JP2023054076A - ガス分離デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】ガス清浄化／分離デバイスを改良する。【解決手段】第１のガスを他のガスから分離する分離デバイスは、第１のガスと他のガスを含むガス混合物を受け入れる入口と、第１および第２の平坦な膜を含む複数のガス分離セクションと、膜を通過した第１のガスを排出する第１の出口と、膜を通過しなかった他のガスを排出する第２の出口と、略円筒形外側ハウジングとを備える。ガス分離セクションは、第１および第２の表面を有する第１の基板と、第１および第２の表面を有する第２の基板と、第１の基板の第２の表面と第２の基板の第２の表面の間に配置されるメッシュとを備える。第１および第２の基板は、金属焼結板である。第１および第２の膜の厚さは１０マイクロメートル未満である。第１および第２の膜はそれぞれ略正方形の形状をしておりかつ連続している。【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、膜によるガスの分離に関する。実施形態は、水素を合成ガスから分離するのに特に適した分離デバイスを提供する。実施形態による分離デバイスの利点は、知られた分離デバイスよりも向上した性能、容易な実装、モジュール式設計、およびスケーラブルな設計を含む。

水素は、エネルギー源としてますます多く使用されている。水素の利点は、燃焼して水を生成するので、それはクリーンな燃料であることである。燃焼される燃料として水素が使用され得る用途は、船の動力となること、および家庭用のガス供給として使用されることを含む。水素はまた、従来の電池に対する環境的に優しい代替形態である燃料電池においても使用され得る。

水素を作る効率的な形態は、合成ガスからのものである。合成ガスは、天然ガスを改質することにより作ることができる。合成ガスは、大部分が一酸化炭素と水素を含むガス混合物である。合成ガスはまた、一定量の二酸化炭素、およびメタンなどの他のガスを含むことができる。水性ガスシフト反応がまた、ガス混合物における水素の濃度を高めるために、合成ガスに対して実施され得る。実質的に純粋な水素を作るために、ガス混合物における水素を他のガスから分離することが必要である。

他のガスから水素を分離する知られた技法は、パラジウム合金膜を使用することである。ガス混合物は、パイプ壁として膜を備えるパイプを通過する。水素は、膜を通って拡散し、それにより、膜を通過できない、ガス混合物における他のガスから分離される。

知られた水素分離器においては、膜の厚さは、通常、１００マイクロメートル程度である。水素が膜を通過できる速度は、膜の厚さに反比例し、膜の表面積に比例する。このような膜による水素の分離は、膜厚が大きいために遅い。加えて、パラジウムが高価であるため、実施するコストは高い。

米国特許第８，１６３，０６４号明細書 米国特許第６，０８６，７２９号明細書

一般に、知られたガス清浄化および／または分離デバイスを改良することが求められている。

本発明の第１の態様によれば、分離デバイスにおいて、第１のガスを１つまたは複数の他のガスから分離するためのガス分離セクションが提供され、ガス分離セクションは、実質的に平坦である第１の膜と、実質的に平坦である第２の膜と、第１の表面および第２の表面を有する第１の基板であって、第１の基板の第２の表面は、第１の基板の第１の表面とは第１の基板の反対側にある、第１の基板と、第１の表面および第２の表面を有する第２の基板であって、第２の基板の第２の表面は、第２の基板の第１の表面とは第２の基板の反対側にある、第２の基板と、第１の基板の第２の表面と第２の基板の第２の表面との間に配置されるメッシュとを備え、第１の膜は、第１の基板の第１の表面上にあり、第２の膜は、第２の基板の第１の表面上にあり、第１の膜および第２の膜は共に、少なくとも第１のガスによって透過可能であるが、１つまたは複数の他のガスによって透過可能ではなく、第１の膜の平面に対して直交する方向の第１の膜の厚さは、１０マイクロメートル未満であり、第２の膜の平面に対して直交する方向の第２の膜の厚さは、１０マイクロメートル未満である。

好ましくは、第１のガスは水素であり、１つまたは複数の他のガスは、一酸化炭素および／または二酸化炭素を含む。

好ましくは、第１の膜および第２の膜はパラジウムを含み、任意選択で、第１の膜および第２の膜は、パラジウム以外の１つまたは複数の他の金属をさらに含む。

好ましくは、第１の膜および／または第２の膜は銀を含み、また好ましくは、膜は、１５重量％と４０重量％の間の銀であり、膜の残りはパラジウムであり、より好ましくは、膜は、７７重量％のパラジウムであり、かつ２３重量％の銀である。

好ましくは、第１の膜および／または第２の膜の前記厚さは、０．２マイクロメートルと４マイクロメートルの間であり、好ましくは、１マイクロメートルと３マイクロメートルの間である。

好ましくは、第１の膜および第２の膜は、実質的に正方形の形状をしている。

好ましくは、メッシュは、鋼メッシュである。

好ましくは、メッシュは、第１の基板の第２の表面の対向する縁部の間の複数の位置において、第１の基板の第２の表面に取り付けられ、またメッシュは、第２の基板の第２の表面の対向する縁部の間の複数の位置において、第２の基板の第２の表面に取り付けられる。

好ましくは、メッシュは、第１の基板の第２の表面を、第２の基板の第２の表面に対して実質的に平行に維持するように配置される。

好ましくは、メッシュは、第１の基板の第２の表面を第２の基板の第２の表面から、２ｍｍから３０ｍｍの範囲の距離だけ離間させて維持するように配置される。

好ましくは、第１の基板および／または第２の基板は、焼結板、金属、セラミックス、ポリマー、またはそれらの組合せのいずれかを含む。

好ましくは、第１の基板および／または第２の基板の前記厚さは、３ｍｍ未満である。

好ましくは、ガス分離デバイスは、第１の膜の縁部においてガス封止を提供するように配置された第１のガスケットと、第２の膜の縁部においてガス封止を提供するように配置された第２のガスケットとをさらに備える。

好ましくは、メッシュは、第１のガスが、使用時に、通って流れるように配置されたチャネルに配置される。

好ましくは、ガス分離デバイスは、第１のガスの流路を含むように配置されたフレームをさらに備え、フレームは、使用時に、第１のガスが、チャネルからフレームの中に流入するようにチャネルと流体連通するように配置される。

