(57)【要約】【課題】改質ガス中の水素を効率的に水素分離膜に接触させて水素透過量を上げることができる水素分離装置を提供する。【解決手段】改質ガス中の水素を分離する水素分離装置１であって、水素分離体２と、この水素分離体２の下流側の端部に連設されたフランジ３と、このフランジ３に下流側端部が固定された、形状記憶合金でなる蛇腹形状のベローズ４と、ベローズ４の上流側端部に固定され且つ水素分離体２を取り囲む筒状に形成されたガス流ガイド部材５とを備えてなる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質支持体上に、水素分離膜を設けてなる水素分離装置であって、
前記水素分離膜の水素含有ガスの供給側に、前記水素分離膜に沿って流れるガス流れを整流する、入口の隙間が下流側よりも大きいガス流ガイド部材を設けたことを特徴とする水素分離装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素分離装置であって、
前記ガス流ガイド部材は、前記水素分離膜の温度に対応して前記水素分離膜に沿って上下流方向へ移動可能であることを特徴とする水素分離装置。
【請求項３】
請求項２記載の水素分離装置であって、
前記ガス流ガイド部材は、形状記憶合金でなるベローズによって支持されており、前記ベローズが温度に対応して可動することを特徴とする水素分離装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された水素分離装置であって、
前記水素分離膜は、パラジウム（Ｐｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）のうち少なくとも一種類の元素を含む合金膜であることを特徴とする水素分離装置。
【請求項５】
請求項４記載の水素分離装置であって、
前記合金膜は、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも一種類の元素を含むことを特徴とする水素分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は水素分離装置に関し、さらに詳しくは、多孔質支持体上に水素分離膜が形成された水素分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、深刻化する地球環境問題を解決するために、クリーンなエネルギー源として水素を利用して電気化学的にエネルギーを取り出す燃料電池が注目を浴びている。そこで、水素以外のガスが混じる改質ガス中から水素ガスのみを分離する技術の開発が進められている。この水素分離技術としては、無機材料からなる多孔質支持体にパラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金を担持した水素分離膜を円筒状、平板状に成形してなる水素分離装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）この水素分離装置では、水素分離膜の水素含有ガスの供給側又は水素ガスの透過側に水素分離膜に沿って流れるガス流れを乱す乱流促進体を設置している。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−８７６６号公報、第２頁、図１
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した水素分離装置では、水素分離膜の表面に乱流促進体を固定しているため、例えば燃料電池スタック側の温度変化や水素分離膜の温度変化などの負荷変動に全く対応しておらず、供給ガス量が少ない場合でも水素含有ガスを乱流にしてしまう。すると、水素分離膜の上流側で水素が無くなってしまし、下流側は水素以外のガスが水素分離膜に接触するため、水素分離膜のピンホールから水素ガスの漏れが多くなるという問題点がある。この結果、このような乱流促進体を設置した水素分離装置では、水素ガスの分離効率が悪くなるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、改質ガス中の水素を効率的に水素分離膜に接触させて水素透過量を上げることができる水素分離装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、多孔質支持体上に、水素分離膜を設けてなる水素分離装置であって、水素分離膜の水素含有ガスの供給側に、水素分離膜に沿って流れるガス流れを整流する、入口の隙間が下流側よりも大きいガス流ガイド部材を設けたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の水素分離装置であって、ガス流ガイド部材は、水素分離膜の温度に対応して水素分離膜に沿って上下流方向へ移動可能であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の水素分離装置であって、ガス流ガイド部材は、形状記憶合金でなるベローズによって支持されており、ベローズが温度に対応して可動することを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載された水素分離装置であって、水素分離膜は、パラジウム（Ｐｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）のうち少なくとも一種類の元素を含む合金膜であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の水素分離装置であって、合金膜は、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｄ）のうち少なくとも一種類の元素を含むことを特徴とする。
【００１１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、水素分離膜に沿って流れるガス流れを整流するガス流ガイド部材が設けられていることで、改質ガス中の水素を効率的に水素分離膜に接触させることができるため、水素透過効率を向上させることができる。
【００１２】
請求項２及び請求項３に記載された発明によれば、ガス流ガイド部材が水素分離膜の温度に対応して可動であるため、上流下流で水素透過を均一にし、水素の透過の効率を向上することができる。
【００１３】
請求項４記載の発明によれば、水素吸蔵率が高い金属元素の合金膜を使用することにより、水素透過速度を促進させることができる。
【００１４】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の合金膜が、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｄの少なくとも一種類の金属元素を含むことにより、水素脆化を抑制して安定した水素透過性能を得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る水素分離装置の詳細を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本実施の形態に係る水素分離装置１の部分断面図である。図１に示すように、水素分離装置１は、水素分離体２と、この水素分離体２の下流側の端部に連設されたフランジ３と、このフランジ３に下流側端部が固定された、形状記憶合金でなる蛇腹形状のベローズ４と、ベローズ４の上流側端部に固定され且つ水素分離体２を取り囲む筒状に形成されたガス流ガイド部材５とを備えて大略構成されている。
