JP5149026B2

JP5149026B2 - 水素分離装置

Info

Publication number: JP5149026B2
Application number: JP2008026948A
Authority: JP
Inventors: 耕平三矢; 融島森; 義則白崎; 達也常木; 英人黒川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd; Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2008-02-06
Filing date: 2008-02-06
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2028-02-06
Also published as: JP2009184883A

Description

本発明は、原料ガスから水素を選択して分離することができる水素分離装置に関し、特に、原料ガス等のリークを防止する構造を有する水素分離装置に関する。

水素の工業的製造方法の一つとして、炭化水素ガスの水蒸気改質法が知られており、この水蒸気改質法では、通常、粒状等の改質触媒を充填した改質器が用いられる。
ところが、改質器で得られる改質ガスには、主成分である水素のほか、ＣＯ、ＣＯ₂等の副生成分や余剰Ｈ₂Ｏ及び未反応ＣＨ₄が含まれているので、改質ガスを、例えば燃料電池にそのまま用いたのでは電池性能を阻害してしまう。

つまり、燃料電池のうち、リン酸形燃料電池で用いる水素ガス中のＣＯは１％（ｖｏｌ％）程度、固体高分子形燃料電池では１００ｐｐｍ（ｖｏｌｐｐｍ）程度が限度であり、これらを超えると電池性能が著しく劣化するため、それら副生成分は燃料電池へ導入する前に除去する必要がある。

この対策として、改質器による改質ガスの生成と該改質ガスの精製とを一つの装置で行えるように一体化したメンブレンリアクタである水素分離装置が開発されている。
ところが、この種のメンブレンリアクタは、収納容器である反応管（外管）内に、表面に水素透過膜を備えた水素分離管を配置した多重管構成であるので、使用の際などに問題が発生することがあった。つまり、メンブレンリアクタは、外管と水素分離管との間隙に粒状等の改質触媒が充填され、この間隙に原料ガスが供給されて改質され、充填された触媒が水素分離管に繰り返し接触するため、例えば水素透過膜が破損する等の問題があった。

この問題点を解決するために、近年では、水素透過膜の支持体として、改質触媒兼支持体を用いた試験管のような形状の水素分離筒を用いるとともに、水素分離筒を固定する取付金具等を備えた水素分離装置が提案されている（特許文献１参照）。

前記水素分離装置は、例えば図９に例示する様に、水素分離筒Ｐ１の一端が取付金具Ｐ２に固定され、取付金具Ｐ２内の内部流路Ｐ３を介して、水素製造筒Ｐ１内に原料ガスが供給される構造を有している。この水素分離装置では、水素製造筒Ｐ１の改質触媒や水素透過膜の作用によって、原料ガスから水素が分離され、水素製造筒Ｐ１の外周面から外側に水素が分離して排出される。
特開２００４−１４９３３２号公報

この種の水素分離装置では、原料ガスが水素分離筒Ｐ１の外周側（即ち水素ガスが供給される側）に漏出するのを防止するために、水素分離筒Ｐ１と取付金具Ｐ２の間に膨張黒鉛製のシール部材Ｐ４が配置され、押圧金具Ｐ５等によって押圧固定されるが、同図の矢印に示す様に、従来のシール部材Ｐ４では、十分に原料ガスの漏出を防止できないことがあった。

つまり、前記シール部材Ｐ４は、膨張黒鉛製の薄膜のシートが、水素分離筒Ｐ１の軸方向と平行に巻き付け等により何層にも積層されプレス成型されたものであるので、押圧金具Ｐ５によって、水素分離筒Ｐ１の軸方向に沿ってシール部材Ｐ４が取付金具Ｐ２側に押圧されると、各シート間にて剥離が生じ、その剥離面に沿って原料ガスが漏出することがあった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、シール部材におけるガスの漏出を防止できる水素分離装置を提供することである。