好ましくは、フレームは、第１の膜および第２の膜を囲む実質的に環状のセクションを備える。

好ましくは、第１のガスケットは、実質的に環状のセクション内に実質的に正方形のセクションを備える単一の部品構造であり、かつ／または第２のガスケットは、実質的に環状のセクション内に実質的に正方形のセクションを備える単一の部品構造である。

本発明の第２の態様によれば、第１のガスを１つまたは複数の他のガスから分離するための分離デバイスが提供され、分離デバイスは、第１のガスおよび１つまたは複数の他のガスを含むガス混合物を受け入れるための入口と、本発明の第１の態様による複数のガス分離セクションであって、積み重ねて配置される、複数のガス分離セクションと、１つまたは複数のガス分離セクションにおける膜のうちの１つまたは複数を通過した第１のガスを出力するように配置された第１の出口と、１つまたは複数のガス分離セクションにおける膜のうちの１つまたは複数を通過しなかった少なくとも１つまたは複数の他のガスを出力するように配置された第２の出口とを備える。

好ましくは、複数のガス分離セクションは、垂直のスタックに配置される。

好ましくは、分離デバイスは、外側ハウジングをさらに備え、複数のガス分離セクションは、外側ハウジング内に配置される。

好ましくは、外側ハウジングは、実質的に円筒形である。

好ましくは、使用時に、ハウジングの中へのガス混合物の流入方向が、ガス分離セクションにおける膜の平面に対して実質的に直交するように、第１の入口は、ハウジングの上側セクションまたは下側セクションに設けられる。

好ましくは、ハウジングは、ガス分離セクションを加熱するための蒸気を受け入れるように配置された入口をさらに備える。

好ましくは、ハウジングは、膜を通過した第１のガスが通って流れるように配置された１つまたは複数のチャネルに供給されるパージガスのための入口をさらに備える。

本発明の第３の態様によれば、第１のガスを、第１のガスおよび１つまたは複数の他のガスを含むガス混合物から分離する方法が提供され、方法は、本発明の第２の態様による分離デバイスの中にガス混合物を供給するステップと、実質的に第１のガスだけを含む第１のガス流を分離デバイスから受け入れるステップと、少なくとも第１のガス以外の１つまたは複数の他のガスを含む第２のガス流を分離デバイスから受け入れるステップとを含む。

水素を他のガスから分離するための装置の知られた実装形態を示す図である。 実施形態による分離デバイスの一部の構成要素の断面図である。 実施形態による単一のガス分離セクションの実装形態の一部を示す図である。 実施形態による単一のガス分離セクションの実装形態の一部を示す図である。 実施形態による、一方が他方の上に積み重ねられた状態の２つのガス分離セクションを示す図である。 実施形態によるガス分離デバイスの構成要素とベースを示す図である。 実施形態によるベース上に設けられたガス分離デバイスの構成要素を示す図である。 実施形態による分離デバイスを通る断面を示す図である。 実施形態による分離デバイスを示す図である。 実施形態による分離デバイスを示す図である。

実施形態は、知られた技法よりも向上したガス分離デバイスを提供する。実施形態による分離デバイスの利点は、向上した性能、容易な実装、モジュール式設計、およびスケーラブルな設計を含む。

図１は、水素を他のガスから分離するための装置の知られた実装形態を示す。図１で示された装置は、特許文献１の図６で開示されている。他の知られた水素分離技法に対して、図１で示された装置の重要な利点は、パラジウム膜の厚さが、１０マイクロメートル未満に低減されたことである。膜の低減された厚さは、膜を通る水素の流れを増加すると共に、コストを低減する。

実施形態は、図１で示された装置を向上させる水素分離デバイスを提供する。

図６Ａおよび図６Ｂは、実施形態による分離デバイス５００を示す。

図２は、実施形態による分離デバイス５００の一部の構成要素の断面である。合成ガスからの水素分離の例示的な適用における分離デバイス５００が述べられている。水性ガスシフト反応が合成ガスに対して実施されており、したがって、合成ガスへの参照は、水素と、一酸化炭素、二酸化炭素、蒸気、およびメタンなどの他のガスのうちの１つまたは複数とを含む任意のガス混合物であると理解されたい。図２で大きな矢印内の文字で示されるように、実施形態は、実質的に、二酸化炭素および水素だけの混合物である入力ガス混合物を含む。第１の出力は、実質的に二酸化炭素だけのストリームであり得る。第１の出力から分離される第２の出力は、実質的に水素だけのストリームであり得る。

分離デバイス５００は、複数の第１のチャネル２０２、および複数の第２のチャネル２０４を備える。第１のチャネル２０２のそれぞれは、第１のチャネル２０２の壁である平坦な膜２０１の間に形成される。各平坦な膜２０１は、膜２０１を支持する基板２０３上に形成される。各基板２０３は、膜２０１とは基板２０３の反対側の鋼メッシュ上に形成される。メッシュは、複数の第２のチャネル２０４のそれぞれの内部に設けられる。水素は、膜２０１を通過し、基板２０３を通過することができ、またメッシュ構造は水素に対するガス流路を備えるので、各第２のチャネル２０４に沿って流れることができる。

第１のチャネル２０２のそれぞれに入力されるガスは合成ガスである。第１のチャネル２０２のそれぞれから出力されるガスは、本明細書で残留ガスと呼ばれる。残留ガスは、入力合成ガス中の水素のいくらか、またはすべてが膜２０１を通過した後の、第１のチャネル２０２の中への入力合成ガスの残留内容物である。第２のチャネル２０４からの出力ガスは、膜２０１を通過した水素を含む。

