水素分離体及びその製造方法
【課題】水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、耐久性に優れているとともに、良好な水素分離能と水素透過性能とを両立させた水素分離体を提供する。
【解決手段】その一の表面５から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体２と、多孔質基体２の一の表面５に、一の表面５から所定深さまで浸入した状態で配設された水素分離層３とを備えた水素分離体１である。多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍ、水素分離層の厚みＴ１が１〜５μｍ、浸入部の浸入深さＤ１が、０．０５〜１μｍであるとともに多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径以上の深さであり、かつ水素分離層の厚みＴ１の半分以下の深さである。
【解決手段】その一の表面５から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体２と、多孔質基体２の一の表面５に、一の表面５から所定深さまで浸入した状態で配設された水素分離層３とを備えた水素分離体１である。多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍ、水素分離層の厚みＴ１が１〜５μｍ、浸入部の浸入深さＤ１が、０．０５〜１μｍであるとともに多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径以上の深さであり、かつ水素分離層の厚みＴ１の半分以下の深さである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素分離体に関し、更に詳しくは、耐久性に優れ、良好な水素透過性能等を有する水素分離体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水蒸気改質ガス等の水素を含有するガスから水素のみを選択的に取り出すために、セラミックス多孔質基体にパラジウム等からなる水素分離層を配設した水素分離体が使用されている。水素分離体は、高温において水素のみを分離するために使用されることがある。従って、水素分離体は、高温又は昇降温が繰り返される環境において高い気密性を有することが要求される。
【０００３】
一般的な水素分離体は、図２に示すように、多孔質基体１２と、この多孔質基体１２の一の表面５に、一の表面５から所定深さ（浸入部の浸入深さＤ２）まで浸入した浸入部１７を形成した状態で配設された水素分離層１３とを備えた構造を有するものである。なお、多孔質基体１２は、その一の表面５から他の表面（図示せず）まで連通する多数の細孔を有するものであり、例えばセラミックス粒子４等により構成されている。図２に示すような構造の水素分離体１１を製造するに際して水素分離層１３を配設する方法としては、例えば特許文献１〜４等において開示された吸引メッキ方法等を挙げることができる。なお、このような吸引メッキ方法においては、多孔質基体１２の一の表面５の細孔径を小さく設定し、薄い膜状の水素分離層１３を形成することにより、水素分離膜１３に亀裂等の欠陥が発生するのを抑制している。
【０００４】
しかしながら、多孔質基体の細孔径が小さ過ぎる場合において、形成される浸入部の浸入深さが深過ぎると、被処理ガスから分離された水素ガスの透過が妨げられ、良好な水素透過性能を発揮することができないという問題がある。一方、形成される浸入部の浸入深さが浅過ぎると、水素分離層と多孔質基体との密着性が低下し、水素分離層が剥離し易くなるために水素分離体の耐久性が低下するという問題がある。
【特許文献１】特許第３２１３４３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１９０７４８号公報
【特許文献３】特開平１０−１１３５４５号公報
【特許文献４】特開２０００−３１７２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、耐久性に優れているとともに、良好な水素分離能と水素透過性能とを両立させた水素分離体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、水素分離層が配設される多孔質基体の表面の平均細孔径と、浸入部の浸入深さとを所定の範囲内とすることによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明によれば、以下に示す水素分離体が提供される。
【０００８】
［１］その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体であって、前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍ、前記水素分離層の厚みが１〜５μｍ、前記浸入部の浸入深さが、０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである水素分離体。
【０００９】
［２］前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である前記［１］に記載の水素分離体。
【００１０】
［３］前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる前記［１］又は［２］に記載の水素分離体。
【００１１】
［４］前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる前記［１］〜［３］のいずれかに記載の水素分離体。
【００１２】
［５］前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である前記［４］に記載の水素分離体。
【００１３】
［６］その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体の製造方法であって、前記一の表面の平均細孔径が、０．０２〜０．５μｍである前記多孔質基体を用意し、その浸入深さが、前記一の表面から０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである前記浸入部を形成して、その厚みが１〜５μｍである前記水素分離層を配設することを含む水素分離体の製造方法。
【００１４】
［７］前記水素分離層をメッキ処理により配設する前記［６］に記載の水素分離体の製造方法。
【００１５】
［８］前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である前記［６］又は［７］に記載の水素分離体の製造方法。
【００１６】
［９］前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる前記［６］〜［８］のいずれかに記載の水素分離体の製造方法。
【００１７】
［１０］前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる前記［６］〜［９］のいずれかに記載の水素分離体の製造方法。
【００１８】
