JP2021049520A - Hydrogen permeation device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水素透過装置に関し、特に水素透過金属膜により水素を透過させるのに適した技術に関する。 The present invention relates to a hydrogen permeation device, and more particularly to a technique suitable for permeating hydrogen through a hydrogen permeation metal membrane.
水素透過に関する技術として、特許文献1に記載の水素分離装置が知られている。
該水素分離装置は、特許文献1の段落0008に記載されているように、水素を透過する非パラジウム系金属又は非パラジウム系金属を主たる金属とする合金により形成された水素透過膜と、水素を含む原料気体を水素透過膜の一次側の表面に供給するための原料気体供給流路と、水素透過膜の二次側の表面へ透過した水素を回収するための水素回収流路と、原料気体供給流路から供給された原料気体を水素透過膜の一次側の表面に沿って分配するための所定の幅の流路を形成するために、水素透過膜の一次側の表面から所定の幅だけ離隔して配置された流路形成部とを備えたものである。
As a technique related to hydrogen permeation, the hydrogen separator described in Patent Document 1 is known.
As described in paragraph 0008 of Patent Document 1, the hydrogen separator comprises a hydrogen permeable film formed of a non-palladium-based metal that permeates hydrogen or an alloy containing a non-palladium-based metal as a main metal, and hydrogen. A raw material gas supply flow path for supplying the contained raw material gas to the surface on the primary side of the hydrogen permeable film, a hydrogen recovery flow path for recovering hydrogen permeated to the surface on the secondary side of the hydrogen permeable film, and a raw material gas. In order to form a channel having a predetermined width for distributing the raw material gas supplied from the supply channel along the surface on the primary side of the hydrogen permeable film, only a predetermined width from the surface on the primary side of the hydrogen permeable film. It is provided with a flow path forming portion arranged at a distance.
該特許文献1の段落0045には、流配フランジ60を設けることで、高い水素透過度が得られることが記載されている。 Paragraph 0045 of Patent Document 1 describes that high hydrogen permeability can be obtained by providing the flow distribution flange 60.
本発明の課題は、流配フランジとは全く別の手段によって高い水素透過度が得られる手段を提供することである。 An object of the present invention is to provide a means for obtaining high hydrogen permeability by a means completely different from the flow distribution flange.
本発明の課題を解決するための手段は、下記のとおりである。 The means for solving the problem of the present invention is as follows.
第1に、
原料気体の供給側である1次側と、透過気体の取出側である2次側との間に、水素透過金属膜を有する水素透過装置であって、
1次側には、
原料気体供給路を形成する原料供給管と、
2次側に透過しない原料気体を排出する原料気体排出路と、
前記原料供給管の先端側と組み合う開孔板を有し、
該開孔板の噴出孔の大きさが、原料供給管より小さいことを特徴とする、水素透過装置。
ここで、噴出孔の大きさとは、噴出孔が円の場合には直径のことをいう。
従って、噴出孔が円の場合には、噴出孔の直径が、原料供給管の内径より小さい場合が該当する。
また、噴出孔の形状としては、円の他に、三角形、四角形、五角形等の多角形や星型多角形等の各種形状が採用することができる。
ここで、多角形や星型多角形の場合に、「噴出孔の大きさが、原料供給管より小さい」とは、多角形や星型多角形の形状自体が、原料供給管の内径を形成する円内に収まることをいう。
First,
A hydrogen permeation device having a hydrogen permeation metal film between the primary side, which is the supply side of the raw material gas, and the secondary side, which is the extraction side of the permeated gas.
On the primary side
The raw material supply pipe that forms the raw material gas supply path,
A raw material gas discharge path that discharges a raw material gas that does not permeate to the secondary side,
It has a perforated plate that engages with the tip side of the raw material supply pipe.
A hydrogen permeation device characterized in that the size of the ejection hole of the perforated plate is smaller than that of the raw material supply pipe.
Here, the size of the ejection hole means the diameter when the ejection hole is a circle.
Therefore, when the ejection hole is circular, the diameter of the ejection hole is smaller than the inner diameter of the raw material supply pipe.
Further, as the shape of the ejection hole, in addition to the circle, various shapes such as a polygon such as a triangle, a quadrangle, and a pentagon, and a star-shaped polygon can be adopted.
