JP2007245123A - Composite multilayer structure hydrogen permeable membrane and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】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、水素脆性しない安価な水素透過膜を提供する。
【解決手段】複合多層構造の水素透過膜1は、上から、PdまたはPd合金の触媒金属層53、Pdと低い固溶限を有する第四金属層51、水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属層49、水素固溶量が大きい第三金属層50、水素透過性能の高い第一金属層48、第三金属層50、第二金属層49、第三金属層50、第一金属層48、第三金属層50、第二金属層49、第四金属層51、触媒金属層53の順で積層された構造を有し、第一金属層48、第二金属層49、第三金属層50、第四金属層51からなる複合コア積層体52を拡散接合と圧延により作成し、その両面に触媒金属層53を形成してなるもので、圧延後に追加熱処理により加工性を高めた。
【選択図】図2
An inexpensive hydrogen-permeable membrane that does not have pinholes even when rolled thin, has high permeation separation performance of high-purity hydrogen, and does not brittle hydrogen.
A hydrogen permeable membrane 1 having a composite multi-layer structure includes, from above, a catalytic metal layer 53 of Pd or Pd alloy, a fourth metal layer 51 having a low solid solubility limit with Pd, a metal hydride with a small hydrogen solid solution amount. A second metal layer 49 having a large hydrogen solid solution amount, a first metal layer 48 having a high hydrogen permeation performance, a third metal layer 50, a second metal layer 49, a third metal layer 50, The first metal layer 48, the third metal layer 50, the second metal layer 49, the fourth metal layer 51, and the catalyst metal layer 53 are stacked in this order. The composite core laminate 52 composed of the third metal layer 50 and the fourth metal layer 51 is formed by diffusion bonding and rolling, and the catalytic metal layer 53 is formed on both surfaces thereof. Increased.
[Selection] Figure 2
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、この種の水素透過膜は、選択的に水素のみを透過させるPd又はPdに23%のAgを含有する合金等の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 hydrogen permeable membrane is known to be a single layer such as Pd that selectively transmits only hydrogen or an alloy containing 23% Ag in Pd. 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、サンドイ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 disposed on both surfaces of a metal film having high hydrogen permeable performance (see Patent Document 2).
まず、Pd又はPdに23%のAgを含有する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, the hydrogen separation method in which Pd or an alloy containing 23% Ag in Pd is used as a hydrogen permeable membrane will be briefly described.
通常、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。 Usually, a hydrogen permeable membrane 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%Agや40%Cu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 containing only Pd, deterioration due to hydrogen embrittlement is a problem, and it is used after being alloyed. Already, Pd alloys with 23% Ag and 40% Cu are well known, and a hydrogen purification apparatus using a single tube made of only a Pd alloy film has 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7は、特許文献1に記載された従来の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た水素透過膜の一例を示すものである。図7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. 7 shows an example of a hydrogen permeable membrane in which a Pd alloy film is formed on the surface of a conventional ceramic porous support described in Patent Document 1 by plating. As shown in FIG. 7, the hydrogen separator 1 has a hydrogen separating ability such as Pd and Pd on 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基体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, pressurized raw material hydrogen gas is supplied to the outside of the cylindrical hydrogen separator 1, and when 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出来、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 with 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8は特許文献2に記載された従来の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である。図8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. 8 shows a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure having a conventional sandwich structure 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.
取り付け方法としてはステンレスの板に穴を開けその穴を覆うように水素透過膜をステンレス板の周囲で溶接するか、面積効率を高めるためには通常図9で示すように、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をニッケルろうや銅ろう12で溶接することにより円筒状のチューブを作る。
As a mounting method, a hole is made in a stainless steel plate and a hydrogen permeable membrane is welded around the stainless steel plate so as to cover the hole, or in order to increase area efficiency, as shown in FIG. The hydrogen
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。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。 Next, one end of the tube is hermetically welded, and pressurized raw material hydrogen gas is supplied to the outside of the tube. 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。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る。
In the hydrogen
しかし、Pd膜又はPd合金膜を均一に配しても、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水素脆性を防止するのは困難で、水素透過操作を幾度となく繰り返すと水素脆性により物性が低下する。 However, even if the Pd film or the Pd alloy film is uniformly arranged, it is difficult to prevent hydrogen embrittlement of a metal film having high hydrogen permeability, which is considered to be particularly weak in hydrogen embrittlement, and the hydrogen permeation operation is repeated several times. And physical properties deteriorate due to hydrogen embrittlement.
