JP2011067757A - 水素分離膜モジュール及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来に比べて耐久性の高い水素分離膜モジュール及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
本発明に係る混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜モジュール２は、第一の水素分離膜２２と水素透過孔２３ａを有する第一の補強板２３ａ’とを接合した第一の接合体２５と、第二の水素分離膜２２’と水素透過孔２３ａ’を有する第二の補強板２３’とを接合した第二の接合体２５’であって、第二の水素分離膜２２’が第一の補強板２３に接合した第二の接合体２５’と、第二の補強板２３’に接合した精製ガス回収路２６を有するベースプレート２４とを備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素分離膜モジュール及びその製造方法に関する。

エネルギー問題、環境問題の解決に大きく貢献する可能性があるとして、近年、燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素と酸素の供給を受けて、水素と酸素の電気化学反応により発電するものである。この燃料電池へ供給する水素の中に一酸化炭素が含まれていると、白金の触媒を不活性化させてしまうため、高純度の水素が必要とされている。また、燃料電池に限らず、石油コンビナートにおいては石油精製の際に原油中に含まれる硫黄分を取り除く脱硫用として、製鉄所においてはステンレスなどの鋼製品の表面処理用として、高純度の水素が使われている。このように、様々な分野で高純度の水素が求められている。

高純度の水素を精製する際には、水素分離装置が用いられている。水素分離装置は、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備えている。この水素分離装置においては、水素と一酸化炭素とを含んだ高圧の混合ガスを水素分離膜に供給し、水素分離膜を透過させることにより低圧の純水素が精製される。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。しかし、薄膜化すると、例えば２ＭＰａといった高圧の混合ガスと、０〜１ＭＰａといった低圧の純水素との差圧により、水素分離膜が破断するという問題がある。このため、薄膜化する場合には、水素分離膜を補強する必要がある。このような補強を行った水素分離膜モジュールとして、特許文献１のようなものが挙げられる。

水素分離膜モジュールの概念的な斜視図を図４に示し、図４のＢ−Ｂ線における側断面図を図５に示す。水素分離膜モジュール６は、接合体６５とベースプレート６４とを有している。そして、接合体６５は、一枚の水素分離膜６２と、水素透過孔６３ａを有する一枚の補強板（支持体）６３とから構成されている。水素分離膜６２の膜厚は２０μｍである。ベースプレート６４は、溝として形成された精製ガス回収路６６を有しており、接合体６５の下面側にシール溶接されている。なお、図５では、ベースプレート６４の図示を省略している。

水素分離膜モジュール６においては、水素と一酸化炭素とを含んだ混合ガス１が水素分離膜６２に導入される。そして、水素分離膜６２により水素が分離される。分離された水素は、補強板６３に設けられた水素透過孔６３ａを透過し、ベースプレート６４に設けられた精製ガス回収路６６を通して水素高純度ガス３として排出される。

特開２００４−８９６６号公報

従来の水素分離膜モジュール６においては、ステンレスや鉄から構成される混合ガス１の配管から混合ガス１中へ微小な鉄化合物が混入することが知られている。そして、水素分離膜６２は露出された状態にあることから、混合ガス１中に混入した微小な鉄化合物が水素分離膜６２へ付着してしまうという問題が生じていた。このような鉄化合物の付着箇所では、約１０００時間の使用により鉄原子の拡散に起因する水素分離膜６２の割れが発生する。水素分離膜６２が割れると、分離された水素に不純物が入り、水素の純度が９９．９９％程度になった時点で寿命となる。結果として、水素分離膜６２を１０００時間以上にわたって使用をすることができないという問題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑み、従来に比べて耐久性の高い水素分離膜モジュール及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜モジュールは、第一の水素分離膜と水素透過孔を有する第一の補強板とを接合した第一の接合体と、第二の水素分離膜と水素透過孔を有する第二の補強板とを接合した第二の接合体であって、前記第二の水素分離膜が前記第一の補強板に接合した第二の接合体と、前記第二の補強板に接合した精製ガス回収路を有するベースプレートとを備えている。