Here, in the case of a polygon or a star-shaped polygon, "the size of the ejection hole is smaller than that of the raw material supply pipe" means that the shape of the polygon or the star-shaped polygon itself forms the inner diameter of the raw material supply pipe. It means that it fits within the circle.
第2に、
原料気体の供給側である1次側と、透過気体の取出側である2次側との間に、水素透過金属膜を有する水素透過装置であって、
1次側には、
原料気体供給路を形成する原料供給管と、
2次側に透過しない原料気体を排出する原料気体排出路と、
前記原料供給管の先端側と組み合う開孔板を有し、
該開孔板の噴出孔の直径が、原料供給管の内径より小さいことを特徴とする、水素透過装置。
Second,
A hydrogen permeation device having a hydrogen permeation metal film between the primary side, which is the supply side of the raw material gas, and the secondary side, which is the extraction side of the permeated gas.
On the primary side
The raw material supply pipe that forms the raw material gas supply path,
A raw material gas discharge path that discharges a raw material gas that does not permeate to the secondary side,
It has a perforated plate that engages with the tip side of the raw material supply pipe.
A hydrogen permeation device characterized in that the diameter of the ejection hole of the perforated plate is smaller than the inner diameter of the raw material supply pipe.
第3に、
前記開孔板の噴出孔が、1次側から2次側に向けて、テーパ形状を有することを特徴とする、前記第1または第2に記載の水素透過装置。
ここで、テーパ形状を有するとは、1次側から2次側に向けて、噴出孔の形状が徐々に小さくなるようにテーパを形成する他に、1次側から2次側に向けて、噴出孔の形状が徐々に大きくなるようにテーパを形成する場合も含まれる。
前記テーパを形成する場合の噴出孔の形状は、加工性を考慮すると、円の場合が望ましいが、三角形、四角形、五角形等の多角形や星型多角形等の各種形状の場合であっても、採用することができる。
Third,
The hydrogen permeation device according to the first or second aspect, wherein the ejection holes of the opening plate have a tapered shape from the primary side to the secondary side.
Here, having a tapered shape means forming a taper so that the shape of the ejection hole gradually decreases from the primary side to the secondary side, and also from the primary side to the secondary side. A case where a taper is formed so that the shape of the ejection hole gradually increases is also included.
The shape of the ejection hole when forming the taper is preferably a circle in consideration of workability, but even in the case of various shapes such as a polygon such as a triangle, a quadrangle, and a pentagon, and a star-shaped polygon. , Can be adopted.
第4に、
前記開孔板の噴出孔の直径が、原料供給管の内径の2分の1以下、望ましくは3分の1以下、より望ましくは4分の1程度であることを特徴とする、前記第2または第3に記載の水素透過装置。
ここで、4分の1程度とは、4分の1の値に加えて、実質的に4分の1の場合と同等の作用効果を有する範囲を含むことを意味している。
Fourth,
The second type is characterized in that the diameter of the ejection hole of the opening plate is one-half or less, preferably one-third or less, more preferably about one-fourth of the inner diameter of the raw material supply pipe. Or the hydrogen permeation device according to the third.
Here, about one-fourth means that, in addition to the one-fourth value, a range having substantially the same action and effect as in the case of one-fourth is included.
水素透過金属膜としては、水素を透過する性質を有する、V、Nb、Taなどの5族元素の純金属や、合金により形成される5類金属であれば良いが、純バナジウムが望ましい。
また、水素透過金属膜の両表面には、触媒としてパラジウムまたはパラジウム系合金をスパッタリングすることが望ましい。
The hydrogen-permeable metal film may be a pure metal of a Group 5 element such as V, Nb, or Ta, which has a property of transmitting hydrogen, or a group 5 metal formed of an alloy, but pure vanadium is preferable.
Further, it is desirable to sputter palladium or a palladium-based alloy as a catalyst on both surfaces of the hydrogen permeable metal film.
本発明によれば、水素透過性能を高めることができる。 According to the present invention, hydrogen permeation performance can be enhanced.
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しつつ具体的に説明する。
ここで、添付図面において同一の部材には同一符号を付しており、また重複した説明は省略されている。
なお、ここでの説明は本発明が実施される一形態であることから、本発明は該当形態に限定されるものではない。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
Here, in the attached drawings, the same members are designated by the same reference numerals, and duplicate description is omitted.
