(57)【要約】【課題】金属製基材の孔部にセラミクス等の粒子を充填、焼成した場合に粒子の脱落、位置ずれ、体積変化が起こり、水素透過膜として所期の性能が得られないおそれが生じる。【解決手段】セラミクス粒子１３を充填する貫通孔１２をその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように基板１１に形成し、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面に水素透過性膜１４を形成する。基板に形成した貫通孔の開口面積の大きい側に水素分離膜を形成したので、粒子の脱落を抑えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数の貫通孔を有する基板と、前記貫通孔に充填される金属またはセラミクスの粒子と、前記粒子を貫通孔に充填した状態で前記基板に被覆される水素透過性膜とを備えた水素分離膜構造体において、
前記貫通孔をその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように形成すると共に、
前記基板には、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面に前記水素透過性膜を形成したこと
を特徴とする水素分離膜構造体。
【請求項２】
前記粒子は、前記貫通孔の開口面積が小さい側ほど平均粒径が大となるように異なる粒径のものを充填した請求項１に記載の水素分離膜構造体。
【請求項３】
前記基板を、前記貫通孔の開口面積が大である側が外側となるように円筒状に形成した請求項１に記載の水素透過膜構造体。
【請求項４】
前記貫通孔をテーパ孔状に形成した請求項１に記載の水素透過膜構造体。
【請求項５】
前記貫通孔を半球形状に形成した請求項１に記載の水素透過膜構造体。
【請求項６】
貫通孔がその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように形成された基板に、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面にフィルムを被覆したのち、
前記貫通孔の開口面積が小である開口部から金属またはセラミクスの粒子を充填し、
前記粒子を貫通孔内に充填した基板に、加振力および前記粒子に前記フィルム方向への付勢力が作用する方向に遠心力を付与し、
前記フィルムを剥離したのち焼成処理を施し、
その後当該基板のフィルム剥離面に水素透過性膜を形成することを特徴とする水素分離膜構造体の製造方法。
【請求項７】
前記貫通孔に粒子を充填するにあたり、粒径の異なるセラミクス粒子をそれぞれスラリー化したものを、粒径毎に充填、乾燥を繰り返して貫通孔内に積層してゆくようにした請求項６に記載の水素分離膜構造体の製造方法。
【請求項８】
前記基板を、前記貫通孔の開口面積が大である側が外側となるように円筒状に形成し、この円筒状基板をその中心線の周りに回転させることにより、貫通孔に充填した粒子に遠心力を付与するようにした請求項６に記載の水素分離膜構造体の製造方法。
【請求項９】
前記加振力または遠心力を付与する際に、前記基板をそのフィルム被覆面に面接触するように形成した治具上に支持して行うようにした請求項６に記載の水素分離膜構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池等に供給する水素含有ガスから不純物を除去するための水素分離膜およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素分離膜の従来技術として特許文献１に示したようなものが知られている。これは水素透過性および耐久性を向上させることを目的として、金属製基材に設けた多数の孔部に金属またはセラミクスの粒子を埋め込み、その表面にＰｄを含有する水素透過性膜をイオンプレーティング等の化学めっき法により形成したものである。
【特許文献１】特開２００２−２３９３５２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
金属製基材の孔部にセラミック等の粒子を充填、焼成した場合に粒子の脱落や位置ずれが起こり、または体積変化によるめっき面粗度の悪化が生じることから、水素透過膜として所期の性能が得られないことがある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は次のような水素分離膜構造体を形成する点を特徴とする。すなわち、金属またはセラミクスの粒子を充填する貫通孔をその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように基板に形成する。
この基板には、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面に水素透過性膜を形成したものとする。
【０００５】
また、本発明は次の工程からなる前記水素分離膜構造体の製造方法を提供する。
貫通孔がその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように形成された基板に、前記貫通孔の開口面積が大である側の表面にフィルムを被覆する。
前記貫通孔の開口面積が小である開口部から金属またはセラミクスの粒子を充填する。
前記粒子を貫通孔内に充填した基板に加振力および前記粒子に前記フィルム方向への付勢力が作用するように遠心力を付与する。
前記フィルムを剥離したのち焼成処理を施す。
当該基板のフィルム剥離面に水素透過性膜を形成する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明による水素分離膜構造体では、基板に形成した貫通孔の開口面積の大きい側に水素分離膜を形成したので、粒子の脱落を抑えることができる。
【０００７】
本発明による水素分離膜構造体の製造方法によれば、基板の貫通孔に充填した粒子に加振と遠心力を作用させてから焼成するので、焼結後の体積変化を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に本発明による水素分離膜構造体の第１の実施形態を示す。図において１１は金属製基板であり、その表裏を貫通する貫通孔１２が多数形成してある。貫通孔１２は基板１１の表面側と裏面側とでその開口面積が大小異なるように、この場合半球形状もしくはテーパ孔状に形成してある。
【０００９】
