JP3207635B2 - 水素ガス分離装置 - Google Patents

水素ガス分離装置

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JP3207635B2 JP25960393A JP25960393A JP3207635B2 JP 3207635 B2 JP3207635 B2 JP 3207635B2 JP 25960393 A JP25960393 A JP 25960393A JP 25960393 A JP25960393 A JP 25960393A JP 3207635 B2 JP3207635 B2 JP 3207635B2
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    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
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    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、水素ガスを含有する被
処理ガスから水素ガス成分を選択的かつ効率的に分離す
るための水素ガス分離装置に関する。
【0002】
【従来の技術】水素ガスは石油化学の基本素材ガスとし
て大量に使用され、又クリーンなエネルギー源として大
きな期待が寄せられている。高純度な水素ガスは、天然
ガス、ナフサ等を原料として各種の処理手段により処理
して製造された水素含有ガスから水素ガスを分離するこ
とにより得られる。
【0003】水素ガスを分離する有効な方法として、水
素ガス分離膜を用いた方法が知られており、例えば特開
昭62−273030号公報、特開昭63−17161
7号公報には、多孔質ガラス、多孔質セラミックス、又
は多孔質酸化アルミニウム等の無機多孔質支持体の一表
面側に、水素ガスを選択的に透過させる選択透過能を有
するパラジウム又はパラジウム合金を被着した透過膜が
開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】水素ガス分離装置は、
ガス分離体の一方の側より、水素ガスを含有する被処理
ガスを導入し、水素ガスのみがガス分離体を透過し、ガ
ス分離体の他方の側より、精製された水素ガスが得られ
る構造を有する。したがって、被処理ガス側と精製ガス
側とを気密に分離する必要があり、ガス分離体と支持体
との接合部から、被処理ガスが精製ガス側に漏洩しない
ことが必要となる。
【0005】一方、このような水素ガス分離膜を使用し
て水素ガスを効率良く分離するには、ガス分離膜中で水
素ガスが拡散する速度を早くするため、5〜10気圧で
300℃以上、好ましくは500℃以上という高温、高
圧で処理することが有利である。このような高温、高圧
下で水素ガス分離処理を行なうに当っては、水素ガス分
離膜を高圧容器内において如何に支持するかが問題とな
る。即ち、高温、高圧の条件下においても水素ガス分離
膜の支持部が耐久性を有することは勿論のこと、当該支
持部から被処理ガス、分離された水素ガスなどが漏洩し
ないこと、さらにできるだけ大量にしかも効率的に水素
ガスを分離するために、高圧容器内に多くの水素ガス分
離膜を収納することが要請される。
【0006】しかしながら、上記したような水素ガス分
離膜の支持部を有する水素ガス分離装置は知られていな
い。したがって、本発明は水素ガス分離膜の支持具合に
工夫をした新規な水素ガス分離装置を提供することを目
的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明によれ
ば、多孔質セラミックス管の少なくとも一側に、水素ガ
スを選択的に透過させる選択透過能を有する金属膜を備
えた水素ガス分離管を、該水素ガス分離管の一端を、ガ
スを透過しない緻密質セラミックス製フランジに貫通さ
せ該フランジに接着固定した状態で支持して構成される
水素ガス分離装置であって、多孔質セラミックス管と緻
密質セラミックス製フランジとを接合した後に、該接合
面と該多孔質セラミックス管の少なくとも一側に前
記金属膜を被覆処理してなることを特徴とする水素ガス
分離装置、が提供される。
【0008】また、本発明によれば、多孔質セラミック
ス管の少なくとも一側に、水素ガスを選択的に透過させ
る選択透過能を有する金属膜を備えた水素ガス分離管
を、該水素ガス分離管の一端を、ガスを透過しない緻密
質セラミックス製フランジに貫通させて接着固定し、更
に該緻密質セラミックス製フランジの外周部を金属製フ
ランジに接合して構成される水素ガス分離装置であっ
て、多孔質セラミックス管と緻密質セラミックス製フラ
ンジとを接合した後に、該接合部面と該多孔質セラミ
ックス管の少なくとも一側に前記金属膜を被覆処理して
なることを特徴とする水素ガス分離装置、が提供され
る。なお、本発明において、多孔質セラミックス管と緻
密質セラミックス製フランジとの接合には、耐熱性の無
機質接着剤を用いるのが好ましい。
【0009】
【作用】本発明の水素ガス分離装置においては、水素ガ
ス分離管をフランジに貫通し、接着固定して支持する構
造に特徴がある。本発明者は、金属膜を被覆した多孔質