（１）請求項１の発明は、原料ガスから水素を選択して分離する水素分離筒と、前記水素分離筒の軸方向の基端部が収容される中空部を有する取付部材と、前記水素分離筒の軸方向の基端部の外周面と前記中空部の内周面との間に配置され、該外周面と内周面との間を気密する膨張黒鉛製の筒状のシール部材と、前記シール部材を前記軸方向に沿って前記取付部材側に押圧する筒状の押圧部材と、前記水素分離筒の径方向に伸びて前記押圧部材を前記基端部側に押圧する環状の押圧板と、該押圧板の外周端から前記軸方向に沿って伸びるとともに内周面にねじ部を有する筒状部と、を有する固定金具と、を備えた水素分離装置であって、前記取付部材は、外周にねじ部を有する先端側筒状部を有し、前記シール部材は、前記押圧部材側に、膨張黒鉛製のシートが前記水素分離筒の軸方向に積層された筒状の第１シール部材を有するとともに、前記第１シール部材より基端部側に、第２シール部材を有し、前記固定金具のねじ部と前記取付部材のねじ部を螺合させて締め付けることにより、前記固定金具の押圧板によって前記押圧部材を介して前記シール部材を基端部側に押圧する構成を有することを特徴とする。

本発明では、シール部材は、膨張黒鉛製のシートが水素分離筒の軸方向に積層された積層構造、即ち、径方向（軸方向と直交する方向）に広がりを有する各シートが軸方向に何層も重ね合わされた構造を有する第１シール部材を備えているので、シール部材が軸方向に押圧された場合でも、従来のような各シートの径方向への剥離が生じない。

そのため、原料ガスの供給圧力が高い場合でも、原料ガスは取付部材と水素分離筒との間隙から水素ガスの排出側（水素分離筒の外周側）に漏出し難いので、高い濃度の水素が得られるという顕著な効果を奏する。

なお、本発明の水素分離装置としては、例えば水素分離筒などに改質触媒を備えているものが挙げられる。また、改質触媒を備えてないもの、即ち、別の装置等で改質されたガス（Ｈ₂、ＣＯ、ＣＯ₂、炭化水素（メタン等）、水蒸気）から水素を分離するものが挙げられる。なお、改質触媒を備えている場合でも、改質ガスから水素を分離してもよい。

（２）請求項２の発明では、前記第１シール部材と、膨張黒鉛製のシートが前記水素分離筒の径方向に積層された（即ちシートの広がる平面を軸方向と平行にして積層された）筒状の前記第２シール部材とを、前記軸方向に沿って配列した複合部材であることを特徴とする。

本発明では、シートの積層方向の異なる第１シール部材と第２シール部材とを軸方向に沿って配列したので、高いシール性を実現することができる。
つまり、図２に例示する様に、第１シール部材では、シートは軸方向に積層されているので、押圧部材によって押圧された場合でも軸方向に沿って剥離せず、よって、原料ガスが第１シール部材内を通過して漏出することを防止できる。また、第２シール部材では、シートは径方向に積層されているので、押圧部材によって押圧された場合には径方向に膨張して周囲を押圧する。よって、第２シール部材の外周面や内周面に沿った原料ガスの漏出を防止できる。

（３）請求項３の発明では、前記水素分離筒は、前記軸方向の一端側が開放され、他端側が閉塞された形状であることを特徴とする。
本発明は、水素分離筒を例示したものである。この水素分離筒では、例えば開放端側から水素分離筒の内部に原料ガスが供給され、水素分離筒の外周側から水素が排出される。

（４）請求項４の発明では、前記水素分離筒は、前記軸方向の両端側が開放された形状であることを特徴とする。
本発明は、水素分離筒を例示したものである。この水素分離筒では、例えば一方の開放端側から他方の開放端に抜けるように水素分離筒の内部に原料ガスが供給され、水素分離筒の外周側から水素が排出される。

