JP6636302B2 - Hydrogen separation device - Google Patents

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Description

本発明は、水素を含有するガスから水素を分離する水素分離体を備えた水素分離装置に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen separator having a hydrogen separator for separating hydrogen from a gas containing hydrogen.

従来、水素含有ガスから水素を分離する水素分離装置として、柱状の多孔質支持体に複数の貫通孔を設け、各貫通孔の内周面に水素透過性金属膜を形成してなる水素分離体を備えたものが提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。水素透過性金属膜は、例えばパラジウム(Pd)によって形成されたパラジウム膜である。パラジウム膜は、同パラジウム膜の両側で水素の差圧が生じた際に、高水素分圧側から低水素分圧側に水素を透過させる性質を有している。詳述すると、まず、パラジウム膜の高水素分圧側の表面において、水素分子が水素原子に解離し、パラジウム中に吸蔵される。そして、パラジウム中に吸蔵された水素原子は、パラジウム中を拡散し、パラジウム膜の低水素分圧側の表面で他の水素原子と結合することにより、再び水素分子となる。その結果、水素含有ガスから高純度の水素が分離されるようになる。   Conventionally, as a hydrogen separation device for separating hydrogen from a hydrogen-containing gas, a hydrogen separator having a plurality of through-holes formed in a columnar porous support, and a hydrogen-permeable metal film formed on an inner peripheral surface of each through-hole. There has been proposed a device provided with (for example, see Patent Documents 1 and 2). The hydrogen-permeable metal film is, for example, a palladium film formed of palladium (Pd). The palladium film has a property of transmitting hydrogen from a high hydrogen partial pressure side to a low hydrogen partial pressure side when a differential pressure of hydrogen is generated on both sides of the palladium film. More specifically, first, on the surface of the palladium film on the high hydrogen partial pressure side, hydrogen molecules are dissociated into hydrogen atoms and occluded in palladium. The hydrogen atoms occluded in the palladium diffuse into the palladium, and bond with other hydrogen atoms on the surface of the palladium film on the low hydrogen partial pressure side to become hydrogen molecules again. As a result, high-purity hydrogen is separated from the hydrogen-containing gas.

特開平8−38863号公報(図1等)JP-A-8-38863 (FIG. 1 etc.) WO2012/128217号公報(図1,図2等)WO2012 / 128217 (FIGS. 1, 2 etc.)

ところが、特許文献1,2に記載の従来技術では、多孔質支持体が肉厚であり、多孔質支持体の外周面と貫通孔の内周面との距離が大きいため、ガスが多孔質支持体を通過する際の圧力損失が大きくなってしまう。その結果、多孔質支持体の外側から貫通孔の内周面に形成された水素透過性金属膜に向けて水素含有ガスを通過させ、水素透過性金属膜を透過した水素を貫通孔内に導く際に、多孔質支持体の中央部にある水素透過性金属膜に水素含有ガスが到達しにくくなる。このため、水素透過性金属膜の単位面積当りの水素透過量が低下するという問題がある。また、貫通孔内に水素含有ガスを導入し、水素透過性金属膜を透過した水素を多孔質支持体の外側に導く際には、水素透過性金属膜を透過した水素が多孔質支持体の外側に到達しにくくなる。よって、この場合も、水素透過性金属膜の単位面積当りの水素透過量が低下するという問題がある。   However, in the prior arts described in Patent Literatures 1 and 2, the porous support is thick, and the distance between the outer peripheral surface of the porous support and the inner peripheral surface of the through hole is large. The pressure loss when passing through the body increases. As a result, the hydrogen-containing gas is passed from the outside of the porous support toward the hydrogen-permeable metal film formed on the inner peripheral surface of the through-hole, and the hydrogen that has passed through the hydrogen-permeable metal film is guided into the through-hole. At this time, it becomes difficult for the hydrogen-containing gas to reach the hydrogen-permeable metal film at the center of the porous support. For this reason, there is a problem that the hydrogen permeation amount per unit area of the hydrogen permeable metal film is reduced. Further, when hydrogen-containing gas is introduced into the through-holes and hydrogen permeated through the hydrogen-permeable metal membrane is guided to the outside of the porous support, hydrogen permeated through the hydrogen-permeable metal membrane is applied to the porous support. It is difficult to reach the outside. Therefore, also in this case, there is a problem that the hydrogen permeation amount per unit area of the hydrogen-permeable metal film is reduced.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスが多孔質支持体を通過する際の圧力損失を小さくすることにより、効率良く水素を分離することができる水素分離装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a hydrogen separation device capable of efficiently separating hydrogen by reducing a pressure loss when a gas passes through a porous support. Is to provide.

上記課題を解決するための手段(手段1)としては、筒状の多孔質支持体に水素透過性金属膜を形成した複数の水素分離体と、隣接する前記水素分離体間にガスが通過する空間を有するように前記複数の水素分離体同士を互いに離間させた状態で、前記複数の水素分離体の少なくとも一方の端部を保持する保持部材とを備え、前記保持部材は、上面に凹部を有し、前記凹部の内底面に前記水素分離体の端部を保持する複数の保持凹部を備え、前記複数の水素分離体は、前記多孔質支持体の内周面と外周面との間での前記ガスの通過を不能にするシール材を介して前記保持部材に接合され、前記複数の水素分離体が一直線上に配置された前記保持部材を複数積層してなることを特徴とする水素分離装置がある。 As means (means 1) for solving the above-mentioned problems, a plurality of hydrogen separators each having a hydrogen-permeable metal membrane formed on a cylindrical porous support, and gas passing between the adjacent hydrogen separators are provided. A holding member that holds at least one end of the plurality of hydrogen separators in a state where the plurality of hydrogen separators are separated from each other so as to have a space, wherein the holding member has a concave portion on an upper surface. Having a plurality of holding recesses for holding an end of the hydrogen separator on the inner bottom surface of the recess, wherein the plurality of hydrogen separators are located between an inner peripheral surface and an outer peripheral surface of the porous support. Hydrogen separation characterized by being laminated to the holding member via a seal member that disables the passage of the gas, and a plurality of the holding members in which the plurality of hydrogen separation bodies are arranged in a straight line. There is a device.

従って、上記手段1に記載の発明によると、隣接する水素分離体間にガスが通過する空間が設けられている。しかも、水素分離装置は、柱状の多孔質支持体に複数の貫通孔が設けられた従来の構造(いわゆる蓮根状構造)とは異なり、複数の管(筒状の多孔質支持体)が互いに独立した構造であるため、ガスが通過する際に抵抗となる多孔質支持体を比較的肉薄に形成することができる。以上のことから、ガスが水素分離装置内を通過する際の圧力損失を小さくすることができる。その結果、多孔質支持体の内周面と外周面との間でガスを通過させる場合に、ガスに含まれる水素が、多孔質支持体に形成された水素透過性金属膜を透過しやすくなるため、水素透過性金属膜の単位面積当りの水素透過量が低下しにくくなる。よって、水素分離装置を用いて効率良く水素を分離することが可能である。   Therefore, according to the invention described in the means 1, a space through which gas passes is provided between the adjacent hydrogen separators. Moreover, unlike the conventional structure in which a plurality of through-holes are provided in a columnar porous support (so-called lotus root structure), the hydrogen separator has a plurality of tubes (tubular porous supports) independent of each other. Due to this structure, the porous support which becomes a resistance when gas passes therethrough can be formed relatively thin. From the above, it is possible to reduce the pressure loss when the gas passes through the inside of the hydrogen separation device. As a result, when gas is allowed to pass between the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the porous support, hydrogen contained in the gas easily permeates the hydrogen-permeable metal membrane formed on the porous support. Therefore, the amount of permeated hydrogen per unit area of the hydrogen-permeable metal film is not easily reduced. Therefore, it is possible to efficiently separate hydrogen using the hydrogen separation device.

