両面と加圧用平板治具77a,77bとの間に、熱によるガスの発生がなく、加圧により弾性変形し、積層品81の面と加圧用平板治具77a,77bとの拡散接合処理後の離型性が良い剥離性シート82a,82bを介在させた状態で構成されている。
Between the pressurizing
この剥離性シート82a,82bの材質としては、1000℃以上で高純度化処理したシリカ繊維の不織布(アドバンテック東洋社、シリカ繊維ろ紙、QR−100)や、約2000℃で高純度化処理した黒鉛(日本カーボン社、ニカフィルム、FL−300SH)や、同じく約2000℃で高純度化処理した炭素繊維のフェルト(日本カーボン社、カーボロン、GF−20−2F)が使用できる。
As the material of the
図6において、圧延機20は、機械部83のモータ84の動力源により所定のスピードで回転する上ロール85、下ロール86と、上下ロール85,86の間隔を調整する調整ハンドル87とからなるもので、徐々に調整ハンドル87で上下ロール85,86の間隔を被圧延物88の厚みより小さく設定しながら、被圧延物88を繰り返し圧延することで所定の厚みにまで薄くするものである。
In FIG. 6, the rolling
次に、本発明の実施の形態1の積層品81を拡散接合で貼り付け水素透過分離膜21とするまでの製造方法と拡散接合工程時の作用について、図7の工程図を参照にして説明する。
Next, the manufacturing method until the
本発明の実施の形態1の複合多層構造の水素透過膜21を製造するには、まず、水素透過性能の高いベース金属である厚さ200μmの第一金属箔79であるTa箔と、金属水素化物を作りにくい改質金属の第二金属箔80である厚さ5μmのMo箔90とを用意し、前処理工程にて、それぞれの洗浄・脱脂・エッチング等を行う。
In order to manufacture the hydrogen
具体的には、水素透過係数の高いベース金属の第一金属層48となる第一金属箔79のTa箔の表面をアセトンで脱脂した後、約0.1mol濃度のフッ酸で20分間浸漬エッチング処理し、充分な水洗とアルコールによる共沸乾燥を行う。また、改質金属となる第二金属箔80のMo箔はアセトンで脱脂した後、40℃のお湯で洗浄する。
Specifically, the surface of the Ta foil of the
次に、繰り返し工程では、まず、積層工程Aにおいて、Ta箔の第一金属箔79とMo箔の第二金属箔80とを交互に各10枚積層し積層品81とし、加圧用平板治具77bに剥離性シート82bとして高純度化処理したカーボン繊維のフェルトを置き、その上に積層品81をセットする。
Next, in the repeating step, first, in the laminating step A, ten Ta foil first metal foils 79 and Mo foil second metal foils 80 are alternately laminated to form a
さらに、その上から、同じ剥離性シート82aと加圧用平板治具77aとを順次置き、支持ボルト78a,78bで軽く締め付け、プレス部材73として準備する。
Further, the
次に、拡散接合工程Aで、拡散接合装置23の真空チャンバー61を連結部67のピン68を外し、上チャンバー64を上方に移動させ、真空チャンバー61を開放する。次に、高温拡散炉62の断熱壁69を開放し、中の油圧プレス63の下ステージ72の上に準備したプレス部材73を定位置にセットし、断熱壁69を閉じ、真空チャンバー61を定位置に戻し連結部67をピン68により固定することで真空チャンバー61を密閉する。
Next, in the diffusion bonding step A, the
次に、真空ポンプ66を稼動させ、真空チャンバー61内の真空度を10−5Pa以下に下げ、ヒータ電源を入れ、制御装置71で900℃に上昇させる。上昇を確認した上で、油圧プレス63を駆動し上ステージ73を下降させプレス部材73に約0.1MPaの圧力が加わるように加圧し、900℃で2時間放置する。
Next, the
その後、ヒータ電源を切り、炉冷にて50℃まで冷却することにより拡散接合工程Aは終了となり一次拡散接合品が得られる。 Thereafter, the heater power is turned off and the furnace is cooled to 50 ° C. to complete the diffusion bonding step A, whereby a primary diffusion bonded product is obtained.
