(57)【要約】【課題】水素分離膜の周縁部をシール溶接する際に、溶接金属の垂れ下がり及びそれによる水素分離膜端部の溶接金属幅の減少を抑制し、原料ガスのリークを防止することが可能な水素分離膜モジュール及びその製造方法ならびに水素製造装置を提供する。【解決手段】水素分離膜（４）と多孔性の補強板（１，２，３）とを接合した接合体（１１）と、接合体（１１）二次側に精製ガス回収路（５）を形成するベースプレート（１２）とを備えた水素分離膜モジュール（１０）において、ベースプレート（１２）の接合体配置面（６）の周囲に突縁（１４）が設けられ、突縁（１４）と接合体（１１）の端面とがシール溶接（１３）されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記ベースプレートの前記接合体配置面の周囲に突縁が設けられ、該突縁と前記接合体の端面とがシール溶接されていることを特徴とする水素分離膜モジュール。
【請求項２】
前記突縁が、前記突縁の上端側に一体に延設してなる土手部を有することを特徴とする請求項１に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項３】
水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記接合体の端面と前記ベースプレートとが、前記端面が上方を向く状態でシール溶接されたことにより、前記端面に溶接金属の膨出部が形成されていることを特徴とする水素分離膜モジュール。
【請求項４】
水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記接合体の一次側表面外周部に枠状体が重ねられ、それらの外周縁部端面と前記ベースプレートとがシール溶接されていることを特徴とする水素分離膜モジュール。
【請求項５】
前記枠状体は、前記接合体との接触面に、前記枠状体の材料成分の水素分離膜への拡散を防止するバリア層が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項６】
前記枠状体は、前記接合体との接触面の内周側に傾斜または段差が設けられ、その部分で前記枠状体と前記接合体との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項７】
前記枠状体が、Ａｌを含有するステンレス鋼からなることを特徴とする請求項４に記載の水素分離膜モジュール。
【請求項８】
水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体を、その二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートに重ねた状態で、前記接合体の端面が上方を向くように保持し、前記接合体の端面と前記ベースプレートとをシール溶接することを特徴とする水素分離膜モジュールの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか一つに記載された水素分離膜モジュールを、原料ガスに触媒を反応させて水素含有ガスを生成する反応管の内部に組込み、前記水素分離膜モジュールにより、前記水素含有ガスから水素を抽出し前記水素分離膜モジュール内部の精製ガス回収路を通じて反応管の外部に水素を回収する構成を備えた水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置に用いられる水素分離膜モジュール及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素製造装置としては、都市ガス、水蒸気からなる原料ガスの反応場に、水素のみを選択的に透過させるＰｄやＰｄ合金などからなる水素分離膜を置き、水素分離膜を介して純水素を取り出すものがある。この水素分離膜は、膜厚を薄くすることにより水素透過性能を向上させることができるが、薄膜化すると高温高圧の原料ガス側と低圧の精製ガス側との差圧により膜が破断する問題がある。このため、薄膜化する場合には、膜を補強する必要がある。そこで、従来、水素分離膜を補強板や支持枠等で支持し、平板型や円筒型のモジュールに構成することが行なわれている。（特許文献１〜３を参照）。
【０００３】
