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JP2007245123A - Composite multilayer structure hydrogen permeable membrane and method for producing the same - Google Patents

Composite multilayer structure hydrogen permeable membrane and method for producing the same Download PDF

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JP2007245123A
JP2007245123A JP2006076334A JP2006076334A JP2007245123A JP 2007245123 A JP2007245123 A JP 2007245123A JP 2006076334 A JP2006076334 A JP 2006076334A JP 2006076334 A JP2006076334 A JP 2006076334A JP 2007245123 A JP2007245123 A JP 2007245123A
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JP
Japan
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metal layer
hydrogen
metal
permeable membrane
multilayer structure
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Application number
JP2006076334A
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Japanese (ja)
Inventor
Masatoshi Inatani
正敏 稲谷
Masaaki Tanaka
正昭 田中
Hitoshi Ozaki
仁 尾崎
潮美 ▲菊▼池
Shiomi Kikuchi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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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 porous substrate 2 made of a cylindrical ceramic and a surface 2a of the porous substrate that is a surface to be treated outside thereof. And a hydrogen separation membrane 4 formed by electroless plating, and the diameter of the small holes 5 of the porous substrate 2 is not more than the thickness of the hydrogen separation membrane 4 and not less than 1 μm.

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 hydrogen separation membrane 4 forms the outer surface will be described.

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 hydrogen separation membrane 4 on the surface of the porous substrate 2 become atomic. It dissociates, forms a solid solution with Pd, and is taken into the Pd membrane, that is, into the hydrogen separation membrane 4.

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 hydrogen separation membrane 4 having a high pressure to the lower side due to the difference in hydrogen partial pressure inside and outside the hydrogen separation membrane 4, and become hydrogen molecules again on the inner surface thereof. After that, it flows in the small holes 5 of the cylindrical porous substrate 2 from the surface 2a of the porous body. Since many impurities contained in the reformed hydrogen gas do not react with Pd, they remain outside the hydrogen separator 1, thereby purifying the hydrogen.

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 Patent Document 2. As shown in FIG. 8, the hydrogen permeable film 6 is composed of a metal film 7 having a high hydrogen permeable performance and a Pd film or a Pd alloy film 8 disposed on both sides thereof.

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 permeable membrane 6 having the sandwich structure is produced in the following forms (1) and (2).

(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 metal film 7 having high hydrogen permeation performance and the Pd film or the Pd alloy film 8 are dry-etched in vacuum to remove impurities and oxide layers on the surface. Etching can be performed by ion bombardment with inert gas ions. Thereafter, a Pd film or a Pd film is disposed on both surfaces of a metal film having a high hydrogen permeation performance while maintaining a vacuum, and is rolled in a vacuum.

(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 Pd alloy film 8 is disposed on both surfaces of the metal film 7 having high hydrogen permeation performance and heated in vacuum to remove impurities and oxide layers. A technique such as hot pressing can be applied to heating in vacuum. Then roll.

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 permeable membrane 6 is wound around the outer layer 10 of the body 9, and the joining portion 11 is welded with nickel brazing or copper brazing 12 to make a cylindrical tube.

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 permeable membrane 6 having the sandwich structure formed in this way, the metal 7 having a high hydrogen diffusion coefficient and high hydrogen permeation performance is used for the core material. Therefore, the hydrogen permeable membrane 6 having a sandwich structure has a higher hydrogen content than that using a single Pd alloy tube. A product with high transmission performance is obtained. 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.

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 Patent Document 2, interdiffusion between V and Pd proceeds under practical temperature conditions, and V is the surface. The catalyst layer moves to Pd, and further precipitates on the outer surface of Pd, and easily oxidizes V to form an oxide film, which loses the catalytic ability to atomize and dissociate hydrogen molecules, resulting in hydrogen permeation performance. There was a problem of being lowered.

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, Patent Document 3 discloses a composite phase of a phase responsible for hydrogen permeation performance and a phase responsible for hydrogen embrittlement resistance, and NbTi phase (hydrogen permeable phase) in which Ni is dissolved, and Nb. A hydrogen permeable membrane of a multiphase alloy with a solid solution NbTi phase (hydrogen embrittlement resistant phase) is disclosed.