また、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。
In addition, in a hydrogen permeable membrane in which a Pd (palladium) coating layer is formed on both sides 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、水素透過性能を担う相と耐水素脆化を担う相との複合相で、Niを固溶したNbTi相(水素透過性相)とNbを固溶したNbTi相(耐水素脆化性相)との複相合金での水素透過膜が開示されている。
As a method for solving the above problems,
また、特許文献4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、さらに、特許文献5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に示されるような、水素透過性能を担う相と耐水素脆化を担う相との複合相で、Nbを固溶したNbTi相(水素透過性相)とNiを固溶したNiTi相(耐水素脆化性相)との複相合金での水素透過膜では合金の延性が乏しく、アーク溶解で合金を作成した後、薄く圧延することが非常に困難であり0.2mm以上の厚みが限界で、薄く圧延して水素透過量を大きくすることはできず材料価格も高くなる課題がある。
However, as shown in
また、特許文献4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、水素透過性能が非常に悪いという問題があった。
Further, 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為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 only allows 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 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5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第一金属層として、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合金のいずれかを使用し、水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属層として、VIII族の遷移金属元素の中からNiとCoのどちらかを用い、水素固溶量が大きい第三金属層として、IVA族の遷移金属元素の中からTi、Zr、Hfのいずれかを用いており、各金属層で積層体を構成し、その積層体両面にPdまたはPd合金の触媒金属層が形成してなる複合多層構造の水素透過膜である。 In order to achieve the above object, the composite multilayer structure hydrogen permeable membrane of the present invention is Ta, Nb, V, which is a high melting point transition metal having a body-centered cubic structure as a first metal layer having high hydrogen permeability. One of Ta alloy, Nb alloy, and V alloy is used, and either Ni or Co is used from the group VIII transition metal elements as the second metal layer having a small amount of hydrogen solid solution and difficult to form a metal hydride. As the third metal layer having a large hydrogen solid solution amount, one of Ti, Zr, and Hf is used from the transition metal elements of group IVA, and each metal layer constitutes a laminate, and both sides of the laminate are formed. It is a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure formed by forming a catalytic metal layer of Pd or Pd alloy.
また、積層体の最上下層にPdと低い固溶限を有する第四金属層としてVIA族の遷移金属であるCr、Mo、Wを用いた複合多層構造の水素透過膜である。 In addition, it is a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure using Cr, Mo, and W, which are transition metals belonging to Group VIA, as a fourth metal layer having a low solid solubility limit with Pd in the uppermost layer of the laminate.
また、水素透過性能の高いベース金属からなる第一金属板と、水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属板と、水素固溶量が大きい第三金属板と、さらに必要に応じて最上下層にPdと低い固溶限を有する第四金属層とを積層し積層品とする積層工程と、前記積層品の上下面にPdまたはPd合金からなる触媒金属板を積層形成する触媒金属付積層品形成工程と、前記触媒金属付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を有するものである。また、所定の厚みにまで圧延した圧延複合コア積層体を第二金属層と第三金属層との合金化のために追加熱処理を行う複合多層構造の水素透過膜の製造方法である。 In addition, a first metal plate made of a base metal with high hydrogen permeation performance, a second metal plate having a small hydrogen solid solution amount and difficult to form a metal hydride, a third metal plate having a large hydrogen solid solution amount, and further required Correspondingly, a stacking step of stacking Pd and a fourth metal layer having a low solid solubility limit on the uppermost layer to form a stacked product, and a catalyst metal plate made of Pd or a Pd alloy are stacked on the upper and lower surfaces of the stacked product. Laminated product forming step with a catalyst metal, a diffusion bonding step in which the laminate with a catalyst metal is diffusion bonded by heat and pressure to form a diffusion bonded product, and the diffusion bonded product is rolled to a predetermined thickness and rolled composite core laminate And a rolling step. The present invention also provides a method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure in which a rolled composite core laminate rolled to a predetermined thickness is subjected to additional heat treatment for alloying the second metal layer and the third metal layer.
