(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央に水素通過用開口が形成された円盤状上板，円盤状下板と、円盤状上板と円盤状下板との間に差し渡され、円周方向に等間隔で配置された複数の補強骨と、補強骨の曲面又は端面で形成される円筒面に貼り付けられ、水素透過膜が積層されている金属多孔板と、円盤状上板，円盤状下板の何れか一方又は双方に接続された水素取出し管とを備え、水素透過膜を透過して内部の水素通過用空間に入った水素ガスが水素取出し管から系外に取り出されることを特徴とする筒型水素回収装置。
【請求項２】
円盤状上板，円盤状下板，補強骨及び金属多孔板がフェライト系ステンレス鋼で作られている請求項１記載の筒型水素回収装置。
【請求項３】
水蒸気改質器の内部に設置される請求項１又は２記載の筒型水素回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、炭化水素系ガスの水蒸気改質で生成した水素を回収する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素は、各種化学工業分野における基礎原料，燃料電池用燃料，熱処理雰囲気用等、広範な用途に使用されており、小規模需要に応じる代表的な製造法としてガス燃料の水蒸気改質が知られている。水蒸気改質で得られる改質ガスは、ＣＯ，ＣＯ2，余剰Ｈ2Ｏ等を含んでおり、たとえば燃料電池にそのまま使用したのでは、電池性能が阻害される。そこで、改質ガスを燃料電池に供給する前に、ＣＯ，ＣＯ2，余剰Ｈ2Ｏ等の副成分を除去することが必要になる。
【０００３】
副成分の除去には、水素を選択透過する作用をもつＰｄ−Ａｇ，Ｔａ等を使用した水素透過膜法がある。水素透過膜は耐熱性多孔体の表面に薄膜として形成されているが（特開昭６３−２９４９２５号公報，特開平１−１６４４１９号公報等）、最近では耐熱性多孔体に代えて多数の孔を空けた金属多孔体の使用が検討されている。
水素透過膜が積層された金属多孔体は、たとえば水素取出し管が接続された水素回収装置の一面に装着され、触媒充填層に埋設される。炭化水素系ガスの水蒸気改質で生成した水素ガスは、水素透過膜を選択透過して水素回収装置の内部に流入し、水素取出し管を介して系外に取り出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水素回収装置は、加熱〜冷却の熱サイクルによる変形を防止するため、厚板が構造体に使用されている。そのため、重量が嵩み、改質装置内に固定するために特殊な治具が必要になる。また、エッチング，切削加工，放電加工等で水素通過孔及びヘッダ部を形成した後、Ｐｄ−Ａｇ合金等の水素透過膜をレーザ溶接で外表面に設けているため、加工に手数がかかり、コスト，量産性に問題がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、薄板のプレス加工で成形した構造体を使用することにより、製造が容易で、軽量且つ十分な強度をもつ水素回収装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒型水素回収装置は、その目的を達成するため、中央に水素通過用開口が形成された円盤状上板，円盤状下板と、円盤状上板と円盤状下板との間に差し渡され、円周方向に等間隔で配置された複数の補強骨と、補強骨の曲面又は端面で形成される円筒面に貼り付けられ、水素透過膜が積層されている金属多孔板と、円盤状上板，円盤状下板の何れか一方又は双方に接続された水素取出し管とを備え、水素透過膜を透過して内部の水素通過用空間に入った水素ガスが水素取出し管から系外に取り出されることを特徴とする。
円盤状上板，円盤状下板，補強骨及び金属多孔板は、水素透過膜の材料と同程度の熱膨張係数をもつフェライト系ステンレス鋼製が好ましい。
【０００７】
【実施の形態】
本発明に従った水素回収装置１０は、たとえば図１に示すように、ステンレス鋼薄板をプレス加工で成形して組み立て溶接した筒型枠体１１を構造体として使用し、水素透過膜１３を積層した金属多孔板１２を筒型枠体１１に巻き付け、筒型枠体１１の上端及び下端にキャップ１４ｕ，１４ｄを装着している。上キャップ１４ｕには、水素透過膜１３を透過して水素回収装置１０の内部に侵入してきた水素を系外に取り出すための水素取出し管１５が接続されている。水素取出し管１５は、下キャップ１４ｄ又は上下キャップ１４ｕ，１４ｄに取り付けることもできる。
【０００８】