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。
特開2000−317282号公報 特開平11−276866号公報 特開2005−232491号公報 特開平7−185277号公報 特開2003−112020号公報
Patent Document 4 discloses a hydrogen permeable film in which a SiO 2 intermediate layer is interposed between a V base layer and a Pd coating layer. Further, Patent Document 5 discloses a metal base layer containing a VA group element, A metal intermediate layer formed on at least one of the two surfaces of the metal base layer and containing an element selected from Ni (nickel) and Co (cobalt), and of the two surfaces of the metal intermediate layer A hydrogen permeable membrane is disclosed that is formed on a surface on which a metal base layer is not formed and includes a metal coating layer containing Pd (palladium).
JP 2000-317282 A JP-A-11-276866 JP 2005-232491 A JP-A-7-185277 JP 2003-112020 A

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 Patent Document 3 above, it is a composite phase of a phase responsible for hydrogen permeation performance and a phase responsible for hydrogen embrittlement resistance, and an NbTi phase (hydrogen permeable phase) in which Nb is dissolved and Ni is solidified. In a hydrogen permeable membrane of a dual phase alloy with a melted NiTi phase (hydrogen embrittlement resistant phase), the ductility of the alloy is poor, and it is extremely difficult to roll thinly after forming the alloy by arc melting. There is a problem that the thickness of 2 mm or more is the limit, the material cannot be rolled up thinly to increase the hydrogen permeation amount, and the material price becomes high.

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 Patent Document 4, diffusion between V and Pd can be reduced. The ceramic intermediate layer such as SiO 2 has a problem that the hydrogen permeation performance is very poor.

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。   Patent Document 5 is formed on at least one of two surfaces of a metal base layer containing a VA group element and the metal base layer, and is selected from Ni (nickel) and Co (cobalt). A metal intermediate layer containing an element and a metal coating layer containing Pd (palladium), which is formed on a surface of the two metal intermediate layers on which the metal base layer is not formed, selectively transmits hydrogen. Although it is a hydrogen permeable membrane, it has better adhesion and better hydrogen permeation performance than the previous ceramic intermediate layer, and the interdiffusion is reduced and deterioration of hydrogen permeation performance can be suppressed.

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 claim 2 has a fourth metal layer having a lower solid solubility limit with Pd in the uppermost layer of the laminate according to claim 1. By forming a second metal layer that is hard to diffuse with the Pd catalyst metal layer as the uppermost lower layer, mutual diffusion between the first metal layer and the catalyst metal layer is suppressed, and the catalytic function of the surface layer is stabilized. The base metal layer is prevented from being deposited on the surface of the catalyst metal layer, and long-term reliability can be ensured.

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 claim 3 is formed by laminating the second metal layer and the third metal layer in the invention according to claim 1 or 2 so as to be in direct contact with each other. The second metal layer, which has a small amount of hydrogen solid solution and is difficult to form a metal hydride, and the third metal layer, which has a large amount of hydrogen solid solution, are opposed to each other. Then, it becomes an alloyed layer having a hydrogen embrittlement effect, and the hydrogen embrittlement resistance of the first metal layer is increased without deteriorating the hydrogen permeation performance.

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 claim 4 is the third metal layer between the first metal layer and the second metal layer in the invention according to any one of claims 1 to 3. Since the first metal layer and the second metal layer are easy to form a hard intermetallic compound, if the first metal layer and the second metal layer are opposed to each other, the film is thinned in the rolling process. In addition, the third metal layer is a metal that is relatively easy to be diffusion bonded, and enables diffusion bonding at a low temperature.

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 claim 5 is the second metal layer between the third metal layer and the fourth metal layer according to any one of claims 2 to 4. The third metal layer is relatively easy to diffuse, and directly facing the fourth metal layer, the third metal layer is deposited on the Pd surface which is the catalytic metal layer through the fourth metal layer, The catalytic ability will be reduced. Therefore, by interposing the second metal layer, diffusion of the third metal layer to the catalytic metal surface is prevented.

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 claim 6 is the laminate according to any one of claims 1 to 5, wherein the first metal layer is a second metal layer and a third metal layer. And sandwiching the first metal layer with the alloy forming layer of the second metal layer and the third metal layer to form the first metal In addition to reliably suppressing the hydrogen embrittlement of the layer, the sandwich body has two or more layers to prevent the propagation of hydrogen embrittlement.

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 claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal element of the third metal layer is compared with the number of metal elements of the second metal layer. The ratio is an element ratio of 0.8 to 1.2, and the metal element ratio of the third metal layer is about 1: 1 with respect to the number of metal elements of the second metal layer. Strengthens hydrogen embrittlement resistance and maintains appropriate hydrogen permeation performance.

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 claim 8, the ratio of the second metal layer to the first metal layer in the invention according to any one of claims 1 to 7 is converted into an element ratio. When the ratio of the second metal layer to the first metal layer is 1% or less in terms of element ratio, the effect of hydrogen embrittlement resistance is poor, and 30% or more. Then, the hydrogen permeation performance is extremely lowered.

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 claim 9, the ratio of the fourth metal layer to the first metal layer in the invention according to any one of claims 2 to 8 is converted into an element ratio. The ratio of the fourth metal layer to the first metal layer is 0.1% or less in terms of the element ratio, and the interdiffusion is suppressed. The effect is small, and if it is 10% or more, the hydrogen permeation performance is remarkably lowered.

