(57)【要約】【課題】多孔質体に形成された貫通孔内の流れが層流になり、金属めっき層の表面に境界層が形成され水素透過性が低下する。【解決手段】多孔質体１２を貫通孔１３のガス流れ方向に複数個に分割構成し、隣接する多孔質体の各々の貫通孔の接合面間に段差１４を形成する。複数の多孔質体の各々の接合部で貫通孔間に段差を形成したことから、この段差部をガスが流れる際に乱れが発生し、境界層が形成されることがなくなる。このため、貫通孔内を流れる水素混合ガスの濃度が均一になり、水素透過速度が向上する。【選択図】図２−４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質体に形成した貫通孔の表面に水素分離能を有する金属からなる水素分離膜を被覆した水素分離器において、
前記多孔質体を貫通孔のガス流れ方向に複数個に分割した構成とすると共に、隣接する多孔質体の各々の貫通孔の接合面間に段差を形成したことを特徴とする水素分離器。
【請求項２】
前記複数個の多孔質体は、各々同一の断面形状を有し、隣接する多孔質体を各々の貫通孔の開口部がその断面上部分的に重複するように偏らして接合してなる請求項１に記載の水素分離器。
【請求項３】
前記貫通孔は、ガス流れ方向に次第に内径が変化するテーパ状に形成した請求項１に記載の水素分離器。
【請求項４】
前記貫通孔は、ガス流れ方向に次第に内径が増大するように設定した請求項３に記載の水素分離器。
【請求項５】
前記貫通孔は、複数の多孔質体の各々について断面上同一位置に直円筒面状に形成し、かつ隣接する多孔質体同士でその内径が異なるように設定した請求項１に記載の水素分離器。
【請求項６】
前記貫通孔は、下流側の多孔質体ほど内径が大となるように設定した請求項５に記載の水素分離器。
【請求項７】
前記多孔質体は、その端面に被覆した水素分離膜の上に、該水素分離膜よりも高強度の金属膜を形成してある請求項１から請求項６に記載の水素分離器。
【請求項８】
前記多孔質体は、その端面に該端面と同一断面形状を有しかつガス透過性の低い材質からなる部材を形成した請求項１から請求項６に記載の水素分離器。
【請求項９】
前記多孔質体は、筒状部材を介して互いの端面間に所定の間隔が空くように接合されている請求項１に記載の水素分離器。
【請求項１０】
前記筒状部材は、ガス透過性の低い材質で形成されている請求項９に記載の水素分離器。
【請求項１１】
前記筒状部材は、その内面に水素分離膜が被覆されている請求項９に記載の水素分離器。
【請求項１２】
前記多孔質体と筒状部材とは、同一外径を有する円筒状に形成されている請求項９から請求項１１に記載の水素分離器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分離能を有する金属を使用して水素混合ガスから水素を拡散分離する水素分離器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水素分離器として特許文献１に示したようなものが知られている。この水素分離器は、多数の貫通孔を有する多孔質基体の表面にＰｄなどの水素分離能を有する金属を化学めっきにより被覆した構成を有している。
【０００３】
例えば炭化水素系燃料から改質して生成した水素混合ガスをこの水素分離器に通過させることにより、基体表面の金属めっき層に水素が吸収され、他のガス成分と分離される。
【特許文献１】特開平８−３８８６３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の水素分離器では、多孔質基体に形成された貫通孔が直円筒状の壁面形状をしていた。このためガス供給時の貫通孔内の流れが層流になり、金属めっき層の表面に境界層が形成されて大きな濃度勾配が生じる。これは水素分圧が低下することを意味しており、この結果として水素透過性が低下する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、多孔質体に形成した貫通孔の表面に水素分離能を有する金属を被覆した水素分離器を構成する。ただし前記多孔質体は貫通孔のガス流れ方向に複数個に分割構成し、隣接する多孔質体の各々の貫通孔の接合面間に段差を形成する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、複数の多孔質体の各々の接合部で貫通孔間に段差を形成したことから、この段差部をガスが流れる際に乱れが発生し、境界層が形成されることがなくなる。このため、貫通孔内を流れる水素混合ガスの濃度が均一になり、水素透過速度が向上する。
【０００７】
本発明では複数の多孔質体をガス流れ方向に接合する構成としたことから、多孔質体の組み合わせかたや断面形状の設定次第で段差部を含めて複雑な形状を有する貫通孔を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明のいくつかの実施形態につき図面に基づいて説明する。各実施形態につき同一の部分は同一の符号を付して示すこととする。
（第１の実施形態）
