JP2005112682A - 水素精製装置および分離膜モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 水素分離膜全体に対して、水素の透過に寄与する部分の占める割合を高め、水素分離膜を有効に利用することができる水素精製装置および分離膜モジュールを提供する。
【解決手段】 水素精製装置は、水素を選択的に透過する水素分離膜１２０と、供給流路１１２を形成する供給流路プレート１１０と、回収流路１４２を形成する回収流路プレート１４０とを備え、補強板１３０を水素分離膜１２０に接して設け、水素分離膜１２０に空間層１２５を形成する複数の丘陵部１２２を形成し、補強板１３０に複数の開口部１３２を形成するとともに、少なくとも１つの丘陵部１２２が形成する空間層１２５における補強板１３０に接する面の一部は、少なくとも１つの開口部１３２上に位置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低純度水素ガスから高純度水素ガスへの水素の精製を行う水素精製装置、および、水素を選択的に透過する水素分離膜を備えた分離膜モジュールに関するものである。

水素精製装置としては、水素を選択的に透過する水素分離膜を用いた装置がある。この水素精製装置は、水素分離膜の一方の面に低純度水素ガスを供給し、そのガス中の水素原子を水素分離膜に拡散・透過させることによって、他方の面へと透過した高純度水素ガスを回収する。この水素分離膜には、パラジウム（Ｐｄ）やパラジウム合金（例えば、Ｐｄ−Ａｇ）などの金属膜や高分子膜などが用いられる。

水素分離膜における水素の透過速度は、膜厚の薄肉化や、低純度水素ガス側と高純度水素ガス側との差圧を増大させることによって高めることができる。水素精製装置においては、薄膜化および差圧増大によって水素透過効率の向上を図る一方、薄膜化および差圧増大の影響による水素分離膜の損傷を防止するため水素分離膜の補強が必要とされる。

ここで、水素分離膜を補強する補強部材を備えた従来の水素精製装置の一例について説明する。図９は、従来の水素精製装置における分離層９０の部分断面図である。従来の水素精製装置は、図９に示した分離層９０を単層または複数積層しモジュール化した分離膜モジュールを備え、低純度水素ガスから高純度水素ガスへの水素の精製を行う装置である。分離層９０は、水素を選択的に透過する水素分離膜９３０、水素分離膜９３０の一方の面に低純度水素ガスを供給する供給流路９１２を形成する供給流路プレート９１０、水素分離膜９３０の他方の面へと透過した高純度水素ガスを回収する回収流路９５２を形成する回収流路プレート９５０を主な構成要素として備える。水素分離膜９３０には、水素分離膜９３０を補強する補強板９２０が、水素分離膜９３０の一方の面に接して設けられるとともに、水素分離膜９３０を補強する補強板９４０が、水素分離膜９３０の他方の面に接して設けられている。補強板９２０には複数の開口部９２２が形成され、補強板９４０には複数の開口部９４２が形成されている。水素分離膜９３０は、水素を選択的に透過する性質を有する水素分離金属（例えば、パラジウム合金）によって形成されている。水素分離膜９３０以外の補強板９２０，９４０などは、充分な耐久性・耐熱性を有するガス不透過な金属（例えば、ステンレスやセラミックス）によって形成されている。

水素分離膜９３０における水素の透過に寄与する水素透過部は、開口部９２２と開口部９４２との双方に接する部分となる。従来の水素精製装置は、供給流路９１２に低純度水素ガスを供給し、水素分離膜９３０の水素透過部に水素を透過させ、回収流路９５２から高純度水素ガスを回収する。なお、高純度水素ガス側の補強板９４０のみで水素分離膜９３０を補強する場合には、開口部９４２に接する部分が水素分離膜９３０における水素透過部となる。下記特許文献には、補強板の開口部に接する部分が水素透過部における水素透過部となる分離膜モジュールが記載されている。

特開平１１−９９３２４号公報

従来の水素精製装置および分離膜モジュールは、補強板によって水素分離膜の損傷を防止することができるが、水素分離膜における水素透過部は、補強板の開口部に接する部分に限られてしまっていた。そのため、水素分離膜全体に対する水素透過部の占める割合は低減し、水素分離膜を有効に利用することができないという問題があった。

本発明は、上記の問題を解決することを目的としてなされ、水素分離膜全体に対する水素透過部の占める割合を高め、水素分離膜を有効に利用することができる水素精製装置および分離膜モジュールを提供することを目的とする。

