(57)【要約】【課題】  混合ガス中の水素を効率よく多量に分離する水素分離装置を提供する。【解決手段】  分離するための水素を含んだ混合ガスを導入する容器１と、該容器１の内部に設けた区切板３を通して装着され、水素分離膜７を多孔質体の金属支持体８表面に被膜形成させた水素分離促進体２とを備えた水素分離装置において、水素分離膜７を、断面ベローズ状に膜の表面積が増大するに応じ、膜厚が減少するように形成しているので、純度の高い透過水素を効率よく分離することができ、さらに、膜を透過する水素の透過速度を促進しているので、他に何ら追加手段を必要とすることなく、多くの透過水素量を確保することができる。このため、必要な膜の表面積を小さくすることができるので、水素分離装置を小型化できる。また、膜の表面積と膜厚を小さくすることで、同じ水素透過量を得るに必要な水素吸蔵金属の合金材の使用量を減らすことができ、コストダウンができる。【選択図】  図３に示す図番号は、７、８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離するための水素を含んだ混合ガスを導入する容器と、
前記容器内部に設けた区切板を通して装着され、水素分離膜を多孔質体の金属支持体の表面に被膜形成させた水素分離促進体とを備えた水素分離装置において、
前記水素分離膜を、断面ベローズ状に膜の表面積が増大するに応じ、膜厚が減少するように形成したことを特徴とする水素分離装置。
【請求項２】
前記水素分離膜を、水素吸蔵金属と水素吸蔵金属以外の金属との合金で形成し、なお前記水素吸蔵金属以外の金属の含有率を、膜の厚薄に応じて増減した請求項１に記載の水素分離装置。
【請求項３】
前記水素吸蔵金属は、Ｐｄ、Ｌａ、Ｍｍ、Ｖのいずれかである請求項２に記載の水素分離装置。
【請求項４】
前記水素吸蔵金属以外の金属は、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｏのいづれかである請求項２に記載の水素分離装置。
【請求項５】
前記水素分離膜は、断面ベローズ状に膜の表面積を徐々に増大するに応じ、膜厚を徐々に減少する請求項１から４のいづれか一つに記載の水素分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、水素分離装置における水素分離膜の構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】従来の水素分離装置は、混合ガス中の水素が水素分離管に被膜形成させた水素分離膜を透過させることにより分離が行われている。この種の水素分離装置では一般に管状または円筒状の多孔質の支持体上に水素分離膜を均等な薄膜で形成されている。（例えば、特許文献１参照）これは、膜厚が支持体の細孔を封孔してピンホールの発生を制止しているが、伸延法によって得られる膜の厚みの下限には限度があり、またこの膜は支持枠で支持して使用しているため、このような支持方法では振動、衝撃などに弱いので、これに耐えるだけの機械的強度を付与する必要があり、あまり薄い膜を使用していると、使用中に膜に亀裂や破損が生じ易くなる。【０００３】そこで水素分離膜を多重層構造にするなどの改良がなされている。（例えば、特許文献２参照）しかし、これは構造が複雑で製作が困難であり、水素分離膜を厚くするとピンホールの発生による不純ガスの混入を防ぐことはできるが、水素透過速度が低下するので、水素分離装置での水素透過量が減少する。このため、同じ透過水素量を得ようとした場合、水素分離膜の表面積を増大する必要があるので、装置の小型化はどうしても困難である。【０００４】また、水素分離膜を、混合ガス流の下流域ほど膜厚を増大するように形成したものが提案されている。（例えば、特許文献３参照）これは、下流域でのピンホールは減少させられるが、水素の分離は水素分離膜の薄い上流域で行われるため、実質的には水素分離膜全体の水素透過有効面積を狭少化するので、同じ水素透過量を確保するためには、下流域における水素分離膜の水素透過有効面積を追加する必要が生じるため、水素分離装置自体が大型化してしまうなどの問題がある。
【特許文献１】特開  平５−８５７０２号          公報（１頁、３頁、図１）
【特許文献２】特開  平１０−２８８５０号        公報（６頁、図３）
【特許文献３】特開  平２００２−３４６３４９号  公報（３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】本発明は、以上に述べた困難や問題を解決する、水素分離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】
【０００６】第１の発明は、分離するための水素を含んだ混合ガスを導入する容器と、前記容器内部に設けた区切板を通して装着され、水素分離膜を多孔質体の金属支持体の表面に被膜形成させた水素分離促進体とを備えた水素分離装置において、前記水素分離膜を、断面ベローズ状に膜の表面積が増大するに応じ、膜厚が減少するように形成する。【０００７】第２の発明は、第１の発明において、前記水素分離膜を水素吸蔵金属と水素吸蔵金属以外の金属との合金で形成し、なお前記水素吸蔵金属以外の金属の含有率を、膜の厚薄に応じて増減する。【０００８】第３の発明は、第２の発明において、前記水素吸蔵金属を、Ｐｄ、Ｌａ、Ｍｍ、Ｖのいづれかとする。【０００９】第４の発明は、第２の発明において、前記水素吸蔵金属以外の合金をＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｏのいづれかである。【００１０】第５の発明は、第１から第４のいづれかの発明において、前記水素分離膜が断面ベローズ状に膜の表面積が徐々に増大するに応じ、膜厚が徐々に減少する。
