(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを原料ガスから分離する方法であって、
開放端である第１の端と、閉鎖端である第２の端と、内面と、内径とを有し、水素のみを透過する材料からなる管と、
開放されている両端と、外面と、外径とを有する支持管とを備え、
前記支持管の前記外径は、前記水素のみを透過する材料からなる管の前記内径よりも、前記支持管の前記外面と、前記水素のみを透過する材料からなる管の前記内面との間に３００ミクロンを超えないマイクロチャネルが形成されるように小さく、
前記水素のみを透過する材料からなる管は、前記支持管を取り囲むように同軸的に配置され、
前記支持管の前記外面と、前記水素のみを透過する材料からなる管の前記内面との間に３００ミクロンを超えないマイクロチャネルが形成されている水素分離器を用いて、
前記原料ガスを、前記支持管を介して前記マイクロチャネルに導入するステップと、
前記マイクロチャネルを流れるときに、前記原料ガスが乱流となる流量で、前記原料ガスを前記マイクロチャネルに通過させるステップと、
前記原料ガスに含まれる水素を、前記水素のみを透過する材料からなる管の水素のみを透過する材料に接触させ、当該水素のみを透過する材料によって吸収させ、前記原料ガスから分離させるステップとを含むことを特徴とする、水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項２】
前記支持管は前記水素のみを透過する材料からなる管の前記第１の端から挿入されていることを特徴とする、請求項１に記載の水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項３】
前記原料ガスから分離した水素ガスを収集するステップを含むことを特徴とする、請求項２に記載の水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項４】
水素ガスを分離させた原料ガスを、前記水素のみを透過する材料からなる管の前記第１の端から収集するステップを含むことを特徴とする、請求項３に記載の水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項５】
前記水素分離器には、前記水素のみを透過する材料からなる管が、複数備えられると共に、第１の共通チャンバが備えられており、
各水素のみを透過する材料からなる管の前記第１の端は、前記第１の共通チャンバと連通して接続されていることを特徴とする、請求項３に記載の水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項６】
水素ガスを分離させた原料ガスを、前記第１の共通チャンバから引き出して収集するステップを含むことを特徴とする、請求項５に記載の水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項７】
前記原料ガスを、前記マイクロチャネルに導入する前に、前記原料ガスを触媒に通過させるステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項８】
前記原料ガスを、前記マイクロチャネル内の触媒に通過させるステップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の水素ガスを原料ガスから分離する方法。
【請求項９】
原料ガスから水素ガスを分離する水素分離器を用いて、前記原料ガスが水素のみを透過する膜を流れる際に、前記水素のみを透過する膜によって前記原料ガスからの水素をより高い効率で吸収させるために、前記原料ガスに乱流を生じさせる方法であって、
前記水素分離器は、開放端を有する水素透過性管の形で水素のみを透過する膜と、支持管とを備え、
前記水素透過性管は、前記支持管を取り囲むように同軸的に配置され、
３００ミクロンを超えないマイクロチャネルが、前記水素透過性管と前記支持管との間に存在し、
前記原料ガスを、前記支持管を介して前記マイクロチャネルに導入するステップと、
前記マイクロチャネルを流れるときに、前記原料ガスが乱流となる流量で前記原料ガスを前記マイクロチャネルに導入するステップとを含むことを特徴とする、原料ガスに乱流を生じさせる方法。
【請求項１０】
