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JP2008246317A - Hydrogen separator and fuel cell - Google Patents

Hydrogen separator and fuel cell Download PDF

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JP2008246317A
JP2008246317A JP2007088672A JP2007088672A JP2008246317A JP 2008246317 A JP2008246317 A JP 2008246317A JP 2007088672 A JP2007088672 A JP 2007088672A JP 2007088672 A JP2007088672 A JP 2007088672A JP 2008246317 A JP2008246317 A JP 2008246317A
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JP
Japan
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hydrogen
porous support
permeable membrane
gas
hydrogen permeable
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Application number
JP2007088672A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Tanaka
裕之 田中
Toru Shimamori
融 島森
Hidekazu Shigaki
秀和 志垣
Kohei Mitsuya
耕平 三矢
Isamu Yasuda
勇 安田
Yoshinori Shirasaki
義則 白崎
Tatsuya Tsuneki
達也 常木
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.)
Tokyo Gas Co Ltd
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
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Publication date
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
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Abstract

【課題】水素透過膜を支持し、かつ高温環境下においても水素透過膜の剥れ、膨れ又は孔等が生じるのを防ぐことのできる多孔質支持体を備えて成る水素分離装置を提供すること。
【解決手段】両端若しくは一端を開口する筒形状を有し、又は板形状を有する多孔質支持体と、前記多孔質支持体の表面を被覆し、かつ水素が選択的に透過することのできる水素透過膜とを備え、前記多孔質支持体の前記水素透過膜が被覆する表面に存在する、角部を有する凹部を研削して円滑凹部を形成することを特徴とする水素分離装置の製造方法。
【選択図】図5
To provide a hydrogen separator comprising a porous support that supports a hydrogen permeable membrane and can prevent the hydrogen permeable membrane from peeling, swelling or pores even in a high temperature environment. .
A porous support having a cylindrical shape that opens at both ends or one end or a plate shape, and a hydrogen that covers the surface of the porous support and allows hydrogen to permeate selectively. A method for producing a hydrogen separator, comprising: a permeation membrane, wherein a smooth recess is formed by grinding a recess having a corner that is present on a surface of the porous support that is covered with the hydrogen permeation membrane.
[Selection] Figure 5

Description

この発明は、水素分離装置及び燃料電池に関し、特に詳しくは、水素透過膜を支持する多孔質支持体が高温環境下等によってもガス漏出の原因となるピンホール等を生ずることがない水素分離装置及び前記水素分離装置で分離した水素を燃料として電力を取り出すことのできる燃料電池に関する。   The present invention relates to a hydrogen separator and a fuel cell, and more particularly, a hydrogen separator in which a porous support that supports a hydrogen permeable membrane does not cause pinholes or the like that cause gas leakage even under a high temperature environment. The present invention also relates to a fuel cell that can extract electric power using hydrogen separated by the hydrogen separator as fuel.

特許文献1には、「多孔質セラミック層に、無電解パラジウムめっきを施して電気伝導性付与した後、その上に、電解パラジウムめっきにより、表面を完全に被覆する電解パラジウム又はパラジウム合金めっき膜の被覆を形成することを特徴とするガス分離薄膜の製造方法」(特許文献1の請求項1参照。)が記載されており、また、実施例(特許文献1の第2頁右欄〜第3頁参照。)では、この製造方法を用いて得られるガス分離膜も記載されている。   Patent Document 1 discloses that an electrolytic palladium or palladium alloy plating film that completely covers the surface by electroless palladium plating after electroless palladium plating is applied to the porous ceramic layer. “A method for producing a gas separation thin film characterized by forming a coating” (see claim 1 of Patent Document 1) is described, and examples (Patent Document 1, page 2, right column to third column) are described. Page)) also describes gas separation membranes obtained using this production method.

特許文献2には、「金属多孔体表面にPd水素分離膜を形成する方法において、先ず金属多孔体表面に電気Niめっきを行い、次に同Niめっき層上に電気Pdめっきを行った後、上記金属多孔体の裏面から真空吸引しつつ、上記電気Pdめっき層上に無電解Pdめっきを行うことを特徴とする水素分離膜の製造方法」(特許文献2の請求項1参照。)が記載されており、更に、実施例(特許文献2の[0016]〜[0024]欄参照。)では、この製造方法を用いて得られる分離膜も記載されている。   Patent Document 2 states that “in the method of forming a Pd hydrogen separation membrane on the surface of a metal porous body, first, electro Ni plating is performed on the surface of the metal porous body, and then electro Pd plating is performed on the Ni plating layer. “A method for producing a hydrogen separation membrane, wherein electroless Pd plating is performed on the electric Pd plating layer while vacuuming from the back surface of the porous metal body” (see claim 1 of Patent Document 2). Further, in Examples (see columns [0016] to [0024] in Patent Document 2), a separation membrane obtained by using this production method is also described.

特許文献3には、「水素含有ガスから水素を選択的に透過分離する無機水素分離膜の製造方法において、多孔質担体の表面にパラジウム若しくはパラジウムを主体とした合金の薄膜を形成させたのち、薄膜のピンホ−ルを探査し、探査したピンホ−ル部にパラジウムを主体とした合金若しくはパラジウムと合金化する金属を被着し、被着した金属がパラジウムと合金化する温度で加熱処理してパラジウム系水素分離膜を製造する無機水素分離膜の製造方法」(特許文献3の請求項1参照。)が記載されており、実施例(特許文献3の[0015]〜[0018欄参照。)として、この製造方法を用いて得られる無機水素分離膜も記載されている。   In Patent Document 3, “in the method for producing an inorganic hydrogen separation membrane for selectively permeating and separating hydrogen from a hydrogen-containing gas, after forming a thin film of palladium or an alloy mainly composed of palladium on the surface of the porous carrier, The pinhole of the thin film was probed, and the probed pinhole portion was coated with an alloy mainly composed of palladium or a metal alloying with palladium, and heat-treated at a temperature at which the deposited metal was alloyed with palladium. “Method for producing inorganic hydrogen separation membrane for producing palladium-based hydrogen separation membrane” (see claim 1 of Patent Document 3) is described, and examples (see [0015] to [0018] in Patent Document 3). Inorganic hydrogen separation membranes obtained using this production method are also described.

ところで、水素透過膜の使用条件、例えば高温環境下での使用等によっては水素透過膜に剥れ、膨れ又は孔等が生じることがあり、この水素透過膜の剥れ、膨れ又は孔等は、水素透過膜が被覆する多孔質体に原因があることが多かった。しかし、特許文献1〜3に記載の製造方法においては、水素透過膜の形成方法についての記載がなされているが、多孔質体に関する記載がない。仮に、多孔質体が高温環境下等に曝された場合にも、水素透過膜に剥れ、膨れ又は孔等を生じさせることのない多孔質体を備えた水素分離装置が望まれていた。更に、前記水素分離装置で分離される水素を燃料として電力を取り出すことのできる燃料電池も望まれていた。   By the way, depending on the use conditions of the hydrogen permeable membrane, for example, use in a high temperature environment, the hydrogen permeable membrane may be peeled off, swollen or punctured. The cause is often the porous material covered by the hydrogen permeable membrane. However, in the manufacturing methods described in Patent Documents 1 to 3, there is a description about a method for forming a hydrogen permeable membrane, but there is no description about a porous body. Even if the porous body is exposed to a high temperature environment or the like, there has been a demand for a hydrogen separation apparatus including a porous body that does not peel off, swell, or form pores on the hydrogen permeable membrane. Furthermore, a fuel cell that can extract electric power using hydrogen separated by the hydrogen separator as a fuel has been desired.

特公平5−53527号公報Japanese Patent Publication No. 5-53527 特開平5−123548号公報JP-A-5-123548 特開2002−119834号公報JP 2002-119834 A

この発明が解決しようとする課題は、水素透過膜を支持し、かつ高温環境下においても水素透過膜の剥れ、膨れ又は孔等が生じるのを防ぐことのできる多孔質支持体を備えて成る水素分離装置を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a porous support that supports the hydrogen permeable membrane and can prevent the hydrogen permeable membrane from peeling, swelling or pores even in a high temperature environment. It is to provide a hydrogen separator.

また、この発明が解決しようとする別の課題は、前記水素分離装置で分離した水素を燃料として電力を取り出すことのできる燃料電池を提供することである。   Another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell that can extract electric power using hydrogen separated by the hydrogen separator as fuel.

前記課題を解決するための手段として、
請求項1は、両端若しくは一端を開口する筒形状を有し、又は板形状を有する多孔質支持体と、
前記多孔質支持体の表面を被覆し、かつ水素が選択的に透過することのできる水素透過膜とを備え、
前記多孔質支持体の前記水素透過膜が被覆する表面に存在する、角部を有する凹部を研削して円滑凹部を形成することを特徴とする水素分離装置の製造方法であり、
請求項2は、両端若しくは一端を開口する筒形状を有し、又は板形状を有する多孔質支持体と、
前記多孔質支持体の表面を被覆し、かつ水素が選択的に透過することのできる水素透過膜とを備え、
前記多孔質支持体の前記水素透過膜が被覆する表面に存在する、角部を有する凸部を研削により除去することを特徴とする水素分離装置の製造方法であり、
請求項3は、前記多孔質支持体の表面をバリア層が被覆し、かつ前記バリア層の表面を水素透過膜が被覆することを特徴とする前記請求項1又は2に記載の水素分離装置の製造方法であり、
請求項4は、前記多孔質支持体は、供給されるガスを改質することにより水素ガスを生成する改質触媒を含有することを特徴とする前記請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法であり、
請求項5は、前記水素透過膜は、その一部又は全部がパラジウム又はパラジウムを含有する合金であることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法であり、
請求項6は、前記請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法から得られる水素分離装置と、水素を燃料として電力を取り出すことのできる電力発生部とが一体的に設けられて成る燃料電池であり、
請求項7は、前記請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法から得られる水素分離装置と、水素を燃料として電力を取り出すことのできる電力発生部とが別体的に設けられて成る燃料電池である。
As means for solving the problems,
Claim 1 has a cylindrical shape that opens both ends or one end, or a porous support having a plate shape;
A hydrogen permeable membrane that covers the surface of the porous support and allows hydrogen to selectively permeate;
A method for producing a hydrogen separator, characterized in that a smooth recess is formed by grinding a recess having a corner, present on the surface of the porous support that is covered by the hydrogen permeable membrane,
Claim 2 has a cylindrical shape opening both ends or one end, or a porous support having a plate shape,
A hydrogen permeable membrane that covers the surface of the porous support and allows hydrogen to selectively permeate;
A method for producing a hydrogen separator, characterized by removing, by grinding, a convex portion having a corner, present on the surface of the porous support covered by the hydrogen permeable membrane,
The hydrogen separator according to claim 1 or 2, wherein a surface of the porous support is covered with a barrier layer, and a surface of the barrier layer is covered with a hydrogen permeable membrane. Manufacturing method,
According to a fourth aspect of the present invention, the porous support includes a reforming catalyst that generates hydrogen gas by reforming a supplied gas. It is a manufacturing method of the described hydrogen separator,
A fifth aspect of the present invention provides the hydrogen separator according to any one of the first to fourth aspects, wherein a part or all of the hydrogen permeable membrane is palladium or an alloy containing palladium. Is the way
According to a sixth aspect of the present invention, the hydrogen separator obtained from the method of manufacturing a hydrogen separator according to any one of the first to fifth aspects and an electric power generation unit capable of taking out electric power using hydrogen as a fuel are integrated. A fuel cell provided in
In a seventh aspect of the present invention, the hydrogen separator obtained from the method for manufacturing a hydrogen separator according to any one of the first to fifth aspects and a power generation unit capable of taking out electric power using hydrogen as a fuel are separated. This is a fuel cell that is provided.