これによって、水素透過性能の高いベース金属の第一金属層を第二金属層と第三金属層とでと形成する耐水素脆性の高い合金化層が強化層として働き、第一金属層の水素脆性を抑制し、Pdの触媒金属層との間にPdとは拡散し難い第四金属層が形成され、ベース金属の触媒金属層までの相互拡散が抑制される。 As a result, the alloyed layer having high hydrogen embrittlement resistance, which forms the first metal layer of the base metal having high hydrogen permeation performance with the second metal layer and the third metal layer, acts as a reinforcing layer, and the hydrogen of the first metal layer A fourth metal layer that suppresses brittleness and hardly diffuses with Pd between the Pd catalyst metal layer is formed, and mutual diffusion to the catalyst metal layer of the base metal 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、水素透過性能の高いベース金属の第一金属層を、第二金属層と第三金属層とで形成する耐水素脆性の高い合金化層が保護層となるので、第一金属層の水素脆性を抑制する。また、Pdの触媒金属層との間にPdとは拡散し難い第四金属層が形成されることで、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、複数枚の積層体となることで、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さらに抑制される。 A hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to the present invention and a method for manufacturing the hydrogen permeable membrane comprising a first metal layer of a base metal having a high hydrogen permeation performance formed of a second metal layer and a third metal layer are formed into a highly hydrogen-brittle alloy. Since the layer serves as a protective layer, hydrogen embrittlement of the first metal layer is suppressed. Further, by forming a fourth metal layer that is difficult to diffuse with Pd between the Pd catalyst metal layer, mutual diffusion to the catalyst metal layer of the base metal is suppressed, and a plurality of laminates As a result, since the structure is divided in an extremely thin film state, distortion due to volume expansion is reduced, and deterioration of physical properties due to hydrogen embrittlement is further 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.
さらに、拡散接合と圧延による薄膜の製法を取り入れることで水素透過膜としてピンホールの少ないものとなり、追加熱処理を圧延後に行うことで、薄く圧延が可能でありながら完璧な合金化層により耐水素脆性効果がより発揮されることになる。 In addition, by adopting thin film production methods by diffusion bonding and rolling, hydrogen permeable membranes have fewer pinholes, and additional heat treatment is performed after rolling, making it possible to thinly roll, but with a perfect alloying layer, it is resistant to hydrogen embrittlement. The effect will be demonstrated more.
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第一金属層と、水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属層と、水素固溶量が大きい第三金属層とを含む積層体を構成し、前記積層体両面に、PdまたはPd合金の触媒金属層を形成してなるものであり、第一金属層が第二金属層と第三金属層との合金層により保護され、水素脆性が抑制され、薄く圧延されても多層のためピンホールがなく、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。 The invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 1 includes a first metal layer having a high hydrogen permeation performance, a second metal layer having a small hydrogen solid solution amount and difficult to form a metal hydride, and a hydrogen solid solution amount. And a catalyst metal layer of Pd or Pd alloy is formed on both sides of the laminate, and the first metal layer is the second metal layer and the third metal layer. It is protected by an alloy layer with a metal layer, hydrogen embrittlement is suppressed, and even if it is thinly rolled, there are no pinholes due to its multilayer structure, high-permeability hydrogen permeation separation performance 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、請求項1に記載の発明における積層体の最上下層に、Pdと低い固溶限を有する第四金属層を有するものであり、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ることで、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ことができるものである。
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二金属層と第三金属層とが、直に接するように積層させたものであり、水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属層と水素固溶量が大きい第三金属層とが相対向することで、加工時の熱の影響で合金化しやすく水素を固溶し水素脆性効果のある合金化層となって、水素透過性能を低下させること無く、第一金属層の耐水素脆性を高めることになる。
