(57)【要約】【課題】セラミックと金属より構成された支持体に形成した水素分離膜に亀裂が生じるのを抑制できる水素分離装置を提供する。【解決手段】ガス通路となる貫通孔４３を有する基材４と、基材４の一方の面に形成され、かつ、その一部が貫通孔４３内に充填されたセラミック層５と、基材４のもう一方の面に形成された水素分離膜２と、を備える。さらに、基材４には、セラミック層５内に突出した凸部４４を備える。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス通路となる貫通孔を有する金属層と、
前記金属層の一方の面に形成され、かつ、その一部が前記貫通孔内に充填されたセラミック層と、
前記金属層のもう一方の面に形成された水素分離膜と、を備え、
さらに、前記金属層には、前記セラミック層内に突出した凸部を備えることを特徴とする水素分離装置。
【請求項２】
前記凸部を、前記貫通孔近傍に構成する請求項１に記載の水素分離装置。
【請求項３】
前記凸部を、前記貫通孔の周囲に沿って構成する請求項２に記載の水素分離装置。
【請求項４】
前記凸部を、前記貫通孔を囲む閉形状の壁により構成する請求項３に記載の水素分離装置。
【請求項５】
前記凸部を、前記水素分離膜面に対して勾配を持つように構成する請求項１から４のいずれか一つに記載の水素分離装置。
【請求項６】
前記貫通孔を複数備え、前記セラミック層を前記貫通孔毎に独立して構成する請求項１から５のいずれか一つに記載の水素分離装置。
【請求項７】
前記金属層の、前記水素分離膜を形成した面の裏面の、前記貫通孔を含む領域に、他の領域に比較して凹んだ凹部を備え、
前記凹部底面に、前記凸部を、凹部深さより低い高さに構成し、
前記凹部にセラミックを充填することにより前記セラミック層を構成する請求項１に記載の水素分離装置。
【請求項８】
前記貫通孔を複数備え、前記凹部を貫通孔毎に構成する請求項７に記載の水素分離装置。
【請求項９】
前記金属層を、複数の金属薄板を積層することにより構成する請求項１に記載の水素分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分離装置に関する。特に、金属およびセラミックからなる支持体に、水素分離膜を形成することにより構成した水素分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素分離膜を用いた水素分離装置においては、例えば１μｍ以下の薄膜を形成する場合、支持体として膜厚より大きな気孔を有する多孔質体を使用するとピンホールが形成されるという問題があった。これを防ぐために従来の水素分離装置では、金属材料からなる多孔質の基材と、その基材表面の孔内に埋込まれ、かつ金属およびセラミックスの少なくともいずれかの微粒子よりなる埋込材と、埋込材で埋込まれた基材の表面上に形成され、かつパラジウムを含有する水素透過性膜とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開２００２−２３９３５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、水素分離装置に用いる支持体として複数の材料を用いた場合には、材料の熱膨張の差により耐久性が低下する可能性があった。特に、水素分離膜に、セラミックと金属といったような複数の材料が接触する場合、その熱膨張の差により、水素分離膜に大きな応力がかかり、水素分離膜に亀裂が生じる可能性があった。
【０００４】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、セラミックと金属より構成された支持体に形成した水素分離膜に亀裂が生じるのを抑制できる水素分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ガス通路となる貫通孔を有する金属層と、前記金属層の一方の面に形成され、かつ、その一部が前記貫通孔内に充填されたセラミック層と、前記金属層のもう一方の面に形成された水素分離膜と、を備える。さらに、前記金属層には、前記セラミック層内に突出した凸部を備える。
【発明の効果】
【０００６】
金属層にセラミック層内に突出した凸部を備えることで、金属とセラミックに熱による膨張差があっても、水素分離膜が接合する面におけるセラミックス層表面と金属層表面の境目となる部分のずれを抑制でき、水素分離膜にかかる応力を抑制することができる。その結果、水素分離膜に亀裂が生じるのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
