JP5522559B2 - 膜反応器 - Google Patents

Description

本発明は、水素を含むガスから水素ガスを取出すのに用いられる膜反応器に関するものである。

この種の膜反応器としては、一対の保持部により、自立タイプの金属製の水素透過膜を挟持した構造を有するものがあった（特許文献１参照）。両保持部は、片面に複数の溝を等間隔で形成したプレートであって、互いの溝を対向させた状態にして、溝間である凸部同士の間で水素透過膜を挟持している。

そして、膜反応器は、一方及び他方の保持部と水素透過膜との間に、夫々のガス通路を形成しており、一方のガス通路に水素を含有した改質ガスを流通させて、水素透過膜により改質ガス中の水素ガスを分離し、その水素ガスを他方のガス通路から外部に取出すようになっている。
特開２００３−１６５７１０号公報

ところで、この種の膜反応器では、一方の保持部と水素透過膜との間のガス通路において、水素透過膜の面に沿う方向に改質ガスを流すことになり、この際、ガス通路における改質ガスの流れが層流になる。

このため、上記したような従来の膜反応器では、ガス通路の上流側から下流側に向かうにつれて、水素透過に伴って水素透過膜の表層での水素分圧が低下し、水素透過速度が低下するという問題点があり、このような問題点を解決することが課題であった。また、膜反応器における水素透過膜は、改質ガスの流通域と水素ガスの流通域の隔壁でもあることから、構造体としての強度を確保し得る厚さが必要となり、水素透過量を多くするための薄肉化の要求に充分に答えられないという問題点があった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、ガス通路の上流側から下流側に至る間において、水素分離膜の表層での水素分圧を高めて、水素分離膜での充分な水素透過速度及び水素透過量を得ることができる膜反応器を提供することを目的としている。

本発明は、水素分離膜と通路構成部材との間にガス通路を形成すると共に、ガス通路に、水素分離膜の面に沿う方向に含水素ガスを流して、水素分離膜により含水素ガス中の水素を分離する膜反応器である。

そして、本発明の膜反応器は、通路構成部材における水素分離膜に対向する通路壁面に、含水素ガスの流れ方向に配列した凹凸を設けた構成として、通路構成部材の通路壁面自体を多数の傾斜面により凹凸形状に形成すると共に、含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向の両方向に凹部と凸部を交互に配置しており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の膜反応器は、上記構成を採用したことから、ガス通路の上流側から下流側に至る間において、水素分離膜の表層での水素分圧を高めて、水素分離膜での充分な水素透過速度及び水素透過量を得ることができ、水素ガスの分離効率を向上させることができる。

本発明の膜反応器の参考例を説明する斜視図である。 本発明の膜反応器の他の参考例を説明する断面図（ａ）、斜視図（ｂ）及 び突起体付近でのガスの流れを示す断面図（ｃ）である。 本発明の膜反応器の一実施形態を説明する平面図（ａ）、及び図ａ 中のＡ−Ａ線矢視に基づく断面図（ｂ）である。 本発明の膜反応器の他の実施形態を説明する平面図（ａ）、及び断面 図（ｂ）である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する断面図（ａ）、及び拡大断面図（ｂ）である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する断面図（ａ）及び要部の 断面図（ｂ）である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する要部の断面図である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する断面図（ａ）及び分解状 態で示す断面図（ｂ）である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態における水素分離体の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態における水素分離体の平面図（ａ）及び断面図（ｂ）である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する分解斜視図である。 図１４に示す膜反応器の断面図である。 本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する断面図（ａ）及び図ａ中のＢ−Ｂ線矢視に基づく断面図（（ｂ）である。 本発明の膜反応器を用いた自動車用パワートレインの燃料供給装置を説明するブロック図である。 本発明の膜反応器と従来の膜反応器の水素透過量を説明するグラフである。

図１は、本発明の膜反応器の参考例を説明する図である。
図示の膜反応器Ｍ１は、水素分離膜１と通路構成部材２との間に、扁平なガス通路３を形成し、ガス通路３に、図中に矢印で示す如く、水素分離膜１の面に沿う一方向に含水素ガスを流して、水素分離膜１により含水素ガス中の水素ガスを分離する。

水素分離膜１は、例えばパラジウム（Ｐｄ）又はパラジウム合金製であり、図示しない多孔質製の支持板等により支持されている。通路構成部材２は、材料がとくに限定されないが、後記するように改質触媒を塗布して加熱する場合には熱伝導性の高い材料が望ましく、例えばステンレス製である。また、分離した水素ガスは、水素分離膜１の他方側（図１中で上側）に形成される第２のガス通路（図示せず）を経て供給先へ送られる。

そして、図示の膜反応器Ｍ１は、通路構成部材２における水素分離膜１に対向する通路壁面に、含水素ガスの流れ方向に配列した凹凸が設けてある。より詳しくは、通路構成部材２の通路壁面における凹凸が、含水素ガスの流れ方向を長手方向とするフィンＦ１により形成してある。