水素ガスを分離させた原料ガスを、前記水素透過性管の前記開放端から収集するステップを含むことを特徴とする、請求項９に記載の原料ガスに乱流を生じさせる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分子水素をガス体から分離するのに用いるシステムと方法に関する。詳細には、本発明は、混合ガスを、原子水素のみを容易に通過させる水素透過性材料に曝露させることによって、水素を混合ガスから分離するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子水素の使用は産業において多くの用途がある。しかし、水素を生成する一般的なプロセスでは、多くの場合、生成された水素ガスは純粋ではない。それどころか、水素を生成する際に、生じたガスはしばしば水蒸気、炭化水素および／または他の汚染物質に汚染されている。しかし、多くの場合において、超高純度の水素を得ることが望まれている。技術分野において、超高純度の水素とは、一般に、少なくとも９９．９９９％の純度レベルを有する水素を指す。かかる純度レベルを達成するには、水素ガスを汚染物質から意図的に分離することが必要である。
【０００３】
従来技術において、汚染水素ガスを純化するのに最も一般的に用いられている方法は、ガスをパラジウムやパラジウム合金などの水素透過性材料から成る膜に通過させる方法である。汚染水素ガスが膜を通過する際、原子水素は導管の壁を通過し、それによって汚染物から分離される。かかる従来技術のプロセスでは、典型的には、膜は少なくとも摂氏３００度に加熱される。膜の表面において、分子水素は原子水素に分解し、膜の材料が原子水素を吸着する。原子水素は、膜の高圧側から膜の低圧側に透過する。膜の低圧側において、原子水素は再び結合して分子水素を形成する。膜を通過した分子水素は集められて使用に供することができる。かかる従来技術のシステムは、小坂、その他による米国特許第５，６１４，００１号、発明の名称「水素分離器、水素分離装置および水素分離器を製造する方法」に例示されている。
【０００４】
従来技術において、水素透過性膜は、一般的に、コイル状の管として形成される。コイル状の管の壁を通過する水素ガスの流量は、コイル状の管の長さに比例し、コイル状の管の壁の厚さに反比例する。従って、高効率な純化システムは、非常に長くて薄い導管を用いて流量を最大化する必要がある。しかし、パラジウムは非常に高価な貴金属である。従って、パラジウムおよびパラジウム合金製の管は、製造するのに非常に高価である。このように、水素ガス純化システムを製造するに当たって、パラジウムの使用量を可能な限り少なくすることが望ましい。更に、一般に、パラジウムおよびパラジウム合金で作成された管は、高温の加圧状態においてガスを保持する。従って、管の壁は、管の壁にかかる圧力勾配次第では、導管が破裂したり、つぶれたりしてしまうので、薄すぎてはならない。
【０００５】
コイル状の管は従来技術の分離器にしばしば使用されているが、コイル状の管材を用いることには多くの欠点がある。パラジウム系水素分離器を動作させるためには、摂氏３００度を超えて加熱する必要がある。パラジウムコイルをかかる温度で加熱すると、それらは膨張する。更に、水素がパラジウムコイルの壁を拡散する際に、パラジウムは著しく膨張する。パラジウムコイルが膨張と収縮とを繰り返すと、パラジウムコイルはねじれる。パラジウムコイルのねじれはパラジウムを疲労させ、パラジウムを脆化させる。遂には、パラジウムコイルにクラックが発生し、水素分離器は機能しなくなってしまう。
【０００６】
コイル状のパラジウム管材を用いた水素分離器の他の欠点は、パラジウムのコイルが振動に対して非常に敏感で損傷を受けやすいことである。水素分離器内のパラジウムコイルはバネとして作用する。水素分離器が動作中に何らかの振動を受ける場合、これらの振動はパラジウムコイル中で共振し、パラジウムコイルの運動が起こる。パラジウムコイルが共振して運動すると、パラジウムは疲労して、脆化する。これは、最終的には、パラジウムコイルにクラックが発生して故障する原因となる。
【０００７】
パラジウムコイルを用いる水素分離器の更に他の欠点は、汚染ガスの詰まりが起こることである。炭化水素を多く含むガスがパラジウムコイルに導入されると、水素が炭化水素から部分的に解離してパラジウムコイルの壁を通過する。パラジウムコイル内に残るのは主として炭素と酸素であり、二酸化炭素と一酸化炭素を形成する。二酸化炭素と一酸化炭素とがパラジウム管を満たす。従って新たな炭化水素ガスは、パラジウムコイルの表面に達する前に、汚染ガス中を拡散していかねばならない。もし、汚染ガスの詰まりが大きくなると、炭化水素がパラジウムの表面に達するまでに非常に長い時間がかかる。供給ガス内の水素は、ガスのコイル内滞留時間と比較して短い時間枠内にパラジウム表面に達することができなければならない。しかし、ガスの流れがコイル中を進むにつれより多くの水素が取り除かれていくに従って、供給ガス中の非水素成分の濃度は次第に増加していく。これにより、水素分離器の効率は大きく低下していく。もし、パラジウム管中の流れを大きくして汚染ガスを追い出すと、水素がパラジウムを通過する機会を持つ以前に、炭化水素がパラジウム管を流れてしまう可能性がある。これは、水素分離器の効率を極めて著しく低下させる。