上記水素分離装置が備える水素分離体は、多孔質支持体に水素透過性金属膜を形成してなる。多孔質支持体は、筒状(例えば、円筒状、楕円筒状、三角筒状、矩形筒状等)をなしている。ここで、多孔質支持体の形成材料としては、例えば、アルミナ(Al)、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、マグネシア、セリア、ドープドセリア等やそれらの混合物を挙げることができる。 The hydrogen separator provided in the hydrogen separator has a hydrogen-permeable metal membrane formed on a porous support. The porous support has a cylindrical shape (for example, a cylindrical shape, an elliptical cylindrical shape, a triangular cylindrical shape, a rectangular cylindrical shape, and the like). Here, examples of the material for forming the porous support include alumina (Al 2 O 3 ), yttria-stabilized zirconia (YSZ), magnesia, ceria, doped ceria, and a mixture thereof.

また、水素透過性金属膜は、筒状の多孔質支持体に形成される。水素透過性金属膜は、多孔質支持体の外周面の上に形成された表面膜であってもよいし、多孔質支持体の内周面の上に形成された内面膜であってもよいし、多孔質支持体の多孔質細孔内に充填された内層膜であってもよい。ここで、水素透過性金属膜の形成材料としては、例えば、パラジウム(Pd)や、パラジウムの合金(具体的には、Pd−Ag、Pd−Cu、Pd−Au)等を挙げることができる。なお、水素分離装置が高温(例えば450℃以上)で使用される場合には、特にPd−Agを用いることがよい。   The hydrogen-permeable metal membrane is formed on a cylindrical porous support. The hydrogen-permeable metal membrane may be a surface film formed on the outer peripheral surface of the porous support, or may be an inner film formed on the inner peripheral surface of the porous support. Alternatively, the inner membrane may be an inner membrane filled in the porous pores of the porous support. Here, as a material for forming the hydrogen-permeable metal film, for example, palladium (Pd), an alloy of palladium (specifically, Pd-Ag, Pd-Cu, Pd-Au), and the like can be given. When the hydrogen separation device is used at a high temperature (for example, 450 ° C. or higher), Pd—Ag is particularly preferably used.

また、上記水素分離装置が備える保持部材は、複数の水素分離体の少なくとも一方の端部を保持する。ここで、保持部材の形成材料としては、例えばセラミックなどが使用可能である。かかるセラミックの好適例としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素、べリリア、ムライト、低温焼成ガラスセラミック、ガラスセラミック等を挙げることができる。なお、保持部材は、水素分離体の端部を保持する保持凹部を備えていてもよい。このようにすれば、保持部材に設けられた保持凹部に対して水素分離体の端部が挿入されるため、水素分離体を高精度にかつ容易に位置決めすることができる。また、保持凹部を備えることにより、水素分離体の端部と凹部との間隙、即ちシール材が充填される間隙を小さくすることができる。その結果、シール材の使用量を低減できる。特に、シール材の熱膨張係数が水素分離体や保持部材の熱膨張係数と異なる場合には、熱膨張差による割れ等が起こりにくくなる効果を有する。   The holding member provided in the hydrogen separation device holds at least one end of the plurality of hydrogen separators. Here, as a material for forming the holding member, for example, ceramic or the like can be used. Preferred examples of such ceramics include alumina, aluminum nitride, silicon nitride, boron nitride, verilia, mullite, low-temperature fired glass ceramics, glass ceramics, and the like. Note that the holding member may include a holding recess for holding an end of the hydrogen separator. With this configuration, since the end of the hydrogen separator is inserted into the holding recess provided in the holding member, the hydrogen separator can be positioned accurately and easily. Further, by providing the holding recess, the gap between the end of the hydrogen separator and the recess, that is, the gap filled with the sealing material can be reduced. As a result, the amount of the sealing material used can be reduced. In particular, when the thermal expansion coefficient of the sealing material is different from the thermal expansion coefficients of the hydrogen separator and the holding member, cracks and the like due to the difference in thermal expansion are less likely to occur.

また、複数の水素分離体は、多孔質支持体の内周面と外周面との間でのガスの通過を不能にするシール材を介して保持部材に接合される。ここで、シール材としては特に限定されないが、例えば、ガラス、ガラスセラミック、結晶化ガラス、ガラスとセラミックとの複合材のうち少なくとも1つの材料を含むことがよい。特に、シール材はガラスであることがよい。この場合、例えば、溶融させたガラスを供給するだけでシール材を形成できるため、シール材によるガス封止を容易に行うことができる。   In addition, the plurality of hydrogen separators are joined to the holding member via a seal member that prevents passage of gas between the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the porous support. Here, the sealing material is not particularly limited. For example, the sealing material may include at least one material of glass, glass ceramic, crystallized glass, and a composite material of glass and ceramic. In particular, the sealing material is preferably glass. In this case, for example, since the sealing material can be formed only by supplying the molten glass, gas sealing by the sealing material can be easily performed.

さらに、シール材として、ロウ材や無機接着剤などを用いることもできる。また、シール材がロウ材である場合、ロウ材は貴金属を含有していてもよい。ロウ材に含まれる貴金属としては、例えば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)などを挙げることができる。例えば、ロウ材に含まれる貴金属が銀である場合、ロウ材としては、銀と酸化物との混合体、具体的には、Ag−Al、Ag−CuO、Ag−TiO、Ag−Cr、Ag−SiOなどが挙げられる。さらに、ロウ材として、銀と他の金属との合金、具体的には、Ag−Ge−Cr、Ag−Ti、Ag−Al、Ag−Pd、Ag−Cuなどの公知のロウ材を用いることもできる。一方、シール材が無機接着剤である場合、無機接着剤としては、セラミック系接着剤、ガラス系接着剤、セメント系接着剤などが挙げられるが、特には、1200℃程度の耐熱性を有するシリカ−アルミナ系無機接着剤であることがよい。 Further, a brazing material, an inorganic adhesive, or the like can be used as the sealing material. When the sealing material is a brazing material, the brazing material may contain a noble metal. Examples of the noble metal contained in the brazing material include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and the like. For example, when the noble metal contained in the brazing material is silver, the brazing material is a mixture of silver and an oxide, specifically, Ag-Al 2 O 3 , Ag-CuO, Ag-TiO 2 , Ag —Cr 2 O 3 , Ag—SiO 2 and the like. Further, as the brazing material, a known brazing material such as an alloy of silver and another metal, specifically, Ag-Ge-Cr, Ag-Ti, Ag-Al, Ag-Pd, or Ag-Cu is used. You can also. On the other hand, when the sealing material is an inorganic adhesive, examples of the inorganic adhesive include a ceramic adhesive, a glass adhesive, and a cement adhesive. In particular, silica having a heat resistance of about 1200 ° C. -It is preferable to use an alumina-based inorganic adhesive.