図示の膜反応器Ｍ１は、複数のフィンＦ１を含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向（水平に横切る方向）に所定間隔で平行に配列しており、とくに、図１において流れを横切る方向に配列した四枚のフィンＦ１を一つのフィン群としたときに、流れ方向に隣接するフィン群同士が流れを横切る方向にずれた配置になっている。

なお、フィンＦ１は、その材料がとくに限定されないが、通路構成部材２と同じ材料（例えばステンレス）を用いることができ、また、ガス通路３の大きさに応じて、長さ、高さ及び厚さ等の諸寸法が決定される。一例として、フィンＦ１は、高さが１ｍｍ程度で、水素分離膜１との間に０．１ｍｍ程度の隙間を形成する。

さらに、図示の膜反応器Ｍ１は、通路構成部材２の通路壁面に、原料ガスを含水素ガスに改質する改質触媒６が塗布してあり、より望ましい構成として、凹凸（フィンＦ１）の表面にも、原料ガスを含水素ガスに改質する改質触媒を塗布することができる。

この場合、膜反応器Ｍ１における通路構成部材２は、その内部に、改質触媒６の加熱源となる高温ガスの流路５が形成してある。この流路５は、内部表面に燃焼触媒が塗布してあり、燃料と空気を供給して混合燃焼させ、その燃焼ガス（高温ガス）を改質触媒６の加熱源にしている。

上記の構成を備えた膜反応器Ｍ１は、例えば炭化水素系の原料（燃料）を気化して原料ガスとして、ガス通路３に原料ガスを供給し、原料ガスを改質触媒６により含水素ガス（改質ガス）に改質すると共に、この含水素ガスを一方向に流しながら、水素分離膜１によって含水素ガスから水素ガスを分離する。

このとき、凹凸の無いガス通路では、含水素ガスの流れが層流になるので、下流側になるほど水素分離膜１の表層での水素分圧が低下して、水素分離膜における水素透過速度が低下するという問題点があった。これにより、含水素ガスが、充分な量の水素ガスを含んだままで排出されることになる。

これに対して、当該膜反応器Ｍ１は、通路構成部材２の通路壁面に、複数のフィンＦ１による凹凸が設けてあるので、ガス通路３における含水素ガスの流れが混合されて、水素分離膜１の表層での水素分圧を高めることができる。これにより、ガス通路３の通路壁面から膜表層側に至る間で水素ガス濃度の分布を均一にして、水素分離膜１において高い水素透過速度を得ることができ、含水素ガスからの水素ガスの分離効率を向上させる。

図１５は、本発明の膜反応器による水素透過量と、従来の膜反応器の水素透過量とを比較するグラフである。本発明の膜反応器は、ガス通路における凹凸により含水素ガスの混合が充分に行われ（混合促進構造）、他方、従来の膜反応器は、含水素ガスの流れに水素の濃度勾配が生じている（混合構造なし）。その結果、本発明の膜反応器は、従来の膜反応器に比べて水素透過量が２６％向上した。

また、この参考例の膜反応器Ｍ１では、通路構成部材２の通路壁面における凹凸をフィンＦ１により形成し、複数のフィンＦ１を含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向に所定間隔で配列したので、含水素ガスの攪拌がより促進され、しかも、流れ方向に隣接するフィン群同士を流れを横切る方向にずらせた配置にしたので、流れの経路がより複雑になって含水素ガスの攪拌機能をより一層高めることができる。

さらに、通路構成部材の通路壁面に改質触媒を設けた膜反応器では、例えば通路壁面に凹凸が無いと、先述の如く水素分離膜の表層での水素分圧や水素透過速度が低下するのに伴って、改質触媒近傍では含水素ガスが平衡組成に近くなり、改質触媒近傍での非平衡反応が抑制される。これに対して、この参考例の膜反応器Ｍ１では、通路壁面に凹凸を設けたことにより、水素分離膜１の表層での水素分圧や水素透過速度が高まるので、改質触媒６の近傍での水素濃度が低下し、非平衡反応を促進させることができる。

図２は、本発明の膜反応器の他の参考例を説明する図である。なお、先の参考例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ２において、水素分離膜１は、多孔質製の支持板７により支持してある。また、水素分離膜１の他方側（上側）には、第２の通路構成部材８が配置してあり、水素分離膜１と第２の通路構成部材８との間には、水素分離膜１により分離した水素ガスのガス通路９が形成してある。さらに、この参考例では、通路構成部材２の通路壁面における凹凸が、先の参考例と同様に配列した複数のフィンＦ１と、複数の突起体４Ａ，４Ｂにより形成してある。

突起体４Ａ，４Ｂは、その材料がとくに限定されないが、フィンＦ１と同様に、通路構成部材２と同じ材料（例えばステンレス）を用いることができる。図示例の突起体４Ａ，４Ｂは、フィンＦ１の高さよりも小さい高さの矩形断面を有する直方体形状を成し、含水素ガスの流れ方向に隣接するフィンＦ１同士の間に設けたもの（４Ａ）と、含水素ガスの流れを横切る方向に隣接するフィンＦ１同士の間に設けたもの（４Ｂ）とがあり、これらの表面にも改質触媒６を塗布することができる。