上記した課題を解決するため、本発明の水素精製装置は、低純度水素ガスから高純度水素ガスへの水素の精製を行う水素精製装置であって、水素を選択的に透過する水素分離膜と、前記水素分離膜の一方の面に低純度水素ガスを供給する供給流路を形成する供給流路部材と、前記一方の面の反対側である他方の面へと透過した高純度水素ガスを回収する回収流路を形成する回収流路部材とを備え、前記水素分離膜を補強する補強部材を、前記他方の面側に接して設け、前記水素分離膜に前記補強部材との間に空間層を形成する複数の丘陵部を形成し、前記補強部材に複数の開口部を形成するとともに、少なくとも１つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面の一部が、少なくとも１つの前記開口部上に位置する関係で形成されたことを特徴とする。

また、本発明の水素精製装置は、低純度水素ガスから高純度水素ガスへの水素の精製を行う水素精製装置であって、水素を選択的に透過する水素分離膜と、前記水素分離膜の一方の面に低純度水素ガスを供給する供給流路を形成する供給流路部材と、前記一方の面の反対側である他方の面へと透過した高純度水素ガスを回収する回収流路を形成する回収流路部材とを備え、前記水素分離膜を補強する補強部材を、前記他方の面側に接して設け、前記水素分離膜に前記補強部材との間に空間層を形成する複数の丘陵部を形成し、前記補強部材に複数の開口部を形成するとともに、少なくとも１つの開口部は、該開口部の一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上に位置する関係で形成されたことを特徴とする。

かかる水素精製装置によれば、補強部材の開口部を水素分離膜の面に垂直な方向から投影した開口投影部に加え、開口部に連通した空間層を形成する丘陵部における開口投影部以外の部分においても水素の透過を行うことができる。よって、水素分離膜全体に対する水素透過部の占める割合を高め、水素分離膜を有効に利用することができる。その結果、従来の水素精製装置に比べて、同一表面積の水素分離膜を用いた場合にはより多くの水素を精製することができ、同一の水素精製能力を得る場合には水素分離膜の材料費の削減、または、装置の小型化を図ることができる。

本発明の丘陵部と開口部とは、嵌め合いの関係にはないため、それぞれの形状および位置合わせは接合する上で制限となることはない。よって、丘陵部と開口部とが嵌め合いの関係である場合と比べて、それぞれの形状および位置合わせにおける設計・製造の自由度を向上させることができる。なお、複数の丘陵部および開口部を規則的に形成し位置合わせを行うことによって、丘陵部が形成する空間層を開口部に連通させても良い。この場合には、複数の丘陵部および開口部を無作為に形成し位置合わせを行った場合に比べて、効率良く水素分離膜全体に対する水素透過部の占める割合を高めることができる。

上記の構成を有する本発明の水素精製装置は、以下の態様を採ることもできる。少なくとも２つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記開口部上にそれぞれ位置する関係で形成されたとしても良い。かかる水素精製装置によれば、水素透過部を拡張するための丘陵部と開口部との組み合わせが１対１の場合に比べ、同一の開口投影部に対する水素透過部を拡張することができる。よって、１対１の場合に比べて、水素分離膜全体に対する水素透過部の占める割合を高め、水素分離膜を有効に利用することができる。その結果、１対１の場合に比べより多くの水素を精製することができる。

また、少なくとも２つの開口部は、該開口部のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上にそれぞれ位置する関係で形成されたとしても良い。かかる水素精製装置によれば、水素透過部を拡張するための丘陵部と開口部との組み合わせが１対１の場合と異なり、空間層から開口部への水素の流路を分散させることができる。よって、１対１の場合に比べて、空間層から開口部への水素の流れの抵抗を低減し、水素透過部の表面積あたりの水素透過効率を向上させることができる。その結果、１対１の場合に比べより多くの水素を精製することができる。

また、全ての前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面の一部が、少なくとも１つの前記開口部上に位置する関係で形成されたとしても良い。かかる水素精製装置によれば、全ての丘陵部を水素透過部の拡張に用いるため、より一層、水素分離膜を有効に利用することができる。

また、全ての前記開口部は、該開口部の一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上に位置する関係で形成されたとしても良い。かかる水素精製装置によれば、全ての開口部において水素透過部の拡張がなされるため、全開口部が補強部材に占める開口面積あたりの水素透過効率を、より一層、向上させることができる。