セラミックス管を、フランジに貫通させ接着固定し支持
する構造に関し、種々の角度から検討した。
【0010】まず、パラジウム又はパラジウム合金等の
金属膜を、例えば化学メッキ法によりその外表面に被覆
した多孔質セラミックス管を作製し、次いでこの多孔質
セラミックス管の外径より僅かに大きい直径の貫通孔を
備えた緻密質セラミックスからなるフランジを用意し、
フランジの貫通孔に貫通させた状態で接着固定し支持し
ようとした。この場合、金属とセラミックスとの接合と
なるが、接着剤としてセメントなどの無機質接着剤を用
いると、無機質接着剤で形成された接合部は緻密になら
ないため、この接合部からガス漏れが生じるという不具
合があった。
【0011】一方、金属製のフランジを用い、これと金
属膜を被覆した多孔質セラミックス管をロウ材を用いて
接合する場合には、フランジの貫通孔内径と多孔質セラ
ミックス管外径との隙間を100μm以下に管理しない
とロウ付けが適切に行なわれないが、多孔質セラミック
ス管外径の管理が実際上極めて困難である。そこで、本
発明者は種々検討を重ね、多孔質セラミックス管を緻密
質セラミックスからなるフランジに貫通し接合した後、
多孔質セラミックス管と当該接合部の面に金属膜を被
覆処理することにより、前記した不具合を解消すること
ができることを見い出したのである。
【0012】また、本発明の水素ガス分離装置におい
て、多孔質セラミックス管の一端を緻密質セラミックス
製フランジに貫通させて接着固定した後に、多孔質セラ
ミックス管と当該接合部の面に金属膜を被覆処理し、
さらに緻密質セラミックス製フランジの外周部を金属製
フランジに接合して構成すると、高温、高圧における耐
久性に優れるとともに、容器内に多数の水素ガス分離管
を工程上容易に収納できることから極めて好ましい。こ
こで、緻密質セラミックス製フランジの外周部と金属製
フランジの接合は、ロウ付けにより処理することが耐久
性、ガスの漏洩防止の観点から適切である。そして、こ
の場合のロウ付け処理は、金属製フランジの貫通孔内径
と緻密質セラミックス製フランジの外周部との隙間は所
定以上に緻密に制御、管理ができるので好ましい。
【0013】本発明において、金属膜を被覆処理する方
法としては従来公知の方法が使用でき、例えば、化学メ
ッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等を用いること
ができる。また、多孔質セラミックス管と、緻密質セラ
ミックス製フランジとの接合に用いる接合剤としては、
耐熱性を有する無機質接着剤で、熱膨張が多孔質セラミ
ックス管と同等のモルタル、セメント、転移点が500
℃以上のガラスなどが好ましく使用される。接合剤とし
てガラス等を用いた場合において、接合剤表面が滑らか
なときには、金属膜の剥離が生じる。この場合には、サ
ンドブラスト、エッチング等により、表面粗さをRa=
0.05〜1μmに制御することで、剥離を防ぐことが
可能である。
【0014】多孔質セラミックス管は、アルミナ、シリ
カ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア
等の材質からなるもので、例えば、セラミック質の粉末
材料を混練してパイプ状に押出成形後、焼成して製造さ
れる。緻密質セラミックス製フランジの被覆処理部分
は、必要に応じて表面粗さを制御することが好ましい。
これは、緻密質セラミックス製フランジの表面が鏡面で
ある場合には、接合後に行う金属膜の被覆処理におい
て、金属膜の剥離が生じることがあるためである。表面
粗さはRa=0.05〜1μmに制御することが好まし
い。また、無機接着剤がガラスである場合も同様の制御
を行うことが好ましい。また、緻密質セラミックス製フ
ランジは、前記多孔質セラミックス管と同材質であるこ
とが好ましい。なお、緻密質セラミックス製フランジの
外周部に接合する金属製フランジとしては、SUS、イ
ンコネル、コバール等が使用できる。
【0015】
【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づき更に詳
しく説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるも
のではない。
【0016】図1は本発明の水素ガス分離装置を示す断
面図、図2は図1の一部拡大断面図で、図1に示す高圧
容器10内に筒状で複数本の水素ガス分離管11を収納
して形成されている。フランジ12は、水素ガス分離管
11の外径より僅かに大きい直径の貫通孔12aを複数
備え、またフランジ13は、貫通孔12aと同じ大きさ
の直径で貫通していない孔13aを複数備えており、水
素ガス分離管11はその一端をフランジ12の貫通孔1
2aに貫通させ開口した状態で支持されるとともに、他
端はフランジ13の孔13aに挿入されて目封じされて
いる。
【0017】ここで、本実施例に示す水素ガス分離装置
では、図3に示すように、水素ガス分離管11は、多孔
質セラミックス管14をフランジ12の貫通孔12a及
びフランジ13の孔13aにそれぞれ貫通及び挿入させ
た状態でセメントなどの無機質接着剤にて接合した後
に、接合部15と多孔質セラミックス管14の一側表面
を覆ってパラジウム又はパラジウム合金等の金属膜26