従来の水素製造装置１００として、例えば 図１１に示すように、一側端面に製造された水素を取り出すための水素取出し管１０１が取付けられた箱型枠体１０２を用い、この箱型枠体１０２の内部に複数のスペーサ１０３を長手方向に配置する。そして、この箱型枠体１０２のスペーサ１０３の上に順に金属多孔板の補強板１０４と、水素分離膜１０５と、枠状体１０６とを重ね、前記水素分離膜１０５を前記補強板１０４と前記枠状体１０６とで挟んで固着する。また、前記箱型枠体１０２の他面についても、同様に前記水素分離膜１０５を前記補強板１０４と前記枠状体１０６とで挟んで固着することにより、水素分離膜モジュールが構成される。また、ガス通気孔として、前記枠状体１０６の開口部１０６ａと、前記補強板１０４の細孔１０４ａと、前記スペーサ１０３の通気孔１０３ａとがそれぞれ設けられ、製造された水素（Ｈ2）は、水素分離膜１０５を透過し、補強板１０４の細孔１０４ａと、スペーサ１０３の通気孔１０３ａとを通過し、水素取出し管１０１から回収される。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２９６３１６号公報
【特許文献２】特開２００１−２７６５５８号公報
【特許文献３】特開２００２−１２４０９号公報
【特許文献４】特開平８−２１５５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、前記枠状体１０６を設けている場合、例えば図１２に示すように、前記水素分離膜１０５と前記枠状体１０６とが非接触となっている箇所があると、装置の長時間運転に伴って装置の稼動時に生じる圧力によって、前記水素分離膜１０５と前記枠状体１０６とが接触し、拡散接合する箇所が部分的に生じる場合がある。そして、装置の運転の停止時に前記水素分離膜１０５が変形して接触した部分に歪が集中し、これらが繰り返される結果割れが発生する場合がある、という問題がある。
【０００６】
また、水素分離膜上に支持枠等を設けるとその分透過面積が減少するうえ、運転中に支持枠等の材料成分が水素分離膜に拡散し、水素透過性能が劣化する、という問題がある。
【０００７】
一方、水素分離膜を特定の金属層を介して補強板と積層し、それらを拡散接合して接合体とし、この接合体をシール溶接して水素分離膜モジュールを構成する技術が開発されている（特許文献４）。これにより、水素透過性能の劣化を回避しつつ薄膜化が可能である。
【０００８】
しかし、図１３に示されるように、接合体８１の周縁部をシール溶接する際に、溶融状態にある溶接金属８２が自重で垂れ下がり、水素分離膜８３の端部８４の溶接金属８２が薄くなる傾向が認められ、モジュール内外の差圧によるリークの発生が懸念される、という問題がある。尚、図中、符号１５は、原料ガス中の炭化水素を改質する触媒シートを図示する。
【０００９】
本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、水素分離膜の周縁部をシール溶接する際に、溶接金属の垂れ下がり及びそれによる水素分離膜端部の溶接金属幅の減少を抑制し、原料ガスのリークを防止することが可能な水素分離膜モジュール及びその製造方法ならびに水素製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記従来技術の有する課題を解決するため、本発明は、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記ベースプレートの前記接合体配置面の周囲に突縁が設けられ、該突縁と前記接合体の端面とがシール溶接されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記突縁が、前記突縁の上端側に一体に延設してなる土手部を有するものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明は、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記接合体の端面と前記ベースプレートとが、前記端面が上方を向く状態でシール溶接されたことにより、前記端面に溶接金属の膨出部が形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記接合体の一次側表面外周部に枠状体が重ねられ、それらの外周縁部端面と前記ベースプレートとがシール溶接されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明において、前記枠状体は、前記接合体との接触面に、前記枠状体の材料成分の水素分離膜への拡散を防止するバリア層が設けられていることが好適である。また、前記枠状体は、前記接合体との接触面の内周側に傾斜または段差が設けられ、その部分で前記枠状体と前記接合体との間に空隙が形成されているようにしても良い。また、前記枠状体が、Ａｌを含有するステンレス鋼からなるものとすることもできる。