プレス部材73が加圧されると、加圧により弾性変形する高純度化処理した炭素繊維のフェルトからなる剥離性シート82a,82bは変形しながらも第一金属箔79と第二金属箔80とを均一に密着させ、各金属箔表面の接合界面が全面にて密着することにより拡散接合が円滑に行われることとなる。
When the
次に、50℃にまで冷却した後、二段式圧延機20で拡散接合で作成した2050μmの一次拡散接合品を180μmにまでロール圧延する圧延工程Aに入る。
Next, after cooling to 50 ° C., a rolling process A in which a 2050 μm primary diffusion bonded product prepared by diffusion bonding with the two-
圧延工程Aとしては、被圧延品である一次拡散接合品の厚みより、2%から3%の圧縮比となるように設定し、上下ロール85,86の隙間を繰り返し通すことにより圧延する。このとき圧延方向は一定として行うことで積層品のひずみを小さくする工夫をしないと剥がれや変形を生じることとなる。
As rolling process A, it sets so that it may become a compression ratio of 2 to 3% from the thickness of the primary diffusion joining goods which are to-be-rolled products, and it rolls by passing the clearance gap between upper and
次に、180μmまで圧延した板を10枚の所定の大きさに切断して一次圧延切断品とし、必要に応じて洗浄を行い、再び前記圧延切断品を積層工程Aでの同じ作業にて積層し、拡散接合工程Aと圧延工程Aとを繰り返す。 Next, a plate rolled to 180 μm is cut into a predetermined size of 10 sheets to obtain a primary rolled cut product, which is washed as necessary, and the rolled cut product is again laminated by the same operation in the laminating step A. Then, the diffusion bonding process A and the rolling process A are repeated.
この積層工程Aと拡散接合工程Aと圧延工程Aと切断との繰り返し工程を4回繰り返すことにより約1万枚の積層を実現させる。 By repeating this process of repeating the lamination process A, diffusion bonding process A, rolling process A, and cutting four times, a stack of about 10,000 sheets is realized.
次に、以上の繰り返し工程を4回繰り返した後、触媒金属層形成工程94に入る。 Next, after repeating the above repeating step four times, the catalyst metal layer forming step 94 is started.
触媒金属層形成工程94での積層工程Bでは、先の切断工程で所定の大きさに切断されて得た複合コア積層体51を10枚積層したものを準備し、また、第二金属箔80と同じ5μmのMo箔を湯洗し、簡単に酸洗いした50μmのPd箔を準備する。
In the lamination step B in the catalyst metal layer forming step 94, a laminate of 10 composite core laminates 51 obtained by cutting into a predetermined size in the previous cutting step is prepared, and the
次に、積層工程Bとして、積層工程Aで用いたものと同じ加圧用平板治具77bに剥離性シート82bとして高純度化処理したカーボン繊維のフェルトを置き、その上に触媒金属箔91と最上下層50となるMo箔90と、先の10枚積層した複合コア積層体51と、さらに最上下層50となるMo箔90と触媒金属箔91とをセットし、さらに、その上から、同じ剥離性シート82aと加圧用平板治具77aとを順次置き、支持ボルト78a,78bで軽く締め付け、プレス部材73に積層品81を準備する。
Next, as the lamination step B, a high-purity carbon fiber felt as a
次に、拡散接合工程Bとしては拡散接合工程Aと同様の作業となるが、拡散接合装置23の真空チャンバー61を連結部67のピン68を外し、上チャンバー64を上方に移動させ、真空チャンバー61を開放する。次に、高温拡散炉62の断熱壁69を開放し、中の油圧プレス63の下ステージ72の上に準備したプレス部材73を定位置にセットし、断熱壁69を閉じ、真空チャンバー61を定位置に戻し連結部67をピン68により固定することで真空チャンバー61を密閉する。
Next, the diffusion bonding step B is the same as the diffusion bonding step A, but the
次に、真空ポンプ66を稼動させ、真空チャンバー61内の真空度を10-5Pa以下に下げ、ヒータ電源を入れ、制御装置71で900℃に上昇させる。上昇を確認した上で、油圧プレス63を駆動し上ステージ74を下降させプレス部材73に約0.1MPaの圧力が加わるように加圧し、900℃で2時間放置する。
Next, the
その後、ヒータ電源を切り、炉冷にて50℃まで冷却することにより拡散接合工程Bは終了となり最終拡散接合品が得られる。 Thereafter, the heater power supply is turned off and the furnace is cooled to 50 ° C. to complete the diffusion bonding step B, whereby a final diffusion bonded product is obtained.