上記の膜反応器Ｍ２にあっても、先の参考例のもの（図１参照）と同様の作用及び効果が得られるうえに、凹凸を構成する複数の突起体４Ａ，４Ｂを採用したことから、ガス通路３における含水素ガスの攪拌がより一層促進されることとなる。しかも、当該膜反応器Ｍ２では、図２（ｃ）に示すように、突起体４Ａ，４Ｂによる含水素ガスの剥離流が通路壁面に再付着することで、局所熱伝達率が増加する効果が得られ、これにより伝熱性能が向上し、改質触媒６による改質効率のさらなる向上を実現する。

なお、上記の参考例では、含水素ガスの流れ方向に隣接するフィンＦ１同士の間に設けた突起体４Ａと、流れを横切る方向に隣接するフィンＦ１同士の間に設けた突起体４Ｂを例示したが、いずれかを選択的に設けることもできる。

図３は、本発明の膜反応器の一実施形態を説明する図である。なお、先の参考例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ３は、通路構成部材における水素分離膜に対向する通路壁面に、含水素ガスの流れ方向に配列した凹凸を設けた構成として、通路構成部材２の通路壁面自体を多数の傾斜面により凹凸形状に形成すると共に、含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向の両方向に凹部２Ａと凸部２Ｂを交互に配置している。

上記の膜反応器Ｍ３は、先の各参考例と同様の作用及び効果が得られるうえに、傾斜面により凹凸を形成し且つ凹部２Ａと凸部２Ｂを交互に配置したことから、図３（ｂ）に示すように、含水素ガスの流れ方向（図の左右方向）においては、Ｓ１〜Ｓ４で示すいずれの位置でもガス通路の断面積がほぼ一定となる。これにより、水素分離膜１に対する圧力変動を抑制することができ、同水素分離膜１の耐久性向上に貢献することができる。

図４は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ４は、通路構成部材２の通路壁面自体を多数の傾斜面により凹凸形状に形成すると共に、含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向の両方向に凹部２Ａと凸部２Ｂを交互に配置し、さらに、通路構成部材２の通路壁面に、複数のフィンＦ２を配列している。

上記のフィンＦ２は、例えば通路構成部材２と同じ材料（例えばステンレス）で形成され、含水素ガスの流れ方向において、凹部２Ａと凸部２Ｂのピッチよりも小さい長さを有すると共に、凸部２Ａの高さよりも大きい高さ寸法を有しており、含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向の両方向に配列してある。

上記の膜反応器Ｍ４は、図３に示す実施形態のものと同様の作用及び効果が得られるうえに、多数のフィンＦ２を設けたことにより、伝熱性能が向上する効果があると共に、改質触媒６による改質効率のさらなる向上を実現する。

図５は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ５は、通路構成部材２の通路壁面自体を多数の傾斜面により凹凸形状に形成すると共に、含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向の両方向に凹部２Ａと凸部２Ｂを交互に配置し、さらに、通路構成部材２の通路壁面に、図２に示す実施形態と同様の複数のフィンＦ１、及び複数の突起体４Ａ，４Ｂを配列している。

上記の膜反応器Ｍ５は、先の実施形態のものと同様の作用及び効果が得られるうえに、傾斜面により形成した凹部２Ａ及び凸部２Ｂ、多数のフィンＦ１並びに多数の突起体４Ａ，４Ｂにより、ガス通路３における含水素ガスをより複雑な流れにして攪拌促進効果のさらなる向上を実現する。

図６は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する図である。
図示の膜反応器Ｍ６は、水素分離膜が、金属製の多孔質材から成る支持板１１とともに水素分離体１３を構成する水素分離金属膜１２であり、また、通路構成部材が、水素分離体１３を間にして組み合わされて同水素分離体１３の両側にガス通路Ｇ１，Ｇ２を形成する一方及び他方の金属製筐体Ｃ１，Ｃ２のうちの一方の金属製筐体Ｃ１である。

そして、膜反応器Ｍ６は、通路構成部材である一方の筐体Ｃ１において、水素分離膜である水素分離金属膜１２に対向する通路壁面に、複数の突起体４により含水素ガスの流れ方向に配列した凹凸が形成してある。

そしてさらに、膜反応器Ｍ６は、水素分離金属膜１２支持板１１と水素分離金属膜１２の間に、拡散接合による層間接合部と層間非接合部を設けると共に、水素分離金属膜の全周を一方及び他方の筐体Ｃ１，Ｃ２で挟持して水素分離金属膜１２及び両筐体Ｃ１，Ｃ２を接合したものとなっている。この接合は、例えば溶融接合や拡散接合等である。