この発明の水素分離装置の製造方法は、多孔質支持体が高温環境下等に曝されることよってピンホール等になり得る、角部を有する凹部又は凸部を研削して角部を除去するので、該多孔質支持体を被覆する水素透過膜の剥れ、膨れ及び孔等が生じることがなく、水素ガス以外のガスの漏出を防ぐことができる。   The method for producing a hydrogen separator according to the present invention removes a corner by grinding a concave or convex portion having a corner, which can become a pinhole or the like when the porous support is exposed to a high temperature environment or the like. Therefore, the hydrogen permeable membrane covering the porous support is not peeled off, swollen, or pores, and leakage of gases other than hydrogen gas can be prevented.

また、この発明の燃料電池は、前記水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置で分離した水素を燃料として電力を取り出すことができる。   Moreover, the fuel cell of this invention can take out electric power by making into use the hydrogen isolate | separated with the hydrogen separator obtained by the manufacturing method of the said hydrogen separator as a fuel.

この発明の水素製造装置の製造方法は、多孔質支持体と水素透過膜とを備え、前記多孔質支持体の表面の角部を有する凹部又は凸部を研削する。   The method for producing a hydrogen production apparatus according to the present invention comprises a porous support and a hydrogen permeable membrane, and grinds a concave or convex portion having a corner on the surface of the porous support.

前記多孔質支持体は、両端若しくは一端を開口する筒形状を有し、又は板形状を有する。   The porous support has a cylindrical shape that opens at both ends or one end, or has a plate shape.

前記多孔質支持体は、多孔質であり、気体が多孔質支持体を通過することのできる気体流通性、後述の水素透過膜を支持することのできる膜支持性、及びこの発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置(以下、「この発明の水素分離装置」と略称することがある。)に供給されるガス(以下、「原料ガス」と称することがある。)と反応しない非反応性を有している。前記多孔質支持体は、気体流通性、膜支持性及び非反応性を有する限り、種々の材料で形成される。例えば、前記材料として、無機酸化物、カーボン、無機窒化物等が挙げられる。前記材料の内、無機酸化物としては、例えば、酸化アルミニウム、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、安定化ジルコニア、多孔質ガラス等が挙げられる。更に、前記材料を単一で用いることもでき、混合し、又は複合して用いることもできる。   The porous support is porous and allows gas to pass through the porous support, a membrane support capable of supporting a hydrogen permeable membrane described later, and the hydrogen separator according to the present invention. It does not react with a gas (hereinafter sometimes referred to as “source gas”) supplied to a hydrogen separation device (hereinafter sometimes referred to as “hydrogen separation device according to the present invention”) obtained by the above production method. Non-reactive. The porous support is formed of various materials as long as it has gas flowability, membrane supportability and non-reactivity. For example, examples of the material include inorganic oxide, carbon, and inorganic nitride. Among the materials, examples of the inorganic oxide include aluminum oxide, silica, silica-alumina, mullite, cordierite, zirconia, stabilized zirconia, and porous glass. Further, the materials can be used singly, mixed or combined.

前記多孔質支持体は、例えば造孔剤として用いることのできる黒鉛粉又はコーンスターチ等と前記材料とを混合して得られる混合物を板状体又は筒状体に成形し、この板状体又は筒状体を焼結することにより得ることができる。   The porous support is formed, for example, by forming a mixture obtained by mixing graphite powder, corn starch or the like, which can be used as a pore-forming agent, with the material into a plate or cylinder, and the plate or cylinder. It can be obtained by sintering the shaped body.

ここで、前記原料ガスとしては、水素を含有した混合ガスであってもよく、改質されて水素ガスを生成するガスであってもよい。原料ガスとしては、例えば水素ガスに炭酸ガス、メタン及び水蒸気等を混合した混合ガス、又は水蒸気を反応させて水素ガスを生成することのできる炭化水素ガス等を挙げることができる。   Here, the source gas may be a mixed gas containing hydrogen, or a gas that is reformed to generate hydrogen gas. Examples of the source gas include a mixed gas obtained by mixing carbon dioxide, methane, and water vapor with hydrogen gas, or a hydrocarbon gas that can generate hydrogen gas by reacting water vapor.

前記原料ガスとして、改質されて水素ガスを主成分としたガスが生成するようなガスを用いる場合には、多孔質支持体は、原料ガスが反応し、分解され又は水蒸気改質によって水素を生成する機能(以下、「触媒機能」と称することがある。)を備えて成るのが、好ましい。多孔質支持体が筒状に形成される場合において、多孔質支持体の内部に前記原料ガスを供給することにより多孔質支持体の外部に水素ガスを取り出し、又は、多孔質支持体の外部に前記原料ガスを供給することにより多孔質支持体の内部に水素ガスを取り出すようにするには、触媒機能を有していない多孔質支持体の内表面又は外表面に前記触媒機能を有する膜を設けて多層構造と成る態様、又は触媒機能を有する金属粒子を多孔質支持体に担持させる態様等を採用し得るが、該態様はこの発明の水素分離装置の製作工程及び構造を複雑にするので、そのような態様を採用することのない、触媒機能を有する多孔質支持体が構造的にも単純化することができる。   When a gas that is reformed to generate a gas mainly composed of hydrogen gas is used as the raw material gas, the porous support is reacted with the raw material gas, decomposed or decomposed by steam reforming. It is preferable to have a function to be generated (hereinafter sometimes referred to as “catalyst function”). In the case where the porous support is formed in a cylindrical shape, hydrogen gas is taken out of the porous support by supplying the raw material gas into the porous support, or outside the porous support. In order to take out hydrogen gas into the porous support by supplying the raw material gas, a membrane having the catalytic function is provided on the inner surface or the outer surface of the porous support having no catalytic function. It is possible to adopt a mode in which a multi-layer structure is provided, or a mode in which metal particles having a catalytic function are supported on a porous support, but this mode complicates the manufacturing process and structure of the hydrogen separator of the present invention. The porous support having a catalytic function without adopting such an embodiment can be simplified structurally.

触媒機能を有する多孔質支持体は、上述の多孔質支持体を形成するに必要な材料と触媒機能を有する材料とを混合し、又は複合して形成されることができる。触媒機能を有する多孔質支持体としては、例えば、炭化水素の水蒸気改質に利用されるニッケルを付加した多孔質支持体、具体例として、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物を主成分とする多孔質焼結体(「Ni−YSZサーメット」と称することがある)、ニッケルを付加した多孔質セラミックス、又はニッケルを付加した多孔質ガラス等を挙げることができる。原料ガスとして合成ガス又は水性ガスを用いる場合には、多孔質支持体に鉄及び/又はクロム成分等を含有させて触媒機能を発現させることもできる。多孔質支持体に触媒機能を付与するための成分は、原料ガスの種類等によって適宜選択することができる。   The porous support having a catalytic function can be formed by mixing or combining a material necessary for forming the above-described porous support and a material having a catalytic function. As the porous support having a catalytic function, for example, a porous support to which nickel used for steam reforming of hydrocarbons is added, and as a specific example, a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia is a main component. Examples thereof include a porous sintered body (sometimes referred to as “Ni—YSZ cermet”), porous ceramics added with nickel, or porous glass added with nickel. When a synthesis gas or a water gas is used as the raw material gas, the porous support can contain an iron and / or chromium component and the like, and a catalytic function can be expressed. The component for imparting a catalytic function to the porous support can be appropriately selected depending on the type of the raw material gas.

更に、多孔質支持体の気孔率及び気孔径を制御することにより、それらの強度及び気体透過性等を調節することもできる。   Furthermore, by controlling the porosity and pore diameter of the porous support, their strength, gas permeability and the like can be adjusted.

多孔質支持体の気孔率は、10〜85%であることが好ましい。気孔率が10%未満であると、多孔質支持体中を原料ガスが速やかに流れず、圧力損失が大きくなることがあり、特に炭化水素の水蒸気改質をすることのできる触媒機能を備えた多孔質支持体を用いる場合には、炭化水素を十分に改質して必要な水素ガスを充分に生成させることができないことがある。一方、気孔率が85%を超えると、多孔質支持体の強度が低下することがある。この発明の水素分離装置における多孔質支持体の気孔率は、アルキメデス法によって測定した値である。多孔質支持体の気孔率は、部材の強度、原料ガスが与える多孔質支持体に対しての圧力等に基づいて適宜に決定される。   The porosity of the porous support is preferably 10 to 85%. When the porosity is less than 10%, the raw material gas does not flow quickly through the porous support, and the pressure loss may increase. In particular, it has a catalytic function capable of steam reforming of hydrocarbons. When a porous support is used, it may not be possible to sufficiently generate the necessary hydrogen gas by sufficiently reforming the hydrocarbon. On the other hand, when the porosity exceeds 85%, the strength of the porous support may be lowered. The porosity of the porous support in the hydrogen separator according to the present invention is a value measured by Archimedes method. The porosity of the porous support is appropriately determined based on the strength of the member, the pressure applied to the porous support by the source gas, and the like.