水素分離膜モジュールの別の形態によれば、前記第一の補強板の水素透過孔の位置と、前記第二の補強板の水素透過孔の位置とが、同一の鉛直線上に配置されている。

上記目的を達成するため、本発明に係る混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜モジュールの製造方法は、第一の水素分離膜と水素透過孔を有する第一の補強板とを接合して、第一の接合体を製造する工程と、第二の水素分離膜と水素透過孔を有する第二の補強板とを接合して、第二の接合体を製造する工程と、前記第一の補強板と前記第二の水素分離膜とを接合することにより、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合する工程と、前記第二の補強板と精製ガス回収路を有するベースプレートとを接合することにより、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合したものを前記ベースプレートに接合する工程とを含む。

水素分離膜モジュールの製造方法の別の形態によれば、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合する際に、前記第一の補強板の水素透過孔の位置と、前記第二の補強板の水素透過孔の位置とを同一の鉛直線上に配置する工程をさらに含む。

本発明に係る混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜モジュールは、第一の水素分離膜と水素透過孔を有する第一の補強板とを接合した第一の接合体と、第二の水素分離膜と水素透過孔を有する第二の補強板とを接合した第二の接合体であって、前記第二の水素分離膜が前記第一の補強板に接合した第二の接合体と、前記第二の補強板に接合した精製ガス回収路を有するベースプレートとを備えているため、水素分離膜モジュールの耐久性が向上し、長時間の使用が可能となる。

水素分離膜モジュールの別の形態によれば、前記第一の補強板の水素透過孔の位置と、前記第二の補強板の水素透過孔の位置とが、同一の鉛直線上に配置されているため、水素透過性能は従来モジュールと変化はない。

本発明に係る混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜モジュールの製造方法は、第一の水素分離膜と水素透過孔を有する第一の補強板とを接合して、第一の接合体を製造する工程と、第二の水素分離膜と水素透過孔を有する第二の補強板とを接合して、第二の接合体を製造する工程と、前記第一の補強板と前記第二の水素分離膜とを接合することにより、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合する工程と、前記第二の補強板と精製ガス回収路を有するベースプレートとを接合することにより、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合したものを前記ベースプレートに接合する工程とを含むため、耐久性が高く、長時間の使用が可能な水素分離膜モジュールを効率良く製造することができる。

水素分離膜モジュールの製造方法の別の形態によれば、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合する際に、前記第一の補強板の水素透過孔の位置と、前記第二の補強板の水素透過孔の位置とを同一の鉛直線上に配置する工程をさらに含むため、水素透過性能が従来と変わらない水素分離膜モジュールを効率良く製造することができる。

水素分離膜モジュールを備えている水素供給システムの模式図である。 水素分離膜モジュールの概念的な斜視図である。 図２のＡ−Ａ線における側断面図である。 従来の水素分離膜モジュールの概念的な斜視図である。 図４のＢ−Ｂ線における側断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、燃料電池のための水素供給システムの模式図である。水素供給システムは水素分離膜モジュール２を備えている。この水素分離膜モジュール２は、一酸化炭素と水素を含んだ混合ガス１の供給を受けて、混合ガス１から水素を選択的に分離し、水素高純度ガス３と水素低純度ガス４を生成する。水素高純度ガス３は、燃料電池５へ提供される。燃料電池５としては、例えば、固体高分子形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：PEFC）が挙げられる。

図２は、水素分離膜モジュール２の概念的な斜視図である。そして、図３は、図２のＡ−Ａ線における側断面図である。図２に示すように、水素分離膜モジュール２は、第一の接合体２５と第二の接合体２５’とベースプレート２４とから構成されている。

第一の接合体２５は、第一の水素分離膜２２及び第一の補強板２３を積層し拡散接合することにより形成されている。同様に、第二の接合体２５’は、第二の水素分離膜２２’及び第二の補強板２３’を積層し拡散接合することにより形成されている。ここで、拡散接合とは、材料同士を融点以下まで熱し加圧することにより、材料同士の接合面に存在する原子の拡散を利用して、固体のまま接合させる方法をいう。