各第１のチャネル２０２は、チャネルの一方の端部に合成ガス用の入口２０５と、第１のチャネル２０２の他方の端部に、残留物用の出口２０６とを有する。

各第２のチャネル２０４の少なくとも１つの端部は、水素用の出口２０７である。実施形態はまた、水素用の出口である、第２のチャネル２０４の複数の端部を含む。

使用時に、合成ガスは、第１のチャネル２０２のうちの１つまたは複数の入口に提供され、第１のチャネル２０２の各出口の方向に、これらの第１のチャネル２０２のそれぞれを通過する。合成ガスが各第１のチャネル２０２を通過するとき、合成ガスにおける水素は、チャネルの平坦な膜２０１の壁を通過する。各第１のチャネル２０２の出口を通過する残留ガスは、水素が膜２０１を通過するため、第１のチャネル２０２の入口における合成ガスよりも低い水素濃度を有する。各第１のチャネル２０２の出口を通過するガスに、実質的に水素が存在しないことが好ましい。膜２０１を通過する水素は、基板２０３を通過して、第２のチャネル２０４の１つの中に入り、第２のチャネル２０４の出口２０７から外に出る。

図３Ａおよび図３Ｂは、実施形態による分離デバイス５００の単一のガス分離セクション３００の実装形態の一部を示す。図３Ｃは、一方を他方の上に積み重ねた状態の２つのガス分離セクション３００を示す。図４Ａは、実施形態に従って、ガス分離セクション３００の構成要素を、ガス分離セクション３００が上に設けられたベース４０２と共に示す。図４Ｂは、ベース４０２上に形成され、かつ設けられたときの図４Ａにおけるガス分離セクション３００を示す。分離デバイス５００が、膜２０１のそれぞれが水平になるように方向付けられたとき、ベース４０２は、ガス分離デバイス５００の上側セクション、または下側セクションになり得る。

実施形態による分離デバイス５００は、少なくとも図３Ｃおよび図５で示されるように、複数のガス分離セクション３００を備えることが好ましい。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂで示されるように、ガス分離セクション３００は、図２を参照して前に述べたような構造の部分を提供する。各ガス分離セクション３００は、２つの平坦な膜２０１を備え、各平坦な膜２０１は、基板２０３の側面に設けられる。各基板２０３の他方の側面は、鋼メッシュに接続される。メッシュは、水素を収集するために、膜２０１の間に第２のチャネル２０４を画定する。

少なくとも図３Ｃ、図４Ｂ、および図５で示されるように、各ガス分離セクション３００は、実質的に環状の部分、ならびに実質的に正方形の部分を備える実質的に平坦な構造である。膜２０１は、各ガス分離セクション３００の実質的に正方形の部分に設けられる。各ガス分離セクション３００は、実質的に正方形の部分と実質的に環状の部分との間に１つまたは複数の接続セクションを有する。例えば、接続セクションは、少なくとも図３Ｃおよび図４Ｂで示されるように、正方形の部分の４つのコーナのそれぞれに設けることができる。

少なくとも図３Ｃ、図４Ｂ、および図５で示されるように、各ガス分離セクション３００の実質的に正方形の部分の各外側縁部と、各ガス分離セクション３００の実質的に環状の部分の内側縁部との間に、扇形の孔が存在する。各ガス分離セクション３００は、４つの分離した扇形の孔を備え、扇形の孔のそれぞれは、実質的に、円のセグメントの形状を有する。

各ガス分離セクション３００は、水素フレーム３０１を備える。水素フレーム３０１は、メッシュに対する構造的支持を提供する。メッシュは、基板２０３を支持し、また基板２０３は、膜２０１を支持する。

各水素フレーム３０１は、実質的に環状の部分、ならびに実質的に正方形の部分を備える実質的に平坦な構造である。各水素フレーム３０１の実質的に正方形の部分の各外側縁部と、水素フレーム３０１の実質的に環状の部分の内側縁部との間に、扇形の孔があり、水素フレーム３０１は、４つのこのような扇形の孔を備える。各水素フレーム３０１が、水素フレーム３０１の実質的に正方形の部分内に形成された第２のチャネル２０４の外への水素の流路を提供するように、各水素フレーム３０１の実質的に正方形の部分の対向する側壁を通る円形の孔が存在する。水素フレーム３０１の実質的に正方形の部分の側壁の円形の孔を通る水素の流路の方向は、水素フレーム３０１の平面に平行である。使用時に、第２のチャネル２０４内の水素は、したがって、第２のチャネル２０４から流れ出て、水素フレーム３０１の扇形の孔のうちの少なくとも１つの中に流入することができる。

少なくとも図４Ａで示されるように、各ガス分離セクション３００はまた、合成ガスフレーム４０４を備える。各合成ガスフレーム４０４は、実質的に環状の部分、ならびに実質的に正方形の部分を備える実質的に平坦な構造である。各合成ガスフレーム４０４の実質的に正方形の部分の各外側縁部と、合成ガスフレーム４０４の実質的に環状の部分の内側縁部との間に、扇形の孔があり、合成ガスフレーム４０４は、４つのこのような扇形の孔を備える。各合成ガスフレーム４０４は、第１のチャネル２０２の中への合成ガスの流路を、また第１のチャネル２０２の外へ出る残留ガスの、すなわち、膜２０１を通って流れた水素を含まない合成ガスの流路を提供するように、各合成ガスフレーム４０４の実質的に正方形の部分の対向する側壁を通る円形の孔が存在する。合成ガスフレーム４０４の実質的に正方形の部分の側壁の円形の孔を通る合成ガスおよび残留ガスの流路の方向は、合成ガスフレーム４０４の平面に平行である。第１のチャネル２０２は、少なくとも図３Ｃで示されるように、積み重ねられた配置にある２つの隣接するガス分離セクション３００の間に形成される。３つ以上のガス分離セクション３００が積み重ねられた配置にあるとき、図２で示され、かつそれを参照して述べられたように、２つ以上の第１のチャネル２０２が形成される。各第１のチャネル２０２は、２つの合成ガスフレーム４０４の実質的に正方形の部分の間に形成される。使用時に、各第１のチャネル２０２内の残留ガスは、したがって、第１のチャネル２０２から流れ出て、合成ガスフレーム４０４の扇形の孔の少なくとも１つの中に流入することができる。