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 claim 10 is characterized in that the first metal layer having high hydrogen permeability in the invention according to any one of claims 1 to 9 has a body-centered cubic structure. A VA group metal of transition metal having a melting point or an alloy thereof, and a VA group metal having a body-centered cubic structure is a metal having a high hydrogen diffusion coefficient and a relatively high hydrogen permeation performance. The performance as a membrane can be ensured, the area of the hydrogen permeable membrane required for the hydrogen generator can be reduced, and the size of the device itself can be made compact.

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 claim 11, the first metal layer having a high hydrogen permeability in the invention according to any one of claims 1 to 10, wherein the first metal layer having a body-centered cubic structure is high. It is one of Ta, Nb, V, Ta alloy, Nb alloy, and V alloy, which are transition metals of melting point. Ta, Nb, and V not only have a high hydrogen diffusion coefficient but also a large hydrogen solid solubility. It is a metal that is particularly excellent in hydrogen permeation performance, can improve the performance as a hydrogen permeable membrane with a composite multilayer structure, and can be applied in a smaller area when applied to a hydrogen generator, and the size of the device itself Can be made more compact.

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 claim 12 is a second metal layer having a small hydrogen solid solution amount and difficult to form a metal hydride in the invention according to any one of claims 1 to 11, Among the transition metal elements of Group VIII, either Ni or Co is used, and Ni or Co is not only difficult to form hydrogen and metal hydrides, but is a versatile metal and relatively inexpensive, Further, even if it itself has a catalytic effect and diffuses into Pd, the catalytic effect of Pd is not greatly reduced.

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 / separation apparatus 22 incorporating a hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure according to the first embodiment. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure according to the embodiment. FIG. 3 is a schematic cross-sectional configuration diagram of a diffusion bonding apparatus 23 that diffusion bonds a metal plate used for manufacturing the hydrogen permeable membrane 21 having the composite multilayer structure according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4 is an enlarged sectional view showing a press member 73 of the diffusion bonding apparatus 23 in the same embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view of the rolling mill 20 used for manufacturing the hydrogen permeable membrane 21 having the composite multilayer structure according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a process diagram showing a manufacturing process of the hydrogen permeable membrane 21 having the composite multilayer structure according to the first embodiment of the present invention.

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 / separation apparatus 22 includes a reaction chamber 25 that generates a hydrogen mixed gas by reacting a hydrocarbon gas and water vapor at a high temperature of 300 ° C. or more and 1550 ° C. or less, and a mixture generated in the reaction chamber 25. It consists of a hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure that transmits only hydrogen gas in the gas, and a separation chamber 26 that passes through the hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure and is separated as a high-purity hydrogen gas. The reaction chamber 25 and the separation chamber 26 are configured to be divided into two independent chambers by a hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure.

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 reaction chamber 25 is a rectangular reaction vessel 28 made of a stainless steel plate having a connection opening 27 at the top, and a flange 29 is formed on the entire periphery of the connection opening 27 so as to project outward.

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 wall surface 30 of the reaction chamber 25 has a supply port 31 that communicates with the outside of the hydrogen generator / separator 22 and supplies fuel, and an exhaust port 32 that discharges the residual gas after the reforming process. The supply port 31 and the discharge port 32 are arranged as far as possible from each other, and a reforming catalyst 33 made of continuous nickel foam is inserted in the space between the supply port 31 and the discharge port 32 of the reaction chamber 25. A heating means 34 for heating the reaction chamber 25 is disposed below the reaction chamber 25.

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 separation chamber 26 includes a stainless steel separation container 36 having a connection opening 35 below, and a flange 37 projecting outward is formed around the connection opening 35 so as to correspond to the flange 29 of the reaction chamber 25. It is formed.

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 outer shell 38 of the separation chamber 26 has an inlet 39 for introducing a sweep gas such as water vapor that communicates with the outside of the hydrogen generator / separator 22 and a discharge port 40 for discharging the generated hydrogen. Yes.

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 permeable membrane 21 having a composite multilayer structure is located at the joint of the flange 37 of the separation chamber 26 and the flange 29 of the reaction chamber 25, and through a gasket 41 and a gasket 42 installed on the flange 29 and the flange 37, A plurality of bolts 43 and nuts 44 outside the flange 29 and the flange 37 are fastened and fixed.

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 permeable membrane 21 having a composite multilayer structure that is attached so as to cover the connection opening 27 and the connection opening 35, the hydrogen permeable membrane 21, the flange 29, and the flange having the composite multilayer structure. A spacer 46 made of a stainless porous material is interposed so as to be supported by the protrusions 45 of 37.

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 reaction chamber 25 can be adjusted by installing a pressure adjusting valve 47 downstream of the discharge port 32 so that the pressure in the reaction chamber 25 is higher than that in the separation chamber 26.