プレス部材73が加圧されると、加圧により弾性変形する高純度化処理した炭素繊維のフェルトからなる剥離性シート82a,82bは変形しながらも50μmのPd箔と5μmのMo箔とで挟まれた積層品81とを均一に密着させ、接合界面が全面にて密着することにより拡散接合が円滑に行われることとなる。
When the
次に、50℃にまで冷却した後、二段式圧延機20で拡散接合で作成した約1500μmの最終拡散接合品を50μmにまでロール圧延する圧延工程Bに入る。
Next, after cooling to 50 ° C., a rolling process B in which a final diffusion bonded product of about 1500 μm created by diffusion bonding with the two-
圧延工程Bも圧延工程A同様に、被圧延品である最終拡散接合品の厚みより、2%から3%の圧縮比となるように設定し、上下ロール85,86の隙間を繰り返し通すことにより圧延する。
The rolling process B is set to have a compression ratio of 2% to 3% based on the thickness of the final diffusion bonded product, which is a rolled product, and the rolling process B is repeatedly passed through the gaps between the upper and
以上の触媒金属層形成工程での、積層工程Bと拡散接合工程Bと圧延工程Bにより、複合コア積層体51を心材とする複合多層構造の水素透過膜が得られ、その膜を水素生成分離装置22の所定の位置に取り付ける。
By the lamination step B, diffusion bonding step B, and rolling step B in the catalytic metal layer forming step, a composite multilayer structure hydrogen permeable membrane having the
なお、最上下層50となる5μmのMo箔を介在させることにより、複合コア積層体51中のTa金属のPd触媒金属層52への拡散接合工程Bの加熱条件での相互拡散を抑制することができ、水素透過膜の水素透過性能の低下を防ぐことが出来る。
In addition, by interposing a 5 μm Mo foil serving as the uppermost
また、この圧延作業は、各金属層界面に生じていた非常に薄い酸化被膜が破壊し水素透過性能の低下を防止する効果がある。 In addition, this rolling operation has an effect of preventing a very thin oxide film generated at each metal layer interface from being broken and preventing a decrease in hydrogen permeation performance.
以上のように構成された複合多層構造の水素透過膜21を取り付けた水素生成分離装置22について、以下にその動作を説明する。
The operation of the hydrogen generation /
反応室25が加熱手段34の作動により800℃に加熱され、水素生成分離装置22の反応室25に供給口31より炭化水素のメタンと水蒸気を供給すると、連通Niフォームの改質触媒33の界面で、(化1)のように、メタンは水蒸気により酸化され、水蒸気は還元される反応による水素と二酸化炭素の生成に加えて、水素透過分離膜21のPd触媒金属層52との接触による触媒作用により反応が促進され水素が生成される。
When the
固溶された水素原子は反応室25と分離室26との水素濃度差により分離室26側に流れ、Pd触媒金属層52を通過した後、Moの最上下層50とMoとTaとが緻密に積層した複合コア積層体51とを流れ、再びMo最上下層50を透過し、再び分離室26側の触媒金属層52のPd触媒により水素原子から水素分子に結合され水素ガスとして分離室26に流入する。
The dissolved hydrogen atoms flow toward the
このとき、複合多層構造の水素透過膜21の中心部は水素透過性能の高いTaとMoとの複合コア積層体材料となっているので水素原子の拡散は非常に速やかに行われ、さらに、分離室24側の金属被覆層52は100%濃度のPd触媒金属層52となっているので水素原子から水素分子への結合も速やかに行われるものである。
At this time, the central portion of the hydrogen
また、従来例の様に表面が触媒金増層のPd金属で中心部がTa等のベース金属単層だけであれば、800℃の長時間における加熱により、PdとTaとの相互拡散が徐々に起こり、Pd層の表面にTaが析出することとなり、表面層にTaの酸化被膜を形成することで水素透過膜が極端に劣化することとなる。また、Ta金属は比較的水素脆性しやすい金属であり、装置の運転と停止による温度変化で水素脆性により強度が劣化し膜として自立できなくなり破壊してしまうこととなる。 If the surface is only a Pd metal with a catalytic gold enhancement layer and the center is only a base metal monolayer such as Ta as in the conventional example, mutual diffusion between Pd and Ta is gradually caused by heating at 800 ° C. for a long time. As a result, Ta is deposited on the surface of the Pd layer, and the formation of an oxide film of Ta on the surface layer causes the hydrogen permeable film to be extremely deteriorated. Further, Ta metal is a metal that is relatively easy to be hydrogen embrittled, and due to temperature change caused by operation and stop of the apparatus, the strength deteriorates due to hydrogen embrittlement, and the film cannot be self-supported and is destroyed.