合成ガスフレーム４０４および水素フレーム３０１は、互いに同様の形状を有する。各合成ガスフレーム４０４の各扇形の孔は、水素フレーム３０１の扇形の孔と実質的に同じ形状を有し、かつそれと位置合わせされる。各ガス分離セクション３００の各扇形の孔は、したがって、少なくとも１つの水素フレーム３０１の扇形の孔と、少なくとも１つの合成ガスフレーム４０４の扇形の孔とを備える。水素フレーム３０１と合成ガスフレーム４０４は共に、ガス流路を提供するために、それらの実質的に正方形の部分の側壁の対向する対において、円形の孔を備える。ガス分離セクション３００内における水素フレーム３０１および合成ガスフレーム４０４は、円形の孔を備える水素フレーム３０１の１対の対向する壁が、円形の孔を備える合成ガスフレーム４０４の１対の対向する壁と位置合わせされないように位置決めされる。水素フレーム３０１の円形の孔によって提供されるガス流路の方向は、したがって、合成ガスフレーム４０４の円形の孔によって提供されるガス流路の方向に対して直交する。複数のガス分離セクションが互いの上に積み重ねられたとき、ガス分離セクションの水素フレーム３０１と合成ガスフレーム４０４のすべては、水素フレーム３０１のすべての円形の孔により提供されるガス流路の方向が同じであり、かつ合成ガスフレーム４０４のすべての円形の孔により提供されるガス流路の方向が同じであるように、互いに位置合わせされる。

各ガス分離セクション３００における扇形の孔は、互いに直接、流体連通していない。扇形の孔の１つにおけるガスは、第１のチャネル２０２または第２のチャネル２０４を通って流れることにより、扇形の孔の異なるものの中に流入することができるだけである。

図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、および図４Ｂで示されるように、ガスケット３０３が提供される。ガスケット３０３はガス封止である。第１のチャネル２０２におけるガスが、逆も同様であるが、膜２０１の端部付近で第２のチャネル２０４の中に流入するのを阻止するように、各膜２０１の縁部のすべてを覆うガスケット３０３が提供される。第１のチャネル２０２と第２のチャネル２０４の間の唯一のガス流は、したがって、膜２０１を通過したガスであり、膜２０１の縁部付近を通るものではない。各ガスケット３０３は、膜２０１の縁部のすべての周りでガス封止を提供する単一構造であることが好ましい。各ガスケット３０３は、水素フレーム３０１の上側、または下側セクションと一体であることが好ましい。

隣接するガス分離セクション３００の間で、何らかの望ましくないガス流路を阻止するために、例えば、ポリマー／ゴム封止など、ガス気密封止を設けることができる。

少なくとも図４Ａで示されるように、各ガス分離セクション３００は、ガス分離セクション３００の様々な構成要素を互いの上に位置決めすることによって形成され得る。ガス分離セクション３００は、フランジを備えるベース４０２上に形成することができる。各水素フレーム３０１および合成ガスフレーム４０４と実質的に同じ形状を有することのできる第１のガスケット３０３を、ベース４０２上に直接位置決めすることができる。合成ガスフレーム４０４を、第１のガスケットの上に位置決めすることができる。水素フレーム３０１を、合成ガスフレーム４０４の上に位置決めすることができる。水素フレーム３０１は鋼メッシュを支持する。メッシュは、２つの基板２０３を支持し、また各基板は、膜２０１を支持する。図４Ａでは、上側の基板２０３および膜２０１が示されている。下側の基板２０３および膜２０１もまた存在するが、図４Ａでは見ることができない。図４Ａでは示されていないが、第１のガスケットと同様の形状を備えた別のガスケットを、合成ガスフレーム４０４と水素フレーム３０１との間に設けることができる。ガス分離セクション３００のすべての構成要素のそれぞれの位置合わせを支援するために、１つまたは複数のガイドピン４０３を設けることができる。

実施形態によるガス分離セクション３００の第１の実装形態が、図３Ａ、図３Ｂ、および図３Ｃで示される。実施形態によるガス分離セクション３００の第２の実装形態が、図４Ａおよび図４Ｂで示されている。

少なくとも図３Ｃで示されるように、第１の実装形態では、ガスケットは、少なくとも１つの、また好ましくは２つの直方体バー形状の部材により、水素フレーム３０１に取り付けられる。各直方体形状のバー部材は、実質的に、水素フレーム３０１の実質的に正方形形状の部分の縁部の全長に沿って延びる。少なくとも図４Ａおよび図４Ｂで示されるように、第２の実装形態は、ガスケットが、少なくとも１つの短いガスケット保持具により水素フレーム３０１に取り付けられることにより、第１の実装形態とは異なっている。少なくとも図４Ｂで示されるように、４つのガスケット保持具が存在することが好ましい。各ガスケット保持具は、水素フレーム３０１にねじ止めすることができる。

少なくとも図５で示されるように、複数のガス分離セクション３００が積み重ねて配置される場合、各ガス分離セクション３００の扇形の孔は、各ガス分離セクション３００の扇形の孔におけるガスが、少なくとも１つの他の隣接するガス分離セクション３００の対応する扇形の孔の中に直接流入できるように互いに位置合わせされる。ガス分離セクション３００の位置合わせにより、ガスは、ガス分離セクション３００の扇形の孔から、隣接するガス分離セクション３００の複数の扇形の孔の中に直接流入することが阻止される。

複数のガス分離セクション３００の扇形の孔は位置合わせされて、ガス分離セクション３００のスタックを介して、４つの入口／出口チャネル５０１、５０２、５０３、５０４を形成する。各入口／出口チャネル５０１、５０２、５０３、５０４は、分離デバイス５００の少なくとも１つの入力または出力ポートと流体連通することができる。入口／出口チャネルは、したがって、入力される合成ガス、出力される水素、および出力される残留ガスのための流路を提供することができる。図５では示されていないが、図５におけるガス分離セクション３００のそれぞれは、その水素フレーム３０１およびその合成ガスフレーム４０４における前述の円形の孔を有する。ガス分離セクションのすべては、各チャネル５０１、５０２、５０３、５０４が、実質的に同一のガス分離セクションの同じガス入口／出口に関して平行に配置されるように位置合わせされる。

例えば、チャネル５０２は、合成ガスに対する入力ポートからの合成ガスの流路を提供する入口チャネルとすることができる。合成ガスは、各ガス分離セクション３００の平面に対して直交する方向に、チャネル５０２の中に流入し、それに沿って流れ、ガス分離セクション３００のいずれかの中に流入することができる。複数のガス分離セクション３００の第１のチャネル２０２の中への合成ガスの入口のすべては、互いに平行である。