さらに、上記水素分離装置は、複数の水素分離体が一直線上に配置された保持部材を複数積層してなる。ここで、隣接する保持部材同士は、シール材を介して互いに接合されていてもよい。このようにすれば、保持部材同士の接合に際してシール材とは別の材料を準備しなくても済む。よって、水素分離装置の製造に必要な材料が少なくなるため、水素分離装置の低コスト化を図ることが可能となる。しかも、容易に積層数を増加させることが可能となるため、水素分離体の集積度が高い水素分離装置を容易に実現できる。   Further, the hydrogen separation device is configured by stacking a plurality of holding members in which a plurality of hydrogen separators are arranged on a straight line. Here, the adjacent holding members may be joined to each other via a sealing material. With this configuration, it is not necessary to prepare a material different from the sealing material when joining the holding members. Therefore, the number of materials required for manufacturing the hydrogen separation device is reduced, and the cost of the hydrogen separation device can be reduced. In addition, since the number of stacked layers can be easily increased, a hydrogen separator having a high degree of integration of the hydrogen separator can be easily realized.

水素分離装置は、2つ以上の水素分離体を接続するための接続流路を備えていてもよい。このようにすれば、水素分離体内から水素ガスを取り出す場合に、水素の取出口の数を少なく、かつ、外部との接続構造を簡素化できるため、設置が容易になる。また、水素ガスを水素分離体内に導入する場合には、水素の導入口の数を少なくすることができる。   The hydrogen separation device may include a connection flow path for connecting two or more hydrogen separation bodies. In this way, when extracting hydrogen gas from the hydrogen separator, the number of hydrogen outlets can be reduced and the connection structure with the outside can be simplified, thereby facilitating installation. When hydrogen gas is introduced into the hydrogen separator, the number of hydrogen inlets can be reduced.

また、複数の水素分離体が一直線上に配置された複数の保持部材は、縦方向、横方向及び奥行方向のうち少なくともいずれか一方に積層されることがよい。このようにすれば、水素分離装置が備える水素分離体の数を多くすることができる。その結果、多数の水素分離体から同時に水素が分離されるため、多量の水素を効率良く得ることができる。   Further, the plurality of holding members in which the plurality of hydrogen separators are arranged on a straight line may be stacked in at least one of the vertical direction, the horizontal direction, and the depth direction. By doing so, the number of hydrogen separators provided in the hydrogen separator can be increased. As a result, hydrogen is simultaneously separated from many hydrogen separators, so that a large amount of hydrogen can be obtained efficiently.

第1実施形態における水素分離装置を示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a hydrogen separation device according to the first embodiment. 水素分離装置を示す側面図。The side view showing a hydrogen separation device. 集積体(保持部材)を示す平面図。FIG. 4 is a plan view showing an integrated body (holding member). 水素分離体を示す正面図。The front view which shows a hydrogen separator. 第1実施形態における水素分離装置の使用方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the usage method of the hydrogen separation apparatus in 1st Embodiment. 第2実施形態における水素分離装置を示す斜視図。The perspective view showing the hydrogen separation device in a 2nd embodiment. 集積体(保持部材)を示す平面図。FIG. 4 is a plan view showing an integrated body (holding member). 第2実施形態における水素分離装置の使用方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the usage method of the hydrogen separation apparatus in 2nd Embodiment. 第1実施形態における水素分離装置の他の使用方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the other usage of the hydrogen separation apparatus in 1st Embodiment. 第2実施形態における水素分離装置の他の使用方法を示す説明図。Explanatory drawing which shows the other usage of the hydrogen separation apparatus in 2nd Embodiment. 集積体(保持部材)が横方向に積層された水素分離装置を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a hydrogen separator in which an integrated body (holding member) is stacked in a lateral direction. 集積体(保持部材)が奥行方向に積層された水素分離装置を示す斜視図。The perspective view showing the hydrogen separation device in which the accumulation body (holding member) was laminated in the depth direction. 集積体(保持部材)が縦方向、横方向及び奥行方向にそれぞれ積層された水素分離装置を示す斜視図。FIG. 4 is a perspective view showing a hydrogen separator in which an integrated body (holding member) is stacked in a vertical direction, a horizontal direction, and a depth direction. 集積体(保持部材)が横方向に積層された水素分離装置を示す斜視図。FIG. 3 is a perspective view showing a hydrogen separator in which an integrated body (holding member) is stacked in a lateral direction. 他の実施形態における水素分離装置を示す斜視図。The perspective view showing the hydrogen separation device in other embodiments. 水素分離装置を示す側面図。The side view showing a hydrogen separation device. 他の実施形態における水素分離装置を示す斜視図。The perspective view showing the hydrogen separation device in other embodiments.

[第1実施形態]
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に基づき詳細に説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1,図2に示されるように、本実施形態の水素分離装置1は、チューブ11(水素分離体)の集積体10を縦方向に複数積層してなるモジュールである。水素分離装置1は、幅24mm×奥行35mm×高さ10mmの略直方体状をなしている。なお、本実施形態では、説明の便宜上、集積体10を3段積層してなる水素分離装置1を図示した。   As shown in FIGS. 1 and 2, the hydrogen separation device 1 of the present embodiment is a module formed by stacking a plurality of tubes 10 (hydrogen separators) in a vertical direction. The hydrogen separator 1 has a substantially rectangular parallelepiped shape having a width of 24 mm × a depth of 35 mm × a height of 10 mm. In the present embodiment, for convenience of description, the hydrogen separator 1 in which the integrated bodies 10 are stacked in three stages is illustrated.

図1〜図3に示されるように、各集積体10は、円筒状をなす10本のチューブ11と、平面視矩形帯状をなす一対の保持部材21,22とを備えている。両保持部材21,22は、互いに平行に配置されている。そして、両保持部材21,22には、各チューブ11が一直線上にかつ等ピッチに配置されている。各チューブ11は、互いに平行に配置されるとともに、保持部材21,22と直交した状態に配置されている。また、両保持部材21,22は、各チューブ11同士を互いに離間させた状態で、各チューブ11の両端部を保持するようになっている。詳述すると、保持部材21は、各チューブ11の第1端部(図3では左端部)を保持し、保持部材22は、各チューブ11の第2端部(図3では右端部)を保持している。その結果、隣接するチューブ11間に、ガスが通過する空間A1(図3参照)が生じるようになる。なお、本実施形態では、説明の便宜上、保持部材21,22に10本のチューブ11を配置した構造を図示したが、実際の保持部材には、20本のチューブが配置されている。   As shown in FIGS. 1 to 3, each integrated body 10 includes ten tubes 11 having a cylindrical shape, and a pair of holding members 21 and 22 having a rectangular band shape in a plan view. The two holding members 21 and 22 are arranged in parallel with each other. The tubes 11 are arranged on the holding members 21 and 22 in a straight line and at equal pitch. The tubes 11 are arranged in parallel with each other, and are arranged orthogonal to the holding members 21 and 22. The two holding members 21 and 22 hold both ends of each tube 11 in a state where the tubes 11 are separated from each other. More specifically, the holding member 21 holds the first end (the left end in FIG. 3) of each tube 11, and the holding member 22 holds the second end (the right end in FIG. 3) of each tube 11. are doing. As a result, a space A1 (see FIG. 3) through which the gas passes is generated between the adjacent tubes 11. In the present embodiment, for convenience of explanation, a structure in which ten tubes 11 are arranged on the holding members 21 and 22 is illustrated, but 20 tubes are arranged in an actual holding member.