Since the description here is one embodiment of the present invention, the present invention is not limited to the relevant embodiment.
[実施例1] [Example 1]
本発明に係る水素透過装置の一例は、図1に要部を示すとおり、水素含有ガス等の原料気体の供給側である1次側円筒体10と、透過気体である水素の取出側である2次側円筒体20との間に、純バナジウムによる水素透過金属膜30を有するものである。
該水素透過金属膜30の両面には、触媒としてパラジウム銀(Pd−25%Ag)がスパッタリングされている。
An example of the hydrogen permeation apparatus according to the present invention is a
Palladium silver (Pd-25% Ag) is sputtered on both sides of the hydrogen
1次側円筒体10の先端側には、1次側フランジ11が一体となって形成されている。
2次側円筒体20の先端側には、2次側フランジ21が一体となって形成されている。
A
A
1次側フランジ11及び2次側フランジ21の内周面側には、凹部が各々形成されている。
1次側の凹部には、銅による1次側ガスケット12が位置している。
2次側の凹部には、銅による2次側ガスケット22が位置している。
なお、ガスケットの素材としては、銅に限定されず、ステンレス等の他の素材で形成することもできる。
Recesses are formed on the inner peripheral surface side of the
A copper
A copper
The material of the gasket is not limited to copper, and may be formed of other materials such as stainless steel.
1次側ガスケット12と2次側ガスケット22との間には、水素透過金属膜30が位置している。
該水素透過金属膜30の直径は、1次側ガスケット12及び2次側ガスケット22の外径より、わずかに大きく、ガスケットで挟み込まれて密閉性が保たれた状態で、水素透過金属膜30の外周縁部が1次側ガスケット12及び2次側ガスケット22の外周端から僅かにはみ出すように形成されている。
1次側ガスケット12及び2次側ガスケット22による挟み込みは、図示は省略するが、1次側フランジ11及び2次側フランジ21に形成された4個の貫通穴に、ボルトを通してナットで締め付けることで行われている。
A hydrogen
The diameter of the hydrogen
The sandwiching between the
前記1次側円筒体10の内部には、図1及び図2に示すとおり、原料気体供給路を形成する原料供給管13が配置されている。
該原料供給路13の先端側には、図3に示すとおり、中心部に円状の噴出孔15を有する略円形状の開孔板14が組み合わせられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a raw
As shown in FIG. 3, a substantially
前記噴出孔15の直径は、図1及び図2に示すとおり、原料供給管13の内径の4分の1のサイズで形成されている。
本実施例1では、原料供給管13の内径が4.4mmであり、噴出孔15の孔径が1.1mmとなるように形成されている。
また、1次側円筒体10及び2次側円筒体20の内径は、30mmである。
As shown in FIGS. 1 and 2, the diameter of the
In the first embodiment, the raw
The inner diameters of the primary side
図3に示すように、前記開孔板14の外周は、1次側円筒体10の内径より小さく切欠状により原料気体排出路16aを形成する部分と、1次側フランジ11の凹部に収まる部分である接続縁部14aとを有している。
該接続縁部14aの一部は、図示は省略するが、1次側フランジ11に形成された凹部に溶接されている。
該原料気体排出路16aは、図1及び図2に示すように、1次側円筒体10と原料供給管13との間に形成された原料気体排出路16bに通じている。
該原料気体排出路16bは、図2に示すように、1次側円筒体10の後端側に接続された原料気体排出管17による原料気体排出路16cに通じている。
As shown in FIG. 3, the outer periphery of the
Although not shown, a part of the
As shown in FIGS. 1 and 2, the raw material
As shown in FIG. 2, the raw material
図1に示すように、2次側フランジ21の凹部には、2次側ガスケット22と共に、円形状のメタルフィルター23と円形状の孔有支持板24が、水素透過金属膜30側から順に配置されている。
該孔有支持板24には、水素透過金属膜30を透過した水素が通過するための複数の透過気体通過孔25が形成されている。
As shown in FIG. 1, in the recess of the
The
図1及び図2に示すように、2次側円筒体20の内部には、前記透過気体通過孔25を通過した水素が流れ込む透過気体取出路26bが形成されている。
図2に示すように、該2次側円筒体20の後端側には、内径4.4mmの透過気体取出管27が接続されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, a permeated gas take-out
As shown in FIG. 2, a permeated gas take-out
該透過気体取出管27の内部には、透過気体取出路26cが形成されている。
該当化気体取出路26cは、透過気体取出路26bに通じている。
A permeated gas take-out
The corresponding gas take-out
次に、前記の水素透過装置の作用について説明する。 Next, the operation of the hydrogen permeation device will be described.
