(57)【要約】【課題】  構造を簡素化し、小型化がはかれる水素分離膜装置を提供する。【解決手段】  多孔質体１の表面を水素分離能を有する金属で被覆して形成される水素分離膜４と、水素リッチガスを導入する導入室３１と、水素分離膜４を透過しない水素リッチガス中の非透過ガスを排出する排出室３２と、水素分離膜４を透過した水素リッチガス中の水素ガスを導出する透過水素室３３とを備える水素分離膜装置において、水素リッチガスに晒される多孔質体１の全表面に水素分離膜４を形成し、透過水素室３３をフランジ３の端面３ａによって画成し、フランジ３とケーシング１１の間に透過水素室３３を導入室３１と排出室３２に対して密封するシール部材（密封手段）４１を備え、水素分離膜４を透過した水素ガスをフランジ３の端面３ａから透過水素室３３へと導出させる構成とした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスを浸透させる微細孔を有する多孔質体をケーシングに収装し、
前記多孔質体を貫通する貫通孔を形成し、
前記ケーシング内に水素リッチガスを通過させる水素リッチガス流路を形成し、
水素リッチガスに晒される前記多孔質体の全表面を前記水素分離膜で被覆し、
前記多孔質体から突出し前記ケーシングに対して支持されるフランジを形成し、
前記フランジとこれを挟持するケーシングの間に透過水素室を画成し、
前記フランジと前記ケーシングの間に前記透過水素室と前記水素リッチガス流路の間を密封する密封手段を備え、
前記水素分離膜を透過し前記多孔質体を浸透した水素ガスを前記フランジから前記透過水素室へと導出させる構成としたことを特徴とする水素分離膜装置。
【請求項２】
前記多孔質体と前記ケーシングの間に断熱材を介装し、
前記断熱材によって前記多孔質体を弾性支持する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の水素分離膜装置。
【請求項３】
前記密封手段として前記ケーシングと前記フランジの間に介装されるシール部材を備え、
前記フランジの前記シール部材との当接面を水素ガスが浸透しない繊密質部材によって形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の水素分離膜装置。
【請求項４】
前記多孔質体に空隙を形成して水素ガスが通る透過水素流路を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。
【請求項５】
前記フランジに前記透過水素室に面して開口する導出通孔を形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素リッチガスより水素ガスのみを選択的に分離透過する水素分離膜を用いた水素分離膜装置の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の水素分離膜装置として、ガスを浸透させる微細孔を有する多孔質体を備え、多孔質体に複数貫通孔を形成し、各貫通孔の内周面を水素分離膜によって被覆したものがある。
【０００３】
この場合、水素分離膜が水素ガスのみを選択的に分離透過することにより、純度の高い水素ガスを得られるようになっている。
【特許文献１】特開平８−３８８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来の水素分離膜装置にあっては、水素分離膜が各貫通孔の内周面のみに形成されているため、水素分離膜の有効透過面積を十分に確保することが難しく、装置の大型化を招くという問題点があった。
【０００５】
また、このような従来の水素分離膜装置にあっては、水素透過可能な高温環境で使用されるため、ケーシングに対する多孔質体の熱膨張差を吸収する機構が必要となり、装置の複雑化と大型化を招くという問題点があった。
【０００６】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、構造を簡素化し、小型化がはかれる水素分離膜装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では、ガスを浸透させる微細孔を有する多孔質体と、水素リッチガスを導く水素リッチガス流路と、多孔質体を収装し水素リッチガス流路を画成するケーシングと、水素分離能を有する水素分離膜と、水素分離膜を透過した水素ガスを多孔質体を浸透して導出させる透過水素室とを備える水素分離膜装置において、多孔質体を貫通し水素リッチガス流路を画成する貫通孔を形成し、水素リッチガスに晒される多孔質体の全表面に水素分離膜を形成し、多孔質体にケーシングに対して支持されるフランジを形成し、透過水素室をフランジによって画成し、フランジとケーシングの間に透過水素室と水素リッチガス流路の間を密封する密封手段を備え、水素分離膜を透過した水素ガスを多孔質体を浸透しフランジから透過水素室へと導出させる構成とした。