JP2014097443A - Hydrogen separation membrane, hydrogen separator, and organic hydride system - Google Patents

Hydrogen separation membrane, hydrogen separator, and organic hydride system Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hydrogen separation membrane, which can be formed into a complicated shape by using a metal support easy to fabricate as a support for the hydrogen separation membrane and which is free from occurrence of damage due to hydrogen embrittlement even in the presence of a high-concentration organic solvent; a hydrogen separator; and an organic hydride system.SOLUTION: The hydrogen separation membrane comprises a stainless filter as a carrier, the surface of which is plated with palladium or a palladium-based palladium alloy. The membrane is constructed so that pores having an average diameter of 2 μm or smaller, preferably 0.4-0.6 μm in consideration of efficiency of Pd, are formed by compression-crushing meshes of the stainless filter made by weaving stainless wires.

Description

本発明は、水素ガスを分離するための水素分離膜、水素分離器、有機ハイドライドシステムに関する。   The present invention relates to a hydrogen separation membrane, a hydrogen separator, and an organic hydride system for separating hydrogen gas.

従来の水素分離膜として、パラジウムまたはパラジウム合金の担持体として、セラミックス等の多孔性燒結金属をしようしたものが各種提案されている(例えば、特許文献1〜4参照。)。   Various conventional hydrogen separation membranes using porous sintered metals such as ceramics as palladium or palladium alloy supports have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 to 4).

特許第4759664号公報Japanese Patent No. 4759664 特開2006−346621号公報JP 2006-346621 A 特開2010−119921号公報JP 2010-119921 A 特開2011−206629号公報JP 2011-206629 A

しかし、前述の特許文献1〜4の水素分離膜は、水素分離膜の支持体(担持体)として、セラミックスなどの多孔性燒結金属を使用しているため、複雑な形状に加工することは困難であるという課題があった。特に、最近は、水素分離膜の水素自動車等への適用も検討されているが、セラミックスなどの多孔性燒結金属を支持体(担持体)として使用したのでは、複雑な形状や小型の形状に加工できないという問題があった。   However, since the hydrogen separation membranes of Patent Documents 1 to 4 described above use a porous sintered metal such as ceramics as a support (support) for the hydrogen separation membrane, it is difficult to process into a complicated shape. There was a problem of being. In particular, the application of hydrogen separation membranes to hydrogen automobiles and the like has been recently studied. However, when porous sintered metals such as ceramics are used as a support (support), the shape is complicated or small. There was a problem that it could not be processed.

また、メタン改質においてステンレスフィルター等の金属性のフィルターを支持体(担持体)として使用したパラジウムをメッキする水素分離膜は広く検討されているが、単に、ステンレス等の金属性の線材を織り込んだフィルターに対しパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金を無電解メッキによりを形成した水素分離膜は、高濃度のメチルシクロへキサン等の有機溶媒に対し、水素分離膜近傍に生成する液膜により水素透過量の低下やいわゆる水素脆化といわれるような損傷を起こしやすく、有効な膜の報告は認められない。   In addition, hydrogen separation membranes for plating palladium using a metallic filter such as a stainless steel filter as a support (support) in methane reforming have been widely studied, but simply incorporating a metallic wire such as stainless steel. The hydrogen separation membrane formed by electroless plating of palladium or palladium-based palladium alloy on the filter is hydrogenated by a liquid membrane formed in the vicinity of the hydrogen separation membrane against high-concentration organic solvents such as methylcyclohexane. It is easy to cause damage such as a decrease in permeation amount and so-called hydrogen embrittlement, and no reports of effective membranes have been found.

そこで、本発明は、このような課題に着目してなされたもので、第1には、水素分離膜の支持体(担持体)として加工の容易な金属性の支持体(担持体)を使用することにより複雑な形状に加工でき、第2には、高濃度有機溶媒存在下でも水素脆化による損傷が発生しない水素分離膜、水素分離器、有機ハイドライドシステムを提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made paying attention to such problems. First, a metal support (support) that is easy to process is used as a support (support) for the hydrogen separation membrane. The second object of the present invention is to provide a hydrogen separation membrane, a hydrogen separator, and an organic hydride system that can be processed into a complicated shape and do not cause damage due to hydrogen embrittlement even in the presence of a high concentration organic solvent.

上記課題を解決するため、本発明に係る水素分離膜は、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターを担持体とし、そのステンレスフィルターの表面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金をメッキしたことを特徴とする。
ここで、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターは、ステンレス製線材を織り込んだステンレスフィルターの網目を圧縮して押し潰すことにより形成すると良い。
また、本発明に係る水素分離器は、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターをパイプ状に形成したポーラス部と、ポーラス部の内部を通過した水素が通過するようパイプ状に形成すると共にその表面に孔を有しないノンポーラス部とからなり、少なくともポーラス部の表面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金をメッキすることにより水素分離膜を形成し、反応器の中でポーラス部表面の水素分離膜により水素ガスを分離してポーラス部およびノンポーラス部の中を通し、ノンポーラス部の開放した他端から水素ガスを排出することを特徴とする。
ここで、反応器の中の条件を、使用圧力差0.2Mpa、温度域140℃以上に対して水素分離膜の透過水素流束を2.0[m/m・h・MPa]以下とし、高濃度のメチルシクロへキサン等の有機溶媒存在下において、その水素分離膜による水素純度を99%以上とするようにしても良い。
また、本発明に係る有機ハイドライドシステムは、前述の水素分離器を使用して水素ガスと高濃度のメチルシクロへキサン等の有機溶媒ガスとの混合ガスより水素ガスを水素脆化が生じずに分離することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the hydrogen separation membrane according to the present invention preferably has a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm as a carrier, considering the efficiency of Pd being 2 μm or less and Pd. The surface of the stainless steel filter is plated with palladium or a palladium alloy based on palladium.
Here, considering the efficiency of Pd of 2 μm or less, preferably a stainless steel filter having pores having an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is compressed and crushed by a mesh of a stainless steel filter woven with a stainless steel wire. It is good to form by.
In addition, the hydrogen separator according to the present invention preferably has a porous portion in which a stainless filter having pores having an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is formed in a pipe shape, in consideration of efficiency improvement of Pd of 2 μm or less and Pd, It is formed in the shape of a pipe so that hydrogen that has passed through the inside of the part passes, and it is composed of a non-porous part having no holes on its surface, and at least the surface of the porous part is plated with palladium or a palladium alloy based on palladium. A hydrogen separation membrane is formed by the above, hydrogen gas is separated by a hydrogen separation membrane on the surface of the porous portion in the reactor, passed through the porous portion and the nonporous portion, and hydrogen gas is passed from the other end where the nonporous portion is opened. It is characterized by discharging.
Here, the conditions in the reactor were such that the permeated hydrogen flux of the hydrogen separation membrane was 2.0 [m 3 / m 2 · h · MPa] or less for a working pressure difference of 0.2 Mpa and a temperature range of 140 ° C. or higher. In the presence of a high concentration organic solvent such as methylcyclohexane, the hydrogen purity by the hydrogen separation membrane may be 99% or more.
In addition, the organic hydride system according to the present invention uses the above-described hydrogen separator to separate hydrogen gas from a mixed gas of hydrogen gas and an organic solvent gas such as high-concentration methylcyclohexane without causing hydrogen embrittlement. It is characterized by doing.

本発明の水素分離膜、水素分離器、有機ハイドライドシステムによれば、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターを担持体とし、そのステンレスフィルターの表面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金をメッキして水素分離膜を形成したため、水素分離膜を直線状のパイプや、螺旋状のパイプ、さらには板状等の複雑な形状に加工することができる。また、水素分離膜として、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmを有するステンレスフィルターの表面にパラジウム−銅合金製膜を形成するようにしたため、高濃度有機溶媒存在下でも水素脆化による損傷を防止できる。   According to the hydrogen separation membrane, the hydrogen separator, and the organic hydride system of the present invention, a stainless filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is desirably used as the carrier, considering the efficiency of Pd of 2 μm or less and Pd. Since the surface of the stainless steel filter was plated with palladium or a palladium alloy based on palladium to form a hydrogen separation membrane, the hydrogen separation membrane could be a complex shape such as a straight pipe, a spiral pipe, or even a plate. It can be processed into a shape. In addition, considering the efficiency of Pd as a hydrogen separation membrane, 2 μm or less, preferably a palladium-copper alloy membrane is formed on the surface of a stainless steel filter having an average diameter of 0.4 to 0.6 μm. Damage due to hydrogen embrittlement can be prevented even in the presence of an organic solvent.