第１の実施形態に用いる水素分離装置１の構成を、図１を用いて説明する。図１（ａ）には平面図を、図１（ｂ）には断面図を示す。なお、図１（ａ）には、後述する凹部４２にセラミックが充填されていない状態の平面、つまり後述する基材４の平面を示す。
【０００８】
水素分離装置１を、水素分離膜２と支持体３により構成する。支持体３を金属からなる基材４とセラミック層５とから構成する。基材４をSUS等からなる円形状の金属層より構成する。基材４の一方の面には、外周部４１と、外周部４１より基材４内部に凹んだ凹部４２を備える。言い換えれば、基材４を構成する円形状平板の一方の面に、凹部４２の外縁に沿って厚さ方向に突出した外周部４１を備える。
【０００９】
凹部４２の底面には、基材４を厚さ方向に貫通する貫通孔４３を構成する。凹部４２の底面に複数の貫通孔４３を均等に構成する。また、凹部４２の底面から厚さ方向に突出する凸部４４を備える。凸部４４を、厚さ方向への突出高さが外周部４１よりも小さくなるように構成する。ここでは、凸部４４を、凹部４２の底面に略均等に分布した複数の突起より構成する。なお、凸部４４を、断面が略円柱形状に構成するが、この限りではない。
【００１０】
このような構成の凹部４２に、外周部４１と同じ高さまでセラミック粉末を充填し焼結して、セラミック層５を構成する。このとき、セラミック層５の一部が、貫通孔４３内に形成されるように構成する。また、凸部４４は、セラミック層５内部に突出するように構成される。なお、セラミック層は、ＡＬ２Ｏ３（アルミナ）、ＳｉＯ２（シリカ）、その他酸化物等、から成る。
【００１１】
基材４の凹部４２を設けた面の反対側の面には水素分離膜２を形成する。水素分離膜２としては水素透過機能を有するＰｄを成膜することにより構成する。なお、水素分離機能を有する材料としては、Ｐｄ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｐｔ等があり、それら同士を組み合わせても良いし、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｙ等と組み合わせて使用してもよい。成膜方法は、圧延、鍍金、スパッタ、真空蒸着等、乾式、湿式問わず制限はない。
【００１２】
支持体３を金属よりなる基材４とセラミックからなるセラミック層５から構成した場合には、熱膨張の差から、水素分離膜２の特に基材４とセラミック層５の境目に接する領域で、大きな応力が発生して亀裂が生じる可能性がある。これに対して、基材４からセラミック層５内部に突出する凸部４４を構成する。これにより、基材４の平面に沿った方向に膨張する力が、凸部４４を介してセラミック層５により抑制される。このように、基材４とセラミック層５の熱膨張の差を凸部４４で支え、変形量差を抑制することができるので、水素分離膜２で生じる応力が低減され、亀裂が生じるのを抑制することができる。
【００１３】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００１４】
ガス通路となる貫通孔４３を有する基材４と、基材４の一方の面に形成され、かつ、その一部が貫通孔４３内に充填されたセラミック層５と、基材４のもう一方の面に形成された水素分離膜２と、を備える。さらに、基材４には、セラミック層５内に突出した凸部４４を備える。このように、セラミック層５内に基材４の突起を設けたため、セラミックと金属に熱膨張の差を抑制し、水素分離膜２が接合する面におけるセラミック層５表面と基材４の表面の境目となる部分のずれを抑制できる。その結果、水素分離膜２に生じる応力を抑制することができ、亀裂が生じるのを防止することができる。
【００１５】
基材４の、水素分離膜２を形成した面の裏面の、貫通孔４３を含む領域に、他の領域（外周部４１）に比較して凹んだ凹部４２を備え、凹部４２底面に、凸部４４を、凹部４２の深さより低い高さに構成し、凹部４２にセラミックを充填することによりセラミック層５を構成する。このように、凹部４２底面に凸部４４を構成し、凹部４２にセラミックを充填することで、セラミック層５内に突出した凸部４４を構成することができる。その結果、セラミック層５と基材４の熱膨張の差を抑制し、水素分離膜２に亀裂が生じるのを抑制することができる。
【００１６】