多孔質支持体の平均気孔径は0.05〜30μmであることが好ましい。平均気孔径が0.05μm未満であると、多孔質支持体中を原料ガスが速やかに流れず、圧力損失が大きくなることがある。特に炭化水素の水蒸気改質をすることのできる触媒機能を備えた多孔質支持体を用いる場合には、原料ガスを十分に改質して必要な水素ガスを充分に生成させることができないことがある。一方、平均気孔径が30μmを超えると、多孔質支持体の十分な強度が保たれない恐れがある。また、多孔質支持体により支持される水素透過膜に空隙等の欠陥が生じることがあり、水素透過膜の水素の透過能が低下することもある。この発明の水素分離装置における多孔質支持体の平均気孔径は、その表面を電子顕微鏡、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)等で観察して、気孔の開口を円に近似して求められる開口径を、算術平均して算出することができる。   The average pore diameter of the porous support is preferably 0.05 to 30 μm. When the average pore diameter is less than 0.05 μm, the raw material gas does not flow quickly through the porous support, and the pressure loss may increase. In particular, when using a porous support having a catalytic function capable of steam reforming hydrocarbons, the raw material gas cannot be sufficiently reformed to generate sufficient hydrogen gas. is there. On the other hand, when the average pore diameter exceeds 30 μm, there is a fear that sufficient strength of the porous support cannot be maintained. In addition, defects such as voids may occur in the hydrogen permeable membrane supported by the porous support, and the hydrogen permeability of the hydrogen permeable membrane may decrease. The average pore diameter of the porous support in the hydrogen separator according to the present invention is obtained by observing the surface with an electron microscope, for example, a scanning electron microscope (SEM), and approximating the pore opening to a circle. Can be calculated by arithmetic averaging.

多孔質支持体の気孔率及び平均気孔径を前記範囲に制御するには、形成する材料として用いられる粉末の粒径、粒径分布及び/又は焼成温度を適宜調整すればよい。   In order to control the porosity and average pore diameter of the porous support within the above ranges, the particle diameter, particle diameter distribution and / or firing temperature of the powder used as the material to be formed may be adjusted as appropriate.

この発明の水素分離装置の製造方法においては、上述のように気孔径等を調整された多孔質支持体における後述の水素透過膜が被覆される表面に、例えば多孔質支持体が高温環境下等に曝されることによりピンホールが生じる、又は水素透過膜が均一に被覆されない等の不都合が生じ得る角部を有する凹部(以下、単に「凹部」と称することがある。)又は凸部(以下、単に「凸部」と称することがある。)が存在していることが多く、前記不都合が生じることにより該多孔質支持体を被覆する水素透過膜の剥れ、膨れ又は孔等を生じることがあるので、多孔質支持体に水素透過膜を被覆する前に前記凹部又は凸部を予め除去しておくのが好ましい。この発明の水素分離装置の多孔質支持体は、角部を有する凹部又は凸部を研削により除去して成るので、多孔質支持体を被覆する水素透過膜の剥れ、膨れ又は孔等が生じ難い。   In the method for producing a hydrogen separator according to the present invention, the surface of the porous support whose pore diameter and the like are adjusted as described above is covered with a hydrogen permeable membrane described later, for example, the porous support is in a high temperature environment. A concave portion (hereinafter sometimes simply referred to as a “concave portion”) or a convex portion (hereinafter, sometimes referred to as “concave portion”) that may cause inconveniences such as a pinhole being caused by exposure to the surface or a hydrogen permeable membrane not being uniformly coated. In many cases, the hydrogen permeation membrane covering the porous support is peeled off, swollen, or pores due to the above disadvantages. Therefore, it is preferable to remove the concave portion or the convex portion in advance before coating the porous support with the hydrogen permeable membrane. Since the porous support of the hydrogen separator according to the present invention is formed by removing the concave or convex portions having the corners by grinding, peeling, swelling, or pores of the hydrogen permeable membrane covering the porous support are generated. hard.

ここで、凹部又は凸部が有する角部とは、その表面に水素透過膜を被覆すると、その角部を起点として、水素透過膜に剥れ又は亀裂等が生じる場合がある部位を示す。角部としては、例えば多孔質支持体表面における凹部の開口尖鋭部分、又は多孔質支持体表面の凹部における内部表面の突出部分等を例示することができる。また角部は、多孔質支持体を微視的に見ると丸みを帯びているが、水素透過膜に剥れ等の不都合を生じさせることのある部位も含む。   Here, the corner part of the concave part or the convex part means a part where the hydrogen permeable film may be peeled off or cracked from the corner part when the surface is covered with the hydrogen permeable film. As a corner | angular part, the opening sharp part of the recessed part in the porous support surface, or the protrusion part of the internal surface in the recessed part of the porous support surface etc. can be illustrated, for example. The corners are round when the porous support is viewed microscopically, but also include sites that may cause inconveniences such as peeling off the hydrogen permeable membrane.

ここで、多孔質支持体の凹部又は凸部は次のようにして発見することができる。先ず、上述の材料等で筒体又は板体として多孔質支持体を形成する。次に、該多孔質支持体の水素透過膜が被覆する表面に光を照射することにより、該表面の凹凸に起因して生じる影を観察して影が生じている箇所を除去する凹部又は凸部と判別する。多孔質支持体の表面に照射する光は、該表面を観察する際に眼球等に悪影響を与えない光が好ましく、例えば照明光等を用いることができる。更に、多孔質支持体の表面に照射される光を複数方向から照射することにより、該表面の凹部又は凸部の影が複数方向に生じるので、凹部又は凸部の位置を判別及び発見し易くなる。また、光を照射した多孔質支持体の表面は、該表面の凹凸を発見することのできる観察手段を用いる限り特に限定されず、例えば顕微鏡又はルーペ等で観察することができる。   Here, the recessed part or convex part of a porous support body can be discovered as follows. First, a porous support is formed as a cylinder or a plate with the above-described materials. Next, by irradiating the surface of the porous support covered with the hydrogen permeable membrane with light, the shadow caused by the irregularities on the surface is observed, and the concave or convex portions are removed. Discriminate. The light applied to the surface of the porous support is preferably light that does not adversely affect the eyeball when observing the surface. For example, illumination light or the like can be used. Furthermore, by irradiating the surface of the porous support with light from a plurality of directions, the shadows of the recesses or protrusions on the surface are generated in a plurality of directions, so that the positions of the recesses or protrusions can be easily identified and discovered. Become. Further, the surface of the porous support irradiated with light is not particularly limited as long as an observation means capable of finding irregularities on the surface is used, and can be observed with a microscope or a magnifying glass, for example.

発見された凹部又は凸部は、研削されて除去される。発見される凹部又は凸部の研削には多孔質支持体の表面を削ることのできる部材、例えば超硬合金、ダイヤモンド等を研削材及び研磨材として備える研削機等を用いるのが好ましい。   The found concave or convex portion is ground and removed. For grinding the concave portion or convex portion to be found, it is preferable to use a member capable of shaving the surface of the porous support, for example, a grinder equipped with cemented carbide, diamond or the like as an abrasive and an abrasive.

以下に、図面を用いて多孔質支持体の凹部又は凸部を説明する。図1(A)〜(D)並びに図2(A)及び(B)では、それぞれの下側に多孔質支持体が設けられ、かつその上側表面を水素透過膜が被覆している状態を示している。   Below, the recessed part or convex part of a porous support body is demonstrated using drawing. 1 (A) to (D) and FIGS. 2 (A) and 2 (B) show a state in which a porous support is provided on the lower side and a hydrogen permeable membrane covers the upper surface thereof. ing.

図1(A)〜(D)には、表面に水素透過膜が被覆されて成り、かつ凹部を有する多孔質支持体が示されている。   1 (A) to 1 (D) show a porous support having a concave portion and a surface covered with a hydrogen permeable membrane.

図1(A)には、角部を有する凹部の表面に水素透過膜が被覆された状態が示されている。図1(A)に示されるように、水素透過膜はその厚みが均一ではなく、多孔質支持体の凹部における凸状の部位は水素透過膜の厚みが小さくなっているので、水素透過膜の強度が低下することとなり、水素透過膜にクラックが生じ易く、結果として水素ガス以外のガス漏出の原因となり得ると考えられる。   FIG. 1A shows a state in which the surface of a concave portion having a corner is covered with a hydrogen permeable membrane. As shown in FIG. 1A, the thickness of the hydrogen permeable membrane is not uniform, and the convex portion of the concave portion of the porous support has a reduced thickness of the hydrogen permeable membrane. It is considered that the strength is lowered, and the hydrogen permeable membrane is likely to crack, and as a result, gas other than hydrogen gas can be leaked.

図1(B)には、傾斜勾配が偏った凹部の表面に水素透過膜が被覆された状態が示されている。図1(B)に示されるように、水素透過膜が被覆されていない箇所が生じているので、水素透過膜の被覆されていない箇所からガス漏出が生じると考えられる。   FIG. 1B shows a state in which a hydrogen permeable film is coated on the surface of a recess having an inclined gradient. As shown in FIG. 1 (B), since a portion where the hydrogen permeable membrane is not coated is generated, it is considered that gas leakage occurs from a portion where the hydrogen permeable membrane is not coated.

図1(C)には、開口径より大きい内部径を有する凹部の表面に水素透過膜が被覆された状態が示されている。図1(C)に示されるように、水素透過膜が均一の厚みで被覆されておらず、水素透過膜の厚みが薄い部位と厚い部位との水素透過性能に差異が生じる、又は水素透過膜の厚みが薄い部位に膨れ、剥れ又は孔等が生じると考えられる。図1(C)に示される凹部は、微視的に見ると尖鋭な箇所は無く丸みを帯びているが、上述のように水素透過膜を被覆した場合に、水素透過膜の膨れ又は剥れ等が生じることがあるので、角部を有する凹部に含まれる。   FIG. 1C shows a state in which the surface of a recess having an internal diameter larger than the opening diameter is covered with a hydrogen permeable membrane. As shown in FIG. 1C, the hydrogen permeable membrane is not coated with a uniform thickness, and there is a difference in hydrogen permeation performance between the thin portion and the thick portion of the hydrogen permeable membrane, or the hydrogen permeable membrane. It is considered that the swells, peels off, or has holes or the like in the thin part. The concave portion shown in FIG. 1 (C) is round and round when viewed microscopically. However, when the hydrogen permeable membrane is coated as described above, the hydrogen permeable membrane is swollen or peeled off. Etc. may occur, and therefore, they are included in the recesses having corners.

図1(D)には、穴状である凹部の表面に水素透過膜が被覆された状態が示されている。図1(D)に示されるように、水素透過膜は凹部の内部にまで被覆しておらず、凹部内部が空洞であるので、凹部内部のガスが水素透過膜を外側に向って押圧することとなり、水素透過膜に膨れが生じ得ると考えられる。   FIG. 1D shows a state where the surface of the concave portion having a hole shape is covered with a hydrogen permeable membrane. As shown in FIG. 1D, the hydrogen permeable membrane does not cover the inside of the recess, and the inside of the recess is hollow, so that the gas inside the recess presses the hydrogen permeable membrane outward. Thus, it is considered that the hydrogen permeable membrane may swell.