（５）請求項５の発明では、前記水素分離筒の開放端側に、前記取付部材が配置されたことを特徴とする。
本発明では、水素分離筒の開放端側に取付部材（従って取付部材の中空部の内周面側にシール部材）が配置されるので、水素分離筒の開放端側における原料ガスのリークを防止することができる。
（６）請求項６の発明は、原料ガスから水素を選択して分離する水素分離筒と、前記水素分離筒の軸方向の基端部が収容される中空部を有する取付部材と、前記水素分離筒の軸方向の基端部の外周面と前記中空部の内周面との間に配置され、該外周面と内周面との間を気密する膨張黒鉛製の筒状のシール部材と、前記シール部材を前記軸方向に沿って前記取付部材側に押圧する筒状の押圧部材と、前記水素分離筒の径方向に伸びて前記押圧部材を前記基端部側に押圧する環状の押圧板と、該押圧板の外周端から前記軸方向に沿って伸びるとともに内周面にねじ部を有する筒状部と、を有する固定金具と、を備えた水素分離装置であって、前記取付部材は、外周にねじ部を有する先端側筒状部を有し、前記シール部材は、膨張黒鉛製のシートが前記水素分離筒の軸方向に積層された筒状の第１シール部材からなり、前記固定金具のねじ部と前記取付部材のねじ部を螺合させて締め付けることにより、前記固定金具の押圧板によって前記押圧部材を介して前記シール部材を基端部側に押圧する構成を有することを特徴とする。
本発明では、シール部材は、膨張黒鉛製のシートが水素分離筒の軸方向に積層された積層構造、即ち、径方向（軸方向と直交する方向）に広がりを有する各シートが軸方向に何層も重ね合わされた構造を有する第１シール部材からなるので、シール部材が軸方向に押圧された場合でも、従来のような各シートの径方向への剥離が生じない。

＜以下、本発明の水素分離装置の各構成について説明する＞
・前記原料ガスとしては、都市ガス等の炭化水素ガスと水蒸気の混合ガス等が挙げられる。

・前記水素分離筒としては、（改質触媒兼支持体である）多孔質支持管の表面に水素透過膜が形成された筒状体や、多孔質支持管の表面に（金属の拡散を防止する）バリア層が形成され、更にバリア層の表面に水素透過膜が形成された筒状体が挙げられる。

このうち、多孔質支持管を構成する材料としては、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物の焼結体、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物を主体とする焼結体（Ｎｉ−ＹＳＺサーメット等）、その他、支持体としての機能と改質触媒としての機能の両機能を合わせ有する多孔質セラミックス、多孔質サーメットなどが挙げられる。

水素透過膜としては、例えばＰｄ膜やＰｄ合金膜などの金属膜が挙げられる。
バリア層の構成材料としては、例えばジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、もしくはそれらの材料の混合物もしくは化合物を用いることができる。

・前記取付部材としては、耐熱性及び耐酸化性を有する例えばＳＵＳ４０５、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレスや、コバール、インコネル、パーマロイなど、金属製の取付金具などが挙げられる。

・前記押圧部材としては、耐熱性及び耐酸化性を有する例えばＳＵＳ４０５、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレスや、コバール、インコネル、パーマロイなど、金属製の押圧金具（押圧リング）などが挙げられる。

・前記シール部材としては、膨張黒鉛製のシートが筒状に巻き付けられたもの、或いは膨張黒鉛製のシートが積層されたもの、更には、それらを組み合わせた複合部材などが挙げられる。

この膨張黒鉛製のシール部材は、黒鉛本来の高い耐熱性能に加え、シール性能に優れる稠密構造を有し、且つ、柔軟性及び高い圧縮性並びに弾性復元力を有している。例えば６００℃又はそれ以上の高温に長時間曝された場合にも、シール部材自体が顕著に破壊・化学変化しない耐熱・耐化学性能を備えたものが望ましい。

なお、膨張黒鉛としては、下記の物性値を有することが好ましい。
密度（嵩密度）が０．６〜１．９ｇ／ｃｍ³、圧縮率（ＪＩＳ−Ｒ３４５３に準拠）が１０〜９０％、復元率（ＪＩＳ−Ｒ３４５３に準拠）が３〜７０％、酸化開始温度（空気中での加熱によって重量が１％減少したときの温度）が４００℃以上。

以下、本発明の最良の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
ここでは、燃料電池に燃料ガス（水素ガス）を供給する水素分離装置について説明する。

ａ）まず、本実施形態の水素分離装置の全体構成について説明する。
図１に示す様に、本実施形態の水素分離装置（水素分離モジュール）１は、一端が閉塞された試験管状の水素分離筒３と、水素分離筒３の開放端側が挿入された筒状の取付金具５と、水素分離筒３の外周面と取付金具５の内周面との間に配置された円筒形のシール部材７と、水素分離筒３に外嵌されてシール部材７の先端側（同図左側）を押圧する円筒形の押圧金具９と、押圧金具９に外嵌されて取付金具５に螺合する筒状の固定金具１１とを備えている。