【発明の効果】
【００１１】第１の発明によれば、水素分離促進体において、分離するための水素を水素分離膜表面に圧しつけると水素は、順次水素分離膜の表面から水素分離膜中を透過し分離されるので、混合ガスの流れは上流から下流に向かうにつれ、波形のように膜の膨らみから窪みへ、なお膨らみの上面は速度が速く窪みの下面はやや緩やかに流れる。この状態が間断なく次から次へ伝播され、広くて絶えず新しい膜面を、その上下面に多段接触しつつ水素分離膜全体にわたり蛇行流を生起し流下するので、水素分離膜表面から膜中を透過し分離した透過水素は、極めて純度が高く低濃度の水素の場合でも効率よく分離が行われる。さらに膜の表面積が増大するに応じて膜厚を減少（薄化）しているため、膜中を透過する水素の透過速度が促進されるので、何ら他の追加手段を必要とすることなく、多くの透過水素量を確保することができる効果がある。
これに対し、従来のように、管状および円筒状の水素分離膜では、分離するための水素は水素分離膜の表面から膜内を透過し分離されるが、混合ガスの流れは水素分離膜をその円形面に単一接触しながら上流から下流へと垂直流または直線流の一方向に流れるだけである。よって水素分離膜の表面から膜内を透過し分離した水素は必然的に純度が低く、透過水素量も少ない。【００１２】なお、水素分離装置における水素分離膜を実際に用いて、水素の透過量を増大するためには、膜の表面積を大きくし、さらに膜厚を小さくする必要がある。この二つの要因は膜の特性上重要である。この場合、膜の表面積の増大率と膜厚との相関関係は反比例する。
例えば、従来のように管状または円筒状の水素分離膜の表面積の倍率を１．０倍とし、膜厚を３０μｍとした場合を比較すると、本発明の断面ベローズ状の膜の表面積の増大率は１．１から１．９倍の範囲にあって、増大率１．３倍とした時の膜厚は２１μｍとなり、増大率１．５倍では膜厚は１５μｍとなり、さらに増大率１．８倍では膜厚は６μｍと減少する。成膜法を用いて厚さ数μｍ以下の薄膜を作製すると、ピンホールの発生頻度が高くなる。【００１３】さらに、前述したように、本発明において、極めて純度の高い透過水素を効率よく多量に確保できるという新規な特徴は、水素分離膜を、断面ベローズ状に膜の表面積を増大するに応じ、膜厚を減少（薄化）するように形成することにある。これにより、分離するための水素は水素分離膜の表面から水素分離膜中を透過し分離するので、混合ガスの流れは上流から下流に向かうにつれ、広くて絶えず新しい膜面をその上下面に多段接触しながら水素分離膜全体にわたり蛇行流を生起し流下するので、極めて純度の高い透過水素が効率よく分離される。なお、膜の表面の増大に応じて膜厚を減少しているため膜中を透過する水素の透過速度が促進されるので、何ら他の追加手段を必要とすることなく、多くの透過水素量を確保できる。このため必要な膜の表面積を小さくすることができるので、水素分離装置を小型化できる利点がある。しかも膜の表面積と膜厚を小さくすることで、同じ水素透過量を得るに必要な水素吸蔵金属の合金材の使用量を減らすことができるので、コストダウンできる実収がある。【００１４】第２の発明によれば、水素分離膜を水素吸蔵金属と水素吸蔵金属以外の金属との合金で形成する場合、水素分離膜は、水素を透過するために最低限必要な水素吸蔵金属を含んでいる必要があり、なおこの最低限必要な量を含んでおれば、水素吸蔵金属以外の金属の比率をその合金特有の限界を超えない範囲内で増減しても性能上その特性は変わらない。
よって、水素分離膜に最低限必要な量の水素吸蔵金属が確保されていて、膜の厚さと薄さおよび水素吸蔵金属以外の金属の比率の上げと下げとが相互に正比例の関係にある時、膜の厚さと薄さは、その膜の厚薄に応じて水素吸蔵金属の比率をその合金特有の限界を超えない範囲内で増減することができ、材料費を減額できる効果がある。【００１５】第３の発明によれば、水素分離膜に水素の透過率が高いＰｄ、Ｌａ、Ｍｍ、Ｖを用いることにより、水素の透過時間が早く、効率よく多量に水素の分離を行わし得る効果がある。【００１６】第４の発明によれば、水素分離膜を形成する合金の価格がＰｄ、Ｌａ、Ｍｍ、Ｖより低廉なＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｏを使用することにより、材料費を削減できる効果がある。【００１７】第５の発明によれば、水素分離膜の表面積の増減率と膜厚との相関関係は反比例するので、膜の表面積を徐々に増大するに応じ、膜厚を徐々に減少させることにより、構造が単純で、製作も容易であるなどの効果がある。
【本発明を実施するための最良の形態】
【００１８】以上前述した本発明の構成、効果を一層明らかにするため、以下本発明の好適な実施形態について説明する。
