JP2000296316A - 耐圧水素透過膜とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多孔質板の割れ、ニッケル膜の溶解等による
内部リークを引き起こすことなく、外周シール溶接が容
易にでき、かつ透過性能が高く、差圧に耐える強度を有
する耐圧水素透過膜とその製造方法を提供する。 【解決手段】 通気性のある平板状の多孔質板３と、多
孔質板の外縁を密着して囲む取付枠体４と、取付枠体の
片面に密着し中央に開口２ａを有する枠状の箔体２と、
箔体の開口内縁に部分的に重なりかつ開口の全面を覆う
水素透過膜１と、水素透過膜と反対側の多孔質板に密着
し前記開口に対応する部分に複数の貫通穴を有する補強
板５とからなる。取付枠体は溶接性のよい金属材からな
り、箔体と水素透過膜の外表面が面一に形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、外周シール溶接が
容易にでき、透過性能が高く、差圧に耐える強度を有す
る耐圧水素透過膜とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素の精製方法としてパラジウム膜を使
用して水素混合気体から水素のみを選択的に透過させる
水素分離方法が知られている。この方法は、セラミック
等の多孔質チューブにメッキ等でパラジウムの薄膜を作
成し、その一端を密封溶接し、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水
素のみがチューブ内に入るので、この水素を取り出すも
のである。また、かかる水素分離膜は、例えば特開平５
−２８５３５５号に開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法では
多孔質チューブにメッキするため、欠陥のない膜にする
ために、膜厚を厚くする必要があり、膜厚を厚くすると
高価なパラジウムの使用量が多くなる。また膜厚が厚く
なると水素透過量が減少するという問題が発生する。こ
のため補強材として多孔質板にパラジウムをメッキする
方法が提案されている（例えば、特開平１０−２６５２
０２号の「水素製造装置」）。しかしこの方法で製造さ
れたパラジウム面に溶接をすると、パラジウムとニッケ
ルとの合金が生成されて融点が下がり、ニッケル多孔質
板にパラジウムが溶け込み微細な開口を生じ、水素以外
のガス漏れが発生するという問題があった。また、純パ
ラジウムの場合３００℃以下の水素雰囲気中で水素脆化
が発生する。さらに、パラジウムの膜にピンホールが発
生しやすいという問題もあった。

【０００４】この問題を解決するために、本発明の発明
者等は、先に「耐圧水素透過膜の製造方法及び補修方
法」（特願平１０−２９０５１３号、未公開）を創案し
出願した。この方法は、ニッケル粉末を焼成した多孔質
板の表面周囲にニッケル膜を配置し、表面中央部に前記
ニッケル膜と一部重ねてパラジウム膜またはパラジウム
ー銀合金膜を配置し真空を含む非酸化雰囲気中で、温度
５００〜１０００℃、圧力１０Ｎ／ｍｍ² 以下で接合す
ることを特徴とするものである。

【０００５】このように形成された耐圧水素透過膜は、
ニッケル多孔質板の表面にパラジウム合金膜またはニッ
ケル膜が被覆されたものとなる。かかる耐圧水素透過膜
を特開平１０−２６５２０２号に例示の「水素製造装
置」に構成する場合、その外周部を外周溶接して隣接す
るシール性を確保する必要がある。しかし、その場合、
耐圧水素透過膜の溶接部が多孔質であるため、外周シー
ル溶接時に多孔質板の割れやニッケル膜の膜部が溶けて
内部リークが発生しやすい問題点があった。そのため、
精製水素の純度が低下したり、耐圧水素透過膜の歩留り
が低い等の問題点があった。

【０００６】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、多孔
質板の割れ、ニッケル膜の溶解、水素脆化等による内部
リークを引き起こすことなく、外周シール溶接が容易に
でき、かつ透過性能が高く、差圧に耐える強度を有する
耐圧水素透過膜とその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、通気性
のある平板状の多孔質板（３）と、該多孔質板の外縁を
密着して囲む取付枠体（４）と、該取付枠体の片面に密
着し中央に開口（２ａ）を有する枠状の箔体（２）と、
該箔体の開口内縁に部分的に重なりかつ前記開口の全面
を覆う水素透過膜（１）と、水素透過膜と反対側の多孔
質板に密着し前記開口に対応する部分に複数の貫通穴を
有する補強板（５）とからなり、前記取付枠体は溶接性
のよい金属材からなり、前記箔体と水素透過膜の外表面
が面一に形成されている、ことを特徴とする耐圧水素透
過膜が提供される。