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 gasket 41 and the gasket 42 may be made of mild steel or copper metal, but considering the influence of damage to the hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure, it is preferable to use more flexible graphite. As the gasket material used this time, highly purified graphite (Nippon Carbon Co., Ltd., Nika Film, FL-300SH) was used.

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 spacer 46, a mesh-like filter material made of SUS316 material was used.

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 permeable membrane 21 having a composite multilayer structure includes a first metal layer 48 made of Ta (tantalum) as a base metal having high hydrogen permeable performance, and a second metal made of Ni (nickel) that hardly forms metal hydrides. The layer 49 and the third metal layer 50 made of Ti (titanium) having a large hydrogen solid solution are laminated, and the composite core laminated body 52 becomes the fourth metal layer 51 whose uppermost lower layer is Mo (molybdenum). The composite core laminate 52 has a composite multilayer structure in which a catalytic metal layer 53 made of Pd or Pd alloy is formed on both upper and lower surfaces.

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 second metal layer 49 and Ti of the third metal layer 50 are laminated so as to be in direct contact with each other, and between the Ta of the first metal layer 48 and the Ni of the second metal layer 49. Further, there is a laminated body 52 in which Ti of the third metal layer 50 is interposed and Ni of the second metal layer 49 is formed between Ti of the third metal layer 50 and Mo of the fourth metal layer 51.

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 composite core laminate 52 having two sandwich bodies 54 in which Ta of the first metal layer 48 is sandwiched between alloy formation layers of Ni of the second metal layer 49 and Ti of the third metal layer 50. Was used for the hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure.

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 permeable membrane 21 of this composite multilayer structure has a total thickness of 50 μm, the Ti metal element ratio of the third metal layer 50 is the same as the Ni metal element number of the second metal layer 49, and Ni and Ti are Allocation was made so that the alloy was almost one-to-one.

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 second metal layer 49 corresponds to 10% in terms of the element ratio in terms of the first metal layer 48, and the ratio of the fourth metal layer 51 to the first metal layer 48 in terms of element ratio. The distribution is equivalent to 1%.

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 permeable membrane 21 shown in the first embodiment are as follows: Ta of the first metal layer 48 is two 500 μm thick, and Ni of the second metal layer 49 is 10 μm thick. 3 layers, 4 Ti layers of the third metal layer 50 and 4 pieces of 10 μm thickness, and Mo layers of the fourth metal layer 51 were sequentially laminated as the composite core laminate 52. Further, Pd of a 50 μm metal catalyst layer 53 is laminated on the upper and lower surfaces.

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 permeable membrane 21 having the composite multilayer structure according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

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 diffusion bonding apparatus 23 includes a vacuum chamber 61, a high temperature diffusion furnace 62, and a hydraulic press 63.

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 vacuum chamber 61 includes a stainless upper chamber 64 and a lower chamber 65, and a vacuum pump 66 using an oil rotary pump and an oil diffusion pump as a vacuum exhaust system. The chamber 64 and the lower chamber 65 can be opened and closed up and down.

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-temperature diffusion furnace 62 is surrounded by a ceramic heat insulating wall 69 having a structure (not shown) that can be opened on the front surface, and a heater 70 made of Kanthal having high heat resistance is embedded therein. 71 can control the temperature in the high-temperature diffusion furnace 62.

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 lower stage 72 in the high-temperature diffusion furnace 62, and by installing a press member 73 on the lower stage 72, the upper stage 74 can be lowered by the hydraulic press 63 and pressure can be applied to the press member 73.

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 drive shaft 75 of the upper stage 74 passes through the heat insulating wall 69 and the upper chamber 64 and is connected to the hydraulic press 63. The intersection 76 between the drive shaft 75 and the upper chamber 64 is a drivable airtight mechanism using a bellows or the like. Thus, the inside of the vacuum chamber 61 and the outside are completely sealed.

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 press member 73 is composed of two support bolts 78a and 78b for fixing an upper pressurizing flat plate jig 77a and a lower pressurizing flat plate jig 77b fixed to each other by cutting a SUS316L stainless steel plate into a certain size. It is configured.

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 first metal plate 79, a second metal plate 80, a third metal plate 81, a fourth metal plate 82, and a metal catalyst plate 83 are arranged from above with a metal. Catalyst plate 83, fourth metal plate 82, second metal plate 80, third metal plate 81, first metal plate 79, third metal plate 81, second metal plate 80, third metal plate 81, first metal plate 79, a third metal plate 81, a second metal plate 80, a fourth metal plate 82, and a metal catalyst plate 83 are stacked in the order of stacked products 84.

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 release sheet 85a, 85b having good releasability after the diffusion bonding process is interposed.

