(57)【要約】    【課題】  生産性を損ねることなく、支持体と水素分離用膜との隙間を容易に小さくしてその形状を安定させる水素分離膜モジュールを提供する。    【解決手段】  水素分離膜モジュール１であって、複数の孔２を有する筒状の第１支持体１０と、第１支持体１０の外表面側に配された水素分離膜層２０と、水素分離膜層２０の外表面側に配されかつ複数の孔３を有する筒状の第２支持体３０とを含む。水素分離膜層２０は、互いに反対側に位置する第１端部分及び第２端部分を有するシート状の水素分離膜要素２６が環状構造に成形されたものであり、環状構造が、第１支持体１０を囲む環状部４と、第１端部分及び第２端部分の内周面側が互いに重ねられて固着されている接合部５とを含む。接合部５は、第１端部分及び第２端部分の一方が環状部４に対して折り返されるように環状部４の上に重ねられている。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分離膜モジュールであって、
複数の孔を有する筒状の第１支持体と、
前記第１支持体の外表面側に配されかつ混合ガスから水素ガスを選択的に透過させる水素分離膜層と、
前記水素分離膜層の外表面側に配されかつ複数の孔を有する筒状の第２支持体とを含み、
前記水素分離膜層は、互いに反対側に位置する第１端部分及び第２端部分を有するシート状の水素分離膜要素が環状構造に成形されたものであり、
前記環状構造が、前記第１支持体を囲む環状部と、前記第１端部分及び前記第２端部分の内周面側が互いに重ねられて固着されている接合部とを含み、しかも、前記接合部は、前記第１端部分及び前記第２端部分の一方が前記環状部に対して折り返されるように前記環状部の上に重ねられている、
水素分離膜モジュール。
【請求項２】
前記水素分離膜層と前記第１支持体との間、及び、前記水素分離膜層と前記第２支持体との間の少なくとも一方には、ガス透過性を有する多孔質シート材からなるスペーサーが配されている、請求項１記載の水素分離膜モジュール。
【請求項３】
前記スペーサーは、前記水素分離膜層と前記第２支持体との間に設けられた外側スペーサーを含む、請求項２に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項４】
前記スペーサーは、前記水素分離膜層と前記第１支持体との間に設けられた内側スペーサーを含む、請求項２又は３に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項５】
前記スペーサーは、前記接合部の少なくとも一部を覆わない、円周方向において連続しない途切れ部を有する、請求項２ないし４のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
【請求項６】
前記スペーサーの一部は、前記接合部の上に位置する、請求項５に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項７】
前記スペーサーは、前記接合部の円周方向の中央部を覆わずかつ円周方向の両端部分を覆う、請求項５に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項８】
前記スペーサーは、前記接合部の全範囲を覆わないように、円周方向において連続しない途切れ部を有する、請求項２ないし４のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
【請求項９】
前記スペーサーは、前記水素分離膜層から遠い側に配される第１層と、前記水素分離膜層に接して配される第２層とを含み、
前記第２層は、前記接合部の円周方向の両外側の近傍に途切れ端を有する請求項２ないし８のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
【請求項１０】
前記水素分離膜要素は、前記環状部と前記接合部との間に、前記水素分離膜要素同士が互いに固着されることなく接触する接触部を含み、
前記接触部で、前記第１端部分及び第２端部分の一方が折り返されている、請求項１ないし９のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含有する混合ガスから水素ガスを取り出すために用いられる水素分離膜モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、水素を含有する混合ガスから水素を取り出すための水素分離膜モジュールが記載されている。この水素分離膜モジュールは、筒状の多孔性の支持体と、その外側に配された筒状の水素分離用膜とを含む。水素分離用膜には、水素のみを選択的に通過させることができる薄膜材料（例えば、Ｐｄ等を主成分とする金属材料）が用いられる。支持体は、この薄膜材料を内側から保持し、その形状等を安定させる。
【０００３】
水素を含む混合ガスが、例えば、水素分離用膜の外表面側に供給されると、前記混合ガス中の水素のみが水素分離用膜を透過して筒状の支持体内部へ移動するので、該支持体内部から高純度の水素ガスを取り出すことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５５１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のようなモジュールを製造する場合、典型的には、先ず、シート状で準備された水素分離用膜材料を環状に巻回し、その両端部を重ねて接合することにより筒状の水素分離用膜が形成される。次に、筒状に形成された水素分離用膜の内部に支持体が挿入される（上記筒状の水素分離用膜は、予めこの支持体よりも大きい内径で作られている。）。水素分離用膜を保護するために、前記挿入後、水素分離用膜と支持体との間の隙間は極力小さくすることが望まれている。