【０００８】
更に面倒なことに、管の内壁に汚染物が付着するにつれて、パラジウムおよびパラジウム合金で作られた管材の効率は時間とともに低下していく。かかる導管の寿命を延ばすため、多くの製造業者は導管に逆圧をかけることによって管材を洗浄することを試みている。かかる方法では、管材の外面が加圧水素に曝露される。水素は管壁を通過して管の内部に入っていく。水素が管の内部に入っていくにつれ、管の内壁に付着した汚染物の一部を水素によって除去することができる。
【０００９】
多くの管材は概して円筒形をしているので、管の内部が管の外部よりも高く加圧されている場合には、管はかなり高い圧力勾配に耐えることができる。しかし、かかる管が洗浄され、管の内圧よりも管の外圧が高くなっている場合、ずっと小さな圧力勾配が使用されるようにしないと、管材が内側に破裂する可能性がある。
【００１０】
コイル状の管材を用いた場合に生じる上記の欠点を克服する一つの試みにおいて、直線状の管材のセグメントを用いる水素分離器が設計された。例えば、Edlundによる米国特許第５，９９７，５９４号、発明の名称「水素純化機能を内蔵した水蒸気改質器」では、パラジウム管の直線状のセグメントがより大きな管の内部に配置されている。ガスは大きい方の管内を流れるようになされる。ガスからの水素はパラジウム管中に透過し、そこで集められる。
【００１１】
反対の構造が、Buxbaumによる米国特許第６，４６１，４０８号、発明の名称「水素発生器」に開示されている。Buxbaumの設計では、パラジウム管材の直線状の部分の内部に、小径の管が配置される。ガスはパラジウム管材内に導入される。ガスからの水素はパラジウム管材外へ透過し、集められる。残りの廃ガスは小口径の管によって除去される。
【００１２】
Edlund特許およびBuxbaum特許の両方に示されるような従来技術によるシステムでは、パラジウム管の内部か、パラジウム管の外部に沿ってガスが流される。しかし、両従来技術の設計においても、ガスが流される空間は大きい。これにより、ガスがパラジウム管の長さに沿って流れる際にガスは層流を有することができる。通過するガスの層流の特性のため、流れるガスにおける乱流は非常に少ない。層流パターンは、ガスがパラジウム管材外に流れる前に、多くのガスがパラジウム管の表面と接触することを防ぐ。従って、ガス流内に含まれるであろう多くの水素は、パラジウム管に吸収される機会を全く持たない。水素はパラジウム管材内を単に押し流されるだけである。従って、水素分離器の総体的な効率は低いままである。
【特許文献１】米国特許第５，６１４，００１号
【特許文献２】米国特許第５，９９７，５９４号
【特許文献３】米国特許第６，４６１，４０８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従って、パラジウム表面へのガスの暴露を最適にし、それによって汚染ガス中を水素が拡散する必要を極小化する水素分離器に対するニーズが存在する。
【００１４】
更に、高濃度の炭化水素ガスが、炭化水素をガスの流れによってパラジウム管材の外部に掃き出してしまう原因となる層流の特性を作ることなく、パラジウム管材内を流れることを可能とする水素分離器に対するニーズが存在する。
【００１５】
これらのニーズは、以下に記載し、その権利を主張するように、本発明によって達成される。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、原料ガスから水素ガスを分離するのに用いる水素純化システムである。水素純化システムは、原料ガスが流れ込むことが可能なようになされた水素分離器を含む。水素分離器内には、開口した第１の端部と、閉じられた第２の端部を有する少なくとも１つの水素透過性管がある。各水素透過性管は、パラジウムまたはパラジウム合金等の水素透過性材料から作られる。
【００１７】
各水素透過性管に対して支持管が備えられる。支持管は、水素透過性管と同軸となるよう位置決めされる。支持管の外径は、周囲の水素透過性管の内径よりもわずかに小さい。従って、支持管を水素透過性管の内部に配置した場合、水素透過性管の内側と支持管の外側との間には、小さなマイクロチャネルが存在するにすぎない。