更に、図2(A)及び(B)には、表面に水素透過膜が被覆されて成り、かつ凸部を有する多孔質支持体が示されている。   Further, FIGS. 2 (A) and 2 (B) show a porous support having a convex portion and having a surface covered with a hydrogen permeable membrane.

図2(A)には、その頂部に角部を有する凸部の表面に水素透過膜が被覆された状態が示されている。図2(A)に示されるように、水素透過膜はその厚みが均一ではなく、多孔質支持体の凸部の頂部は水素透過膜の厚みが小さくなっているので、水素透過膜の強度が低下することとなり、水素透過膜にクラックが生じ易く、結果として水素ガス以外のガス漏出の原因となり得ると考えられる。   FIG. 2A shows a state in which the surface of a convex portion having a corner at the top is covered with a hydrogen permeable membrane. As shown in FIG. 2A, the thickness of the hydrogen permeable membrane is not uniform, and the thickness of the hydrogen permeable membrane is small at the top of the convex portion of the porous support. This is likely to cause a crack in the hydrogen permeable membrane, which may result in leakage of gases other than hydrogen gas.

図2(B)には、その傾斜勾配が偏った凸部の表面に水素透過膜が被覆された状態が示されている。図2(B)に示されるように、水素透過膜は厚みが均一ではなく、多孔質支持体の凸部の縁辺部は水素透過膜の厚みが小さくなっているので、水素透過膜の強度が低下することとなり、水素透過膜にクラックが生じ易く、結果として水素ガス以外のガス漏出の原因となり得ると考えられる。   FIG. 2 (B) shows a state where the surface of the convex part having an inclined gradient is covered with a hydrogen permeable membrane. As shown in FIG. 2B, the thickness of the hydrogen permeable membrane is not uniform, and the edge of the convex portion of the porous support has a reduced thickness. This is likely to cause a crack in the hydrogen permeable membrane, which may result in leakage of gases other than hydrogen gas.

図1及び2に示される凹部及び凸部を研削で除去した状態の多孔質支持体を図3及び4に示す。詳しくは、図1(A)〜(D)に示される凹部を除去した多孔質支持体を、図3(A)〜(D)に示し、図2(A)及び(B)に示される凸部を除去した多孔質支持体を、図4(A)及び(B)に示す。また、図3及び4に示される破線は、研削する前の多孔質支持体の状態、すなわち図1及び2の多孔質支持体の表面を示している。   FIGS. 3 and 4 show the porous support in a state where the concave and convex portions shown in FIGS. 1 and 2 are removed by grinding. Specifically, the porous support from which the recesses shown in FIGS. 1A to 1D are removed is shown in FIGS. 3A to 3D, and the protrusions shown in FIGS. 2A and 2B. FIGS. 4A and 4B show the porous support from which the part has been removed. Moreover, the broken line shown by FIG. 3 and 4 has shown the state of the porous support body before grinding, ie, the surface of the porous support body of FIG.

図3(A)〜(D)には、多孔質支持体が円滑に研削されてなる円滑凹部が示され、また、図4(A)及び(B)には、凸部が形成されていた箇所が僅かに凹状に成るように研削された多孔質支持体が示されている。図2(A)及び(B)に示される凸部は、平滑に研削されてもよい。   3 (A) to 3 (D) show a smooth recess formed by smooth grinding of the porous support, and FIGS. 4 (A) and 4 (B) have a protrusion. A porous support is shown that has been ground so that the points are slightly concave. The convex portions shown in FIGS. 2A and 2B may be smoothly ground.

多孔質支持体の凹部及び凸部を図3(A)〜(D)並びに図4(A)及び(B)に示されるように、角部を除去するように研削することにより、多孔質支持体の表面に水素透過膜を均一に被覆することができ、水素透過膜に剥れ、膨れ及び孔等を生じるのを防ぐことができる。   As shown in FIGS. 3 (A) to 3 (D) and FIGS. 4 (A) and 4 (B), the porous support is ground by removing the corners so as to remove the corners. The surface of the body can be uniformly coated with the hydrogen permeable membrane, and the hydrogen permeable membrane can be prevented from being peeled off, swelled, or punctured.

前記水素透過膜は、前記多孔質支持体の表面を被覆し、かつ水素を選択的に透過させることができる。   The hydrogen permeable membrane covers the surface of the porous support and can selectively permeate hydrogen.

この発明の水素分離装置に採用することのできる水素透過膜の材料としては、気体中の水素ガスを選択的に透過する膜であればよく、例えばパラジウム、パラジウム合金、「無機化学命名法 IUPAC 1990年勧告」(1993年3月26日発行 訳・著者 山崎一雄)に記載の周期律表第5族元素、又はこの元素を含む合金等の金属が用いられる。前記第5族元素としては、例えば、V、Nb、Ta等が挙げられる。パラジウム合金及び前記第5族元素を含む合金に含まれるパラジウム及び前記第5族元素以外の金属としては、例えば、「無機化学命名法 IUPAC 1990年勧告」(1993年3月26日発行 訳・著者 山崎一雄)に記載の周期律表第3族元素(ランタノイド元素を含む。)、第8族元素、第9族元素、第10族元素、第11族元素又はこれらの2種以上の組み合わせ等が挙げられる。周期律表第3族元素としてはY等を挙げることができ、ランタノイド元素としてはCe、Sm、Gd、Dy、Ho、Er、Yb等を挙げることができ、第8族元素としてはRu等、第9族元素としてはRh、Ir等が挙げられ、第10族元素としてはPt等を挙げることができ、更に第11族元素としてはCu、Ag、Au等を挙げることができる。前記水素透過膜は、例えば、真空蒸着法、無電解めっき法、スパッタリング法等によって形成される。水素透過膜の厚さは、要求される水素分離性能、例えば水素ガスの透過速度及びガスの選択性並びに水素透過膜の機械的強度等によって決定され、例えば1〜30μmに調整することが好ましい。前記水素透過膜の厚さを調整することにより、例えばガスが水素透過膜及び多孔質支持体を透過する際に生じる圧力に耐えることができる。また、水素透過膜全体が同一成分で形成されることが、この発明の水素分離装置を製造する工程数削減等の検知から望ましい。   The material of the hydrogen permeable membrane that can be employed in the hydrogen separator of the present invention may be a membrane that selectively permeates hydrogen gas in a gas, such as palladium, palladium alloy, “inorganic chemical nomenclature IUPAC 1990”. Metals such as Group 5 elements of the periodic table described in “Year Recommendation” (translated on March 26, 1993, author Kazuo Yamazaki) or alloys containing these elements are used. Examples of the Group 5 element include V, Nb, and Ta. Examples of the palladium alloy and the metals other than the Group 5 element contained in the alloy containing the Group 5 element include, for example, “Inorganic Chemical Nomenclature IUPAC 1990 Recommendation” (published on March 26, 1993) Group 3 elements (including lanthanoid elements), Group 8 elements, Group 9 elements, Group 10 elements, Group 11 elements or combinations of two or more of these in the periodic table described in Kazuo Yamazaki) Can be mentioned. The group 3 element of the periodic table can include Y, the lanthanoid element can include Ce, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb, and the like, the group 8 element can include Ru, Examples of the Group 9 element include Rh and Ir, examples of the Group 10 element include Pt, and examples of the Group 11 element include Cu, Ag, and Au. The hydrogen permeable film is formed by, for example, a vacuum deposition method, an electroless plating method, a sputtering method, or the like. The thickness of the hydrogen permeable membrane is determined by the required hydrogen separation performance, for example, the hydrogen gas permeation rate and gas selectivity, and the mechanical strength of the hydrogen permeable membrane, and is preferably adjusted to 1 to 30 μm, for example. By adjusting the thickness of the hydrogen permeable membrane, for example, it is possible to withstand the pressure generated when gas permeates the hydrogen permeable membrane and the porous support. In addition, it is desirable that the entire hydrogen permeable membrane be formed of the same component from the detection of the reduction in the number of steps for manufacturing the hydrogen separator of the present invention.

前記多孔質支持体は、その一方の表面から他方の表面へと気体を透過させる必要のある多孔質支持体の領域におけるその表面全体が水素透過膜で被覆される。なぜならば、該領域の表面が水素透過膜で十分に被覆されずに多孔質支持体に露出部分が存在すると、その露出部分から水素ガス以外の成分が漏出し、水素ガスとして収集した気体中の水素純度が結果的に下がるからである。   The entire surface of the porous support is covered with a hydrogen permeable membrane in the region of the porous support where gas needs to permeate from one surface to the other. This is because if the surface of the region is not sufficiently covered with the hydrogen permeable membrane and there is an exposed portion on the porous support, components other than hydrogen gas leak from the exposed portion, and the gas collected as hydrogen gas This is because the hydrogen purity decreases as a result.

前記触媒機能を有する金属を多孔質支持体が含有している場合には、この発明の水素分離装置の使用環境によって、多孔質支持体に含有されている前記金属が水素透過膜中に浸入することにより水素透過膜における水素透過能を低下させてしまう状態、又は逆に水素透過膜を形成している金属、例えばパラジウムが多孔質支持体中の金属たとえばニッケルに固溶しながら多孔質支持体中に拡散してしまい、水素透過膜の水素の透過能を低下させてしまう状態を生じることが考えられる。こうした状態を生じる可能性のある環境下で、又はそのような環境下ではなくても多孔質支持体中に含まれる金属と水素透過膜中の金属との不測の相互作用を防止する必要のある状況下で、この発明の水素分離装置を用いるときは、多孔質支持体と水素透過膜との間に多孔質のバリア層を設けることにより、前記相互作用の発生を防ぐことができる。   When the porous support contains the metal having the catalytic function, the metal contained in the porous support penetrates into the hydrogen permeable membrane depending on the use environment of the hydrogen separator of the present invention. In this state, the hydrogen permeation capacity of the hydrogen permeable membrane is reduced, or conversely, the metal that forms the hydrogen permeable membrane, for example, palladium is dissolved in the metal in the porous support such as nickel, and the porous support. It is conceivable that a state in which the hydrogen permeability of the hydrogen permeable membrane is reduced and the hydrogen permeability of the hydrogen permeable membrane is lowered is caused. It is necessary to prevent unexpected interaction between the metal contained in the porous support and the metal in the hydrogen permeable membrane in an environment that may cause such a state or even in such an environment. Under the circumstances, when the hydrogen separator according to the present invention is used, the occurrence of the interaction can be prevented by providing a porous barrier layer between the porous support and the hydrogen permeable membrane.