チャネル５０３は、残留ガスに対する出力ポートへの残留ガスの流路を提供する出口チャネルとすることができる。残留ガスは、各第１のチャネル２０２から流れ出て、チャネル５０３の中に流入し、次いで、各ガス分離セクション３００の平面に対して直交する方向に、チャネル５０３に沿って出力ポートへと流れる。複数のガス分離セクション３００の第１のチャネル２０２からの残留ガスの出口のすべては、互いに平行である。

チャネル５０１および５０４の一方、または両方は、水素に対する１つまたは複数の出力に水素の流路を提供する水素の出口チャネルとすることができる。水素は、各第２のチャネル２０４から流れ出て、チャネル５０１および５０４の少なくとも一方、または両方の中に流入し、次いで、各ガス分離セクション３００の平面と直交する方向に、チャネル５０１および５０４の一方、または両方に沿って、水素に対する少なくとも１つの出力ポートへと流れることができる。複数のガス分離セクション３００の第２のチャネル２０４からの水素の出口のすべては、互いに平行である。

代替の実施形態では、チャネル５０１は、水素の出口チャネルを提供し、またチャネル５０４は、パージガスの入口チャネルを提供する。パージガスは、各第２のチャネル２０４の中に流入する。パージガスは、膜２０１を通過した水素が、第２のチャネル２０４から流れ出て、水素フレーム３０１の中に流入する速度を高める。これは、第２のチャネル２０４における水素の分圧を低下させて、したがって、水素が、膜２０１を介して、第１のチャネル２０２から第２のチャネル２０４の中に移動する速度を高める。

図５、図６Ａ、および図６Ｂは、実施形態による分離デバイス５００を示す。図５は、実施形態による分離デバイス５００を通る断面である。

図６Ａおよび図６Ｂで示されるように、分離デバイス５００は、環状の外側チャンバ、円形の上側セクション、および円形の下側セクションを備える。上側セクションおよび／または下側セクションは、ガス分離セクション３００に対するベース４０２であり得る。図５で示されるように、分離デバイス５００は、積み重ねた構成で複数のガス分離セクション３００を備える。複数のガス分離セクション３００は、膜２０１の各平面が水平になるように、垂直に積み重ねることができる。図６Ｂで示されるように、上側セクションおよび下側セクションは、上側セクションおよび下側セクションの両方のフランジを通るボルトによって共に留めることができる。

分離デバイス５００の上側または下側セクションであり得る分離デバイス５００の一方、または両方の端部には、合成ガス用の少なくとも１つの入力ポート、および残留物用の少なくとも１つの出力ポートが設けられる。

分離デバイス５００の上側または下側セクションであり得る分離デバイス５００の一方、または両方の端部には、水素ならびに／または水素およびパージガスの混合物に対する１つまたは複数の出力ポートが設けられる。分離デバイス５００の上側および／または下側セクションに、パージガス用の、分離デバイス５００における少なくとも１つの入力ポートがあり得る。

分離デバイス５００には、他のガス、特に蒸気に対する１つまたは複数の入力および／または出力ポートも存在し得る。蒸気に対する１つまたは複数の入力および／または出力ポートは、分離デバイス５００の上側および／または下側セクションにあり得る。蒸気は、膜２０１を加熱するために、分離デバイス５００の中に供給されることが好ましい。代替的に、または加えて、分離デバイス５００は、電気的になど、他の方法で加熱することができる。

分離デバイス５００の外側ハウジングは、水素および合成ガスの分離を、加熱および加圧された環境において実施できるようにするので有利である。円筒形の外側ハウジングが存在することはまた、システムの安全性を高める。

実施形態による膜２０１は、厚さが１０マイクロメートル未満である。すなわち、膜２０１の平面に対して直交する距離において、膜２０１の平坦な表面は、互いに１０マイクロメートル未満だけ離れている。

膜２０１は、好ましくは１マイクロメートルと４マイクロメートルの間の厚さ、より好ましくは２マイクロメートルと３マイクロメートルの間の厚さである。

実施形態による膜２０１は、特許文献１、および／または特許文献２で開示された膜と同じであり、かつ同様な方法で製作され得る。

膜２０１の組成は、実質的にパラジウムだけとすることができる。代替的に、膜２０１は、パラジウムと、パラジウム以外の１つまたは複数の他の金属とを含むことができる。

膜２０１の組成は、その重量の１５％と４０％の間が銀であり、残りの重量がパラジウムであるようにすることが好ましい。膜２０１の組成は、その重量の５分の１と３分の１の間が銀であり、残りの重量がパラジウムであるようにすることが好ましい。膜２０１の組成は、その重量の７７％がパラジウムであり、その重量の２３％が銀であるようにすることがより好ましい。

膜２０１は、パラジウム、銀、および金属Ｘ、ならびに／または金属Ｙを含むことができ、ここで、金属Ｘは金属Ｙとは異なり、また金属Ｘおよび金属Ｙは共に、パラジウムおよび銀以外の他の金属である。

膜２０１は、好ましくは正方形であり、正方形の各辺の長さは、約５００ｍｍである。

実施形態による基板２０３は、水素がそれを通過できる特性を有する。基板２０３は、多孔質材料、もしくは固相拡散に起因して水素により透過可能な材料（例えば、ＩＶＢおよびＶＢ族の、電子および酸素イオン導電および／またはプロトン導電セラミックスもしくは金属の混合された導体）、またはそれらの層化された組合せとすることができる。基板２０３は、金属、セラミックス、ポリマー、またはそれらの組合せから作ることができる。

特に好ましい実施形態では、基板２０３は焼結板である。焼結板は、鋼から、好ましくはＡＩＳＩ３１６Ｌから製作することができる。焼結板は、特許文献１および／または特許文献２で開示された膜など、薄い膜２０１に対して特に好ましい基板である。

膜２０１は、基板２０３上に直接設けられることが好ましい。すなわち、膜２０１と基板２０３との間にさらなる材料の層が設けられない。こうすることは、第１のチャネル２０２と第２のチャネル２０４との間における水素の移動距離、および移動抵抗を最小化する。