The invention of the hydrogen permeable membrane having a 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と第二金属層との間に、第三金属層を介在させたものであり、第一金属層と第二金属層とは硬い金属間化合物を形成しやすい為、第一金属層と第二金属層とを相対向させると圧延工程にて薄膜化するのが困難となり、また、第三金属層は比較的拡散接合しやすい金属で、低温での拡散接合を可能にするものである。
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2から4のいずれか一項に記載の発明における第三金属層と第四金属層との間に、第二金属層を形成したものであり、第三金属層は比較的拡散しやすく、第四金属層に直接面すると、第四金属層を通り抜けて触媒金属層であるPd表面に第三金属層が析出し、触媒能を低下させることになる。そこで、第二金属層を介在させることで第三金属層の触媒金属面への拡散を防止するものである。
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積層体が、第一金属層を第二金属層と第三金属層との合金形成層で挟んだサンドイッチ体を二層以上有するものであり、第二金属層と第三金属層との合金形成層で第一金属層を挟むサンドイッチ体とすることで、第一金属層の水素脆性を確実に抑制するとともに、サンドイッチ体が二層以上となることで水素脆性の伝播を防止するものである。
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いて、第二金属層の金属元素数に対し第三金属層の金属元素比率が、0.8から1.2の元素比率となるものであり、第二金属層の金属元素数に対し第三金属層の金属元素比率が約1対1となるため、合金層が最も耐水素脆性を強くし、適度な水素透過性能を維持するものとなる。
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ける第二金属層の第一金属層に対する比率が、元素比に換算して1%から30%に相当するものであり、第二金属層の第一金属層に対する比率が、元素比に換算して1%以下のものでは、耐水素脆性の効果が乏しく、30%以上では水素透過性能が極端に低下するものである。
In the invention of the hydrogen permeable membrane having the 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発明は、請求項2から8のいずれか一項に記載の発明における第一金属層に対する第四金属層の比率が、元素比に換算して0.1%から10%に相当する配分で構成されたものであり、第一金属層に対する第四金属層の比率が、元素比に換算して0.1%以下では相互拡散を抑制する効果が少なく、10%以上では水素透過性能を著しく低下させることになる。
In the invention of the hydrogen permeable membrane having the composite multilayer structure according to
請求項10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9のいずれか一項に記載の発明における水素透過性能の高い第一金属層が、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水素透過膜の面積が少ない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。
The invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項11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10のいずれか一項に記載の発明における水素透過性能の高い第一金属層が、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。
In the invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to
請求項12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11のいずれか一項に記載の発明における水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属層として、VIII族の遷移金属元素の中からNiとCoのどちらかを用いたものであり、NiまたはCoは、水素と金属水素化物を作りにくいばかりか、汎用性のある金属で比較的安価であり、また、それ自身が触媒効果を有しPdへ拡散してもPdの触媒効果は大きく低下することは無い。
The invention of the hydrogen permeable membrane of the composite multilayer structure according to
請求項13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12のいずれか一項に記載の発明における水素固溶量が大きい第三金属層として、IVA族の遷移金属元素の中からTi、Zr、Hfのいずれかを用いたものであり、Ti,Zr,Hfは、水素雇用量が中でも大きいばかりか、比較的汎用性があり安価である。 The invention of the hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 13 is a transition metal element of group IVA as the third metal layer having a large hydrogen solid solution amount in the invention according to any one of claims 1 to 12. Among these, Ti, Zr, and Hf are used, and Ti, Zr, and Hf are not only large in hydrogen employment amount but also relatively versatile and inexpensive.
請求項14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13のいずれか一項に記載の発明におけるPdと低い固溶限を有する第四金属層として、VIA族の遷移金属であるCr、Mo、Wのいずれかを用いたものであり、Cr、Mo、Wは、Pdと低い固溶限を有しているのでPdへは拡散し難く、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 claim 14 is characterized in that the fourth metal layer having a low solid solubility limit with Pd in the invention according to any one of claims 1 to 13 is a transition of the VIA group. One of the metals Cr, Mo, and W is used, and Cr, Mo, and W have a low solid solubility limit with Pd, so that they do not easily diffuse into Pd and form metal hydrides. The VA group metal is a difficult metal, and is a metal which is solid-dissolved in its entirety. When dissolved, the VA group metal suppresses the hydrogen embrittlement of the VA group metal and remarkably exhibits a function of suppressing mutual diffusion.