前記バリア層は、多孔質支持体を形成する材料の金属成分と水素透過膜を形成する材料の金属成分との相互拡散を防ぎ、かつ、気体が流通することのできる多孔質材料で形成されていればよく、例えば、無機酸化物等によって形成される。無機酸化物としては、例えば、ジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ランタンカルシウム、ランタンクロマイト、ランタンストロンチウム又はこれらの混合物若しくは化合物等が挙げられる。また、このバリア層は、多孔質支持体と同じ材質で形成されていてもよい。バリア層は、この発明の水素分離装置の使用時に多孔質状態であればよく、必ずしもバリア層の形成時に多孔質状態でなくてもよい。   The barrier layer is formed of a porous material that prevents mutual diffusion of the metal component of the material forming the porous support and the metal component of the material forming the hydrogen permeable membrane and allows gas to flow therethrough. For example, it is formed of an inorganic oxide or the like. Examples of the inorganic oxide include zirconia, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, aluminum oxide, magnesium oxide, lanthanum calcium, lanthanum chromite, lanthanum strontium, and mixtures or compounds thereof. Moreover, this barrier layer may be formed of the same material as the porous support. The barrier layer only needs to be in a porous state when the hydrogen separator according to the present invention is used, and does not necessarily have to be in a porous state when the barrier layer is formed.

バリア層は、上述のジルコニア等の材料を用いて、多孔質支持体の表面上に、例えば、ディップコート法、スプレー吹き付け法、印刷法等によって形成されることができる。また、触媒機能を有する多孔質支持体における水素透過膜を形成しようとするその多孔質支持体の表面から所定の深さまでの領域に存在するとともに触媒機能を有する金属を溶解除去法によって除去することにより、つまりバリア層形成処理をすることにより、バリア層を形成してもよい。このようなバリア層形成処理をする際の触媒金属の溶解除去法として、例えば多孔質支持体のバリア層の形成予定部分から触媒機能を有する多孔質支持体中に含まれる触媒機能保持の金属を溶媒又は反応剤を用いて溶出させる方法等を挙げることができる。このとき用いられる溶媒や反応剤としては、金属を溶出できれば、特に限定されない。例えば、触媒機能を有する金属を含有する多孔質支持体が前記Ni−YSZサーメットで形成されている場合には、多孔質支持体の表面近傍に存在するNiを硫酸や塩酸等の酸を用いて溶出させることができる。バリア層は、多孔質支持体中に存在する触媒としての金属と水素透過膜中に存在する金属とを形成する材料成分が相互に拡散しない程度であれば、その層厚は特に限定されず、例えば、5〜100μmに調整される。バリア層の層厚が5μm未満であると、多孔質支持体と水素透過膜とを形成する材料成分の相互拡散を防ぐことができないことがあり、一方、100μmを越えると、水素透過部材のスムーズな水素透過を妨げ、多孔質支持体の水素製造機能を低下させることがある。   The barrier layer can be formed on the surface of the porous support using a material such as zirconia as described above, for example, by a dip coating method, a spray spraying method, a printing method, or the like. In addition, a metal having a catalytic function that is present in a region from the surface of the porous support to which a hydrogen permeable membrane is to be formed in the porous support having a catalytic function and having a catalytic function is removed by a dissolution removal method. In other words, the barrier layer may be formed by performing a barrier layer forming process. As a method for dissolving and removing the catalyst metal when performing such a barrier layer forming treatment, for example, a catalyst function-retaining metal contained in a porous support having a catalytic function from a portion where the barrier layer of the porous support is to be formed is used. The method of eluting using a solvent or a reactive agent etc. can be mentioned. The solvent and the reactant used at this time are not particularly limited as long as the metal can be eluted. For example, when a porous support containing a metal having a catalytic function is formed of the Ni-YSZ cermet, Ni present in the vicinity of the surface of the porous support is removed using an acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid. Can be eluted. The thickness of the barrier layer is not particularly limited as long as the material components forming the metal as a catalyst present in the porous support and the metal present in the hydrogen permeable membrane do not diffuse to each other, For example, it is adjusted to 5 to 100 μm. When the thickness of the barrier layer is less than 5 μm, mutual diffusion of the material components forming the porous support and the hydrogen permeable membrane may not be prevented. On the other hand, when the thickness exceeds 100 μm, the smoothness of the hydrogen permeable member may be prevented. May hinder proper hydrogen permeation and reduce the hydrogen production function of the porous support.

前記バリア層は、触媒機能を有する多孔質支持体と水素透過膜とを隔絶するように、前記多孔質支持体の表面を被覆し、該バリア層の表面を水素透過膜が被覆する。   The barrier layer covers the surface of the porous support so as to isolate the porous support having a catalytic function from the hydrogen permeable membrane, and the hydrogen permeable membrane covers the surface of the barrier layer.

更に、前記バリア層の表面状態を改善することにより、高い水素透過性能を維持した膜厚の薄い水素透過膜を形成することもできる。このバリア層の表面状態を改善する方法として、前記多孔質支持体とバリア層との間にコーティング層を設ける方法が挙げられる。   Furthermore, by improving the surface state of the barrier layer, a thin hydrogen permeable film that maintains high hydrogen permeation performance can be formed. As a method for improving the surface state of the barrier layer, a method of providing a coating layer between the porous support and the barrier layer can be mentioned.

前記コーティング層を形成する材料としては、前記触媒機能を有する多孔質支持体を形成する材料を用いることができ、例えば、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物を主成分とする焼結体(Ni−YSZサーメット等)、多孔質セラミックス、多孔質サーメット等が挙げられる。コーティング層がこれらの材料で形成されていると、多孔質支持体が触媒機能を有していなくても、このコーティング層で原料ガスを改質することができる。これらの材料の中でも、触媒機能を有する多孔質支持体の材料と同一の材料が好ましい。そうすることにより、コーティング層にも改質触媒機能を持たせることができるので、コーティング層を厚めに形成しても、水素製造装置の性能を維持することができる。   As a material for forming the coating layer, a material for forming a porous support having the catalytic function can be used. For example, a sintered body (Ni--) having a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia as a main component. YSZ cermet etc.), porous ceramics, porous cermet and the like. When the coating layer is formed of these materials, the raw material gas can be modified by this coating layer even if the porous support does not have a catalytic function. Among these materials, the same material as the material of the porous support having a catalytic function is preferable. By doing so, the reforming catalyst function can also be imparted to the coating layer, so that the performance of the hydrogen production apparatus can be maintained even if the coating layer is formed thicker.

コーティング層は、バリア層の表面状態を改善することができれば、その層厚は特に限定されない。その層厚は、例えば、0.1μm以上に調整される。コーティング層の層厚が、0.1μm未満であると、バリア層の表面状態を効果的に改善することができない場合がある。一方、コーティング層の膜厚の上限は特に限定されない。その膜厚は、例えば、100μmに調整することができる。   The thickness of the coating layer is not particularly limited as long as the surface state of the barrier layer can be improved. The layer thickness is adjusted to 0.1 μm or more, for example. When the thickness of the coating layer is less than 0.1 μm, the surface state of the barrier layer may not be effectively improved. On the other hand, the upper limit of the film thickness of the coating layer is not particularly limited. The film thickness can be adjusted to 100 μm, for example.

前記コーティング層の表面には、前記多孔質支持体の表面における気孔の平均気孔径よりも小さな平均気孔径を有する気孔が形成されているのがよい。コーティング層の表面に形成された気孔の平均気孔径は、前記多孔質支持体の表面における気孔の平均気孔径よりも小さければ特に限定されないが、前記多孔質支持体の表面における気孔の平均気孔径よりも小さく、かつ、前記バリア層の表面における気孔の平均気孔径よりも大きいのがよい。   It is preferable that pores having an average pore size smaller than the average pore size of the pores on the surface of the porous support are formed on the surface of the coating layer. The average pore diameter of the pores formed on the surface of the coating layer is not particularly limited as long as it is smaller than the average pore diameter of the pores on the surface of the porous support, but the average pore diameter of the pores on the surface of the porous support is not limited. And larger than the average pore diameter of the pores on the surface of the barrier layer.

コーティング層の表面に形成され、このような関係を有する気孔の平均気孔径は0.05〜10μmであるのがよい。平均気孔径が0.05μm未満であると、炭化水素ガスの透過を妨げることがあり、一方、10μmを超えると、コーティング層上に形成されるバリア層の表面状態を効果的に改善できないことがある。コーティング層の表面における気孔の平均気孔径は、0.05〜8μmであるのがより好ましく、0.05〜7μmであるのがさらに好ましい。   The average pore diameter of pores formed on the surface of the coating layer and having such a relationship is preferably 0.05 to 10 μm. If the average pore diameter is less than 0.05 μm, it may hinder the permeation of hydrocarbon gas, while if it exceeds 10 μm, the surface state of the barrier layer formed on the coating layer may not be effectively improved. is there. The average pore diameter of the pores on the surface of the coating layer is more preferably 0.05 to 8 μm, and further preferably 0.05 to 7 μm.

ここで、コーティング層の表面に存在する気孔の平均気孔径は、前記多孔質支持体の表面における気孔の平均気孔径と同様にして算出した値として定義される。つまり、その平均気孔径は、コーティング層の表面を電子顕微鏡例えば走査型電子顕微鏡(SEM)等により観察して、気孔の開口を円に近似して求められる開口径を、算術平均して算出することができる。   Here, the average pore diameter of the pores existing on the surface of the coating layer is defined as a value calculated in the same manner as the average pore diameter of the pores on the surface of the porous support. That is, the average pore diameter is calculated by observing the surface of the coating layer with an electron microscope such as a scanning electron microscope (SEM), and arithmetically averaging the opening diameter obtained by approximating the pore opening to a circle. be able to.

また、コーティング層の表面には、前記多孔質支持体の表面における気孔の個数よりも多くなるように、気孔が形成されているのが好ましい。コーティング層の表面に形成される気孔の個数は、前記多孔質支持体の表面における気孔の個数よりも多ければ、特に限定されない。具体的な気孔の個数は、前記多孔質支持体が有する単位時間当たりのガス透過量とほぼ同程度のガス透過量となるように調整されるのがよい。このようにコーティング層の表面における気孔の個数が調整されると、ガス透過量を維持することができる。特に、触媒機能を有する多孔質支持体を用いる場合には、多孔質支持体の触媒機能を阻害することもなく、水素分離装置のガス透過量を維持することができる。   Moreover, it is preferable that pores are formed on the surface of the coating layer so as to be larger than the number of pores on the surface of the porous support. The number of pores formed on the surface of the coating layer is not particularly limited as long as it is larger than the number of pores on the surface of the porous support. The specific number of pores is preferably adjusted so that the gas permeation amount per unit time of the porous support is approximately the same. Thus, when the number of pores on the surface of the coating layer is adjusted, the gas permeation amount can be maintained. In particular, when a porous support having a catalytic function is used, the gas permeation amount of the hydrogen separator can be maintained without hindering the catalytic function of the porous support.