基板２０３は、０．５ｍｍと５ｍｍの間の厚さ、好ましくは、１ｍｍと３ｍｍの間の厚さとすることができる。

基板２０３の平坦な表面は、それが支持する平坦な膜２０１と少なくとも同じ寸法とすべきであり、膜２０１と実質的に同じ寸法であることが好ましい。基板２０３は、したがって、正方形の各辺の長さが５００ｍｍである正方形の平坦な表面を有することが好ましい。

分離デバイス５００におけるガス分離セクション３００の数は変えることができ、２から５００、好ましくは２５から２００の範囲とすることができる。

分離デバイス５００は、少なくとも５０ｂａｒｇの圧力で動作するように設計されることが好ましい。

分離デバイス５００は、少なくとも４５０℃の温度で動作するように設計されることが好ましい。

分離デバイス５００は、３００℃から４００℃の範囲の典型的な動作温度を有することが好ましい。

各ガス分離セクション３００の外径は、７１０ｍｍから１０００ｍｍの範囲とすることができる。

ハウジングの外径は、７５０ｍｍから１２００ｍｍの範囲とすることができる。

ハウジングの高さは、３５０ｍｍから５０００ｍｍの範囲とすることができる。

ハウジングの上側および／または下側セクションの高さは、５０ｍｍから２００ｍｍの範囲とすることができる。

メッシュは、基板２０３が互いに平行に取り付けられ、かつ１ｍｍから１００ｍｍの範囲、好ましくは２ｍｍから３０ｍｍの範囲の距離だけ離間されるように維持されるような形状とすることができる。

分離デバイス５００の中への合成ガスの流量は、１００００Ｎｍ３／ｈとすることができる。

分離デバイス５００の構成要素の上記で与えられた寸法は、近似的なものであり、実施形態はまた、これらの寸法に対しての変動も含む。例えば、構成要素の形状は、分離デバイス５００の中に機器を収容するために変えることができる。分離デバイス５００はまた、小規模と大規模の両方の用途に適するような寸法範囲で作ることができる。

実施形態による分離デバイス５００は、実施するのが容易であり、かつ大規模な合成ガスからの水素分離に適しているので有利である。

水素が、実施形態による分離デバイス５００によって合成ガスから分離され得る速度は、外側ハウジング内のガス分離セクション３００の数を増加する、または低減することにより、容易に変えることができる。

分離デバイス５００はまた、容易に拡大縮小可能である。水素を合成ガスから分離できる速度は、多数のガス分離セクション３００を備えることができるように、外側ハウジングの高さを増加することによって高めることができる。

分離デバイス５００はまた、モジュール式設計を有する。分離デバイス５００内のガス分離セクション３００のいずれにも容易にアクセスすることができ、故障が生じた場合、または検査／点検のために置き換えることができる。

入力および出力ポートはまた、分離デバイス５００を通り、第１および第２のチャネル２０４のそれぞれを通る主流路に対して直角に方向付けられることが好ましい。各第１のチャネル２０２の入力および出力は、したがって、互いに平行である。各第１のチャネル２０２の中に流入する合成ガスの量の変動は、したがってわずかである。有利には、第１のチャネル２０２のそれぞれの中への合成ガスの流量が適切であることを確実にするために、複雑な、電子制御されたマニホールドシステムは必要ではない。第１のチャネル２０２のそれぞれの中への合成ガスの流量はまた、ガス分離セクション３００の数が変化したとき、適切なままであり得る。

各第１のチャネル２０２に対する合成ガスの並列な入力は、第１のチャネルのすべてが互いに直列になるように流路を提供することよりも有利である。第１のチャネル２０２の入力が並列である場合、合成ガスにおける水素の濃度は、各第１のチャネル２０２に対して同じである。第１のチャネルが互いに直列であるとき、合成ガスにおける水素の濃度は、各第１のチャネルに対して異なる。

実施形態によるガス分離セクション３００の別の利点は、メッシュを使用することである。各ガス分離セクション３００におけるメッシュは、基板２０３および膜２０１に対する主な構造的支持を提供する。したがって、メッシュは、各基板２０３が、膜２０１を支持し、かつメッシュに取り付けることができる十分な厚さを必要とするに過ぎないので、薄い基板２０３の使用を可能にする。基板２０３は、ガス分離セクション３００を通る第２のチャネル２０４の構造的支持を提供するような十分な厚さを必ずしも必要としない。基板２０３の厚さを低減することは、膜２０１の間に必要な間隔を低減し、かつ製作コストも共に低減する。

分離デバイス５００の外側ハウジングは、加圧された動作のすべてに蒸気の使用を可能にし、安全性を高めるので有利である。

図１で示された装置は、実施形態による分離デバイス５００とはいくつかの基本的な設計差を有する。これらの差の結果は、図１で示された膜モジュールは、実施するのが容易ではなく、かつ大規模な合成ガスからの水素分離には適していないことである。

図１では、基板を接続するメッシュがない。各基板は、したがって、膜モジュールを通るチャネルを構造的に支持するのに十分な強度を有する必要がある。その結果、基板は、厚くする必要があり、これは、膜モジュールの寸法およびコストを増加させる。

加えて、膜の間の分離を維持するために、スペーサが膜の間に必要である。図１で示されるように、膜上にスペーサを設けることは、膜が損傷される可能性を高める。スペーサはまた、膜の間の合成ガスの流れを妨害する。

図１で示された膜モジュールは、膜の縁部にガスケット３０３を備えていない。したがって、膜の端部においてガス漏れの危険が生ずることになる。

図１で示される膜モジュールは、外側ハウジングを備えていない。したがって、膜を加圧し、加熱することはできない。

図１で示される膜モジュールは、スケーラブルではない。合成ガスの入力および出力ポートは、膜と同じ平面内に、かつ構造の垂直な中間点に設けられる。膜の数を、２を超えて増加させたとき、合成ガスの流れは、膜の間で等しく配分されないことになる。

加えて、図１では、合成ガスの入力流れは、膜構造に直接当たるものである。合成ガスの流量が増加した場合、増加した流れは、合成ガスが流れて当たる膜構造を損傷するおそれがある。