図1〜図3に示されるように、本実施形態の保持部材21,22は、幅24mm×奥行3mm×高さ3mmの略直方体状である。保持部材21,22は、部材上面23及び部材裏面24を有し、アルミナ(Al)等のセラミックからなる。また、保持部材21,22には、部材上面23に1つの凹部25が形成されている。そして、保持部材21,22には、凹部25の内底面26に複数の保持凹部27が等間隔に配置されている。各保持凹部27は、保持部材21,22の奥行方向から見て半円状をなし、保持部材21,22の幅方向に沿って延びている。各保持凹部27の長さは、保持部材21,22の奥行と等しくなっている。なお、各保持凹部27は、チューブ11の端部(第1端部または第2端部)が挿入されることにより、チューブ11の端部を保持するようになっている。 As shown in FIGS. 1 to 3, the holding members 21 and 22 of the present embodiment have a substantially rectangular parallelepiped shape of 24 mm wide × 3 mm deep × 3 mm high. The holding members 21 and 22 have a member upper surface 23 and a member rear surface 24 and are made of ceramic such as alumina (Al 2 O 3 ). The holding members 21 and 22 each have one concave portion 25 formed on the upper surface 23 of the member. In the holding members 21 and 22, a plurality of holding recesses 27 are arranged at equal intervals on the inner bottom surface 26 of the recess 25. Each holding recess 27 has a semicircular shape when viewed from the depth direction of the holding members 21 and 22, and extends along the width direction of the holding members 21 and 22. The length of each holding recess 27 is equal to the depth of the holding members 21 and 22. Each of the holding recesses 27 holds an end of the tube 11 by inserting an end (a first end or a second end) of the tube 11.

図1,図2に示されるように、最上段の保持部材21,22の部材上面23には、板部材28が配置されている。本実施形態の板部材28は、幅24mm×奥行3mm×厚さ1.0mmの帯板状である。板部材28は、保持部材21,22と同じ材料(アルミナ等のセラミック)からなっている。   As shown in FIGS. 1 and 2, a plate member 28 is disposed on the upper surface 23 of the uppermost holding members 21 and 22. The plate member 28 of the present embodiment is in the shape of a strip having a width of 24 mm × a depth of 3 mm × a thickness of 1.0 mm. The plate member 28 is made of the same material (ceramic such as alumina) as the holding members 21 and 22.

図1〜図4に示されるように、各チューブ11は、耐熱性(本実施形態では、300℃〜400℃)を有し、多孔質支持体12に水素透過性金属膜13を形成してなる。多孔質支持体12は、長さ35mm×外径2mmの円筒状をなし、内周面14及び外周面15を有している。よって、多孔質支持体12には、同多孔質支持体12を長さ方向(軸方向)に貫通する断面円形状の貫通孔16が設けられている。なお、本実施形態の多孔質支持体12は、アルミナからなる多孔質セラミック製の支持体である。この多孔質支持体12は、気孔率が20%以上60%以下、気孔径が0.1μm以上100μm以下となっており、ガスを透過可能な構造となっている。即ち、多孔質支持体12は、通気性を有するとともに水素透過性金属膜13を支持する機能を有している。   As shown in FIGS. 1 to 4, each tube 11 has heat resistance (300 ° C. to 400 ° C. in the present embodiment), and is formed by forming a hydrogen-permeable metal film 13 on a porous support 12. Become. The porous support 12 has a cylindrical shape with a length of 35 mm and an outer diameter of 2 mm, and has an inner peripheral surface 14 and an outer peripheral surface 15. Therefore, the porous support 12 is provided with a through-hole 16 having a circular cross section penetrating the porous support 12 in the length direction (axial direction). The porous support 12 of the present embodiment is a porous ceramic support made of alumina. The porous support 12 has a porosity of 20% or more and 60% or less, a pore diameter of 0.1 μm or more and 100 μm or less, and has a gas permeable structure. That is, the porous support 12 has a function of supporting the hydrogen permeable metal film 13 while having air permeability.

そして、多孔質支持体12の外周面15上には、中間層(図示略)が形成されている。中間層は、外周面15全体を覆っており、多孔質支持体12を保護する保護層である。なお、本実施形態の中間層は、アルミナによって形成された薄膜であり、厚さが5μm以上100μm以下となっている。なお、中間層を、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)によって形成してもよい。   On the outer peripheral surface 15 of the porous support 12, an intermediate layer (not shown) is formed. The intermediate layer is a protective layer that covers the entire outer peripheral surface 15 and protects the porous support 12. Note that the intermediate layer of the present embodiment is a thin film formed of alumina, and has a thickness of 5 μm or more and 100 μm or less. The intermediate layer may be formed of yttria-stabilized zirconia (YSZ).

図1〜図4に示されるように、中間層の外周面上には、水素透過性金属膜13が形成されている。即ち、水素透過性金属膜13は、多孔質支持体12の外周面15の上に形成された表面膜であり、厚さが0.5μm以上20μm以下となっている。水素透過性金属膜13は、パラジウムの合金(本実施形態ではPd−Ag)によって形成されている。また、水素透過性金属膜13は、多孔質支持体12の中央部に形成されている。具体的に言うと、中間層の外周面において、多孔質支持体12の両端から2mmまでの領域は、水素透過性金属膜13が形成されず、中間層の外周面が露出する露出領域である。そして、残りの領域が、水素透過性金属膜13の形成領域となる。   As shown in FIGS. 1 to 4, a hydrogen-permeable metal film 13 is formed on the outer peripheral surface of the intermediate layer. That is, the hydrogen-permeable metal film 13 is a surface film formed on the outer peripheral surface 15 of the porous support 12 and has a thickness of 0.5 μm or more and 20 μm or less. The hydrogen-permeable metal film 13 is formed of a palladium alloy (Pd-Ag in the present embodiment). The hydrogen-permeable metal film 13 is formed at the center of the porous support 12. Specifically, on the outer peripheral surface of the intermediate layer, a region up to 2 mm from both ends of the porous support 12 is an exposed region where the hydrogen-permeable metal film 13 is not formed and the outer peripheral surface of the intermediate layer is exposed. . Then, the remaining region is a region where the hydrogen-permeable metal film 13 is formed.

図1〜図3に示されるように、各チューブ11は、シール材31を介して保持部材21,22に接合されている。シール材31は、中間層の外周面に密着することにより、多孔質支持体12の内周面14と外周面15との間でのガスの通過を不能にする機能を有している。本実施形態のシール材31は、ガラス(例えば、SCHOTT社製 G018−311)を含んでいる。また、シール材31は、保持部材21,22の凹部25に充填されるとともに、チューブ11の端部を被覆している。具体的に言うと、シール材31は、中間層の外周面において、露出領域(多孔質支持体12の両端から2mmまでの領域)と、形成領域の一部(多孔質支持体12の両端から3mmまでの領域)とを被覆している。その結果、多孔質支持体12においてガス透過部として機能する部分の長さは、29mm(=多孔質支持体12の長さ35mm−(シール材31の被覆領域の長さ3mm×2))となる。さらに、シール材31は、上段側の保持部材21,22の部材裏面24に密着している。よって、縦方向に隣接する保持部材21,22同士は、シール材31を介して互いに接合されるようになる。また、最上段の保持部材21,22の凹部25に充填されたシール材31は、板部材28の裏面に密着している。よって、最上段の保持部材21,22及び板部材28は、シール材31を介して互いに接合されるようになる。   As shown in FIGS. 1 to 3, each tube 11 is joined to holding members 21 and 22 via a sealing material 31. The sealing material 31 has a function of preventing gas from passing between the inner peripheral surface 14 and the outer peripheral surface 15 of the porous support 12 by being in close contact with the outer peripheral surface of the intermediate layer. The sealing material 31 of the present embodiment includes glass (for example, G018-311 manufactured by SCHOTT). The sealing material 31 fills the concave portions 25 of the holding members 21 and 22 and covers the end of the tube 11. More specifically, the sealing material 31 includes an exposed region (a region from both ends of the porous support 12 to 2 mm) and a part of a formation region (from both ends of the porous support 12) on the outer peripheral surface of the intermediate layer. (Area up to 3 mm). As a result, the length of the portion of the porous support 12 that functions as a gas permeable portion is 29 mm (= length of the porous support 12 35 mm− (length of the covering region of the sealing material 31 3 mm × 2)). Become. Further, the sealing material 31 is in close contact with the member back surface 24 of the upper holding members 21 and 22. Therefore, the holding members 21 and 22 adjacent in the vertical direction are joined to each other via the sealing material 31. Further, the sealing material 31 filled in the concave portion 25 of the uppermost holding members 21 and 22 is in close contact with the back surface of the plate member 28. Therefore, the uppermost holding members 21 and 22 and the plate member 28 are joined to each other via the sealing material 31.