(a),(b)それぞれ、本実施形態1の水素分離器における反応器以外の簡略構造を示す正面図、斜視図である。(A), (b) is the front view and perspective view which respectively show simple structures other than the reactor in the hydrogen separator of this Embodiment 1. FIG. ステンレス製線材を織り込んだステンレスフィルターの網目を示す電信顕微鏡写真図である。It is a telegraph micrograph showing a mesh of a stainless steel filter woven with a stainless steel wire. ステンレス製線材を織り込んだステンレスフィルターの網目を潰して設けた細孔を示す電信顕微鏡写真図である。It is a telegraph photomicrograph showing pores formed by crushing a mesh of a stainless steel filter woven with a stainless steel wire. ポーラス部とノンポーラス部との間の溶接部で水素分離膜のメッキが剥離している状態を示す電信顕微鏡写真図である。It is a telegraph photomicrograph showing a state where the plating of the hydrogen separation membrane is peeled off at the welded portion between the porous portion and the nonporous portion. ステンレスフィルターへの水素分離膜に先立ち行われる前処理の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pre-processing performed prior to the hydrogen separation membrane to a stainless steel filter. 本実施形態の水素分離器の水素分離膜による分離と他の水素分離法との性能比較結果を示す図である。It is a figure which shows the performance comparison result of the isolation | separation by the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator of this embodiment, and another hydrogen separation method. 、本実施形態の水素分離器により分離した水素や、その水素に含まれる不純物の濃度を示す図である。It is a figure which shows the density | concentration of the hydrogen separated by the hydrogen separator of this embodiment, and the impurity contained in the hydrogen. 本実施形態の水素分離器による窒素透過試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the nitrogen permeation test by the hydrogen separator of this embodiment. 本実施形態の水素分離器による水素透過試験の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the hydrogen permeation test by the hydrogen separator of this embodiment. (a),(b)それぞれ、本実施形態の水素分離器による水素脆化試験の結果を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the result of the hydrogen embrittlement test by the hydrogen separator of this embodiment, respectively. 本実施形態の水素分離器による高濃度有機溶媒存在下におけるパラジウム製膜が損傷(破損)する温度を示す図である。It is a figure which shows the temperature which the palladium membrane in the presence of the high concentration organic solvent by the hydrogen separator of this embodiment damages (breaks). (a),(b)それぞれ、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜による高濃度有機溶媒存在下におけるパラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜の損傷を示す図である。(A), (b) is a figure which shows the damage of the palladium-copper (Pd-Cu) alloy membrane formation in the presence of the high concentration organic solvent by the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of this embodiment, respectively. 本発明に係る有機ハイドライドシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the organic hydride system which concerns on this invention. (a),(b)それぞれ、反応器の中に水素分離器を4本設けた一例を示す平面図、断面図である。(A), (b) is the top view and sectional drawing which show an example which provided four hydrogen separators in the reactor, respectively. (a),(b)それぞれ、図14(b)におけるA部分の拡大断面図、B部分の拡大断面図である。(A), (b) is the expanded sectional view of A part in FIG.14 (b), respectively, and the expanded sectional view of B part. (a),(b)それぞれ、螺旋状に構成したポーラス部を反応器の中に収容した水素分離器の一例を示す平面図、断面図である。(A), (b) is the top view and sectional drawing which show an example of the hydrogen separator which accommodated the porous part comprised in the spiral in the reactor, respectively. (a)〜(c)それぞれ、板状に構成したポーラス部を反応器の中に収容した水素分離器の一例を示す平面図、正面断面図、側面図である。(A)-(c) is the top view, front sectional drawing, and side view which show an example of the hydrogen separator which accommodated the porous part comprised in plate shape in the reactor, respectively.

以下、本発明に係る水素分離膜、水素分離器、有機ハイドライドシステムの実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a hydrogen separation membrane, a hydrogen separator, and an organic hydride system according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

実施形態1.
図1(a),(b)は、本実施形態1の水素分離器1における反応器以外の簡略構造を示す図である。
Embodiment 1. FIG.
1A and 1B are diagrams showing a simplified structure other than the reactor in the hydrogen separator 1 of the first embodiment.

この水素分離器1は、図1(a),(b)に示すように、その外周面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金のメッキによる本発明に係る水素分離膜を形成したパイプ状(中空状)のポーラス部11と、ポーラス部11と同様にパイプ状(中空状)のノンポーラス部12とからなり、ポーラス部11は、一端に盲栓13がTig溶接等により溶接される一方、他端にノンポーラス12部の一端がTig溶接等により溶接されて構成され、ノンポーラス部12は、その一端がポーラス部11にTig溶接等により溶接される一方、他端を開放端としている。なお、少なくともポーラス部11と盲栓13は、図示しない反応器の中に収容しており、本発明に係る水素分離膜をその表面に形成したポーラス部11の外側に水素ガスとメチルシクロヘキサン(MCH)ガス等の有機溶媒ガスの混合ガスを注入して、ポーラス部11表面の水素分離膜により水素ガスを分離して、ポーラス部11およびノンポーラス部12の中を通し、ノンポーラス部12の開放した他端から水素ガスを排出するように構成する。   As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), this hydrogen separator 1 has a pipe-like shape in which a hydrogen separation membrane according to the present invention is formed on the outer peripheral surface by plating of palladium or palladium alloy based on palladium ( (Hollow) porous portion 11 and pipe-like (hollow) non-porous portion 12 similar to porous portion 11, and porous portion 11 is welded with a blind plug 13 at one end by Tig welding or the like, One end of the nonporous portion 12 is welded to the other end by Tig welding or the like, and the nonporous portion 12 is welded to the porous portion 11 by Tig welding or the like, while the other end is an open end. At least the porous part 11 and the blind plug 13 are accommodated in a reactor (not shown), and hydrogen gas and methylcyclohexane (MCH) are formed outside the porous part 11 on which the hydrogen separation membrane according to the present invention is formed. ) A mixed gas of organic solvent gas such as gas is injected, hydrogen gas is separated by a hydrogen separation membrane on the surface of the porous portion 11, passed through the porous portion 11 and the nonporous portion 12, and the nonporous portion 12 is opened. The other end is configured to discharge hydrogen gas.

ポーラス部11は、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターを担持体とし、そのステンレスフィルターの表面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金をメッキして水素分離膜を形成している。   The porous part 11 is 2 μm or less, and considering the efficiency of Pd, preferably a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is used as a carrier, and the surface of the stainless steel filter is basically palladium or palladium. A palladium separation alloy is plated to form a hydrogen separation membrane.

ここで、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターは、例えば、図2に示すようにSUS304等の10〜30μm程度の直径のステンレス製線材を織り込んだステンレスフィルターの網目を圧縮して押し潰すことにより、図3に示すような2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を形成している。これは、ポーラス部11は、US304等のステンレス製線材を織り込んで強度を持たせているが、ステンレス製線材の織り込みだけでは、図2に示すように、その網目が10μm程度で大きく、パラジウムやパラジウム合金をメッキしても、そのメッキに孔が開いてしまい、水素分離膜を形成できないからである。   Here, considering the efficiency of Pd of 2 μm or less, preferably a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is, for example, a diameter of about 10 to 30 μm such as SUS304 as shown in FIG. By compressing and crushing the mesh of a stainless steel filter woven with a stainless steel wire, the pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm are desirable considering the efficiency of Pd of 2 μm or less as shown in FIG. Is forming. This is because the porous portion 11 is woven with a stainless steel wire material such as US304 to give strength, but as shown in FIG. 2, the mesh is large at about 10 μm as shown in FIG. This is because even if a palladium alloy is plated, a hole is formed in the plating, and a hydrogen separation membrane cannot be formed.

そのため、本発明者は、実験を繰り返し行って、SUS304等のステンレス製線材を織り込んだステンレスフィルターからなるポーラス部11に圧力(外力)を加えて圧縮して押し潰すことにより、孔径が10μm程度のポーラス部11の網目を2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの0.5μm程度の細孔にし、そのポーラス部11の表面に無電解メッキによってパラジウムやパラジウム合金をメッキした場合、ポーラス部11の表面に孔のない水素分離膜を形成されることを確認した。   For this reason, the inventor repeatedly conducted experiments, applied pressure (external force) to the porous portion 11 made of a stainless steel filter woven with a stainless steel wire such as SUS304, and compressed and crushed so that the pore diameter was about 10 μm. In consideration of the efficiency of Pd, the mesh of the porous portion 11 is 2 μm or less, and preferably about 0.5 μm pores having an average diameter of 0.4 to 0.6 μm. The surface of the porous portion 11 is made of palladium or the like by electroless plating. It was confirmed that when a palladium alloy was plated, a hydrogen separation membrane having no pores was formed on the surface of the porous portion 11.

ここで、水素分離膜の担持体(支持体)であるステンレスフィルターを構成するSUS304等のステンレス製線材は、耐食性が良く、かつ、加工が容易であるという特性を有している。そのため、SUS304等のステンレス製線材を織り込んだステンレスフィルターは、加工することにより、直線状のポーラス部11(図14参照。)だけでなく、螺旋状のポーラス部11(図15参照。)や、板状のポーラス部11’(図16参照。)等の複雑な形状に容易に加工できる。また、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターに、パラジウムやパラジウム合金を無電解メッキすることで、水素分離膜を均一の膜厚にメッキすることが可能となる。なお、本発明では、ステンレスフィルターを形成する線材は、SUS304線材に限られること無く、SUS303や、SUS305等の他のステンレス鋼でも良い。   Here, a stainless steel wire material such as SUS304 constituting a stainless steel filter which is a carrier (support) for the hydrogen separation membrane has characteristics that it has good corrosion resistance and is easy to process. Therefore, by processing a stainless steel filter woven with a stainless steel wire such as SUS304, not only the linear porous portion 11 (see FIG. 14) but also the spiral porous portion 11 (see FIG. 15), It can be easily processed into a complicated shape such as a plate-like porous portion 11 ′ (see FIG. 16). In consideration of the efficiency of Pd of 2 μm or less and Pd, it is desirable to make the hydrogen separation membrane uniform by electrolessly plating palladium or a palladium alloy on a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm. It is possible to plate the film thickness. In the present invention, the wire forming the stainless steel filter is not limited to the SUS304 wire, but may be other stainless steel such as SUS303 or SUS305.

なお、ポーラス部11にパラジウムまたはパラジウム合金の水素分離膜をメッキするための有効表面積は、ポーラス部11の外径を1/2インチ(1.27cm)、ポーラス部11の長さを100mm(10cm)、ノンポーラス部の長さを150mm(15cm)とすると、
有効表面積=2πr×長さ=2×3.14×0.635×10=39cm
となる。
The effective surface area for plating the porous part 11 with a hydrogen separation membrane of palladium or a palladium alloy has an outer diameter of 1/2 inch (1.27 cm) and a length of the porous part 11 of 100 mm (10 cm). ) If the length of the non-porous portion is 150 mm (15 cm),
Effective surface area = 2πr × length = 2 × 3.14 × 0.635 × 10 = 39 cm 2
It becomes.