【０００６】
ところで、支持体は、製造誤差等による個体差により、外径が異なる場合がある。例えば、外径が相対的に大きい支持体は、筒状の水素分離用膜への挿入が困難になり、生産性の悪化を招く。逆に、外径が相対的に小さい支持体は、筒状の水素分離用膜への挿入は容易に行えるものの、水素分離用膜との間に大きな隙間が形成されるという問題があった。
【０００７】
本発明は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、生産性を損ねることなく、支持体と水素分離用膜との隙間を容易に小さくしてその形状を安定させることが可能な水素分離膜モジュールを提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、水素分離膜モジュールであって、
複数の孔を有する筒状の第１支持体と、
前記第１支持体の外表面側に配されかつ混合ガスから水素ガスを選択的に透過させる水素分離膜層と、
前記水素分離膜層の外表面側に配されかつ複数の孔を有する筒状の第２支持体とを含み、
前記水素分離膜層は、互いに反対側に位置する第１端部分及び第２端部分を有するシート状の水素分離膜要素が環状構造に成形されたものであり、
前記環状構造が、前記第１支持体を囲む環状部と、前記第１端部分及び前記第２端部分の内周面側が互いに重ねられて固着されている接合部とを含み、しかも、前記接合部は、前記第１端部分及び前記第２端部分の一方が前記環状部に対して折り返されるように前記環状部の上に重ねられている、
水素分離膜モジュールである。
【０００９】
本発明の他の態様では、前記水素分離膜層と前記第１支持体との間、及び、前記水素分離膜層と前記第２支持体との間の少なくとも一方には、ガス透過性を有する多孔質シート材からなるスペーサーが配されていても良い。
【００１０】
本発明の他の態様では、前記スペーサーは、前記水素分離膜層と前記第２支持体との間に設けられた外側スペーサーを含むことができる。
【００１１】
本発明の他の態様では、前記水素分離膜層と前記第１支持体との間に設けられた内側スペーサーを含むことができる。
【００１２】
本発明の他の態様では、前記スペーサーは、前記接合部の少なくとも一部を覆わない、円周方向において連続しない途切れ部を有するものでも良い。
【００１３】
本発明の他の態様では、前記スペーサーの一部は、前記接合部の上に位置するものでも良い。
【００１４】
本発明の他の態様では、前記スペーサーは、前記接合部の円周方向の中央部を覆わずかつ円周方向の両端部分を覆うものでも良い。
【００１５】
本発明の他の態様では、前記スペーサーは、前記接合部の全範囲を覆わないように、円周方向において連続しない途切れ部を有するものでも良い。
【００１６】
本発明の他の態様では、前記スペーサーは、前記水素分離膜層から遠い側に配される第１層と、前記水素分離膜層に接して配される第２層とを含み、前記第２層は、前記接合部の円周方向の両外側の近傍に途切れ端を有するものでも良い。
【００１７】
本発明の他の態様では、前記水素分離膜要素は、前記環状部と前記接合部との間に、前記水素分離膜要素同士が互いに固着されることなく接触する接触部を含み、前記接触部で、前記第１端部分及び第２端部分の一方が折り返されても良い。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の水素分離膜モジュールでは、水素分離膜層が、互いに反対側に位置する第１端部分及び第２端部分を有するシート状の水素分離膜要素が環状構造に成形されている。前記環状構造は、前記第１支持体を囲む環状部と、前記第１端部分及び前記第２端部分の内周面側が互いに重ねられて固着されている接合部とを含む。そして、前記接合部は、前記第１端部分及び前記第２端部分の一方が前記環状部に対して折り返されるように前記環状部の上に重ねられている。
【００１９】
上記構成によれば、前記接合部を前記環状部の上に折り重ねる際に、水素分離膜要素と第１支持体との間の隙間を減じるように調整することができる。また、前記水素分離膜層の外側には、第２支持体が配されることにより、前記水素分離膜層の形状を安定させることができる。以上のように、本発明の水素分離膜モジュールは、前記水素分離膜層と前記第１支持体との間の隙間を容易に小さくし、かつ、その形状を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の水素分離膜モジュールの正面図（一部断面図）である。
【図２】図１の分解斜視図である。
【図３】図１の斜視図である。
【図４】図１の横断面図である。
【図５】シート状の水素分離膜要素を説明するための斜視図である。
【図６】水素分離膜層の成形工程を説明するための斜視図である。
【図７】図６のＡ視拡大図である。
【図８】水素分離膜層の固着工程を説明するための斜視図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、上記固着工程の変形例を説明するための斜視図である。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、水素分離膜層の密着工程を説明するための接合部付近の要部拡大図である。