【００１５】
また、本発明は、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体を、その二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートに重ねた状態で、前記接合体の端面が上方を向くように保持し、前記接合体の端面と前記ベースプレートとをシール溶接することを特徴とする水素分離膜モジュールの製造方法を採用した。
【００１６】
そして、本発明の水素製造装置は、前記水素分離膜モジュールを、原料ガスに触媒を反応させて水素含有ガスを生成する反応管の内部に組込み、前記水素分離膜モジュールにより、前記水素含有ガスから水素を抽出し前記水素分離膜モジュール内部の精製ガス回収路を通じて反応管の外部に水素を回収する構成を備えた。
【発明の効果】
【００１７】
上述の如く、本発明に係る水素分離膜モジュールは、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記ベースプレートの前記接合体配置面の周囲に突縁が設けられ、該突縁と前記接合体の端面とがシール溶接されているので、溶接金属の垂れ下がり及びそれに起因する水素分離膜端部の溶接金属幅の減少を抑制でき、原料ガスのリークを防止することが可能である。また、前記接合体を溶接する際に、接合体が突縁によって配置面に位置決めされるので、位置合わせの手間が不要となる。また、装置の稼動時に前記枠状体と拡散接合して変形した前記水素分離膜が、停止時に前記枠状体と接触して変形した箇所に起因する前記水素分離膜の割れの発生を防止することができる。
【００１８】
また、前記突縁が、前記突縁の上端側に一体に延設してなる土手部が設けられ、該土手部と前記接合体の端面とを前記土手部のアンカー効果により確実かつ安定にシール溶接することができるので、前記接合体を前記ベースプレート側により確実に固定することができ、原料ガスのリークを防止することができる。
【００１９】
また、本発明の別の態様に係る水素分離膜モジュールは、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記接合体の端面と前記ベースプレートとが、前記端面が上方を向く状態でシール溶接されたことにより、前記端面に溶接金属の膨出部が形成されているので、水素分離膜端部の溶接金属幅を十分に確保でき、原料ガスのリークを防止することが可能である。
【００２０】
また、本発明のさらに別の態様に係る水素分離膜モジュールは、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体と、前記接合体の二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートとを備えた水素分離膜モジュールにおいて、前記接合体の一次側表面外周部に枠状体が重ねられ、それらの外周縁部端面と前記ベースプレートとがシール溶接されているので、前記枠状体を設けたことにより接合体端部の厚さが増し、その分水素分離膜端部の溶接金属幅も増大するため、原料ガスのリークを防止することが可能である。また、枠状体を設けたことにより接合体の溶接性が向上し、製品の歩留まりを向上できる。
【００２１】
また、前記枠状体は、前記接合体との接触面に、前記枠状体の材料成分の水素分離膜への拡散を防止するバリア層が設けられているので、枠状体と水素分離膜との直接接触および拡散による水素透過性能の低下を防止しつつ、原料ガスのリーク防止、溶接性の向上、歩留まりの向上が可能である。
【００２２】
また、前記枠状体は、前記接合体との接触面の内周側に傾斜または段差が設けられ、その部分で前記枠状体と前記接合体との間に空隙が形成されているので、枠状体と水素分離膜との直接接触および拡散による水素透過性能の低下を防止しつつ、原料ガスのリーク防止、溶接性の向上、歩留まりの向上が可能である。また、前記態様におけるバリア層の形成工程を省略できる。
【００２３】
また、前記枠状体が、Ａｌを含有するステンレス鋼からなる態様においては、水素分離膜モジュールの運転雰囲気に含まれるＨ2Ｏにより、枠状体の表面に酸化アルミニウム層が形成され、水素分離膜と枠状体との直接接触および拡散による水素透過性能の低下を防止できる。また、上記各態様に比較して、バリア層の形成工程や、枠状体の加工などの工程を省略できる。
【００２４】