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、水素リッチガスに含まれる水素ガスは、貫通孔を含む多孔質体の表面に形成した水素分離膜を透過して多孔質体内に浸透し、最終的にはフランジから透過水素室へ抜け出て取り出される。このように、水素ガスは多孔質体内を通っててフランジへと集められる構成のため、水素分離膜の透過面積を従来装置に比べて大きくし、多孔質体を小さくして水素分離膜装置の小型化がはかれる。
【０００９】
ケーシングはフランジを挟持して多孔質体を支持する構造のため、多孔質体が軸方向に熱膨張することがケーシングによって規制されない。このため、多孔質体の両端面とケーシングの間に軸方向の熱膨張差を吸収する機構を設ける必要がなく、水素分離膜装置の小型化がはかれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の第１実施形態の構成を説明する。
【００１１】
図１に示すように、水素分離膜装置１０は、ガスを浸透させる微細孔を有する多孔質体１と、多孔質体１の表面を水素分離能を有する金属で被覆して形成される水素分離膜４と、水素リッチガスを導入する導入室３１と、水素分離膜４を透過しない水素リッチガス中の非透過ガスを排出する排出室３２と、水素分離膜４を透過した水素リッチガス中の水素ガスを導出する透過水素室３３と、多孔質体１を収装するケーシング１１とを備える。
【００１２】
多孔質体１は例えばアルミナなどのセラミックス材によって形成し、その内部及び表面に多数の微細孔が三次元的に連続している。これにより、多孔質体１の内部をガスが通過できる。
【００１３】
多孔質体１は円柱形の外形を有する。なお、これに限らず、多孔質体１の外形を角柱状や他の形状としてもよい。
【００１４】
多孔質体１をその中心軸方向に貫通する複数の貫通孔２を形成する。導入室３１に導入された水素リッチガスは各貫通孔２を通って排出室３２へと流出する。つまり、導入室３１、各貫通孔２、排出室３２によって水素リッチガスを通過させる水素リッチガス流路が画成されている。
【００１５】
水素分離膜４は水素リッチガスに晒される多孔質体１の全表面に形成する。詳述すると水素分離膜４は多孔質体１の端面１ｆと外周面１ｄと端面１ｅと貫通孔２の内表面１ｇに亘って形成する。水素ガスはこれら各表面１ｆ，１ｄ，１ｅ，１ｇから多孔質体１の内部に取り込まれ、多孔質体１の微細孔を透過して最終的に透過水素室３３に至る。
【００１６】
水素分離膜４を形成する水素分離能を有する金属としては、例えばパラジウム（Ｐｄ）あるいはパラジウムを含有する合金を用いる。水素分離膜４は多孔質体１のこれらの表面に開口している微細孔を閉塞するように被覆する。
【００１７】
円柱形の多孔質体１はケーシング１１に対して支持されるフランジ３を有する。このフランジ３は、多孔質体１の一方の端部から外周方向に環状に突出している。これにより、ケーシング１１はフランジ３を挟持することによって多孔質体１を片持ち支持する構成とする。
【００１８】
ケーシング１１は、円柱形の多孔質体１を収装するための有底円筒状の本体１２と、この本体１２の開口を閉じる円盤状の蓋２１とを備える。本体１２と蓋２１の合わせ面にはそれぞれ環状に拡がるつば部１２ｃ，２１ｃを有する。各つば部１２ｃ，２１ｃは図示しない複数のボルトを介して締結される。
【００１９】
多孔質体１のフランジ３は本体１２と蓋２１の間に挟持される。本体１２にはフランジ３に当接する支持面１２ｂを形成する。蓋２１にはフランジ３に当接する支持面２１ｂを形成する。
【００２０】
導入室３１は、蓋２１と多孔質体１の間に画成する。蓋２１には導入口２４を形成し、この導入口２４から水素リッチガスを導入する。
【００２１】
排出室３２は、本体１２と多孔質体１の間に画成する。本体１２の底部には排出口１５を形成し、この排出口１５から非透過ガスを排出する。
【００２２】
透過水素室３３は、フランジ３の端面３ａと本体１２と蓋２１の間に環状の空間として画成する。本体１２には透過水素室３３と連通した導出口１６を形成し、この導出口１６から水素分離膜４を透過した水素ガスを導出する。
【００２３】
本体１２と蓋２１には各支持面１２ｂ，支持面２１ｂに開口する環状溝１２ａ，２１ａをそれぞれ形成する。環状溝１２ａ，２１ａには各シール部材４１がそれぞれ介装される。各シール部材４１はゴム等の弾性材によって形成する。各シール部材４１はその弾性復元力により多孔質体１のフランジ３に押し付けられ、透過水素室３３を導入室３１および排出室３２に対して密封する密封手段を構成する。