ノンポーラス部12は、ポーラス部11と同径のパイプ状(中空状)の両端開放のSUS304等のその表面に孔が形成されていないステンレス管から構成されている。また、盲栓13は、ポーラス部11と同径のSUS304等の中実のステンレス棒から構成されている。   The non-porous portion 12 is made of a stainless pipe having no hole formed on the surface thereof, such as a pipe-shaped (hollow) SUS304 having both ends open, having the same diameter as the porous portion 11. The blind plug 13 is made of a solid stainless steel rod such as SUS304 having the same diameter as the porous portion 11.

ここで、パラジウムまたはパラジウム合金を表面にメッキして水素分離膜を形成するポーラス部11と、ノンポーラス部12または盲栓13との溶接部は、凸部で円滑な表面でないこと等から、溶接後にメッキして水素分離膜を形成すると、図4の電子顕微鏡写真に示すように、溶接部近傍のメッキ、すなわち水素分離膜が剥離して浮き上がり、そこから水素ガスや水素ガスと有機溶媒ガスとの混合ガスの漏洩が生じる場合がある。そのため、本発明者は、溶接部近傍の水素分離膜の浮き上がりを防止して、ガス漏洩を防止するため、その溶接部の漏えい部分に、高温接着剤や、はんだ付け、蒸着等の目潰しを試したが、良い結果が得られなかった。   Here, the welded portion between the porous portion 11 that forms a hydrogen separation membrane by plating palladium or palladium alloy on the surface and the nonporous portion 12 or the blind plug 13 is a convex portion and is not a smooth surface. When the hydrogen separation membrane is formed later by plating, as shown in the electron micrograph of FIG. 4, the plating in the vicinity of the welded portion, that is, the hydrogen separation membrane peels off and floats, from which hydrogen gas, hydrogen gas, and organic solvent gas In some cases, leakage of mixed gas may occur. Therefore, in order to prevent the hydrogen separation membrane in the vicinity of the weld from floating and prevent gas leakage, the inventor tried clogging such as high-temperature adhesive, soldering, and vapor deposition on the leaked portion of the weld. However, good results were not obtained.

そこで、本発明では、ポーラス部11と、ノンポーラス部12または盲栓13との溶接部近傍では、ポーラス部11の表面だけでなく、ノンポーラス部12および盲栓13側にも1cm程度の長さだけパラジウムまたはパラジウム合金を表面にメッキし、さらに、図1に示すように、その溶接部近傍であって水素分離膜を形成したポーラス部11の両側にOリング14を嵌めることにより、溶接部におけるメッキ、すなわち水素分離膜の浮き上がりを防止して、混合ガスの漏れを防止した。   Therefore, in the present invention, in the vicinity of the welded portion between the porous portion 11 and the non-porous portion 12 or the blind plug 13, not only the surface of the porous portion 11 but also the non-porous portion 12 and the blind plug 13 side has a length of about 1 cm. Then, palladium or a palladium alloy is plated on the surface, and further, as shown in FIG. 1, by fitting O-rings 14 on both sides of the porous portion 11 in the vicinity of the welded portion and forming the hydrogen separation membrane, Plating, that is, lifting of the hydrogen separation membrane was prevented to prevent mixed gas leakage.

次に、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターからなるポーラス部11の表面に、パラジウムやパラジウム合金のメッキによる水素分離膜の形成方法について説明する。   Next, considering the efficiency of Pd of 2 μm or less, preferably a hydrogen separation membrane by plating palladium or palladium alloy on the surface of the porous part 11 made of a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm The forming method will be described.

まず、ステンレスフィルターへの水素分離膜に先立ち、よく洗浄したステンレスフィルターに対して、例えば、室温にて図5に示すような手順(1)〜(7)による前処理を行う。なお、(2)〜(7)は、合計3回繰り返す。   First, prior to the hydrogen separation membrane on the stainless steel filter, the stainless steel filter that has been thoroughly cleaned is subjected to pretreatment by procedures (1) to (7) as shown in FIG. 5 at room temperature, for example. Note that (2) to (7) are repeated a total of three times.

次に、以上のような前処理工程を行ったステンレスフィルターからなるポーラス部11の表面に対して、一般に知られているパラジウム−無電解メッキ方法によりパラジウムまたはパラジウム合金の水素分離膜を生成する。ここで、パラジウム合金としては、例えば、パラジウム−銅(Pd−Cu)合金を使用する。   Next, a hydrogen separation membrane of palladium or palladium alloy is formed on the surface of the porous part 11 made of a stainless steel filter subjected to the above pretreatment process by a generally known palladium-electroless plating method. Here, as the palladium alloy, for example, a palladium-copper (Pd-Cu) alloy is used.

パラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜の生成方法は、まず、パラジウム−無電解メッキ方法によりパラジウム製膜を生成した後、その上に銅製膜を生成する。銅製膜は、例えば、金属塩・硫酸銅(II)五水和物10g/L、錯化剤エチレンジアミン四酢酸二水素二ナトリウム二水和物30g/Lを配合し、水酸化ナトリウムでpHを10〜12に調整して無電解銅メッキ浴とした。メッキ温度は40〜60℃でも可能であるが、メッキ浴中の溶存酸素を低下させるため65℃以上が望ましい。還元剤としてホルムアルデヒドを3.3g/L添加して、銅を製膜する。ここで、この銅メッキ浴には、安定剤と界面活性剤を使用することができる。安定剤には2,2’ービピリジン、界面活性剤にはポリエチレングリコールを使用した。テープによる剥離が少ないため、添加量はどちらも5mg/Lが望ましい。また、この銅製膜のメッキ浴槽の材質は、表面にメッキがされにくいガラスを用いた。メッキ面積(A)に対するメッキ液量(V)の比であるV/A比は、4〜6が最適である。V/A比が小さいとメッキの膜厚が小さく、大きいと飽和状態になり消費されない金属塩が多く残るためである。   In the production method of the palladium-copper (Pd-Cu) alloy film, first, a palladium film is produced by a palladium-electroless plating method, and then a copper film is produced thereon. For example, the copper film is composed of 10 g / L of a metal salt / copper (II) sulfate pentahydrate and 30 g / L of a complexing agent ethylenediaminetetraacetic acid disodium dihydrogen dihydrate 30 g / L, and the pH is adjusted to 10 with sodium hydroxide. The electroless copper plating bath was adjusted to -12. The plating temperature can be 40 to 60 ° C., but 65 ° C. or higher is desirable in order to reduce dissolved oxygen in the plating bath. Formaldehyde is added as a reducing agent at 3.3 g / L to form a copper film. Here, a stabilizer and a surfactant can be used in the copper plating bath. 2,2'-bipyridine was used as the stabilizer and polyethylene glycol was used as the surfactant. Since there is little peeling with a tape, both addition amount is desirable 5 mg / L. Further, the material of the copper film plating bath was glass which is difficult to be plated on the surface. The optimum V / A ratio, which is the ratio of the plating solution amount (V) to the plating area (A), is 4 to 6. This is because when the V / A ratio is small, the plating film thickness is small, and when the V / A ratio is large, the metal salt is saturated and many metal salts that are not consumed remain.

以上のように、この実施形態の水素分離器1では、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターからなるポーラス部11の表面に対して、パラジウム−銅製膜を交互に行って積層し、銅の重量比40%とした後、合金化を行った。ただし、合金化時にクラックが生じるため、銅の膜厚は一度に7μmを超えないよう、1回あたりのメッキ時間を60〜90分に調整して銅製膜を行うと良い。また、合金化は、675℃、16時間水素雰囲気で処理を行う。これにより、ポーラス部11の表面に形成したパラジウム製膜は、fcc(面心立方格子構造)からbcc(体心立方格子構造)へ構造が転移する。なお、ポーラス部11の表面に生成するパラジウム製膜、あるいはパラジウム−銅合金製膜の水素分離膜は、ともに全体の膜厚は30μm以下とする。   As described above, in the hydrogen separator 1 of this embodiment, the surface of the porous portion 11 made of a stainless steel filter having pores having an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is desirable in consideration of efficiency of 2 μm or less and Pd. On the other hand, palladium-copper film | membrane was performed alternately and laminated | stacked, and after making it the copper weight ratio 40%, alloying was performed. However, since cracks occur during alloying, the copper film is preferably formed by adjusting the plating time per time to 60 to 90 minutes so that the film thickness of copper does not exceed 7 μm at a time. Alloying is performed in a hydrogen atmosphere at 675 ° C. for 16 hours. Thereby, the structure of the palladium film formed on the surface of the porous portion 11 is changed from fcc (face centered cubic lattice structure) to bcc (body centered cubic lattice structure). Note that the total film thickness of the palladium membrane formed on the surface of the porous portion 11 or the palladium-copper alloy membrane hydrogen separation membrane is 30 μm or less.

次に、以上のようにして構成した本発明の水素分離器1の性能についての実験結果を示す。   Next, the experimental result about the performance of the hydrogen separator 1 of this invention comprised as mentioned above is shown.

図6は、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜と他の水素分離法との性能比較結果を示す。   FIG. 6 shows performance comparison results between the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment and other hydrogen separation methods.

図6において、横軸は、触媒温度[℃]、縦軸は水素純度[%]を示しており、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜によって分離した水素純度と、ガス冷却と高分子膜分離によって分離した水素純度と、ガス冷却分離によって分離した水素純度とを、それぞれ、丸印、三角印、四角印で示した。図6からも明らかなように、本実施形態の水素分離器1によって分離した水素は、燃料電池性能が低下しない99%以上の純度で、ガス冷却分離(四角印)や、ガス冷却分離+高分子膜(三角印)よりも高い純度の水素が得られることがわかった。なお、丸印で示す水素分離器1の水素分離膜の場合には、分離前の混合ガスにおける水素ガスの割合(入口水素)は、8.9%である一方、四角印で示したガス冷却分離などの場合には、混合ガスにおける水素ガスの割合(入口水素)は、7.4%であった。   In FIG. 6, the horizontal axis indicates the catalyst temperature [° C.] and the vertical axis indicates the hydrogen purity [%]. The hydrogen purity separated by the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment, the gas cooling, and the high The hydrogen purity separated by the molecular membrane separation and the hydrogen purity separated by the gas cooling separation are indicated by a circle mark, a triangle mark, and a square mark, respectively. As is clear from FIG. 6, the hydrogen separated by the hydrogen separator 1 of the present embodiment has a purity of 99% or more without deteriorating the fuel cell performance, gas cooling separation (square mark), gas cooling separation + high It was found that hydrogen having a higher purity than that of the molecular film (triangle mark) can be obtained. In the case of the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 indicated by circles, the ratio of hydrogen gas (inlet hydrogen) in the mixed gas before separation is 8.9%, while the gas cooling indicated by squares In the case of separation or the like, the ratio of hydrogen gas in the mixed gas (inlet hydrogen) was 7.4%.

