(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質基体の長手方向に多数の貫通孔を並列して形成し、当該貫通孔の内表面に水素分離膜を被着してなる複数基の水素分離体と、
被処理ガスの導入口、分離残ガスを回収するための回収口、及び分離した水素ガスを取り出すための導出口を有する密閉容器と、
からなる水素分離装置において、
前記水素分離体の一端を、前記密閉容器を上下２室に分離するように設けられた隔壁板に固定し、吊り下げ状に支持し、
各水素分離体の多数の貫通孔を被処理ガス導入路と分離残ガス回収路の２つの貫通孔群に区分するとともに、前記各水素分離体の非支持側端部を冠着部材により空隙部を有して封着することにより、水素分離体の支持側端部の貫通孔から導入した被処理ガスを水素分離体内を往復させるように挿通して、前記支持側端部の貫通孔から回収することにより水素分離体と密閉容器との熱膨張差を許容することを特徴とする水素分離装置。
【請求項２】
水素分離膜が、パラジウム又はパラジウムを含有する合金よりなる請求項１に記載の水素分離装置。
【請求項３】
密閉容器の上室において、導入口と被処理ガス導入路及び、回収口と分離残ガス回収路を管状部材で連通し、かつ、分離した水素ガスを下室に設けられた導出口より回収する請求項１又は２に記載の水素分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素混合ガスより水素ガスのみを選択的に透過する水素分離膜を用いた水素分離装置の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素ガスは石油化学の基本素材ガスとして大量に使用され、またクリーンなエネルギー源として大きな期待が寄せられている。純度の高い水素ガスは、天然ガス、ナフサ等を原料として触媒により水素を含有するガスに変換し、その水素含有ガスから更に水素ガスを分離して得られる。
【０００３】
具体的には、パラジウム又はパラジウム合金が水素ガスのみを選択的に透過する性質を利用して分離することができる。
通常は、セラミックス等のチューブ状多孔質基体の表面にパラジウム又はパラジウム合金の薄膜を被着した水素分離体が用いられる（特開昭62-273030号公報）。
【０００４】
更に、このような水素分離体の処理能力の向上を図るべく、単位体積当たりの水素分離体の膜面積を向上することが行われており、複数の貫通孔を形成した一体構造（以下、モノリスという。）の多孔質基体を用い、貫通孔の内表面にパラジウム薄膜を被着した、いわゆるモノリスタイプの水素分離体が開示されている（特開平8-40703号公報）。
【０００５】
ところで、パラジウムの水素分離能は、5〜10気圧、300〜500℃の高温高圧においてのみ発揮されるため、セラミックスからなる水素分離体の両端を当該水素分離体を収容する金属からなる密閉容器に固定すると、両者の熱膨張率の相違により水素分離体等が破損するおそれがある。
このため、水素分離体の一端のみを密閉容器と固定して、吊り下げ状に支持し、非支持側の端部を非固定の状態とすることにより水素分離体と密閉容器との熱膨張差を許容した水素分離装置が開示されている（特開平6-191802号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の吊り下げ状の支持をモノリスタイプの水素分離体を用いた水素分離装置に適用しようとすると、以下に示すような問題点が生ずる。
【０００７】
従前のチューブタイプの水素分離体では、チューブ状多孔質基体の外表面にパラジウム膜が成膜され、図２に示すように、導入口３６から被処理ガスを密閉容器３４内に導入すると、被処理ガス中に含まれる水素ガスはチューブ状の水素分離体３５の内壁側に透過し、上室４２を経由して導出口３８から回収されるとともに、処理残ガスは回収口３７から排出される。
【０００８】
これに対しモノリスタイプの水素分離体５５では、水素分離体５５の単位体積当たりの膜面積を向上するべく、多孔質基体の貫通孔の内表面にパラジウム膜を成膜することが必須となり、図３に示すように、導入口５６から被処理ガスを密閉容器５４内に導入すると上室６２を経由して水素分離体５５の支持側の端部から貫通孔内に流入し、水素ガスはパラジウム膜を透過して水素分離体５５の外周部へ放出される。