次に、第２の実施形態について説明する。図２（ａ）に基材４の平面図を、図２（ｂ）に水素分離装置１の断面図を示す。なお、図２（ａ）には、セラミックが充填されていない基材４の平面を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００１７】
凸部４４を、貫通孔４３の近傍に構成する。ここでは、一つの貫通孔４３に対して複数の凸部４４を貫通孔４３の周囲に沿って均等に配置する。なお、凸部４４を、貫通孔４３の開口の縁に沿って構成しているが、縁よりも外側に構成してもよい。
【００１８】
本実施形態では、凸部４４を、貫通孔４３近傍に構成する。これにより、セラミック層５表面と基材４の表面の境目となる部分の変形をより抑制し、水素分離膜２に作用する応力を低減することができる。特に、凸部４４を、貫通孔４３の周囲に沿って構成することで、セラミック層５表面と基材４の表面の境目に生じる応力を効率良く抑えることができる。
【００１９】
次に、第３の実施形態について説明する。図３（ａ）に基材４の平面図を、図３（ｂ−１）、（ｂ−２）に水素分離装置１の断面図を示す。なお、図３（ａ）には、セラミックが充填されていない基材４の平面を示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２０】
凸部４４を、水素分離膜２面に対して勾配を有するように構成する。ここでは、柱形状の凸部４４の軸が、水素分離膜２面に対して勾配を有するように構成する。図３（ｂ−１）には、貫通孔４３の外側に向かう勾配を有する場合、図３（ｂ−２）には、貫通孔４３の内部に向かう勾配を有する場合を示している。ただしこの限りではなく、凸部４４が水素分離膜２に対して異なる方向の勾配を有するように構成すればよい。
【００２１】
本実施形態では、凸部４４を、水素分離膜２面に対して勾配を持つように構成する。これにより、基材４からセラミック層５が脱落し難くすることができ、支持体３の耐久性を向上することができる。
【００２２】
次に、第４の実施形態について説明する。図４（ａ）に基材４の平面図を、図４（ｂ−１）〜（ｂ−３）に水素分離装置１の断面図を示す。なお、図４（ａ）には、セラミックが充填されていない基材４の平面を示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２３】
凸部４４を、壁状の突起により構成する。ここでは、凸部４４を、貫通孔４３の周囲を閉塞するように構成する。つまり凹部４２の外縁に沿って厚み方向に突出した外周部４１を備え、凹部４２内の貫通孔４３の周囲に沿って外周部４１より低い凸部４４を備える。なお、壁状の凸部４４の形状は、円形状に限らず、四角、六角、楕円等、閉形状であればよい。
【００２４】
図４（ｂ−１）には、凸部４４を水素分離膜２面に対して垂直に構成した場合、図４（ｂ−２）には、凸部４４を貫通孔４３の外側に向かう勾配を有するように構成した場合、図４（ｂ−３）には、凸部４４を貫通孔４３の内部に向かって勾配を有する場合を示している。
【００２５】
本実施形態では、凸部４４を、貫通孔４３を囲む閉形状の壁により構成する。これにより、基材４表面とセラミック層５表面の境目近傍における熱膨張の差をさらに抑制することができる。なお、ここでは、セラミック層５を一つに形成したので、基材４全体の膨張を、セラミック層５で抑えることができるので、水素分離膜２に亀裂が生じるのを抑制することができる。
【００２６】
次に、第５の実施形態について説明する。図５（ａ）に基材４の平面図を、図５（ｂ）に水素分離装置１の断面図を示す。なお、図５（ａ）には、セラミックが充填されていない基材４の平面を示す。以下、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２７】
基材４の表面に、独立した複数の凹部４５を形成し、凹部４５毎にその底面に貫通孔４３を備える。また、凹部４３の底面には、凹部４５以外の領域４６より低い凸部４４を備える。ここでは、貫通孔４３の周囲を閉塞する壁状の凸部４４を構成する。このような凹部４５にセラミックを充填することによりセラミック層５を構成する。なお、凹部４５を、凸部４４の外周に沿ったリング状に構成したが、この限りではない。一つの貫通孔４３に対して一つの独立した凹部４５を構成すればよい。つまり、セラミック層５を、貫通孔４３毎に分割して構成する。
【００２８】