図7は、本実施形態の水素分離器1により分離した水素や、その水素に含まれる不純物の濃度を示す図である。   FIG. 7 is a diagram showing the concentration of hydrogen separated by the hydrogen separator 1 of the present embodiment and impurities contained in the hydrogen.

図7は、14回試験を行い、最大濃度と、最小濃度と、平均濃度とを示しており、分離した水素は、最大濃度が99.71%、最小濃度が98.44%、平均濃度が99.28%である。また、分離した水素に含まれる不純物としては、水素貯蔵原料であるメチルシクロヘキサン(MCH)から分解した副生ガスであるメタンが平均濃度0.72%で、メチルシクロヘキサン(MCH)や、シクロヘキサン(CYH)、メチルシクロヘキサン(MCH)から水素を取り出した有機ガスであるトルエン(TOL)や、発がん性があるベンゼン(BEN)は、水素に含まれていなかった。なお、メタンが5%含まれていても、燃料電池の被毒成分にならないことを確認しているので、本実施形態の水素分離器1は、燃料電池に使用できる。   FIG. 7 shows the maximum concentration, the minimum concentration, and the average concentration after 14 tests. The separated hydrogen has a maximum concentration of 99.71%, a minimum concentration of 98.44%, and an average concentration. 99.28%. As impurities contained in the separated hydrogen, methane, which is a by-product gas decomposed from methylcyclohexane (MCH), which is a hydrogen storage raw material, has an average concentration of 0.72%, and methylcyclohexane (MCH), cyclohexane (CYH) ), Toluene (TOL), which is an organic gas obtained by extracting hydrogen from methylcyclohexane (MCH), and carcinogenic benzene (BEN) were not contained in hydrogen. Since it has been confirmed that even if 5% of methane is contained, it is not a poisoning component of the fuel cell, the hydrogen separator 1 of this embodiment can be used for a fuel cell.

図8は、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜による窒素透過試験の結果を示す図である。   FIG. 8 is a diagram showing the results of a nitrogen permeation test using the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment.

図8において、横軸はメッキ膜厚[μm]、縦軸は窒素透過流束[m/m・h・MPa]を示しており、曲線L81は、最大径3μmを有する多孔質ステンレスフィルターにパラジウム製膜を生成した場合の窒素透過流束[m/m・h・MPa]を示している。また、曲線L82は、平均4μm〜0.6μmの径を有するステンレスフィルターにパラジウム製膜をメッキした水素分離器1による窒素透過流束[m/m・h・MPa]を示している。最大径3μmを有する多孔質ステンレスフィルターにパラジウム製膜を生成した場合には、曲線L81に示すように、窒素透過流束[m/m・h・MPa]が曲線L82の場合より高く、パラジウム製膜のメッキ膜厚を30[μm]程度に厚くしても、窒素ガスを阻止できないことがわかる。 In FIG. 8, the horizontal axis represents the plating film thickness [μm], the vertical axis represents the nitrogen permeation flux [m 3 / m 2 · h · MPa], and the curve L81 represents a porous stainless steel filter having a maximum diameter of 3 μm. Shows the nitrogen permeation flux [m 3 / m 2 · h · MPa] when a palladium film is formed. A curve L82 indicates a nitrogen permeation flux [m 3 / m 2 · h · MPa] by the hydrogen separator 1 in which a stainless steel filter having an average diameter of 4 μm to 0.6 μm is plated with a palladium membrane. When a palladium film is formed on a porous stainless steel filter having a maximum diameter of 3 μm, as shown by a curve L81, the nitrogen permeation flux [m 3 / m 2 · h · MPa] is higher than that of the curve L82, It can be seen that even if the plating film thickness of the palladium film is increased to about 30 [μm], nitrogen gas cannot be blocked.

これに対し、平均0.4μm〜0.6μmの径を有するステンレスフィルターにパラジウム製膜をメッキした本実施形態の水素分離器1の場合、曲線L82に示すように、パラジウム製膜のメッキ膜厚が25μm以下で、窒素ガスを阻止できることがわかる。   On the other hand, in the case of the hydrogen separator 1 of this embodiment in which a palladium film is plated on a stainless filter having an average diameter of 0.4 μm to 0.6 μm, as shown by a curve L82, the plating film thickness of the palladium film. Is 25 μm or less, it can be seen that nitrogen gas can be blocked.

図9は、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜による水素透過試験の結果を示す図である。図9において、横軸は、時間[h]を示す一方、縦軸は、水素の透過流束[m/m・h・MPa]または温度[℃]を示しており、水素透過試験を水素ガスボンベ(99.5%)雰囲気で行った。図9において、窒素透過流束は、四角印で示し、水素透過流束は、丸印で示し、温度変化をバツ印で示しており、4時間過ぎ〜6時間過ぎの間で、窒素ガスと水素ガスとを切り替えて試験を行った。 FIG. 9 is a diagram showing the results of the hydrogen permeation test using the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment. In FIG. 9, the horizontal axis indicates time [h], while the vertical axis indicates hydrogen permeation flux [m 3 / m 2 · h · MPa] or temperature [° C.]. A hydrogen gas cylinder (99.5%) atmosphere was used. In FIG. 9, the nitrogen permeation flux is indicated by square marks, the hydrogen permeation flux is indicated by circles, and the temperature change is indicated by cross marks. Between 4 hours and 6 hours, nitrogen gas and The test was performed by switching to hydrogen gas.

この図9に示す実験結果からも、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜は、ほとんどの温度で、窒素を透過させず、水素をおよそ45[m/m・h・MPa]で透過することがわかった。その結果、図8および図9に示す実験結果から、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜は、平均径が0.4μm〜0.6μmの細孔を有する多孔質ステンレスフィルターでは、水素分離膜のめっき膜の厚みを25μm以下とすると、水素透過流束は45[m/m・h・MPa]、窒素透過流束は0.0[m/m・h・MPa]以下(検出限界値)となることがわかった。 From the experimental results shown in FIG. 9 as well, the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment does not allow nitrogen to pass through at most temperatures, and hydrogen is about 45 [m 3 / m 2 · h · MPa]. It turned out to be permeated. As a result, from the experimental results shown in FIG. 8 and FIG. 9, the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of this embodiment is a porous stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 μm to 0.6 μm. When the thickness of the plating film of the separation membrane is 25 μm or less, the hydrogen permeation flux is 45 [m 3 / m 2 · h · MPa] and the nitrogen permeation flux is 0.0 [m 3 / m 2 · h · MPa]. The following (detection limit value) was found.

図10は、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜による水素脆化試験の結果を示す図であり、(a)は横軸に時間[h]をとり、縦軸に水素の透過流束[m/m・h・MPa]とパラジウム製膜の温度[℃]をとった図である一方、(b)は横軸にパラジウム製膜の温度[℃]とる一方,縦軸に水素の透過流束[m/m・h・MPa]をとった図である。試験の条件としては、ステンレスフィルターからなるポーラス部11の表面のメッキはパラジウム製膜で、供給する水素は水素濃度が99.5%で、水素ガスの圧力が0.2MPaの水素ガスボンベを使用する。なお、図10(a)において、曲線L91は、パラジウム製膜の温度変化[℃]を示している一方、曲線L92は、水素の透過流束[m/m・h・MPa]の変化を示している。図10(a),(b)から明らかなように、パラジウム製膜が水素ガスに起因する水素脆化が発生するのは、パラジウム製膜の膜温度がおよそ120℃の場合である。 FIG. 10 is a diagram showing the results of a hydrogen embrittlement test using the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment. FIG. 10A shows time [h] on the horizontal axis and the hydrogen permeation flow on the vertical axis. The figure shows the bundle [m 3 / m 2 · h · MPa] and the temperature [° C.] of the palladium film, while (b) shows the temperature [° C.] of the palladium film on the horizontal axis, It is the figure which took the permeation flux [m < 3 > / m < 2 > * h * MPa] of hydrogen. As test conditions, the surface of the porous part 11 made of a stainless steel filter is made of palladium, and the supplied hydrogen is a hydrogen gas cylinder with a hydrogen concentration of 99.5% and a hydrogen gas pressure of 0.2 MPa. . In FIG. 10A, a curve L91 indicates a temperature change [° C.] of the palladium film, while a curve L92 indicates a change in hydrogen permeation flux [m 3 / m 2 · h · MPa]. Is shown. As is clear from FIGS. 10A and 10B, hydrogen embrittlement due to hydrogen gas occurs in the palladium film when the film temperature of the palladium film is approximately 120 ° C.

図11は、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜による高濃度有機溶媒存在下におけるパラジウム製膜が損傷(破損)する温度を示す図である。   FIG. 11 is a diagram illustrating a temperature at which a palladium membrane is damaged (broken) in the presence of a high concentration organic solvent by the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment.