しかし、本実施の形態であれば、Moの最上下層51がTaとPdとの相互拡散を抑制し、TaとMoとの複合コア積層体51では、TaへのMoの拡散により合金化することで水素脆性を抑制するばかりか、非常に薄い層としてTa金属層を分断しているので、金属間の構造断絶が進むために金属水素化物での体積膨張を抑制し水素脆性の抑制効果がさらに強く働くものである。
However, in this embodiment, the uppermost
なお、Moは水素化金属を作りにくい金属であり、TaとPdとの相互拡散の抑制効果がありTa元素がPd被覆層の表面に析出するのを抑制するばかりか、Ta層の中にMoが拡散することにより、Taの水素脆性を抑制する効果を持つものである。 Mo is a metal that is difficult to form a metal hydride, and has an effect of suppressing interdiffusion between Ta and Pd. In addition to suppressing the precipitation of Ta element on the surface of the Pd coating layer, Mo is contained in the Ta layer. Has the effect of suppressing the hydrogen embrittlement of Ta.
次に、反応室25に残ったその他の混合ガスは排出口32側の下流に流れて同様の反応により水素ガスを生成して同様に水素分離膜21を通じて分離室26に流入する。
Next, the other mixed gas remaining in the
つまり、供給口31から排出口32へ流れる時に、順次複合多層構造の水素透過膜21を通して水素が反応室25より流れ出す為、下流になっても流通ガスの水素ガス濃度が平衡状態に達しないので水素ガス化の反応(化1)は円滑に行われ、排出口32近傍では流通ガスの大部分が二酸化炭素となり排出される。
That is, when flowing from the
通常ならば下流になるに従い流通ガスの水素割合が増加して平衡状態に達し、それ以上に反応しなくなが、反応室25の中においては水素ガスが分離室26に移動する為反応は継続して行われる。
Normally, the hydrogen ratio of the flowing gas increases as it goes downstream, reaches an equilibrium state, and does not react any more, but in the
この説明から分かるように、触媒金属層52を構成するPdは、水素の解離・再結合を促進させる触媒機能を有するとともに、水素を透過させる機能を有している。また、改質金属で第二金属層49を構成するMoとベース金属で第一金属層48を構成するTaとは、水素を透過させる機能を有している。なお、Taの水素透過性能は、Pdの水素透過性能よりもかなり優れている。
As can be understood from this description, Pd constituting the
本実施の形態では、導入口39より水蒸気等のスリーブガスが分離室26内に導入され分離室内を流れる為、複合多層構造の水素透過膜21のスペーサ46部に滞留した水素を洗い流す為、触媒金属層52のPd層近傍の水素濃度は高くなることは無く、常に圧力分圧差が生じており、円滑な水素の拡散移動が反応室25と分離室26で行われる。
In the present embodiment, since a sleeve gas such as water vapor is introduced into the
また、本実施の形態では、最上下層50として、5μmのMo箔90を触媒金属形成工程にて追加して使用したが、TaとPdとの相互拡散の抑制効果をより確実に行うためのものであり、改めてMo箔を使用するまでもなく、第二金属層がPd触媒金属層52に面するように積層品の向きを工夫することでも対応可能である。
In the present embodiment, 5
また、本実施の形態ではベース金属の第一金属層としてTaを採用したが、水素透過係数の高い金属板であれば適用できるものであり、特に遷移金属であるTa、Nb、V、とそれらの合金が効果的であり、Taに限定するものではない。 In this embodiment, Ta is used as the first metal layer of the base metal, but any metal plate having a high hydrogen permeation coefficient can be applied, and in particular, transition metals such as Ta, Nb, V, and the like. This alloy is effective and is not limited to Ta.