上記した課題を解決するため、本発明の分離膜モジュールは、水素を選択的に透過する水素分離膜を備えた分離膜モジュールであって、前記水素分離膜を補強する補強部材を、前記水素分離膜の一方の面側に接して設け、前記水素分離膜に前記補強部材との間に空間層を形成する複数の丘陵部を形成し、前記補強部材に複数の開口部を形成するとともに、少なくとも１つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面の一部が、少なくとも１つの前記開口部上に位置する関係で形成されたことを特徴とする。

また、本発明の分離膜モジュールは、水素を選択的に透過する水素分離膜を備えた分離膜モジュールであって、前記水素分離膜を補強する補強部材を、前記水素分離膜の一方の面側に積層して設け、前記水素分離膜に前記補強部材との間に空間層を形成する複数の丘陵部を形成し、前記補強部材に複数の開口部を形成するとともに、少なくとも１つの開口部は、該開口部の一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上に位置する関係で形成されたことを特徴とする。

かかる分離膜モジュールによれば、補強部材の開口部に基づいた開口投影部に加え、開口部に連通した空間層を形成する丘陵部における開口投影部以外の部分においても水素の透過を行うことができる。その結果、水素分離膜全体に対する水素透過部の占める割合を高め、水素分離膜を有効に利用することができる。

また、丘陵部が形成する空間層が開口部に連通すれば良く、水素透過部を拡張するための丘陵部および開口部の形状を、厳密に形成することは不要である。また、少なくとも一組の丘陵部と開口部との組み合わせが、水素透過部を拡張すれば良く、水素分離膜と補強部材との厳密な位置合わせは不要である。この場合に、開口部と絡まない丘陵部が存在しても構わず、丘陵部と絡まない開口部が存在しても構わない。これらの結果、水素透過膜および補強部材における設計の自由度を高めることができる。

上記の構成を有する本発明の分離膜モジュールは、以下の態様を採ることもできる。少なくとも２つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記開口部上にそれぞれ位置する関係で形成されたとしても良い。かかる分離膜モジュールによれば、水素透過部を拡張するための丘陵部と開口部との組み合わせが１対１の場合に比べ、同一の開口投影部に対する水素透過部を拡張することができる。よって、１対１の場合に比べて、水素分離膜全体に対する水素透過部の占める割合を高め、水素分離膜を有効に利用することができる。

また、少なくとも２つの開口部は、該開口部のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上にそれぞれ位置する関係で形成されたとしても良い。かかる分離膜モジュールによれば、水素透過部を拡張するための丘陵部と開口部との組み合わせが１対１の場合と異なり、空間層から開口部への水素の流路を分散させることができる。よって、１対１の場合に比べて、空間層から開口部への水素の流れの抵抗を低減し、水素透過部の表面積あたりの水素透過効率を向上させることができる。

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用した水素精製装置について、次の順序で説明する。

目次
Ａ．第１の実施例
Ａ−（１）．第１の実施例の水素精製装置の構成
Ａ−（２）．第１の実施例の水素精製装置の動作
Ｂ．第２の実施例
Ｃ．第３の実施例
Ｄ．第４の実施例
Ｅ．その他の実施形態

Ａ．第１の実施例：
Ａ−（１）．第１の実施例の水素精製装置の構成：
はじめに、本発明の第１の実施例の水素精製装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施例の水素精製装置における分離層１０の部分断面図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿って水素分離膜１２０を見た矢視図である。なお、図１の断面図は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿って分離層１０を切断した形状を示す矢視断面図である。図３は、分離層１０の全体構成を示す斜視図である。第１の実施例の水素精製装置は、図３に示すように、複数の分離層１０を積層しモジュール化した分離膜モジュールを備え、低純度水素ガスから高純度水素ガスへの水素の精製を行う装置である。なお、水素精製装置は、分離層１０を複数積層した分離膜モジュールではなく、単層の分離膜モジュールを備えた構造であっても良い。複数積層した場合には、装置全体を小型化しつつ水素透過処理能力を充分に確保することができる。

第１の実施例の水素精製装置における分離層１０は、図１〜図３に示すように、水素を選択的に透過する水素分離膜１２０、水素分離膜１２０の一方の面に低純度水素ガスを供給する複数の供給流路１１２を形成する供給流路プレート１１０、水素分離膜１２０の他方の面へと透過した高純度水素ガスを回収する複数の回収流路１４２を形成する回収流路プレート１４０を主な構成要素として備える。水素分離膜１２０には、水素分離膜１２０を補強する補強板１３０が、回収流路プレート１４０側である他方の面に接して設けられている。