図11において、横軸は本実施形態の水素分離器1の反応器の加熱温度[℃]をとる一方,縦軸に水素の純度[%]と透過流束[m/m・h・MPa]をとって、水素純度、水素透過流束、窒素透過流束を、それぞれ、四角印、丸印、三角印で示している。この図11からすると、反応器の加熱温度[℃]が250℃より下がると、水素純度が99%より小さくなるので、250℃でパラジウム製膜が破損することがわかる。 In FIG. 11, the horizontal axis represents the heating temperature [° C.] of the reactor of the hydrogen separator 1 of the present embodiment, while the vertical axis represents hydrogen purity [%] and permeation flux [m 3 / m 2 · h · [MPa], and the hydrogen purity, hydrogen permeation flux, and nitrogen permeation flux are indicated by square marks, circle marks, and triangle marks, respectively. From FIG. 11, it can be seen that when the heating temperature [° C.] of the reactor falls below 250 ° C., the hydrogen purity becomes smaller than 99%, and thus the palladium film is damaged at 250 ° C.

図12は、本実施形態の水素分離器1の水素分離膜による高濃度有機溶媒存在下におけるパラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜の損傷を示しており、(a)では、横軸に反応器の加熱温度[℃]をとる一方,縦軸に水素の純度[%]と透過流束[m/m・h・MPa]をとって、水素純度と水素透過流束を、それぞれ、四角印、丸印で示している。また、(b)では、横軸に反応器の加熱温度[℃]をとる一方、縦軸に反応器の電力量[Wh]をとっている。 FIG. 12 shows the damage of the palladium-copper (Pd—Cu) alloy membrane in the presence of the high concentration organic solvent by the hydrogen separation membrane of the hydrogen separator 1 of the present embodiment. In FIG. While taking the heating temperature [° C.] of the reactor, the hydrogen purity [%] and the permeation flux [m 3 / m 2 · h · MPa] are taken on the vertical axis, , Square marks and circle marks. In (b), the horizontal axis represents the reactor heating temperature [° C.] while the vertical axis represents the reactor power [Wh].

触媒と同じ反応器で水素を取り出すことにより、前行程の触媒温度350℃の残熱ガス温度でパラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜温度が140℃に昇温し、図12(b)に示すように、パラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜の加熱の消費電力量がゼロになった。パラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜温度が、すなわち反応器の加熱温度が140℃でも、図12(a)に示すように水素純度は98%強あり、99%を若干下回ったものの、水素透過流束がほぼ2.0[m/m・h・MPa]弱で変化がなく、パラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜の損傷なしと判断できる。なお、これは、パラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜の試料の水素透過流束が、図12(a)に示すように2.0[m/m・h・MPa](基準値以下)を用いた影響と考える。 By removing hydrogen in the same reactor as the catalyst, the palladium-copper (Pd—Cu) alloy film-forming temperature was raised to 140 ° C. at the residual heat gas temperature of 350 ° C. in the previous step, and FIG. As shown in FIG. 4, the power consumption of heating of the palladium-copper (Pd—Cu) alloy film became zero. Even when the palladium-copper (Pd—Cu) alloy film-forming temperature, that is, the heating temperature of the reactor was 140 ° C., the hydrogen purity was slightly over 98% as shown in FIG. It can be judged that the hydrogen permeation flux is almost 2.0 [m 3 / m 2 · h · MPa] and there is no change, and the palladium-copper (Pd—Cu) alloy film is not damaged. This is because the hydrogen permeation flux of the palladium-copper (Pd-Cu) alloy film sample is 2.0 [m 3 / m 2 · h · MPa] (reference) as shown in FIG. This is considered to be an effect using

従って、本実施形態の水素分離膜および水素分離器によれば、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターを担持体とし、そのステンレスフィルターの表面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム−銅(Pd−Cu)合金等をメッキして水素分離膜を形成するようにしたため、水素分離器1を複雑な形状に加工することができる。   Therefore, according to the hydrogen separation membrane and the hydrogen separator of the present embodiment, the stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is desirably used as the carrier in consideration of efficiency of 2 μm or less and Pd, Since the surface of the stainless steel filter is plated with palladium or palladium-copper (Pd-Cu) alloy based on palladium to form a hydrogen separation membrane, the hydrogen separator 1 can be processed into a complicated shape. it can.

特に、パラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム−銅(Pd−Cu)合金等をメッキするステンレスフィルターからなるポーラス部11とノンポーラス部12との溶接部や、ポーラス部11と盲栓13との溶接部には、図1に示すように、Oリング14を嵌めるようにしたため、溶接部における水素分離膜が剥離することを防止でき、ポーラス部11から混合ガスが漏れることを防止できる。   In particular, welding between the porous portion 11 and the non-porous portion 12 made of a stainless steel filter plated with palladium or a palladium-copper (Pd—Cu) alloy based on palladium, or between the porous portion 11 and the blind plug 13. As shown in FIG. 1, since the O-ring 14 is fitted to the part, the hydrogen separation membrane in the welded part can be prevented from peeling off, and the mixed gas can be prevented from leaking from the porous part 11.

また、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターの表面にパラジウム製膜をメッキした場合、図10に示すように水素脆化が発生する膜温度は、120℃であったが、高濃度有機溶媒を使用する有機ハイドライド系では、図11に示すように、反応器の加熱温度が250℃でもパラジウム製膜の破損が発生する。しかし、ステンレスフィルターの表面にパラジウム−銅(Pd−Cu)合金をメッキすると、図12に示すように、反応器の加熱温度が140℃でもパラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜の破損が発生せず、高濃度有機溶媒を使用する有機ハイドライド系でも、水素脆化による損傷を防止できる。   Also, considering the efficiency of Pd of 2 μm or less, preferably when a palladium film is plated on the surface of a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm, hydrogen embrittlement as shown in FIG. The film temperature at which the generation of hydrogen was 120 ° C. However, in an organic hydride system using a high-concentration organic solvent, as shown in FIG. 11, damage to the palladium film occurs even when the heating temperature of the reactor is 250 ° C. . However, when a palladium-copper (Pd-Cu) alloy is plated on the surface of the stainless steel filter, the palladium-copper (Pd-Cu) alloy film is damaged even when the heating temperature of the reactor is 140 ° C., as shown in FIG. Even in an organic hydride system using a high concentration organic solvent, damage due to hydrogen embrittlement can be prevented.

実施形態2.
次に、実施形態1の水素分離器1を使用した本発明に係る有機ハイドライドシステムを、実施形態2として説明する。
Embodiment 2. FIG.
Next, an organic hydride system according to the present invention using the hydrogen separator 1 of Embodiment 1 will be described as Embodiment 2.

図13は、本発明に係る有機ハイドライドシステム2の構成を示す図である。   FIG. 13 is a diagram showing a configuration of the organic hydride system 2 according to the present invention.

この有機ハイドライドシステム2は、図13に示すように、MCH(メチルシクロへキサン)タンク21と、定量ポンプ22と、水素ボンベ23と、実施形態1の水素分離器1と、冷却分離器25と、回収タンク26と、燃料電池27とを有する。   As shown in FIG. 13, the organic hydride system 2 includes an MCH (methylcyclohexane) tank 21, a metering pump 22, a hydrogen cylinder 23, the hydrogen separator 1 of the first embodiment, a cooling separator 25, A recovery tank 26 and a fuel cell 27 are provided.

実施形態1の水素分離器1は、反応器24の中に水素分離膜を形成したポーラス部11と、白金(プラチナ)等の触媒を収容しており、反応器24の中に、水素ボンベ23からの水素ガスとMCH(メチルシクロへキサン)タンク21からのMCH(メチルシクロへキサン)ガスの混合ガスを流入させて、ポーラス部11表面の水素分離膜に水素ガスのみ分離してポーラス部11とノンポーラス部12の中を通す。そして、ポーラス部11とノンポーラス部12の中を通った水素ガスは、ノンポーラス部12の開放端(図1参照。)から燃料電池27へ供給するように構成する一方、水素分離膜を通過しなかった水素貯蔵原料(有機溶媒)であるメチルシクロヘキサン(MCH)ガスや、トルエン(TOL)等の有機ガスは、冷却分離器25へ供給するように構成している。   The hydrogen separator 1 according to the first embodiment accommodates a porous portion 11 in which a hydrogen separation membrane is formed in a reactor 24 and a catalyst such as platinum (platinum). A hydrogen cylinder 23 is contained in the reactor 24. The hydrogen gas from the MCH (methylcyclohexane) tank 21 and the MCH (methylcyclohexane) gas mixture gas from the MCH (methylcyclohexane) tank 21 are allowed to flow into the hydrogen separation membrane on the surface of the porous portion 11 to separate only the hydrogen gas and Pass through the porous portion 12. The hydrogen gas that has passed through the porous portion 11 and the non-porous portion 12 is supplied to the fuel cell 27 from the open end (see FIG. 1) of the non-porous portion 12, while passing through the hydrogen separation membrane. An organic gas such as methylcyclohexane (MCH) gas or toluene (TOL), which is a hydrogen storage raw material (organic solvent) that has not been supplied, is supplied to the cooling separator 25.

冷却分離器25は、水素分離膜を通過しなかったメチルシクロヘキサン(MCH)ガスや、トルエン(TOL)等をおよそ5℃くらいまで冷却して、さらに、水素ガスと、メチルシクロヘキサン(MCH)ガスや、トルエン(TOL)等の有機ガスとに分離して、水素ガスは燃料電池27に供給する一方、メチルシクロヘキサン(MCH)ガスや、トルエン(TOL)等の有機ガスは、回収タンク26へ供給して回収し、再利用する。   The cooling separator 25 cools methylcyclohexane (MCH) gas that has not passed through the hydrogen separation membrane, toluene (TOL), etc. to about 5 ° C., and further, hydrogen gas, methylcyclohexane (MCH) gas, The hydrogen gas is separated into organic gas such as toluene (TOL) and supplied to the fuel cell 27, while the organic gas such as methylcyclohexane (MCH) gas and toluene (TOL) is supplied to the recovery tank 26. To collect and reuse.

次に、反応器24の中における水素分離膜を形成したポーラス部11の設置形式について具体的に説明する。   Next, the installation form of the porous part 11 in which the hydrogen separation membrane is formed in the reactor 24 will be specifically described.