図1から図4に示すとおり、水素を含有する気体は、原料供給管13から調整された圧力で供給される。
供給された気体は、図1に示すとおり、原料供給管13先端部分で、開孔板14によって流路が制限されているので、そのまま流れることなく、原料供給管13の内径より小さい直径の噴出孔15から水素透過金属膜30側に噴出する際に、流速が早められることになる。
As shown in FIGS. 1 to 4, the hydrogen-containing gas is supplied from the raw
As shown in FIG. 1, the supplied gas does not flow as it is because the flow path is restricted by the
早い流速で噴出した気体は、水素透過金属膜30の中心部付近に当たってから、水素透過金属膜30の外縁側に流れ出す。
この際、一部の水素分子が乖離して水素原子となって水素透過金属膜30に入り込み、圧力差により2次側に進み、最後には水素透過金属膜30を透過する。
The gas ejected at a high flow velocity hits the vicinity of the central portion of the hydrogen
At this time, some hydrogen molecules are separated to form hydrogen atoms and enter the hydrogen
図2及び図4に示すとおり、1次側において、水素透過金属膜30に入り込まない気体は、開孔板14の外周縁に形成された原料気体排出路16aを通り、更に、原料気体排出路16b、原料気体排出路16cを通って、排出される。
As shown in FIGS. 2 and 4, the gas that does not enter the hydrogen
2次側において、水素透過金属膜30を透過した理論純度100パーセントの水素は、図1に示すとおり、メタルフィルター23及び孔有支持板24の透過気体通過孔25を通る。
透過気体通過孔25を通った超高純度の水素は、図2及び図4に示すとおり、透過気体取出路26b,26cを通り、容器(図示は省略)に分離回収される。
On the secondary side, hydrogen having a theoretical purity of 100% that has permeated the hydrogen
As shown in FIGS. 2 and 4, the ultra-high purity hydrogen that has passed through the permeated
[比較例] [Comparison example]
図5、図6に示すとおり、原料供給管13の内径と等しく孔径が4.4mmの供給管径噴出孔18を設けた水素透過装置を準備した。
該比較例の水素透過装置は、供給管径噴出孔18の孔径以外は、前記実施例の水素透過装置と同様の構成なので、説明は省略する。
As shown in FIGS. 5 and 6, a hydrogen permeation device provided with a supply pipe
Since the hydrogen permeation device of the comparative example has the same configuration as the hydrogen permeation device of the above embodiment except for the hole diameter of the supply pipe
[比較試験] [Comparative test]
前記実施例の水素透過装置と、前記比較例の水素透過装置について、同一の条件で、水素透過試験を行った。
試験結果について、流量を図7に、透過係数を図8に示す。
The hydrogen permeation device of the above example and the hydrogen permeation device of the comparative example were subjected to a hydrogen permeation test under the same conditions.
Regarding the test results, the flow rate is shown in FIG. 7, and the transmission coefficient is shown in FIG.
結果を考察すると、比較例の4.4mm孔よりも、実施例の1.1mm孔の方が、良好なデータを示し、孔径を小さくすることが有効であることが確認された。 Examining the results, it was confirmed that the 1.1 mm hole of the example showed better data than the 4.4 mm hole of the comparative example, and it was confirmed that it was effective to reduce the hole diameter.