【００１８】
原料ガスは、マイクロチャネルに導入される。原料ガスは水素透過性管に沿ってマイクロチャネル内に薄く広がる。マイクロチャネルの寸法により生じる流れの制限は、原料ガスがマイクロチャネルを流れる際に乱流の特性を有する。乱流特性は、原料ガスのほとんどのガス分子を、マイクロチャネル内のある点で、水素透過性管と接触させる。従って、原料ガスからの水素は、高い確率で水素透過性管を通過する。これにより、水素分離器の効率が著しく高められる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
水素ガスを原料ガスから分離する方法であって、第１の端と、内面と、内径とを有する水素透過材料の管を備えるステップと、外面と、外径を有する支持管を備えるステップであって、前記支持管の前記外径が前記水素透過材料の管の前記内径よりもわずかに小さい、支持管を備えるステップと、前記水素透過材料の管を、前記支持管を取り囲むように同軸的に配置して、前記支持管の前記外面と前記水素透過材料の管の前記内面との間に３００ミクロンより小さいマイクロチャネルを形成するステップと、前記マイクロチャネルを流れるときに、前記原料ガスが乱流特性を有する流量で前記原料ガスを前記マイクロチャネルに通過させるステップであって、前記原料ガスからの水素が、前記水素透過材料に接触し、前記水素透過材料によって吸収されて前記原料ガスから分離される機会が提供されるステップとを含む方法とした。
【実施例１】
【００２０】
本発明のシステムは、小さな空間と少量の貴金属とを用いて、水素ガスを大流量で純化する手段を提供する。
【００２１】
図１を参照すると、本発明による水素純化システム１０の例示的な実施の形態の概略図が示されている。水素純化システム１０は水素分離器２０を含んでいる。水素分離器２０は、炭化水素または汚染水素ガスを含む汚染原料ガスの供給源に接続されている。汚染原料ガスは、例えば、加熱ディーゼル燃料、エタノール、ガソリン、または水蒸気を混合された単なる水素である。
【００２２】
水素分離器２０は、外部発熱体１２によって動作温度に加熱される。水素分離器２０は、汚染原料ガスから水素を分離し、それによって超高純度水素と排ガスとを生成する。超高純度水素は第１の収集口１４を介して収集される。排ガスは、第２の排ガス収集口１６を介して収集される。
【００２３】
汚染原料ガスは供給口１８を介して水素分離器２０に入る。図２を図３と併せて参照すると、供給口１８は、密閉ハウジング２４の一端からプレナムチャンバ２２内に通じていることがわかる。密閉ハウジング２４は汚染原料ガスに含まれるどの成分ガスとも反応しないステンレススチールまたはその他の高強度合金によって作られるのが好ましい。
【００２４】
プレナムチャンバ２２は密閉ハウジング２４の内側と第１の有孔壁２６との間の空間を指す。有孔壁２６は、空間的に高効率に、対称的に配置された複数の孔２８を含んでいる。孔２８は、各孔２８の周辺に所定の最小材料領域を維持しながら可能な限り高密度となるように離間されるのが好ましい。
【００２５】
複数の支持管３０が、第１の有孔壁２６から延在している。支持管３０は反対側に開口端４６を持ち、堅い管壁を有している。支持管３０は、第１の有孔壁２６へ各孔２８において結合されている。このように、孔２８は支持管３０の内部と連通し、第１の有孔壁２６を介してプレナムチャンバ２２から流れ出すガスはすべて必ず支持管３０を流れる。
【００２６】
支持管３０は、密閉ハウジング２４の内部と略同じ長さを有している。支持管３０および有孔壁２６は、密閉ハウジング２４と同じ非反応性材料で作られるのが好ましい。このようにすれば、第１の有孔壁２６と支持管３０は、密閉ハウジング２４と同一の熱膨張係数を有することとなる。
【００２７】
第２の有孔壁３２は、密閉ハウジング２４内の第１の有孔壁２６と隣接する位置に配設されている。第２の有孔壁３２は、プレナムチャンバ２２に加えて、更に２つのチャンバを密閉ハウジング２４内に形成する。排ガス収集チャンバ３４が第１の有孔壁２６と第２の有孔壁３２との間に形成されている。また、水素収集チャンバ３６は、第２の有孔壁３２と密閉ハウジング２４の第２の端部４５との間に形成されている。
【００２８】
第２の有孔壁３２には、第１の有孔壁２６から延在している支持管３０の直径よりもわずかに大きな複数の孔３８が設けられている。第２の有孔壁３２の孔３８は支持管３０と一直線になっており、これによって支持管３０が第２の有孔壁３２を通って延在できる。