なお、図5に示されるように、本実施形態の水素分離装置1は、例えば、自動車の排気管41用の水素分離装置として用いられる。この場合、排気管41の上流側から水素含有ガス(自動車の排気ガス等)が供給されると、水素含有ガスは、水素分離装置1のチューブ11に接触する。このとき、水素透過性金属膜13の表面において、水素含有ガスに含まれる水素分子が水素原子に解離し、水素透過性金属膜13のパラジウム中に吸蔵される。そして、パラジウム中に吸蔵された水素原子は、パラジウム中を拡散し、水素透過性金属膜13の裏面(多孔質支持体12側の面)で他の水素原子と結合することにより、再び水素分子となる。この時点で、水素含有ガスから水素が分離される。その後、水素は、多孔質支持体12を通過し、チューブ11内(貫通孔16内)に導かれる。そして、水素は、排気管41外に導かれ、エンジン始動時の水素源として利用される。具体的には、エンジン始動時に水素を排気ガスと反応させることにより、排気ガス中のNOxを還元し、無害なNに浄化させる。 As shown in FIG. 5, the hydrogen separator 1 of the present embodiment is used, for example, as a hydrogen separator for an exhaust pipe 41 of an automobile. In this case, when a hydrogen-containing gas (such as an exhaust gas of an automobile) is supplied from the upstream side of the exhaust pipe 41, the hydrogen-containing gas contacts the tube 11 of the hydrogen separation device 1. At this time, on the surface of the hydrogen-permeable metal film 13, hydrogen molecules contained in the hydrogen-containing gas are dissociated into hydrogen atoms and occluded in the palladium of the hydrogen-permeable metal film 13. The hydrogen atoms absorbed in the palladium diffuse in the palladium and bond with other hydrogen atoms on the back surface (the surface on the side of the porous support 12) of the hydrogen-permeable metal film 13, so that the hydrogen molecules are again generated. Becomes At this point, hydrogen is separated from the hydrogen-containing gas. Thereafter, the hydrogen passes through the porous support 12 and is guided into the tube 11 (the through hole 16). Then, the hydrogen is guided to the outside of the exhaust pipe 41 and is used as a hydrogen source at the time of starting the engine. Specifically, by reacting hydrogen with the exhaust gas when the engine is started, and reduces NOx in the exhaust gas, thereby purifying the harmless N 2.

次に、水素分離装置1の製造方法を説明する。   Next, a method for manufacturing the hydrogen separation device 1 will be described.

まず、チューブ11を形成する。具体的には、アルミナ粉末、造孔材である有機ビーズ、有機バインダを混合した後、押出成形により、外径2mm×長さ35mmの円筒形状をなす未焼成セラミック成形体を形成する。次に、アルミナ粉末、有機バインダ、溶剤、可塑剤等を混合してスラリーを作製する。そして、ディップコーティング法により、スラリー中に未焼成セラミック成形体を浸漬し、未焼成セラミック成形体の外周面上に被膜を形成する。   First, the tube 11 is formed. Specifically, after mixing alumina powder, organic beads as a pore former, and an organic binder, an unfired ceramic molded body having a cylindrical shape with an outer diameter of 2 mm and a length of 35 mm is formed by extrusion. Next, a slurry is prepared by mixing alumina powder, an organic binder, a solvent, a plasticizer, and the like. Then, the unfired ceramic formed body is immersed in the slurry by a dip coating method to form a coating on the outer peripheral surface of the unfired ceramic formed body.

次に、周知の手法に従って乾燥工程や脱脂工程などを行った後、未焼成セラミック成形体及び被膜をアルミナが焼結しうる所定の温度(例えば1300℃〜1500℃程度)に加熱する焼成工程を行う。その結果、未焼成セラミック成形体のアルミナ及び被膜のアルミナが同時焼結し、外周面15上に中間層が形成された多孔質支持体12が得られる。   Next, after performing a drying step, a degreasing step, and the like according to a known method, a firing step of heating the unfired ceramic molded body and the coating to a predetermined temperature at which alumina can be sintered (for example, about 1300 ° C. to 1500 ° C.) Do. As a result, the alumina of the unfired ceramic molded body and the alumina of the coating film are simultaneously sintered, and the porous support 12 having the intermediate layer formed on the outer peripheral surface 15 is obtained.

次に、多孔質支持体12の表面に対して無電解パラジウムめっき及び電解銀めっきを行う。その後、不活性雰囲気下にて、750℃で合金化加熱を行うことにより、Pd−Agの合金を生成する。その結果、中間層の表面上に、Pd−Agからなる水素透過性金属膜13が形成される。なお、この時点で、チューブ11が完成する。   Next, the surface of the porous support 12 is subjected to electroless palladium plating and electrolytic silver plating. Then, an alloy of Pd-Ag is formed by performing alloying heating at 750 ° C. in an inert atmosphere. As a result, a hydrogen-permeable metal film 13 made of Pd-Ag is formed on the surface of the intermediate layer. At this point, the tube 11 is completed.

また、保持部材21,22及び板部材28を形成する。具体的には、まず、アルミナ粉末、有機ビーズ、有機バインダを混合した後、所定の寸法に切断することにより、保持部材21,22となる保持部材用セラミック成形体と板部材28となる板部材用セラミック成形体とを成形する。さらに、上型及び下型を用いてプレス加工を行い、保持部材用セラミック成形体に対して凹部25及び保持凹部27を形成する。次に、保持部材用セラミック成形体及び板部材用セラミック成形体を脱脂し、さらに所定温度で所定時間焼成を行う。その結果、保持部材用セラミック成形体及び板部材用セラミック成形体のアルミナが焼結し、保持部材21,22及び板部材28が形成される。なお、焼成後に切削加工を行うことにより、保持部材21,22に対して凹部25及び保持凹部27を形成してもよい。   Further, the holding members 21 and 22 and the plate member 28 are formed. More specifically, first, alumina powder, organic beads, and an organic binder are mixed, and then cut to a predetermined size, so that a holding member ceramic molded body that becomes the holding members 21 and 22 and a plate member that becomes the plate member 28 And a ceramic molded body for molding. Further, press processing is performed using the upper die and the lower die to form the recess 25 and the holding recess 27 in the ceramic molding for the holding member. Next, the ceramic molded body for the holding member and the ceramic molded body for the plate member are degreased, and further fired at a predetermined temperature for a predetermined time. As a result, the alumina of the ceramic molding for the holding member and the alumina of the ceramic molding for the plate member are sintered, and the holding members 21 and 22 and the plate member 28 are formed. The recess 25 and the holding recess 27 may be formed in the holding members 21 and 22 by performing cutting after firing.