支持体１１は、例えばステンレス製であると共に、平均孔径が数十μｍ程度の多孔質材であって、図示例の場合は一定の厚さを有する矩形状を成している。そして、支持板１１は、表面の縁部全周に、層間接合部として、水素分離金属膜１２との合金化を促進する合金化促進部１４を一定の幅で有すると共に、表面における合金化促進部１４以外の中央部分に、層間非接合部として、水素分離金属膜との合金化を阻止する合金化阻止部１５を有している。

ここで、合金化促進部１４は、当該支持体１１が金属製であるから、支持体１１の表面そのものである。他方、合金化阻止部１４は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２などの耐熱性無機酸化物の膜であって、めっきなどのＣＶＤ法、真空蒸着やスパッタリングなどのＰＶＤ法若しくは塗布などによって支持体１１の表面に形成してある。この合金化阻止部１４は、図６（ｂ）の拡大図にも示すように、水素分離金属膜１２の厚さＴ１よりも小さい厚さＴ２を有しており、これにより薄い水素分離金属膜１２の形状を維持すると共に、良好な水素透過性能を確保するものとなっている。

また、水素分離金属膜１２は、少なくとも表層がパラジウム又はパラジウム合金製の薄膜であって、その全周が支持体１１からはみ出すように、支持体１１よりも一回り大きい矩形状を成している。

一方及び他方の筐体Ｃ１，Ｃ２は、上下に組み合わされて箱型の筐体を形成するものであって、一方の筐体Ｃ１は、水素分離体１３との間に含水素ガスのガス通路Ｇ１を形成すると共に、ガス供給口１６Ａとガス排出口１６Ｂを備えている。

他方の筐体Ｃ２は、水素分離体１３との間に水素ガスのガス通路Ｇ２を形成すると共に、スイープガス供給口８Ａと水素ガス排出口８Ｂを備えており、水素分離体１３を透過した水素ガスをスイープガス（水素ガス）とともに外部に排出するようになっている。

また、他方の筐体Ｃ２は、その枠部内側に、支持板１１の厚さに対応した段差部１９を全周にわたって有している。これにより、両筐体Ｃ１，Ｃ２は、一方及び他方の筐体Ｃ１，Ｃ２で水素分離体１３の支持板１１をがたつき無く強固に挟持し、支持板１１からはみ出した水素分離金属膜１２の全周を挟持することとなる。

上記の膜反応器Ｍ６は、その製造過程において、支持板１１の表面に水素分離金属膜（水素分離膜）１２を重ねて４００〜７００℃の比較的低い温度で圧着することで水素分離体１３を形成する。このとき、水素分離体１３では、金属製の支持板１１の表面そのものである合金化促進部１４と水素分離金属膜とが接触して合金化が生じ、この部分が拡散接合された層間接合部になる一方で、耐熱無機酸化物製の膜である合金化阻止部１５により支持板１１と水素分離金属膜１２との接触が阻止されて合金化も起こらず、この部分が層間非接合部となって水素ガスの透過を可能にする。

その後、膜反応器Ｍ６は、上記の水素分離体１３を間にして一方の筐体（通路構成部材）Ｃ１及び他方の筐体Ｃ２を組み合わせると同時に、支持板１１からはみ出した水素分離金属膜１２の全周を両筐体Ｃ１，Ｃ２で挟持し、この際、水素分子金属膜１２と金属製の筐体Ｃ１，Ｃ２とを接触させて合金化を生じさせることにより、特別なシール材等を用いることなく筐体Ｃ１，Ｃ２同士を拡散接合する。

上記の膜反応器Ｍ６は、先の実施形態と同様に、原料ガスをガス通路Ｇ１に供給し、同ガス通路Ｇ１において、原料ガスを含水素ガス（改質ガス）に改質すると共に、含水素ガス中の水素ガスのみを水素分離体１３の層間非接合部を通して混合ガス通路Ｇ２に透過させ、この水素ガスをスイープガスで外部に押出して適宜の手段に回収する。

この際、膜反応器Ｍ６は、先の各実施形態と同様に、一方の筐体Ｃ１側のガス通路Ｇ１において、凹凸構造により含水素ガスの充分な攪拌機能を得ることができ、水素ガスの分離効率が高いものとなる。

また、膜反応器Ｍ６は、自身で形状を維持できない厚さの水素分離金属膜１２すなわち水素透過性能が良好な厚さの水素分離金属膜１２を多孔質材から成る支持体１１で良好に支持しており、支持体１１の表面を薄い水素分離金属膜１２で覆うと共に、表面の微細な孔を塞ぐことがないので、支持板１１の表面の孔の閉鎖による実質的な水素透過面積の減少が生じることもなく、充分な水素透過量を得ることができる。

そして、膜反応器Ｍ６は、水素分離金属膜１２と両筐体Ｃ１，Ｃ２とを同じく合金化により拡散接合しているので、混合ガスや水素ガスが筐体Ｃ１，Ｃ２間に介在する水素分離金属膜１２を通して外部に漏れることも無い。このように、当該膜反応器Ｍ６は、水素分離体１３においても筐体Ｃ１，Ｃ２を含む全体構造においても簡単な構造で非常に高いガスシール性を有している。