【００２４】
水素分離膜４を多孔質体１のシール部材４１に当接する部位から導入室３１と排出室３２に連通する部位に亘って形成する。各シール部材４１は水素分離膜４を介してフランジ３に当接することにより、この当接部から水素以外のガスが通過することを阻止する構成となっている。
【００２５】
多孔質体１はケーシング１１に対してフランジ３を介して片持ち支持されている。蓋２１の内壁面２１ｆは多孔質体１の端面１ｆに対して間隙を持っている。本体１２の内周面１２ｄは多孔質体１の外周面１ｄに対して間隙を持っている。本体１２の底面１２ｅは多孔質体１の端面１ｅに対して間隙を持っている。
【００２６】
以上のように構成されて、次に作用について説明する。
【００２７】
導入室３１に流入する水素リッチガスに含まれる水素ガスは、多数の貫通孔２を含む多孔質体１の表面に被覆した水素分離膜４を透過して多孔質体１内に浸透し、最終的にはフランジ３の端面３ａから透過水素室３３へ抜け出て導出口１６へ至る。水素分離膜４を透過できるのは水素ガスのみであるため、導出口１６から水素ガスのみが取り出される。一方、水素分離膜４を透過しない水素リッチガス中の非透過ガスは多孔質体１の各貫通孔２を通って排出室３２に抜け、排出口１５から排出される。
【００２８】
このように、水素ガスは多孔質体１の端面１ｆと外周面１ｄと端面１ｅと貫通孔２の内表面１ｇに亘って形成された水素分離膜４を透過してフランジ３へと集められる構成のため、水素分離膜４の透過面積を従来装置に比べて大きくし、多孔質体１を小さくして水素分離膜装置１０の小型化がはかれる。
【００２９】
水素分離膜４は水素透過可能な高温環境で使用される。円柱形の多孔質体１はケーシング１１に対してフランジ３を介して片持ち支持されているため、多孔質体１が軸方向に熱膨張することはケーシング１１によって規制されない。このため、多孔質体１の両端面１ｅ，１ｆとケーシング１１の間に軸方向の熱膨張差を吸収する機構を設ける必要がなく、水素分離膜装置１０の小型化がはかれる。
【００３０】
ケーシング１１各つば部１２ｃ，２１ｃととフランジ３の間に生じる熱膨張差はわずかなものであり、この熱膨張差はケーシング１１、フランジ３、各シール部材４１などが弾性変形することによって吸収される。なお、必要に応じてケーシング１１の各つば部１２ｃ，２１ｃとフランジ３の間に生じる熱膨張差を吸収する機構を設けてもよい。
【００３１】
次に図２に示す第２実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００３２】
多孔質体１とケーシング１１の間に各断熱材５１，５２，５３，５４を介装し、各断熱材５１，５３によっても多孔質体１を弾性支持する構成とする。
【００３３】
断熱材５１は円筒状に形成し、本体１２の内周面１２ｄと多孔質体１の外周面１ｄの間に圧縮された状態で介装する。
【００３４】
断熱材５３は円盤状に形成し、蓋２１の内壁面２１ｆを覆うように設けられる。断熱材５３の外周端部は蓋２１とフランジ３の間に圧縮された状態で介装する。
【００３５】
断熱材５４は本体１２の底面１２ｅを覆うように設けられる。断熱材５４はフランジ３の端面３ａと本体１２及び蓋２１の間に設けられる。
【００３６】
各断熱材５１，５２，５３がケーシング１１の内側を断熱することにより、水素リッチガスが持つ熱エネルギーをケーシング１１から外部へ放出することを抑制できる。このため、水素リッチガス及び多孔質体１の温度を高く維持し、水素ガスが水素分離膜４を透過することが促される。
【００３７】
水素分離膜装置１０を車両などの移動体へ適用した場合、ケーシング１１に振動や衝撃などの外力が加わる。この外力に対処して、各断熱材５１，５３によっても多孔質体１を弾性支持することにより、多孔質体１を支持するフランジ３に生じる振動応力や衝撃応力を低減し、多孔質体１の強度を十分に確保できる。
【００３８】
次に図３に示す第３実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００３９】
フランジ３の両面のシール部材４１との当接面を水素ガスが浸透しない繊密質部材６１によって形成する。この繊密質部材６１は多孔質体１より硬度が高い繊密質の材質として、例えば繊密アルミナや高強度ジルコニアなどを用いる。この繊密質部材６１をセラミックス製の多孔質体１の焼成時に焼成結合して形成する。
【００４０】
なお、これに限らず、セラミックス製の多孔質体１の焼成後にセラミックス製の繊密質部材６１を焼成結合してもよい。また、繊密質部材６１を低融点ガラス質を用いて結合してもよい。
