(57)【要約】【課題】  反応ガスの通気抵抗を増加させることなく、水素分離膜への鉄化合物の付着を防止できる水素分離膜モジュールおよびその製造方法を提供する。【解決手段】  混合ガス中の水素を選択的に分離するための水素分離膜モジュールは、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の補強板側に接合した精製ガス回収路を有するベースプレートと、前記接合体の水素分離膜側に接合した混合ガス中の鉄化合物を取り除く多孔体とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合ガス中の水素を選択的に分離するための水素分離膜モジュールであって、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の補強板上に接合した精製ガス回収路を有するベースプレートと、前記接合体の水素分離膜上に接合した混合ガス中の鉄化合物を取り除く多孔体とを備える水素分離膜モジュール。
【請求項２】
混合ガスを供給する供給部と、水素分離膜モジュールを備えた本体部と、前記供給部より混合ガスが供給される前記水素分離膜モジュールにより分離された水素を排出する排出部とを備える水素分離装置であって、前記供給部の外周に磁石が備えられている水素分離装置。
【請求項３】
水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合する工程と、前記接合体の補強板上に精製ガス回収路を形成するベースプレートを接合する工程と、前記接合体の水素分離膜上に混合ガス中の鉄化合物を取り除く多孔体を接合する工程とを含む水素分離膜モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分離モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池へ導入する水素の中に一酸化炭素が含まれていると、白金の触媒を不活性化させてしまうため高純度の水素が必要とされている。従来より高純度の水素を精製するための水素製造装置としては、水素のみを選択的に透過させるＰｄやＰｄ合金などからなる水素分離膜を置き、水素分離膜を介して純水素を取り出すものが知られている。この水素分離膜は、膜厚を薄くすることにより水素透過性能を向上させることができる。しかし、薄膜化すると高温高圧の原料ガス側と低圧の精製ガス側との差圧により膜が破断する問題がある。このため、薄膜化する場合には、膜を補強する必要がある。そこで、このような補強を行った水素分離膜として、特許文献１のようなものが提供されている。
【０００３】
このような水素分離膜では、図３に示すように、水素分離膜３本体と、少なくとも１枚の水素透過孔２ａを有する補強板２（支持体）とを接合して接合体５とし、さらに接合体５には、その二次側に生成ガス回収路を形成する各溝６を有するベースプレート４が溶接される。これによって補強された水素分離膜モジュール１が製造される。
【０００４】
このような従来の水素分離膜モジュールは、ステンレスや鉄から構成される配管より反応ガス中へ微小な鉄化合物が混入することが知られており、また、水素分離膜はむき出しの状態にあるため反応ガス内に存在する微小な鉄化合物が水素分離膜へと付着してしまうという問題が生じていた。このような鉄化合物の付着箇所では、約１０００時間の使用により鉄原子の拡散に起因する水素分離膜の割れが発生する。水素分離膜が割れると混合ガスが漏れてしまい、結果として１０００時間以上の水素分離膜の使用をすることができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−８９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑み、混合ガスの通気抵抗を増加させることなく、水素分離膜への鉄化合物の付着を防止できる水素分離膜モジュールの提供及びその製造方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するため、混合ガス中の水素を選択的に分離するための水素分離膜モジュールであって、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の補強板上に接合した精製ガス回収路を有するベースプレートと、前記接合体の水素分離膜上に接合した混合ガス中の鉄化合物を取り除く多孔体とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、混合ガスを供給する供給部と、前記供給部より混合ガスが供給される水素分離膜モジュールを備えた本体部と、前記水素分離膜モジュールにより分離された水素を排出する排出部とを備える水素分離装置であって、前記供給部の外周に磁石が備えられていることを特徴とする。なお、前記水素分離膜モジュールは、水素分分離膜上に鉄化合物を取り除く多孔体を備えている方が好適である。
【０００９】