本発明に係る水素分離膜モジュールの製造方法は、水素分離膜と少なくとも１枚の多孔性の補強板とを接合した接合体を、その二次側に精製ガス回収路を形成するベースプレートに重ねた状態で、前記接合体の端面が上方を向くように保持し、前記接合体の端面と前記ベースプレートとをシール溶接する製造方法を採用したので、溶接金属の垂れ下がり及びそれに起因する水素分離膜端部の溶接金属幅の減少を抑制でき、原料ガスのリークを確実に防止することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００２６】
［第一の実施形態］
本発明の第一の実施形態にかかる水素分離膜モジュールについて、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第一の実施形態に係る水素分離膜モジュール１０Ａの短面側から見た時の要部断面図であり、図２は、図１の本実施形態に係る水素分離膜モジュール１０Ａの概略を示す斜視図である。水素分離膜モジュール１０Ａは、３枚の補強板１、２、３と水素分離膜４とを接合した接合体１１、ベースプレート１２から構成されている。
また、図中、一点鎖線で表示している触媒シート１５は、水素分離膜モジュール１０Ａを後述する図１０に示す水素製造装置７０に備えた時に図１０に示す反応管７１内に設けられてる水素（Ｈ2）製造用の触媒シートであり、本実施形態では波板形状のものとしている。原料ガス１６は、前記触媒シート１５と接触して水素（Ｈ2）を製造し、生成された水素（Ｈ2）は接合体１１を通過し、溝５を通って図１１に示すような水素抽出管部６７から回収される。一方、未反応の原料ガス１６又は発生したＣＯ2はオフガス１７としてオフガス排出管（図示せず）から排出される。
【００２７】
また、前記補強板１、２、３は、それぞれ厚さおよび開口パターンの異なる金属製の多孔板からなり、例えば、ステンレス鋼板（ＳＵＳ４３０）をエッチングによりメッシュ加工した後、メッキ処理し、所定の形状に裁断したものを用いることができる。なお、最上層の前記補強板１の表面には、後述するバリア層３６とほぼ同様のバリア層を蒸着する。前記水素分離膜４は、水素透過性の金属箔からなり、例えば、Ｐｄ−Ａｇ合金、Ｐｄ−希土類元素合金を用いることができる。そして、前記水素分離膜４及び前記補強板１、２、３を積層し拡散接合して前記接合体１１を形成する。
【００２８】
また、前記ベースプレート１２は、図６に示す実施形態のベースプレート３２と基本構造が同じであるため、図６を参照しながらベースプレート１２の基本構造について説明する。図において、前記ベースプレート１２（３２）は、平板状の金属板の上面および下面に、長手方向に複数の平行な溝５を加工してある。これらの前記溝５は、長手方向の両端部で幅方向の溝によって相互に連通され、さらに、図６中右側となる長手方向の一端側では、上下両面の前記溝５が厚さ方向に貫通する連通孔によって相互に連通されている。そして、該連通孔は管部７に連通している。以上の構成により各溝５から連通孔を経て前記管部７に至る精製ガス回収路を形成している。
【００２９】
そして、図１及び図２に示す、第一の実施形態に係る前記ベースプレート１２においては、前記溝５を開口した上下各面の周囲に突縁１４が形成してある。換言すれば、前記ベースプレート１２の上下各面に凹部を形成してある。そして、この前記突縁１４で囲まれた凹部に、前記水素分離膜４と前記補強板１、２、３の前記接合体１１を収容し、図示しないクランプにより保持した状態で、前記突縁１４と前記接合体１１との間隙部（１３）に沿ってシール溶接し、前記接合体１１端面と前記ベースプレート１２とを接合すると共に、前記水素分離膜４の外側（一次側／原料ガス側）と内側（二次側／精製ガス側）とを遮断する。
【００３０】
この第一の実施形態の水素分離膜モジュール１０Ａにおいては、溶接部１３が水素分離膜モジュール１０Ａの上面に配置され、且つ、間隙部に沿ってシール溶接するため、溶接金属が前記水素分離膜４の端面に留まり、溶接金属幅Ｌが十分に確保され、溶接金属の垂れ下がりに起因する原料ガスのリークを防止することが可能である。また、前記接合体１１を溶接する際に、前記接合体１１が前記突縁１４によって位置決めされるので、位置合わせの手間が不要となる。
【００３１】
また、前記触媒シート１５で生成された水素（Ｈ2）を前記水素分離膜４にて回収し、前記触媒シート１５で水素（Ｈ2）の生成反応を促進するため、前記水素分離膜４と前記触媒シート１５との距離は、前記水素分離膜４の厚さの例えば１００倍以下とするのが好ましい。
【００３２】