水素透過膜１３は、Ｐｄ−２０％Ａｇ合金やＴａ等で作られた膜厚５〜５０μｍ程度の薄膜であり、水素に対する選択透過性を呈する。水素透過膜１３は、たとえばＣＯ2レーザ溶接，ＹＡＧレーザ溶接，マイクロ波プラズマ溶接，電子ビーム溶接等で金属多孔板１２に固着される。
金属多孔板１２は、水素透過膜１３を補強する耐熱性に優れたステンレス鋼等でできた部材であり、水素透過膜１３を選択透過した水素を水素回収装置１０の内部に送り込むため細孔１２ａが穿設されている。ステンレス鋼製の金属多孔板１２では、水素透過膜１３とほぼ同じ熱膨張係数をもつことから、加熱・冷却の熱変動を受けても水素透過膜１３の剥離が防止される。
【０００９】
細孔１２ａは、水素ガスの通過抵抗を大きくせず、且つ水素透過膜１３が水素回収装置１０の内部に引き込まれることがないように、０．１〜１．５ｍｍの孔径で形成することが好ましい。また、炭化水素の水蒸気改質で生成した水素を効率よく水素回収装置１０の内部に吸引するため、水素透過膜１３に対して面積率１０％以上の割合で形成することが好ましい。このような孔径の細孔１２ａは、電子ビーム加工，化学エッチング等で形成される。また所定サイズの孔を空けたパンチングメタルを金属多孔板１２に使用することも可能である。
筒型枠体１１は、円盤状上板１６と円盤状下板１７との間に複数本の補強骨１８を差し渡している（図１ｂ）。円盤状上板１６，円盤状下板１７及び補強骨１８は、耐熱性、高温強度が要求されることからステンレス鋼製とすることが好ましい。
【００１０】
円盤状上板１６及び円盤状下板１７は、水素通過用開口１６ａ，１７ａが中央に形成され、補強骨１８の上下端部が嵌まり込む切欠き１６ｂ、１７ｂが周縁に等間隔で形成されている（図１ｃ）。補強骨１８は、円盤状上板１６及び円盤状下板１７の周縁に沿った曲率の曲面１８ａから起立片１８ｂがほぼ直角に屈曲している。曲面１８ａ及び起立片１８ｂでＬ型断面が形成されるため、円周方向に関する補強骨１８の変形抵抗が高くなる。補強骨１８の上下端部では曲面１８ａの一部及び起立片１８ｂが円盤状上板１６，円盤状下板１７のほぼ板厚分だけ切り落とされ、嵌合突片１８ｃが形成されている。
【００１１】
嵌合突片１８ｃを円盤状上板１６，円盤状下板１７の切欠き１６ｂ、１７ｂに嵌め込むと、起立片１８ｂは筒中心方向に指向し、曲面１８ａが円筒面の一部となる（図１ｄ）。複数の補強骨１８を円周方向に等間隔で円盤状上板１６，円盤状下板１７に差し渡すことにより、上下方向及び円周方向の応力に対する変形抵抗が高く、十分な強度をもつ筒型枠体１１が組み立てられる。長尺の筒型水素回収装置１０では、円盤状上板１６，円盤状下板１７の間に、同様な形状の中間板１９（図１ｂ）を単数又は複数介装させることにより補強骨１８の変形が一層確実に防止され、所定の水素通過用空間Ｓが確保される。
【００１２】
組み立てられた筒型枠体１１の下端に下キャップ１４ｄを、上端に水素取出し管１５が接続された上キャップ１４ｕを装着する。
次いで、補強骨１８の曲面１８ａで区画される円筒面に、水素透過膜１３が積層された金属多孔板１２を貼り付ける。金属多孔板１２は、上キャップ１４ｕ、下キャップ１４ｄの合せ目がシーム溶接ｗされる。また、必要に応じて補強骨１８の曲面１８ａ及び円盤状上板１６，円盤状下板１７に金属多孔板１２が点溶接される。溶接作業を考慮すると、金属多孔板１２の上下縁部を細孔１２ａのない被溶接部１２ｂとすることが好ましい。
【００１３】
このようにして、軽量で且つ十分な強度をもつ水素回収装置１０が組み立てられる。水素回収装置１０は、複数の補強骨１８で補強されているため、水素通過用空間Ｓが内部に確保される。また、水素透過膜１３を積層した金属多孔板１２が内側から補強骨１８で支持されているため、加熱〜冷却のサイクルが繰り返されるガス改質装置に組み込んでも、熱応力に対する十分な変形抵抗をもち、面変形や破壊が防止され、安定した水素選択透過能を呈する。
【００１４】
金属多孔板１２は、補強骨１８の端面で支持することも可能である（図２）。この場合、補強骨１８の端面１８ｄが円盤状上板１６，円盤状下板１７の周縁に臨む位置関係で、円盤状上板１６と円盤状下板１７との間に複数の補強骨１８を円周方向に等間隔で差し渡す。
円盤状上板１６，円盤状下板１７としては、円盤状底部１６ｃ，１７ｃの周縁からフランジ１６ｄ、１７ｄが立ち上がった有底円筒体が使用される。底部１６ｃ，１７ｃの中央には水素通過用開口１６ａ，１７ａが形成され、周縁から水素通過用開口１６ａ，１７ａに達する切欠き１６ｅ，１７ｅが底部１６ｃ，１７ｃに形成されている。補強骨１８は、Ｌ型材で作られ、上下端部が切欠き１６ｅ，１７ｅに挿し込まれる。このとき、端面１８ｄの上下端部に段差１８ｅを付けておくと、円盤状上板１６，円盤状下板１７に対して補強骨１８が容易に位置決めされる（図２ｂ）。