【図１１】第２実施形態の水素分離膜モジュールの正面図（一部断面図）である。
【図１２】図１１の分解斜視図である。
【図１３】図１１の斜視図である。
【図１４】図１１の横断面図である。
【図１５】（Ａ）及び（Ｂ）は、スペーサーの変形例を示す水素分離膜モジュールの断面図である。
【図１６】スペーサーの変形例を示す水素分離膜モジュールの部分断面図である。
【図１７】スペーサーの変形例を示す水素分離膜モジュールの部分断面図である。
【図１８】スペーサーの変形例を示す水素分離膜モジュールの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態が図面に基づき詳細に説明される。図面は、本発明を例示及び説明する目的で使用されるもので、本発明は、図面に表された具体的な形態等に限定して解釈されるべきものではない。また、図面は、適宜、構造を理解しやすくするために、一部模式化されており、必ずしも、実際の寸法比率になっていないことが理解されるべきである。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の水素分離膜モジュール（以下、単に、「モジュール」ということがある。）１の正面図を示す。理解しやすいように、図１では、上半分が断面図として描かれている。図２は、モジュール１の分解斜視図であり、図３は、モジュール１の組み立て後の斜視図であり、図４は、モジュール１の横断面図である。図１ないし図４を参照すると、本実施形態のモジュール１は、例えば、第１支持体１０と、第１支持体１０の外表面側に配された水素分離膜層２０と、水素分離膜層２０の外表面側に配された第２支持体３０とを含む。
【００２３】
［第１支持体の構成］
第１支持体１０は、複数の孔２を有する筒状で構成されている。本実施形態では、好ましい態様として、円筒状の第１支持体１０が示されている。他の態様では、第１支持体１０は、楕円状や多角形状に構成されても良い。
【００２４】
第１支持体１０は、例えば、軸方向に延びる筒本体１１と、その軸方向のそれぞれの端部分を構成する側面部１２及び１３とを具える。
【００２５】
筒本体１１には、例えば、多数の前記孔２が形成されている。各孔２は、筒本体１１を貫通しており、筒本体１１の外部と内部とを連通する。筒本体１１は、水素分離膜層２０を安定的に支持しうる程度の剛性を有するものではれば、パンチングメタル、金網、その他のメッシュ材料、多孔質の焼結金属体など種々の材料を用いて構成される。他の態様では、第１支持体１０は、水素分離に必要な例えば４００℃以上の温度環境下での使用において、耐水素脆性機能と耐熱性とを有する素材が好適である。筒本体１１は、耐水素脆性機能を有していれば、例えば、セラミック等で構成されても良い。本実施形態では、ＳＵＳ３１６Ｌ等のステンレス鋼のパンチングメタルが採用される。孔２についても、特に限定されないが、例えば１．０〜３．０mm程度の内径を有し、これらが所定のピッチで配置される。
【００２６】
好ましい態様では、第１支持体１０の外表面上に配置される水素分離膜層２０との接触界面での水素原子拡散を防ぐために、第１支持体１０の外表面に、バリア層（図示省略）などが形成されても良い。このバリア層としては、例えば、ＴｉＮ、セラミック又は金属酸化物などが採用されても良い。
【００２７】
側面部１２及び１３は、筒本体１１の軸方向両側にそれぞれ固着されている。本実施形態では、側面部１２及び１３と、筒本体１１とは、溶接固着によって一体化されている。一方の側面部１２は、例えば、筒本体１１の内部のガスを取り出すか又は筒本体１１にガスを供給するための開口Ｏが形成されている。他方の側面部１３は、例えば、筒本体１１の端部を気密に閉塞するように構成されている。
【００２８】
［水素分離膜層］
水素分離膜層２０は、第１支持体１０の外表面側に配されている。より詳細には、水素分離膜層２０は、第１支持体１０の筒本体１１の外表面を覆うよう筒状に構成されている。
【００２９】
水素分離膜層２０は、混合ガスから水素ガスを選択的に（即ち、水素のみを選択して）透過させる性質を有する水素分離膜２２（図２に示す）を用いて構成される。水素分離膜２２としては、典型的には、上記特許文献１に例示されるようなＰｄを含む金属材料、例えば、Ｐｄ−Ｃｕ合金やＰｄ−Ａｇ合金等が好適である。前者の場合、Ｐｄは、質量％で少なくとも５０％〜７５％、好ましくは５５％〜７０％含まれることが望ましく、Ｃｕは、２５％〜５０％、好ましくは３０％〜４５％含まれることが望ましい。後者の場合、Ｐｄは、少なくとも５０％〜８５％、好ましくは５５％〜８０％含まれるのが望ましく、Ａｇについては、少なくとも１５％〜５０％、好ましくは２０％〜４５％含まれるのが望ましい。ただし、本発明のモジュール１及びその製法に関し、水素分離膜２２の材料は、水素を選択的に透過させる材料であれば、特に限定されるものではない。
【００３０】
水素透過性能は、一般に、水素分離膜２２の厚さが小さいほど向上する。一方、水素分離膜２２の厚さが小さくなると、取扱いが困難になるおそれがある。特に限定されるものではないが、水素分離膜２２の厚さは、好ましくは５０μm以下、より好ましくは５〜２５μm程度とされるのが望ましい。
【００３１】
水素分離膜層２０の軸方向の両端は、例えば、第１支持体１０の側面部１２及び１３に気密に接合される。ガス漏れ等を防ぐために、両者は、水素分離膜層２０は、側面部１２及び１３に円周方向で連続的に固着（例えば、ロウ付け、溶接等）される。
【００３２】
