(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、
前記水素分離体若しくは当該水素分離体を個別に内蔵した有底容器の一端を、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とともに、
前記複数基の水素分離体の非支持側の端部に接続された、前記導入口若しくは回収口と連通する管状部材の一部に水素分離体の長手方向に対して直交するように、金属製のベローズの両端をフランジ構造としたフレキシブルホースを接続することにより、水素分離体と密閉容器との熱膨張差を許容する可撓部を設けた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】
上室に導入口、下室に回収口及び導出口を設けた密閉容器に、複数基の水素分離体の各上端のみを、上室と連通するように隔壁板に対し、吊り下げ状に支持・固定するとともに、前記複数基の水素分離体の各下端を、回収口と連通するように管状部材に接続した請求項１又は２に記載の水素分離装置。
【請求項４】
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、
上室に被処理ガスの導入口及び分離した水素ガスを取り出すための導出口、下室に分離残ガスを回収するための回収口を設けた密閉容器と、
からなる水素分離装置において、
前記水素分離体を個別に内蔵した有底容器の一端を、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、
前記密閉容器に、前記複数基の水素分離体を個別に内蔵した有底容器の各開口端を、上室と連通するように隔壁板に対し、吊り下げ状に支持・固定するとともに、前記複数基の水素分離体の下端のみを下室と連通するように前記有底容器底部に固定し、かつ、前記複数基の水素分離体の上端を、前記導入口と連通するように管状部材を接続し、前記管状部材の一部に水素分離体の長手方向に対して直交するように、金属製のベローズの両端をフランジ構造としたフレキシブルホースを接続することにより、水素分離体と密閉容器との熱膨張差を許容する可撓部を設けたことを特徴とする水素分離装置。
【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３に示すように、導入口６６から被処理ガスを密閉容器６４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６５の内壁側に透過し、上室７２を経由して導出口６８から回収されるとともに、処理残ガスは回収口６７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８５では、分離体８５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４に示すように、導入口８６から被処理ガスを密閉容器８４内に導入すると上室９２を経由して分離体８５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分離体８５の外周部へ放出される。
【０００９】
従って、分離体８５の非支持側の端部に更に隔壁を設けるか、或いは分離体８５の非支持側の端部をフランジにより容器８４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、前記水素分離体若しくは当該水素分離体を個別に内蔵した有底容器の一端を、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とともに、前記複数基の水素分離体の非支持側の端部に接続された、前記導入口若しくは回収口と連通する管状部材の一部に水素分離体の長手方向に対して直交するように、金属製のベローズの両端をフランジ構造としたフレキシブルホースを接続することにより、水素分離体と密閉容器との熱膨張差を許容する可撓部を設けた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。
【００１３】
また、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、上室に被処理ガスの導入口及び分離した水素ガスを取り出すための導出口、下室に分離残ガスを回収するための回収口を設けた密閉容器と、からなる水素分離装置において、前記水素分離体を個別に内蔵した有底容器の一端を、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、前記密閉容器に、前記複数基の水素分離体を個別に内蔵した有底容器の各開口端を、上室と連通するように隔壁板に対し、吊り下げ状に支持・固定するとともに、前記複数基の水素分離体の下端のみを下室と連通するように前記有底容器底部に固定し、かつ、前記複数基の水素分離体の上端を、前記導入口と連通するように管状部材を接続し、前記管状部材の一部に水素分離体の長手方向に対して直交するように、金属製のベローズの両端をフランジ構造としたフレキシブルホースを接続することにより、水素分離体と密閉容器との熱膨張差を許容する可撓部を設けたことを特徴とする水素分離装置である。
【００１４】
【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５に示すように、容器本体１０２と蓋体１０３とからなる密閉容器１０４内に、複数本の水素分離体１０５を収容して構成される。
【００１５】
容器本体１０２は上端開口部の外周縁部に外向フランジ１０９を有する有底筒体で、容器１０４外部に連通する導入口１０６、回収口１０７が形成されており、蓋体１０３は開口端の外周縁部に外向フランジ１１０を有するドーム型で、蓋体１０３の頂部中央には容器１０４外部に連通する導出口１０８が形成されている。
容器本体１０２と蓋体１０３は、外向フランジ１０９，１１０間に隔壁板１１１を気密的に挟持して容器１０４内部を上室１１２、下室１１３に区画した密閉容器１０４を構成する。
【００１６】
水素分離体１０５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１１１に上部開口端が上室１１２に開口した状態で気密的に固定され、下室１１３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。
【００１７】
かかる構成の水素分離装置１０１においては、導入口１０６から被処理ガスが密閉容器１０４の下室１１３内に供給され、被処理ガス中の水素ガスのみが分離体１０５外表面の分離膜を選択的に透過して分離体１０５内部に流入し、上部開口端から上室１１２を経由して導出口１０８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１０７より排出される。
【００１８】
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、水素分離体の非支持側の開口端を管状部材で密閉容器外部に連通するとともに、当該管状部材にも水素分離体の熱膨張を許容する可撓部を設けたものである。