前記水素分離筒３は、その軸中心の中心孔１３に導入された原料ガス（例えばメタンなどの炭化水素ガスと水蒸気の混合ガス）から、水素を選択的に分離して、水素分離筒３の外周側に供給する部材である。この水素分離筒３は、一端が閉塞された試験管状の（改質触媒兼支持体である）多孔質支持管１５と、多孔質支持管１５の外側表面を覆うバリア層１９と、バリア層１９の外側表面を覆う水素透過膜２１とから構成されている。

このうち、多孔質支持管１５は、改質触媒としての役割と水素透過膜２１等を支持する役割とを有する通気性を有する試験管状の支持体であり、この多孔質支持管１５では、原料ガスを水蒸気改質して改質ガスを生成する。

水素透過膜２１は、多孔質支持管１５内で改質された改質ガスから水素を選択的に透過して精製する薄膜である。
バリア層１９は、多孔質支持管１５の金属成分（例えばＮｉ）と水素透過膜２１の成分（例えばＰｄ）とが互いに交じり合う（拡散する）ことにより、水素透過膜２１の水素透過性能が劣化することを防止するための多孔質層（相互拡散防止層）である。

また、前記取付金具５は、水素分離装置１の基部を構成する筒状金具であり、その先端側より、外周にねじ部２３を有する先端側筒状部２５と、外周側に環状に張り出す鍔部２７と、（原料ガスを供給する配管等が接続される）基端側筒状部２９とを備えている。

この取付金具５の軸中心には、原料ガスの流路となる貫通孔（中空部）３１が形成され、中空部３１には、水素分離筒３の基端側（同図右側）の端部が収容されている。詳しくは、中空部３１の内径は、先端側筒状部２５内側より鍔部２７内側が小さく設定されており、鍔部２７内側の先端側の角部には、先端側筒状部２５と所定の間隔を空けて、段状に切り欠いた凹部３３が形成され、この凹部３３に水素分離筒３の端部が内嵌している。

前記固定金具１１は、軸方向に沿った断面がＬ字状の筒状金具であり、径方向に伸びて押圧金具９を基端側に押圧する環状の押圧板３５と、押圧板３５の外周端から軸方向に沿って基端側に伸び、内周面にねじ部３７を有する筒状部３９とを備えている。従って、この固定金具１１のねじ部３７と取付金具５のねじ部２３を螺合させて締め付けることにより、押圧金具９を介してシール部材７を、基端側に押圧することができる。

前記押圧金具９は、円筒形状の筒状金具であり、取付金具５の先端側筒状部２５の内周面と水素分離筒３の外周面との間に形成された筒状の空間４１内にて、シール部材７と隣接して配置されている。この押圧金具９の先端側は固定金具１１の押圧板３５に当接し、その後端側はシール部材７に当接している。

前記シール部材７は、膨張黒鉛からなる円筒状の気密部材であり、取付金具５の先端側筒状部２５の内周面と水素分離筒３の外周面との間の空間４１内にて、押圧金具９と隣接して配置されている。このシール部材７は、前記空間４１内にて、押圧金具９の押圧によって圧縮された状態、従って周囲を押圧した状態に保持されているので、この空間４１における原料ガスの漏出を防止している。

特に、本実施形態では、図２に拡大して示す様に、シール部材７は、先端側（ガスの下流側）に配置された第１シール部材４３と、後端側に配置された第２シール部材４５とから構成されている。

このうち、第１シール部材４３は、内径１０ｍｍ×外径１３ｍｍ×軸方向の長さ３ｍｍの円筒状の積層体であり、多数の環状の膨張黒鉛製のシートが、シートの平面方向が水素分離筒３の径方向と一致する様にして、軸方向に積層されている。

一方、第２シール部材４５は、内径１０ｍｍ×外径１３ｍｍ×軸方向の長さ６ｍｍの円筒状の積層体であり、１枚の帯状の膨張黒鉛製のシートが、軸方向に平行に巻き付けられる様にして、径方向に積層されたものである。