ここで、コーティング層の表面に存在する気孔の個数は、前記平均気孔径の算出と同様にして、その表面を観察し、単位面積当たりの気孔の開口部を数えて求めることができる。   Here, the number of pores existing on the surface of the coating layer can be obtained by observing the surface and counting the number of pore openings per unit area in the same manner as the calculation of the average pore diameter.

コーティング層の表面に、前記多孔質支持体の表面における気孔の平均気孔径よりも小さな平均気孔径を有する気孔が、前記多孔質支持体の表面における気孔の個数よりも多くなるように形成されていると、前記バリア層の表面状態をより一層効果的に改善することができる。   On the surface of the coating layer, pores having an average pore size smaller than the average pore size of the pores on the surface of the porous support are formed to be larger than the number of pores on the surface of the porous support. In this case, the surface state of the barrier layer can be further effectively improved.

コーティング層の表面に存在する気孔の平均気孔径、更には、その個数を所定の範囲に調整するには、例えば、前記多孔質材料に配合する造孔剤の種類、大きさ、配合量等を適宜調整すればよく、又は、コーティング層を形成する材料として用いられる粉末の粒径及び/又は焼成温度を適宜調整すればよい。   In order to adjust the average pore diameter of the pores existing on the surface of the coating layer, and further the number thereof within a predetermined range, for example, the type, size, blending amount, etc. of the pore-forming agent to be blended with the porous material What is necessary is just to adjust suitably, or just to adjust suitably the particle size and / or baking temperature of the powder used as a material which forms a coating layer.

以下に、この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置の一例を示す。   Below, an example of the hydrogen separator obtained by the manufacturing method of the hydrogen separator of this invention is shown.

図5に示された水素分離装置1の一実施例では、水素分離装置1は水素分離部2と取付部3とを備えている。水素分離部2は、一端が開口して成り、かつ凹部又は凸部を除去して成る多孔質支持体4とその外表面に形成された水素透過膜5とを備えて成る。図5に示される多孔質支持体4は、多孔質であるので、気体が多孔質支持体4の例えば内側から外側に流通することができ、かつ水素透過膜5を支持している。また、取付部3は、図5に示される水素分離部2が取り付けられる部材であり、ガスを透過しない部材を用いるのが好ましい。更に、図5に示される水素分離装置1では、水素分離部2は取付部3にシール部材6を介して取り付けられている。このシール部材6は、水素分離部2を所定の位置に固定することができる。   In one embodiment of the hydrogen separator 1 shown in FIG. 5, the hydrogen separator 1 includes a hydrogen separator 2 and an attachment 3. The hydrogen separation unit 2 includes a porous support 4 that is open at one end and has a concave or convex portion removed, and a hydrogen permeable membrane 5 formed on the outer surface thereof. Since the porous support 4 shown in FIG. 5 is porous, gas can flow from, for example, the inside to the outside of the porous support 4 and supports the hydrogen permeable membrane 5. Moreover, the attachment part 3 is a member to which the hydrogen separation part 2 shown in FIG. 5 is attached, and it is preferable to use a member that does not transmit gas. Furthermore, in the hydrogen separation apparatus 1 shown in FIG. 5, the hydrogen separation part 2 is attached to the attachment part 3 via a seal member 6. The seal member 6 can fix the hydrogen separation unit 2 at a predetermined position.

ここで、この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置に用いることのできるシール部材には、ある程度変形することのできる材料から成る部材を用いるのが好ましく、該シール部材を介して多孔質支持体及び水素透過膜が固定されていることにより、熱等で多孔質支持体、水素透過膜及びシール部材が体積変化を起しても、シール部材の変形等で、多孔質支持体の接合部にかかる負荷から生じる水素分離部の破壊を防ぐことができる。   Here, it is preferable to use a member made of a material that can be deformed to some extent as a seal member that can be used in the hydrogen separator obtained by the method of manufacturing a hydrogen separator of the present invention. Since the porous support and the hydrogen permeable membrane are fixed, even if the porous support, the hydrogen permeable membrane and the seal member undergo a volume change due to heat or the like, the porous support due to deformation of the seal member or the like. It is possible to prevent the hydrogen separation part from being destroyed due to the load applied to the joint part.

前記水素分離部2の内部には、原料ガスを水素分離部2に供給することができるように原料ガス導入部7が挿入されている。また、図5に示される水素分離装置1には、適宜に設けられる部材として、分離した水素ガスを導出する水素ガス導出部8(図6には図示せず。)及び原料ガスから水素ガスを分離した後のガスを導出する残留ガス導出部9(図6には図示せず。)を設けている。   A raw material gas introduction unit 7 is inserted inside the hydrogen separation unit 2 so that the raw material gas can be supplied to the hydrogen separation unit 2. Further, in the hydrogen separator 1 shown in FIG. 5, as a member provided as appropriate, a hydrogen gas deriving unit 8 (not shown in FIG. 6) for deriving the separated hydrogen gas and hydrogen gas from the source gas are used. A residual gas deriving unit 9 (not shown in FIG. 6) for deriving the separated gas is provided.

図6に示される水素分離装置1は、多孔質支持体4が両端を開口する円筒形状を有して成る点が、図5に示される水素分離装置1との相違点であり、この相違点以外は図5と同様の実施態様である。図6に示されるように多孔質支持体4が両端を開口する円筒形状を有して成ることにより、図5で原料ガス導入部7として示される部材を設ける必要がなく、多孔質支持体4自体が原料ガスの導入部材となる。   The hydrogen separator 1 shown in FIG. 6 is different from the hydrogen separator 1 shown in FIG. 5 in that the porous support 4 has a cylindrical shape with both ends open. Except for this, the embodiment is the same as in FIG. As shown in FIG. 6, since the porous support 4 has a cylindrical shape with both ends open, there is no need to provide a member shown as the source gas introduction part 7 in FIG. 5, and the porous support 4 The material itself is a material gas introduction member.

更に、多孔質支持体4が板状に形成される態様を図7に示す。図7においては、水素分離部2が板状に形成されており、かつ水素透過膜5が多孔質支持体4の表面に形成されている。多孔質支持体4側の多孔質支持体4の縁辺部にシール部材6が設けられている。更に、水素分離部2の外側に一対の枠体10が設けられ、該枠体10において、多孔質支持体4に面している側に原料ガス導入部7、及び水素透過膜5に面している側に水素ガス導出部8が設けられている。枠体10は、適宜の方法、例えば圧着、接着又は螺接等により一体となっている。図7に示される水素分離装置1では、枠体10と水素透過膜5との間にシール部材6が配設されている。シール部材6を用いることにより、枠体10をシール部材6に押し付けると、図7にされるようにその断面が台形である場合は、縦方向及び横方向にシール部材6を押し付ける力が作用することとなり、枠体10が密着していない場合にもシール部材6がガスの漏出を防ぐことのできる水素分離装置1が得られる。この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置が備える多孔質支持体が板形状を有している場合に、該多孔質支持体は例えば円板状であってもよく、矩形板状であってもよい。また、多孔質支持体の形状に合わせてシール部材の形状を変更して、多孔質支持体の縁辺部に沿うようにシール部材を設けることにより、ガスの漏出を防ぐことができるので好ましい。   Furthermore, the aspect in which the porous support 4 is formed in a plate shape is shown in FIG. In FIG. 7, the hydrogen separator 2 is formed in a plate shape, and the hydrogen permeable membrane 5 is formed on the surface of the porous support 4. A seal member 6 is provided on the edge of the porous support 4 on the porous support 4 side. Further, a pair of frames 10 are provided outside the hydrogen separator 2, and the frame 10 faces the raw material gas inlet 7 and the hydrogen permeable membrane 5 on the side facing the porous support 4. A hydrogen gas lead-out portion 8 is provided on the side where the head is located. The frame body 10 is integrated by an appropriate method such as pressure bonding, adhesion, or screw contact. In the hydrogen separator 1 shown in FIG. 7, a seal member 6 is disposed between the frame body 10 and the hydrogen permeable membrane 5. When the frame member 10 is pressed against the seal member 6 by using the seal member 6, when the cross section is trapezoidal as shown in FIG. 7, a force pressing the seal member 6 in the vertical direction and the horizontal direction acts. Thus, even when the frame body 10 is not in close contact, the hydrogen separation device 1 can be obtained in which the sealing member 6 can prevent gas leakage. When the porous support provided in the hydrogen separator obtained by the method for producing a hydrogen separator according to the present invention has a plate shape, the porous support may be, for example, a disk or a rectangular plate. It may be a shape. In addition, it is preferable to change the shape of the seal member in accordance with the shape of the porous support and to provide the seal member along the edge of the porous support, so that gas leakage can be prevented.

この発明の水素分離装置の製造装置で得られる水素分離装置を用いる装置の一つとして、この発明の燃料電池を挙げることができる。この発明の燃料電池は、前記水素分離装置で分離される水素を燃料として電力を取り出すことができる。   As one of the apparatuses using the hydrogen separator obtained by the hydrogen separator manufacturing apparatus of the present invention, the fuel cell of the present invention can be mentioned. The fuel cell of the present invention can extract electric power using hydrogen separated by the hydrogen separator as fuel.

この発明の前記燃料電池の好適例は、前記水素分離装置と電力発生装置とが一体に形成されて成り、前記水素分離装置に加えて、アノード層、電解質層及びカソード層を有する電力発生部とを有して成る。このような燃料電池を一体型燃料電池と称することができる。水素分離装置と電力発生装置とが一体となった装置構成においては、上述の水素透過膜を電力発生装置におけるアノードとするのが、部品点数削減の見地から、好ましい。一体型燃料電池の多孔質支持体が、筒状に形成される一態様を図8に示し、また板状に形成される一態様を図9に示す。   A preferred example of the fuel cell according to the present invention is that the hydrogen separator and the power generator are integrally formed, and in addition to the hydrogen separator, a power generator having an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer; It has. Such a fuel cell can be referred to as an integrated fuel cell. In an apparatus configuration in which a hydrogen separator and an electric power generation apparatus are integrated, it is preferable from the viewpoint of reducing the number of parts that the hydrogen permeable membrane described above is an anode in the electric power generation apparatus. An embodiment in which the porous support of the integrated fuel cell is formed in a cylindrical shape is shown in FIG. 8, and an embodiment in which the porous support is formed in a plate shape is shown in FIG.

図8及び9に示される燃料電池11としては、上述の水素透過膜5が燃料電池11のアノードとしての機能を有するように形成されるのが好ましい。なお、水素透過膜を形成するのに用いることができる上述した金属は、アノード層としての機能も有する水素透過膜を形成することができる。   The fuel cell 11 shown in FIGS. 8 and 9 is preferably formed such that the hydrogen permeable membrane 5 described above has a function as an anode of the fuel cell 11. Note that the above-described metal that can be used to form the hydrogen permeable film can form a hydrogen permeable film that also functions as an anode layer.