［第２支持体の構成］
第２支持体３０は、水素分離膜層２０の外側に配置される。第２支持体３０は、複数の孔３を有する筒状で構成されている。本実施形態では、好ましい態様として、円筒状の第２支持体３０が示されている。他の態様では、第２支持体３０は、第１支持体１０と同様に楕円状や多角形状に構成されても良い。第２支持体３０には、例えば、第１支持体１０で述べたものと同様の材料、即ち、水素分離に必要な例えば４００℃以上の温度環境下での使用において耐水素脆性機能と耐熱性とを有する素材が好適である。第２支持体３０の軸方向の両端には、エンドキャップ４０及び４２が嵌め込まれている。エンドキャップ４０及び４２は、それぞれ第２支持体３０に気密に固着されている。
【００３３】
［モジュールの作用・機能］
本実施形態のモジュール１の基本的な機能について述べる。例えば、高温雰囲気中（例えば、４００℃以上）において、水素を含む混合ガスが、第２支持体３０の外表面側に相対的に高い圧力で供給されると、混合ガスは、第２支持体３０の孔３を通して水素分離膜層２０に接する。混合ガス中の水素のみが水素分離膜層２０の水素分離膜２２を透過する。水素分離膜層２０を透過した水素は、第１支持体１０の孔２を介して、第１支持体１０の内部へと蓄えられる。第１支持体１０の内部の水素（水素ガス）は、適宜、開口Ｏからから取り出される。
【００３４】
他の態様では、例えば、開口Ｏから水素を含む混合ガスが、第１支持体１０の内表面側に相対的に高い圧力で供給されても良い。この場合、混合ガスは、第１支持体１０の孔２を通して水素分離膜層２０に接する。混合ガス中の水素のみが水素分離膜層２０の水素分離膜２２を透過する。水素分離膜層２０を透過した水素は、第２支持体３０の孔３を介して、第２支持体３０の外部に供給される。本実施形態のモジュール１は、特に限定されることなく、あらゆる用途に適用可能であるが、例えば、各種燃料電池用の高純度水素発生装置として好適に実施される。
【００３５】
［水素分離膜層の構成］
本発明では、水素分離膜層２０の構成に特徴を有するので、以下この点が、その製造工程と合わせて説明される。
【００３６】
［水素分離膜要素］
本実施形態の水素分離膜層２０は、図５に示されるようなシート状の水素分離膜要素２６を用いて作られている。図５には、シート状の水素分離膜要素２６の斜視図が示されている。水素分離膜要素２６は、例えば、矩形状とされており、互いに反対側に位置する第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂを有する。これらの第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂは、水素分離膜要素２６を筒状（環状）に形成する際に、互いに接合される部分とされる。
【００３７】
好ましい態様では、水素分離膜要素２６は、生産性や加工性等を考慮して、少なくとも第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂにこれらを補強するための補強部２４が形成される。理解しやすいように、図５において、補強部２４は、薄いグレーで着色されている。
【００３８】
図５に示されるように、本実施形態の補強部２４は、水素分離膜２２の補強効果を高めるために、水素分離膜２２の周囲２３に沿ってほぼ全周に額縁状に形成された金属シート２８が接合されている。金属シート２８は、例えば、水素分離膜２２よりも大きい厚さ、とりわけ１．１〜２．２倍程度の厚さを有するものが好適である。金属シート２８は、水素分離膜２２の片面側のみに接合されても良いし、水素分離膜２２を挟むように、その両側面に接合されても良い。
【００３９】
金属シート２８は、例えば、水素分離膜２２と同じ金属であっても良いし、異なる金属でも良い。後者の場合、水素分離膜２２と親和性を有する材料が選択されることが望ましい。このような親和性を有する金属材料は、水素分離膜２２と強固に加熱結合することが可能である点で好ましい。
【００４０】
好ましい態様では、金属シート２８は、水素分離膜２２を構成する化学成分のうちのいずれかの元素、その元素と同属関係にある同属元素、又は、水素分離膜２２と同じ結晶構造を有する元素を含む金属材料が選択される。本実施形態では、水素分離膜２２が、Ｐｄ−Ｃｕ合金で構成されており、金属シート２８には、Ｃｕ合金が採用されている。この結果、水素分離膜２２と金属シート２８とは、例えば、拡散接合、圧接、溶接などの加熱結合法により気密に一体化される。
【００４１】
補強部２４の変形例としては、補強部２４は、例えば、水素分離膜２２の厚さを部分的に大きくすることで形成されても良い（図示省略）。この場合、水素分離膜要素２６は、水素分離膜２２を構成する１種の金属材料で構成することができる。
【００４２】
［成形工程］
図６に示されるように、シート状の水素分離膜要素２６は、環状構造に成形される（成形工程）。より具体的には、シート状の水素分離膜要素２６は、第１端部分２６Ａと第２端部分２６Ｂとが拝み合うように互いに向き合わせて環状構造へと成形される。これにより、図６のＡ視拡大図である図７に示されるように、水素分離膜要素２６は、ほぼ円形筒状をなす環状部４と、第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂが拝み合うように互いに向き合わされた接合部５とを含む環状構造とされる。なお、本明細書及び請求の範囲において、「拝み合うように」とは、あたかも左右の手のひらを合わせて拝むように、第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂがそれぞれ同じ側の面、即ち、水素分離膜要素２６の環状部４の内周面側の面同士を互いに向き合わせることを意味する。