【００１５】
図２の構造では、水素透過膜１３を積層した金属多孔板１２が補強骨１８の端面１８ｄで支持されるため、補強骨１８との接触によって塞がれる細孔１２ａの個数が少なく、水素透過膜１３の有効面積が大きくなる。また、屈曲片１８ｆにより補強骨１８の剛性が高まり、水素回収時に加熱・冷却の熱変動に曝されても金属多孔板１２の変形が抑えられ、必要な水素通過用空間Ｓが確保される（図２ｃ）。
【００１６】
水素回収装置１０は、従来のように固定治具を必要とすることなくガス改質装置２０（図３）の内部に配置され、ガス改質装置２０の水素取出し口２１に水素取出し管１５が接続される。水素回収装置１０を配置した後、アルミナにＮｉを担持させた触媒等の水蒸気改質用触媒２２をガス改質装置２０の内部に充填する。水素回収装置１０の取付けに際し固定治具を必要としないため、ガス改質装置２０の内部空間を水素回収装置１０で占める割合が小さく、その分だけ触媒２２の充填量を増量でき、炭化水素系ガスの水蒸気改質反応効率が向上する。
【００１７】
水素回収装置１０及び触媒２２が充填されたガス改質装置２０に都市ガス等の炭化水素系ガスＧ及びボイラー２３で発生した水蒸気Ｖを送り込み、コンプレッサ２５から圧縮空気が送り込まれるバーナー２４で外部から加熱すると、ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ＝４Ｈ2＋ＣＯ2の水蒸気改質反応が進行する。生成した水素ガスは、水素透過膜１３を選択透過して水素回収装置１０の内部に送り込まれ、水素取出し管１２を経て系外に取り出される。水素以外の排ガスＷは、排気管を介して系外に排出される。
反応域から水素が除去されるため、ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ＝４Ｈ2＋ＣＯ2の反応平衡が崩され、水蒸気改質反応が右側に加速される。その結果、５００〜５５０℃程度の比較的低温でも十分な反応効率で水素が生成される。
【００１８】
水素回収装置１０の雰囲気圧は、水素を効率よく水素回収装置１０の内部に導くため、ガス改質装置２０の雰囲気圧に比較して０．１〜１ＭＰａ程度低くすることが好ましい。この圧力差、すなわち水素回収装置１０の内部を減圧状態に維持することにより、水素透過膜１３を選択透過する水素ガスの流量が増加し、水蒸気改質反応が一層促進される。また、圧力差をつけても、補強骨１８で内側から金属多孔板１２が支持されているため水素回収装置１０の変形が防止される。
【００１９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の水素回収装置は、水素透過膜が積層された金属多孔板を筒型枠体に組み付けた補強骨で内側から支持しているため、ステンレス鋼板の板金加工で成形した軽量の筒型枠体であるにも拘わらず十分な強度をもち、固定治具を必要とすることなくガス改質装置の内部に配置できる。そのため、水素回収装置で占める割合が小さく、その分だけ多量の触媒をガス改質装置に充填でき、水蒸気改質反応の効率が高くなる。また、水蒸気改質反応で生成した水素を反応域から除去するためガス改質装置と水素回収装置の内部との間に圧力差をつけても、水素回収装置は、変形等を生じることなく所期の形状を維持する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従った筒型水素回収装置の全体斜視図（ａ），筒型枠体の斜視図（ｂ），筒型水素回収装置の水平断面図（ｃ）
【図２】  補強骨の端面で金属多孔板を支持する筒型水素回収装置の側断面図（ａ），円盤状上板，円盤状下板に対する補強骨の嵌め合いを示す説明図（ｂ）及び水平断面図（ｃ）
【図３】  ガス改質装置の概略図
【符号の説明】
１０：筒型水素回収装置    １１：筒型枠体    １２：金属多孔板    １３：水素透過膜    １４ｕ，１４ｄ：キャップ    １５：水素取出し管    １６：円盤状上板    １７：円盤状下板    １８：補強骨
Ｓ：水素通過用空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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