なお、第２シール部材４５の軸方向の長さは、第１シール部材４３より長く、第２シール部材４５と第１シール部材４３との長さの割合としては、５０：５０〜９０：１０の範囲を採用できる。

ここで、第２シール部材４５と第１シール部材４３が多層になっていれば、より各シートの径方向への剥離が生じ難く、原料ガスの供給圧力が高い場合でも、原料ガスは取付金具５と水素分離筒３との間隙から水素ガスの排出側（水素分離筒３の外周側）に漏出し難くなる。また、シール部材７が第２シール部材４５を第１シール部材４３で挟みこむ構造、つまり、第２シール部材４５の軸方向の両端に第１シール部材４３がある形態であれば、より上記の効果を奏することができる。

また、前記図１に示す様に、本実施形態の水素分離装置１の内部（詳しくは水素分離筒３の中心孔１３）には、内挿管５０が配置されている。この内挿管５０は、原料ガスを、水素分離装置１の基端側から水素分離筒３の先端側に供給する部材であり、反応後のオフガス（ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂、メタン、水蒸気）は、内挿管５０の外周に沿って水素分離装置１の基端側から排出される。

ｂ）次に、水素分離装置１が取り付けられる水素分離システムの全体構成について説明する。
上述した水素分離装置１は、図３に示す様に、例えばＳＵＳ４０５等のステンレス製の筒状の収納容器（反応管）５１内に、複数本（例えば３本）収容されて固定されている。

前記反応管５１は、円筒状の外周壁５３と、外周壁５３の軸方向の一方を塞ぐ基板５５と、他方を塞ぐ蓋板５７とを備えており、各水素分離装置１は、この基板５５を貫く様に配置されている。詳しくは、各水素分離装置１は、各取付金具５の鍔部２７にて、例えば溶接等により、基板５５に固定されている（図１参照）。

また、取付金具５の下部には、原料ガスを供給するための配管５９が、ナット６１により取り付けられている。更に、反応管５１の外周壁５３には、水素を取り出す水素取出孔６３が設けられている。

従って、この水素分離システムでは、原料ガスが、水素分離装置１の取付金具５の下側に取り付けられた配管５９から、内挿管５０を介して水素分離筒３の内部に供給されると、水素分離筒３により水素が分離され、その外周側より反応管５１内に水素が充填される。そして、反応管５１内に充満した水素は、水素取出孔６３を介して外部に取り出される。

この水素取出孔６３から取り出された水素は、図示しない燃料電池に供給されて発電が行われる。
ｃ）次に、本実施形態の水素分離装置１の製造方法について説明する。
＜水素分離筒３の製造方法＞
例えば酸化ニッケル６０質量部と、イットリア８モル％を固溶させたジルコニア４０質量部（８ＹＳＺ）とを混合する。更に造孔剤として黒鉛粉（又はコンスターチ）を混合して混合材を作製する。

そして、この混合材を用い、押出成形によって、有底円筒管を成形する。
次に、有底円筒管を乾燥した後に、脱脂処理を行い、１４００℃で１時間焼成して、ＮｉＯ−ＹＳＺで形成された多孔質支持管１５を作製する。

これとは別に、８ＹＳＺとバインダとエタノールを添加して、スラリーを調製する。
次に、このスラリーを、ディップコート法（又はスプレー吹き付け法、印刷法等）により、多孔質支持管１５の表面上に塗布してコート層を形成する。

次に、このコート層を１３００℃で加熱処理して焼き付けし、バリア層１９を形成する。
このバリア層１９により被覆された多孔質支持管１５を、エタノールで３０分間超音波洗浄し、１２０℃で乾燥させる。

次に、バリア層１９を覆う様に、無電解メッキ法（又は真空蒸着法、スパッタリング法等）により、Ｐｄ等による水素透過膜２１を形成する。
次に、水素雰囲気下にて、６００℃で３時間還元処理を施し、これにより、水素分離筒３を完成する。
＜シール部材７の製造方法＞
第１シール部材４３を製造する場合には、例えば膨張黒鉛製のシートを環状に切断し、その環状のシートを各貫通孔を合わせるようにして積層する。