[実施例2] [Example 2]
図9に示すとおり、本実施例2における開孔板14の円状の噴出孔15は、実施例1の噴出孔15と異なり、原料供給管13が取り付けられている原料気体の供給側である1次側から、透過気体の取出側である2次側に向けて、テーパ形状を有するように形成されている。
すなわち、本実施例2の場合は、円状の噴出孔15の直径が、テーパ状に変化するように形成されている。
As shown in FIG. 9, the
That is, in the case of the second embodiment, the diameter of the
図9中、(A)は、円状の噴出孔15について、1次側から2次側に向けて、径が徐々に小さくなるようにテーパを形成したもので、1次側の孔径を3.1mm、2次側の孔径を1.1mmに形成したものである。
図9中、(B)は、円状の噴出孔15について、1次側から2次側に向けて、径が徐々に大きくなるようにテーパを形成したもので、1次側の孔径を1.1mm、2次側の孔径を3.1mmに形成したものである。
In FIG. 9, (A) shows a
In FIG. 9, FIG. 9B shows a
本実施例2による円状の噴出孔15によると、径がテーパ状に変化するように形成されているので、流速が早まるだけでなく、乱流や速度変化等により、噴出孔15通過後の気流の変化が多面的に引き起こされ、より効果的に水素透過金属膜30(図1参照)に噴出される。
[実施例3]
According to the
[Example 3]
図10に示すとおり、本実施例3における開孔板14の噴出孔15の形状は、実施例1における円状の噴出孔15(図3参照)と異なるものであるが、該開孔板14の噴出孔15の大きさが、原料供給管13(図1〜図3参照)の内径より小さいという特徴は、実施例1と共通するものである。
As shown in FIG. 10, the shape of the
図10中、(A)は、星型5角形の形状の噴出孔15の部分を拡大して示すもの、全体が直径1.1mmの円内に収まるように形成されている。
図10中、(B)は、6角形の形状の噴出孔15の部分を拡大して示すもの、全体が直径1.1mmの円内に収まるように形成されている。
In FIG. 10, (A) shows an enlarged portion of the
In FIG. 10, (B) shows an enlarged portion of the hexagonal shape of the
本実施例3による多角形や星型多角形による噴出孔15によると、形状自体が円形と異なる形状で形成されているので、流速が早まるだけでなく、乱流や部分的な速度変化等により、噴出孔15通過後の気流の変化がより多面的に引き起こされ、より一層効果的に水素透過金属膜30(図1参照)に噴出される。
According to the polygonal or star-shaped
10 1次側円筒体
11 1次側フランジ
12 1次側ガスケット
13 原料供給管
14 開孔板
14a 接続縁部
15 噴出孔
16a,16b,16c 原料気体排出路
17 原料気体排出管
18 供給管径噴出孔
20 2次側円筒体
21 2次側フランジ
22 2次側ガスケット
23 メタルフィルター
24 孔有支持板
25 透過気体通過孔
26b,26c 透過気体取出路
27 透過気体取出管
30 水素透過金属膜
10
Claims (3)
1次側には、
原料気体供給路を形成する原料供給管と、
2次側に透過しない原料気体を排出する原料気体排出路と、
前記原料供給管の先端側と組み合う開孔板を有し、
該開孔板の噴出孔の大きさが、原料供給管より小さいことを特徴とする、水素透過装置。 A hydrogen permeation device having a hydrogen permeation metal film between the primary side, which is the supply side of the raw material gas, and the secondary side, which is the extraction side of the permeated gas.
On the primary side
The raw material supply pipe that forms the raw material gas supply path,
A raw material gas discharge path that discharges a raw material gas that does not permeate to the secondary side,
It has a perforated plate that engages with the tip side of the raw material supply pipe.
A hydrogen permeation device characterized in that the size of the ejection hole of the perforated plate is smaller than that of the raw material supply pipe.
1次側には、
原料気体供給路を形成する原料供給管と、
2次側に透過しない原料気体を排出する原料気体排出路と、
前記原料供給管の先端側と組み合う開孔板を有し、
該開孔板の噴出孔の直径が、原料供給管の内径より小さいことを特徴とする、水素透過装置。 A hydrogen permeation device having a hydrogen permeation metal film between the primary side, which is the supply side of the raw material gas, and the secondary side, which is the extraction side of the permeated gas.
On the primary side
The raw material supply pipe that forms the raw material gas supply path,
A raw material gas discharge path that discharges a raw material gas that does not permeate to the secondary side,
It has a perforated plate that engages with the tip side of the raw material supply pipe.
A hydrogen permeation device characterized in that the diameter of the ejection hole of the perforated plate is smaller than the inner diameter of the raw material supply pipe.
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