水素分離膜１２０には、補強板１３０の反対側へ凸である半球殻状の丘陵部１２２が規則的に複数形成されている。これらの丘陵部１２２は、水素分離膜１２０と補強板１３０との間に半球状の空間層１２５を形成する。補強板１３０には、円形の開口部１３２が規則的に複数形成されている。

丘陵部１２２の形成方法としては、丘陵部１２２の半球殻状の内側に接する凸状、または、外側に接する凹状を有する型に、水素分離膜の材料となる金属を蒸着させる蒸着形成法を用いることができる。その他、丘陵部１２２の半球状の内側に接する凸状、または、外側に接する凹状を有する型に、平板状の水素分離膜を押し当てることによって丘陵部１２２を形成する押圧形成法などを用いることもできる。開口部１３２の形成方法としては、レーザ法、エッチング法、ドリル法などを用いることができる。

図２に示すように、補強板１３０の開口部１３２は、任意の１つの開口部１３２を他の６つの開口部１３２が取り囲むとともに、隣り合う全ての開口部１３２の中心間の距離ｐ１が等しい位置関係で規則的に形成されている。水素分離膜１２０の丘陵部１２２は、水素分離膜１２０の面に垂直方向から見た丘陵部１２２の中心が、任意の隣り合う３つの開口部１３２の中心を頂点とする正三角形の図心となる位置関係で規則的に形成されている。水素分離膜１２０の面に垂直方向から見た丘陵部１２２の直径ｄ２と、開口部１３２の直径ｄ１との関係は、次式（１）で表される。

ここで、ｐ２は、任意の隣り合う丘陵部１２２の中心間の距離であるとともに、任意の重なり合う丘陵部１２２と開口部１３２との中心間の距離である。ｔは水素分離膜１２０の膜厚である。

丘陵部１２２と開口部１３２とが上述の関係で形成され組み合わされることによって、任意の１つの開口部１３２を見た場合には、６つの丘陵部１２２が形成する空間層１２５における補強板１３０に接する面のそれぞれの一部が、その任意の１つの開口部１３２上にそれぞれ位置する関係となる。また、任意の１つの丘陵部１２２を見た場合には、３つの開口部１３２のそれぞれの一部が、その任意の１つの丘陵部１２２が形成する空間層１２５における補強板１３０に接する面上にそれぞれ位置する関係となる。

ここで、丘陵部１２２の直径ｄ２および開口部１３２の直径ｄ１は、例えば、２０マイクロメートル程度の水素分離膜１２０の膜厚に対しては、数ミリ程度の大きさとすることが好ましい。これらの大きさは、水素分離膜１２０の材質や膜厚、丘陵部１２２の形状、水素分離膜１２０にかかる圧力などの種々の要因を考慮して、水素分離膜１２０が充分な強度を保つことのできる大きさであれば良い。

なお、丘陵部１２２と開口部１３２との接合上の関係は、厳密に上述の関係で形成する必要はなく、少なくとも１つの丘陵部１２２が形成する空間層１２５における補強板１３０に接する面の一部が、少なくとも１つの開口部１３２上に位置する関係で形成され組み合わされば良い。したがって、丘陵部１２２および開口部１３２を厳密な形状に形成することは不要である。また、開口部１３２と絡まない丘陵部１２２が存在しても構わず、丘陵部１２２と絡まない開口部１３２が存在しても構わない。特に、丘陵部１２２および開口部１３２が形成されている領域と形成されていない領域との境界周辺では、上述の関係を厳密に満たすことは不可能であり、丘陵部１２２と開口部１３２とが絡まない部分が存在する。よって、丘陵部１２２と開口部１３２との形状および位置合わせにおける設計・製造の自由度を向上させることができる。

水素分離膜１２０の材質は、水素を選択的に透過する性質を有する水素分離合金である。この水素分離合金としては、パラジウムまたはパラジウム合金（例えば、パラジウムー銀合金）などのパラジウムを含有する金属の他、水素を選択的に透過する性質を有する他の材料からも選択することができる。水素分離膜１２０以外の供給流路プレート１１０，回収流路プレート１４０および補強板１３０の材質は、水素の精製を行う上で充分な強度および耐熱性を有するとともに、ガス不透過な性質を有する材質である。この材質として、本実施例ではステンレスを採用するが、ステンレスなどの金属材料の他、セラミックスなどの種々の材質から選択することができる。