請求項15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板と水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属板と水素固溶量が大きい第三金属板とを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、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層を形成する触媒金属層形成工程とを有するものであり、第一金属層と第二金属層と第三金属層とを拡散接合により積層化させ、さらに圧延させることで、それぞれの金属層の特長を活かしピンホールの無く、耐水素脆性を有し、水素透過性能が高い水素透過膜を構成するものである。 The invention of the method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 15 includes a first metal plate made of a base metal having a high hydrogen permeation performance and a second metal plate having a small amount of hydrogen solid solution and difficult to form a metal hydride. And a third metal plate having a large amount of hydrogen solid solution are laminated to form a laminated product, a diffusion bonding step in which the laminated product is diffusion bonded by heat and pressure to form a diffusion bonded product, and the diffusion bonded product is predetermined A rolling step to form a rolled composite core laminate, and a catalyst metal layer forming step of forming a catalyst metal layer made of Pd or Pd alloy on both sides of the composite core laminate, By laminating one metal layer, second metal layer, and third metal layer by diffusion bonding, and further rolling, there are no pinholes, hydrogen embrittlement resistance, and hydrogen permeation taking advantage of the features of each metal layer. A high-performance hydrogen permeable membrane It is intended to.
請求項16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、請求項15に記載の発明におけるPdまたはPd合金からなる触媒金属層を形成する触媒金属層形成工程に、真空蒸着、スパッタリング法、イオンプレーティング法のいずれかを使用したものであり、水素透過膜のコアとなる薄膜を形成した後でPd膜を形成することは、拡散接合時の熱による影響を受けないので、Pdの触媒性能を低下させることは無く、比較的容易に加工できる。 The invention of the method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 16 comprises the step of forming a catalyst metal layer comprising Pd or a Pd alloy in the invention according to claim 15 by vacuum deposition, Since either the sputtering method or the ion plating method is used and the Pd film is formed after forming the thin film that becomes the core of the hydrogen permeable film, it is not affected by the heat during diffusion bonding. The catalyst performance of Pd is not deteriorated and can be processed relatively easily.
請求項17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板と水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属板と水素固溶量が大きい第三金属板とさらに必要に応じて最上下層にPdと低い固溶限を有する第四金属板とを積層し積層品とする積層工程と、前記積層品の上下面にPdまたはPd合金からなる触媒金属板を積層形成する触媒金属付積層品形成工程と、前記触媒金属付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を有するものであり、Pdの触媒金属層を拡散接合工程にて、他の金属層と同時に積層することで、工程を簡易にし、安価な水素透過膜を形成する。 The invention of the method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 17 includes a first metal plate made of a base metal having high hydrogen permeation performance and a second metal plate having a small amount of hydrogen solid solution and difficult to form a metal hydride. And a third metal plate having a large hydrogen solid solution amount and, if necessary, a Pd and a fourth metal plate having a low solid solubility limit on the lowermost layer to form a laminate, A laminated product forming step with a catalyst metal, in which a catalytic metal plate made of Pd or Pd alloy is laminated on the lower surface, a diffusion bonding step in which the laminated product with catalyst metal is diffusion bonded by heat and pressure to form a diffusion bonded product, and the diffusion Rolling the joined product to a predetermined thickness to form a rolled composite core laminate, and by laminating the Pd catalyst metal layer simultaneously with other metal layers in the diffusion joining step, Simplify the process and form an inexpensive hydrogen permeable membrane That.
請求項18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、請求項15から17のいずれか一項記載の発明において、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の後で第二金属層と第三金属層との合金化のための追加熱処理を行うものであり、拡散接合時に高温で長時間の熱処理を行うと、第二金属層と第三金属層との合金化が必要以上に進み、後工程での圧延時に伸びが悪く加工が困難となる。よって、後工程で合金化とする熱処理を行うことで、拡散接合時には必要最低限の熱を加えることにより接合させ、圧延による薄膜化の工程を容易にするものである。 The invention of the method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 18 is the invention according to any one of claims 15 to 17, wherein the diffusion bonded product is rolled to a predetermined thickness and rolled composite core lamination After the rolling step to form a body, an additional heat treatment for alloying the second metal layer and the third metal layer is performed. Alloying with the third metal layer proceeds more than necessary, and the elongation is poor during rolling in the subsequent process, making it difficult to process. Therefore, by performing heat treatment for alloying in a subsequent process, the minimum necessary heat is applied at the time of diffusion bonding to facilitate the thinning process by rolling.