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 peelable sheets 85a and 85b include silica fiber nonwoven fabric (Advantech Toyo Co., Ltd., silica fiber filter paper, QR-100) that has been highly purified at 1000 ° C. or higher, and graphite that has been highly purified at about 2000 ° C. (Nippon Carbon Co., Ltd., Nika Film, FL-300SH) and carbon fiber felt (Nihon Carbon Co., Carboron, GF-20-2F) that has been highly purified at about 2000 ° C. can be used.

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 mill 20 includes an upper roll 88 and a lower roll 89 that are rotated at a predetermined speed by a power source of a motor 87 of a mechanical unit 86, and an adjustment handle 90 that adjusts the interval between the upper and lower rolls 88 and 89. Therefore, the workpiece 91 is repeatedly rolled to reduce the thickness to a predetermined thickness while the interval between the upper and lower rolls 88 and 89 is gradually set smaller than the thickness of the workpiece 91 with the adjusting handle 90.

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 laminated article 84 of the present embodiment is bonded by diffusion bonding to form the hydrogen permeable membrane 21 and the operation during the diffusion bonding process will be described with reference to the process diagram of FIG.

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 permeable membrane 21 having the composite multilayer structure of the present embodiment, first, a first metal plate 79 of Ta having a thickness of 500 μm, which is a base metal having high hydrogen permeability, and a metal having a low hydrogen solid solubility. A 10 μm thick Ni second metal plate 80 that is difficult to form hydride, a 10 μm Ti plate that is a third metal plate 81 having a high hydrogen solubility, a 10 μm Mo plate that is a fourth metal plate 82, and a metal catalyst A 50 μm Pd plate serving as a plate is prepared, and cleaning, degreasing, etching, and the like are performed in a pretreatment process.

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 second metal plate 80 and the third metal plate 81 are laminated to form a pre-laminated body, and set from both sides of the first metal plate 79 so as to be in contact with the surface of the third metal plate 81 of the pre-laminated body. Construct a sandwich plate. Next, the sandwich plate is bonded with the 10 μm Ti plate of the third metal plate 81 interposed therebetween to form a multilayer sandwich plate. Further, a laminated body is formed by interposing a 10 μm Mo plate of the fourth metal plate 82 from the upper surface and the lower surface of the multilayer sandwich plate, and a 50 μm Pd plate serving as the metal catalyst layer 53 is laminated from above and below to obtain a laminated product 84. Then, a felt of carbon fiber subjected to high-purity treatment as a peelable sheet 85b is placed on a flat plate jig 77b for lower pressure, and a laminate 84 is set thereon.

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 same peelable sheet 85 a and the upper pressurizing flat plate jig 77 a are sequentially placed thereon, and lightly tightened with the support bolts 78 a and 78 b to prepare as the press member 73.

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 vacuum chamber 61 of the diffusion bonding apparatus 23 is removed from the pin 68 of the connecting portion 67, the upper chamber 64 is moved upward, and the vacuum chamber 61 is opened. Next, the heat insulating wall 69 of the high temperature diffusion furnace 62 is opened, the prepared press member 73 is set on the lower stage 72 of the hydraulic press 63 in the middle, the heat insulating wall 69 is closed, and the vacuum chamber 61 is fixed. The vacuum chamber 61 is sealed by returning the position and fixing the connecting portion 67 with the pin 68.

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 vacuum pump 66 is operated, the degree of vacuum in the vacuum chamber 61 is lowered to 10 −5 Pa or less, the heater power is turned on, and the controller 71 raises the temperature to 900 ° C. After confirming the rise, the hydraulic press 63 is driven, the upper stage 74 is lowered, and the press member 73 is pressurized so that a pressure of about 0.1 MPa is applied, and left at 900 ° C. for 2 hours.

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 press member 73 is pressurized, the peelable sheets 85a and 85b made of highly purified carbon fiber felt that is elastically deformed by the pressure are deformed, but the first metal plate 79 and the second metal plate 79 are deformed. The two metal plate 80, the third metal plate 81, the fourth metal plate 82, and the catalyst metal plate 83 are uniformly adhered, and the diffusion interface is smoothly performed by the adhesion interface of the surfaces of the respective metal plates being adhered all over. It becomes.

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-stage rolling mill 20 is roll-rolled to 50 μm.

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 lower rolls 88 and 89. At this time, if the rolling direction is kept constant, peeling or deformation will occur unless the device is made to reduce the strain of the laminated product.

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 permeable membrane 21 having a composite multilayer structure using the composite core laminate 52 as a core material is obtained, and the membrane is attached to a predetermined position of the hydrogen generation / separation device 22.

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 / separation apparatus 22 to which the hydrogen permeable membrane 21 having the composite multilayer structure configured as described above is attached will be described below.