図13に示すように、反応器24の中に水素分離膜を形成したポーラス部11を1本設けても良いが、これでは、水素分離の効率があまり良くない。そこで、反応器24の中に、水素分離膜を形成した複数本のポーラス部11を設けると良い。   As shown in FIG. 13, one porous portion 11 having a hydrogen separation membrane formed therein may be provided in the reactor 24, but in this case, the efficiency of hydrogen separation is not so good. Therefore, it is preferable to provide a plurality of porous portions 11 formed with hydrogen separation membranes in the reactor 24.

図14は、反応器24の中に水素分離膜を形成したポーラス部11を4本設けた一例を示している。反応器24は、縦横100mmで、200mmの長さの大きさで、この中に4本のポーラス部11を収容している。また、図14において、24aは水素ガスとメチルシクロヘキサンの混合ガスの入口であり、24bはその混合ガスから水素ガスが分離された残余ガスの排出口である。なお、混合ガスの入口と出口とを逆にすることもできる。なお、ノンポーラス部12は、反応器24の外に設ける。ここで、水素分離器1は、上述したようにポーラス部11とノンポーラス部12や、ポーラス部11と盲栓13との間の溶接部では、水素分離膜のめっき不良が生じ、ガス漏れが生じるため、後述する図15に示すようにOリング14を設けている。   FIG. 14 shows an example in which four porous portions 11 in which a hydrogen separation membrane is formed are provided in the reactor 24. The reactor 24 has a length and width of 100 mm and a length of 200 mm, and accommodates four porous portions 11 therein. In FIG. 14, 24a is an inlet of a mixed gas of hydrogen gas and methylcyclohexane, and 24b is an outlet of a residual gas obtained by separating the hydrogen gas from the mixed gas. In addition, the inlet and outlet of the mixed gas can be reversed. The nonporous portion 12 is provided outside the reactor 24. Here, as described above, in the hydrogen separator 1, in the welded portion between the porous portion 11 and the non-porous portion 12 or between the porous portion 11 and the blind plug 13, poor plating of the hydrogen separation membrane occurs and gas leakage occurs. For this purpose, an O-ring 14 is provided as shown in FIG.

ここで、反応器24内の条件は、例えば、次の通りとする。
水素透過流束:20[m/m・h・MPa]。
窒素透過流束:2[m/m・h・MPa]以下。
水素透過量:1.5L/min(燃料電池の100W相当)。
圧力差:0.2MPa
使用温度域:140℃以上
Pd膜透過水素純度:99%以上
Pd合金製膜のめっき有効面積:225cm
Here, the conditions in the reactor 24 are as follows, for example.
Hydrogen permeation flux: 20 [m 3 / m 2 · h · MPa].
Nitrogen permeation flux: 2 [m 3 / m 2 · h · MPa] or less.
Hydrogen permeation amount: 1.5 L / min (equivalent to 100 W of fuel cell).
Pressure difference: 0.2 MPa
Operating temperature range: 140 ° C. or higher Pd membrane permeation hydrogen purity: 99% or higher Pd alloy film plating effective area: 225 cm 2

これは、1kWh出力に必要な水素量は、理論値で13.88L/分(832L/H)であるが、燃料電池27内を未反応で通過する未利用水素があるため、一般には、1[m/kWh]と言われている。そして、100Wの燃料電池27に必要な水素量は、100[L/h]÷60[min]≒1.5[L/min](1.5×60=90[L/h])・0.09[m/h]となる。 This is because the theoretical amount of hydrogen required for 1 kWh output is 13.88 L / min (832 L / H), but since there is unused hydrogen that passes through the fuel cell 27 unreacted, in general, 1 It is said [m 3 / kWh]. The amount of hydrogen required for the 100 W fuel cell 27 is 100 [L / h] ÷ 60 [min] ≈1.5 [L / min] (1.5 × 60 = 90 [L / h]) · 0 .09 [m 3 / h].

水素分離膜の性能は、水素パーミアンス[m/m・h・MPa]で示される。20[m/m・h・MPa]を有する水素分離膜は、1[m/h]の水素を取り出すにために、0.05[m](500[cm])の表面積が必要となり、0.2[MPa]で補正すると、500×1/0.2=2500[cm]となる。そのため、100W相当の燃料電池27の水素透過量が1.5[L/min](0.09[m/h]が必要であることから、2500[cm]×0.09=225[cm]となる。 The performance of the hydrogen separation membrane is indicated by hydrogen permeance [m 3 / m 2 · h · MPa]. A hydrogen separation membrane having 20 [m 3 / m 2 · h · MPa] has a surface area of 0.05 [m 2 ] (500 [cm 2 ]) in order to extract 1 [m 3 / h] of hydrogen. If it is corrected at 0.2 [MPa], 500 × 1 / 0.2 = 2500 [cm 2 ] is obtained. Therefore, since the hydrogen permeation amount of the fuel cell 27 equivalent to 100 W needs to be 1.5 [L / min] (0.09 [m 3 / h], 2500 [cm 2 ] × 0.09 = 225 [ cm 2 ].

従って、水素分離膜を設けたポーラス部11として、仮に、径が1/2インチのステンレス製管を4本設ける場合には、225[cm]÷(2×3.14×2.54/4)×4≒14[cm]となり、その長さは約14cmで十分となり、10cm×10cm×20cmの大きさの反応器24の外径寸法内に収まる。しかし、本実施形態では、径が1/2インチで長さ20cmのステンレス製管を使用するため、その表面積は、1本当り、2πr×長さ=2×3.14×2.54/4×20cm=80[cm]であり、4本のステンレス製管を使用するため、80×4=320[cm]となる。これは、パラジウム(Pd)合金製膜のめっき有効面積である225[cm]より大きくなる。 Therefore, if four stainless steel pipes having a diameter of 1/2 inch are provided as the porous portion 11 provided with the hydrogen separation membrane, 225 [cm 2 ] ÷ (2 × 3.14 × 2.54 / 4) × 4≈14 [cm], and a length of about 14 cm is sufficient, and it falls within the outer diameter of the reactor 24 having a size of 10 cm × 10 cm × 20 cm. However, in this embodiment, since a stainless steel tube having a diameter of 1/2 inch and a length of 20 cm is used, the surface area is 2πr × length = 2 × 3.14 × 2.54 / 4 per tube. × 20 cm = 80 [cm 2 ], and since four stainless steel tubes are used, 80 × 4 = 320 [cm 2 ]. This is larger than 225 [cm 2 ], which is the effective plating area of the palladium (Pd) alloy film.

従って、この有機ハイドライドシステム2では、反応器24内に収容された後述するポーラス部11,11’に表面に形成された水素分離膜の表面積が225[cm]以上とすることにより、100W相当の燃料電池27の水素透過量である1.5[L/min]を達成できる。 Therefore, in this organic hydride system 2, the surface area of the hydrogen separation membrane formed on the surface of porous portions 11 and 11 ′, which will be described later, accommodated in the reactor 24 is set to 225 [cm 2 ] or more, which is equivalent to 100 W. The hydrogen permeation amount of the fuel cell 27 of 1.5 [L / min] can be achieved.

図15は、実施形態2の有機ハイドライドシステム2における水素分離器1へのOリング14の取り付け方法を示す図で、(a)はポーラス部11とノンポーラス部12との間の溶接部である図14(b)におけるA部分の拡大断面図、(b)はポーラス部11と盲栓13との間の溶接部である図14(b)におけるB部分の拡大断面図である。   FIG. 15 is a view showing a method of attaching the O-ring 14 to the hydrogen separator 1 in the organic hydride system 2 of Embodiment 2, and (a) is a welded portion between the porous portion 11 and the nonporous portion 12. 14B is an enlarged cross-sectional view of a portion A in FIG. 14B, and FIG. 14B is an enlarged cross-sectional view of a portion B in FIG. 14B, which is a welded portion between the porous portion 11 and the blind plug 13.

図15(a)に示すように、反応器24の上部には、ポーラス部11とノンポーラス部12との溶接部近傍を支持する上側支持部24cが設けられており、上側支持部24cの内周面には切溝24c1を設けておき、その切溝24c1にガス漏れを防止するため、12.7mmの外径を有するポーラス部11とノンポーラス部12が挿入可能で、かつ、ポーラス部11表面の水素分離膜の浮きを押さえるため、内径が12.0〜12.5mm程度のOリング14を嵌めている。なお、Oリング14は、切溝24c1に接着剤などで固定しておくと、さらに、Oリング14と切溝24c1との間を通過することを防止できるので、さらにガス漏れを防止できる。また、上側支持部24cの外周面には、ネジ部24c2を設け、そのネジ部24c2には内周面にネジ溝15aを有する袋ナット15をネジ結合により嵌めている。ただし、図15(a)に示す袋ナット15の場合、水素分離器1のポーラス部11およびノンポーラス部12とを通す必要があるため、その中心にポーラス部11およびノンポーラス部12の外径である12.7mmの孔が形成されている。なお、図15(a)の場合、袋ナット15の先端が、切溝24c1に嵌めたOリング14まで届いていないが、袋ナット15の先端をOリング14まで届くように伸ばして、袋ナット15によるOリング14の締付け効果を増大させても良い。   As shown in FIG. 15 (a), an upper support 24c that supports the vicinity of the welded portion between the porous portion 11 and the nonporous portion 12 is provided at the top of the reactor 24. A cut groove 24c1 is provided on the peripheral surface, and in order to prevent gas leakage in the cut groove 24c1, a porous portion 11 and a non-porous portion 12 having an outer diameter of 12.7 mm can be inserted, and the porous portion 11 In order to suppress the floating of the hydrogen separation membrane on the surface, an O-ring 14 having an inner diameter of about 12.0 to 12.5 mm is fitted. If the O-ring 14 is fixed to the kerf 24c1 with an adhesive or the like, it can be further prevented from passing between the O-ring 14 and the kerf 24c1, thereby further preventing gas leakage. Further, a screw portion 24c2 is provided on the outer peripheral surface of the upper support portion 24c, and a cap nut 15 having a screw groove 15a on the inner peripheral surface is fitted into the screw portion 24c2 by screw connection. However, in the case of the cap nut 15 shown in FIG. 15 (a), it is necessary to pass through the porous portion 11 and the nonporous portion 12 of the hydrogen separator 1, so that the outer diameters of the porous portion 11 and the nonporous portion 12 are at the center. A 12.7 mm hole is formed. In the case of FIG. 15A, the tip of the cap nut 15 does not reach the O-ring 14 fitted in the kerf 24c1, but the tip of the cap nut 15 is extended so as to reach the O-ring 14, and the cap nut The tightening effect of the O-ring 14 by 15 may be increased.