その後、保持部材21の保持凹部27に対してチューブ11の第1端部を挿入するとともに、保持凹部22の保持凹部27に対してチューブ11の第2端部を挿入する。その結果、チューブ11の両端部が保持部材21,22によって支持された集積体10が得られるようになる。次に、得られた集積体10(保持部材21,22)を縦方向に複数積層し、最上段の保持部材21,22上に板部材28を積層する。さらに、ガラスを含むペーストをディスペンサなどを用いて保持部材21,22の凹部25に流し込むことにより、凹部25にペーストを充填する。さらに、ガラスを含むペーストを、大気雰囲気下で、所定の温度(例えば700℃〜1000℃)に加熱する。その結果、ペーストが溶融し、シール材31が形成される。なお、ペーストを流し込むことによってシール材31を形成する代わりに、シール材31を含むペーストを印刷することによって、シール材31を形成してもよい。また、ガラスを含む板材を凹部25内に配置した後、溶融させることによって、シール材31を形成してもよい。その結果、複数のチューブ11がシール材31を介して保持部材21,22に接合され、縦方向に隣接する保持部材21,22同士がシール材31を介して互いに接合され、最上段の保持部材21,22と板部材28とがシール材31を介して互いに接合され、水素分離装置1が完成する。   Thereafter, the first end of the tube 11 is inserted into the holding recess 27 of the holding member 21, and the second end of the tube 11 is inserted into the holding recess 27 of the holding recess 22. As a result, the integrated body 10 in which both ends of the tube 11 are supported by the holding members 21 and 22 can be obtained. Next, a plurality of the obtained integrated bodies 10 (holding members 21 and 22) are vertically stacked, and the plate member 28 is stacked on the uppermost holding members 21 and 22. Further, the paste containing glass is poured into the concave portions 25 of the holding members 21 and 22 using a dispenser or the like, so that the concave portions 25 are filled with the paste. Further, the paste containing glass is heated to a predetermined temperature (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.) in an air atmosphere. As a result, the paste is melted, and the sealing material 31 is formed. Note that instead of forming the sealing material 31 by pouring the paste, the sealing material 31 may be formed by printing a paste including the sealing material 31. Alternatively, the sealing material 31 may be formed by disposing a plate material including glass in the concave portion 25 and then melting the plate material. As a result, the plurality of tubes 11 are joined to the holding members 21 and 22 via the sealing material 31, and the holding members 21 and 22 vertically adjacent to each other are joined to each other via the sealing material 31, and the uppermost holding member 21 and 22 and the plate member 28 are joined to each other via the sealing material 31, and the hydrogen separation device 1 is completed.

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。   Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施形態の水素分離装置1では、隣接するチューブ11間にガスが通過する空間A1が設けられている。しかも、水素分離装置1は、柱状の多孔質支持体に複数の貫通孔が設けられた従来の構造(いわゆる蓮根状構造)とは異なり、複数の管(筒状の多孔質支持体12)が互いに独立した構造であるため、ガスが通過する際に抵抗となる多孔質支持体12を比較的肉薄に形成することができる。以上のことから、ガスが水素分離装置1内を通過する際の圧力損失を小さくすることができる。その結果、多孔質支持体12の内周面14と外周面15との間で水素含有ガスを通過させる場合に、水素含有ガスに含まれる水素が、多孔質支持体12に形成された水素透過性金属膜13を透過しやすくなるため、水素透過性金属膜13の単位面積当りの水素透過量が低下しにくくなる。よって、水素分離装置1を用いて効率良く水素を分離することが可能である。   (1) In the hydrogen separation device 1 of the present embodiment, a space A1 through which gas passes is provided between the adjacent tubes 11. In addition, unlike the conventional structure in which a plurality of through holes are provided in a columnar porous support (so-called lotus root structure), the hydrogen separation device 1 includes a plurality of tubes (tubular porous support 12). Since the structures are independent from each other, it is possible to form the porous support 12 that is resistant to the passage of the gas to be relatively thin. As described above, the pressure loss when the gas passes through the inside of the hydrogen separation device 1 can be reduced. As a result, when the hydrogen-containing gas is passed between the inner peripheral surface 14 and the outer peripheral surface 15 of the porous support 12, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas loses hydrogen permeation formed on the porous support 12. Since the hydrogen-permeable metal film 13 permeates easily, the amount of permeated hydrogen per unit area of the hydrogen-permeable metal film 13 is not easily reduced. Therefore, it is possible to efficiently separate hydrogen using the hydrogen separation device 1.

(2)本実施形態では、保持部材21,22の凹部25にシール材31を充填するだけで、複数のチューブ11を同時にかつ容易にシールすることができる。よって、チューブ11からのガスのリークを容易に防止することができる。   (2) In the present embodiment, the plurality of tubes 11 can be simultaneously and easily sealed simply by filling the recesses 25 of the holding members 21 and 22 with the sealing material 31. Therefore, leakage of gas from the tube 11 can be easily prevented.

(3)ところで、水素分離装置が、柱状の多孔質支持体に複数の貫通孔が設けられた従来の構造(いわゆる蓮根状構造)を有する場合、流路となる貫通孔同士を互いに接近させて、例えばハニカム状にすることが考えられる。ところが、ハニカム状の多孔質支持体は、大きくなるとともに隔壁が非常に薄くなると、急激な温度上昇に対する耐熱衝撃性が低下するため、破損しやすいという問題がある。一方、本実施形態の水素分離装置1は、流路ごとに独立した複数の多孔質支持体12によって構成されている。この場合、多孔質支持体12の耐熱衝撃性が高くなるため、多孔質支持体12が破損しにくくなる。しかも、本実施形態の多孔質支持体12は、比較的肉薄であることから体積が比較的小さい(即ち、熱容量が小さい)ため、雰囲気温度に対する追従性が良好である。つまり、急激な温度上昇に対する多孔質支持体12の耐熱衝撃性が高いため、多孔質支持体12がよりいっそう破損しにくくなる。   (3) By the way, when the hydrogen separation device has a conventional structure in which a plurality of through holes are provided in a columnar porous support (so-called lotus root structure), the through holes serving as flow paths are brought close to each other. For example, a honeycomb shape can be considered. However, when the honeycomb-shaped porous support becomes large and the partition walls become very thin, there is a problem that the honeycomb-shaped porous support is easily damaged because the thermal shock resistance against a rapid temperature rise is reduced. On the other hand, the hydrogen separation device 1 of the present embodiment includes a plurality of porous supports 12 that are independent for each flow path. In this case, since the thermal shock resistance of the porous support 12 increases, the porous support 12 is less likely to be damaged. Moreover, since the porous support 12 of the present embodiment is relatively thin and has a relatively small volume (that is, a small heat capacity), it has good follow-up properties with respect to the ambient temperature. That is, since the thermal shock resistance of the porous support 12 against a rapid temperature rise is high, the porous support 12 is harder to be damaged.

(4)本実施形態では、水素透過性金属膜13の単位面積当りの水素透過量が低下しにくくなることから、水素透過性金属膜13の面積を小さくすることができ、ひいては、水素分離装置1全体の小型化が可能となる。よって、自動車の排気管41(図5参照)などの狭い場所にも水素分離装置1を設置することができる。   (4) In the present embodiment, since the amount of hydrogen permeated per unit area of the hydrogen permeable metal membrane 13 is not easily reduced, the area of the hydrogen permeable metal membrane 13 can be reduced. 1 can be downsized. Therefore, the hydrogen separation device 1 can be installed in a narrow place such as the exhaust pipe 41 of the automobile (see FIG. 5).