［１１］前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である前記［１０］に記載の水素分離体の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水素分離体は、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、耐久性に優れているとともに、良好な水素分離能と水素透過性能とが両立されているといった効果を奏するものである。また、本発明の水素分離体の製造方法によれば、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、耐久性に優れているとともに、良好な水素分離能と水素透過性能とが両立した水素分離体を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００２１】
図１は、本発明の水素分離体の一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の水素分離体１は、その一の表面５から他の表面（図示せず）まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体２と、多孔質基体２に配設された水素分離層３とを備えている。この水素分離層３は、多数の細孔を通じ、一の表面５から所定の深さまで浸入した浸入部７を形成した状態で、多孔質基体２の一の表面５に配設されている。また、水素分離層３は、一の表面５の側、又は他の表面の側から流入する水素を含む気体（被処理ガス）のうち水素だけを選択的に透過させて他の表面の側、又は一の表面５の側から流出させることが可能な層である。即ち、水素分離体１を用いて被処理ガスから水素を分離する場合には、被処理ガスを、一の表面５の側から流入させて他の表面の側から流出させてもよいし、他の表面の側から流入させて一の表面５の側から流出させてもよい。
【００２２】
本実施形態の水素分離体１は、多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径が、０．０２〜０．５μｍである。一の表面の平均細孔径が０．０２μｍ未満であると、例えば図６に示す水素分離体４１のように、水素分離層４３が剥離し易くなるとともに、多孔質基体４２の内部をガスが通り抜け難くなり、良好な水素透過性能を発揮し難くなる。一方、一の表面の平均細孔径が０．５μｍ超であると、例えば図４及び図５に示す水素分離体３１のように、ガスが多孔質基体３２の内部を通り抜け易くなる反面、水素分離層３を配設するときに、水素選択透過性金属により細孔を閉塞し難くなる。その結果、水素分離層３３が緻密にならず、亀裂６等の欠陥を生じ易くなり、気密性が低下することがある。
【００２３】
なお、水素透過性能を更に向上させ、水素分離膜に欠陥をより生じ難く、耐久性に更に優れた水素分離体を提供するといった観点からは、多孔質基体の一の表面の平均細孔径は、０．０５〜０．３μｍであることが更に好ましい。
【００２４】
また、多孔質基体２の細孔は、その孔径が揃っていることが好ましい。このことにより、水素選択透過性金属が充填されない細孔が生じて気密性が低下してしまう問題を回避できる。
【００２５】
本実施形態の水素分離体１の水素分離層３の厚みは、１〜５μｍであり、２〜５μｍであることが好ましい。水素分離層３の厚みが１μｍ未満であると、水素分離層３に欠陥が生じ易くなる。一方、５μｍ超であると、水素分離層３による水素の分離の分離効率が低下する。なお、図１に、多孔質基体２の一の表面５から水素分離層３の表面までの長さと、浸入部の浸入深さＤ１の和を「水素分離層の厚みＴ１」として便宜上表記しているが、本明細書において「水素分離層の厚み」というときは、Ｘ線蛍光膜厚測定装置で測定した値をいう。即ち、水素分離膜の表面から、多孔質基体内部までのパラジウム（Ｐｄ）の量を積算した値から算出した値を「水素分離層の厚み」とする。
【００２６】
また、本実施形態の水素分離体１は、浸入部の浸入深さＤ１が０．０５〜１μｍである。浸入部の浸入深さが０．０５μｍ未満であると、例えば図３に示す水素分離体２１のように、浸入部２７の浸入深さ（浸入部の浸入深さＤ３）が浅過ぎる（Ｄ１＞Ｄ３）ために、多孔質基体２２と水素分離層２３との密着性が低下して水素分離層２３が剥離し易くなる。一方、浸入部の浸入深さが１μｍ超であると、例えば図２に示す水素分離体１１のように、浸入部１７の浸入深さ（浸入部の浸入深さＤ２）が深い（Ｄ１＜Ｄ２）ために多孔質基体２２と水素分離層２３がより強固に結合し、これらの密着性が向上して水素分離体１１の耐久性が良好となる反面、水素分離層２３をガスが通り抜け難くなり、良好な水素透過性能を発揮し難くなる。
【００２７】
なお、水素透過性能を更に向上させ、水素分離層の剥離をより生じ難く、耐久性に更に優れた水素分離体を提供するといった観点からは、浸入部の浸入深さＤ１は、０．１〜０．８μｍであることが更に好ましい。
【００２８】
本実施形態の水素分離体１は、浸入部の浸入深さＤ１が、多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径以上の深さであり、平均細孔径の１．５倍以上の深さであることが更に好ましい。浸入部の浸入深さＤ１が、多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径未満の深さであると、水素分離層が剥離し易くなるために好ましくない。
【００２９】
また、浸入部の浸入深さＤ１は、水素分離層の厚みＴ１の半分以下の深さである。浸入部の浸入深さＤ１が、水素分離層の厚みＴ１の半分を超える深さであると、水素の透過を妨げるために好ましくない。
【００３０】
多孔質基体２の一の表面５の表面粗さＲａは、１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることが更に好ましい。表面粗さＲａが１μｍ超であると、膜に欠陥が生じ易くなる傾向にある。なお、本発明において、多孔質基体の一の表面の表面粗さＲａの下限値については特に限定されないが、実質的な製造可能性等の観点からは０．０１μｍ以上であればよい。また、本明細書において、「表面粗さＲａ」とは、ＪＩＳ Ｂ０６０１「表面粗さ−定義及び表示」による算術平均粗さのことをいう。
【００３１】
また、多孔質基体２の熱膨張率（ａ）に対する、水素分離層３の熱膨張率（ｂ）の比（ｂ／ａ）の値が、０．７〜１．５であることが好ましく、０．８〜１．３であることが更に好ましい。（ｂ／ａ）の値が０．７未満であると、水素分離層の熱膨張率（ｂ）が多孔質基体の熱膨張率（ａ）に比して小さ過ぎるため、熱サイクルを加えた場合に、両者の熱膨張率の差に起因して水素分離層が多孔質基体から剥離し易くなる傾向にある。一方、（ｂ／ａ）の値が１．５超であると、多孔質基体の熱膨張率（ａ）が水素分離層の熱膨張率（ｂ）に比して小さ過ぎるため、熱サイクルを加えた場合に、やはり両者の熱膨張率の差に起因して水素分離層が多孔質基体から剥離し易くなる傾向にある。
【００３２】
多孔質基体２は、セラミックスを主成分としてなるものであることが好ましい。セラミックスを主成分とすることにより、耐熱性、耐食性等に優れ、水素分離体１の機械的強度を高めることができる。セラミックスの種類としては特に限定されるものではなく、水素分離体として一般的に使用されるセラミックスのいずれでも採用することができる。例えば、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア等を挙げることができる。なお、セラミックス以外の成分として、不可避的に含有される成分や、通常添加されるような成分を少量含有してもよい。また、多孔質基体２の熱膨張率を、２種類以上のセラミックス、又はセラミックスと金属とを複合化することによって調整してもよい。
【００３３】