また、本発明の別の態様によれば、水素分離膜モジュールの製造方法であって、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合する工程と、前記接合体の補強板上に精製ガス回収路を形成するベースプレートを接合する工程と、前記接合体の水素分離膜上に混合ガス中の鉄化合物を取り除く多孔体を接合する工程とを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の水素分離膜モジュールによれば、混合ガスの通気抵抗を増加させることなく、混合ガス中に含まれる微小な鉄化合物が水分離膜へ付着することを防止することができる。これにより、水素分離膜モジュールは、水素分離性能を落とすことなく、長時間の使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の鉄化合物を付着する多孔体を有する水素分離膜モジュールを説明する概念的斜視図である。
【図２】図２は、本発明の水素分離膜モジュールを使用した水素精製装置の一実施例を説明する概略的平面図である。
【図３】図３は、従来の水素分離膜モジュールを説明する概念的斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の鉄化合物を付着する多孔体を備えた水素分離膜モジュールを示す概念的な斜視図である。図１に示すように、本発明の水素分離膜モジュール１は、水素分離膜３と少なくとも１つの多孔性の補強体２との接合からなる接合体と、ベースプレート４と、多孔体７とから構成されている。
【００１４】
補強板２は、金属多孔質板で構成されており、長方形状の水素透過孔が複数穿孔されている。この補強板２は、例えば、ステンレス鋼板（ＳＵＳ４３０）をエッチングによりメッシュ加工した後、メッキ処理し、所定の形状に裁断したものを用いることができる。水素透過孔の長径は、１０００μｍ〜２０００μｍが好ましく、短径は、１００μｍ〜５００μｍが好ましい。また、水素透過孔同士の間隔は、１０〜１００μｍが好ましい。なお、それぞれ厚さおよび開孔パターンの異なる金属製の多孔板を積層することによっても補強板２を構成することができる。水素分離膜３は、補強板２に接合されるので、その機械的強度が向上する。
【００１５】
水素分離膜３は、従来周知の水素透過性の金属箔からなるものであればよく、例えば、Ｐｄ−Ａｇ合金、Ｐｄ−希土類元素合金を用いることができる。またＰｄを含む合金に限られず、Ｎｂ合金系や、Ｚｉ３６Ｎｉ６４アモルファス合金等、水素透過性能を有するものより適宜選択することもできる。水素分離膜の膜厚としては３０μｍ以下のものを使用することが好ましい。
そして、補強板２および水素分離膜３を積層し拡散接合して接合体５を形成する。
【００１６】
拡散接合とは、材料同士を融点以下まで熱し加圧することにより、材料同士の接合面に存在する原子の拡散を利用して、固体のまま接合させる方法をいう。
【００１７】
ベースプレート４は、平板状の金属板の上面および／または下面に、長手方向に複数の平行な溝を加工したものである。
これらの溝は、長手方向の両端部で幅方向の溝によって相互に連通される（図示省略）。この各溝によって精製ガス回収路を形成している。
【００１８】
多孔体７としては、混合ガスの通気抵抗を増加させることなく混合ガスを透過させることができ、かつ、混合ガス中の鉄化合物を付着できるものであればよく、ステンレス細線またはチタン細線を編みこんだ、または絡み合わせた後に焼結させたものが好ましい。多孔体７が有する透過精度としては、鉄化合物や微小なゴミが通過できず混合ガスが通過できる大きさであればよく、例えば、１００μｍ以下が好ましく、５〜１０μｍがより好ましく、５μｍ以下が最も好ましい。また、多孔体の厚さとしては、１００〜２０００μｍが好ましい。市場されている多孔体としては、例えばエクセルポア（ＮＰ）、ファインポア（ＮＦ）、ＮＰＭフィルタ（ＮＰＭ）、およびファインメット（ＮＭ）（株式会社明成商会製）等を使用することができる。
【００１９】
水素分離モジュールの大きさとしては、使用される設置場所により適宜設計することができるが、例えば、幅２０〜６０μｍ、長さ１００〜１０００μｍが好ましく、幅４０μｍ、長さ４００μｍがより好ましい。また、水素分離膜モジュールへ供給される混合ガスの温度は、例えば３００〜７００℃であり、その圧力は例えば、０．１〜２ＭＰａである。なお、透過側の圧力は、例えば０〜１ＭＰａである。
【００２０】
水素分離膜モジュールの製造にあたっては、水素分離膜３と補強体２とを拡散接合し接合体５を得る。次に、接合体５の端面とベースプレート４とをシール溶接によって接合する。さらに、多孔体７を接合体５の水素分離膜３上に、多孔体７の縁を溶接することにより接合体５と接合させ、水素分離モジュールを製造する。
【００２１】
上記の構成によれば、水素分離モジュール１に供給される混合ガスは、先ず多孔体７においてその混合ガス中に含まれる微小な鉄化合物を取り除く。次に、鉄化合物を取り除いた混合ガスを、水素分離膜へと導入し、水素分離膜により混合ガスから選択的に水素のみを透過する。混合ガスより分離した水素は、補強体２の水素透過孔およびベースプレート４の精製ガス回収路を通過し、高純度水素ガスとして排出される。
【００２２】