【００２９】
複数の水素透過性管４０が、第２の有孔壁３２に結合されている。水素透過性管４０は、第２の有孔壁３２の孔３８と一直線になっており、支持管３０の周囲を通っている。従って、水素透過性管４０は支持管３０と同軸上に配列され、支持管３０を囲むことは言うまでもない。水素透過性管４０は、パラジウムまたはパラジウム・銀合金等のパラジウム系合金であるのが好ましい。
【００３０】
図４を図５と併せて参照すると、各水素透過性管４０の内径は各支持管３０の外径よりもわずかに大きいだけであることがわかる。従って、支持管３０の外面と水素透過性管４０の内面との間にマイクロチャネル４２が存在する。マイクロチャネル４２は、水素透過性管４０が支持管３０と重なる領域を、支持管３０の長さに沿って延在している。この長さは、３インチから１２インチの範囲であるのが好ましい。マイクロチャネル４２の大きさは、水素分離器２０の機能性にとって重要である。マイクロチャネル４２は３００ミクロン以下で約２５０ミクロンであるのが好ましい。任意のマイクロチャネル４２を介する汚染原料ガスの流量は、１分間につき２〜３リットルであるのが好ましい。マイクロチャネル４２をこのように小さくし、流量をこのように大きくすると、汚染原料ガスは、支持管３０の外面と水素透過性管４０の内面とにおいて大きな摩擦を生じる。この摩擦によって、汚染原料ガスの流れはマイクロチャネル４２の範囲において完全に乱流となる。マイクロチャネル内において汚染原料ガスの流れが乱流となるため、汚染原料ガスを水素透過性管４０の内面に衝突させることなくマイクロチャネル４２を介して掃き出すことのできる層流の大きなチャネルは全く存在しない。むしろ、汚染原料ガスのマイクロチャネル４２内での乱流により、多くの渦と流れのうねりとが生じる。その結果、汚染原料ガスに含まれるほとんどすべての水素分子が、水素透過性管４０の内面と接触する確率が統計的に高くなる。更に、汚染原料ガスの乱流により、各水素分子はより大きなエネルギーで水素透過性管の内面と衝突する。従って、水素分子が水素透過性管４０と反応し、水素透過性管４０を通過する確率が高くなる。
【００３１】
更に、非常に小さいマイクロチャネル４２を提供することによって、汚染原料ガスが乱流を受ける際に非常に薄く拡がることは言うまでもない。マイクロチャネル４２内のガスが水素透過性管４０に達するまでの時間は、一般に、マイクロチャネルの大きさの二乗に比例する。従って、マイクロチャネル４２を非常に小さく保てば、水素ガスが水素透過性管４０に曝露されるまでの時間は短時間のままである。これによって、短くて比較的安価な水素透過性管４０を用いて、従来の長い水素透過性管で得られるよりも高い効率を達成することが可能となる。
【００３２】
水素透過性管４０は、それらが囲む支持管３０よりも長い。水素透過性管４０の自由端は閉じられている。水素透過性管４０の自由端は、傾斜されず、鑞付けされないのが好ましい。傾斜のある自由端あるいは鑞付けされた自由端では、膨張と収縮とを繰り返すサイクルに長く耐えることができない。本実施の形態では、内側エンドキャップ４４が備えられている。内側エンドキャップを用いることによって、円筒形状を維持したまま水素透過性管４０を封止することが可能となる。内側エンドキャップ４４は各水素透過性管４０の端部位置において内部が鑞付けされる。エンドキャップ４４は、水素透過性管４０の内側に鑞付けされるのが好ましい。このように、水素透過性管４０が加熱されて分子水素で飽和状態になった場合に、エンドキャップ４４は水素透過性管４０が外側に膨張するのを妨げない。
【００３３】
キャップで封止された各水素透過性管４０の端部も、密閉ハウジング２４（図２）の第２の端部４５（図３）から所定の距離にある。この所定の距離は、温度や水素膨張により生じる水素透過性管４０の長さの何れの変化よりも大きい。このように、水素透過性管４０は、制限なしに自由に膨張する。
【００３４】
水素透過性管４０は直線状である。従って、水素透過性管とその支持体との間の熱および水素による膨張の差による機械的な応力が除去される。水素透過性管４０は、１点で支持され各管の長さのただ１点のみにおいて固定される。この基本概念によって、水素透過性管４０が温度変化および水素吸収状態の変化に応じて自由に膨張することが可能となる。
【００３５】