水素分離層３は、水素選択透過性金属から構成されていることが好ましい。また、水素選択透過性金属の種類は、水素を選択的に透過させることができるものであれば特に限定されるものではない。具体的にはパラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金が好ましい。パラジウム（Ｐｄ）は水素だけを選択的に効率よく透過させることができるために好ましい。パラジウム（Ｐｄ）を含有する合金としては、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との合金やパラジウム（Ｐｄ）と銅（Ｃｕ）との合金が好ましい。パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）とを合金化することにより、パラジウム（Ｐｄ）の水素脆化が防止され、高温時における水素の分離効率が向上する。
【００３４】
多孔質基体２の一の表面５に水素分離層３を配設する方法としては、特に限定されるものではない。具体的には、メッキ処理、スパッタ処理、又は化学気相堆積（ＣＶＤ）処理等の方法が好ましい。特に、大型の多孔質基体に対しても比較的成膜が容易である点から、メッキ処理がより好ましい。
【００３５】
次に、本発明の水素分離体の製造方法の一実施形態について説明する。本実施形態の水素分離体の製造方法では、先ず、図１に示すような、一の表面５の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍである多孔質基体２を用意する。多孔質基体２の製造方法は特に限定されず、従来公知の方法によって製造することができる。なお、用いるセラミックス粒子の形状・粒径等、及び造孔剤の種類・使用量等を適宜調整することによって、一の表面５の平均細孔径を所望の値とすることができる。
【００３６】
次いで、例えばメッキ処理により、多孔質基体２の一の表面５から０．０５〜１μｍの深さまで浸入した浸入部７を形成して水素分離層３を配設する。水素分離層３の厚みを所定の範囲内とするには、メッキ処理に際して使用するメッキ液に多孔質基体２を浸漬する時間を適当に調整等すればよい。また、形成される浸入部７の深さを所定の範囲内とするには、メッキ処理の際に、多孔質基体２の一の表面５の反対側の他の表面の側から真空ポンプ等で適当に減圧等すればよい。浸入部７の深さは、減圧等した際の圧力値をメッキ中所定の値に保持したり、メッキ中に変化させることによって調節可能である。
【００３７】
多孔質基体２の一の表面５に水素分離層３をメッキ処理することにより配設するには、例えば、化学メッキを採用することが好ましい。化学メッキにより多孔質基体２の一の表面５にパラジウム（Ｐｄ）を配設するには、先ず、多孔質基体２を活性化金属を含有する溶液に浸漬させることにより、一の表面５に活性化金属を含有する溶液を付着させた後、水洗する。活性化金属としては、２価のパラジウムを含有する化合物を好適に用いることができる。活性化金属を一の表面５に付着させる方法としては、例えば、水素選択透過性金属としてパラジウム（Ｐｄ）を用いる場合、多孔質基体２を塩化パラジウムの塩酸水溶液と塩化錫の塩酸水溶液に交互に浸漬させることが好ましい。
【００３８】
活性化金属を一の表面５に付着させた後に、多孔質基体２の一の表面５の側を、水素選択透過性金属（例えば、パラジウム（Ｐｄ））と還元剤とを含有するメッキ溶液に浸漬させる。これにより、活性化金属を核として、パラジウム（Ｐｄ）が析出し、パラジウム（Ｐｄ）からなる水素分離層３が形成される。還元剤としては、ヒドラジン、ジメチルアミンボラン、ホスフィン酸ナトリウム、ホスホン酸ナトリウム等を挙げることができる。
【００３９】
水素分離層３を構成する水素選択透過性金属として、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との合金を用いる場合には、パラジウム（Ｐｄ）からなる層を一の表面５に化学メッキすることにより配設した後、このパラジウム（Ｐｄ）からなる層の表面に銀（Ａｇ）を更にメッキする。次いで、加熱することにより、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）とを相互拡散させれば、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との合金を水素選択透過性金属として用いた水素分離層３を形成することができる。なお、パラジウム（Ｐｄ）からなる層の表面に銀（Ａｇ）をメッキするに際しては、化学メッキをすることや、パラジウム（Ｐｄ）からなる層を電極とし、電気メッキすることが好ましい。この際、用いるパラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との質量比（Ｐｄ：Ａｇ）が、９０：１０〜７０：３０であることが好ましい。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１）
多孔質基体として、外径１０ｍｍ、内径７ｍｍ、長さ３００ｍｍ、外周表面の平均細孔径が０．２μｍである円筒管形状のα−アルミナ多孔質管を用意した。このα−アルミナ多孔質管を純水で洗浄した後、活性化処理を行った。活性化処理は、α−アルミナ多孔質管を２価のパラジウム（Ｐｄ）イオンを含有する溶液中に浸漬した後、還元処理を行うことによって実施した。活性化処理を行ったα−アルミナ多孔質管を、パラジウム（Ｐｄ）塩、錯化剤、及び還元剤を含有する溶液（メッキ液）中に浸漬することによって、α−アルミナ多孔質管の外周表面に対してパラジウム（Ｐｄ）の化学メッキを行い、パラジウム（Ｐｄ）膜を形成した。なお、化学メッキするに際しては、真空ポンプを使用してα−アルミナ多孔質管の内側を減圧状態とした。次いで、パラジウム（Ｐｄ）膜上に銀（Ａｇ）を電気メッキによって成膜した。なお、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）の質量比は８０：２０となるように調整した。これをアルゴン（Ａｒ）ガス中８００℃で１時間加熱処理することによって合金化を行うことによりパラジウム（Ｐｄ）合金膜を形成して水素分離体（実施例１）を作製した。パラジウム（Ｐｄ）合金膜（水素分離層）の膜厚は２μｍ、パラジウム（Ｐｄ）合金のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さは０．５μｍであった。なお、パラジウム（Ｐｄ）合金の膜厚はＸ線蛍光膜厚測定装置によって、パラジウム（Ｐｄ）合金のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さは断面の電子顕微鏡観察によって、それぞれ測定した。
【００４２】
（実施例２〜８、比較例１〜１１）
その外周表面の平均細孔径（μｍ）が、表１に示す値である円筒管形状のα−アルミナ多孔質管を使用し、この外周面上に、表１に示す厚み（μｍ）を有するパラジウム（Ｐｄ）合金膜（水素分離層）を、パラジウム（Ｐｄ）合金膜のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さが表１に示す深さ（μｍ）となるように形成したこと以外は、前述の実施例１と同様にして水素分離体（実施例２〜８、比較例１〜１１）を作製した。なお、それぞれの水素分離体のパラジウム（Ｐｄ）合金膜の厚みは、メッキ液へのα−アルミナ多孔質管の浸漬時間を変化させことによって適宜調整した。また、パラジウム（Ｐｄ）合金膜のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さは、真空ポンプの吸引圧力を変化させることによって適宜調整した。
【００４３】
（ヘリウム（Ｈｅ）ガス漏洩量の測定）