かかる構造により、非支持側の端部を管状部材に拘束されるモノリスタイプの水素分離体であっても、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。
【００１９】
前記可撓部は、密閉容器外部と水素分離体の非支持側の開口端を連通する管状部材の一部に可撓性をもたせることにより、密閉容器の水素分離体の長手方向への熱膨張に対し、管状部材が屈曲して水素分離体と密閉容器との熱膨張差を吸収するように構成すればよい。
例えば、管状部材の水素分離体の長手方向と直交する部分に可撓性のあるフレキシブルホースを接続して可撓部を設けることが好ましい。
【００２０】
フレキシブルホースとしては、金属製のベローズの両端をフランジ構造とした市販のものを用いることができ、ブレード付きのものを用いることが更に好ましい。
このブレードは金属網からなる管状体であり、ベローズ表面を被覆するとともに、フランジ若しくはベローズに両開口端が固着されているものである。
ベローズのみのフレキシブルホースでは耐圧強度にやや問題があり、5〜10気圧の高圧ガスが流入した際にその内圧で破損するおそれもあるが、ブレードにより被覆されたフレキシブルホースであれば、ホース長手方向への伸張は若干抑制されるものの、耐圧強度を確保することができる。
【００２１】
【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。
（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により床面に据えられる。
蓋体３には容器４外部に連通する導入口６、容器本体２には容器４外部に連通する回収口７及び導出口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。
【００２２】
各分離体５には両端面の貫通孔を収束するようにソケット１４，１５が冠着されている。
支持側のソケット１４は隔壁板１１を貫通し、ボルト２０と嵌合的に固定されるが、ソケット外周部と隔壁板との接触面を目止めして、上室・下室間の気密性を保持するようにする。
非支持側のソケット１５は分離体５と同軸方向に8Aのブレード付きフレキシブルホース１６が直結される。
フレキシブルホース１６は密閉容器４と分離体５との長手方向への熱膨張を緩衝する効果は乏しいが、横方向の発生応力を緩和する効果がある。
【００２３】
６本のフレキシブルホース１６は、リング状金属管１７にフランジで接合することにより収束され、Ｌ字管１８を経由して20Aのブレード付きフレキシブルホース１９に接続される。
このフレキシブルホース１９は、分離体５の長手方向に対し直交するように配設されているため、上下方向に屈曲することが可能である。即ち、本実施例における可撓部であり、高温時には容器４と分離体５との熱膨張差を吸収するように屈曲する。
【００２４】
本実施例においては、導入口６から被処理ガスが密閉容器４の上室１２内に供給され、各分離体５の上部開口端から分離体５の貫通孔内に流入する。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。
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貫通孔を通過して分離体５下端に接続された配管１６〜１９を通過して回収口７より容器４外部に排出される。
なお、図に示すように、分離体５を金属製の有底容器２１内に収容して保護することが好ましいが、本実施例においては有底容器２１は必須ではない。
【００２５】
（実施例２）  図２に示す水素分離装置３１も、実施例１と類似の構成であるが、分離体３５を直接隔壁板４１に固定するのではなく、隔壁板４１に有底容器５１を吊り下げ固定し、有底容器５１の底部に分離体３５を固定した点に特徴がある。即ち、本実施例においては分離体３５の下端が支持側、上端が非支持側となっている。
【００２６】
本実施例においては、導入口３６から配管４９〜４６を通じて被処理ガスが各分離体３５の上部開口端から分離体３５の貫通孔内に流入する。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分離体３５外部に流出し、有底容器５１から上室４２に導かれ、導出口３８から容器３４外へ放出される。
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貫通孔を通過して分離体５下端に有底容器５１を貫通するように接続されたソケット４５を通過して下室４３に流入し、回収口３７より容器３４外部に排出される。
【００２７】
本実施例は、フレキシブルホース４９が可撓部となる点については実施例１と同様であるが、有底容器５１が分離体の保護の他、分離体の支持、上室と下室との隔壁の役割も担っているため、必須構成要件となる点において相違する。
なお、ソケット４４は上下方向への自由度を確保するように支持板５０に緩挿された状態で支持されるとともに、支持板５０には分離体３５から流出した水素ガスを上室に導くための孔部が穿設される。
【００２８】
【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】  本発明に係る水素分離装置の他の実施例を示す正面断面図である。
【図３】  チューブタイプの水素分離体を示す概略図である。
【図４】  モノリスタイプの水素分離体を示す概略図である。
【図５】  一般的な水素分離装置の例を示す正面断面図である。
【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、１４，１５…ソケット、１６…フレキシブルホース、１７…リング状金属管、１８…Ｌ字管、１９…フレキシブルホース、２０…ボルト、２１…有底容器、２２…脚、２３…ドレンバルブ、３１…水素分離装置、３２…容器本体、３３…蓋体、３４…密閉容器、３５…水素分離体、３６…導入口、３７…回収口、３８…導出口、３９，４０…外向フランジ、４１…隔壁板、４２…上室、４３…下室、４４，４５…ソケット、４６…フレキシブルホース、４７…リング状金属管、４８…Ｌ字管、４９…フレキシブルホース、５０…支持板、５１…有底容器、５２…脚、５３…ドレンバルブ、６４…密閉容器、６５…水素分離体、６６…導入口、６７…回収口、６８…導出口、７１…隔壁板、７２…上室、８４…密閉容器、８５…水素分離体、８６…導入口、９１…隔壁板、９２…上室、１０１…水素分離装置、１０２…容器本体、１０３…蓋体、１０４…密閉容器、１０５５…水素分離体、１０６…導入口、１０７…回収口、１０８…導出口、１０９，１１０…外向フランジ、１１１…隔壁板、１１２…上室、１１３…下室。
【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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