【０００８】上記本発明の構成によれば、箔体（２）と
水素透過膜（１）の外表面が面一に形成されているの
で、耐圧水素透過膜の全体形状は均一な厚さを有する単
一の平板状となる。従って、この耐圧水素透過膜を用い
て、特開平１０−２６５２０２号に例示したような「水
素製造装置」を容易に構成することができる。また、こ
の場合その外周部をシール溶接する必要があるが、取付
枠体（４）が多孔質板（３）の外縁を密着して囲んでお
り、かつこの取付枠体は溶接性のよい金属材からなるの
で、このシール溶接を取付枠体（４）の部分で行うこと
により、多孔質板の割れ、ニッケル膜の溶解等による内
部リークを引き起こすことなく、外周シール溶接が容易
にできる。さらに、水素透過膜（１）は多孔質板（３）
と補強板（５）で支持（バックアップ）されているの
で、水素透過膜側に高い圧力が作用しても、差圧に耐え
ることができ、薄い水素透過膜をを用いて透過性能を高
めることができる。

【０００９】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
多孔質板（３）はニッケル粉末の焼結板であり、前記箔
体（２）はニッケル箔であり、前記水素透過膜（１）
は、パラジウム膜又はパラジウム−銀合金膜である。こ
の構成により、多孔質板（３）と箔体（２）の密着性を
高め、かつ水素透過膜（１）の高い水素分離性能を保持
することができる。

【００１０】前記多孔質板（３）と取付枠体（４）は、
ほぼ同一の厚さを有し、かつ同一又は近似した材質から
なる。この構成により、箔体と水素透過膜の外表面を容
易に面一に形成でき、かつその界面の接合性を高めるこ
とができる。

【００１１】前記取付枠体（４）と補強板（５）が一体
に成形されていることが好ましい。この構成により、取
付枠体（４）と補強板（５）の境界部のシール溶接を不
要にできる。

【００１２】また、本発明によれば、上述した耐圧水素
透過膜を高温かつ非酸化雰囲気下で加圧して、水素透過
膜（１）、箔体（２）、多孔質板（３）及び取付枠体
（４）の界面を拡散接合することを特徴とする耐圧水素
透過膜の製造方法が提供される。この方法により、複数
の界面を同時に拡散接合することができ、かつ全体形状
を均一な厚さを有する単一の平板状とすることが容易に
できる。

【００１３】上記の耐圧水素透過膜の多孔質板上に圧
延、メッキ、蒸着等で作成したパラジウム合金膜を非酸
化雰囲気中で高温加熱し接合する。この方法により、パ
ラジウム合金膜と多孔質板の密着性を高めることができ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、同一
の箇所は同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の耐圧水素透過膜を用いた水素製造装置
の模式図である。この図において、６は耐圧水素透過
膜、７は水素含有ガス室、８は精製水素ガス室である。
水素含有ガス室７に供給された水素含有ガスから耐圧水
素透過膜６を通して純粋な水素のみが精製水素ガス室８
に透過するようになっている。この場合、水素透過膜６
の透過性能を高めるために、一般に水素含有ガス室７の
内圧を精製水素ガス室８よりも十分高く保持する。ま
た、この差圧に耐えるように、精製水素ガス室８には、
エンボス板、コルゲート板、或いは耐熱粉末等が充填さ
れる。なお、特開平１０−２６５２０２号に開示したよ
うに、水素含有ガス室７にシフト反応触媒を充填しても
よく、或いは改質触媒を充填してもよい。

【００１５】図１の構成の水素製造装置において、耐圧
水素透過膜６の外周部（矢印Ａで示す）は、隣接する他
の外枠９等にシール溶接して、その間のシール性を確保
する必要がある。この外枠９の材質は、気密性を保持で
きる限りで自由に選択なることができる。なお、本発明
は、上記構成に限定されず、その他の任意の水素製造装
置、その他の装置に適用することができる。

【００１６】図２は、図１の耐圧水素透過膜の構成図で
あり、（Ａ）は耐圧水素透過膜６の断面図、（Ｂ）はそ
の平面図である。また、図３は、図２のＡ部の拡大図で
ある。