水素分離体（実施例１〜８、比較例１〜１１）のパラジウム（Ｐｄ）合金膜の側に８００ｋＰａの圧力でヘリウム（Ｈｅ）ガスを導入し、α−アルミナ多孔質管の内周面側に漏洩するヘリウム（Ｈｅ）ガス量を測定することによって行った。ヘリウム（Ｈｅ）ガス漏洩量を測定した結果を表１に示す。
【００４４】
（水素透過係数の測定）
水素分離体（実施例１〜８、比較例１〜１１）を電気炉中で５００℃に加熱した状態で、α−アルミナ多孔質管の外周表面のパラジウム（Ｐｄ）合金膜の側に加える圧力を変化させながら水素（Ｈ２）ガスを導入し、α−アルミナ多孔質管の内周面側に漏洩する水素（Ｈ２）ガス量を測定した。水素透過係数を測定した結果を表１に示す。
【００４５】
（評価）
各水素分離体を、以下に示す基準に従ってＡ〜Ｄの四段階に評価した。評価結果を表１に示す。
「Ａ」：ヘリウムガス漏洩量が０．０１ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ）未満、水素透過係数が１００ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）以上、かつ水素透過係数と水素分離層の厚みとの積が５００｛ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）｝・μｍ以上
「Ｂ」：ヘリウムガス漏洩量が測定可能であり、かつ０．０１ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ）以上
「Ｃ」：水素分離層に剥離を生じてガス漏洩量が過多となり、ヘリウムガス漏洩量又は水素透過係数の測定不能
「Ｄ」：ヘリウムガス漏洩量が０．０１ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ）未満であるとともに、水素透過係数が１００ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）未満、又は水素透過係数と水素分離層の厚みとの積が５００｛ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）｝・μｍ未満
【００４６】
ここで、水素分離体の評価を上記のような基準としたのは、パラジウム（Ｐｄ）の使用量を削減するためには水素透過係数が大きいことが望ましく、また、一般的に、水素透過係数は水素分離層の厚みの逆数に比例することから、水素透過係数と水素分離層の厚みとの積の値が大きいほど、パラジウム（Ｐｄ）合金膜の特性が引き出されていると判断できるためである。なお、水素透過係数が１００ｍｌ／ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２以上であることや、水素透過係数と水素分離層の厚みとの積が５００ｍｌ／ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２・μｍ以上であることを評価の基準としたのは、水素分離層を構成する水素透過性金属として、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）の比率（質量比）が８０：２０のパラジウム（Ｐｄ）−銀（Ａｇ）合金を使用したからである。従って、水素分離層を構成する水素透過性金属として、その他の組成のパラジウム（Ｐｄ）合金やパラジウム（Ｐｄ）を使用した場合には、それらの組成に応じた値を評価の基準とすることが当然に好ましい。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１に示す結果から、実施例１〜８の水素分離体は、比較例１〜１１の水素分離体に比して、ヘリウム（Ｈｅ）ガス漏洩量が少なく（気密性が高く）、水素透過係数が大きい（水素透過性能が高い）ものであり、かつ、水素分離層の剥離等の欠陥が生じ難い耐久性に優れたものであることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の水素分離体は、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、高温条件下での使用や長期間使用に好適であり、水蒸気改質ガス等の水素を含有するガスから水素のみを選択的に取り出す分離体として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の水素分離体の一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】水素分離体の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】水素分離体の他の例を模式的に示す断面図である。
【図４】水素分離体の更に他の例を模式的に示す断面図である。
【図５】図４に示す水素分離体の水素分離層に亀裂が生じた状態を模式的に示す断面図である。
【図６】水素分離体の更に他の例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，１１，２１，３１，４１：水素分離体、２，１２，２２，３２，４２：多孔質基体、３，１３，２３，３３，４３：水素分離層、４：セラミックス粒子、５：一の表面、６：亀裂、７，１７，２７：浸入部、Ｔ１：水素分離層の厚み、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３：浸入部の浸入深さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素分離体に関し、更に詳しくは、耐久性に優れ、良好な水素透過性能等を有する水素分離体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水蒸気改質ガス等の水素を含有するガスから水素のみを選択的に取り出すために、セラミックス多孔質基体にパラジウム等からなる水素分離層を配設した水素分離体が使用されている。水素分離体は、高温において水素のみを分離するために使用されることがある。従って、水素分離体は、高温又は昇降温が繰り返される環境において高い気密性を有することが要求される。
【０００３】
一般的な水素分離体は、図２に示すように、多孔質基体１２と、この多孔質基体１２の一の表面５に、一の表面５から所定深さ（浸入部の浸入深さＤ２）まで浸入した浸入部１７を形成した状態で配設された水素分離層１３とを備えた構造を有するものである。なお、多孔質基体１２は、その一の表面５から他の表面（図示せず）まで連通する多数の細孔を有するものであり、例えばセラミックス粒子４等により構成されている。図２に示すような構造の水素分離体１１を製造するに際して水素分離層１３を配設する方法としては、例えば特許文献１〜４等において開示された吸引メッキ方法等を挙げることができる。なお、このような吸引メッキ方法においては、多孔質基体１２の一の表面５の細孔径を小さく設定し、薄い膜状の水素分離層１３を形成することにより、水素分離膜１３に亀裂等の欠陥が発生するのを抑制している。
【０００４】
しかしながら、多孔質基体の細孔径が小さ過ぎる場合において、形成される浸入部の浸入深さが深過ぎると、被処理ガスから分離された水素ガスの透過が妨げられ、良好な水素透過性能を発揮することができないという問題がある。一方、形成される浸入部の浸入深さが浅過ぎると、水素分離層と多孔質基体との密着性が低下し、水素分離層が剥離し易くなるために水素分離体の耐久性が低下するという問題がある。
【特許文献１】特許第３２１３４３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１９０７４８号公報
【特許文献３】特開平１０−１１３５４５号公報