このように分割して構成することで、セラミック層５が形成された貫通孔４３近傍では、基材４を構成する金属層の膨張を抑制し、その他の部分では金属の膨張が生じる。その結果、貫通孔４３近傍に生じる膨張差による応力を効率的に抑制することができる。
【００２９】
また、基材４を複数の金属薄板を積層することにより構成する。ここで、支持体３の製造方法について、図６を用いて説明する。
【００３０】
SUS等からなる円形状の金属板４００ａに、エッチング又はプレス等により貫通孔４３を形成する（過程１）。このような金属板４００ａを、凹部４５の厚さとなるように複数枚積層し、高温条件下で接合する（過程２）。次に、SUS等からなる円形状の金属板４００ｂに、凸部４４となる部分を除いた凹部４５となる領域に、エッチングまたはプレス等により穴を形成する。このとき、凸部４４となる部分が金属板４００ｂから分離して形成されないように、凸部４４と金属板４００ｂ（領域４６）とを細い梁４７で繋ぐように構成する（過程３）。また、SUS等からなる円形状の金属板４００ｃに、凹部４５となる領域にエッチングまたはプレス等により穴を形成する（過程４）。
【００３１】
次に、過程２で構成した積層体に、過程３で構成した金属板４００ｂを、凸部４４の高さとなるまで積層し、さらに過程４で構成した金属板４００ｃを基材４の厚さとなるまで積層し、高温条件下で接合する（過程５）。なお、過程１、３、４を予め行って金属板４００ａ〜ｃを形成した後に、一度に積層して接合してもよい。
【００３２】
最後に、基材４の厚みが一定となるようにセラミックスラリーを充填し、緩衝してから焼成することによりセラミック層５を構成する（過程６）。
【００３３】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第４の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００３４】
貫通孔４３を複数備え、セラミック層５を貫通孔４３毎に独立して構成する。ここでは、凹部４５を、貫通孔４３毎に構成し、凹部４５にセラミックを充填することによりセラミック層５を構成する。これにより、貫通孔４３の近傍の熱膨張差を抑制することができ、より大きい熱膨張や局所的な温度分布が生じても、水素分離膜２の亀裂を抑制することができる。
【００３５】
また、基材４を、複数の金属薄板を積層することにより構成する。これにより、支持体３の厚みを小さくした場合にも、基材４の形状を自由に設定することができる。
【００３６】
なお、第５の実施形態についてのみその製造方法を説明したが、第１〜４の実施形態についても同様に金属板を複数枚積層することにより構成することができる。ただしこの限りではなく、機械加工や鋳造、鍛造等より形成しても良い。
【００３７】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、水素分離装置に適用することができる。特に、複数の材料を用いて構成した支持体に、水素分離膜を形成して構成する水素分離装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１の実施形態に用いる水素分離装置の平面図および断面図である。
【図２】第２の実施形態に用いる水素分離装置の平面図および断面図である。
【図３】第３の実施形態に用いる水素分離装置の平面図および断面図である。
【図４】第４の実施形態に用いる水素分離装置の平面図および断面図である。
【図５】第５の実施形態に用いる水素分離装置の平面図および断面図である。
【図６】第５の実施形態に用いる水素分離装置の製造過程を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    水素分離装置
２    水素分離膜
３    支持体
４    基材（金属層）
４２  凹部
４３  貫通孔
４４  凸部
４５  凹部
５    セラミック層
【図１】
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【図２】
2005224755.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005224755.tif 000006
【図５】
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【図６】
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