【０００９】
従って、水素分離体５５の非支持側の端部に更に隔壁を設けるか、或いは水素分離体５５の非支持側の端部をフランジにより容器５４外に連通する配管と接続する等の構造としなければ、分離した水素ガスと処理残ガスが混合してしまう。
しかしながら、このような構造では水素分離体の両端が密閉容器と固定されることになり水素分離体と密閉容器との熱膨張差に伴う不具合を回避することができない。
即ち、本発明ではモノリスタイプの水素分離体を用いた水素分離装置において、水素分離体の破損等、水素分離体と密閉容器との熱膨張差に伴う不具合を回避することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質基体の長手方向に多数の貫通孔を並列して形成し、当該貫通孔の内表面に水素分離膜を被着してなる複数基の水素分離体と、被処理ガスの導入口、分離残ガスを回収するための回収口、及び分離した水素ガスを取り出すための導出口を有する密閉容器と、からなる水素分離装置において、前記水素分離体の一端を、前記密閉容器を上下２室に分離するように設けられた隔壁板に固定し、吊り下げ状に支持し、各水素分離体の多数の貫通孔を被処理ガス導入路と分離残ガス回収路の２つの貫通孔群に区分するとともに、前記各水素分離体の非支持側端部を冠着部材により空隙部を有して封着することにより、水素分離体の支持側端部の貫通孔から導入した被処理ガスを水素分離体内を往復させるように挿通して、前記支持側端部の貫通孔から回収することにより水素分離体と密閉容器との熱膨張差を許容することを特徴とする水素分離装置である。
【００１１】
上記の水素分離装置においては、水素分離膜が、パラジウム又はパラジウムを含有する合金よりなることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の水素分離装置においては、密閉容器の上室において、導入口と被処理ガス導入路及び、回収口と分離残ガス回収路を管状部材で連通し、分離した水素ガスを下室に設けられた導出口より回収することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明は、水素分離装置の構造に係るものであるので、まず、一般的な水素分離装置の構成を図示の例により概説する。
水素分離装置は、例えば図４に示すように、容器本体７２と蓋体７３とからなる密閉容器７４内に、複数本の水素分離体７５を収容して構成される。
【００１４】
容器本体７２は上端開口部の外周縁部に外向フランジ７９を有する有底筒体で、容器７４外部に連通する導入口７６、回収口７７が形成されており、蓋体７３は開口端の外周縁部に外向フランジ８０を有するドーム型で、蓋体７３の頂部中央には容器７４外部に連通する導出口７８が形成されている。
容器本体７２と蓋体７３は、外向フランジ７９，８０間に隔壁板８１を気密的に挟持して容器７４内部を上室８２、下室８３に区画した密閉容器７４を構成する。
【００１５】
水素分離体７５はチューブ状の多孔質基体の外表面にパラシウム又はパラジウム合金の薄膜を被着したものであり、前記隔壁板８１に上部開口端が上室８２に開口した状態で気密的に固定され、下室８３内に吊り下げ状に支持される。
なお、下部開口端は冠着部材により気密的に封止される。
【００１６】
かかる構成の水素分離装置７１においては、導入口７６から被処理ガスが密閉容器７４の下室８３内に供給され、被処理ガス中の水素ガスのみが水素分離体７５外表面の分離膜を選択的に透過して水素分離体７５内部に流入し、上部開口端から上室８２を経由して導出口７８より回収される。
一方、被処理ガス中の水素以外のガス成分は、分離膜を透過することなく回収口７７より排出される。
【００１７】
本発明の水素分離装置は、上述のような水素分離装置においてモノリスタイプの水素分離体を用いたものであって、水素分離体の支持側端部の貫通孔から導入した被処理ガスを水素分離体内を往復させるように挿通して、前記支持側端部の貫通孔から回収するものである。