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。
(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は同実施の形態の複合多層構造の水素透過膜21の拡大断面図である。図3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の製造に用いる金属板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4は同実施の形態における拡散接合装置23のプレス部材73を示す拡大断面図である。図5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の製造に用いる圧延機20の圧延加工状態における断面図である。図6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の製造工程を示す工程図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.
(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が挿入されており、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が形成されてある。
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を介在させている。
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Ni(ニッケル)である第二金属層49と、水素固溶量が大きいTi(チタン)である第三金属層50とが積層してなり、最上下層がMo(モリブデン)である第四金属層51となる複合コア積層体52を有し、複合コア積層体52の上下両面にはPdまたはPd合金とからなる触媒金属層53が形成してなる複合多層構造を有するものである。
In FIG. 2, a hydrogen
ここで、第二金属層49のNiと第三金属層50のTiとは直に接するように積層しており、また、第一金属層48のTaと第二金属層49のNiとの間に、第三金属層50のTiを介在させ、第三金属層50のTiと第四金属層51のMoとの間に第二金属層49のNiを形成してなる積層体52である。
Here, Ni of the
また、第一金属層48のTaを第二金属層49のNiと第三金属層50のTiとの合金形成層で挟むサンドイッチ体54とし、そのサンドイッチ体54を二層有する複合コア積層体52を、複合多層構造の水素透過膜21に用いた。
A
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のNi金属元素数に対し第三金属層50のTi金属元素比率を同じ元素比率とし、NiとTiとがほぼ一対一の合金となるように配分した。
The hydrogen
また、第二金属層49のNiは、第一金属層48に対する比率が元素比に換算して10%に相当し、第一金属層48に対する第四金属層51の比率は、元素比に換算して1%に相当する配分で構成されている。
Ni in the
よって、今回の実施の形態1で示す水素透過膜21の各金属層の元板厚と枚数は、第一金属層48のTaは500μm厚を2枚、第二金属層49のNiは10μm厚を3枚、第三金属層50のTiは10μm厚を4枚、第四金属層51のMoは10μm厚を2枚、を複合コア積層体52として順次積層したものを用いた。さらに、上下面には50μmの金属触媒層53のPdを積層させたものである。
Therefore, the original plate thickness and the number of each metal layer of the hydrogen
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3から図7を参考にして説明する。
Next, a method for manufacturing the hydrogen
図3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. 3, the
真空チャンバー61は、ステンレス製の上チャンバー64、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4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を定置に固定する2本の支持ボルト78a,78bで構成されている。
In FIG. 4, a
上下の加圧用平板治具77a,77bの間には、第一金属板79と第二金属板80と第三金属板81と第四金属板82と金属触媒板83とを、上から、金属触媒板83、第四金属板82、第二金属板80、第三金属板81、第一金属板79、第三金属板81、第二金属板80、第三金属板81、第一金属板79、第三金属板81、第二金属板80、第四金属板82、金属触媒板83の順に、上下に重ねた積層品84がセットされている。
Between the upper and lower pressurizing flat plate jigs 77a and 77b, a
さらに、積層品84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84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85a,85bを介在させた状態で構成されている。
Further, there is no generation of gas due to heat between both surfaces of the laminate 84 and the pressurizing flat jigs 77a and 77b, and the elastic deformation is caused by pressurization, and the surface of the laminate 84 and the pressurizing flat jigs 77a and 77b. The
この剥離性シート85a,85b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。
Examples of the material of the
図5において、圧延機20は、機械部86のモータ87の動力源により所定のスピードで回転する上ロール88、下ロール89と、上下ロール88,89の間隔を調整する調整ハンドル90とからなるもので、徐々に調整ハンドル90で上下ロール88,89の間隔を被圧延物91の厚みより小さく設定しながら、被圧延物91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. 5, the rolling
次に、本実施の形態の積層品84を拡散接合で貼り付け水素透過膜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6の工程図を参照にして説明する。
Next, the manufacturing method until the
本実施の形態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500μmのTaの第一金属板79と、水素固溶度が小さく金属水素化物を作りにくい厚さ10μmのNiの第二金属板80と、水素固溶度が大きい第三金属板81である10μmのTi板と、第四金属板82の10μmのMo板と金属触媒板となる50μmのPd板とを用意し、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