前記貫通孔１２にはセラミクスからなる粒子１３を充填したうえで、該貫通孔１２の開口面積が大である側の基板表面にＰｄ等の水素分離機能を有する水素透過性膜１４が被覆してある。粒子１３の材料としては、セラミクスのほか、鉄、ステンレス、ニッケル等の金属材料またはこれらの酸化物を適用することもできる。水素分離機能を持つ水素透過性膜１４の材料としてはＰｄの他にＮｂ、Ｖ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｐｔ等があり、それらを組み合わせ、またはさらに前記材料にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｂ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｙ等を組み合わせて使用してもよい。水素透過性膜１４の被覆方法としては、めっき、スパッタ、真空蒸着等、乾式、湿式問わず、各種の成膜加工法を適用することができる。
【００１０】
この実施形態によれば、開口面積が大きい側の基板表面に水素透過性膜を形成するようにしたので、粒子の脱落を防止することができる。
【００１１】
図２は本発明による水素分離膜構造体の第２の実施形態である。これは、前記金属基板１１を、前記貫通孔１２の開口面積が大である側が外側となるように円筒状に形成したものである。この場合、水素透過性膜１４は、貫通孔１２の開口面積が大である円筒状基板１１の外側面に形成する。
【００１２】
この実施形態によれば、円筒状基板１１の外側に水素透過性膜１４を形成してあるので、水素透過膜１４に作用する張力により膜１４自体および粒子１３が脱落を起こしにくく、粒子１３の保持をより確実に行わせることができる。
【００１３】
図３は本発明による水素分離膜構造体の第３の実施形態である。これは、前記金属基板１１の貫通孔１２に互いに粒径の異なる数種類の粒子１３を充填したものである。ただし、図示したように粒子１３は貫通孔１２の開口面積が小さい側ほど平均粒径が大となるように層状に充填してある。
【００１４】
この実施形態によれば、粒径の小さい粒子で水素透過性膜１４に近い側の平滑度を確保しつつ、粒径の大きい粒子を設けたことで貫通孔１２を水素ガスが流れる際の圧力損失を軽減することができる。
【実施例】
【００１５】
図４に前記水素分離膜構造体の製造方法に関する実施例を示す。図には、以下に説明する製造工程順に（１）〜（５）の数字を付してある。
（１）貫通孔１２がその開口面積が両端開口部にて互いに異なるように形成された基板１１に、前記貫通孔１２の開口面積が大である側の表面にフィルム１５を被覆する。
（２）前記貫通孔１２内に、その開口面積が小である開口部側からスラリー化したセラミクスの粒子１３を流し込んで充填する。
（３）前記粒子１３を貫通孔１２内に充填した基板１１を、該基板のフィルム被覆面に面接触するように形成した治具１６上に固定し、この治具１６と共に面方向（図の左右方向）に振動させて貫通孔１２内の粒子１３に加振力を付与する。前記加振力の付与と共にまたはこれに前後して、前記粒子１３に前記フィルム１５方向への付勢力が作用する方向に遠心力を与える。この工程は、例えば基板１１を固定した治具１６を回転機で旋回させることにより実施する。
（４）貫通孔１２内のスラリーを乾燥させたのち前記フィルム１５を剥離し、高温で焼成する。
（５）その後基板１１のフィルム剥離面に水素透過性膜１４を成膜する。
【００１６】
前記水素分離膜構造体の製造方法によれば、基板１１の貫通孔１２に充填した粒子１３に加振と遠心力を作用させてから焼成するので、焼結後の体積変化を抑制することができる。前記加工時に治具１６を用いることで、基板１１に加振力および遠心力を作用させる際のフィルム１５の保持強度を確保することができる。
【００１７】
基板１１に遠心力を作用させる場合、図２に示したように基板１１を円筒状に形成した場合には、円筒状基板１１をその中心線の周りに回転させることにより、貫通孔１２に充填した粒子に容易にかつ効果的に遠心力を付与することができる。
【００１８】
図５は水素分離膜構造体の製造方法に関する第２の実施例である。これは図３に示した異なる粒径の粒子１３を層状に充填した構造の水素透過膜構造体を製造するための工程に関する実施例であり、工程上は図４の（２）に対応するので、工程順に（２−１）〜（２−４）の数字を付して示してある。
（２−１）図４と同様のフィルム１５を被覆した基板１１を治具１６上に固定し、その貫通孔１２に粒径が最も小さいセラミクス粒子１３ａのスラリーを貫通孔１２の途中まで流し込み、加振力および遠心力を加えたのち乾燥させて第１の粒子層１３Ａを形成する。
（２−２）次に前記第１の粒子層１３Ａの上から、２番目に粒径の小さいセラミクス粒子１３ｂのスラリーを途中まで流し込み、加振力および遠心力を加えたのち乾燥させて第２の粒子層１３Ｂを形成する。
（２−３）次に前記第２の粒子層１３Ｂの上から、最も粒径の大きいセラミクス粒子１３ｃのスラリーを貫通孔１２がいっぱいになるまで流し込み、加振力および遠心力を加えたのち乾燥させて第３の粒子層１３Ｃを形成する。
（２−４）フィルム１５を剥離し、高温で焼成する。その後は図４の（５）と同様に水素透過性膜を被覆して完成する。なおフィルム１５の剥離は、前記（２−１）の工程が終了した後であればいつでもよい。
【００１９】
この水素分離膜構造体の製造方法によれば、図３に示した複数の異なる粒径を有する粒子を積層構造とする際に種類の異なる粒子同士が混ざり合わないように確実に層状化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による水素分離膜構造体の第１の実施形態の要部縦断面図。
【図２】本発明による水素分離膜構造体の第２の実施形態の要部縦断面図。
【図３】本発明による水素分離膜構造体の第３の実施形態の要部縦断面図。
【図４】本発明による水素分離膜構造体の製造方法に関する第１の実施例の工程説明図。
【図５】本発明による水素分離膜構造体の製造方法に関する第２の実施例の工程説明図。
【符号の説明】
【００２１】
１１    基板
１２    貫通孔
１３    粒子
１４    水素透過性膜
１５    フィルム
１６    治具
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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