(5)本実施形態の水素透過性金属膜13は、多孔質支持体12の外周面15の上に形成された表面膜である。このようにすれば、水素透過性金属膜13を例えば多孔質支持体12の内周面14の上に形成する場合よりも、水素透過性金属膜13の面積を大きくしやすいため、1本のチューブ11からより多くの水素を得ることができる。   (5) The hydrogen-permeable metal film 13 of the present embodiment is a surface film formed on the outer peripheral surface 15 of the porous support 12. This makes it easier to increase the area of the hydrogen-permeable metal film 13 than when the hydrogen-permeable metal film 13 is formed on the inner peripheral surface 14 of the porous support 12, for example. More hydrogen can be obtained from the tube 11.

[第2実施形態]
以下、本発明を具体化した第2実施形態を図面に基づき説明する。ここでは、前記第1実施形態と相違する部分を中心に説明する。本実施形態では、チューブの保持構造が前記第1実施形態とは異なっている。
[Second embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, a description will be given focusing on portions different from the first embodiment. In the present embodiment, the tube holding structure is different from that of the first embodiment.

詳述すると、図6,図7に示されるように、本実施形態の水素分離装置51を構成する集積体60は、10本のチューブ61(水素分離体)と、1つの保持部材71とを備えている。保持部材71には、各チューブ61が一直線上にかつ等ピッチに配置されている。また、保持部材71は、各チューブ61同士を互いに離間させた状態で、各チューブ61の一方の端部のみを保持するようになっている。詳述すると、保持部材71は、各チューブ61の第1端部(図7では左端部)を保持している。そして、保持部材71に設けられた保持凹部77は、チューブ61の第1端部が挿入されることにより、チューブ61の第1端部を保持するようになっている。   More specifically, as shown in FIGS. 6 and 7, the integrated body 60 constituting the hydrogen separation device 51 of the present embodiment includes ten tubes 61 (hydrogen separation bodies) and one holding member 71. Have. The tubes 61 are arranged on the holding member 71 in a straight line and at equal pitch. The holding member 71 holds only one end of each tube 61 in a state where the tubes 61 are separated from each other. More specifically, the holding member 71 holds the first end (the left end in FIG. 7) of each tube 61. The holding recess 77 provided in the holding member 71 holds the first end of the tube 61 when the first end of the tube 61 is inserted.

なお、各チューブ61の第2端部(図7では右端部)には、貫通孔66の第2端部側の開口端を塞ぐキャップ67が設けられている。また、チューブ61を構成する水素透過性金属膜63は、多孔質支持体62の中央部及び第2端部に形成されている。具体的に言うと、中間層の外周面において、多孔質支持体62の第1端(図7では左端)から3mmまでの領域は、水素透過性金属膜63が形成されず、中間層の外周面が露出する露出領域である。そして、残りの領域が、水素透過性金属膜63の形成領域となる。   At the second end (the right end in FIG. 7) of each tube 61, a cap 67 for closing the opening end of the through hole 66 on the second end side is provided. The hydrogen-permeable metal film 63 constituting the tube 61 is formed at the center and the second end of the porous support 62. Specifically, on the outer peripheral surface of the intermediate layer, the region from the first end (the left end in FIG. 7) of the porous support 62 to 3 mm is not formed with the hydrogen-permeable metal film 63, and the outer peripheral surface of the intermediate layer is not formed. This is an exposed area where the surface is exposed. Then, the remaining region is a region where the hydrogen-permeable metal film 63 is formed.

なお、図8に示されるように、本実施形態の水素分離装置51は、前記第1実施形態と同様に、自動車の排気管91用の水素分離装置として用いられる。この場合、排気管91の上流側から水素含有ガス(排気ガス等)が供給されると、水素含有ガスは、水素分離装置51のチューブ61に接触する。次に、水素透過性金属膜63により、水素含有ガスから水素が分離される。そして、水素は、多孔質支持体62を通過してチューブ61内に導かれた後、排気管91外に導かれ、エンジン始動時の水素源として利用される。   As shown in FIG. 8, the hydrogen separation device 51 of this embodiment is used as a hydrogen separation device for an exhaust pipe 91 of an automobile, as in the first embodiment. In this case, when a hydrogen-containing gas (exhaust gas or the like) is supplied from the upstream side of the exhaust pipe 91, the hydrogen-containing gas contacts the tube 61 of the hydrogen separation device 51. Next, hydrogen is separated from the hydrogen-containing gas by the hydrogen-permeable metal film 63. Then, the hydrogen passes through the porous support 62 and is guided into the tube 61, and then is guided outside the exhaust pipe 91, and is used as a hydrogen source when the engine is started.

従って、本実施形態においても、隣接するチューブ61間にガスが通過する空間A2(図7参照)が設けられている。しかも、水素分離装置51は、複数の管(筒状の多孔質支持体62)が互いに独立した構造であるため、ガスの通過部分である多孔質支持体62を比較的肉薄に形成することができる。以上のことから、ガスが水素分離装置51内を通過する際の圧力損失を小さくすることができる。その結果、多孔質支持体62の内周面14と外周面15との間で水素含有ガスを通過させる際に、水素含有ガスに含まれる水素が水素透過性金属膜63を透過しやすくなる。よって、水素分離装置51を用いて効率良く水素を分離することが可能である。   Therefore, also in the present embodiment, a space A2 (see FIG. 7) through which the gas passes is provided between the adjacent tubes 61. In addition, since the hydrogen separation device 51 has a structure in which a plurality of tubes (tubular porous supports 62) are independent of each other, the porous support 62 which is a gas passage portion can be formed relatively thin. it can. As described above, the pressure loss when the gas passes through the inside of the hydrogen separation device 51 can be reduced. As a result, when the hydrogen-containing gas passes between the inner peripheral surface 14 and the outer peripheral surface 15 of the porous support 62, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas easily permeates the hydrogen-permeable metal film 63. Therefore, it is possible to efficiently separate hydrogen using the hydrogen separation device 51.

なお、上記各実施形態を以下のように変更してもよい。   The above embodiments may be modified as follows.

・上記第1実施形態の水素分離装置1では、排気管41の上流側から供給された水素含有ガスから水素を分離し、分離した水素をチューブ11内から排気管41外に導くようになっていた。しかし、図9に示されるように、チューブ11内を供給されてきた水素含有ガスから水素を分離し、分離した水素を排気管41内(チューブ11外)に導くようにしてもよい。なお、排気管41内に導かれた水素は、排気管41の上流側から流れてきた排気ガスと反応し、排気ガス中のNOxを浄化させる。   In the hydrogen separator 1 of the first embodiment, hydrogen is separated from the hydrogen-containing gas supplied from the upstream side of the exhaust pipe 41, and the separated hydrogen is guided from the inside of the tube 11 to the outside of the exhaust pipe 41. Was. However, as shown in FIG. 9, hydrogen may be separated from the hydrogen-containing gas supplied in the tube 11 and the separated hydrogen may be introduced into the exhaust pipe 41 (outside the tube 11). The hydrogen introduced into the exhaust pipe 41 reacts with the exhaust gas flowing from the upstream side of the exhaust pipe 41 to purify NOx in the exhaust gas.