を化学メッキ法等で被覆処理して形成してある。そし
て、上部側のフランジ12の外周部が、図2に示す支持
プレート16、17で支持されている。
【0018】なお、図1中の18、19は支持プレート
17を保持するフランジであり、20は被処理ガスの流
入路である第1パイプ、21は処理済ガスの流出路であ
る第2パイプ、22は分離された水素ガスの流出路であ
る第3パイプを示している。
【0019】以上の構成を有する水素ガス分離装置にお
いて、第1パイプ20から被処理ガスが高圧容器10内
に供給される。被処理ガスとしては、例えば水素ガスお
よび炭酸ガスを主成分とする500℃〜600℃の高温
で、5〜10気圧程度の高圧のものである。被処理ガス
は、第2パイプ21から流出するが、その間被処理ガス
中の水素ガス成分が水素ガス分離管11を選択的に透過
して水素ガス分離管11の内側に入る。水素ガス分離管
11の内側に入った水素ガス成分は、第3パイプ22か
ら流出する。
【0020】このように被処理ガスから水素ガス成分が
分離されるが、上記実施例においては、水素ガス分離管
11は、図3に示すように多孔質セラミックス管14を
フランジ12、13の貫通孔12a,孔13aにそれぞ
れ貫通及び挿入させた状態でセメントなどの無機質接着
剤にて接合した後に、接合部15と多孔質セラミックス
管14を一側表面を覆ってパラジウム又はパラジウム合
金等の金属膜26を化学メッキ法等で被覆処理して形成
してあるので、高温、高圧下で十分な耐久性を有し、し
かも接合部15からのガス漏れを防止できる。
【0021】また、図4に示すように、多孔質セラミッ
クス管14の一端を緻密質セラミックス製フランジ23
に貫通させて接着固定した後、多孔質セラミックス管1
4と当該接合部24の一側表面を覆ってパラジウム又は
パラジウム合金等の金属膜26を化学メッキ法等で被覆
処理し、次いで、さらに緻密質セラミックス製フランジ
23の外周部を金属製フランジ25に接合することによ
り、高温、高圧における耐久性に優れ、しかも高圧容器
内に多数の水素ガス分離管11を工程上容易に収納する
ことができる水素ガス分離装置を製造することができ
る。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高温、高圧における耐久性に優れるほか、接合部でのガ
ス漏洩が防止され、しかも高圧容器内に多くの水素ガス
分離管を収納することができる水素ガス分離装置を提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の水素ガス分離装置を示す断面図であ
る。
【図2】図1の一部拡大断面図である。
【図3】多孔質セラミックス管と緻密質セラミックス製
フランジとの接合部の拡大断面図である。
【図4】多孔質セラミックス管−緻密質セラミックス製
フランジ−金属製フランジの接合部の拡大断面図であ
る。
【符号の説明】
10…高圧容器、11…水素ガス分離管、12,13…
フランジ、12a…貫通孔、13a…孔、14…多孔質
セラミックス管、15…接合部、16,17…支持プレ
ート、18,19…フランジ、20…第1パイプ、21
…第2パイプ、22…第3パイプ、23…緻密質セラミ
ックス製フランジ、24…接合部、25…金属製フラン
ジ、26…金属膜
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01D 53/22 B01D 63/06 B01D 71/02 500 C01B 3/50

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多孔質セラミックス管の少なくとも一側
    に、水素ガスを選択的に透過させる選択透過能を有する
    金属膜を備えた水素ガス分離管を、該水素ガス分離管の
    一端を、ガスを透過しない緻密質セラミックス製フラン
    ジに貫通させ該フランジに接着固定した状態で支持して
    構成される水素ガス分離装置であって、多孔質セラミッ
    クス管と緻密質セラミックス製フランジとを接合した後
    に、該接合部面と該多孔質セラミックス管の少なくと
    も一側に前記金属膜を被覆処理してなることを特徴とす
    る水素ガス分離装置。
  2. 【請求項2】 多孔質セラミックス管の少なくとも一側
    に、水素ガスを選択的に透過させる選択透過能を有する
    金属膜を備えた水素ガス分離管を、該水素ガス分離管の
    一端を、ガスを透過しない緻密質セラミックス製フラン
    ジに貫通させて接着固定し、更に該緻密質セラミックス
    製フランジの外周部を金属製フランジに接合して構成さ
    れる水素ガス分離装置であって、多孔質セラミックス管
    と緻密質セラミックス製フランジとを接合した後に、該
    接合部面と該多孔質セラミックス管の少なくとも一側
    に前記金属膜を被覆処理してなることを特徴とする水素
    ガス分離装置。
  3. 【請求項3】 多孔質セラミックス管と緻密質セラミッ
    クス製フランジとの接合に耐熱性の無機質接着剤を用い
    る請求項1又は2に記載の水素ガス分離装置。
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