再び図２と図３と図４とを併せて参照すると、作動においては、密閉ハウジング２４とそのすべての内容物が摂氏３００度を超える動作温度に加熱されるのがわかる。汚染原料ガスは、プレナムチャンバ２２内に導入される。汚染原料ガスは、プレナムチャンバ２２を満たし、第１の有孔壁２６を介して支持管３０内に流れ込む。汚染原料ガスは、支持管３０の開口端４６から出て、支持管３０の外面と周囲の水素透過性管４０の内面との間に存在するマイクロチャネル４２を通って強制的に流される。汚染原料ガスは、乱流特性を持つマイクロチャネル４２を通って移動する。マイクロチャネル４２は、排ガス収集チャンバ３４に排出する。しかし、汚染原料ガスがマイクロチャネル４２を通って流れる際に、流れるガスは薄く拡がって、乱流となって水素透過性管４０の外面に沿って流れていく。マイクロチャネル４２の長さと幅、およびガス流量は、汚染原料ガスが水素透過性管４０を透過する効率を最大とするように設計される。汚染原料ガスを水素透過性管４０の表面上に薄く乱流で拡げることによって、汚染原料ガス中に含まれる水素が水素透過材料と接触する前に遠くまで拡散させる必要はない。このように、汚染原料ガス中にある多くの割合の水素に汚染ガスから分離し、水素透過性管４０を透過する機会が与えられる。動作パラメータによっては、８０％を超える水素拡散効率を得ることも可能である。
【００３６】
水素ガスは、水素透過性管４０を透過した後に、密閉ハウジング２４の収集チャンバ３６内を通る。収集チャンバ３６内の水素ガスは次いで、収集チャンバ３６から引き出されて使用に供される。分子水素のみが汚染原料ガスから分離し、水素透過性管４０を透過することができるので、水素ガスは超高純度である。
【００３７】
汚染原料ガスの非水素成分は、マイクロチャネル４２を通過し、排ガス収集チャンバ３４に流れる。更に非水素成分は次いで水素分離器２０から排出される。水素ガス収集チャンバ３６の圧力は、排ガス収集チャンバ３４の圧力よりも低く保たれる。このように、マイクロチャネル４２と水素収集チャンバ３６との間には正の圧力差が存在し、これにより、水素の流れが水素透過性管４０を透過し、水素収集チャンバ３６に収集されることが促進される。
【００３８】
マイクロチャネル４２は、支持管３０を水素透過性管４０の内部に同軸的に配置することによって形成される。しかし、かかる構造にすることにより、他の利点も生み出す。通常動作中は、水素透過性管４０は、内部で加圧され、従って、外側に向かって、内部の支持管３０から遠ざかる方向に膨張する。しかし、水素分離器２０は、誤って、または洗浄のために故意に、逆方向に加圧されると、水素透過性管４０は外側から加圧され支持管３０上で収縮する。マイクロチャネル４２は非常に小さく、水素透過性管４０が損傷を受けることなく支持管３０と接触することができる。支持管３０は、水素透過性管４０に構造的保全性を提供し、水素透過性管４０が崩壊してしまうのを防ぐ。従って、支持管３０を水素透過性管４０の内部に配置することにより、水素分離器２０全体の逆圧による損傷に対する耐性が非常に高められる。
【００３９】
所定の壁厚では、小径の管は、大径の管よりも高い圧力差に耐えることができる。これは、管の壁が受ける応力が、壁にかかる圧力降下と管の半径との積を管壁の厚さで割った値に等しいからである。実際の水素分離器では、大きなガス流を、圧力降下による損失を比較的小さくして流す必要があるが、このような必要性は、単一または少数の小径管を使用した場合には満たすことができないように思われる。更には、小径管における、曝露される壁の面積は比較的小さい。本発明では、これらの問題を、比較的短く小径の水素透過性管４０を多数並列に配置することで解決を図っている。
使用される汚染原料ガスによっては、汚染原料ガスを触媒に通過させて汚染ガスを調整することが望ましいであろう。図６を参照すると、水素分離器のプレナムチャンバ２２は触媒５０で満たすことができることがわかる。この結果、支持管３０および水素透過性管４０に流れ込むすべてのガスは、まず最初に触媒５０を通らなければならない。選択される触媒５０は、使用される汚染原料ガスによる。例えば、汚染原料ガスが石油蒸留物である場合には、鉄・クロム酸化物、銅・亜鉛酸化物、およびある種の貴金属等の触媒が使用されて、ガス中に存在する複合炭化水素が解離するのを助けることができる。
【００４０】
触媒５０の有効性を高めるために、触媒材料を、支持管３０と水素透過性管４０の間のマイクロチャネル４２に導入することもできる。図６には、マイクロチャネル４２中の触媒５０の位置についても示されている。このように、汚染ガスから水素が取り除かれるのと同時に汚染原料ガスは触媒作用を受ける。水素ガスの分圧はマイクロチャネル４２中では低くなるので、触媒はより有効に水素分子がガス中の炭化水素から分離するのを助けることができる。