次に、この積層体を、濃硫酸、硝酸などの酸化剤により酸化処理することによって、膨張黒鉛内の層間距離を例えば１００〜３００倍程度膨張させる。
その後、この膨張黒鉛を、例えば０．６〜１．９ｇ／ｃｍ³の密度範囲となるように、プレス成形により負荷・圧縮する。

第２シール部材４５を製造する場合には、同様な膨張黒鉛製のシートを（図示しない心棒等に）巻き付けることにより、筒状の積層体を形成する（心棒等は後に除去する）。
次に、この積層体を、濃硫酸、硝酸などの酸化剤により酸化処理することによって、膨張黒鉛を同様に膨張させる。

その後、この膨張黒鉛を、上記密度範囲となるように、負荷・圧縮する。
＜水素分離装置１の組付方法＞
取付金具５の中空部３１に、第２のシール材４５、第１のシール材４３、押圧金具９の順で内嵌する。

次に、水素分離筒３の開放端側を、押圧金具９の貫通孔、第１のシール材４３、第２のシール材４５を通す様に挿入し、水素分離筒３の端部を取付金具５の凹部３３に嵌める。
次に、水素分離筒３の先端側より固定金具１１を外嵌し、固定金具１１のねじ部３７と取付金具５のねじ部２３を螺合し、固定金具１１により押圧金具９を基端側に締め付けて、水素分離装置１を完成する。

そして、この締め付けによって、シール部材７は押圧金具９により圧縮されるので、シール部材７は軸方向の両側の部材に密着して原料ガスの透過を防止する。それとともに、シール部材７（特に第２シール部材４５）は径方向に広がるので、水素分離筒３は固定され、且つ、シール部材７は径方向の両側に密着して原料ガスの透過を防止する。

ｄ）この様に本実施形態では、取付金具５の内周面と水素分離筒３の外周面との間に、第１シール部材４３及び第２シール部材４５を備えており、この第１シール部材４３は、膨張黒鉛製のシートを軸方向に積層したものであり、第２シール部材４５は、同様なシートを径方向に巻き付けて積層したものである。よって、シール部材７を押圧金具９及び固定金具１１で押圧固定することにより、シール部材７を介して原料ガスが漏出することを、効果的に防止することができる。

なお、本実施形態の水素分離装置１は、水素分離筒３の一端側（開放端）のみを固定した片持ち式であるが、水素分離筒３の振動等に対する安定性を増すために、水素分離筒３の閉塞端側を反応管５１等に固定しても良い。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態の水素分離装置について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図４に示す様に、本実施形態の水素分離装置６１は、水素分離筒６３、取付金具６５、押圧金具６７、固定金具６９等を備えており、基本的には第１実施形態と同様であるが、使用するシール部材７１の構成が異なる。なお、内挿管７０も第１実施形態と同様な構成である。

具体的には、本実施形態におけるシール部材７１は、第１実施形態の第１、第２シール部材の様に分離されておらず、図５に拡大して示す様に、一体の筒状体である。このシール部材７１は、第１実施形態の第１シール部材の様に、膨張黒鉛製の（径方向に平面が広がる）環状のシートが、水素分離筒６３の軸方向に積層されたものである。

なお、このシール部材７１の外径寸法としては、第１実施形態のシール部材と同様な寸法を採用できる。
本実施形態においても、前記第１実施形態と同様に、原料ガスの漏出を防止する効果を奏する。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態の水素分離装置について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図６に示す様に、本実施形態の水素分離装置８１では、両端が開放された円筒状の水素分離筒８３が使用されており、この水素分離筒８３の軸方向の両端に、ほぼ左右対称に、取付金具８５、シール部材８７、押圧金具８９、固定金具９１からなる一方の固定構造と、取付金具９３、シール部材９５、押圧金具９７、固定金具９９からなる他方の固定構造が形成されている。
従って、各シール部材８７、９５のうち、各第１シール部材１０１、１０３は各第２シール部材１０５、１０７よりも水素分離管８３の中央側に配置されている。なお、水素分離筒８３内には、内挿管１０９が配置されている。