また、従来技術において説明した前記接合体１１の表面外周部に図１１に示すような前記枠状体１０６を設けることなく前記接合体１１を前記ベースプレート１２に固定することができる。このため、装置を長時間運転し稼動・停止を繰り返しても前記水素分離膜４と図１１に示すような前記枠状体１０６とが接触するようなことはないため、前記水素分離膜４が前記枠状体１０６と拡散接合して変形し接触して変形した箇所に起因する前記水素分離膜４の割れの発生を防止することができる。
【００３３】
また、図３は、本実施形態に係る水素分離膜モジュールの他の構成を示す要部断面図である。図３に示すように、本実施形態に係る他の水素分離膜モジュール１０Ｂは、前記突縁１４が該突縁１４の上端側に一体に延設してなる土手部１４ａを有するようにしてもよい。
【００３４】
前記突縁１４の上端側に前記溶接部１３又は前記接合体１１よりも高さｈのある前記土手部１４ａを設けることにより、前記接合体１１と前記突縁１４とを前記土手部１４ａのアンカー効果により確実かつ安定にシール溶接することができる。この結果、前記接合体１１を前記ベースプレート１２側に溶接部１３を介して確実に固定することができ、原料ガスのリークを防止することができる。
【００３５】
［第二の実施形態］
本発明の第二の実施形態に係る水素分離膜モジュールについて、図面を参照して説明する。
図４−１は本発明の第二の実施形態に係る水素分離膜モジュール２０を立てた状態を示す断面図、図４−２はそのＢ部拡大図である。尚、前記補強板１、２、３及び前記水素分離膜４、ベースプレート２２の基本構造については第一の実施形態の場合と同様であるので、以下、同じ部材には同じ符号を付しその説明を省略する。図において、水素分離膜モジュール２０は、前記ベースプレート２２の上下各面は前記溝５を除き平坦であるが、以下に述べる製造方法に起因する形状的な特徴がある。
【００３６】
即ち、前記水素分離膜モジュール２０では、前記水素分離膜４および前記補強板１、２、３を積層し拡散接合した接合体２１を、ベースプレート２２の配置面６に重ねた状態で、図示しないクランプにより保持し、前記接合体２１の溶接しようとする端面が上方を向くようにして、前記接合体２１の端面と前記ベースプレート２２とをシール溶接（２３）する。実施形態の水素分離膜モジュール２０は前記ベースプレート２２の上下両面に前記接合体２１を配設する構造であるため、図中左側となる下面側についても同様にシール溶接する。次いで、前記ベースプレート２２と前記接合体２１を保持したまま、上下反転し、前記接合体２１の反対側端面をシール溶接する。さらに、クランプ位置を変え、前記接合体２１の長手方向両端の端面を幅方向にシール溶接する。
【００３７】
以上のように、前記接合体２１の端面を常に上に向けてシール溶接することにより、溶接金属（２３）が前記接合体２１の端面に留まり、溶接部２３に図４−１、図４−２中上方となる端面側方に膨出した溶接金属の膨出部２４が形成される。この膨出部２４により前記水素分離膜４端面での溶接金属幅Ｌが十分に確保され、原料ガスのリーク防止が可能となる。
【００３８】
原料ガスのリーク防止に必要な溶接金属幅Ｌは、前記水素分離膜４の膜厚ｔにより変化するため、以下の関係式から特定することができる。
【００３９】
前記接合体２１の端面における前記水素分離膜４の溶接金属幅Ｌ、水素分離膜厚ｔとするとき、前記溶接金属幅Ｌは、０．１ｔ≦Ｌである必要がある。前記溶接金属幅Ｌが、前記水素分離膜厚ｔの１０％以下であると、前記水素分離膜モジュール２０内外の差圧（原料ガス側：０．２〜２ＭＰａ、精製ガス側：０．１ＭＰａ）により溶接接合部に破断が生じ、原料ガスがリークする虞がある。また、好ましくは、０．８ｔ≦Ｌである。前記溶接金属幅Ｌが、前記水素分離膜厚ｔの８０％以上であれば、補強板、水素分離膜、枠状体の加工精度、重ね合わせ精度、溶接むら等に起因する原料ガスのリークを防止できる。さらに好ましくは、ｔ≦Ｌである。溶接金属幅Ｌが、水素分離膜厚ｔ以上であれば、ごく稀に発生する１０μｍ以上の溶接欠陥等に対しても、原料ガスのリーク防止が可能である。
【００４０】
一方、前記溶接金属幅Ｌが厚過ぎると溶接パスが多くなり、工数が増大し、不経済であるため、Ｌ≦１０ｔで良いが、好ましくは、Ｌ≦５ｔである。前記溶接金属幅Ｌが、前記水素分離膜厚ｔの５倍以下であれば、溶接入熱を小さくすることで水素分離膜に対する熱影響を小さくし、熱的なダメージを軽減できる。さらに好ましくは、Ｌ≦２ｔである。前記溶接金属幅Ｌが、前記水素分離膜厚ｔの２倍以下であれば、溶接入熱をさらに小さくすることにより水素分離膜に与えるに熱影響を無視できる程度に小さくできる。