次に、第二金属板80と第三金属板81とを積層しプレ積層体とし、そのプレ積層体の第三金属板81面側と接するように第一金属板79の両側からセットしてサンドイッチ板を構成する。次にサンドイッチ板を第三金属板81の10μmのTi板を挟んで貼り合せ、複層サンドイッチ板とする。さらにその複層サンドイッチ板の上面と下面より第四金属板82の10μmのMo板を介在させて積層体を構成し、さらに金属触媒層53となる50μmのPd板を上下より積層し積層品84とし、下加圧用平板治具77bに剥離性シート85b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84をセットする。
Next, the
さらに、その上から、同じ剥離性シート85aと上加圧用平板治具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, 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は終了となり一次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., whereby the diffusion bonding process is completed and 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85a,85bは変形しながらも積層品84である第一金属板79と第二金属板80と第三金属板81と第四金属板82と触媒金属板83を均一に密着させ、各金属板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1190μmの拡散接合品を50μmにまでロール圧延する圧延工程に入る。
Next, after cooling to 50 ° C., a rolling process is performed in which a 1190 μm diffusion bonded product prepared by diffusion bonding with the two-
圧延工程としては、被圧延品である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88,89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 a rolling process, it sets so that it may become a compression ratio of 2 to 3% from the thickness of the diffusion joining goods which are to-be-rolled goods, and it rolls by repeatedly passing the clearance gap between the upper and
なお、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を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 destroying a very thin oxide film generated at each metal layer interface and preventing a decrease in hydrogen permeation performance.
次に、適度な大きさに切断して、追加熱処理工程に入る。追加熱処理はNiとTiとの合金化を完遂させるために行われるものであり、単層でNi層が残ると水素透過量が極端に悪くする恐れがある。そこで圧延工程後に、再度熱処理を必要とする。追加熱処理は薄膜化された状態でありさほど高い温度と長い時間は必要でなく最適な条件として600℃で1時間が適当である。 Next, it cut | disconnects to a moderate magnitude | size and enters into an additional heat treatment process. The additional heat treatment is performed to complete the alloying of Ni and Ti. If the Ni layer remains as a single layer, the hydrogen permeation amount may be extremely deteriorated. Therefore, heat treatment is required again after the rolling process. The additional heat treatment is in a thin film state and does not require such a high temperature and a long time. As an optimum condition, one hour at 600 ° C. is appropriate.
以上により、複合コア積層体52を芯材とする複合多層構造の水素透過膜21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。
As described above, a hydrogen
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500〜800℃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53を通過した後、Moの最上層の第四金属層51とNiとTiとTaとが緻密に積層した複合コア積層体52とを流れ、再びMo最下層の第四金属層51を透過し、再び分離室26側の触媒金属層53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 solid-solved hydrogen atoms flow toward the
このとき、複合多層構造の水素透過膜21のベース部は水素透過性能の高いTaであり水素原子の拡散は非常に速やかに行われ、水素脆性しやすい金属であっても両側から比較的水素脆性に強いTiとNi層でできた合金層が保護するので水素脆性は抑制され、通常水素を通し難いNiは水素固溶量の多いTiとの合金化により水素透過量が改善されている。
At this time, the base of the hydrogen
さらに、分離室26側の触媒金属層53は100%濃度のPd触媒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。
Furthermore, since the
また、従来例の様に表面が触媒層のPd金属で中心部がTa等のベース金属単層だけであれば、500℃〜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 catalyst 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 caused by heating for a long time at 500 ° C. to 800 ° C. Gradually, Ta is deposited on the surface of the Pd layer, and an oxide film of Ta is formed on the surface layer, so that the hydrogen permeable film is 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、TiとNiとの合金化層がベース金属のTa層の水素脆性を保護する為長期において水素脆性が抑制される。 However, in this embodiment, the alloying layer of Ti and Ni protects the hydrogen embrittlement of the Ta layer of the base metal, so that the hydrogen embrittlement is suppressed for a long time.