また、本実施形態では、水素分離装置８１の軸方向の両端は開放されておらず、同図左側の取付金属９３は、閉塞されている。つまり、左側の取付金具９３には、貫通孔が設けられておらず、水素分離筒８３の軸方向左側の端部は、単に取付金属９３の凹部１１１に嵌め込まれて固定された状態である。

本実施形態では、同図の右側から原料ガスが供給され、水素分離筒８３で分離された水素は、水素分離筒８３の外周側から反応管１１３内に供給される。なお、反応管１１３の側壁は、熱膨張に対応するために蛇腹状とされている。

本実施形態においても、前記第１実施形態と同様に、原料ガスの漏出を防止する効果を奏する。また、水素分離筒８３の両端が固定されているので、安定性が高いという利点がある。

なお、本実施形態の変形例として、図７に示す様に、水素分離装置８１を片持ち式にしてもよく、その場合は、側壁が蛇腹状でない反応管１１５を用いることができる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態の水素分離装置について説明するが、前記第３実施形態と同様な内容の説明は省略する。

図８に示す様に、本実施形態の水素分離装置１２１では、前記第３実施形態と同様に、両端が開放された円筒状の水素分離筒１２３が使用されており、この水素分離筒１２３の軸方向の両側に、左右対称に、取付金具１２５、シール部材１２７、押圧金具１２９、固定金具１３１からなる一方の固定構造と、取付金具１３３、シール部材１３５、押圧金具１３７、固定金具１３９からなる他方の固定構造が形成されている。

特に、本実施形態では、水素分離装置１２１の軸方向の両端は開放されている。従って、例えば同図の右側から原料ガスを供給し、その反応後の原料ガスは同図の左側から排出される。また、水素分離筒１２３で分離された水素は、水素分離筒１２３の外周側から反応管１４１内に供給される。なお、反応管１４１の側壁は、熱膨張に対応するために蛇腹状とされている。

本実施形態においても、前記第３実施形態と同様に、原料ガスの漏出を防止する効果を奏する。また、水素分離筒１２３の両端が固定されているので、安定性が高く、また内挿管が不要となるため、構造が簡素であるという利点がある。

次に、実際に上述した水素分離装置を製造して、その性能を確認した実験について説明する。
＜試料の作製方法＞
実験に使用する試料（実施例１、２）として、前記第１実施形態と同様な、第１シール部材及び第２シール部材からなる２層タイプのシール部材、即ち、膨張黒鉛製のシートの積層方向が異なる１組のシール部材を備えた水素分離装置を作製した。

詳しくは、下記表１に示す様に、（固定金具により）シール部材を締め付ける圧力を違えた２種の水素分離装置を作製した、
同様に、実施例３、４として、前記第２実施形態と同様な、シートが軸方向に積層された１層タイプのシール部材を備えた水素分離装置を作製した。

この実施例３、４では、下記表１に示す圧力で、（固定金具により）シール部材を締め付けた。
また、比較例１、２として、従来の渦巻きタイプのシール部材、即ち、膨張黒鉛のシートを軸中心に平行にして巻き付けた筒状体のシール部材を備えた水素分離装置を作製した。なお、このシール部材の寸法は、前記実施例３、４と同様である。

この場合も、下記表１に示す様に、（固定金具により）シール部材を締め付ける圧力を違えた２種の水素分離装置（比較例１、２）を作製した、
＜実験方法＞
そして、上述した各試料に対し、その取付金具に配管を接続し、水素分離装置を水槽に沈め、配管を介して水素分離筒内にＨｅガスを供給した。

具体的には、原料ガスの供給圧力を、０．１〜１ＭＰａに変化させ、水素分離筒と取付金具又は固定金具との間隙から、泡が発生した供給圧力を、シール部材を介してＨｅガスリークが発生した圧力として測定した。その結果を、下記表１に示す。

なお、各試料の水素分離筒としては、１ＭＰａまで、Ｈｅガスのリークが無いものを用いた。

この実験から明かな様に、本発明の範囲の実施例１〜４では、リーク発生圧力が高く好適である。特に、層の向きが異なる２層タイプの実施例１、２では、一層リーク発生が高く好適である。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