図１―１〜図２−４は第１の実施形態を示している。図１に示したように、この実施形態の水素分離器１１は、軸方向（ガス流れ方向）に連結された３個の円筒状の多孔質体１２からなっている。各多孔質体１２はアルミナ、シリカ等のセラミクス材から形成されている。各多孔質体１２は、それぞれ両端面間を貫通する多数の貫通孔１３を有している。各貫通孔１３はガス流れ方向に平行な直円筒面状に形成されている。
【０００９】
前記各多孔質体１２は、それぞれ同一の断面および外径形状をしているが、ただし図１−２に示したように隣接する１対の多孔質体１２を互いに中心線周りに所定の角度ずらし、各々の貫通孔１３の開口断面が部分的に重複するように接合することで当該接合部分にて隣接する貫通孔１３の間に段差１４（図２−２参照）を形成するようにしてある。
【００１０】
図２−２〜図２−４はこの水素分離器１１の製造手順を示している。まず３個の焼成前の多孔質体１２を前述したように隣接するもの同士で貫通孔１３の位置がずれるように角度を設定して軸方向に配列する（図２−２）。次いで両端から圧力をかけた状態で焼成して相互に接合する（図２−３）。次いで接合した各多孔質体１２の端面および貫通孔１３の内面にＰｄ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ等の水素分離能を有する金属を化学めっきして水素分離膜１５を形成する（図２−４）。段差１４の部分はめっき加工がしにくいので、水素分離膜１５は接合前に予め多孔質体１２に形成しておくようにしてもよい。
【００１１】
このようにして形成した水素分離器１１の貫通孔１３に水素を含む混合ガスを通過させることにより、前記貫通孔１３の段差１４の部分で流れに乱れが生じることから、濃度勾配による分圧低下を抑えて水素透過係数を高められる。
（第２の実施形態）
図３および図３−１〜図３−４は第２の実施形態を示している。第１の実施形態と異なる部分につき説明すると、この実施形態では図示したように貫通孔１３をガス流れ方向に次第に内径が変化するテーパ状に形成した点にある。
【００１２】
貫通孔１３がテーパ形状であるので、この実施形態では互いに隣接する多孔質体１２をそれぞれの貫通孔１３の断面上の位置が一致するように接合し、当該接合面における隣接する貫通孔１３の内径差により段差１４を形成するようにしている。
【００１３】
この水素分離器１１の製造手順は第１の実施形態と同様である。図３−２〜図３−４はそれぞれ図２−２〜図２−４の工程に対応している。
【００１４】
この実施形態によれば貫通孔１３がテーパ状をしているので該貫通孔１３を水素混合ガスが流れるとき、段差１４のみならず貫通孔１３の途中部分にてもその内径変化によって乱れが生じるので、水素濃度の均一化がより促進される。
【００１５】
また、この実施形態では、ガス流れ方向を図の左から右への流れとするとき、貫通孔１３が下流側に向かって次第に拡径する設定としてある。これは水素分離器の下流域ほど水素透過量が減少する傾向があることから、多孔質体１２の壁厚を薄くできる一方で貫通孔１３の内径を増大して水素分離膜１５の表面積を大きくすることができ、これにより水素濃度が低い状態でも所要の水素透過量を確保することが可能になることによる。ただし前記と逆方向にガスを流す場合でも乱流化による効果は期待することができる。
（第３の実施形態）
図４に第３の実施形態を示す。これは図示したように３個の多孔質体１２の各々に断面上同一の位置に貫通孔１３を形成し、ただし下流側のものほどその内径が大きくなるように設定したものである。各貫通孔１３の内径が変化する接合部分が段差１４となる。
【００１６】
この実施形態によれば、下流側の多孔質体１２ほどその貫通孔１３の内径が大となるように設定したことにより前記第２の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
（第４の実施形態）
図５−１〜図５−４に第４の実施形態を示す。この水素分離器１１は、各多孔質体１２を、多孔質体１２と同一の材質で同一の外径に形成した筒状部材１６を介して互いの端面間に所定の間隔が空くように接合してある。
【００１７】
この水素分離器１１の製造手順は第１の実施形態と同様である。図５−２〜図５−４はそれぞれ図２−２〜図２−４の工程に対応している。水素分離膜１５は筒状部材１６の内面にも形成してある。
【００１８】
この実施形態によれば、各多孔質体１２の貫通孔１３と筒状部材１６との間で急激に通路断面積が変化するため、大きなガスの乱れが生じて水素透過係数が増大する。
【００１９】
この実施形態では筒状部材１６の内面にも水素分離膜１５を形成してあるためそれだけ水素処理量を増やすことができる。ただし、筒状部材１６をガス透過性の低い材質、例えば高密度セラミクスで形成し、その内面への水素透過膜１５の被覆を行わないようにしてもよく、これにより成膜工程を省いてコストの低減を図ることができる。
（第５の実施形態）
図６−１〜図６−３に第５の実施形態を示す。これは各多孔質体１２の接合端面に予めＰｄを被覆すると共に、さらにＮｉ、Ｃｕ、ＡｇなどＰｄよりも高強度の金属膜１７を被覆してある。この多孔質体１２を熱間圧着することにより、Ｐｄよりも高強度の金属膜が形成され、各多孔質体１２間の接着強度がより向上する。