図１で示された膜モジュールは、モジュール式の設計を有していない。膜の数を変えることはできず、また膜を容易に置き換えることができない。

実施形態による分離デバイス５００はまた、図１で示されたものからの知られた分離デバイスの他のタイプに対して、いくつかの利点を有する。特に、実施形態による膜２０１は薄い。膜２０１は、好ましくは、１０マイクロメートル未満の厚さであり、より好ましくは、１マイクロメートルと５マイクロメートルの間の厚さである。図１で示されたものからの知られた分離デバイスの他のタイプは、より厚い膜を有する。したがって、各膜を通る水素の流量は少なく、コストは増加する。

前述の実施形態による分離デバイス５００はまた、平坦な膜に代えて管状の膜を備える分離デバイスに対して、いくつかの利点を有する。合成ガス内の水素の移動距離は、隣接する膜の間の平均的な間隔に依存する。平坦な膜を用いると、隣接する膜は互いに平行であり、したがって、隣接する膜の間の平均間隔は、隣接する膜の間の最小の距離である。管状の膜が使用される場合、膜は、互いに平行ではなく、隣接する膜の間の平均的な間隔は、隣接する膜の間の最小距離よりも大きい。したがって、平坦な膜が使用されるとき、水素の移動距離は少なくなる。

実施形態では、水素は、各ガス分離セクション３００の実質的に正方形の部分の縁部と、各ガス分離セクション３００の実質的に環状の部分との間で、少なくとも一方の出口チャネル５０１および５０４において収集される。出口チャネルは、出力ポートへの水素の流路を提供する。有利には、水素に対する流路を提供することは、膜が、一定の形状を有することを可能にし、例えば、膜は立体的な正方形（ｓｏｌｉｄ ｓｑｕａｒｅ）とすることができる。こうすることは、膜の平面に孔を作ることが必要な水素流路を提供することよりも有利である。特に、これは、各環状の膜の中央を通る収集された水素のための流路を備える環状膜を用いることよりも有利である。このような実装形態は、利用可能な膜寸法を低減することになる。システム内においてかなりの圧力差も生ずるはずである。

実施形態は、上記で述べたような技法に対するいくつかの修正および変形を含む。

実施形態が、合成ガスの他の成分から分離される水素ガスを参照して述べられてきた。実施形態はまた、他の適用分野も含む。例えば、水素は、アルキンへのアルケンの反応中の水素除去、および水素の精製など、他のガス混合物から分離することができる。

実施形態は、パラジウム膜以外の他の膜の使用を含む。他の膜を使用することは、水素以外の他のガスを、ガス混合物から分離できるようにする。実施形態による分離デバイス５００は、したがって、ガス混合物から膜を通って流れることのできる１つまたは複数のガスのいずれかを分離するために使用することができる。

実施形態は、ガス分離デバイス５００として述べられてきた。実施形態はまた、ガス清浄化デバイスであると考えることもできる。すなわち、実施形態による分離デバイス５００は、水素、または膜２０１を通って流れることのできる任意の他のガスの純度を高めるために使用することができる。

図４Ｂで示されるように、メッシュは、複数のチャネルを備えるプレートとすることができ、前記複数のチャネルのそれぞれは、第２のチャネル２０４である。メッシュは、鋼メッシュとして述べられてきた。実施形態は、必要な構造的支持を提供する特性を有する任意の他の材料から作られたメッシュを含む。メッシュは、メッシュに取り付けられた基板２０３を支持する任意の構造を有することができる。

膜２０１は、正方形形状の平面を有するとして述べられてきた。しかし、実施形態は、円形の平面、または長方形の平面など、他の形状の平面を有する平面を含む。

水素フレーム３０１および合成ガスフレーム４０４は、導管を備えることができる。水素、合成ガス、および／または残留ガスの流路は、入口／出口チャネル５０１、５０２、５０３、および５０４に加えて、またはそれに代えて、これらの導管を通ることができる。

実施形態が、平坦な膜を有するガス分離セクション３００を備える分離デバイス５００を用いて述べられてきた。これは実施形態のうちの好ましい実装形態であるが、実施形態はまた、分離デバイス５００に管状の膜を使用することも含む。膜、基板、およびメッシュは、管状／円筒形の構造を有するようになるが、その他の点では、実質的に、実施形態による平坦な膜に対して述べられた通りであり得る。

本明細書において、流れ図およびその説明は、本明細書で述べられた方法ステップを実施する固定された順序を規定するものと理解されるべきではない。そうではなくて、方法ステップは、実行可能な任意の順序で実施することができる。本発明は、特定の例示的な実施形態に関して述べられてきたが、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、開示された実施形態に対して、当業者には明らかな様々な変更、置換え、および改変を加え得ることを理解されたい。

２０１ 膜
２０２ 第１のチャネル
２０３ 基板
２０４ 第２のチャネル
２０５ 入口
２０６ 出口
２０７ 出口
３００ ガス分離セクション
３０１ 水素フレーム
３０３ ガスケット
４０２ ベース
４０３ ガイドピン
４０４ 合成ガスフレーム
５００ 分離デバイス
５０１ 入口／出口チャネル
５０２ 入口／出口チャネル
５０３ 入口／出口チャネル
５０４ 入口／出口チャネル

Claims (18)