第１実施形態の水素分離装置を軸方向に沿って破断して示す断面図である。第１実施形態におけるシール部材を軸方向に沿って破断し拡大して示す断面図である。第１実施形態の水素分離装置を使用される水素分離システムを示し、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ’断面図、（ｂ）は反応管を軸方向に破断して示す水素分離システムの正面図である。第２実施形態の水素分離装置を軸方向に沿って破断して示す断面図である。第２実施形態におけるシール部材を軸方向に沿って破断し拡大して示す断面図である。第３実施形態の水素分離装置を、軸方向に沿って破断して示す断面図である。第３実施形態の変形例の水素分離装置を、軸方向に沿って破断して示す断面図である。第４実施形態の水素分離装置を、軸方向に沿って破断して示す断面図である。従来技術の説明図である。

符号の説明

１、６１、８１、１２１…水素分離装置
３、６３、８３、１２３…水素分離筒
５、６５、８５、９３、１２５、１３３…取付金具
７、７１、８７、９５、１２７、１３５…シール部材
９、６７、８９、９７、１２９、１３７…押圧金具
１１、６９、９１、９９、１３１、１３９…固定金具
４３、１０１、１０３…第１シール部材
４５、１０５、１０７…第２シール部材
５１、１１３、１１５、１４１…反応管（収納容器）

Claims

原料ガスから水素を選択して分離する水素分離筒と、
前記水素分離筒の軸方向の基端部が収容される中空部を有する取付部材と、
前記水素分離筒の軸方向の基端部の外周面と前記中空部の内周面との間に配置され、該外周面と内周面との間を気密する膨張黒鉛製の筒状のシール部材と、
前記シール部材を前記軸方向に沿って前記取付部材側に押圧する筒状の押圧部材と、
前記水素分離筒の径方向に伸びて前記押圧部材を前記基端部側に押圧する環状の押圧板と、該押圧板の外周端から前記軸方向に沿って伸びるとともに内周面にねじ部を有する筒状部と、を有する固定金具と、
を備えた水素分離装置であって、
前記取付部材は、外周にねじ部を有する先端側筒状部を有し、
前記シール部材は、前記押圧部材側に、膨張黒鉛製のシートが前記水素分離筒の軸方向に積層された筒状の第１シール部材を有するとともに、前記第１シール部材より基端部側に、第２シール部材を有し、
前記固定金具のねじ部と前記取付部材のねじ部を螺合させて締め付けることにより、前記固定金具の押圧板によって前記押圧部材を介して前記シール部材を基端部側に押圧する構成を有することを特徴とする水素分離装置。
前記シール部材は、前記第１シール部材と、膨張黒鉛製のシートが前記水素分離筒の径方向に積層された筒状の前記第２シール部材とを、前記軸方向に沿って配列した複合部材であることを特徴とする請求項１に記載の水素分離装置。
前記水素分離筒は、前記軸方向の一端側が開放され、他端側が閉塞された形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素分離装置。
前記水素分離筒は、前記軸方向の両端側が開放された形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素分離装置。
前記水素分離筒の開放端側に、前記取付部材が配置されたことを特徴とする請求項３又は４に記載の水素分離装置。
原料ガスから水素を選択して分離する水素分離筒と、
前記水素分離筒の軸方向の基端部が収容される中空部を有する取付部材と、
前記水素分離筒の軸方向の基端部の外周面と前記中空部の内周面との間に配置され、該外周面と内周面との間を気密する膨張黒鉛製の筒状のシール部材と、
前記シール部材を前記軸方向に沿って前記取付部材側に押圧する筒状の押圧部材と、
前記水素分離筒の径方向に伸びて前記押圧部材を前記基端部側に押圧する環状の押圧板と、該押圧板の外周端から前記軸方向に沿って伸びるとともに内周面にねじ部を有する筒状部と、を有する固定金具と、
を備えた水素分離装置であって、
前記取付部材は、外周にねじ部を有する先端側筒状部を有し、
前記シール部材は、膨張黒鉛製のシートが前記水素分離筒の軸方向に積層された筒状の第１シール部材からなり、
前記固定金具のねじ部と前記取付部材のねじ部を螺合させて締め付けることにより、前記固定金具の押圧板によって前記押圧部材を介して前記シール部材を基端部側に押圧する構成を有することを特徴とする水素分離装置。