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 reaction chamber 25 is heated to 500 to 800 ° C. by the operation of the heating means 34, and hydrocarbon methane and water vapor are supplied to the reaction chamber 25 of the hydrogen generator / separator 22 from the supply port 31, the reforming catalyst 33 of the communicating Ni foam is formed. As shown in (Chemical Formula 1), methane is oxidized by water vapor, and the water vapor is reduced, and in addition to the generation of hydrogen and carbon dioxide, the hydrogen permeable membrane 21 is brought into contact with the Pd catalyst metal layer 52. The reaction is promoted by the catalytic action to generate hydrogen.

Figure 2007245123
生成された水素は、水素透過膜21の触媒金属層53のPd触媒により、水素分子が水素原子に解離され、複合多層構造の水素透過膜21内に固溶される。触媒金属層53の表面層は100%のPd濃度層であり触媒能力は非常に高く維持されている。
Figure 2007245123
The generated hydrogen is dissociated into hydrogen atoms by the Pd catalyst of the catalytic metal layer 53 of the hydrogen permeable membrane 21 and is dissolved in the hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure. The surface layer of the catalytic metal layer 53 is a 100% Pd concentration layer, and the catalytic ability is kept very high.

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 separation chamber 26 due to a difference in hydrogen concentration between the reaction chamber 25 and the separation chamber 26, pass through the Pd catalyst metal layer 53, and then the Mo fourth metal layer 51 and Ni. And the composite core laminate 52 in which Ti and Ta are densely laminated, pass through the fourth metal layer 51 at the Mo lowermost layer again, and again from the hydrogen atoms by the Pd catalyst of the catalytic metal layer 53 on the separation chamber 26 side. It is combined with hydrogen molecules and flows into the separation chamber 26 as hydrogen gas.

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 permeable membrane 21 having a composite multilayer structure is Ta having high hydrogen permeation performance, and hydrogen atoms are diffused very quickly. Even if a metal is prone to hydrogen embrittlement, it is relatively hydrogen brittle from both sides. Since the alloy layer made of Ti and Ni layer which is strong to protect is protected, hydrogen embrittlement is suppressed, and Ni which is difficult to pass hydrogen usually has improved hydrogen permeation amount by alloying with Ti having a large amount of hydrogen solid solution.

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 catalytic metal layer 53 on the separation chamber 26 side is a 100% concentration Pd catalyst, the bonding from hydrogen atoms to hydrogen molecules is also performed quickly.

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 reaction chamber 25 flows downstream on the discharge port 32 side, generates hydrogen gas by the same reaction, and similarly flows into the separation chamber 26 through the hydrogen permeable membrane 21.

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 supply port 31 to the discharge port 32, hydrogen sequentially flows out from the reaction chamber 25 through the hydrogen permeable membrane 21 having a composite multilayer structure, so that the hydrogen gas concentration of the flowing gas does not reach an equilibrium state even downstream. The hydrogen gasification reaction of (Chemical Formula 1) is performed smoothly, and in the vicinity of the discharge port 32, most of the circulating gas is discharged as carbon dioxide.

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 reaction chamber 25, the hydrogen gas moves to the separation chamber 26, so the reaction continues. Done.

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 catalytic metal layer 53 has a catalytic function for promoting dissociation / recombination of hydrogen and a function for permeating hydrogen. Further, Mo constituting the second metal layer 49 with the reformed metal and Ta constituting the first metal layer 48 with the base metal have a function of permeating hydrogen, and the hydrogen permeation performance of Ta is Pd. This is much better than the hydrogen permeation performance.

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 separation chamber 26 from the introduction port 39 and flows through the separation chamber 26, the hydrogen accumulated in the spacer 46 portion of the hydrogen permeable membrane 21 having the composite multilayer structure is washed away. The hydrogen concentration in the vicinity of the Pd layer of the catalytic metal layer 53 does not increase, and a pressure partial pressure difference always occurs, so that smooth hydrogen diffusion movement is performed in the reaction chamber 25 and the separation chamber 26.

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 first metal layer 48 of the base metal, but any metal plate having a high hydrogen permeability coefficient can be applied, and in particular, transition metals such as Ta, Nb, V, And their alloys are effective and are not limited to Ta.

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 peelable sheets 85a and 85b, carbon fiber felt (Nihon Carbon Co., Carboron, GF-20-2F) purified at about 2000 ° C. was used. Use of silica fiber non-woven fabric (Advantech Toyo Co., Ltd., silica fiber filter paper, QR-100) that has been highly purified at a temperature of ℃ or higher is good because of the pressure applied to the appropriate bonding interface in terms of surface compactness, and Graphite (Nihon Carbon Co., Nika Film, FL-300SH) purified at about 2000 ° C. has the same effect, does not generate gas due to heat, is elastically deformed by pressurization, and the first metal plate 79 and Any material can be used as long as it has good releasability from the second metal plate 80, the catalyst metal plate 83, and the pressurizing flat plate jigs 77a and 77b, and is not limited to the felt of carbon fiber. .