図３に示すように、供給流路プレート１１０の供給流路１１２は、供給流路プレート１１０の一方の面上に平行に並んだ直線状の溝であり、回収流路プレート１４０の回収流路１４２は、回収流路プレート１４０の一方の面上に平行に並んだ直線状の溝である。水素分離膜１２０および補強板１３０は、供給流路１１２の溝の方向と、回収流路１４２の溝の方向とが積層の方向から見て直交する態様で、供給流路プレート１１０の供給流路１１２が形成された面と、回収流路プレート１４０の回収流路１４２が形成された面との間に挟み込まれている。本実施例では、これらの供給流路プレート１１０，水素分離膜１２０，補強板１３０，回収流路プレート１４０における各接合部は、拡散接合によって接合されている。拡散接合を用いることによって、各接合部の接合工程を比較的簡素化することができ、また、各接合部の耐熱性・耐腐食性を容易かつ安定して保つことができる。

Ａ−（２）．第１の実施例の水素精製装置の動作：
次に、本発明の第１の実施例の水素精製装置の動作について説明する。第１の実施例の水素精製装置における分離層１０は、図１および図２に示すように、水素分離膜１２０の面に垂直な方向から開口部１３２を水素分離膜１２０に投影した開口投影部で水素の透過を行う。この開口投影部における水素の透過に加え、開口部１３２に連通した空間層１２５を形成する丘陵部１２２では、この丘陵部１２２における開口投影部以外の部分である丘陵透過部１２８（図２のハッチングで示した領域）でも水素の透過を行う。供給流路１１２から丘陵部１２２以外の開口投影部を透過した高純度水素ガスは、開口部１３２から回収流路１４２へと導かれる。供給流路１１２から丘陵部１２２を透過した高純度水素ガスは、空間層１２５から開口部１３２を経由して回収流路１４２へと導かれる。

第１の実施例の水素精製装置は、図３に示すように、分離層１０の供給流路１１２に対しては、低純度水素ガスを外部から供給流路１１２の一端に導き、水素濃度が低下した低純度水素ガスを排気ガスとして供給流路１１２の他端から外部に導く。一方、分離層１０の回収流路１４２に対しては、高純度水素ガスを回収するパージガスを、外部から回収流路１４２の一端に導き、水素分離膜１２０を透過した高純度水素ガスとともに、回収流路１４２から外部に導く。パージガスが、水素分離膜１２０を透過した高純度水素ガスを運び去ることによって、水素分離膜１２０が回収流路１４２側と接する空間における水素濃度を常に低く抑え、水素精製効率の向上を図っている。このパージガスとして、本実施例では水蒸気を採用するが、水素と不活性であるとともに、精製した水素を用いる工程で不都合を生じない気体（例えば、ヘリウム）であって、充分に水素濃度が低い気体を、目的に応じて適宜選択すれば良い。

以上説明した第１の実施例の水素精製装置によれば、補強板１３０の開口部１３２を投影した開口投影部に加え、開口部１３２に連通した空間層１２５を形成する丘陵部１２２の丘陵透過部１２８においても水素の透過を行うことができる。よって、水素分離膜１２０全体に対する水素透過部の占める割合を高め、水素分離膜１２０を有効に利用することができる。その結果、従来の水素精製装置に比べて、同一表面積の水素分離膜１２０を用いた場合にはより多くの水素を精製することができ、同一の水素精製能力を得る場合には水素分離膜１２０の材料費の削減、または、装置の小型化を図ることができる。

また、境界領域を除く任意の１つの開口部１３２を見た場合には、６つの丘陵部１２２が形成する空間層１２５における補強板１３０に接する面のそれぞれの一部が、その任意の１つの開口部１３２上にそれぞれ位置する関係となる。そのため、水素透過部を拡張するための丘陵部１２２と開口部１３２との組み合わせが１対１の場合に比べ、同一の開口投影部に対する水素透過部を拡張することができる。よって、１対１の場合に比べて、水素分離膜１２０全体に対する水素透過部の占める割合を高め、水素分離膜１２０を有効に利用することができる。その結果、１対１の場合に比べより多くの水素を精製することができる。

また、境界領域を除く任意の１つの丘陵部１２２を見た場合には、３つの開口部１３２のそれぞれの一部が、その任意の１つの丘陵部１２２が形成する空間層１２５における補強板１３０に接する面上にそれぞれ位置する関係となる。そのため、水素透過部を拡張するための丘陵部１２２と開口部１３２との組み合わせが１対１の場合と異なり、空間層１２５から開口部１３２への水素の流路を分散させることができる。よって、１対１の場合に比べて、空間層１２５から開口部１３２への水素の流れの抵抗を低減し、水素透過部の表面積あたりの水素透過効率を向上させることができる。その結果、１対１の場合に比べより多くの水素を精製することができる。