従って、ポーラス部11とノンポーラス部12との溶接部のポーラス部11側にOリング14を設けたことにより、ポーラス部11とノンポーラス部12との溶接部近傍にメッキされた水素分離膜の浮きを押さえることができると共に、反応器24の中に充填された混合ガスがポーラス部11の外周面を伝わってポーラス部11とノンポーラス部12との溶接部に達することを阻止して、ポーラス部11とノンポーラス部12との溶接部からポーラス部11の中に入り込むことを防止できる。特に、Oリング14は、反応器24の上側支持部24cの切溝24c1に嵌められており、その上側支持部24cは、袋ナット15によりネジ結合により締付けられているため、袋ナット15を設けない場合よりも、Oリング14の膨張を抑制することが可能であり、ガス漏れをさらに防止できる。   Therefore, by providing the O-ring 14 on the porous portion 11 side of the welded portion between the porous portion 11 and the nonporous portion 12, the hydrogen separation membrane plated near the welded portion between the porous portion 11 and the nonporous portion 12 can be obtained. It is possible to suppress floating, and to prevent the mixed gas filled in the reactor 24 from reaching the welded portion between the porous portion 11 and the nonporous portion 12 through the outer peripheral surface of the porous portion 11. It can prevent entering into the porous part 11 from the welding part of the part 11 and the non-porous part 12. FIG. In particular, the O-ring 14 is fitted in a kerf 24c1 of the upper support 24c of the reactor 24, and the upper support 24c is tightened by screw connection with a cap nut 15, so that a cap nut 15 is provided. The expansion of the O-ring 14 can be suppressed as compared with the case where there is no gas leakage, and gas leakage can be further prevented.

また、図15(b)に示すように、反応器24の下部には、ポーラス部11と盲栓13との溶接部近傍を支持する下側支持部24dが設けられており、下側支持部24dの内周面には切溝24d1を設けておき、その切溝24d1にガス漏れを防止するため、ポーラス部11と盲栓13が挿入可能で、かつ、ポーラス部11表面の水素分離膜の浮きを押さえるOリング14を嵌めている。なお、上側支持部24cと同様に、Oリング14は、切溝24d1に接着剤などで固定しておくと、さらに、より効果的にガス漏れを防止できる。また、下側支持部24dの外周面には、ネジ部24d2を設け、そのネジ部24d2には内周面にネジ溝15a’を有する袋ナット15’をネジ結合により嵌めている。ただし、図15(b)に示す袋ナット15’の場合、孔は必要ない。また、図15(b)の場合も、袋ナット15’の先端が、切溝24d1に嵌めたOリング14まで届いていないが、袋ナット15’によるOリング14の締付け効果を増大させるため、袋ナット15’の先端をOリング14まで伸ばしても良い。   Further, as shown in FIG. 15 (b), a lower support portion 24d for supporting the vicinity of the welded portion between the porous portion 11 and the blind plug 13 is provided at the lower portion of the reactor 24. A cut groove 24d1 is provided on the inner peripheral surface of 24d, and in order to prevent gas leakage into the cut groove 24d1, the porous portion 11 and the blind plug 13 can be inserted, and the hydrogen separation membrane on the surface of the porous portion 11 can be inserted. An O-ring 14 that holds the float is fitted. Similarly to the upper support portion 24c, if the O-ring 14 is fixed to the kerf 24d1 with an adhesive or the like, gas leakage can be more effectively prevented. In addition, a screw portion 24d2 is provided on the outer peripheral surface of the lower support portion 24d, and a cap nut 15 'having a screw groove 15a' on the inner peripheral surface is fitted into the screw portion 24d2 by screw connection. However, in the case of the cap nut 15 'shown in FIG. Also, in the case of FIG. 15B, the tip of the cap nut 15 ′ does not reach the O-ring 14 fitted in the cut groove 24d1, but in order to increase the tightening effect of the O-ring 14 by the cap nut 15 ′, The tip of the cap nut 15 ′ may be extended to the O-ring 14.

従って、ポーラス部11と盲栓13との溶接部のポーラス部11側にOリング14を設けたことにより、ポーラス部11と盲栓13との溶接部近傍にメッキされた水素分離膜の浮きを押さえることができると共に、反応器24の中に充填された混合ガスがポーラス部11の外周面を伝わってポーラス部11と盲栓13との溶接部に達することを阻止して、ポーラス部11と盲栓13との溶接部からポーラス部11の中に入り込むことを防止できる。特に、Oリング14は、反応器24の下側支持部24dの切溝24d1に嵌められており、その下側支持部24dは、袋ナット15’によりネジ結合により締付けられているため、袋ナット15’を設けない場合よりも、Oリング14の膨張を抑制することが可能であり、ガス漏れをさらに防止できる。   Therefore, by providing the O-ring 14 on the porous portion 11 side of the welded portion between the porous portion 11 and the blind plug 13, the hydrogen separation membrane plated near the welded portion between the porous portion 11 and the blind plug 13 is floated. The mixed gas filled in the reactor 24 can be prevented from reaching the welded portion between the porous portion 11 and the blind plug 13 through the outer peripheral surface of the porous portion 11 and the porous portion 11. It can prevent entering into the porous part 11 from the welding part with the blind plug 13. In particular, the O-ring 14 is fitted in a kerf 24d1 of the lower support portion 24d of the reactor 24, and the lower support portion 24d is tightened by screw connection with a cap nut 15 '. The expansion of the O-ring 14 can be suppressed as compared with the case where 15 ′ is not provided, and gas leakage can be further prevented.

そして、図13に示すような有機ハイドライドシステム2において、実施形態1の有効表面積39[cm]の水素分離膜を形成したポーラス部11を使用した場合、350℃から250℃まで暫時、温度を低下させて各5時間運転しても、水素脆化がないことが確認できた。350℃で水素純度99.48%、水素透過流束5.7[m]/m・h・MPa]、窒素透過流束0.3[m/m・h・MPa]、250℃で水素純度98.96%、水素透過流束6.8[m/m・h・MPa]、窒素透過流束3.0[m/m・h・MPa]であった。なお、250℃未満では水素分離膜に損傷が見られたため、水素分離膜の加熱が必要となり消費電力の大幅な削減はできない。 And in the organic hydride system 2 as shown in FIG. 13, when the porous part 11 in which the hydrogen separation membrane having the effective surface area of 39 [cm 2 ] of the first embodiment is used, the temperature is changed from 350 ° C. to 250 ° C. for a while. It was confirmed that there was no hydrogen embrittlement even if the operation was carried out for 5 hours each. Hydrogen purity 99.48% at 350 ° C., hydrogen permeation flux 5.7 [m] 3 / m 2 · h · MPa], nitrogen permeation flux 0.3 [m 3 / m 2 · h · MPa], 250 The hydrogen purity at 98 ° C. was a hydrogen permeation flux of 6.8 [m 3 / m 2 · h · MPa] and a nitrogen permeation flux of 3.0 [m 3 / m 2 · h · MPa]. In addition, since the hydrogen separation membrane was damaged at less than 250 ° C., the hydrogen separation membrane needs to be heated, and the power consumption cannot be significantly reduced.

また、図13に示すような有機ハイドライドシステム2において、水素分離膜を280℃で連続運転した場合、100時間後に水素純度99.24%、水素透過流束7.1[m/m・h・MPa]、窒素透過流束1.1[m/m・h・MPa]となり、膜の損傷はなかった。 Further, in the organic hydride system 2 as shown in FIG. 13, when the hydrogen separation membrane is continuously operated at 280 ° C., after 100 hours, the hydrogen purity is 99.24% and the hydrogen permeation flux is 7.1 [m 3 / m 2. h · MPa] and nitrogen permeation flux 1.1 [m 3 / m 2 · h · MPa], and there was no damage to the membrane.

また、有効表面積39[cm]のパラジウム−銅合金製膜を使用し、260℃から140℃まで暫時温度を低下させ各5時間運転し、水素脆化がないことを確認した。260℃で水素純度99.36%、水素透過流束1.9[m/m・h・MPa]、窒素透過流束2.3[m/m・h・MPa]、140℃で水素純度98.10%、水素透過流束2.0[m/m・h・MPa]、窒素透過流束2.3[m/m・h・MPa]であった。 Further, a palladium-copper alloy film having an effective surface area of 39 [cm 2 ] was used, and the temperature was temporarily lowered from 260 ° C. to 140 ° C. for 5 hours, and it was confirmed that there was no hydrogen embrittlement. Hydrogen purity 99.36% at 260 ° C., hydrogen permeation flux 1.9 [m 3 / m 2 · h · MPa], nitrogen permeation flux 2.3 [m 3 / m 2 · h · MPa], 140 ° C. The hydrogen purity was 98.10%, the hydrogen permeation flux was 2.0 [m 3 / m 2 · h · MPa], and the nitrogen permeation flux was 2.3 [m 3 / m 2 · h · MPa].

また、図13に示すような有機ハイドライドシステム2では、140℃では、触媒加熱の排熱が利用できるため、水素分離膜の加熱に必要な消費電力は0となる。よって、パラジウム−銅(Pd−Cu)合金製膜では消費電力の大幅な削減が可能である。   Further, in the organic hydride system 2 as shown in FIG. 13, the exhaust heat of the catalyst heating can be used at 140 ° C., so that the power consumption required for heating the hydrogen separation membrane is zero. Therefore, the power consumption can be significantly reduced by using a palladium-copper (Pd-Cu) alloy film.