【特許文献４】特開２０００−３１７２８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、耐久性に優れているとともに、良好な水素分離能と水素透過性能とを両立させた水素分離体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、水素分離層が配設される多孔質基体の表面の平均細孔径と、浸入部の浸入深さとを所定の範囲内とすることによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
即ち、本発明によれば、以下に示す水素分離体が提供される。
【０００８】
［１］その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体であって、前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍ、前記水素分離層の厚みが１〜５μｍ、前記浸入部の浸入深さが、０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである水素分離体。
【０００９】
［２］前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である前記［１］に記載の水素分離体。
【００１０】
［３］前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる前記［１］又は［２］に記載の水素分離体。
【００１１】
［４］前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる前記［１］〜［３］のいずれかに記載の水素分離体。
【００１２】
［５］前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である前記［４］に記載の水素分離体。
【００１３】
［６］その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体の製造方法であって、前記一の表面の平均細孔径が、０．０２〜０．５μｍである前記多孔質基体を用意し、その浸入深さが、前記一の表面から０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである前記浸入部を形成して、その厚みが１〜５μｍである前記水素分離層を配設することを含む水素分離体の製造方法。
【００１４】
［７］前記水素分離層をメッキ処理により配設する前記［６］に記載の水素分離体の製造方法。
【００１５】
［８］前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である前記［６］又は［７］に記載の水素分離体の製造方法。
【００１６】
［９］前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる前記［６］〜［８］のいずれかに記載の水素分離体の製造方法。
【００１７】
［１０］前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる前記［６］〜［９］のいずれかに記載の水素分離体の製造方法。
【００１８】
［１１］前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である前記［１０］に記載の水素分離体の製造方法。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の水素分離体は、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、耐久性に優れているとともに、良好な水素分離能と水素透過性能とが両立されているといった効果を奏するものである。また、本発明の水素分離体の製造方法によれば、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、耐久性に優れているとともに、良好な水素分離能と水素透過性能とが両立した水素分離体を容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の最良の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００２１】
図１は、本発明の水素分離体の一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の水素分離体１は、その一の表面５から他の表面（図示せず）まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体２と、多孔質基体２に配設された水素分離層３とを備えている。この水素分離層３は、多数の細孔を通じ、一の表面５から所定の深さまで浸入した浸入部７を形成した状態で、多孔質基体２の一の表面５に配設されている。また、水素分離層３は、一の表面５の側、又は他の表面の側から流入する水素を含む気体（被処理ガス）のうち水素だけを選択的に透過させて他の表面の側、又は一の表面５の側から流出させることが可能な層である。即ち、水素分離体１を用いて被処理ガスから水素を分離する場合には、被処理ガスを、一の表面５の側から流入させて他の表面の側から流出させてもよいし、他の表面の側から流入させて一の表面５の側から流出させてもよい。
【００２２】
本実施形態の水素分離体１は、多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径が、０．０２〜０．５μｍである。一の表面の平均細孔径が０．０２μｍ未満であると、例えば図６に示す水素分離体４１のように、水素分離層４３が剥離し易くなるとともに、多孔質基体４２の内部をガスが通り抜け難くなり、良好な水素透過性能を発揮し難くなる。一方、一の表面の平均細孔径が０．５μｍ超であると、例えば図４及び図５に示す水素分離体３１のように、ガスが多孔質基体３２の内部を通り抜け易くなる反面、水素分離層３を配設するときに、水素選択透過性金属により細孔を閉塞し難くなる。その結果、水素分離層３３が緻密にならず、亀裂６等の欠陥を生じ易くなり、気密性が低下することがある。
【００２３】
なお、水素透過性能を更に向上させ、水素分離膜に欠陥をより生じ難く、耐久性に更に優れた水素分離体を提供するといった観点からは、多孔質基体の一の表面の平均細孔径は、０．０５〜０．３μｍであることが更に好ましい。
【００２４】
また、多孔質基体２の細孔は、その孔径が揃っていることが好ましい。このことにより、水素選択透過性金属が充填されない細孔が生じて気密性が低下してしまう問題を回避できる。
【００２５】
本実施形態の水素分離体１の水素分離層３の厚みは、１〜５μｍであり、２〜５μｍであることが好ましい。水素分離層３の厚みが１μｍ未満であると、水素分離層３に欠陥が生じ易くなる。一方、５μｍ超であると、水素分離層３による水素の分離の分離効率が低下する。なお、図１に、多孔質基体２の一の表面５から水素分離層３の表面までの長さと、浸入部の浸入深さＤ１の和を「水素分離層の厚みＴ１」として便宜上表記しているが、本明細書において「水素分離層の厚み」というときは、Ｘ線蛍光膜厚測定装置で測定した値をいう。即ち、水素分離膜の表面から、多孔質基体内部までのパラジウム（Ｐｄ）の量を積算した値から算出した値を「水素分離層の厚み」とする。
【００２６】