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 second metal layer 49 has a small amount of hydrogen solid solution and is difficult to form a metal hydride, Co may be used as another versatile metal.

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 third metal layer 50 having a large hydrogen solid solution amount, a metal having Zr and Hf among the transition metal elements of the group IVA may be used as a metal having the same effect.

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 fourth metal layer 51 having a low solid solubility limit with Pd, but the same effect is exhibited even when Cr and W, which are VIA group transition metals, are used.

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 third metal layer 50 is made equal to the number of Ni metal elements of the second metal layer 49, even when the element ratio is 0.8 to 1.2, protection to prevent hydrogen embrittlement As a layer, an appropriate hydrogen permeation amount is maintained, so that the element ratio is not limited to 1: 1.

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 second metal layer 49 to the Ta element in the first metal layer 48 is 4.5%, but if it is a laminate corresponding to 1% to 30%, the hydrogen embrittlement effect and the hydrogen permeation performance Therefore, it is not limited to 4.5%.

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 fourth metal layer 51 with respect to Ta of the first metal layer 48 is 2.3% in terms of element ratio, but even with a distribution corresponding to 0.1% to 10%, the effect of suppressing mutual diffusion It maintains moderate hydrogen permeation performance.

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 catalyst metal layer 53 using a Pd metal plate and simultaneously forming the composite core laminate 52 by diffusion bonding on the upper and lower sides of the composite core laminate 52 has been introduced. However, only the composite core laminate is formed. After that, as the catalyst metal layer forming step, any one of vacuum deposition, sputtering, and ion plating may be used.

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 permeable membrane 21 and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, the first metal layer 48 of the base metal is reinforced by the second metal layer 49 strong against hydrogen embrittlement, and the second metal The layer 49 is the third metal layer 50, and the hydrogen permeable film 21 maintaining the hydrogen permeation performance is obtained by increasing the amount of hydrogen solid solution.

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 fourth metal layer 51 that is difficult to diffuse Pd is formed between the catalytic metal layer 53 of Pd and the first metal layer 48, and mutual diffusion between the first metal layer 48 and the catalytic metal layer 53 is performed. Membranes that maintain the catalytic function of the surface layer, suppress hydrogen embrittlement, are multi-layered, have no pinholes even when rolled thin, have high permeation separation performance of high-purity hydrogen, and have a high-performance hydrogen permeation amount Can be provided.

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. .

本発明の実施の形態1における複合多層構造の水素透過膜が組み込まれた水素生成分離装置の概略構成図1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen generation / separation device incorporating a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to Embodiment 1 of the present invention. 同実施の形態の複合多層構造の水素透過膜の拡大断面図Enlarged sectional view of the hydrogen permeable membrane having the composite multilayer structure of the embodiment 同実施の形態の複合多層構造の水素透過膜の製造に使用する金属板体を拡散接合する拡散接合装置を示す概略断面構成図Schematic cross-sectional configuration diagram showing a diffusion bonding apparatus for diffusion bonding a metal plate used for manufacturing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure of the embodiment 同実施の形態における拡散接合装置のプレス部材を示す拡大断面図The expanded sectional view which shows the press member of the diffusion bonding apparatus in the embodiment 同実施の形態の複合多層構造の水素透過膜の製造に使用する圧延機の圧延加工状態における断面図Sectional drawing in the rolling process state of the rolling mill used for manufacture of the hydrogen permeable film of the composite multilayer structure of the embodiment 同実施の形態の複合多層構造の水素透過膜を製造工程を示す工程図Process drawing which shows the manufacturing process of the hydrogen permeable membrane of the composite multilayer structure of the embodiment 従来の水素透過膜の拡大断面図Expanded cross-sectional view of a conventional hydrogen permeable membrane 従来の水素透過膜の斜視図Perspective view of a conventional hydrogen permeable membrane 従来の水素透過膜を使用したチューブの斜視図Perspective view of a tube using a conventional hydrogen permeable membrane

符号の説明Explanation of symbols

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 SYMBOLS 21 Hydrogen permeable film of composite multilayer structure 48 1st metal layer 49 2nd metal layer 50 3rd metal layer 51 4th metal layer 52 Composite core laminated body 53 Catalytic metal layer 54 Sandwich body 79 1st metal plate 80 2nd metal plate 81 Third metal plate 82 Fourth metal plate 83 Catalyst metal plate 84 Laminated product

Claims (18)