また、99.5%の工業レベルの水素ガス雰囲気において、有効表面積39[cm]の水素分離膜を形成したポーラス部11を使用し、328℃から140℃まで暫時温度を低下させ、各7時間以上運転した場合も、水素脆化がないことを確認した。水素透過流束は、328℃で63.5[m/m・h・MPa]、140度で46.9[m/m・h・MPa]であった。なお、140℃未満では水素透過流束が大幅に増加し、水素分離膜の損傷が見られた。 Further, in a 99.5% industrial level hydrogen gas atmosphere, the porous part 11 having a hydrogen separation membrane having an effective surface area of 39 [cm 2 ] was used, and the temperature was temporarily lowered from 328 ° C. to 140 ° C. It was confirmed that there was no hydrogen embrittlement even when operated for more than an hour. The hydrogen permeation flux was 63.5 [m 3 / m 2 · h · MPa] at 328 ° C. and 46.9 [m 3 / m 2 · h · MPa] at 140 degrees. When the temperature was lower than 140 ° C., the hydrogen permeation flux increased significantly, and damage to the hydrogen separation membrane was observed.

燃料電池27の前段に取り付ける水素分離膜の加熱熱量は、140℃においては175.6[J/g・min(42.5caL/g・min)]であり、燃料電池27を60〜80℃で加湿するための熱量を補完できることになる。   The heating heat amount of the hydrogen separation membrane attached to the front stage of the fuel cell 27 is 175.6 [J / g · min (42.5 caL / g · min)] at 140 ° C., and the fuel cell 27 is heated at 60 to 80 ° C. The amount of heat for humidifying can be supplemented.

なお、水素分離器1のポーラス部11は、実施形態1のところで説明したように加工容易なステンレス線材を編み込み、その網目を圧縮して押し潰すことにより、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターにより構成しているため、例えば、図16に示すように、螺旋状に形成した中空状のポーラス部11を反応器24の中に設けても良いし、さらには、図17に示すように、パイプ状のステンレスフィルターではなく、2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔(網目)を有する板状のステンレスフィルターにパラジウムまたはパラジウム合金をメッキして水素分離膜を設けた平板状のポーラス部11’を反応器24の中に設けても良い。   In addition, the porous part 11 of the hydrogen separator 1 is 2 μm or less in consideration of the efficiency of Pd by weaving a stainless steel wire that can be easily processed as described in the first embodiment, and compressing and crushing the mesh. Desirably, since it is constituted by a stainless steel filter having pores having an average diameter of 0.4 to 0.6 μm, for example, as shown in FIG. In addition, as shown in FIG. 17, it is not a pipe-shaped stainless steel filter, and it is preferably 2 μm or less, and pores having an average diameter of 0.4 to 0.6 μm, considering the efficiency of Pd A flat plate-like porous portion 11 ′ in which a hydrogen separation membrane is provided by plating palladium or a palladium alloy on a plate-like stainless steel filter having (mesh) is provided in the reactor 24. And it may be.

ただし、図17に示す平板状のポーラス部11’の場合、効率良く水素ガスが分離できるように、混合ガスの入口24aと出口24bとの間に、複数枚の板を階段状に配置してジグザグ状の混合ガス流通経路を設けており、平板状のポーラス部11’の表面に設けた水素分離膜で分離された水素ガスは、反応器24に設けた排出口24eから排出される。また、この場合、例えば、反応器24は、50mm×120mm×200mm程度の長さとし、運転条件は、図14に示す場合と同様で、水素透過流束20[m/m・h・MPa]、窒素透過流束2[m/m・h・MPa]以下、水素透過量1.5[L/min](燃料電池の100W相当)、圧力差0.2[MPa]、水素分離膜透過水素純度99%以上で、水素分離膜のメッキ有効表面積は225[cm]である。 However, in the case of the flat porous portion 11 ′ shown in FIG. 17, a plurality of plates are arranged stepwise between the mixed gas inlet 24a and the outlet 24b so that hydrogen gas can be efficiently separated. A zigzag mixed gas flow path is provided, and the hydrogen gas separated by the hydrogen separation membrane provided on the surface of the flat porous portion 11 ′ is discharged from an outlet 24 e provided in the reactor 24. In this case, for example, the reactor 24 has a length of about 50 mm × 120 mm × 200 mm, and the operating conditions are the same as those shown in FIG. 14, and the hydrogen permeation flux 20 [m 3 / m 2 · h · MPa ], Nitrogen permeation flux 2 [m 3 / m 2 · h · MPa] or less, hydrogen permeation amount 1.5 [L / min] (equivalent to 100 W of fuel cell), pressure difference 0.2 [MPa], hydrogen separation The membrane permeation hydrogen purity is 99% or more, and the effective plating surface area of the hydrogen separation membrane is 225 [cm 2 ].

また、ポーラス部11は、図14に示す直線状の管形状の場合、および図16に示す螺旋状の管形状の場合、ステンレスフィルターのポーラス部11とノンポーラス部12の溶接部や、ポーラス部11と盲栓13との溶接部から気体が漏れるため、図15に示すようにOリング14と袋ナット15,15’を用いたが、図17に示す平板形状の場合、反応器24とポーラス部11’との間には、ガスケットを使用してガス漏れを防止すると良い。   In the case of the linear tube shape shown in FIG. 14 and the spiral tube shape shown in FIG. 16, the porous portion 11 is welded between the porous portion 11 and the non-porous portion 12 of the stainless steel filter, or the porous portion. Since the gas leaks from the welded portion between the plug 11 and the blind plug 13, the O-ring 14 and the cap nuts 15 and 15 ′ are used as shown in FIG. 15. However, in the case of the flat plate shape shown in FIG. Gas leakage may be prevented between the portion 11 ′ and a gasket.

1 水素分離器
11 ポーラス部
12 ノンポーラス部
13 盲栓
14 Oリング
15,15’ 袋ナット
2 有機ハイドライドシステム
21 MCH(メチルシクロへキサン)タンク
22 定量ポンプ
23 水素ボンベ
24 反応器
24c1,24d1 切溝
25 冷却分離器
26 回収タンク
27 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen separator 11 Porous part 12 Non-porous part 13 Blind plug 14 O-ring 15,15 'Cap nut 2 Organic hydride system 21 MCH (methylcyclohexane) tank 22 Metering pump 23 Hydrogen cylinder 24 Reactor 24c1, 24d1 Cut groove 25 Cooling separator 26 Recovery tank 27 Fuel cell

Claims (5)

2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターを担持体とし、そのステンレスフィルターの表面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金をメッキしたことを特徴とする水素分離膜。   Considering efficiency improvement of Pd of 2 μm or less, preferably a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is used as a support, and the surface of the stainless steel filter is plated with palladium or a palladium alloy based on palladium. A hydrogen separation membrane characterized by that. 請求項1記載の水素分離膜において、
2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターは、
ステンレス製線材を織り込んだステンレスフィルターの網目を圧縮して押し潰すことにより形成したことを特徴とする水素分離膜。
The hydrogen separation membrane according to claim 1,
In consideration of efficiency improvement of Pd of 2 μm or less, desirably a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is
A hydrogen separation membrane formed by compressing and crushing a mesh of a stainless steel filter woven with a stainless steel wire.
2μm以下、Pdの効率化を考慮すると望ましくは平均径0.4〜0.6μmの細孔を有するステンレスフィルターをパイプ状に形成したポーラス部と、
ポーラス部の内部を通過した水素が通過するようパイプ状に形成すると共にその表面に孔を有しないノンポーラス部とからなり、
少なくともポーラス部の表面にパラジウムまたはパラジウムを基本としたパラジウム合金をメッキすることにより水素分離膜を形成し、反応器の中でポーラス部表面の水素分離膜により水素ガスを分離してポーラス部およびノンポーラス部の中を通し、ノンポーラス部の開放した他端から水素ガスを排出することを特徴とする水素分離器。
2 μm or less, and considering the efficiency of Pd, a porous part in which a stainless steel filter having pores with an average diameter of 0.4 to 0.6 μm is preferably formed in a pipe shape;
It is formed in a pipe shape so that hydrogen that has passed through the inside of the porous portion passes through and a non-porous portion that does not have holes on the surface thereof,
A hydrogen separation membrane is formed by plating at least the surface of the porous portion with palladium or a palladium alloy based on palladium, and the hydrogen gas is separated in the reactor by the hydrogen separation membrane on the porous portion surface to thereby remove the porous portion and the non-porous portion. A hydrogen separator, characterized in that hydrogen gas is discharged from the other open end of the non-porous part through the porous part.
請求項3記載の水素分離器において、
反応器の中の条件を、使用圧力差0.2Mpa、温度域140℃以上に対して水素分離膜の透過水素流束を2.0[m/m・h・MPa]以下とし、高濃度のメチルシクロへキサン等の有機溶媒存在下において、その水素分離膜による水素純度を99%以上とすることを特徴とした水素分離器。
The hydrogen separator according to claim 3, wherein
The conditions in the reactor were such that the permeated hydrogen flux of the hydrogen separation membrane was 2.0 [m 3 / m 2 · h · MPa] or less for a working pressure difference of 0.2 Mpa and a temperature range of 140 ° C. or higher. A hydrogen separator characterized in that the hydrogen purity of the hydrogen separation membrane is 99% or more in the presence of an organic solvent such as methylcyclohexane at a concentration.
請求項3または請求項4に記載された水素分離器を使用して水素ガスと高濃度のメチルシクロへキサン等の有機溶媒ガスとの混合ガスより水素ガスを水素脆化が生じずに分離することを特徴とする有機ハイドライドシステム。   Using the hydrogen separator according to claim 3 or 4, the hydrogen gas is separated from a mixed gas of hydrogen gas and a high concentration organic solvent gas such as methylcyclohexane without causing hydrogen embrittlement. Organic hydride system.
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