また、本実施形態の水素分離体１は、浸入部の浸入深さＤ１が０．０５〜１μｍである。浸入部の浸入深さが０．０５μｍ未満であると、例えば図３に示す水素分離体２１のように、浸入部２７の浸入深さ（浸入部の浸入深さＤ３）が浅過ぎる（Ｄ１＞Ｄ３）ために、多孔質基体２２と水素分離層２３との密着性が低下して水素分離層２３が剥離し易くなる。一方、浸入部の浸入深さが１μｍ超であると、例えば図２に示す水素分離体１１のように、浸入部１７の浸入深さ（浸入部の浸入深さＤ２）が深い（Ｄ１＜Ｄ２）ために多孔質基体２２と水素分離層２３がより強固に結合し、これらの密着性が向上して水素分離体１１の耐久性が良好となる反面、水素分離層２３をガスが通り抜け難くなり、良好な水素透過性能を発揮し難くなる。
【００２７】
なお、水素透過性能を更に向上させ、水素分離層の剥離をより生じ難く、耐久性に更に優れた水素分離体を提供するといった観点からは、浸入部の浸入深さＤ１は、０．１〜０．８μｍであることが更に好ましい。
【００２８】
本実施形態の水素分離体１は、浸入部の浸入深さＤ１が、多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径以上の深さであり、平均細孔径の１．５倍以上の深さであることが更に好ましい。浸入部の浸入深さＤ１が、多孔質基体２の一の表面５の平均細孔径未満の深さであると、水素分離層が剥離し易くなるために好ましくない。
【００２９】
また、浸入部の浸入深さＤ１は、水素分離層の厚みＴ１の半分以下の深さである。浸入部の浸入深さＤ１が、水素分離層の厚みＴ１の半分を超える深さであると、水素の透過を妨げるために好ましくない。
【００３０】
多孔質基体２の一の表面５の表面粗さＲａは、１μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以下であることが更に好ましい。表面粗さＲａが１μｍ超であると、膜に欠陥が生じ易くなる傾向にある。なお、本発明において、多孔質基体の一の表面の表面粗さＲａの下限値については特に限定されないが、実質的な製造可能性等の観点からは０．０１μｍ以上であればよい。また、本明細書において、「表面粗さＲａ」とは、ＪＩＳ Ｂ０６０１「表面粗さ−定義及び表示」による算術平均粗さのことをいう。
【００３１】
また、多孔質基体２の熱膨張率（ａ）に対する、水素分離層３の熱膨張率（ｂ）の比（ｂ／ａ）の値が、０．７〜１．５であることが好ましく、０．８〜１．３であることが更に好ましい。（ｂ／ａ）の値が０．７未満であると、水素分離層の熱膨張率（ｂ）が多孔質基体の熱膨張率（ａ）に比して小さ過ぎるため、熱サイクルを加えた場合に、両者の熱膨張率の差に起因して水素分離層が多孔質基体から剥離し易くなる傾向にある。一方、（ｂ／ａ）の値が１．５超であると、多孔質基体の熱膨張率（ａ）が水素分離層の熱膨張率（ｂ）に比して小さ過ぎるため、熱サイクルを加えた場合に、やはり両者の熱膨張率の差に起因して水素分離層が多孔質基体から剥離し易くなる傾向にある。
【００３２】
多孔質基体２は、セラミックスを主成分としてなるものであることが好ましい。セラミックスを主成分とすることにより、耐熱性、耐食性等に優れ、水素分離体１の機械的強度を高めることができる。セラミックスの種類としては特に限定されるものではなく、水素分離体として一般的に使用されるセラミックスのいずれでも採用することができる。例えば、アルミナ、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア等を挙げることができる。なお、セラミックス以外の成分として、不可避的に含有される成分や、通常添加されるような成分を少量含有してもよい。また、多孔質基体２の熱膨張率を、２種類以上のセラミックス、又はセラミックスと金属とを複合化することによって調整してもよい。
【００３３】
水素分離層３は、水素選択透過性金属から構成されていることが好ましい。また、水素選択透過性金属の種類は、水素を選択的に透過させることができるものであれば特に限定されるものではない。具体的にはパラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金が好ましい。パラジウム（Ｐｄ）は水素だけを選択的に効率よく透過させることができるために好ましい。パラジウム（Ｐｄ）を含有する合金としては、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との合金やパラジウム（Ｐｄ）と銅（Ｃｕ）との合金が好ましい。パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）や銅（Ｃｕ）とを合金化することにより、パラジウム（Ｐｄ）の水素脆化が防止され、高温時における水素の分離効率が向上する。
【００３４】
多孔質基体２の一の表面５に水素分離層３を配設する方法としては、特に限定されるものではない。具体的には、メッキ処理、スパッタ処理、又は化学気相堆積（ＣＶＤ）処理等の方法が好ましい。特に、大型の多孔質基体に対しても比較的成膜が容易である点から、メッキ処理がより好ましい。
【００３５】
次に、本発明の水素分離体の製造方法の一実施形態について説明する。本実施形態の水素分離体の製造方法では、先ず、図１に示すような、一の表面５の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍである多孔質基体２を用意する。多孔質基体２の製造方法は特に限定されず、従来公知の方法によって製造することができる。なお、用いるセラミックス粒子の形状・粒径等、及び造孔剤の種類・使用量等を適宜調整することによって、一の表面５の平均細孔径を所望の値とすることができる。
【００３６】
次いで、例えばメッキ処理により、多孔質基体２の一の表面５から０．０５〜１μｍの深さまで浸入した浸入部７を形成して水素分離層３を配設する。水素分離層３の厚みを所定の範囲内とするには、メッキ処理に際して使用するメッキ液に多孔質基体２を浸漬する時間を適当に調整等すればよい。また、形成される浸入部７の深さを所定の範囲内とするには、メッキ処理の際に、多孔質基体２の一の表面５の反対側の他の表面の側から真空ポンプ等で適当に減圧等すればよい。浸入部７の深さは、減圧等した際の圧力値をメッキ中所定の値に保持したり、メッキ中に変化させることによって調節可能である。
【００３７】
多孔質基体２の一の表面５に水素分離層３をメッキ処理することにより配設するには、例えば、化学メッキを採用することが好ましい。化学メッキにより多孔質基体２の一の表面５にパラジウム（Ｐｄ）を配設するには、先ず、多孔質基体２を活性化金属を含有する溶液に浸漬させることにより、一の表面５に活性化金属を含有する溶液を付着させた後、水洗する。活性化金属としては、２価のパラジウムを含有する化合物を好適に用いることができる。活性化金属を一の表面５に付着させる方法としては、例えば、水素選択透過性金属としてパラジウム（Ｐｄ）を用いる場合、多孔質基体２を塩化パラジウムの塩酸水溶液と塩化錫の塩酸水溶液に交互に浸漬させることが好ましい。
【００３８】
活性化金属を一の表面５に付着させた後に、多孔質基体２の一の表面５の側を、水素選択透過性金属（例えば、パラジウム（Ｐｄ））と還元剤とを含有するメッキ溶液に浸漬させる。これにより、活性化金属を核として、パラジウム（Ｐｄ）が析出し、パラジウム（Ｐｄ）からなる水素分離層３が形成される。還元剤としては、ヒドラジン、ジメチルアミンボラン、ホスフィン酸ナトリウム、ホスホン酸ナトリウム等を挙げることができる。
【００３９】