また、本実施の形態では、剥離性シート77の材質として、約2000℃で高純度化処理した炭素繊維のフェルト(日本カーボン社、カーボロン、GF−20−2F)を使用したが、1000℃以上で高純度化処理したシリカ繊維の不織布(アドバンテック東洋社、シリカ繊維ろ紙、QR−100)では表面の緻密性の面で適切な接合界面への圧力が加わり良好であり、また約2000℃で高純度化処理した黒鉛(日本カーボン社、ニカフィルム、FL−300SH)も同じ効果を有し、熱によるガスの発生が無く、加圧により弾性変形し、第一金属箔79や第二金属箔80や触媒金属箔91、及び加圧用平板治具77a,77bとの剥離性が良好な素材であれば可能であり、炭素繊維のフェルトに限定するものではない。
Further, in this embodiment, as the material of the peelable sheet 77, carbon fiber felt (Nihon Carbon Co., Carboron, GF-20-2F) purified at about 2000 ° C. was used, but 1000 ° C. or more. The silica fiber non-woven fabric (Advantech Toyo Co., Ltd., silica fiber filter paper, QR-100) purified with a high purity is good due to the pressure applied to the appropriate bonding interface in terms of surface denseness, and high at about 2000 ° C. Purified graphite (Nihon Carbon Co., Nika Film, FL-300SH) has the same effect, does not generate gas due to heat, is elastically deformed by pressurization, and the
また、本実施の形態では、初期の積層品として、Ta箔とMo箔とを各10枚ずつ積層したものを積層品とし、拡散接合と圧延とを4回繰り返して1万枚に相当する層の複合コア積層体を形成したが、一回以上の拡散接合と圧延とを行うことで、各金属層表面の酸化被膜が破壊される効果が得られるので、水素透過性能が低下することがなく、繰り返し工程を4回に限定するものではない。 Further, in this embodiment, as an initial laminated product, a product obtained by laminating 10 sheets of Ta foil and Mo foil each is a laminated product, and diffusion bonding and rolling are repeated four times, and a layer corresponding to 10,000 sheets. The composite core laminate was formed, but the effect of destroying the oxide film on the surface of each metal layer can be obtained by performing diffusion bonding and rolling at least once, so that the hydrogen permeation performance does not deteriorate The repeating process is not limited to four times.
また、本実施の形態では、複合コア積層体の総厚みを50μmとし、第一金属層の一枚の厚みが5nmとなるように設計したが、総厚みが1μm以下では、膜として自立できる強度が確保できず、総厚みが200μm以上では水素透過性能が極端に低下するものとなり、また、第一金属層の一枚の厚みが100nm以上では金属層の構造断絶が充分なものとならず、水素脆性を抑制する効果が小さくなるものである。 Further, in this embodiment, the total thickness of the composite core laminate is designed to be 50 μm and the thickness of one sheet of the first metal layer is 5 nm. However, when the total thickness is 1 μm or less, the strength capable of supporting itself as a film However, if the total thickness is 200 μm or more, the hydrogen permeation performance is extremely lowered, and if the thickness of one first metal layer is 100 nm or more, the structural breakage of the metal layer is not sufficient, The effect of suppressing hydrogen embrittlement is reduced.
また、本実施の形態では、複合コア積層体の第一金属層に対する第二金属層の厚みの比率は元素比に換算して2%になるよう設計したが、0.05%以下になればTaの水素脆性を抑制する効果が極端に小さくなり、また、10%以上となると水素透過性能が極端に低下するもので、0.05%から10%に相当する配分で構成されたものであれば、水素脆性抑制効果があり、水素透過性能を維持するものが得られる。 In the present embodiment, the ratio of the thickness of the second metal layer to the first metal layer of the composite core laminate is designed to be 2% in terms of element ratio. The effect of suppressing the hydrogen embrittlement of Ta becomes extremely small, and if it becomes 10% or more, the hydrogen permeation performance is extremely lowered, and it is configured with an allocation corresponding to 0.05% to 10%. For example, it is possible to obtain a hydrogen embrittlement suppressing effect and maintain hydrogen permeation performance.