【００４１】
上記の本発明の実施の形態においては、水素透過性管４０が支持管３０を囲むように配置されている。汚染原料ガスは次いで、支持管３０と水素透過性管４０との間を流れることが可能である。図７を参照すると、水素分離器６０の他の実施の形態が示されており、ここでは支持管６２が水素透過性管６４の外側に配置されている。
【００４２】
この実施の形態では、密閉ハウジング６６がある。水素透過性管６４は密閉ハウジング６６内の第１の有孔壁６８から延在している。水素透過性管６４はキャップで封止された端部６９を有する。収集チャンバ７０が密閉ハウジング６６の一端部と第１の有孔壁６８との間に形成される。収集チャンバ７０は水素透過性管６４の内部と連通している。
【００４３】
第２の有孔壁７２が密閉ハウジング６６内に配置される。排ガス収集チャンバ７３が第１の有孔壁６８と第２の有孔壁７２との間に形成される。複数の支持管６２が第２の有孔壁７２から延在している。支持管６２は、水素透過性管６４と一直線に配置され、水素透過性管６４を囲んでいる。
【００４４】
プレナムチャンバ７４が第２の有孔壁７２と密閉ハウジング６６の他端７７との間に形成される。汚染原料ガスがプレナムチャンバ７４内に導入される。汚染原料ガスは支持管６２内に流れ込み、支持管６２を水素透過性管６４から分離しているマイクロチャネル７６を通って流れる。水素ガスがマイクロチャネル７６を乱流となって流れる際、水素ガスが水素透過性管６４の材料を透過する。水素透過性管６４を通過した水素ガスは収集チャンバ７０内に収集される。マイクロチャネル７６を流れる排ガスは、排ガス収集チャンバ７３内に収集され、水素分離器６０から取り除かれる。
説明した水素分離器の実施の形態は単なる例示であり、当該技術に精通する者によって上記実施の形態に対して多くの変更が可能であることは、言うまでもない。例えば、上記の実施の形態はいくつかの支持管と水素透過性管を有するに過ぎない。本発明の実施の形態は、かかる管を数百個用いるようにできていることは言うまでもない。更に、支持管と水素透過性管との間にマイクロチャネルが形成されるようになされる限り、水素透過性管を支持管の内側でも外側でもどちらに配置してもよいことも言うまでもない。更に、汚染原料ガスとして用いられるガス成分の種類によっては、触媒を水素分離器内に含むこともできる。かかるすべての変形、改良、または他の実施の形態は、請求の範囲に定義される本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
本発明のより良い理解のために、添付図面とともに例示的な実施の形態を参照する。
【図１】水素純化システムの例示的な実施の形態の概略図である。
【図２】例示的な水素分離器の分解図である。
【図３】図２に示す水素分離器の断面図である。
【図４】図３に示すＡの部分の拡大図である。
【図５】図４に示す断面Ｂの拡大図である。
【図６】水素分離器の他の実施の形態の断面図である。
【図７】水素分離器のさらに別の実施の形態の断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０  水素純化システム  １２  外部発熱体  １４  第１の収集口  １６  第２の排ガス収集口  １８  供給口  ２０  水素分離器  ２２  プレナムチャンバ  ２４  密閉ハウジング  ２６  第１の有孔壁  ２８  孔  ３０  支持管  ３２  第２の有孔壁  ３４  排ガス収集チャンバ  ３６  水素収集チャンバ  ３８  孔  ４０  水素透過性管  ４２  マイクロチャネル  ４４  内側エンドキャップ  ４５  第２の端部  ４６  開口端  ５０  触媒  ６０  水素分離器  ６２  支持管  ６４  水素透過性管  ６６  密閉ハウジング  ６８  第１の有孔壁  ６９  端部  ７０  収集チャンバ  ７２  第２の有孔壁  ７３  排ガス収集チャンバ  ７４  プレナムチャンバ  ７６  マイクロチャネル  ７７  他端
【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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【図６】
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【図７】
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