水素分離層３を構成する水素選択透過性金属として、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との合金を用いる場合には、パラジウム（Ｐｄ）からなる層を一の表面５に化学メッキすることにより配設した後、このパラジウム（Ｐｄ）からなる層の表面に銀（Ａｇ）を更にメッキする。次いで、加熱することにより、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）とを相互拡散させれば、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との合金を水素選択透過性金属として用いた水素分離層３を形成することができる。なお、パラジウム（Ｐｄ）からなる層の表面に銀（Ａｇ）をメッキするに際しては、化学メッキをすることや、パラジウム（Ｐｄ）からなる層を電極とし、電気メッキすることが好ましい。この際、用いるパラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）との質量比（Ｐｄ：Ａｇ）が、９０：１０〜７０：３０であることが好ましい。
【実施例】
【００４０】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１）
多孔質基体として、外径１０ｍｍ、内径７ｍｍ、長さ３００ｍｍ、外周表面の平均細孔径が０．２μｍである円筒管形状のα−アルミナ多孔質管を用意した。このα−アルミナ多孔質管を純水で洗浄した後、活性化処理を行った。活性化処理は、α−アルミナ多孔質管を２価のパラジウム（Ｐｄ）イオンを含有する溶液中に浸漬した後、還元処理を行うことによって実施した。活性化処理を行ったα−アルミナ多孔質管を、パラジウム（Ｐｄ）塩、錯化剤、及び還元剤を含有する溶液（メッキ液）中に浸漬することによって、α−アルミナ多孔質管の外周表面に対してパラジウム（Ｐｄ）の化学メッキを行い、パラジウム（Ｐｄ）膜を形成した。なお、化学メッキするに際しては、真空ポンプを使用してα−アルミナ多孔質管の内側を減圧状態とした。次いで、パラジウム（Ｐｄ）膜上に銀（Ａｇ）を電気メッキによって成膜した。なお、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）の質量比は８０：２０となるように調整した。これをアルゴン（Ａｒ）ガス中８００℃で１時間加熱処理することによって合金化を行うことによりパラジウム（Ｐｄ）合金膜を形成して水素分離体（実施例１）を作製した。パラジウム（Ｐｄ）合金膜（水素分離層）の膜厚は２μｍ、パラジウム（Ｐｄ）合金のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さは０．５μｍであった。なお、パラジウム（Ｐｄ）合金の膜厚はＸ線蛍光膜厚測定装置によって、パラジウム（Ｐｄ）合金のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さは断面の電子顕微鏡観察によって、それぞれ測定した。
【００４２】
（実施例２〜８、比較例１〜１１）
その外周表面の平均細孔径（μｍ）が、表１に示す値である円筒管形状のα−アルミナ多孔質管を使用し、この外周面上に、表１に示す厚み（μｍ）を有するパラジウム（Ｐｄ）合金膜（水素分離層）を、パラジウム（Ｐｄ）合金膜のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さが表１に示す深さ（μｍ）となるように形成したこと以外は、前述の実施例１と同様にして水素分離体（実施例２〜８、比較例１〜１１）を作製した。なお、それぞれの水素分離体のパラジウム（Ｐｄ）合金膜の厚みは、メッキ液へのα−アルミナ多孔質管の浸漬時間を変化させことによって適宜調整した。また、パラジウム（Ｐｄ）合金膜のα−アルミナ多孔質管の内部への浸入深さは、真空ポンプの吸引圧力を変化させることによって適宜調整した。
【００４３】
（ヘリウム（Ｈｅ）ガス漏洩量の測定）
水素分離体（実施例１〜８、比較例１〜１１）のパラジウム（Ｐｄ）合金膜の側に８００ｋＰａの圧力でヘリウム（Ｈｅ）ガスを導入し、α−アルミナ多孔質管の内周面側に漏洩するヘリウム（Ｈｅ）ガス量を測定することによって行った。ヘリウム（Ｈｅ）ガス漏洩量を測定した結果を表１に示す。
【００４４】
（水素透過係数の測定）
水素分離体（実施例１〜８、比較例１〜１１）を電気炉中で５００℃に加熱した状態で、α−アルミナ多孔質管の外周表面のパラジウム（Ｐｄ）合金膜の側に加える圧力を変化させながら水素（Ｈ２）ガスを導入し、α−アルミナ多孔質管の内周面側に漏洩する水素（Ｈ２）ガス量を測定した。水素透過係数を測定した結果を表１に示す。
【００４５】
（評価）
各水素分離体を、以下に示す基準に従ってＡ〜Ｄの四段階に評価した。評価結果を表１に示す。
「Ａ」：ヘリウムガス漏洩量が０．０１ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ）未満、水素透過係数が１００ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）以上、かつ水素透過係数と水素分離層の厚みとの積が５００｛ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）｝・μｍ以上
「Ｂ」：ヘリウムガス漏洩量が測定可能であり、かつ０．０１ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ）以上
「Ｃ」：水素分離層に剥離を生じてガス漏洩量が過多となり、ヘリウムガス漏洩量又は水素透過係数の測定不能
「Ｄ」：ヘリウムガス漏洩量が０．０１ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ）未満であるとともに、水素透過係数が１００ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）未満、又は水素透過係数と水素分離層の厚みとの積が５００｛ｍｌ／（ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２）｝・μｍ未満
【００４６】
ここで、水素分離体の評価を上記のような基準としたのは、パラジウム（Ｐｄ）の使用量を削減するためには水素透過係数が大きいことが望ましく、また、一般的に、水素透過係数は水素分離層の厚みの逆数に比例することから、水素透過係数と水素分離層の厚みとの積の値が大きいほど、パラジウム（Ｐｄ）合金膜の特性が引き出されていると判断できるためである。なお、水素透過係数が１００ｍｌ／ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２以上であることや、水素透過係数と水素分離層の厚みとの積が５００ｍｌ／ｃｍ２・ｍｉｎ・Ｐａ１／２・μｍ以上であることを評価の基準としたのは、水素分離層を構成する水素透過性金属として、パラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）の比率（質量比）が８０：２０のパラジウム（Ｐｄ）−銀（Ａｇ）合金を使用したからである。従って、水素分離層を構成する水素透過性金属として、その他の組成のパラジウム（Ｐｄ）合金やパラジウム（Ｐｄ）を使用した場合には、それらの組成に応じた値を評価の基準とすることが当然に好ましい。
【００４７】
【表１】
【００４８】
表１に示す結果から、実施例１〜８の水素分離体は、比較例１〜１１の水素分離体に比して、ヘリウム（Ｈｅ）ガス漏洩量が少なく（気密性が高く）、水素透過係数が大きい（水素透過性能が高い）ものであり、かつ、水素分離層の剥離等の欠陥が生じ難い耐久性に優れたものであることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の水素分離体は、水素分離層に亀裂や剥離等の欠陥が生じ難く、高温条件下での使用や長期間使用に好適であり、水蒸気改質ガス等の水素を含有するガスから水素のみを選択的に取り出す分離体として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の水素分離体の一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図２】水素分離体の一例を模式的に示す断面図である。