【００４３】
好ましい態様では、接合部５は、環状部４の放射方向に延びるように成形されるのが望ましい。これにより、接合部５の両側に、後述の固着工程を行うための十分な空間を提供することができる。
【００４４】
［固着工程］
次に、接合部５において、第１端部分２６Ａと第２端部分２６Ｂとが固着される（固着工程）。固着工程は、様々な方法で行うことができる。好ましい態様では、接合部５が溶接され、これにより、第１端部分２６Ａと第２端部分２６Ｂとが一体に固着される。
【００４５】
好ましい態様では、図８に示されるように、接合部５において、第１端部分２６Ａと第２端部分２６Ｂとがシーム溶接により固着される。シーム溶接は、例えば、接合部５を、一対のローラ電極Ｒ１及びＲ２で加圧して挟み込むとともに、両ローラ電極Ｒ１及びＲ２間に通電し、環状構造の水素分離膜要素２６の軸方向Ｘに移動させることにより行われる。これにより、接合部５は、軸方向Ｘに沿ってその全長さに亘り連続して溶接固着される。
【００４６】
図９（Ａ）ないし（Ｃ）は、接合部５の溶接領域を薄く着色して示している。固着工程では、図９（Ａ）に示されるように、接合部５の環状部４からの張り出し長さＬの方向において、全範囲が溶接されるのが最も望ましい。他の態様では、図９（Ｂ）のように、接合部５の根元側のみ、又は、図９（Ｃ）に示されるように、接合部５の先端部側のみといった、その張り出し長さＬの一部分のみが溶接されても良い。また、図９（Ｂ）と図９（Ｃ）を併用しても良い。特に好ましい態様では、図９（Ａ）とされる。接合部５の溶接範囲は、例えば、ローラ電極Ｒ１、Ｒ２のローラ幅を変えることにより調節することができる。前記張り出し長さＬに沿った溶接長さは、特に限定されるものではないが、好ましくは１〜２mm以上とされる。
【００４７】
固着工程の他の態様では、接合部５は、レーザー溶接、プラズマ溶接、ＴＩＧ溶接で固着されても良い。また、固着工程のさらに他の態様では、溶接以外の加熱接合法、例えば、ろう付け、拡散接合、又は摩擦圧接などが採用されても良い。
【００４８】
［密着工程］
次に、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、密着工程が行われる。密着工程は、先ず、図１０（Ａ）に示されるように、第１支持体１０の外側に、水素分離膜要素２６の環状部４を装着した状態で行われる。この段階では、第１支持体１０と水素分離膜要素２６との間には、多少の隙間が形成されていても良い。
【００４９】
次に、接合部５の両側において、水素分離膜要素２６を矢印Ｙで示されるように接合部５に向けて、例えばしごく作業が行われる。これにより、図１０（Ｂ）に示されるように、水素分離膜要素２６と第１支持体１０とがさらに密着して両者の間の隙間が減少するとともに、水素分離膜要素２６の弛みが接合部５に向けて集められる。これに続き、接合部５の両側から、該接合部５に向けて寄せ集められた水素分離膜要素２６の弛みを、接合部５の根元側において、互いに拝み合わせるように接触させる。これにより、接合部５の根元側において、固着はされていないが、水素分離膜要素２６のシート状部分が互いに拝み合わされて接触する接触部６を形成することができる。また、接触部６が加わることで、接合部５は、環状部４からさらに大きく突出する。
【００５０】
次に、図１０（Ｃ）に示されるように、水素分離膜要素２６の接合部５を、第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂの一方が環状部４に対して折り返されるように、環状部４の上に重ねられる。図１０（Ｃ）の態様では、第１端部分２６Ａが、環状部４に対して折り返されている。この水素分離膜要素２６の折返しにより、水素分離膜要素２６は塑性変形し、その形状が保持される。
【００５１】
以上の工程により、第１支持体１０を囲む環状部４と、第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂが互いに重ねられかつ固着されている接合部５とを含み、接合部５が、第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂの一方が環状部４に対して折り返されるように環状部４の上に重ねられた環状構造の水素分離膜層２０が成形される。
【００５２】
好ましい態様では、接触部６の根元部６Ｂにおいて、水素分離膜要素２６の折り曲げが行われる。この場合、水素分離膜要素２６と第１支持体１０との間の隙間がより減少する。
【００５３】
好ましい態様では、水素分離膜要素２６の上記塑性変形がより持続するように、水素分離膜要素２６の補強部２４で前記折返しが行われるのが望ましい。
【００５４】
好ましい態様では、上記折返し時に、第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂの他方（即ち、この態様では、第２端部分２６Ｂ）に続く部分は、第１支持体１０との間の隙間をさらに減じるように締め付けることが可能である。
【００５５】