（第６の実施形態）
図７―１〜図７−３は第６の実施形態を示す。これは、各多孔質体１２の端面に、予め該端面と同一断面形状を有しかつガス透過性の低い材質、例えば高密度セラミクスからなる部材１８を焼結、接着等により被着したものである。水素透過膜１５は前記皮膜１８を挟んで各多孔質体１２を接合した後に形成する。
【００２０】
複数の多孔質体１２を接合した後に水素分離膜１５をめっき加工する場合、段差１４の部分は直角の隅部となるので、めっき加工がし難くめっき不良が生じやすい。この実施形態では、その段差部分だけをガス透過性の低い被膜１８を形成し、めっき加工前に被膜１８を接合してシール性を確保している。なお被膜１８と該皮膜１８を形成する多孔質体１２端面とは互いに同一断面形状にしてあるので両者間に段差を生じることはない。したがってこの実施形態によれば、段差１４の付近に仮にめっき不良が生じたとしても、当該不良部分からガスが漏洩する不都合を防止することができる。
【００２１】
なお、前記構成において多孔質体１２の接合個数や断面形状は各実施形態に示したものに限られるものではなく種々の選択が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１−１】本発明の第１の実施形態の外観斜視図。
【図１−２】第１の実施形態の隣接する多孔質体の位置関係を示す説明図。
【図２−１】第１の実施形態の多孔質体の縦断面図。
【図２−２】第１の実施形態の製造工程を示す第１の縦断面図。
【図２−３】第１の実施形態の製造工程を示す第２の縦断面図。
【図２−４】第１の実施形態の製造工程を示す第３の縦断面図。
【図３】本発明の第２の実施形態の縦断面図。
【図３−１】第２の実施形態の多孔質体の縦断面図。
【図３−２】第２の実施形態の製造工程を示す第１の縦断面図。
【図３−３】第２の実施形態の製造工程を示す第２の縦断面図。
【図３−４】第２の実施形態の製造工程を示す第３の縦断面図。
【図４】本発明の第３の実施形態の縦断面図。
【図５−１】本発明の第４の実施形態の縦断面図。
【図５−２】第４の実施形態の製造工程を示す第１の縦断面図。
【図５−３】第４の実施形態の製造工程を示す第２の縦断面図。
【図５−４】第４の実施形態の製造工程を示す第３の縦断面図。
【図６−１】本発明の第５の実施形態の製造工程を示す第１の縦断面図。
【図６−２】第５の実施形態の製造工程を示す第２の縦断面図。
【図６−３】第５の実施形態の製造工程を示す第３の縦断面図。
【図７−１】メッキ不良が生じる部分を縦断面で示した説明図。
【図７−２】本発明の第６の実施形態の製造工程を示す第１の縦断面図。
【図７−３】第６の実施形態の製造工程を示す第２の縦断面図。
【符号の説明】
【００２３】
１１    水素分離器
１２    多孔質体
１３    貫通孔
１４    段差
１５    水素分離膜
１６    筒状部材
１７    高強度金属膜
１８    部材
【図１−１】
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【図１−２】
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【図２−１】
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【図２−２】
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【図２−３】
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【図２−４】
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【図３】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図３−４】
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【図４】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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【図５−４】
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【図６−１】
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【図６−２】
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【図６−３】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図７−３】
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