【００１９】図１は本発明の水素分離装置の構造の一実施形態を示す全体の構成図である。図に示すように、容器１の一端に混合ガス入口部４、他端には透過ガス出口部５を設け、容器１の内部に設けた区切板３を通して水素分離促進体２を単数または複数本装着し、区切板３の両端は容器１と気密に支持する。他方、水素分離促進体２の金属支持体８の各上下端部と補強多孔管９の各上下端部は気密に接合し、その頂端は閉口し底端は区切板３の開口を通して透過ガス出口部５に向け開口して、該開口部は区切板３の開口部と気密に装着する。また水素分離促進体２は並列または直列状態に装着され、その装着方法は自動車に塔載した場合を考慮し、振動や衝撃などによる水素分離膜の亀裂、剥離現象を防ぐため、耐熱性の弾性金属部材を用いて装着し機械的強度を付与する。そして、混合ガス中で水素分離膜に透過されなかった未透過ガス出口部６を容器１の一側の区切板３の上部位置に設ける。
【００２０】水素分離促進体２は、図２および図３に示したように、断面ベローズ状に形成した金属支持体８の少なくとも一方の外表面に、無電解メッキ法、スパッタ法、電解メッキ法などにより水素分離膜７を均等に被膜形成している。金属支持体８には、ステンレス多孔質体をプレス成型加工し、細孔径を制御したもの、または粒径の小さい金属微粉末（５０μｍ以下）を焼結成型したものを用いる。一方、水素分離膜には、例えば、Ｐｄ、Ｌａ、Ｍｍ、Ｖのような水素吸蔵金属やＰｄ、Ｌａ、Ｍｍ、ＶとＡｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｏとの合金の水素吸蔵合金を使用する。
【００２１】そこで、Ｐｄ−Ａｇ合金膜は高い水素透過性能をもち、耐酸化性と水素解離触媒性に優れているが、温度の低下とともに水素透過率が減少するため、通常３００℃より低い温度での使用は不向きである。これに対し、例えばＬａＮｉ５は活性化が容易で、水素吸蔵量が大きく、操作温度に適した解離圧を有し、反応速度も速く、しかも酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、メタン、水分などの不純物に被毒されても耐久性に優れた特性を有している。ＬａＮｉ５合金膜は、Ｐｄ合金膜のそれとは逆に、操作温度が低くなるほど水素透過速度が速く、２００℃のような低い温度での使用に特に有効である。
【００２２】よって、Ｐｄ合金膜とＬａＮｉ５合金膜を多孔質金属支持体８の表面に被膜形成させた水素分離促進体２を、水素分離装置の容器１の内部に複数本を混在し装着して操作すれば、水素透過の温度特性上の有効性を、８００℃から１００℃へと範囲を拡大することができ、高い水素透過性能を最大限に発揮することができる。
ここで、高温下における金属支持体８の金属成分と水素分離膜７の熱拡散反応を阻止し、水素透過性能の低下を防ぐため、金属支持体８と水素分離膜７との間に耐熱性酸化物の薄膜層を設けてもよい。
【００２３】以下、前記構成の動作を説明すると、分離するための水素を含んだ混合ガスは一定の圧力の下で容器１の入口部４から導入され、水素分離促進体２に沿うて容器１の入口部４から出口部５に向け多方向に分流し流下していく。その過程で混合ガス中の水素は、水素吸蔵金属の特性により水素分離膜中を透過し分離される。
その際、混合ガスの流れは波形のように膜の膨らみから窪みへ、そして膨らみの上面は速度が速く、窪みの下面はやや緩やかに流れる。この流れの状態が間断なく次から次へ伝播され、広くて絶えず新しい膜面を、その上下面に多段接触しつつ水素分離膜全体にわたり蛇行流を生起し流下するので、水素分離膜表面から水素分離膜中を透過し分離した透過水素は、極めて純度が高く低濃度の水素ガスでも効率よく分離が行われる。
さらに、断面ベローズ状に膜の表面積を増大するに応じて膜厚を減少しているため、膜中を透過する水素の透過速度を促進しているので、何ら他の追加手段を必要とすることなく、多くの透過水素量を確保することができる。
【００２４】このため、必要な膜の表面積を小さくすることができるので、水素分離装置を小型化でき、しかも膜の表面積と膜厚を小さくすることで、同じ水素透過量を得るに必要な水素吸蔵金属の合金材料の使用量を減らすことができ、コストダウンができる。
【００２５】なお、分離された純度の高い透過水素は、分圧差の低い金属支持体８の裏面（反対側）から、補強多孔管９を介して透過ガス出口部５から回収される。他方、混合ガス内で水素分離膜に透過されなかったガスや不純物は未透過ガス出口部６から別途に回収される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態の全体を示した構成図である。
【図２】本発明の水素分離促進体を示した構成図である。
【図３】本発明の水素分離膜を示した要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００２７】  １  容器
２  水素分離促進体
３  区切板
４  混合ガス入口部
５  透過ガス出口部
６  未透過ガス出口部
７  水素分離膜
８  金属支持体
９  補強多孔管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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