【００１７】図２及び図３に示すように、本発明の耐圧
水素透過膜６は、通気性のある平板状の多孔質板３と、
多孔質板３の外縁を密着して囲む取付枠体４と、取付枠
体４の片面に密着し中央に開口２ａを有する枠状の箔体
２と、箔体２の開口内縁に部分的に重なりかつ開口２ａ
の全面を覆う水素透過膜１と、水素透過膜１と反対側の
多孔質板３に密着し開口２ａに対応する部分に複数の貫
通穴５ａを有する補強板５とからなる。

【００１８】水素透過膜１は、好ましくは、圧延、メッ
キ、蒸着等で作成した厚さ１〜２０μｍのパラジウム合
金膜又はパラジウム−銀合金膜である。また、箔体２は
２０〜１００μｍのニッケル箔である。これらの箔体２
と水素透過膜１の外表面は図に示すように面一に形成さ
れている。

【００１９】多孔質板３は、好ましくは厚さ０．５〜１
ｍｍのニッケル粉末の焼結板である。また、取付枠体４
は溶接性のよい金属材からなる。すなわち、多孔質板３
と取付枠体４は、ほぼ同一の厚さを有し、かつ同一又は
近似した材質からなる。

【００２０】また、本発明の方法によれば、上述した耐
圧水素透過膜６を高温かつ非酸化雰囲気下で加圧して、
水素透過膜１、箔体２、多孔質板３及び取付枠体４の界
面を拡散接合する。さらにまた、耐圧水素透過膜６の多
孔質板上に圧延、メッキ、蒸着等で作成したパラジウム
合金膜を非酸化雰囲気中で高温加熱し接合するのがよ
い。

【００２１】補強板５は、例えば必要部分のみにパンチ
ングにより貫通穴５ａを設けたパンチングメタルであ
り、水素精製時に膜側が加圧状態になるため、金属多孔
質板と取付枠を接合している膜が破損するのを防ぐよう
になっている。このパンチングメタル５と取付枠４はス
ポット溶接、ろう付け等で接合する。また、パンチング
メタルと取付枠は一体構造でもよい。

【００２２】ニッケル箔２は圧延、メッキ、真空蒸着等
の公知の方法により製作される。メッキ、真空蒸着等に
より製作する場合はステンレス等の金属製基板にメッ
キ、真空蒸着等によりニッケル箔を形成し、これを剥離
して用いる。このようにして厚み２０〜１００μｍのニ
ッケル箔を得ることができる。

【００２３】パラジュウムー銀合金膜は、先ず銀の薄膜
を圧延、メッキ、真空蒸着、銀鏡反応等により製造し、
次に粒径１μｍ以下のパラジウム微粉末を銀膜に均一に
薄く振りまき４００〜９００℃の非酸化雰囲気中で１０
Ｎ／ｍｍ² 以下の圧力で熱拡散によって合金化する。ま
た、銀膜にメッキ、スパッタリングしてもよい。なお、
メッキ、真空蒸着、銀鏡反応等により銀膜を製造する場
合は、ステンレス等の金属製基板にメッキ、真空蒸着、
銀鏡反応等により銀膜を形成し、これを剥離して用い
る。このような方法により厚み１〜２０μｍのパラジウ
ムー銀合金膜を得ることができる。また、パラジウム膜
は、圧延、メッキ、真空蒸着により製造する。

【００２４】ニッケル多孔質板３は、ニッケル粉末を平
坦な黒鉛板上に均等な厚さに敷きつめた後、還元雰囲気
で１０００℃、１時間加熱処理して焼結する。

【００２５】上述した本発明の構成により、箔体２と水
素透過膜１の外表面が面一に形成されているので、耐圧
水素透過膜の全体形状は均一な厚さを有する単一の平板
状となる。従って、この耐圧水素透過膜を用いて、特開
平１０−２６５２０２号に例示したような「水素製造装
置」を容易に構成することができる。また、この場合そ
の外周部をシール溶接する必要があるが、取付枠体４が
多孔質板３の外縁を密着して囲んでおり、かつこの取付
枠体は溶接性のよい金属材からなるので、このシール溶
接を取付枠体４の部分で行うことにより、多孔質板の割
れ、ニッケル膜の溶解等による内部リークを引き起こす
ことなく、外周シール溶接が容易にできる。さらに、水
素透過膜１は多孔質板３と補強板５で支持（バックアッ
プ）されているので、水素透過膜側に高い圧力が作用し
ても、差圧に耐えることができ、薄い水素透過膜をを用
いて透過性能を高めることができる。