密着工程の後、水素分離膜層２０の外側に第２支持体３０が装着される。さらに、エンドキャップ４０及び４２が第２支持体３０の両側に装着され、かつ、気密に固着される。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態のモジュール１では、水素分離膜要素２６を上記の環状構造に成形しているため、第１支持体１０に容易にフィットさせ、第１支持体１０との間の隙間を小さくすることができる。また、水素分離膜層２０の接合部５は、その外側から第２支持体３０で覆われるため、折り曲げられた接合部５のスプリングバック等も効果的に防止でき、ひいては水素分離膜層２０の形状が安定する。
【００５７】
上記製造工程は、種々の態様において実施することができる。例えば、シート状の水素分離膜要素２６を環状構造に成形するための成形工程は、第１支持体１０の外側に水素分離膜要素２６を巻き付けることで行われても良い。この場合において、第１端部分２６Ａ及び第２端部分２６Ｂは、図８ないし図９に示されるように、接合部が環状部から外方に飛び出すことにより、それらを容易に固着することができる。
【００５８】
対照的に、成形工程は、水素分離膜要素２６を第１支持体１０に巻き付けることなく（第１支持体１０とは無関係に）行われても良い。この場合、環状部４は、第１支持体１０の個体差を考慮して、挿入しやすい十分に大きな内径となるように製造されても良い。なぜなら、本発明の方法の密着工程により、後から、水素分離膜要素２６と第１支持体１０との間の隙間を容易に減じ得るからである。
【００５９】
例えば、径の大きい水素分離膜モジュールを製造する場合、円周方向の長さが大きい水素分離膜要素が必要になる。一方、１枚ものの大型の水素分離膜を製造することが困難な場合もある。このような場合において、本実施形態のモジュール１では、複数の水素分離膜部材（図示省略）を互いに接合することにより、円周方向の長さが大きく形成された１枚の水素分離膜要素２６が用いられても良い。この際、水素分離膜部材同士は、各々の端部が互いに同じ側の面を拝み合わせて接合され、その後、接合部ないしその近傍が折り返されても良い。他の態様では、水素分離膜部材同士は、各々の端部が互いに異なる面で重ね合わされて接合されても良い。
【００６０】
［第２実施形態］
本発明のモジュールは、種々の態様に変形して実施することができる。以下に、本発明のモジュールの第２実施形態について述べる。なお、以下の実施形態において、先の実施形態と同じ又は共通する要素には、同じ符号が付されており、同一の部分については、説明が省略されている。
【００６１】
図１１は、第２実施形態の水素分離膜モジュール（以下、単に「モジュール」ということがある。）１００の正面図を示す。理解しやすいように、図１１では、上半分が断面図として描かれている。図１２は、モジュール１００の分解斜視図であり、図１３は、モジュール１００の組み立て後の斜視図であり、図１４は、モジュール１００の横断面図である。図１１ないし図１４を参照すると、本実施形態のモジュール１００は、例えば、第１支持体１０、水素分離膜層２０及び第２支持体３０を含む点は、第１実施形態と同じであるが、水素分離膜層２０と第１支持体１０との間、及び、水素分離膜層２０と第２支持体３０との間の少なくとも一方に、スペーサー５０が配されている点で異なっている。
【００６２】
図１１〜１４の実施形態では、水素分離膜層２０と第２支持体３０との間に、外側スペーサー５１が配されており、水素分離膜層２０と第１支持体１０との間にはスペーサーは配されていない。本実施形態の他の態様では、図１５（Ａ）に示されるように、水素分離膜層２０と第１支持体１０との間に、内側スペーサー５２が配されても良いし、図１５（Ｂ）に示されるように、水素分離膜層２０と第１支持体１０との間、及び、水素分離膜層２０と第２支持体３０との間に、内側スペーサー５２及び外側スペーサー５１がそれぞれ配されても良い。一方、以下の開示では、主として、外側スペーサー５１のみを有する態様に基づいて、スペーサー５０の詳細が説明されるが、それらは、本質的に内側スペーサー５２にも同様に適用されることが指摘される。
【００６３】
スペーサー５０は、図１２に示されるように、多孔質シート材を用いて構成されている。この多孔質シート材は、ガス透過性を有するので、混合ガス及び／又は水素ガスの透過を妨げない。好ましい態様では、スペーサー５０は、可撓性と４００℃以上の温度雰囲気中での使用において耐水素脆性機能を発揮しうる耐熱性とを有することが望ましい。ここで、上記「可撓性」とは、上記した各支持体１０、３０と水素分離膜層２０との間の各空間に配されたときに、柔軟にその形状に沿って弾性的に又は塑性的に変形しかつ追従しうるような特性を意味する。
【００６４】
好ましい態様では、スペーサー５０は、それが隣接する第２支持体３０の孔３よりも小さい径の孔を多数有する。また、スペーサー５０は、水素分離膜層２０と第２支持体３０との間の隙間を埋め、水素分離膜層２０の変形や移動を抑制することができる。また、モジュール１００の運転のオンオフ等により、水素分離膜層２０の内外で圧力差が生じ、水素分離膜層２０が第１支持体１０側又は第２支持体３０側に押し付けられることがある。このような場合、スペーサー５０が設けられていないと、孔２又は３の孔跡が水素分離膜層２０に付き、その劣化を招くおそれがあるが、孔径の小さいスペーサー５０を設けることで水素分離膜層２０の孔跡発生を防止することができる。例えば、図１５（Ｂ）の態様では、内側スペーサー５２は、第１支持体１０の比較的大きな径の孔２の痕跡が水素分離膜層２０に残り、それが起点となって水素分離膜層２０の耐久性が低下するのを抑制することができる。同様に、外側スペーサー５１は、第２支持体３０の比較的大きな孔３の痕跡が水素分離膜層２０に残り、それが起点となって水素分離膜層２０の耐久性が低下するのを抑止することができる。