【００４１】
セラミックス製の多孔質体１は一般に強度が小さいため、大きなシール押圧力を付与することができない。水素ガスは極めて分子サイズが小さいため弾性力でシールすることが最も困難なガスであり、水素ガスを完全に封止するためには大きなシール押圧力が要求される。
【００４２】
本実施形態では、シール部材４１が当接する部位を繊密質部材６１で形成することにより、大きなシール押圧力を付与が可能になり、シール部材４１の密封性を高められる。
【００４３】
また、シール部材４１が当接する部位を高強度の繊密質部材６１で形成することにより、金属製のシール部材４１を適用することが可能となる。シール部材４１を耐熱性の低いゴム材とした場合、水素分離膜装置１０の運転温度がゴム材の耐熱温度で例えば３００℃程度に制限されてしまう。これに対して、金属製のシール部材４１として、耐熱性の高いインコネルなどを用いた場合、水素分離膜装置１０の運転温度がシール部材４１の耐熱性に支配されることなく、運転温度を例えば８００℃程度に設定することが可能となる。こうして水素分離膜４の温度を高めることにより、水素分離膜４を透過する水素ガス量を増やすことができ、水素分離膜装置１０の効率を高められる。
【００４４】
次に図４に示す第４実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００４５】
多孔質体１に空隙としての複数の透過水素流路６０を設ける。これらの透過水素流路６０の製造方法は図示しないが、貫通孔２と平行となるように多孔質体１に複数の貫通孔を加工した後にその開口部を目詰する。
【００４６】
水素分離膜４を透過する水素ガス量は水素分離膜４前後の水素分圧の１／２乗の差に概ね比例する。多孔質体１内にて水素ガスが透過水素流路６０を通ることにより、この水素ガス流に多孔質体１が付与する圧力損失を低減できる。このため、多孔質体１を透過する水素ガスを透過水素室３３に導きやすくなり、水素分離膜４を透過する水素ガス量を増やすことができ、水素分離膜装置１０の効率を高められる。
【００４７】
次に図５に示す第５実施形態を説明する。なお、前記実施形態と同一構成部には同一符号を付す。
【００４８】
フランジ３に透過水素流路６０ａと透過水素室３３を結ぶ導出通孔３ｂを形成する。この導出通孔３ｂはフランジ３の端面３ａに開口している。
【００４９】
この場合、多孔質体１内にて水素ガスが透過水素流路６０および導出通孔３ｂを通って透過水素室３３へと流出することにより、この水素ガス流に多孔質体１が付与する圧力損失を低減できる。このため、多孔質体１を透過する水素ガスを透過水素室３３に導きやすくなり、水素分離膜４を透過する水素ガス量を増やすことができ、水素分離膜装置１０の効率を高められる。
【００５０】
なお、これに限らず、透過水素流路６０ａを持たない多孔質体１のフランジ３に透過水素室３３に面して開口する導出通孔３ｂを形成してもよい。この場合も、多孔質体１を透過した水素ガスが導出通孔３ｂを通って透過水素室３３へと流出することにより、この水素ガス流に多孔質体１が付与する圧力損失を低減できる。
【００５１】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、水素含有ガスから更に水素ガスを分離する水素分離膜装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１実施形態を示す水素分離膜装置の断面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す水素分離膜装置の断面図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す水素分離膜装置の断面図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す水素分離膜装置の断面図。
【図５】本発明の第５実施形態を示す水素分離膜装置の断面図。
【符号の説明】
【００５４】
１  多孔質体
２  貫通孔
３  フランジ
３ｂ  導出通孔
４  水素分離膜
１０  水素分離膜装置
１１  ケーシング
１２  本体
２１  蓋
３１  導入室
３２  排出室
３３  透過水素室
４１  シール部材
５１〜５４  断熱材
６０  透過水素流路
６１  繊密質部材
【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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