【図３】水素分離体の他の例を模式的に示す断面図である。
【図４】水素分離体の更に他の例を模式的に示す断面図である。
【図５】図４に示す水素分離体の水素分離層に亀裂が生じた状態を模式的に示す断面図である。
【図６】水素分離体の更に他の例を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１，１１，２１，３１，４１：水素分離体、２，１２，２２，３２，４２：多孔質基体、３，１３，２３，３３，４３：水素分離層、４：セラミックス粒子、５：一の表面、６：亀裂、７，１７，２７：浸入部、Ｔ１：水素分離層の厚み、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３：浸入部の浸入深さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体であって、
前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍ、前記水素分離層の厚みが１〜５μｍ、
前記浸入部の浸入深さが、０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである水素分離体。
【請求項２】
前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である請求項１に記載の水素分離体。
【請求項３】
前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる請求項１又は２に記載の水素分離体。
【請求項４】
前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素分離体。
【請求項５】
前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である請求項４に記載の水素分離体。
【請求項６】
その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体の製造方法であって、
前記一の表面の平均細孔径が、０．０２〜０．５μｍである前記多孔質基体を用意し、
その浸入深さが、前記一の表面から０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである前記浸入部を形成して、その厚みが１〜５μｍである前記水素分離層を配設することを含む水素分離体の製造方法。
【請求項７】
前記水素分離層をメッキ処理により配設する請求項６に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項８】
前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である請求項６又は７に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項９】
前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる請求項６〜８のいずれか一項に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項１０】
前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる請求項６〜９のいずれか一項に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項１１】
前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である請求項１０に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項１】
その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体であって、
前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径が０．０２〜０．５μｍ、前記水素分離層の厚みが１〜５μｍ、
前記浸入部の浸入深さが、０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである水素分離体。
【請求項２】
前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である請求項１に記載の水素分離体。
【請求項３】
前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる請求項１又は２に記載の水素分離体。
【請求項４】
前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素分離体。
【請求項５】
前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である請求項４に記載の水素分離体。
【請求項６】
その一の表面から他の表面まで連通する多数の細孔を有する多孔質基体と、前記多孔質基体の前記一の表面に、多数の前記細孔を通じて前記一の表面から所定深さまで浸入した浸入部を形成した状態で配設された水素分離層とを備えた水素分離体の製造方法であって、
前記一の表面の平均細孔径が、０．０２〜０．５μｍである前記多孔質基体を用意し、
その浸入深さが、前記一の表面から０．０５〜１μｍであるとともに前記多孔質基体の前記一の表面の平均細孔径以上の深さであり、かつ前記水素分離層の厚みの半分以下の深さである前記浸入部を形成して、その厚みが１〜５μｍである前記水素分離層を配設することを含む水素分離体の製造方法。
【請求項７】
前記水素分離層をメッキ処理により配設する請求項６に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項８】
前記多孔質基体の前記一の表面の表面粗さＲａが、１μｍ以下である請求項６又は７に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項９】
前記多孔質基体が、セラミックスを主成分としてなる請求項６〜８のいずれか一項に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項１０】
前記水素分離層が、水素選択透過性金属からなる請求項６〜９のいずれか一項に記載の水素分離体の製造方法。
【請求項１１】
前記水素選択透過性金属が、パラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム（Ｐｄ）を含有する合金である請求項１０に記載の水素分離体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２３９６７９（Ｐ２００６−２３９６７９Ａ）
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７７９２（Ｐ２００６−１７７９２）
【出願日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月１４日（２００６．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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