【００６５】
上述のような可撓性、耐熱性、耐水素脆性機能を満足するものであれば、スペーサー５０は、特に限定されることなく種々のものが適用可能であるが、好ましくは、金網又は金属繊維の不織布等のシート材が好適である。
【００６６】
上記金網としては、例えば、線径１５μm〜６０μm程度、かつ、１インチ当たり１５０メッシュ以上が好適であり、好ましくは、線径２０μm〜４０μm程度、かつ、１インチ当たり２００〜５００メッシュ程度のものが採用できる。
【００６７】
金属不織布としては、例えば、ステンレス鋼の繊維を用いた不織布が好適である。前記繊維としては、特に限定されるわけではないが、平均繊維長が２０mm〜４０mm程度の長繊維が好ましい。同様に、前記繊維の平均線径は、例えば６０μm以下、好ましくは４０μm以下が望ましい。
【００６８】
スペーサー５０を用いたこの実施態様は、例えば、自動車や機関車等に用いられる燃料電池用途のように、運転及び停止を頻繁に繰り返すような環境において、本モジュールが使用される際に特に大きなメリットを提供する。一般に、自動車等は、運転、停止が繰り返されるため、それに伴って、モジュール１００自体の温度は、高温（水素分離処理時で例えば４００℃以上）と常温（停止時）との間を行き来する。このため、上記環境では、水素分離膜層２０は、熱膨張及び熱収縮を繰り返す。このような水素分離膜層２０の可逆変形は、第２支持体３０との間の隙間が大きいほど、大きくなり、水素分離膜層２０の早期劣化を促進する。
【００６９】
一方、第２実施形態のモジュール１００のように、スペーサー５０（５１又は５２）が配された場合、水素分離膜層２０と第１支持体１０及び／又は第２支持体３０との間の隙間は、第１実施形態に比べ、より一層減少する。このため、第２実施形態のモジュール１００では、水素分離膜層２０の前記熱膨張及び熱収縮の幅を物理的に拘束し、水素分離膜層２０を保護することができる。したがって、第２実施形態によれば、高温と常温とを日常的に行き来する温度環境下においても長寿命でかつ高純度な水素生成が可能な水素分離モジュールを提供することができる。
【００７０】
図１６には、モジュール１００の部分横断面図が示される。好ましい態様では、図１２、図１３及び図１６に示されるように、スペーサー５０は、円周方向において連続しない途切れ部５３を有する。途切れ部５３は、スペーサー５０の一対の途切れ端５０ｅ、５０ｅの間に形成され、円周方向の長さＬ２を有する。このようなスペーサー５０は、予め完全な連続環状体とされていないため、水素分離膜層２０の外側に容易に配置することができ、生産性を高めるのに役立つ。
【００７１】
好ましい態様では、途切れ部５３は、円周方向において、水素分離膜層２０の接合部５の少なくとも一部と重なるように設けられる。換言すれば、スペーサー５０は、水素分離膜層２０の接合部５の少なくとも一部を覆わないように構成される。例えば、図１６の態様において、スペーサー５０の途切れ部５３の長さＬ２は、接合部５の円周方向の長さＬ１よりも大きく構成されている。また、スペーサー５０の途切れ端５０ｅ、５０ｅは、接合部５の円周方向の両外側の近傍に位置している。このようなスペーサー５０は、水素分離膜層２０の接合部５を避け、かつ、接合部５以外の水素分離膜層２０の残余の部分のほぼ全域（例えば、９５％以上）を覆う。したがって、スペーサー５０は、水素分離膜層２０のうち、本質的に水素分離機能を発揮する部分（接合部５を除いた部分）をほぼ全範囲で保護することができる。
【００７２】
水素分離膜層２０は、接合部５において、膜が３層に重なる。このため、水素分離膜層２０の接合部５での厚さは、それ以外の部分の厚さよりも大きい。一方、スペーサー５０の隙間低減効果は、水素分離膜層２０の一番分厚いところに依存する。したがって、一定厚さのスペーサー５０を水素分離膜層２０の円周方向の全域に配置した場合、最も厚さが大きい接合部５のみ隙間が低減され、他の箇所については隙間が充分に低減できないおそれがある。この場合、水素分離膜層２０の熱膨張、熱収縮の度に接合部５の近傍にテンションがかかり、水素分離膜層２０の劣化が促進されるおそれがある。
【００７３】
他方、上記実施形態のように、スペーサー５０が、接合部５を避けて配置された場合、上記不具合は解消される。即ち、水素分離膜層２０のほぼ全周に亘って、第２支持体３０（内側スペーサー５２の場合には第１支持体１０であり、以下同様とする。）との間の隙間を低減することができる。好ましい態様では、スペーサー５０の厚さは、接合部５を除いた水素分離膜層２０の環状部４の隙間に実質的に一致させるのが望ましい。即ち、スペーサー５０は、一方が水素分離膜層２０に、他方が支持体１０又は３０に接触することが望ましい。
【００７４】
図１７には、スペーサー５０として、内側スペーサー５２が設けられたモジュール１００の部分断面図が示される。この態様においても、図１６の形態と同様に、水素分離膜層２０のほぼ全周に亘って、第１支持体１０との間の隙間を減じることができる。なお、この形態を得るために、例えば、第１支持体１０に予め内側スペーサー５２を巻き付けた状態で上記密着工程が行われる。その際、接合部５の折り重ねは、途切れ部５３の範囲内で行われる。
【００７５】
図１８には、スペーサー５０のさらなる変形例を用いたモジュール１００の部分断面図が示される。この形態では、スペーサー５０として、外側スペーサー５１が設けられている。外側スペーサー５１は、水素分離膜層２０の接合部５の少なくとも一部を覆わないが、スペーサー５０の少なくとも一部は、水素分離膜層２０の接合部５の上に位置している。