このように、本発明の水素分離モジュール１は、混合ガスが水素分離膜３を通過する前に、混合ガス中の微小な鉄化合物は多孔体７により取り除かれるため、水素分離膜３への鉄化合物の付着を防止することができる。これにより、鉄原子の付着・拡散に起因する水素分離膜の割れ発生を防ぐことが可能となり、水素分離膜の寿命を延ばすことができる。また、多孔体は、混合ガスの通気抵抗を大幅に増加させることなく、よって水素の精製効率は維持される。
【００２３】
図２は、本発明の水素分離モジュールを使用した水素分離装置の一実施例を概念的に示す平面図である。図２に示すように、本発明の水素分離装置は、混合ガスを供給する供給部８と、供給部８の外周に備えられた磁石９と、供給部８より混合ガスが供給され、水素分離モジュールにより水素を分離する本体部と、分離した水素を排出する排出部１０とにより構成されている。
【００２４】
混合ガスを供給する供給部８は、その外周に備えられた磁石の磁力が供給部内で働くものであれば制限されず、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等で構成され、例えば５〜５０ｍｍの厚さを有することが好ましい。
また、分離した水素を排出する排出部１０は、例えばステンレス鋼、耐熱合金あるいはＴｉ合金等で構成されることが好ましい。
【００２５】
磁石９は、供給部８の外周に備え付けられた際に、混合ガス中の鉄化合物を引き寄せられる磁力を有するものであればよく、永久磁石がより好ましい。磁石の元となる磁石粉末は、レア・アース鉱石から精製・製造されたレア・アース金属や、鉄、コバルトその他の添加元素を溶融し、合金化、インゴット化し、粉砕することにより得ることができる。磁石粉末は、磁場をかけた金型の中でプレス成型され、焼結・熱処理することにより磁石として製造できる。
【００２６】
上記の構成によれば、先ず、混合ガスを供給部８より本体部へ供給する。この際、供給部８の外周には磁石９が備え付けられているため、混合ガス中に含まれる微小な鉄化合物は、磁石９の磁力に引きつけられて、磁石９の設置場所に対応する供給部８に堆積する。長時間の使用によってもこの堆積はわずかなものであるため、想定耐用時間内において混合ガス供給への通気抵抗には殆ど影響しない。次に、供給部８内で鉄化合物を取り除いた混合ガスを、本体部へと導入し、続いて本体部内の水素分離モジュールへ導入する。水素分離モジュールは、図２に示すような鉄化合物を付着する多孔体を備えていてもよく、この多孔体により混合ガス中に残存する鉄化合物をさらに取り除くことも可能である。多孔体を通過した混合ガスは、水素分離膜で選択的に水素を分離する。混合ガスより分離した水素は、補強体の水素透過孔およびベースプレート内の精製ガス回収路を通り、最終的に水素排出部１０から高純度水素として排出する。
【００２７】
このように、水素分離装置は、供給部８の外周に備えられた磁石により混合ガス中の鉄化合物を取り除き、また、さらに水素分離モジュール内の多孔体において混合ガス中の鉄化合物を取り除くこともできるため、水素分離膜への鉄化合物の付着を効率よく防止することができる。これにより、鉄原子の付着・拡散に起因する水素分離膜の割れ発生を防ぐことが可能となり、水素分離膜の寿命を延ばすことができる。
【００２８】
水素分離装置の製造にあたっては、半導体生産設備における超純水生産設備の濾過装置のように製造することができる。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
本発明者らは、Ｐｂ−希土類元素からなる厚さ２０μｍ以下の水素分離膜とステンレス鋼製の多孔板３枚以上の積層板からなる補強体との接合による接合体と、補強体上に接合したベースプレートと、鉄原子を捕捉する多孔体を備える水素分離膜モジュールを作製し、温度５５０℃、圧力０．８ＭＰａの条件下で作動させたところ、５０００時間目においても水素分離膜上に鉄化合物の付着は認められなかった。
【００３０】
（実施例２）
本発明者らは、Ｐｄ−希土類元素からなる厚さ２０μｍ以下の水素分離膜とステンレス鋼製の多孔板３枚以上の積層板からなる補強体との接合による接合体と、補強体上に接合したベースプレートとを備える水素分離モジュールを用いて、水素分離装置を作製した。さらに、内径１０ｍｍの供給パイプおよび水素排出パイプを水素分離装置の本体部へ取り付けた。供給パイプには、ネオジウム鉄ボロンを供給パイプの周囲を覆う様に取り付けた。この水素分離装置で磁石の部分は室温に保持しつつ、膜モジュール部分は温度５５０℃、圧力０．８ＭＰａの条件下で作動させたところ、５０００時間目においても水素分離膜上に鉄化合物の付着は認められなかった。
【符号の説明】
【００３１】
１  水素分離膜モジュール
２  補強体
３  水素分離膜
４  ベースプレート
５  接合体
６  溝
７  多孔体
８  反応ガス供給パイプ
９  磁石
１０  水素排出パイプ
【図１】
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【図２】
2010240551.tif 000004
【図３】
2010240551.tif 000005