【００１７】
水素分離体２は、図２に示すように、筒状の多孔質支持体６の表面に水素分離膜７が形成されてなる。多孔質支持体６は、例えば無機材料や金属材料を多孔質構造に成形されている。また、水素分離膜７は、多孔質支持体６の表面に合金を担持させることにより形成されている。なお、担持させる合金としては、パラジウム（Ｐｄ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）のうち少なくとも一種類の元素を含む合金である。これらの金属元素を含む合金では、銀（Ａｇ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、ニオブ（Ｎｄ）のうち少なくとも一種類の元素を含ませることにより、水素脆化を抑制することができ、安定した水素透過性能を付与することができる。
【００１８】
フランジ３は、図１及び図２に示すように、水素分離体２の下流側端部（図１中右側端部）に水素分離体２の筒穴と連通する水素通過孔３Ａと、この水素通過孔３Ａの周囲に間欠的に配置された複数の排ガス通過孔３Ｂとが形成されている。なお、水素分離体２の下流側端部は、フランジ３に対して、排ガス通過孔３Ｂの内側で且つ水素通過孔３Ａを取り囲むように固定されている。
【００１９】
ベローズ４は、図１に示すように、ガス流ガイド部材５とフランジ３との間に介在され、上流側端部がガス流ガイド部材５の下流側端部に固定され、下流側端部がフランジ３に固定されている。そして、このベローズ４は、水素分離体２の外側を流れる排ガスをフランジ３の排ガス通過孔３Ｂに案内するように、排ガス通過孔３Ｂの外側に固定されている。このベローズ４を形成する形状記憶合金は、低温では縮み、高温では伸びる特性を持つ。
【００２０】
ガス流ガイド部材５は、水素分離体２を取り囲むように嵌合した状態で配置されている。また、ガス流ガイド部材５と水素分離体２の周面との間には、所定の隙間が介在されるように配置されている。なお、ガス流ガイド部材５の上流側端部は、図１に示すように、水素及び他のガスを含む改質ガスを下流側内奥へ案内するガイド斜面５Ａが周回して形成されている。そして、ガス流ガイド部材５は、図示しないガイドレールで所定軌道上を、水素分離体２の軸方向に沿って移動可能となっている。
【００２１】
次に、このような構成の水素分離装置１の作用・動作を説明する。
【００２２】
上述したように、ガス流ガイド部材５が固定されているベローズ４は、形状記憶合金によって形成されているため、低温では縮み、高温では伸びる特性を持つ。水素分離装置１に導入される改質ガスの温度によって水素分離体２表面の水素分離膜７の透過性能が変化と同時に、ベローズ４の形状が変化するため、ガス流ガイド部材５が水素分離体２の軸方向に沿って変位する。このため、水素分離膜７の透過性能（水素透過量）に合わせて、ガス流ガイド部材５のガイド斜面５Ａの位置を変えることができ、水素分離膜７の水素分離性能に対応した水素分離を効率的に行うことが可能となる。
【００２３】
（水素分離膜の温度が低い場合）
水素分離膜７の温度が低い場合、すなわち改質ガスの温度が低い場合は、水素分離膜７の水素透過性能は低くなる。このとき、ベローズ４は、図１に示すように、形状記憶合金の性質に従って縮み、ガス流ガイド部材５がフランジ３側へ変位する。すなわち、ガス流ガイド部材５のガイド斜面５Ａが下流側に移動すると、ガス流ガイド部材５で覆われていた水素分離体２が露呈するため、改質ガスが水素分離体２の周辺で滞留する時間が増加して水素が水素分離膜７に接触する頻度が増加する。これによって、水素分離体２での水素透過効率を高めることが可能となる。
【００２４】
（水素分離膜の温度が高い場合）
水素分離膜７の温度が高い場合、すなわち改質ガスの温度が高い場合は、水素分離膜７の水素透過性能は高くなる。よって、形状記憶合金でなるベローズ４が伸び、図４に示すように、ガス流ガイド部材５が流速を上げる方向（上流側）に移動することによって、水素分離膜７の透過能力が向上したときに、その能力に適した量の多くの水素を供給することにより、水素を水素分離膜７の表面に均一に接触させることができる。この場合、水素分離膜７の上流側から下流側に亘って水素分圧が均一になるため、下流側では不純物の分圧が低くなり、改質ガス中の水素以外の例えばＣＯ２等の不純物が透過側に流出することを防ぐことができる。
【００２５】
このように、本実施の形態に係る水素分離装置１では、改質ガス中の水素を水素分離膜７の水素透過性能に応じて効率的に水素分離膜に接触させて水素透過量を上げることができる。
【００２６】
また、本実施の形態に係る水素分離装置１では、ガス流ガイド部材５が水素分離膜７の温度に対応して可動であるため、上流下流で水素透過を均一にし、水素の透過の効率を向上することができる。特に、水素吸蔵率が高い金属元素、例えばＰｄ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔａの合金膜を使用することにより、水素透過速度を促進させることができる。さらに、この合金膜が、Ａｇ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｎｄの少なくとも一種類の金属元素を含むことにより、水素脆化を抑制して安定した水素透過性能を得ることができる。
【００２７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、上記の実施の形態の開示の一部をなす論述および図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００２８】
例えば、上述の実施の形態では、多孔質支持体６を筒状としたが、水素ガス流路を確保できる構造であれば平板状としてもよい。これに応じてガス流ガイド部材５の構造も適宜設計変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る水素分離装置の実施の形態を示す部分断面図である。
【図２】本実施の形態の水素分離装置における水素分離体の要部断面図である。
【図３】本実施の形態の水素分離装置におけるフランジの要部断面図である。
【図４】本実施の形態の水素分離装置において水素分離膜の温度が高くなった状態を示す部分断面図である。
【符号の説明】
１  水素分離装置
２  水素分離体
３  フランジ
３Ａ  水素通過孔
３Ｂ  排ガス通過孔
４  ベローズ
５  ガス流ガイド部材
５Ａ  ガイド斜面
６  多孔質支持体
７  水素分離膜
【図１】
2004269324.tif 000003
【図２】
2004269324.tif 000004
【図３】
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【図４】
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