図７は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ７において、水素分離体２３を構成する支持板２１は、先の実施形態の支持板１１が金属製の多孔質材から成るものであったのに対して、セラミックス等の耐熱無機酸化物製の多孔質材で形成してある。この支持板２１は、少なくとも表面の縁部全周に合金化促進部２４を有すると共に、その内側に合金化阻止部２５を有している。

ここで、上記の合金化促進部２４は、支持板２１の表面に、めっきなどのＣＶＤ法、真空蒸着やスパッタリングなどのＰＶＤ法、及び塗布などの手段により形成した金属膜である。また、上記の合金化阻止部２５は、セラミックスなどの耐熱性無機酸化物製の多孔質材である。

上記の支持板２１は、表面全体に金属膜である合金化促進部１４を形成した後、その表面に、合金化阻止部２５を嵌め込むための凹部を研削加工等により形成し、その凹部に合金化阻止部２５を嵌合して、合金化促進部２４の表面と合金化阻止部２５の表面を同一面状に形成している。このように支持板２１の表面を平坦化することで、薄い水素分離金属膜１２の形状を維持し得ると共に、良好な水素透過性能を確保することができる。

そして、水素分離体２３は、上記支持板２１の表面に水素分離金属膜１２を重合することで、支持板２１の合金化促進部２４と水素分離金属膜１２とを接触させ、双方を合金化により拡散接合してこれを層間接合部とし、また、支持板２１の合金化阻止部２５と水素分離金属膜１２との接合を阻止してこれを層間非接合部とする。

さらに、上記の水素分離体２３は、先の実施形態と同様に、一方及び他方の金属製筐体Ｃ１，Ｃ２の間に収容すると共に、両筐体Ｃ１，Ｃ２で水素分離金属膜１２の縁部全周を挟持し、水素分離金属膜１２と両筐体とを合金化により拡散接合させて、膜反応器Ｍ７を構成する。

このような膜反応器Ｍ７にあっても、一方の筐体（通路構成部材）Ｃ１側のガス通路Ｇ１において、その凹凸構造により、先の実施形態と同様の作用及び効果が得られるうえに、支持板２１における合金化促進部２４が、水素分離金属膜１２と筺体との接合部よりも内側となって高いガスシール性を確保して、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

図８は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の各実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ８において、図８（ａ）に示す水素分離体３３を構成する支持板３１は、金属製の多孔質材から成るものであって、少なくとも表面の縁部全周に、合金化促進部３４を有すると共に、その内側に、セラミックス等の耐熱無機酸化物から成る合金化阻止部３５を有している。

上記の支持板３１は、表面に合金化阻止部３５を多孔質体粒子表面にＣＶＤ法、ＰＶＤ法で形成している。このように支持板３１の粒子表面を合金化阻止部とすることで、薄い水素分離金属膜１２の形状を維持し得ると共に、良好な水素透過性能を確保することができる。

そして、水素分離体３３は、上記支持板３１の表面に水素分離金属膜１２を重合することで、支持板３１の表面そのものである合金化促進部３４と水素分離金属膜１２とを接触させ、双方を合金化により拡散接合してこれを層間接合部とし、また、支持板３１の合金化阻止部３５と水素分離金属膜１２との接合を阻止してこれを層間非接合部とする。

さらに、上記の水素分離体３３は、先の実施形態と同様に、一方及び他方の金属製筐体Ｃ１，Ｃ２の間に収容すると共に、両筐体Ｃ１，Ｃ２で水素分離金属膜１２の縁部全周を挟持することとなるが、この実施形態では、水素分離金属膜１２と筐体Ｃ１，Ｃ２との接合部において、水素分離膜１２の端面を含む表裏縁部全周に金属膜による合金化促進部３４Ａが設けてあると共に、両筐体Ｃ１，Ｃ２の接合面にも金属膜による合金化促進部３４Ｂ，３４Ｃが設けてある。

これにより、上記の水素分離体３３は、水素分離金属膜１２と両筐体Ｃ１，Ｃ２とを合金化により拡散接合させて、膜反応器Ｍ８を構成する。このような膜反応器Ｍ８にあっても、一方の筐体（通路構成部材）Ｃ１側のガス通路Ｇ１において、その凹凸構造により、先の実施形態と同様の作用及び効果が得られるうえに、支持板３１における合金化促進部３４が、水素分離金属膜１２と筺体Ｃ１，Ｃ２との接合部よりも内側となって高いガスシール性を確保し、先の実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

そして、上記の水素分離体３３は、水素分離金属膜１２に設けた合金化促進部３４Ａ，筐体Ｃ１，Ｃ２に設けた合金化促進部３４Ｂ，３４Ｃにより、ガスシール性のさらなる向上を実現することができ、扱うガスの高圧化にも容易に対処することができる。この構成の場合、水素分離金属膜１２と筐体Ｃ１，Ｃ２との接合部に設けた合金化促進部３４Ａ〜３４Ｃはいずれかを選択的に用いることもできる。