【００７６】
より詳細には、スペーサー５０は、第１層５８と、第２層５６とを含んでいる。スペーサー５０の第１層５８は、水素分離膜層２０から遠い側に配されている。一方、第２層５６は、水素分離膜層２０に近い側に配されている。この実施形態は、スペーサー５０が、第１層５８及び第２層５６の２層構造とされているが、それらの間にさらに１以上の中間層（図示省略）が配されても良い。
【００７７】
第１層５８は、途切れ部５３を形成している。途切れ部５３は、第１層５８の一対の途切れ端５８ｅ、５８ｅの間に形成されており、円周方向の長さＬ２（＜Ｌ１）を有する。また、この実施形態では、第１層５８の各途切れ端５８ｅ、５８ｅは、ともに、水素分離膜層２０の接合部５の上に位置している。これにより、スペーサー５０は、水素分離膜層２０の接合部５の円周方向の中央部を覆わないが、接合部５の円周方向の両端部分を覆うように構成される。換言すると、第１層の途切れ端５８ｅ、５８ｅは、接合部５と第２支持体３０との間で強く挟持される。
【００７８】
第２層５６も、円周方向において連続しておらず、一対の途切れ端５６ｅ、５６ｅを有する。この途切れ端５６ｅ、５６ｅ間に途切れ部５４が形成されている。途切れ部５４は、円周方向の長さＬ３を有する。また、この途切れ部５４は、接合部５の全範囲を覆っている。換言すれば、第２層５６の途切れ部５４の長さＬ３は、接合部５の円周方向の長さＬ１よりも大きく構成されており、かつ、第２層５６は、接合部５を全く覆っていない。
【００７９】
この実施形態では、接合部５の先端部及び根元部が、スペーサー５０の第１層５８で被覆される。これにより、水素分離膜層２０の形状をより安定させる効果を有する。また、第１層５８が、第２層５６の上に配置されることで、本モジュール１００の使用中、ガス圧等で水素分離膜層２０及び／又は第２層５６が回動するのを抑制することができる。例えば、図１６の実施形態では、モジュール１００の使用中、スペーサー５０が水素分離膜層２０に対して相対回転し、途切れ部５３が、水素分離膜層２０の接合部５以外の箇所に位置した場合、その部分の水素分離膜層２０の劣化が局所的に進行するおそれがある。上記実施形態では、第１層５８が、第２層５６の回り止め機能を発揮し、上記不具合を防止できる。
【００８０】
また、第１支持体１０と第２支持体３０との間に形成される環状の隙間の大きさは、第１支持体１０と第２支持体３０の形状のバラツキにより個体差が生じる。このような場合、可撓性を有した第１層５８をこの環状の隙間に挿入することにより個体差で生じた余分な空間を埋めることができる。これにより、水素分離膜層２０の動ける範囲を抑制し、その結果、水素分離膜層２０の形状を保持することができる。
【００８１】
上記実施形態において、接合部５の中央部の半径方向外側には、第２支持体３０との間に小隙間が形成されているが、この隙間はなくても良い。即ち、途切れ部５３の長さＬ２を限りなく零に近づけて構成されても良い。同様に、途切れ部５４の長さＬ３は、接合部の長さＬ１と限りなく近づけて構成されても良い。接合部５の中央部の半径方向外側に小隙間が形成されている場合には、例えば、水素分離膜層２０の膨張変形時に、変形部が逃げるスペースとして機能する。これにより、水素分離膜層２０の熱膨張時の内部応力の過度の上昇が緩和され得る。
【００８２】
第１層５８及び第２層５６に関し、これらが同じ仕様の多孔質シート材で構成されても良いし、異なる仕様の多孔質シート材で構成されても良い。
【００８３】
第１層５８及び第２層５６が異なる仕様の多孔質シート材で構成される場合、例えば、第２層５６の多孔質シート材としては金網が好適であり、第１層５８の多孔質シート材としては不織布が好適である。一般に、金網（特に織り網）は、不織布に比して、表面に繊維端のような鋭利な部分を有しないので、水素分離膜層２０と高い圧力で接触しても、水素分離膜層２０の損傷等を効果的に抑制することができる。なお、スペーサー５０に不織布を用いる場合でも、上記のような長繊維を用いることによって、不織布表面に露出する繊維端部の数を減らすことができ、ひいては、水素分離膜層２０の損傷を同様に抑制することができる。
【００８４】
本発明は、種々の改造及び変形形態が可能であり、上述の例示の実施形態は、例示として示されているに過ぎない。したがって、本発明は、本明細書において開示された特定の実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の思想に含まれる全ての改造例、均等例及び変形例を含む。
【符号の説明】
【００８５】
１、１００  水素分離膜モジュール
４  環状部
５  接合部
１０  第１支持体
２０  水素分離膜層
２６  水素分離膜要素
３０  第２支持体
２６Ａ  第１端部分
２６Ｂ  第２端部分
５０  スペーサー
５１  外側スペーサー
５２  内側スペーサー
５３、５４  途切れ部
５６  第２層
５８  第１層
【図１】
2019030828.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2019030828.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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