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, has an effect of suppressing interdiffusion between Ta and Pd, and not only suppresses the precipitation of Ta element on the surface of the Pd coating layer, but also in the Ta layer. The diffusion of Mo 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透過膜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(化1)の水素ガス化の反応は円滑に行われ、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るが、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 flow gas increases as it goes downstream, reaches an equilibrium state, and no longer reacts. However, in the
この説明から分かるように、触媒金属層53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おり、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 seen 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26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53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、ベース金属の第一金属層48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。
Further, in the present embodiment, Ta is adopted as the
また、本実施の形態では、剥離性シート85a,85b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)を使用すると、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、第一金属板79や第二金属板80や触媒金属板83、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。
In the present embodiment, as the material of the
また、第二金属層49の水素固溶量が小さく金属水素化物を作りにくい第二金属としてNiを用いたが、汎用性のあるその他の金属としてCoを使用しても良い。
In addition, although Ni is used as the second metal in which the
また、水素固溶量が大きい第三金属層50としてTiを採用したが、同様な効果をもつ金属としてはIVA族の遷移金属元素の中からZr、Hfを用いた物でも良い。
Further, although Ti is adopted as the
また、Pdと低い固溶限を有する第四金属層51として、Moを用いたが、VIA族の遷移金属であるCr、Wを用いた場合でも同様の効果を示す。
Further, Mo is used as the
また、第二金属層49のNi金属元素数に対し第三金属層50のTi金属元素比率を同等としたが、0.8から1.2の元素比率となるものでも水素脆性を防止する保護層として、また、適度な水素透過量を維持するので、1対1の元素比率に限定するものではない。
Further, although the Ti metal element ratio of the
また、第二金属層49のNiの第一金属層48のTa元素に対する比率は4.5%としたが、1%から30%に相当する積層体であれば、水素脆性効果と水素透過性能とを維持するので、4.5%に限定するものではない。
Further, the ratio of Ni in the
第一金属層48のTaに対する第四金属層51のMo比率は、元素比に換算して2.3%としたが、0.1%から10%に相当する配分でも相互拡散の抑制効果と適度な水素透過性能とを維持するものである。
The Mo ratio of the
また、本実施の形態では、触媒金属層53の形成方法をPd金属板を使用し、複合コア積層体52の上下に拡散接合で同時に形成する方法を紹介したが、複合コア積層体のみを形成した後で、触媒金属層形成工程として、真空蒸着、スパッタリング法、イオンプレーティング法のいずれかを用いても良い。
In the present embodiment, the method of forming the
また、追加熱処理工程を切断工程の後で行うようにしたが、追加熱処理を行ってから所定の寸法に切断しても一向に差し支えない。 In addition, the additional heat treatment step is performed after the cutting step, but the additional heat treatment may be performed in a single direction even after cutting to a predetermined size.
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21とその製造方法は、ベース金属の第一金属層48は水素脆性に強い第二金属層49で強化され、第二金属層49は第三金属層50で水素固溶量を大きくすることにより水素透過性能を維持する水素透過膜21を得る。
As described above, in the composite multilayer structure hydrogen
また、Pdの触媒金属層53と第一金属層48との間にはPdとは拡散し難い第四金属層51が形成されており、第一金属層48と触媒金属層53との相互拡散が抑制され表面層の触媒機能を維持し、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。
Further, a
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 複合多層構造の水素透過膜
48 第一金属層
49 第二金属層
50 第三金属層
51 第四金属層
52 複合コア積層体
53 触媒金属層
54 サンドイッチ体
79 第一金属板
80 第二金属板
81 第三金属板
82 第四金属板
83 触媒金属板
84 積層品
DESCRIPTION OF
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JP2006076334A JP2007245123A (en) | 2006-03-20 | 2006-03-20 | Composite multilayer structure hydrogen permeable membrane and method for producing the same |
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JP2017189765A (en) * | 2016-04-06 | 2017-10-19 | 株式会社堀場エステック | Hydrogen purification device and hydrogen purification system using hydrogen purification device |
CN113560708A (en) * | 2021-07-29 | 2021-10-29 | 西安天力金属复合材料股份有限公司 | Method for connecting palladium-based alloy film and porous stainless steel carrier |
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