図９は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態における水素分離体を説明する図である。なお、先の各実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の水素分離体４３は、水素分離金属膜１２を金属製多孔質材から成る支持板４１で支持して成るものであって、さらに、一対の枠部材６１，６２により保持してある。枠部材６１，６２は、当該水素分離体４３を挟持する一方及び他方の筐体（図７及び図８参照）の夫々の一部を構成するものであって、より具体的には、両筐体の互いの接合部分の一部を夫々構成するものである。

両枠部材６１，６２のうち、含水素ガスのガス通路側（図１２中で上側）となる一方の枠部材６１は、複数（八個）の小開口部６１ａを整列配置した開口部群Ｈを所定間隔で備えている。また、含水素ガスから分離した水素ガスのガス通路側（図１２中で下側）となる他方の枠部材６２は、一方の枠部材６１の全開口部群Ｈを含む大きさの大開口部６２ａを備えている。

そして、図示の水素分離体４３は、水素分離金属膜１２の全周を両筐体の枠部材６１，６２で挟持し、他方の枠部材６２の大開口部６２ａの外周に沿って、水素分離金属膜１２及び両枠部材６１，６２を溶接により接合（接合部６５）した構成になっている。

上記の水素分離体４３を備えた膜反応器では、枠部材６１，６２が筺体の一部として組み込まれるため、水素分離体の両面側のガス通路間の良好なシール性を確保することができる。また、水素分離体４３は、水素分離金属膜１２及び支持板４１が、枠部材６１，６２により機械的強度が確保されるので、きわめて薄い水素分離金属膜１２を採用しているにも係らず、膜反応器の製造過程において非常に容易に取り扱うことができる。また、水素分離体４３は、図示例のように多数の小開口部６１ａを有する枠部材６１を採用したことで、製造時において水素分離金属膜１２の損傷を防止し得るという効果がある。

図１０は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態における水素分離体を説明する図である。なお、先の各実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の水素分離体５３は、水素分離金属膜１２を金属製多孔質材から成る支持板５１で支持して成るものであって、さらに、枠部材６３により保持してある。枠部材６３は、当該水素分離体５３を間にして組み合わされる一方及び他方の筐体（図７及び図８参照）のうちの一方の筐体の一部を構成するものであって、より具体的には、他方の筐体との接合部分の一部を構成するものである。この枠部材６３は、複数（四個）の開口部６３ａを所定間隔で備えている。

そして、図示の水素分離体５３は、水素分離金属膜１２の全周を枠部材６３と支持板５１で挟持し、枠部材６２の各開口部６３ａの外周に沿って、水素分離金属膜１２及び枠部材６３を接合（接合部６５）した構成になっている。

上記の水素分離体５３を備えた膜反応器は、水素分離金属膜１２の面積が支持板５１の面積よりも小さい場合にも好適である。また、筐体の一部を構成する枠部材６１〜６３を採用した構成では、各枠部材６１〜６３の夫々の開口部６１ａ〜６３ａの大きさに合わせた水素分離金属膜１２を用いると、同金属膜の強度が維持しやすい。また、複数の開口部６１ａ〜６３ａを同時に覆う水素分離金属膜１２を用いると、開口部６１ａ〜６３ａ間の桟部の下側部分での水素透過も期待できるため、金属膜の実質的な表面積を大きく確保し得るという利点がある。

図１１及び図１２は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の各実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ１０は、水素分離金属膜１２を金属製多孔質材から成る支持板１１で支持して成る水素分離体１３と、水素分離体１３を間にして組み合わされる一方及び他方の金属製筐体Ｃ１，Ｃ２とを一組立体Ａとして、これを二組備えている。

各組立体Ａは、水素分離体１３と一方の筐体Ｃ１との間に含水素ガスのガス通路Ｇ１を形成すると共に、水素分離体１３と他方の筐体Ｃ２との間に含水素ガスから分離した水素ガスのガス通路Ｇ２を形成している。

また、含水素ガスのガス通路Ｇ１において、筐体Ｃ１の通路壁面には、先の各実施形態で説明した凹凸が形成してある。さらに、同筐体Ｃ１の通路壁面及び凹凸の表面の少なくとも一方には、原料ガスを含水素ガスに改質する改質触媒が設けてある。

膜反応器Ｍ１０は、図１２に示すように、両組立体Ａ，Ａの構成が線対称となるように、両組立体の一方の筐体Ｃ１，Ｃ１同士、すなわち含水素ガスのガス通路Ｇ１を形成する筐体Ｃ１，Ｃ１同士を接合している。そして、膜反応器Ｍ１０は、接合する両筐体Ｃ１，Ｃ１の間に、原料ガスを含水素ガスに改質する改質触媒の加熱源となる高温ガスの流路５を形成している。図１２に示す構造では、紙面に垂直な方向に含水素ガス、水素ガス及び高温ガスが流通することとなる。