このようにすることで、モノリスタイプの水素分離体であっても、非支持側端部の貫通孔から被処理ガスを回収する必要がなくなるため、非支持側端部を管状部材や隔壁で拘束されることがなく、水素分離体と密閉容器との熱膨張差に伴う不具合を回避することができる。
【００１８】
被処理ガスを水素分離体内を往復させるように挿通し得る構造の例としては、水素分離体の多数の貫通孔を被処理ガス導入路（以下、導入路という。）と分離残ガス回収路（以下、回収路という。）の２群に区分するとともに、前記各水素分離体の非支持側端部を冠着部材により空隙部を有して封着する構造が挙げられる。
【００１９】
以下、上記構造を具体的に説明する。
まず、多数の貫通孔を有するモノリスにおいて、約半数の貫通孔群を導入路、残りの貫通孔群を回収路に割り当てて区分する。
次に、導入路に割り当てた貫通孔群の、水素分離体の支持側端面の開口部から被処理ガスを導入すると、被処理ガスは導入路を通って水素分離体の非支持側端部に達する。
【００２０】
ここで、非支持側端部は空隙部を有した状態で冠着部材により封着されているため、被処理ガスは当該空隙部を通過して、より低圧である回収路に流入し、再び水素分離体内を通って、回収路に割り当てた貫通孔群の支持側端面の開口部から回収される。
【００２１】
このように被処理ガスは、水素分離体内を往復するように挿通され、この過程において、被処理ガスに含まれる水素ガスのみが貫通孔内周面に被着された水素分離膜を透過してモノリス外部へ分離されることになる。
なお、上記のように被処理ガスを挿通した場合においても、被処理ガスと水素分離膜の接触面積は等しいため、水素分離体の処理能力が損なわれることはない。
また、水素分離は高温高圧条件下で行われるため、常に被処理ガス導入側が高圧となっており、処理残ガスが導入路側に逆流することもない。
【００２２】
上記構造において、冠着部材とは、水素分離体の非支持側の端部を気密的に封止する部材であって、例えば、水素分離体に嵌合しうる凹部を有する円盤状の部材などを用いることができる。
冠着部材を構成する材質は、水素分離時の高温・高圧に耐え、気密性を確保できる限りにおいて特に限定されず、無機接着材等を用いることができるが、信頼性が高い点において、ろう材を用いることが好ましい。
【００２３】
前記冠着部材は、水素分離体端部に嵌合し、或いは螺着する等の方法で接合することができるが、いずれの場合も気密性を確保するため、ろう材等により目封じをすることが必要である。
また、水素分離体の端面と冠着部材とは密着させず、被処理ガスが通過し得る程度の間隙部を有して接合しなければならない。
間隙部をどの程度設けるかは、水素分離体の仕様及び水素分離の条件等により適宜決定されるべきであるが、例えば、モノリスタイプの水素分離体であれば、水素分離体端面と数 mm程度の空隙を設ければよい。
【００２４】
一方、水素分離体の支持側端面は多数の貫通孔を導入路側と回収路側の２群に確実に区分する必要があるため、貫通孔群の間を封止部材により気密的に隔絶することが好ましい。
この際に、図５(a)、(b)に示すように、１の貫通孔９３ａの開口部上面に封止部材９２が位置すると、導入路側９４と回収路側９５が隔絶できず、被処理ガスと分離残ガスが混合してしまうため、貫通孔９３の開口部を回避するように封止部材９２を配設する必要がある。
【００２５】
上述の条件を満たす限りにおいて、封止部材の形状、配置方法については特に限定されず、図６(a)に示す平板体、図６(b)に示す波型の板状体の他、図６(c)に示すように、水素分離体９１端面の中心側９６と外周側９７に分割してもよい。
また、図６(a)、(b)に示す如く、モノリス９１の貫通孔の配列パターンをブロック化して封止部材９２の配設スペース９８を確保しておくことにより、封止部材９２を配設し易くすることも可能である。
【００２６】
なお、導入路側と回収路側の貫通孔の数は均等であることが好ましいが、必ずしも厳密に２分割されている必要はない。
封止部材を構成する材質としては、セラミック、金属、耐熱樹脂等を用いることができ、高い気密性を確保できる点において、金属を用いることが好ましい。
【００２７】
【実施例】
次に、本発明を図示の実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