【００２６】また、本発明の方法により、複数の界面を
同時に拡散接合することができ、かつ全体形状を均一な
厚さを有する単一の平板状とすることが容易にでき、更
に、パラジウム合金膜と多孔質板の密着性を高めること
ができる。

【００２７】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更する
ことができる。

【００２８】

【発明の効果】上述したように、本発明の耐圧水素透過
膜とその製造方法により、外周シール溶接時のパラジウ
ム合金膜の欠陥が防止でき歩留りが向上し、これにより
精製水素の純度が向上する。従って、本発明の耐圧水素
透過膜とその製造方法は、多孔質板の割れ、ニッケル膜
の溶解等による内部リークを引き起こすことなく、外周
シール溶接が容易にでき、かつ透過性能が高く、差圧に
耐える強度を有する、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の耐圧水素透過膜を用いた水素製造装置
の模式図である。

【図２】図１の耐圧水素透過膜の構成図である。

【図３】図２のＡ部の拡大図である。

【符号の説明】

１ 水素透過膜（パラジウム膜またはパラジウム−銀合
金膜） ２ 箔体（ニッケル箔） ３ 多孔質板（ニッケル多孔質板） ４ 取付枠体 ５ 補強板（パンチングメタル）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古賀 実 東京都江東区豊洲３丁目２番16号 石川島 播磨重工業株式会社豊洲総合事務所内 (72)発明者 竹田 誠一 神奈川県相模原市大山町１番30号 日本金 属工業株式会社新材料部内 (72)発明者 白江 克則 神奈川県相模原市大山町１番30号 日本金 属工業株式会社新材料部内 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA80 JA07A JA07C JA08A JA08C JA22A JB01 MA03 MA06 MA31 MB16 MC02X NA31 NA39 NA50 PA01 PB18 PB19 PB66 4G040 FA04 FB09 FC01 FE01 4K018 AA08 JA09 KA22

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 通気性のある平板状の多孔質板（３）
   と、該多孔質板の外縁を密着して囲む取付枠体（４）
   と、該取付枠体の片面に密着し中央に開口（２ａ）を有
   する枠状の箔体（２）と、該箔体の開口内縁に部分的に
   重なりかつ前記開口の全面を覆う水素透過膜（１）と、
   水素透過膜と反対側の多孔質板に密着し前記開口に対応
   する部分に複数の貫通穴を有する補強板（５）とからな
   り、 前記取付枠体は溶接性のよい金属材からなり、前記箔体
   と水素透過膜の外表面が面一に形成されている、ことを
   特徴とする耐圧水素透過膜。
2. 【請求項２】 前記多孔質板（３）はニッケル粉末の焼
   結板であり、前記箔体（２）はニッケル箔であり、前記
   水素透過膜（１）は、パラジウム膜又はパラジウム−銀
   合金膜である、ことを特徴とする請求項１に記載の耐圧
   水素透過膜。
3. 【請求項３】 前記多孔質板（３）と取付枠体（４）
   は、ほぼ同一の厚さを有し、かつ同一又は近似した材質
   からなる、ことを特徴とする請求項１に記載の耐圧水素
   透過膜。
4. 【請求項４】 前記取付枠体（４）と補強板（５）が一
   体に成形されている、ことを特徴とする請求項１に記載
   の耐圧水素透過膜。
5. 【請求項５】 請求項１乃至３の耐圧水素透過膜を高温
   かつ非酸化雰囲気下で加圧して、水素透過膜（１）、箔
   体（２）、多孔質板（３）及び取付枠体（４）の界面を
   拡散接合する、ことを特徴とする耐圧水素透過膜の製造
   方法。
6. 【請求項６】 請求項１乃至３の耐圧水素透過膜の多孔
   質板上に圧延、メッキ、蒸着等で作成したパラジウム合
   金膜を非酸化雰囲気中で高温加熱し接合する、ことを特
   徴とする耐圧水素透過膜の製造方法。