上記構成を備えた膜反応器Ｍ１０は、先の各実施形態と同等の効果が得られるうえに、断面中央部に高温ガスの流路５が設けてあって、同中央部に熱が供給されることから、当該装置からの熱の逃げが少なく、両側の筐体Ｃ１，Ｃ１の改質触媒に対して効率良く熱を供給することができる。また、膜反応器Ｍ１０は、高温ガスの流路５の両側に位置する各組立体Ａ，Ａの温度をほぼ同一にすることができるので、当該装置の温度制御が容易であり、これにより水素ガスの生成量の制御も容易になるうえに、装置の耐久性が向上するなどの効果がある。

図１３は、本発明の膜反応器のさらに他の実施形態を説明する図である。なお、先の各実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図示の膜反応器Ｍ９は、先の各実施形態が平板型であったのに対して、筒型を成すものとなっている。すなわち、膜反応器Ｍ９は、その中心から、内側に燃焼ガスの流路５を有する円筒状の通路構成部材２、円筒状の支持体７により支持された水素分離膜１、及び円筒状の外殻４０を同心状に配置している。

膜反応器Ｍ９は、通路構成部材２と水素分離膜１との間に、含水素ガスのガス通路３を形成すると共に、水素分離膜１と外殻４０との間に、分離した水素ガスのガス通路９を形成している。

そして、膜反応器Ｍ９は、通路構成部材２において水素分離膜１に対向する通路壁面（外周面）に、含水素ガスの流れ方向（軸線方向）及び流れを横切る方向（円周方向）の両方向に、多数のフィンＦ２及び突起体４を配列している。

上記の膜反応器Ｍ９は、先の実施形態と同様に、含水素ガスの攪拌機能を高めて水素ガスの分離効率を向上させることができ、このほか、平板型のものに比べて比較的作製が容易という利点がある。

図１４は、本発明の膜反応器を用いた自動車用パワートレインの燃料供給装置を説明する図である。

図示の燃料供給装置は、内燃機関５０に燃料としての水素ガスを供給するもので、水素分離膜１、含水素ガスのガス通路３、水素ガスのガス通路９及び高温ガス（燃焼ガス）の流路５を備えた膜反応器Ｍを備えている。

また、燃料供給装置は、蒸発器５４と、蒸発器５４に対する第１燃料噴射弁５１と、高温ガス（燃焼ガス）の流路５に対する第２燃料噴射弁５２を備えると共に、第１及び第２の燃料噴射弁５１，５２を制御するコントロールユニット５５を備えている。

この燃料供給装置は、コントロールユニット５５からの制御信号により、含水素ガス（改質ガス）となる燃料と水を第１燃料噴射弁５１から蒸発器５４に供給し、蒸発器５４において、燃焼触媒を設けた流路５から供給される高温ガス（燃焼ガス）との熱交換により燃料を気化する。

気化された燃料は、原料ガスとして膜反応器Ｍのガス通路３に導入され、流路５に流通する燃焼ガスとの熱交換を行うことで、ガス通路３に設けた改質触媒により、原料ガスを含水素ガス（改質ガス）に改質する。この含水素ガス中の水素ガスは、水素分離膜１により選択透過され、水素ガスのガス通路９を経た後、内燃機関５０に対して燃料又は燃料の一部として供給される。

ここで、水素分離膜１により透過されなかった排気ガスは、高温ガスとして膜反応器Ｍの流路５に導入され、改質反応の加熱源に供される。この流路５には、第２燃料噴射弁５２により燃料を供給することが可能であり、高温ガスの流路５の温度上昇が必要な場合、コントロールユニット５５からの制御信号により燃焼噴射を行う。

本発明の膜反応器は、先の各実施形態で説明したように、含水素ガスの攪拌機能が高くて、水素ガスの分離効率が良好であることから、同膜反応器を用いた上記の自動車用パワートレインの燃料供給装置やパワートレインの排気処理装置への燃料供給装置においても、同様の効果をもたらすこととなり、内燃機関に対する充分な水素ガスの供給源になる。

本発明の膜反応器は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。また、上記の各実施形態では、ガス通路に改質触媒を設け、原料ガスを含水素ガスに改質しつつ水素ガスを分離する場合を説明したが、予め改質した含水素ガスをガス通路に導入するものであっても良い。

１ 水素分離膜
２ 通路構成部材
２Ａ 凹部
２Ｂ 凸部
３ 含水素ガスのガス通路
４ ４Ａ ４Ｂ 突起体（凹凸）
５ 高温ガスの流路
６ 改質触媒
７ 支持板
１１ ２１ ３１ 支持板
１２ 水素分離金属膜（水素分離膜）
１３ ２３ ３３ 水素分離体
１４ ２４ ３４ 合金化促進部（層間接合部）
１５ ２５ ３５ 合金化阻止部（層間非接合部）
３４Ａ〜３４Ｃ 合金化促進部
４１ ５１ 支持板
４３ ５３ 水素分離体
６１〜６３ 枠部材
Ａ 組立体
Ｆ１ Ｆ２ フィン（凹凸）
Ｇ１ 含水素ガスのガス通路
Ｇ２ 水素ガスのガス通路
Ｃ１ 一方の筐体（通路構成部材）
Ｃ２ 他方の筐体
Ｍ Ｍ１〜Ｍ１０ 膜反応器