1. 第１のガスを１つまたは複数の他のガスから分離するための分離デバイスであって、
   第１のガスおよび１つまたは複数の他のガスを含むガス混合物を受け入れるための入口と、
   スタック状に配置される複数のガス分離セクションであって、各ガス分離セクションは第１の平坦な膜および第２の平坦な膜を含む、複数のガス分離セクションと、
   前記ガス分離セクションのスタックにおける前記膜のうちの１つまたは複数を通過した前記第１のガスを排出するように配置された第１の出口と、
   前記ガス分離セクションのスタックにおける前記膜のうちの１つまたは複数を通過しなかった少なくとも前記１つまたは複数の他のガスを排出するように配置された第２の出口と、
   前記複数のガス分離セクションを含む略円筒形外側ハウジングと、
   を備え、
   前記入口は、使用時に、前記ハウジングの中への受け取った前記ガス混合物の流入方向が、前記ガス分離セクションの前記スタックにおける前記膜の平面に対して略直交するように、前記ハウジングの端部セクションに設けられており、
   前記複数のガス分離セクションは、受け取った前記ガス混合物が前記ガス分離セクションの全てに同時に流れることができるように、各ガス分離セクションへの、受け取った前記ガス混合物の流路が前記スタックの同じ側において互いに平行に配置された状態で、前記スタックに配置されており、
   各ガス分離セクションは、
   第１の表面および第２の表面を有する第１の基板であって、前記第１の基板の前記第２の表面は、前記第１の基板の前記第１の表面とは前記第１の基板の反対側にある、第１の基板と、
   第１の表面および第２の表面を有する第２の基板であって、前記第２の基板の前記第２の表面は、前記第２の基板の前記第１の表面とは前記第２の基板の反対側にある、第２の基板と、
   前記第１の基板の前記第２の表面と前記第２の基板の前記第２の表面との間に配置されるメッシュと
   を備え、
   前記第１の基板および前記第２の基板は、金属焼結板であり、
   前記第１の膜は、前記第１の基板の前記第１の表面上にあり、
   前記第２の膜は、前記第２の基板の前記第１の表面上にあり、
   前記第１の膜および前記第２の膜は共に、少なくとも第１のガスによって透過可能であるが、１つまたは複数の他のガスによって透過可能ではなく、
   前記第１の膜の平面に対して直交する方向の前記第１の膜の厚さは、１０マイクロメートル未満であり、
   前記第２の膜の平面に対して直交する方向の前記第２の膜の厚さは、１０マイクロメートル未満であり、
   前記第１の膜および前記第２の膜はそれぞれ、略正方形の形状をしており、かつ、連続している、分離デバイス。
2. 前記第１のガスは水素であり、前記１つまたは複数の他のガスは、一酸化炭素および／または二酸化炭素を含む、請求項１に記載の分離デバイス。
3. 各ガス分離セクションに関して、前記第１の膜および前記第２の膜はパラジウムを含み、
   任意選択で、前記第１の膜および前記第２の膜は、パラジウム以外の１つまたは複数の他の金属をさらに含む、請求項１または２に記載の分離デバイス。
4. 各ガス分離セクションに関して、前記第１の膜および／または前記第２の膜は銀を含み、
   好ましくは、前記膜は、１５重量％と４０重量％の間の銀であり、前記膜の残りはパラジウムであり、
   より好ましくは、前記膜は、７７重量％のパラジウムであり、かつ２３重量％の銀である、請求項３に記載の分離デバイス。
5. 各ガス分離セクションに関して、前記第１の膜および／または前記第２の膜の前記厚さは、０．２マイクロメートルと４マイクロメートルの間であり、好ましくは、１マイクロメートルと３マイクロメートルの間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の分離デバイス。
6. 各ガス分離セクションに関して、前記メッシュは、鋼メッシュである、請求項１から５のいずれか一項に記載の分離デバイス。
7. 各ガス分離セクションに関して、
   前記メッシュは、前記第１の基板の前記第２の表面の対向する縁部の間の複数の位置において、前記第１の基板の前記第２の表面に取り付けられ、
   前記メッシュは、前記第２の基板の前記第２の表面の対向する縁部の間の複数の位置において、前記第２の基板の前記第２の表面に取り付けられる、請求項１から６のいずれか一項に記載の分離デバイス。
8. 各ガス分離セクションに関して、前記メッシュは、前記メッシュの取付けが、前記第１の基板の前記第２の表面、および前記第２の基板の前記第２の表面を、互いに略平行に保持するように、前記第１の基板と前記第２の基板の両方に取り付けられる、請求項１から７のいずれか一項に記載の分離デバイス。
9. 各ガス分離セクションに関して、前記第１の基板の前記第２の表面は、２ｍｍから３０ｍｍの範囲の距離だけ前記第２の基板の前記第２の表面から離間される、請求項１から８のいずれか一項に記載の分離デバイス。
10. 各ガス分離セクションに関して、
    前記第１の基板の厚さは３ｍｍ未満であり、かつ／または
    前記第２の基板の厚さは３ｍｍ未満である、請求項１から９のいずれか一項に記載の分離デバイス。
11. 前記各ガス分離セクションは、
    前記第１の膜の縁部においてガス封止を提供するように配置された第１のガスケットと、
    前記第２の膜の縁部においてガス封止を提供するように配置された第２のガスケットとをさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の分離デバイス。
12. 各ガス分離セクションに関して、前記メッシュは、前記第１のガスが、使用時に、通って流れるように配置されたチャネルに配置される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の分離デバイス。
13. 各ガス分離デバイスは、前記第１のガスの流路を提供するように配置された少なくとも１つのフレームをさらに備え、
    前記少なくとも１つのフレームは、使用時に、前記第１のガスが、前記チャネルから前記フレームにより提供される前記流路の中に流入するように、前記チャネルと流体連通するように配置される、請求項１２に記載のガス分離デバイス。
14. 前記フレームは、前記第１の膜および前記第２の膜を囲む略環状のセクションを備える、請求項１３に記載の分離デバイス。
15. 前記第１のガスケットは、略環状のセクション内に略正方形のセクションを備える単一の部品構造であり、かつ／または
    前記第２のガスケットは、略環状のセクション内に略正方形のセクションを備える単一の部品構造である、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の分離デバイス。
16. 前記ハウジングは、前記ガス分離セクションを加熱するための蒸気を受け入れるように配置された入口をさらに備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載の分離デバイス。
17. 前記ハウジングは、前記第１のガスが膜を通過した後に、使用時に、前記第１のガスが通って流れるように配置された１つまたは複数のチャネルに供給されるパージガスのための入口をさらに備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の分離デバイス。
18. 第１のガスを、前記第１のガスおよび１つまたは複数の他のガスを含むガス混合物から分離する方法であって、
    前記ガス混合物を、請求項１から１７のいずれか一項に記載の分離デバイスの中に供給するステップと、
    前記第１のガスだけを略含む第１のガス流を前記分離デバイスから受け入れるステップと、
    少なくとも前記第１のガス以外の１つまたは複数の他のガスを含む第２のガス流を前記分離デバイスから受け入れるステップと
    を含む、方法。

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