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複合多層構造の水素透過膜。   A laminate comprising 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 third metal layer having a large hydrogen solid solution amount, and comprising the laminate A hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure in which a catalytic metal layer of Pd or Pd alloy is formed on both sides of a body. 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請求項1に記載の複合多層構造の水素透過膜。   2. The hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 1, wherein a fourth metal layer having a solid solubility limit lower than that of Pd is provided in the uppermost lower layer of the laminate. 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請求項1または2に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 1 or 2, wherein the second metal layer and the third metal layer are laminated so as to be in direct contact with each other. 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請求項1から3のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The hydrogen permeable membrane of a composite multilayer structure according to any one of claims 1 to 3, wherein a third metal layer is interposed between the first metal layer and the second metal layer. 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請求項2から4のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to any one of claims 2 to 4, wherein a second metal layer is formed between the third metal layer and the fourth metal layer. 積層体は、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請求項1から5のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   6. The composite multilayer structure according to claim 1, wherein the laminate has two or more sandwich bodies in which the first metal layer is sandwiched between the alloy formation layers of the second metal layer and the third metal layer. Hydrogen permeable membrane. 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の元素比率となる請求項1から6のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The hydrogen of the composite multilayer structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal element ratio of the third metal layer is an element ratio of 0.8 to 1.2 with respect to the number of metal elements of the second metal layer. Permeable membrane. 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%に相当する請求項1から7のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to any one of claims 1 to 7, wherein a ratio of the second metal layer to the first metal layer corresponds to 1% to 30% in terms of an element ratio. 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請求項2から8のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The composite multilayer structure according to any one of claims 2 to 8, wherein the ratio of the fourth metal layer to the first metal layer is configured with an allocation corresponding to 0.1% to 10% in terms of element ratio. Hydrogen permeable membrane. 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請求項1から9のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The hydrogen permeation of the composite multilayer structure according to any one of claims 1 to 9, wherein the first metal layer having a high hydrogen permeation performance is a high melting point transition metal VA metal having a body-centered cubic structure or an alloy thereof. film. 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請求項1から10のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The first metal layer having high hydrogen permeation performance is one of Ta, Nb, V, Ta alloy, Nb alloy, and V alloy, which are high melting point transition metals having a body-centered cubic structure. A hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 1. 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請求項1から11のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The composite according to any one of claims 1 to 11, wherein 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. Multi-layer hydrogen permeable membrane. 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請求項1から12のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The composite multilayer structure hydrogen according to any one of claims 1 to 12, wherein any of Ti, Zr, and Hf is used as a third metal layer having a large hydrogen solid solution amount from a transition metal element of group IVA. Permeable membrane. 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請求項1から13のいずれか一項に記載の複合多層構造の水素透過膜。   The composite multilayered structure hydrogen according to any one of claims 1 to 13, wherein any one of Cr, Mo, and W, which are transition metals of group VIA, is used as the fourth metal layer having a low solid solubility limit with Pd. Permeable membrane. 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複合多層構造の水素透過膜の製造方法。   Lamination by stacking 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, and a third metal plate having a large hydrogen solid solution amount. A diffusion bonding step in which the laminated product is diffusion bonded by heat and pressure to form a diffusion bonded product, a rolling step in which the diffusion bonded product is rolled to a predetermined thickness to obtain a rolled composite core laminate, and the composite core The manufacturing method of the hydrogen permeable film of a composite multilayer structure which has a catalyst metal layer formation process which forms the catalyst metal layer which consists of Pd or a Pd alloy on both surfaces of a laminated body. 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。   16. The production of a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 15, wherein any one of vacuum vapor deposition, sputtering, and ion plating is used in the catalyst metal layer forming step of forming a catalyst metal layer made of Pd or a Pd alloy. Method. 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複合多層構造の水素透過膜の製造方法。   A first metal plate made of a base metal with high hydrogen permeation performance, a second metal plate with a small amount of hydrogen solid solution that makes it difficult to form a metal hydride, a third metal plate with a large amount of hydrogen solid solution, and a lowermost layer if necessary Laminating process in which Pd and a fourth metal plate having a low solid solubility limit are laminated to form a laminated product, and a laminated product with a catalytic metal, in which a catalytic metal plate made of Pd or Pd alloy is laminated on the upper and lower surfaces of the laminated product A forming step, a diffusion bonding step in which the laminate with catalyst metal is diffusion bonded by heat and pressure to form a diffusion bonded product, and a rolling step in which the diffusion bonded product is rolled to a predetermined thickness to form a rolled composite core laminate. A method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure. 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請求項15から17のいずれか一項記載の複合多層構造の水素透過膜の製造方法。   The additional heat treatment for alloying the second metal layer and the third metal layer is performed after the rolling step of rolling the diffusion bonded product to a predetermined thickness to form a rolled composite core laminate. A method for producing a hydrogen permeable membrane having a composite multilayer structure according to claim 1.
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