Claims (17)

1. 水素分離膜と通路構成部材との間にガス通路を形成すると共に、ガス通路に、水素分離膜の面に沿う方向に含水素ガスを流して、水素分離膜により含水素ガス中の水素を分離する膜反応器であって、
   通路構成部材における水素分離膜に対向する通路壁面に、含水素ガスの流れ方向に配列した凹凸を設けた構成として、
   通路構成部材の通路壁面自体を多数の傾斜面により凹凸形状に形成すると共に、含水素ガスの流れ方向及び流れを横切る方向の両方向に凹部と凸部を交互に配置したことを特徴とする膜反応器。
2. 通路構成部材の通路壁面に、凹部と凸部のピッチよりも小さい長さの複数のフィンを配列したことを特徴とする請求項１に記載の膜反応器。
3. 通路構成部材の通路壁面に、フィンよりも小さい突起体を配列したことを特徴とする請求項２に記載の膜反応器。
4. 通路構成部材の通路壁面に、原料ガスを含水素ガスに改質する改質触媒を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の膜反応器。
5. 凹凸の表面に、原料ガスを含水素ガスに改質する改質触媒を設けたことを特徴とする請求項４に記載の膜反応器。
6. 通路構成部材が、改質触媒の加熱源となる高温ガスの流路を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の膜反応器。
7. 水素分離膜が、金属製の多孔質材から成る支持板とともに水素分離体を構成する水素分離金属膜であり、
   通路構成部材が、水素分離体を間にして組み合わされて同水素分離体の両側にガス通路を形成する一方及び他方の金属製筐体のうちの一方の金属製筐体であって、
   支持板の少なくとも表面の縁部全周に、水素分離金属膜と拡散接合による層間接合部を設け、且つ支持板と水素分離金属膜の間に、拡散接合による層間接合部と層間非接合部を設けると共に、水素分離金属膜の全周を一方及び他方の筐体で挟持して水素分離金属膜及び両筐体を溶接接合又は拡散接合により接合したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の膜反応器。
8. 支持板が、少なくとも表面の縁部全周に、層間接合部として、水素分離金属膜との合金化を促進する合金化促進部を有すると共に、表面の合金化促進部以外の部分に、層間非接合部として、水素分離金属膜との合金化を阻止する合金化阻止部を有しており、支持板からはみ出した水素分離金属膜の全周を両筐体で挟持したことを特徴とする請求項７に記載の膜反応器。
9. 支持板における合金化阻止部が、耐熱無機酸化物製の膜から成り、合金化阻止部の厚さが水素分離金属膜の厚さよりも小さいことを特徴とする請求項８に記載の膜反応器。
10. 支持板における合金化阻止部が、耐熱無機酸化物製の多孔質材から成り、支持板の表面と合金化阻止部の表面を同一面状に形成したことを特徴とする請求項８に記載の膜反応器。
11. 支持板における合金化促進部が、水素分離金属膜と筺体との接合部よりも内側に設けてあることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか１項に記載の膜反応器。
12. 水素分離金属膜と筐体との接合部において、水素分離金属膜の端面を含む縁部全周に合金化促進部が設けてあることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の膜反応器。
13. 水素分離金属膜と筐体との接合部において、筐体に合金化促進部が設けてあることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の膜反応器。
14. 一方及び他方の筐体が、その一部を構成する枠部材を夫々備え、水素分離金属膜の全周を両筐体の枠部材で挟持して水素分離金属膜及び両枠部材を溶接接合又は拡散接合により接合したことを特徴とする請求項７〜１３のいずれか１項に記載の膜反応器。
15. 水素分離膜が、多孔質材から成る支持板とともに水素分離体を構成する水素分離金属膜であり、
    通路構成部材が、水素分離体を間にして組み合わされて同水素分離体の両側にガス通路を形成する一方及び他方の金属製筐体のうちの一方の金属製筐体であって、
    一方の筐体が、その一部を構成する枠部材を備え、
    支持板と水素分離金属膜の間に、拡散接合による層間接合部と層間非接合部を設けると共に、水素分離金属膜の全周を一方の筐体の枠部材と水素分離体の支持板とで挟持して水素分離金属膜、枠部材及び支持板を溶接接合又は拡散接合により接合したことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の膜反応器。
16. 水素分離体と一方及び他方の金属製筐体とを一組立体としてこれを二組備え、両組立体の通路構成部材を構成する一方の筐体同士を接合すると共に、接合する両筐体の間に、改質触媒加熱用の高温ガスの流路を形成したことを特徴とする請求項７〜１５のいずれか１項に記載の膜反応器。
17. 自動車用パワートレインの燃料供給装置に用いたことを特徴とする請求項１〜１６のいれか１項に記載の膜反応器。

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