【００４１】
［第三の実施形態］
本発明の第三の実施形態に係る水素分離膜モジュールについて、図面を参照して説明する。
図５−１は、本発明の第三の実施形態に係る水素分離膜モジュール３０を示す要部断面図、図５−２はその部拡大図、図６は分解斜視図である。図において、水素分離膜モジュール３０は、ベースプレート３２の上下両面に、前記水素分離膜４及び前記補強板１、２、３を積層し拡散接合した接合体３１を重ね、さらにその上に、枠状体３４を重ねている。該枠状体３４は、前記接合体３１の外周部のみに位置するように図６に示すような全面的な中央開口３５を設けてある。そして、これらを前記同様に図示しないクランプで保持した状態で、前記接合体３１及び前記枠状体３４の外周縁部端面と前記ベースプレート３２とをシール溶接し、一体とする。
【００４２】
この前記水素分離膜モジュール３０においては、前記枠状体３４を設けたことにより前記接合体３１端部の厚さが増し、その分、前記水素分離膜４の端部における前記溶接金属幅Ｌが増大する。必要な前記溶接金属幅Ｌを確保するためには、前記枠状体３４の厚さが０．０５〜１ｍｍであることが好ましい。また、前記枠状体３４の材質は、溶接性が良好で、改質ガス雰囲気で耐酸化性を有する金属材料が好適であり、ステンレス鋼、Ｎｉ基合金などが好ましい。これにより接合体３１の溶接性が向上し、製品の歩留まりが良くなる効果も期待できる。
【００４３】
シール溶接する場合の溶接方法としては、ＧＴＡ，ＧＭＡ等のアーク溶接、プラズマ溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接などが利用可能である。前記水素分離膜４への影響が小さい条件設定においては、ＹＡＧレーザー溶接が好適である。上記第３実施形態のように前記枠状体３４が有る場合と、無い場合（後述）、あるいは、第１実施形態の前記突縁１４が有る場合、第２実施形態のような端面から溶接する場合など、各形態によりやや条件は異なるが、例えば、前記枠状体３４の厚さが０．１ｍｍ、接合体の厚さが０．８ｍｍ、前記水素分離膜４の厚さが２０μｍの場合に、周波数５０Ｈｚ、パルス長１０ｍｓｅｃのＹＡＧレーザーを、エネルギー１５Ｊ／パルスで照射し、溶接速度１ｍ／ｍｉｎにてシール溶接を行なったところ、良好な溶接部が得られた。
【００４４】
前記枠状体３４の幅は、前記水素分離膜４の水素透過性能への影響を考慮すると、狭い方が好ましい。しかし、狭過ぎると前記枠状体３４の強度、保形性が不足し加工し難くなる。そこで、前記枠状体３４の幅をある程度まで確保する一方、前記枠状体３４の材料成分が前記水素分離膜４に拡散するのを防止するためのバリア層３６を設けることが好適である。
【００４５】
前記バリア層３６は、図７−１、図７−２に示すように、前記枠状体３４の、前記接合体３１との接触面側に設ける。前記バリア層３６の形成方法は、金属酸化物、窒化物などの拡散防止層を蒸着させることによる。蒸着方法としては、真空蒸着、ＣＶＤ、スパッタリングなどが利用できる。
【００４６】
例えば、真空蒸着による場合、枠状体３４を真空槽のホルダー（図示せず）にセットし、真空度が８×１０-3Ｐａ以下となるまで真空排気する。次にヒーター加熱を行い、成膜温度（２００℃）まで加熱する。この状態で、ＥＢ電圧１０ｋＶ、ＥＢ電流０．３Ａ、導入酸素流量５０ｓｃｃｍにてＡｌ2Ｏ3を融解蒸発させ枠状体３４上にアルミナ層を１μｍ蒸着する。
【００４７】
また、前記枠状体３４にバリア層を設ける代わりに、図８に示すように、枠状体４４の、前記接合体３１との接触面の内周側に傾斜４５を設け、その部分で、前記枠状体４４と前記接合体３１との間に空隙４６が形成されるようにして、前記枠状体４４と前記水素分離膜４とが直接接触しないように構成することもできる。なお、前記傾斜４５は、図示例のように前記枠状体３４自体を除去加工して形性する他に、曲げ加工などにより形性することもでき、また、前記傾斜４５の代わりに段差を設けて前記空隙４６が形成されるようにしても良い。
【００４８】
さらに、図９に示すように、枠状体５４の材質をＡｌを含有するステンレス鋼とすることにより、上述したバリア層や傾斜等の加工を省略することができる。例えば、前記枠状体５４の材質を２０Ｃｒ−５Ａｌ系ステンレス鋼とすれば、水素分離膜モジュールの運転雰囲気に含まれるＨ2Ｏにより、前記枠状体５４の表面に酸化アルミニウム層５５が形成され、これがバリア層として機能する。
【００４９】
［第四の実施形態］
本発明の第一乃至第三の実施形態に係る水素分離膜モジュールを備えた水素製造装置について、図面を参照して説明する。