次に、水素透過膜の表面に電解質層が設けられる。この電解質層は水素透過膜のアノードとしての機能によりイオン化した水素イオンを伝導し、通過させることができる。電解質層を形成することのできる材料は、水素イオンを通過させることができる限り制限はないが、例えばBa、Sr、Ca、Ce及びZrより成る群から選ばれる少なくとも1種を含有するペロブスカイト型の化合物を挙げることができる。電解質層は、前記ペロブスカイト型の化合物をバインダ及び分散剤と共に溶媒に添加してスラリーとし、水素透過膜の表面にスクリーン印刷等により塗布した後、熱処理して形成することができる。   Next, an electrolyte layer is provided on the surface of the hydrogen permeable membrane. This electrolyte layer can conduct and pass ionized hydrogen ions by the function of the anode of the hydrogen permeable membrane. The material that can form the electrolyte layer is not limited as long as hydrogen ions can pass therethrough. For example, a perovskite type material containing at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, Ce, and Zr. A compound can be mentioned. The electrolyte layer can be formed by adding the perovskite compound together with a binder and a dispersant to a solvent to form a slurry, applying the slurry to the surface of the hydrogen permeable membrane by screen printing or the like, and then performing a heat treatment.

次いで、電解質層の表面にカソード層を形成する。このカソード層は燃料電池のカソードとしての機能を有する。カソード層を形成することのできる材料は、Ag、Pt、Ph又はA1−XCO(Aは希土類元素であり、BはBa、Sr及びCaの少なくとも1種を含む元素であり、CはCo、Fe及びMnの少なくとも1種を含む元素である)等を採用することができる。カソード層は、電解質層と同様に、材料を含むスラリーを調整して、電解質層の表面にスクリーン印刷等により塗布した後、熱処理して形成することができる。 Next, a cathode layer is formed on the surface of the electrolyte layer. This cathode layer functions as a cathode of the fuel cell. The material that can form the cathode layer is Ag, Pt, Ph, or A 1-X B X CO 3 (A is a rare earth element, B is an element including at least one of Ba, Sr, and Ca, C is an element including at least one of Co, Fe, and Mn). Similarly to the electrolyte layer, the cathode layer can be formed by preparing a slurry containing a material and applying the slurry to the surface of the electrolyte layer by screen printing or the like, followed by heat treatment.

なお、電解質層及びカソード層はゾルゲル法又は蒸着法によっても形成することができる。   The electrolyte layer and the cathode layer can also be formed by a sol-gel method or a vapor deposition method.

このようにして形成された、アノードとしての機能を有する水素透過膜、電解質層及びカソード層から成る積層体において、図8及び9に示されるようにアノード層としての機能を有する水素透過膜5とカソード層13との間に閉回路を設けて負荷をかけることにより電力を取り出す燃料電池11を形成することができる。更に、図8及び9に示されるように、燃料電池11のアノードとしての機能を有する水素透過膜5には、端子を接続し易いように接続端子14が設けられている。   In the thus-formed laminate composed of the hydrogen permeable membrane having the function as an anode, the electrolyte layer, and the cathode layer, the hydrogen permeable membrane 5 having the function as the anode layer as shown in FIGS. By providing a closed circuit between the cathode layer 13 and applying a load, it is possible to form the fuel cell 11 that extracts power. Further, as shown in FIGS. 8 and 9, the hydrogen permeable membrane 5 having a function as an anode of the fuel cell 11 is provided with a connection terminal 14 so that the terminal can be easily connected.

この発明の燃料電池が筒状に形成される場合、図8に示されるような、筒の内側に多孔質支持体4を配置し、かつ外側に向って適宜に設けられるバリア層(図示せず)、水素透過膜5、電解質層12及びカソード層13の順に配置され、多孔質支持体4の内側に原料ガスを流通させると共に、カソード層13の外側に例えば空気等のカソードガスを流通させることにより、電気を取り出すことができる。更に、配置する層の順を逆にして、多孔質支持体4の外側に原料ガスを流通させ、かつカソード層13の内側にカソードガスを流通させることもできる。   When the fuel cell of the present invention is formed in a cylindrical shape, as shown in FIG. 8, a porous support 4 is disposed on the inner side of the cylinder, and a barrier layer (not shown) provided as appropriate toward the outer side. ), The hydrogen permeable membrane 5, the electrolyte layer 12, and the cathode layer 13 are arranged in this order, and the source gas is circulated inside the porous support 4 and the cathode gas such as air is circulated outside the cathode layer 13. Thus, electricity can be taken out. Furthermore, the order of the layers to be arranged can be reversed, and the source gas can be circulated outside the porous support 4 and the cathode gas can be circulated inside the cathode layer 13.

また、この発明の燃料電池が板状に形成される場合、筐体(図示せず。)を図9に示される燃料電池11で隔絶し、水素分離部2における多孔質支持体4側に原料ガスを供給し、かつ水素透過膜5側に空気等のカソードガスを供給するように実施するのが好ましい。   Further, when the fuel cell of the present invention is formed in a plate shape, the casing (not shown) is isolated by the fuel cell 11 shown in FIG. 9 and the raw material is provided on the porous support 4 side in the hydrogen separator 2. It is preferable to supply the gas and supply a cathode gas such as air to the hydrogen permeable membrane 5 side.

この発明に係る燃料電池は、前記一体型燃料電池に限らず、例えばこの発明に係る水素分離装置と、この水素分離装置とは別体に形成されたところの、アノード層、電解質層及びカソード層を積層して成る積層体を具えた電力発生部と、前記水素分離装置により取り出された水素ガスを前記電力発生部に供給するガス供給ラインとを有してなる別体型燃料電池をも含む。該別体型燃料電池の一例が図10に示されている。図10では、図5に示される水素分離装置1と同様の水素分離装置から水素ガス導出部8が延在して、電力発生部15に接続され、かつカソードガスを導入するカソードガス導入部16も電力発生部15に接続され、該電力発生部15には水素ガス及びカソードガスから電力を取り出すことのできるアノード層17、電解質層12及びカソード層13を備えて成る。図10では、多孔質支持体4及び水素透過膜5が取付部3にシール部材6を介して取り付けられている。電力発生部は、図10に示されるような筐体をアノード層、電解質層及びカソード層で隔絶する態様であってもよく、筐体の替わりに筒体を設けて、アノード層、電解質層及びカソード層で隔絶する態様であってもよい。図10に示される燃料電池11は、次のように作用する。先ず、水素分離部2で分離された水素ガスが、通風機等を適宜に備えて成る水素ガス導出部8により電力発生部15のアノード層13側に供給される。次いで、カソードガス導入部16では、例えば空気等のカソードガスが電力発生部15のカソード層17側に供給される。次に、水素ガス及びカソードガスが供給された電力発生部15は、接続された回路で電力を取り出すことができる。   The fuel cell according to the present invention is not limited to the integrated fuel cell. For example, the hydrogen separator according to the present invention and an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer formed separately from the hydrogen separator. And a separate fuel cell having a power generation unit including a laminate formed by laminating a gas supply line for supplying the hydrogen gas extracted by the hydrogen separator to the power generation unit. An example of the separate fuel cell is shown in FIG. In FIG. 10, a hydrogen gas outlet 8 extends from a hydrogen separator similar to the hydrogen separator 1 shown in FIG. 5 and is connected to the power generator 15 and introduces a cathode gas. Is connected to a power generation unit 15, and the power generation unit 15 includes an anode layer 17, an electrolyte layer 12, and a cathode layer 13 that can extract power from hydrogen gas and cathode gas. In FIG. 10, the porous support 4 and the hydrogen permeable membrane 5 are attached to the attachment portion 3 via the seal member 6. The power generation unit may be an embodiment in which the casing as shown in FIG. 10 is isolated by the anode layer, the electrolyte layer, and the cathode layer. Instead of the casing, a cylindrical body is provided, and the anode layer, the electrolyte layer, It may be an embodiment in which the cathode layer is isolated. The fuel cell 11 shown in FIG. 10 operates as follows. First, the hydrogen gas separated by the hydrogen separation unit 2 is supplied to the anode layer 13 side of the power generation unit 15 by the hydrogen gas deriving unit 8 appropriately provided with a ventilator or the like. Next, in the cathode gas introduction unit 16, for example, a cathode gas such as air is supplied to the cathode layer 17 side of the power generation unit 15. Next, the power generation unit 15 to which the hydrogen gas and the cathode gas are supplied can take out the power with the connected circuit.

この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置において、ガスリーク試験を行った。そのガスリーク試験の実施例及び比較例を以下に示す。   In the hydrogen separator obtained by the method for manufacturing a hydrogen separator of the present invention, a gas leak test was performed. Examples and comparative examples of the gas leak test are shown below.

(実施例)
酸化ニッケル60質量部と、イットリア8モル%を固溶させたジルコニア(以下、イットリアを固溶させたジルコニアを「YSZ」、8モル%固溶させた場合は「8YSZ」と称することがある)40質量部とを混合した。更に造孔剤として黒鉛粉を混合して混合物を得た。この混合物を押出成形によって、有底円筒管(多孔質支持体と称されることになる)を成形した。有底円筒管が充分に乾燥した後に、脱脂処理を行い、1400℃で1時間焼成してNiO−YSZサーメットで形成された多孔質支持体を得た。
(Example)
Zirconia in which 60 parts by mass of nickel oxide and yttria 8 mol% are solid-dissolved (hereinafter, zirconia in which yttria is solid-dissolved may be referred to as “YSZ”; 40 parts by mass were mixed. Further, graphite powder was mixed as a pore forming agent to obtain a mixture. This mixture was extruded to form a bottomed cylindrical tube (which will be referred to as a porous support). After the bottomed cylindrical tube was sufficiently dried, it was degreased and fired at 1400 ° C. for 1 hour to obtain a porous support formed of NiO—YSZ cermet.

得られた多孔質支持体の表面をアズワン株式会社製の実体顕微鏡(倍率4倍)でくまなく観察した。観察の結果、多孔質支持体の表面に認められる凹部又は凸部の発見箇所に印を付し、印を付した箇所をミニモ株式会社製のミニタ(研磨材はダイヤモンドを使用した。)で研削した。研削後に、再度多孔質支持体の表面を前記実体顕微鏡でくまなく観察し、凹部又は凸部の除去完了を確認した。研削した多孔質支持体をエタノール中で超音波洗浄し、更に、120℃で3時間乾燥させた。   The surface of the obtained porous support was observed with a stereo microscope (4 times magnification) manufactured by AS ONE Corporation. As a result of observation, a mark is given to a spot where a concave portion or a convex portion found on the surface of the porous support is found, and the marked spot is ground with Minita Co., Ltd. (abrasive material is diamond). did. After grinding, the surface of the porous support was again observed with the stereomicroscope to confirm the completion of removal of the concave or convex portions. The ground porous support was ultrasonically washed in ethanol and further dried at 120 ° C. for 3 hours.