また、水素分離膜１２０に丘陵部１２２を形成することによって、水素分離膜１２０の平面部の剛性を補強することができる。また、丘陵部１２２を球面とすることによって、丘陵部１２２における応力集中を緩和することができる。

Ｂ．第２の実施例：
次に、本発明の第２の実施例の水素精製装置の構成について説明する。図４は、本発明の第２の実施例の水素精製装置における分離層２０の部分断面図である。図５は、分離層２０の全体構成を示す斜視図である。第２の実施例の水素精製装置は、図５に示すように、複数の分離層２０を積層しモジュール化した分離膜モジュールを備え、低純度水素ガスから高純度水素ガスへの水素の精製を行う装置である。

第２の実施例における分離層２０は、図４および図５に示すように、第１の実施例と異なり、２つの水素分離膜２２０，２５０を備え、水素分離膜２２０の一方の面に低純度水素ガスを供給する複数の供給流路２１２を形成する供給流路プレート２１０、水素分離膜２５０の一方の面に低純度水素ガスを供給する複数の供給流路２６２を形成する供給流路プレート２６０、水素分離膜２２０，２５０のそれぞれ他方の面へと透過した高純度水素ガスを回収する複数の回収流路２４２を形成する回収流路プレート２４０を主な構成要素として備える。水素分離膜２２０には、第１の実施例と同様に、水素分離膜２２０を補強する補強板１３０が、回収流路プレート２４０側である他方の面に接して設けられている。一方、水素分離膜２５０については、第１の実施例と異なり補強板が設けられておらず、水素分離膜２５０の他方の面に接する回収流路プレート２４０の壁面が、補強板と同様の役割を果たす。分離層２０を構成する各部材の材質は、第１の実施例の分離層１０を構成する各部材の材質と同様である。

水素分離膜２２０，２５０には、第１の実施例の丘陵部１２２と同様の丘陵部２２２，２５２がそれぞれ規則的に複数形成されている。補強板２３０には、第１の実施例の開口部１３２と同様の開口部２３２が規則的に複数形成されている。水素分離膜２５０に接する回収流路プレート２４０の壁面にも、第１の実施例の開口部１３２と同様の開口部２４４が規則的に複数形成されている。

図５に示すように、供給流路２１２，２６２および回収流路２４２は、第１の実施例と同様に、各プレートの一方の面上に平行に並んだ直線状の溝である。なお、回収流路プレート２４０における回収流路２４２が形成された面の反対側の面には、前述の開口部２４４が形成されている。水素分離膜２２０および補強板２３０は、供給流路２１２の溝の方向と、回収流路２４２の溝の方向とが積層の方向から見て直交する態様で、供給流路プレート２１０の供給流路２１２が形成された面と、回収流路プレート２４０の回収流路２４２が形成された面との間に挟み込まれている。水素分離膜２５０は、回収流路２４２の溝の方向と、供給流路２６２の溝の方向とが積層の方向から見て直交する態様で、回収流路プレート２４０の開口部２４４が形成された面と、供給流路プレート２６０の供給流路２６２が形成された面との間に挟み込まれている。分離層２０における各部材の接合部は、拡散接合されている。本発明の第２の実施例の水素精製装置の動作は、図４に示すように、２つの供給流路２１２，２６２から水素分離膜２２０，２５０をそれぞれ透過した高純度水素ガスが、１つの回収流路２４２へと導かれる以外は、第１の実施例と同様である。

以上説明した第２の実施例の水素精製装置によれば、第１の実施例の効果に加え、２つの供給流路プレート２１０，２６０に対して、１つの回収流路プレート２４０で対応することができるとともに、回収流路プレート２４０を水素分離膜２５０の補強部材として用いることができる。よって、装置の小型化を図ることができ、また、装置構成の簡素化を図ることができる。

Ｃ．第３の実施例：
次に、本発明の第３の実施例の水素精製装置の構成について説明する。図６は、本発明の第３の実施例の水素精製装置における分離層３０の部分断面図である。図７は、図６におけるＣ−Ｃ線に沿って水素分離膜３２０を見た矢視図である。なお、図６の断面図は、図７におけるＤ−Ｄ線に沿って分離層３０を切断した形状を示す矢視断面図である。第３の実施例の水素精製装置の構成は、水素分離膜の丘陵部および補強板の開口部の形状が異なる以外、第１の実施例と同様である。