第一の水素分離膜２２は、従来の水素透過性の金属箔からなるものであればよい。金属箔の原材料としては、例えば、Ｐｄ−Ａｇ合金、Ｐｄ−希土類元素合金などのＰｄを含む合金の他、Ｎｂ合金系、Ｚｉ_３６Ｎｉ_６４アモルファス合金が挙げられる。図３に示すように、本実施例における第一の水素分離膜２２の膜厚は１０μｍである。なお、第二の水素分離膜２２’は第一の水素分離膜２２と同様の構成であり、膜厚は同じく１０μｍである。

第一の補強板２３は、長方形の金属多孔質板で構成されており、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。この第一の補強板２３には、長方形状の水素透過孔２３ａが複数穿孔されている。水素透過孔２３ａの長径は、１０００μｍ〜２０００μｍが好ましく、短径は、１００μｍ〜５００μｍが好ましい。なお、第二の補強板２３’も第一の補強板２３と同様の構成である。

第一の補強板２３に設けられている水素透過孔２３ａの位置と、第二の補強板２３’に設けられている水素透過孔２３ａ’の位置とは、同一の鉛直線上に配置されている。

ベースプレート２４は、長方形の金属板の表面に、その長手方向に平行な複数の溝である精製ガス回収路２６を配設したものである。これらの精製ガス回収路２６は、長手方向の両端部において、図示しない幅方向の溝により相互に連通している。なお、図３では、ベースプレート２４の図示を省略している。

上記のような構成の水素分離膜モジュール２において、該水素分離膜モジュール２に供給された水素と一酸化炭素とを含む混合ガス１は、第一の水素分離膜２２へ導入される。第一の水素分離膜２２は、混合ガス１から水素のみを選択的に透過し、分離された水素は、第一の補強板２３の水素透過孔２３ａを透過して、第二の水素分離膜２２’へ導入される。第二の水素分離膜２２’も、第一の水素分離膜２２と同様に水素のみを選択的に透過する。第二の水素分離膜２２’により分離された水素は、第二の補強板２３’の水素透過孔２３ａ’を透過し、ベースプレート２４の精製ガス回収路２６を通して水素高純度ガス３として排出される。

図２及び図３に示したように、水素分離膜モジュール２は、二つの水素分離膜、すなわち第一の水素分離膜２２及び第二の水素分離膜２２’を備えている。このような二層構造とすることにより、第一の水素分離膜２２に鉄化合物が付着し、鉄原子の拡散による割れが発生したとしても、第二の水素分離膜２２’がバックアップの役割を果たすことにより、水素の純度を保つことができる。すなわち、図５に示した従来の構造を生かしつつ、水素分離膜モジュール２の寿命が従来の約２倍に延長する。

第一の補強板２３に設けられている水素透過孔２３ａの位置と、第二の補強板２３’に設けられている水素透過孔２３ａ’の位置とが同一の鉛直線上に配置されているため、第一の補強板２３の水素透過孔２３ａを透過し、次いで第二の水素分離膜２２’を透過した水素が水素透過孔２３ａ’を透過することが容易となる。結果として、一枚の水素分離膜６２を有する従来の水素分離膜モジュール６と比較して、水素透過性能は変わらない。

水素分離膜は、その膜厚が厚ければ厚いほど水素分離膜の耐久性は上がるが、Ｐｄ合金の使用量が多くなるために原材料コストが上昇し、また、水素透過時間も長くなるというデメリットがある。他方、膜厚が薄ければ薄いほど製造コストを抑えることができ、水素透過時間も短くて済むが、耐久性が下がるというデメリットがある。この点、従来技術によれば、図５に示したように２０μｍの膜厚を持つ単一の水素分離膜６２が設けられているのに対し、本実施例の水素分離膜モジュール２においては、第一の水素分離膜２２及び第二の水素分離膜２２’の膜厚をいずれも１０μｍとしている。本実施例によれば、従来と比較してＰｄ合金の使用量は変わらないことから原材料コストは変わらず、水素透過時間も従来と変わらない。