8YSZとバインダとをエタノールに添加して、スラリーを調整した。このスラリーに研削済みの多孔質支持体の外表面をディップコート法により、バリア層を被覆させた。その後、加熱処理してバリア層の焼付けを行った。バリア層の層厚は20μmあった。   8YSZ and a binder were added to ethanol to prepare a slurry. The slurry was coated with a barrier layer on the outer surface of the ground porous support by dip coating. Thereafter, the barrier layer was baked by heat treatment. The thickness of the barrier layer was 20 μm.

次いで、バリア層を覆うように水素透過膜を無電解めっき法により形成した。この際、多孔質支持体の開口部は栓で封止してめっきを施した。ここで行った無電解めっき法は、先ずバリア層を被覆した多孔質支持体を塩化錫二水和物の塩酸水溶液に1分間浸漬し、洗浄した後、塩化パラジウムの塩酸水溶液に1分間浸漬し、洗浄する操作を3回繰り返した。その後、多孔質支持体をアンモニア水及びヒドラジン水溶液を含む50℃のめっき液に、常圧下で浸漬して水素透過膜3を1.5μmとなるまで形成させた。その後、同じめっき液に多孔質支持体の内部を減圧して、水素透過膜3を更に13.5μm厚くした。   Next, a hydrogen permeable film was formed by an electroless plating method so as to cover the barrier layer. At this time, the opening of the porous support was sealed with a stopper and plated. In the electroless plating method performed here, the porous support coated with the barrier layer was first immersed in an aqueous hydrochloric acid solution of tin chloride dihydrate for 1 minute, washed, and then immersed in an aqueous hydrochloric acid solution of palladium chloride for 1 minute. The washing operation was repeated three times. Thereafter, the porous support was immersed in a plating solution containing ammonia water and a hydrazine aqueous solution at 50 ° C. under normal pressure to form the hydrogen permeable membrane 3 until the thickness became 1.5 μm. Thereafter, the inside of the porous support was depressurized in the same plating solution, and the hydrogen permeable membrane 3 was further thickened by 13.5 μm.

水素透過膜を被覆した多孔質支持体を水素雰囲気下600℃で3時間還元処理を施すことにより、水素分離部を得た。次いで、得られた水素分離部にシール部材として膨張黒鉛を含むフェルールを介して、取付金具(スウェージロック株式会社製のユニオン金具)を取り付けて、水素分離装置を得た。   The porous support coated with the hydrogen permeable membrane was subjected to reduction treatment at 600 ° C. for 3 hours in a hydrogen atmosphere to obtain a hydrogen separator. Next, an attachment fitting (a union fitting made by Swagelok Co., Ltd.) was attached to the obtained hydrogen separation part via a ferrule containing expanded graphite as a seal member, thereby obtaining a hydrogen separation device.

得られた水素分離装置について、先ず多孔質支持体の内部圧力を0.1MPa、外部圧力を0MPa、600℃の条件で97時間連続して水素を透過させた後にガスリーク試験を行った。ガスリーク試験はヘリウムガスを0.3MPaの圧力で水素分離装置の内側に供給し、水素分離部の外部に接続された株式会社堀場エステック製の石鹸流量計でガスのリーク量を測定した。   The obtained hydrogen separator was first subjected to a gas leak test after allowing hydrogen to permeate continuously for 97 hours under conditions of an internal pressure of the porous support of 0.1 MPa, an external pressure of 0 MPa, and 600 ° C. In the gas leak test, helium gas was supplied to the inside of the hydrogen separator at a pressure of 0.3 MPa, and the amount of gas leak was measured with a soap flow meter manufactured by Horiba Estec Co., Ltd. connected to the outside of the hydrogen separator.

(比較例)
多孔質支持体の表面の凹部又は凸部を除去せずにバリア層を被覆した以外は、実施例と同様に水素分離装置を作製し、ガスリーク試験を行った。
(Comparative example)
A hydrogen separator was prepared and a gas leak test was conducted in the same manner as in the example except that the barrier layer was coated without removing the concave or convex portions on the surface of the porous support.

実施例及び比較例の結果を表1に示す。   The results of Examples and Comparative Examples are shown in Table 1.

Figure 2008246317
Figure 2008246317

実施例においては、再現性を確認するために、実施例と同条件で作製した水素分離装置を実施してガスリーク試験を行ったが、ガスリーク量は0cc/minであった。   In the example, in order to confirm reproducibility, a gas leak test was performed using a hydrogen separator manufactured under the same conditions as in the example. The amount of gas leak was 0 cc / min.

よって、この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置は、水素透過膜を被覆する前に予め凹部又は凸部を除去していることにより、水素透過膜の剥れ、膨れ又は孔等が生じることが無く、水素ガス以外のガス漏出を防ぐことができる。   Therefore, the hydrogen separator obtained by the method for producing a hydrogen separator according to the present invention has a recess, a bulge, or a hole in the hydrogen permeable membrane by removing the concave or convex portions in advance before coating the hydrogen permeable membrane. Etc., and leakage of gases other than hydrogen gas can be prevented.

図1は、多孔質支持体の凹部及び水素透過膜を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a recess of a porous support and a hydrogen permeable membrane. 図2は、多孔質支持体の凸部及び水素透過膜を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the convex portion of the porous support and the hydrogen permeable membrane. 図3は、多孔質支持体の凹部を研削した状態を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where the concave portion of the porous support is ground. 図4は、多孔質支持体の凸部を研削した状態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state where the convex portion of the porous support is ground. 図5は、この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置の一実施例を示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view showing an embodiment of a hydrogen separator obtained by the method for manufacturing a hydrogen separator of the present invention. 図6は、この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置の他の実施例を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing another embodiment of the hydrogen separator obtained by the method for manufacturing a hydrogen separator of the present invention. 図7は、この発明の水素分離装置の製造方法で得られる水素分離装置の他の実施例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing another embodiment of the hydrogen separator obtained by the method for manufacturing a hydrogen separator of the present invention. 図8は、この発明の水素分離装置を備えた燃料電池の一実施例を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing one embodiment of a fuel cell equipped with the hydrogen separator of the present invention. 図9は、この発明の水素分離装置を備えた燃料電池の他の実施例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing another embodiment of a fuel cell equipped with the hydrogen separator of the present invention. 図10は、この発明の水素分離装置を備えた燃料電池の他の実施例を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing another embodiment of a fuel cell equipped with the hydrogen separator of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素分離装置
2 水素分離部
3 取り付け部
4 多孔質支持体
5 水素透過膜
6 シール部材
7 原料ガス導入部
8 水素ガス導出部
9 残留ガス導出部
10 枠体
11 燃料電池
12 電解質層
13 カソード層
14 接続端子
15 電力発生部
16 カソードガス導入部
17 アノード層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen separator 2 Hydrogen separation part 3 Attachment part 4 Porous support body 5 Hydrogen permeable membrane 6 Seal member 7 Raw material gas introduction part 8 Hydrogen gas extraction part 9 Residual gas extraction part 10 Frame 11 Fuel cell 12 Electrolyte layer 13 Cathode layer 14 connection terminal 15 power generation part 16 cathode gas introduction part 17 anode layer

Claims (7)

両端若しくは一端を開口する筒形状を有し、又は板形状を有する多孔質支持体と、
前記多孔質支持体の表面を被覆し、かつ水素が選択的に透過することのできる水素透過膜とを備え、
前記多孔質支持体の前記水素透過膜が被覆する表面に存在する、角部を有する凹部を研削して円滑凹部を形成することを特徴とする水素分離装置の製造方法。
A cylindrical support having both ends or one end open, or a porous support having a plate shape;
A hydrogen permeable membrane that covers the surface of the porous support and allows hydrogen to selectively permeate;
A method for producing a hydrogen separator, comprising: forming a smooth recess by grinding a recess having a corner, which is present on a surface of the porous support covered by the hydrogen permeable membrane.
両端若しくは一端を開口する筒形状を有し、又は板形状を有する多孔質支持体と、
前記多孔質支持体の表面を被覆し、かつ水素が選択的に透過することのできる水素透過膜とを備え、
前記多孔質支持体の前記水素透過膜が被覆する表面に存在する、角部を有する凸部を研削により除去することを特徴とする水素分離装置の製造方法。
A cylindrical support having both ends or one end open, or a porous support having a plate shape;
A hydrogen permeable membrane that covers the surface of the porous support and allows hydrogen to selectively permeate;
A method for producing a hydrogen separator, comprising: removing a convex portion having a corner portion present on a surface of the porous support covered by the hydrogen permeable membrane by grinding.
前記多孔質支持体の表面をバリア層が被覆し、かつ前記バリア層の表面を水素透過膜が被覆することを特徴とする前記請求項1又は2に記載の水素分離装置の製造方法。   The method for producing a hydrogen separator according to claim 1 or 2, wherein a surface of the porous support is covered with a barrier layer, and a surface of the barrier layer is covered with a hydrogen permeable membrane. 前記多孔質支持体は、供給されるガスを改質することにより水素ガスを生成する改質触媒を含有することを特徴とする前記請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法。   The hydrogen separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the porous support contains a reforming catalyst that generates hydrogen gas by reforming a supplied gas. Manufacturing method. 前記水素透過膜は、その一部又は全部がパラジウム又はパラジウムを含有する合金であることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法。   5. The method for manufacturing a hydrogen separator according to claim 1, wherein a part or all of the hydrogen permeable membrane is palladium or an alloy containing palladium. 6. 前記請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法から得られる水素分離装置と、水素を燃料として電力を取り出すことのできる電力発生部とが一体的に設けられて成る燃料電池。   A hydrogen separator obtained from the method for producing a hydrogen separator according to any one of claims 1 to 5 and an electric power generation unit capable of taking out electric power using hydrogen as a fuel are integrally provided. Fuel cell. 前記請求項1〜5のいずれか一項に記載の水素分離装置の製造方法から得られる水素分離装置と、水素を燃料として電力を取り出すことのできる電力発生部とが別体的に設けられて成る燃料電池。   A hydrogen separator obtained from the method for manufacturing a hydrogen separator according to any one of claims 1 to 5 and a power generation unit capable of taking out power using hydrogen as a fuel are separately provided. A fuel cell comprising.
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