第３の実施例の水素精製装置における分離層３０は、図６および図７に示すように、水素分離膜３２０、供給流路３１２を形成する供給流路プレート３１０、回収流路３４２を形成する回収流路プレート３４０を主な構成要素として備える。水素分離膜３２０には、水素分離膜３２０を補強する補強板３３０が、回収流路プレート３４０側である他方の面に接して設けられている。

水素分離膜３２０には、補強板３３０の反対側へ凸である丘陵部３２２，３２３が形成されている。丘陵部３２２の形状は、水素分離膜３２０の全体矩形よりも一回り小さい矩形に沿うように２連の半円を連続して一周させた際の軌跡によって描かれた形状である。この丘陵部３２２の内側には、さらに一回り小さい矩形に沿った同様の丘陵部３２３が形成されている。補強板３３０には、円形の開口部３３２が、縦横に等間隔で複数形成されている。丘陵部３２２，３２３と開口部３３２との関係は、幾つかの開口部３３２のそれぞれの一部が、丘陵部３２２または丘陵部３２３が形成する空間層における補強板３３０に接する面上にそれぞれ位置する関係とされている。

ここで、丘陵部３２２における半円の直径、および、開口部１３２の直径は、例えば、２０マイクロメートル程度の水素分離膜３２０の膜厚に対しては、数ミリ程度の大きさとすることが好ましい。これらの大きさは、水素分離膜３２０の材質や膜厚、丘陵部３２２の形状、水素分離膜３２０にかかる圧力などの種々の要因を考慮して、水素分離膜３２０が充分な強度を保つことのできる大きさであれば良い。

なお、丘陵部３２２，３２３の断面形状は、２連の半円に限るものではなく、１つまたは３連以上であっても良いし、半楕円または鋭角な山状であっても良い。また、丘陵部３２２，３２３の数は、２つに限るものではなく、１つまたは３つ以上であっても良い。また、丘陵部３２２の全体形状は、矩形に沿ったものに限るものではく、水素分離膜の全体形状より小さい相似形に沿ったものであれば良い。例えば、水素分離膜の全体形状が円形である場合には、一回り小さい円形に沿った形状であれば良い。本発明の第３の実施例の水素精製装置の動作は、第１の実施例と同様である。

以上説明した第３の実施例の水素精製装置によれば、第１の実施例の効果に加え、水素分離膜３２０全体に生じる熱や水素伸び（水素を吸収することによる膜の膨張）などによる応力を、丘陵部３２２によって吸収することができる。また、全ての丘陵部３２２，３２３を水素透過部の拡張に用いるため、より一層、水素分離膜３２０を有効に利用することができる。

Ｄ．第４の実施例：
次に、本発明の第４の実施例の水素精製装置の構成について説明する。図８は、本発明の第４の実施例の水素精製装置における水素分離膜４２０および補強板４３０の分解斜視図である。第４の実施例の水素精製装置の構成は、水素分離膜の丘陵部および補強板の開口部の形状が異なる以外、第１の実施例と同様である。第４の実施例の水素分離膜４２０には、補強板３３０の反対側へ凸である丘陵部４２２が、水素分離膜４２０を蛇腹状に折りたたむことによって形成されている。第４の実施例の補強板４３０には、開口部４３２が、蛇腹状の丘陵部４２２の列に直交する方向に伸びた長穴として形成されている。丘陵部４２２と開口部４３２との関係は、全ての開口部４３２のそれぞれの一部が、全ての丘陵部４２２が形成する空間層における補強板４３０に接する面上にそれぞれ位置する関係とされている。

ここで、丘陵部４２２の凸状の高さや幅、および、開口部４３２の幅は、例えば、２０マイクロメートル程度の水素分離膜４２０の膜厚に対しては、数ミリ程度の大きさとすることが好ましい。これらの大きさは、水素分離膜４２０の材質や膜厚、丘陵部４２２の形状、水素分離膜４２０にかかる圧力などの種々の要因を考慮して、水素分離膜４２０が充分な強度を保つことのできる大きさであれば良い。本発明の第４の実施例の水素精製装置の動作は、第１の実施例と同様である。

以上説明した第４の実施例の水素精製装置によれば、第１の実施例の効果に加え、水素分離膜４２０と補強板４３０との位置合わせの自由度を一層高めることができる。また、丘陵部４２２の形成を、折り曲げ加工によって行うことができ、型を用いた場合と比べ製造コストを低減させることができる。また、全ての丘陵部４２２を水素透過部の拡張に用いるため、より一層、水素分離膜４２０を有効に利用することができる。また、全ての開口部４３２において水素透過部の拡張がなされるため、全開口部４３２が補強板４３０に占める開口面積あたりの水素透過効率を、より一層、向上させることができる。