水素分離膜モジュール２の製造にあたっては、まず、第一の水素分離膜２２と第一の補強板２３とを拡散接合して第一の接合体２５を得る。同様に、第二の水素分離膜２２’と第二の補強板２３’とを拡散接合して第二の接合体２５’を得る。次に、第一の接合体２５のうちの第一の補強板２３と、第二の接合体２５’のうちの第二の水素分離膜２２’とを拡散接合することにより、第一の接合体２５と第二の接合体２５’とを接合する。このとき、上述したように、第一の補強板２３に設けられている水素透過孔２３ａの位置と、第二の補強板２３’に設けられている水素透過孔２３ａ’の位置とを同一の鉛直線上に配置した上で、第一の接合体２５と第二の接合体２５’とを接合する。最後に、第二の接合体２５’のうちの第二の補強板２３’とベースプレート２４とをシール溶接によって接合することにより、第一の接合体２５と第二の接合体２５’とを接合したものと、ベースプレート２４とが接合される。以上のようにして、水素分離膜モジュール２が製造される。

上記実施例では、膜厚が１０μｍの水素分離膜を２枚設けているが、他の実施例においては、例えば膜厚が６．３μｍの水素分離膜を２枚設ける。これにより、水素透過時間をさらに短縮することができるとともに、水素分離膜の原材料コストを抑えることができる。

また、膜厚が６．３μｍの水素分離膜を３枚設けるなどして、水素分離膜を３枚以上設けることも可能である。これにより、水素分離膜モジュールの寿命はさらに延びる。

水素分離膜モジュールの製造方法の他の実施例においては、まず、上記実施例と同様に、第一の水素分離膜２２と第一の補強板２３とを拡散接合して第一の接合体２５を得る。この第一の接合体２５のうちの第一の補強板２３と第二の水素分離膜２２’とを接合する。次に、第二の水素分離膜２２’と第二の補強板２３’を接合する。最後に、補強板２３’とベースプレート２４とをシール溶接によって接合する。これによっても、水素分離膜モジュール２を製造することができる。

１ 混合ガス
２ 水素分離膜モジュール
２２ 第一の水素分離膜
２２’ 第二の水素分離膜
２３ 第一の補強板
２３’ 第二の補強板
２３ａ、２３ａ’ 水素透過孔
２４ ベースプレート
２５ 第一の接合体
２５’ 第二の接合体
２６ 精製ガス回収路
３ 水素高純度ガス
４ 水素低純度ガス
５ 燃料電池
６ 従来の水素分離膜モジュール
６２ 水素分離膜
６３ 補強板
６３ａ 水素透過孔
６４ ベースプレート
６５ 接合体
６６ 精製ガス回収路

Claims (4)

1. 第一の水素分離膜と水素透過孔を有する第一の補強板とを接合した第一の接合体と、
   第二の水素分離膜と水素透過孔を有する第二の補強板とを接合した第二の接合体であって、前記第二の水素分離膜が前記第一の補強板に接合した第二の接合体と、
   前記第二の補強板に接合した精製ガス回収路を有するベースプレートと
   を備えている、混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜モジュール。
2. 前記第一の補強板の水素透過孔の位置と、前記第二の補強板の水素透過孔の位置とが、同一の鉛直線上に配置されている、請求項１に記載の水素分離膜モジュール。
3. 第一の水素分離膜と水素透過孔を有する第一の補強板とを接合して、第一の接合体を製造する工程と、
   第二の水素分離膜と水素透過孔を有する第二の補強板とを接合して、第二の接合体を製造する工程と、
   前記第一の補強板と前記第二の水素分離膜とを接合することにより、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合する工程と、
   前記第二の補強板と精製ガス回収路を有するベースプレートとを接合することにより、前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合したものを前記ベースプレートに接合する工程と
   を含む、混合ガス中の水素を選択的に分離する水素分離膜モジュールの製造方法。
4. 前記第一の接合体と前記第二の接合体とを接合する際に、前記第一の補強板の水素透過孔の位置と、前記第二の補強板の水素透過孔の位置とを同一の鉛直線上に配置する工程をさらに含む請求項３に記載の水素分離膜モジュールの製造方法。

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