このように、Taのベース金属からなる第一金属層とPdの触媒金属層との間にMoの最上下層を介在させれば、Pdの触媒金属層にTa金属の相互拡散を抑制することができ、拡散による水素透過特性の低下を低減させることが可能となる。 Thus, if the uppermost lower layer of Mo is interposed between the first metal layer made of the Ta base metal and the Pd catalytic metal layer, the interdiffusion of Ta metal is suppressed in the Pd catalytic metal layer. It is possible to reduce the deterioration of hydrogen permeation characteristics due to diffusion.
以上、本実施の形態では、第一金属層としてTaを、第二金属層としてMoを、触媒金属層としてPdを用いる場合について説明したが、Taに代えてこれと同様の性質を有するNbやV、またはそれらの合金を用いるようにしてもよいし、Moに代えてこれと同様の性質を有するReやそれらの合金を用いるようにしてもよいし、Pdに代えてPd合金を使用しても良い。この場合にも、上記の説明を同様に適用可能であるため、詳細な説明は省略する。 As described above, in the present embodiment, the case where Ta is used as the first metal layer, Mo is used as the second metal layer, and Pd is used as the catalyst metal layer, but Nb having the same properties as this instead of Ta is used. V or an alloy thereof may be used, Re may be used instead of Mo or an alloy thereof, or Pd alloy may be used instead of Pd. Also good. Also in this case, the above description can be applied in the same manner, and thus a detailed description is omitted.
以上説明したように、本実施の形態の複合多層構造の水素透過膜とその製造方法は、Pdの触媒金属層とベース金属の第一金属層との間に、ベース金属とは拡散し易くPdとは拡散し難い第二金属層が形成されており、第一金属層と触媒金属層との相互拡散が抑制され表面層の触媒機能を維持し、第一金属層と第二金属層とが交互に積層された多層状態で熱処理による拡散接合と圧延処理される為、第一金属層と第二金属層との固溶化と極薄膜積層効果により水素脆性が抑制され、多層であり薄く圧延されてもピンホールがなく、高純度水素の透過分離性能が良く、高性能な水素透過量を有する水素透過膜を提供することができる。 As described above, the hydrogen permeable membrane having the composite multilayer structure and the manufacturing method thereof according to the present embodiment are easily diffused between the Pd catalyst metal layer and the base metal first metal layer. The second metal layer that is difficult to diffuse is formed, the mutual diffusion between the first metal layer and the catalyst metal layer is suppressed, the catalytic function of the surface layer is maintained, and the first metal layer and the second metal layer are Because diffusion bonding and rolling are performed by heat treatment in the multilayered state in which the layers are alternately stacked, hydrogen embrittlement is suppressed by the solid solution of the first metal layer and the second metal layer and the effect of ultrathin film stacking. However, there can be provided a hydrogen permeable membrane having no pinholes, good permeation separation performance of high purity hydrogen, and high performance hydrogen permeation.
以上のように、本発明にかかる複合多層構造の水素透過膜は、水素透過膜を使用する燃料電池分野だけでなく、ガスクロマトグラフ分析用の水素発生器や半導体製造工場での表面改質に使用される水素発生装置に利用されるばかりか、中間物質として水素を発生させる反応を有する反応釜の促進用にも利用でき、それら水素生成装置等の機器を安価に作るのにも有効に利用できる。 As described above, the hydrogen permeable membrane of the composite multilayer structure according to the present invention is used not only in the field of fuel cells using the hydrogen permeable membrane, but also for hydrogen generator for gas chromatograph analysis and surface modification in a semiconductor manufacturing factory. It can be used not only for hydrogen generators that are used, but also for promoting reaction kettles that have a reaction that generates hydrogen as an intermediate substance, and can also be used effectively for making equipment such as hydrogen generators inexpensively. .
21 水素透過膜
48 第一金属層
49 第二金属層
50 最上下層
51 複合コア積層体
52 触媒金属層
79 第一金属箔
80 第二金属箔
81 積層品
91 触媒金属箔
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JP2006076333A JP2007245122A (en) | 2006-03-20 | 2006-03-20 | Hydrogen permeable membrane of composite multi-layer structure and its manufacturing method |
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Cited By (1)
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KR102728719B1 (en) | 2022-11-11 | 2024-11-14 | 한국과학기술원 | Method for preparing bulk metal multilayered structure |
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2006
- 2006-03-20 JP JP2006076333A patent/JP2007245122A/en active Pending
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