図１０は、以上のように構成された水素分離膜モジュール６０（１０Ａ、１０Ｂ、２０、３０）を備えた水素製造装置７０の例を示すものである。図において、前記水素製造装置７０は、多数並設された反応管７１を備え、前記水素分離膜モジュール６０は各反応管７１の内部に組込まれる。各反応管７１は、図中上端に前記水素分離膜モジュール６０を組込むための蓋部７２を有し、前記水素分離膜モジュール６０は、水素分離膜を含む接合体６１の二次側に連通する水素抽出管部６７を反応管７１の外部に出した状態で蓋部７２に固定される。また、前記接合体６１の一次側にはスペーサ７３を介して波板形状の触媒７４が固定される。
【００５０】
各前記反応管７１の周囲には、各前記反応管７１を加熱するための燃焼ガス流通路７５が形成され、各前記反応管７１は所定の温度に加熱されており、このような各前記反応管７１内に原料ガス供給管７６を通じて原料ガスが供給され、昇温加圧状態で前記触媒７４と接触することで水蒸気改質反応が進行し水素が生成する。この水素含有ガスが前記水素分離膜モジュール６０の前記接合体６１（水素分離膜）と接すると、前記接合体６１の一次側と二次側の圧力差により水素含有ガス中の水素のみが前記接合体６１（水素分離膜）を選択透過し、水素抽出管部６７に精製ガスとして回収される。一方、水素を分離されたオフガスはオフガス排出管７７から排出され、原料ガスの一部として再循環される。
【００５１】
以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る水素分離膜モジュールの短面側から見た時の断面図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る水素分離膜モジュールの概略を示す斜視図である。
【図３】本発明の第一の実施形態に係る水素分離膜モジュールの他の構成の短面側から見た時の断面図である。
【図４−１】本発明の第二の実施形態に係る水素分離膜モジュールを立てた状態を示す要部断面図である。
【図４−２】図４−１中のＢ部拡大図である。
【図５−１】本発明の第三の実施形態に係る水素分離膜モジュールを示す要部断面図である。
【図５−２】図５−１中のＣ部拡大図である。
【図６】本発明の第三の実施形態に係る水素分離膜モジュールの概略を示す分解斜視図である。
【図７−１】本発明の第三の実施形態に係る水素分離膜モジュールの別の実施形態に係る枠状体を示す平面図である。
【図７−２】図７−１中のＤ−Ｄ断面図である。
【図８】本発明の第三の実施形態に係る水素分離膜モジュールの別の実施形態の構成を示す要部断面図である。
【図９】本発明の第三の実施形態に係る水素分離膜モジュールの更に別の実施形態の構成を示す要部断面図である。
【図１０】本発明の実施形態に係わる水素分離膜モジュールを備えた水素製造装置の概略を示す要部断面図である。
【図１１】従来の水素分離膜モジュールの構成を示す斜視図である。
【図１２】枠状体と拡散接合して変形した水素分離膜の割れの様子を示す説明図である。
【図１３】従来の水素分離膜モジュールを示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１，２，３  補強板
４  水素分離膜
５  溝（精製ガス回収路）
６  配置面
７  管部
１０Ａ、１０Ｂ、２０、３０、６０  水素分離膜モジュール
１１、２１、３１、６１  接合体
１２、２２、３２  ベースプレート
１３、２３、３３  溶接部
１４  突縁
１４ａ  土手部
２４  膨出部
３４、４４、５４  枠状体
３５  中央開口
３６  バリア層
４５  傾斜
４６  空隙
５５  酸化アルミニウム層
６７  水素抽出管部
７０  水素製造装置
７１  反応管
７２  蓋部
７３  スペーサ
７４  触媒
７５  燃焼ガス流通路
７６  原料ガス供給管
７７  オフガス排出管
Ｌ  溶接金属幅
ｔ  水素分離膜厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図６】
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【図７−１】
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【図７−２】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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