なお、本発明においては、特に言及しない場合においても、各部材間の接合面はいずれもろう材等により気密的に接合されているものとする。
【００２８】
（実施例１）  図１に示す水素分離装置１は、容器本体２と蓋体３とからなる密閉容器４内に、６本のモノリスタイプの水素分離体５を収容して構成され、３本の脚２２により床面に据えつけられる。
蓋体３には容器４外部に連通する導入口６及び回収口７、容器本体２には容器４外部に連通する導出口８が形成されており、容器本体２と蓋体３は、外向フランジ９，１０間に隔壁板１１を気密的に挟持して容器４内部を上室１２、下室１３に区画している。
【００２９】
水素分離体５の一端は、隔壁板１１に対し嵌合的に固定されているソケット１４に接合されており、ソケット１４内に垂直に挿入された平板体の封止部材２０により、約半数の貫通孔（導入路）は導入口６に、残りの貫通孔（回収路）は回収口７に連通するように構成されている。
なお、水素分離体５の非支持側の端部は冠着部材１５により封着される。
【００３０】
本実施例においては、被処理ガスが導入口６から集合管１９、管状部材１８を経て、封止部材２０により区分されたソケット１４内に供給され、各水素分離体５の上部開口端から約半数の貫通孔内に流入する。
被処理ガス中の水素以外のガス成分は、分離膜を透過することなく、水素分離体５の非支持側の端部に達し、冠着部材１５の空隙部を通過して、より低圧である回収路に流入する。そして、再び水素分離体５内を通って、支持端側の貫通孔から管状部材１６、集合管１７を経て回収口７より回収される。
一方、被処理ガス中の水素ガスは貫通孔内表面の分離膜を選択的に透過して水素分離体５外部に流出し、下室１３に設けられている導出口８から容器４外へ導かれる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の水素分離装置によれば、モノリスタイプの水素分離体を用いた場合においても、水素分離体と密閉容器との熱膨張の差に起因する水素分離装置の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る水素分離装置の一の実施例を示す正面断面図である。
【図２】  チューブタイプの水素分離体を示す概略図である。
【図３】  モノリスタイプの水素分離体を示す概略図である。
【図４】  一般的な水素分離装置の例を示す正面断面図である。
【図５】  封止部材の配設方法の一の実施例を示す上面図(a)、概略斜視図(b)である。
【図６】  封止部材の配設方法の他の実施例を示す上面図(a)、(b)、(c)である。
【図７】  モノリスの貫通孔の配列をブロック化した実施例を示す上面図(a)、(b)である。
【符号の説明】
１…水素分離装置、２…容器本体、３…蓋体、４…密閉容器、５…水素分離体、６…導入口、７…回収口、８…導出口、９，１０…外向フランジ、１１…隔壁板、１２…上室、１３…下室、１４…ソケット、１５…冠着部材、１６…管状部材、１７…集合管、１８…管状部材、１９…集合管、２０…封止部材、２２…脚、２３…ドレンバルブ、３４…密閉容器、３５…水素分離体、３６…導入口、３７…回収口、３８…導出口、４１…隔壁板、４２…上室、５４…密閉容器、５５…水素分離体、５６…導入口、６１…隔壁板、６２…上室、７１…水素分離装置、７２…容器本体、７３…蓋体、７４…密閉容器、７５…水素分離体、７６…導入口、７７…回収口、７８…導出口、７９，８０…外向フランジ、８１…隔壁板、８２…上室、８３…下室、９１…水素分離体（モノリス）、９２…封止部材、９３…貫通孔、９３ａ…１の貫通孔、９４…導入路側、９５…回収路側、９６…中心側、９７…外周側、９８…封止部材配設スペース。
【図１】
0003970992.tif 000002
【図２】
0003970992.tif 000003
【図３】
0003970992.tif 000004
【図４】
0003970992.tif 000005
【図５】
0003970992.tif 000006
【図６】
0003970992.tif 000007
【図７】
0003970992.tif 000008