Ｅ．その他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、第１および第２の実施例における丘陵部の形状は、半球殻状に限るものではなく、円柱状、円錐状などの種々の態様で実施することが可能である。また、開口部の形状は、円形に限るものではなく、多角形などの種々の態様で実施することが可能である。

本発明の第１の実施例の水素精製装置における分離層１０の部分断面図である。 図１におけるＡ−Ａ線に沿って水素分離膜１２０を見た矢視図である。 分離層１０の全体構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施例の水素精製装置における分離層２０の部分断面図である。 分離層２０の全体構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施例の水素精製装置における分離層３０の部分断面図である。 図６におけるＣ−Ｃ線に沿って水素分離膜３２０を見た矢視図である。 本発明の第４の実施例の水素精製装置における水素分離膜４２０および補強板４３０の分解斜視図である。 従来の水素精製装置における分離層９０の部分断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，９０...分離層
１１０...供給流路プレート
１１２...供給流路
１２０...水素分離膜
１２２...丘陵部
１２５...空間層
１２８...丘陵透過部
１３０...補強板
１３０...補強部材
１３２...開口部
１４０...回収流路プレート
１４２...回収流路
２１０，２６０...供給流路プレート
２１２，２６２...供給流路
２２０，２５０...水素分離膜
２２２，２５２...丘陵部
２３０...補強板
２３２...開口部
２４０...回収流路プレート
２４２...回収流路
２４４...開口部
３１０...供給流路プレート
３１２...供給流路
３２０...水素分離膜
３２２，３２３...丘陵部
３３０...補強板
３３２...開口部
３４０...回収流路プレート
３４２...回収流路
４２０...水素分離膜
４２２...丘陵部
４３０...補強板
４３２...開口部
９１０...供給流路プレート
９１２...供給流路
９２０，９４０...補強板
９２２，９４２...開口部
９３０...水素分離膜
９５０...回収流路プレート
９５２...回収流路

Claims (8)

1. 低純度水素ガスから高純度水素ガスへの水素の精製を行う水素精製装置であって、
   水素を選択的に透過する水素分離膜と、
   前記水素分離膜の一方の面に低純度水素ガスを供給する供給流路を形成する供給流路部材と、
   前記一方の面の反対側である他方の面へと透過した高純度水素ガスを回収する回収流路を形成する回収流路部材と
   を備え、
   前記水素分離膜を補強する補強部材を、前記他方の面側に接して設け、
   前記水素分離膜に前記補強部材との間に空間層を形成する複数の丘陵部を形成し、
   前記補強部材に複数の開口部を形成するとともに、
   少なくとも１つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面の一部が、少なくとも１つの前記開口部上に位置する関係で形成された
   水素精製装置。
2. 請求項１記載の水素精製装置であって、
   少なくとも２つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記開口部上にそれぞれ位置する関係で形成された
   水素精製装置。
3. 請求項１または２記載の水素精製装置であって、
   少なくとも２つの開口部は、該開口部のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上にそれぞれ位置する関係で形成された
   水素精製装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか記載の水素精製装置であって、
   全ての前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面の一部が、少なくとも１つの前記開口部上に位置する関係で形成された
   水素精製装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか記載の水素精製装置であって、
   全ての前記開口部は、該開口部の一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上に位置する関係で形成された
   水素精製装置。
6. 水素を選択的に透過する水素分離膜を備えた分離膜モジュールであって、
   前記水素分離膜を補強する補強部材を、前記水素分離膜の一方の面側に接して設け、
   前記水素分離膜に前記補強部材との間に空間層を形成する複数の丘陵部を形成し、
   前記補強部材に複数の開口部を形成するとともに、
   少なくとも１つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面の一部が、少なくとも１つの前記開口部上に位置する関係で形成された
   分離膜モジュール。
7. 請求項６記載の分離膜モジュールであって、
   少なくとも２つの前記丘陵部は、該丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記開口部上にそれぞれ位置する関係で形成された
   分離膜モジュール。
8. 請求項６または７記載の分離膜モジュールであって、
   少なくとも２つの開口部は、該開口部のそれぞれの一部が、少なくとも１つの前記丘陵部が形成する空間層における前記補強部材に接する面上にそれぞれ位置する関係で形成された
   分離膜モジュール。

Images