同様に、上記第2実施形態の水素分離装置51では、排気管91の上流側から供給された水素含有ガスから水素を分離し、分離した水素をチューブ61内から排気管91外に導くようになっていた。しかし、図10に示されるように、チューブ61内を供給されてきた水素含有ガスから水素を分離し、分離した水素を排気管91内(チューブ61外)に導くようにしてもよい。なお、排気管91内に導かれた水素は、排気管91の上流側から流れてきた排気ガスと反応し、排気ガス中のNOxを浄化させる。   Similarly, in the hydrogen separation device 51 of the second embodiment, hydrogen is separated from the hydrogen-containing gas supplied from the upstream side of the exhaust pipe 91, and the separated hydrogen is guided from the inside of the tube 61 to the outside of the exhaust pipe 91. Had become. However, as shown in FIG. 10, hydrogen may be separated from the hydrogen-containing gas supplied in the tube 61, and the separated hydrogen may be introduced into the exhaust pipe 91 (outside the tube 61). The hydrogen introduced into the exhaust pipe 91 reacts with the exhaust gas flowing from the upstream side of the exhaust pipe 91 to purify NOx in the exhaust gas.

・上記第1実施形態の水素分離装置1は、複数のチューブ11が一直線上に配置された保持部材21,22(集積体10)を、縦方向に3段積層することにより構成されていた。しかし、図11に示されるように、保持部材101,102(集積体103)を横方向に複数段(ここでは2段)積層することにより、水素分離装置100を構成してもよい。なお、横方向に隣接する保持部材101,102は、シール材104を介して互いに接合される。さらに、保持部材(集積体)を、縦方向に複数段(例えば3段)積層するとともに、横方向に複数段(例えば2段)積層することにより、水素分離装置を構成してもよい。   -The hydrogen separation device 1 of the first embodiment is configured by vertically stacking three holding members 21 and 22 (integrated body 10) in which a plurality of tubes 11 are arranged in a straight line. However, as shown in FIG. 11, the hydrogen separating apparatus 100 may be configured by laminating the holding members 101 and 102 (integrated body 103) in a plurality of stages (here, two stages) in the lateral direction. The holding members 101 and 102 adjacent to each other in the lateral direction are joined to each other via a sealing material 104. Further, the hydrogen separating apparatus may be configured by stacking a plurality of holding members (stacks) in the vertical direction (for example, three steps) and stacking a plurality of layers (for example, two steps) in the horizontal direction.

また、図12に示されるように、保持部材111,112(集積体113)を奥行方向に複数段(ここでは2段)積層することにより、水素分離装置110を構成してもよい。さらに、保持部材(集積体)を、縦方向に複数段(例えば3段)積層するとともに、奥行方向に複数段(例えば2段)積層することにより、水素分離装置を構成してもよい。また、保持部材(集積体)を、横方向に複数段(例えば2段)積層するとともに、奥行方向に複数段(例えば2段)積層することにより、水素分離装置を構成してもよい。また、図13に示されるように、保持部材121,122(集積体123)を、縦方向に複数段(ここでは3段)積層し、奥行方向に複数段(ここでは2段)積層し、横方向に複数段(ここでは2段)積層することにより、水素分離装置120を構成してもよい。   In addition, as shown in FIG. 12, the hydrogen separating apparatus 110 may be configured by stacking a plurality of (here, two) stages of the holding members 111 and 112 (the integrated body 113) in the depth direction. Furthermore, the hydrogen separating apparatus may be configured by stacking a plurality of holding members (accumulated bodies) in the vertical direction (for example, three stages) and stacking a plurality of stages (for example, two stages) in the depth direction. Further, the hydrogen separating apparatus may be configured by stacking a plurality of holding members (accumulated bodies) in the horizontal direction (for example, two steps) and stacking a plurality of layers (for example, two steps) in the depth direction. As shown in FIG. 13, the holding members 121 and 122 (stack 123) are stacked in a plurality of stages (here, three stages) in the vertical direction, and a plurality of stages (here, two stages) are stacked in the depth direction. The hydrogen separation device 120 may be configured by laminating a plurality of stages (here, two stages) in the lateral direction.

・上記第2実施形態の水素分離装置51は、複数のチューブ61が一直線上に配置された保持部材71(集積体60)を、縦方向に3段積層することにより形成されていた。しかし、図14に示されるように、保持部材131(集積体132)を横方向に複数段(ここでは2段)積層することにより、水素分離装置130を構成してもよい。さらに、保持部材(集積体)を、縦方向に複数段(例えば3段)積層するとともに、横方向に複数段(例えば2段)積層することにより、水素分離装置を構成してもよい。   -The hydrogen separation device 51 of the second embodiment is formed by vertically stacking three holding members 71 (stacks 60) in each of which a plurality of tubes 61 are arranged in a straight line. However, as shown in FIG. 14, the hydrogen separating apparatus 130 may be configured by laminating a plurality of (here, two) stages of the holding member 131 (the integrated body 132) in the lateral direction. Furthermore, the hydrogen separating apparatus may be configured by stacking a plurality of (eg, three) holding members (stacks) in the vertical direction and stacking a plurality of (eg, two) stages in the horizontal direction.

・図15,図16の水素分離装置140に示されるように、それぞれの保持部材141,142(集積体143)において、隣接する2つのチューブ144(水素分離体)を接続するための折り返し流路145(接続流路)を備えていてもよい。このようにした場合、それぞれの保持部材141,142において、一端(図16では左端)に位置するチューブ144の貫通孔146の開口端部がガスの入口となり、他端(図16では右端)に位置するチューブ144の貫通孔146の開口端部がガスの出口となる。なお、図17に示されるように、上記の保持部材141,142に箱状のカバー部材147を取り付けることにより、カバー部材147の内部に折り返し流路145を収容してもよい。   -As shown in the hydrogen separation device 140 of Figs. 15 and 16, in each of the holding members 141 and 142 (the integrated body 143), a return flow path for connecting two adjacent tubes 144 (hydrogen separated bodies). 145 (connection flow path) may be provided. In this case, in each of the holding members 141 and 142, the opening end of the through hole 146 of the tube 144 located at one end (the left end in FIG. 16) serves as a gas inlet, and the other end (the right end in FIG. 16). The open end of the through hole 146 of the tube 144 located serves as a gas outlet. In addition, as shown in FIG. 17, the return channel 145 may be accommodated inside the cover member 147 by attaching a box-shaped cover member 147 to the holding members 141 and 142.

・上記各実施形態の水素分離装置1,51は、自動車の排気管41,91に設置される水素分離装置であったが、自動車の他の部分に設置される水素分離装置であってもよい。また、上記各実施形態の水素分離装置1,51を、水素透過性金属膜を用いて水素含有ガスから水素を分離し、分離した水素を所定の反応系に供給して還元反応を生じさせるリアクターとして用いてもよい。   The hydrogen separators 1 and 51 of the above embodiments are the hydrogen separators installed in the exhaust pipes 41 and 91 of the automobile, but may be the hydrogen separators installed in other parts of the automobile. . In addition, the hydrogen separation apparatuses 1 and 51 of the above embodiments are separated from the hydrogen-containing gas by using a hydrogen-permeable metal membrane, and the separated hydrogen is supplied to a predetermined reaction system to cause a reduction reaction. May be used.

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。   Next, in addition to the technical ideas described in the claims, technical ideas grasped by the above-described embodiments will be listed below.

(1)上記手段1において、前記シール材は、ガラス、ガラスセラミック、結晶化ガラス、ガラスとセラミックとの複合材のうち少なくとも1つの材料を含むことを特徴とする水素分離装置。   (1) The hydrogen separator according to the above aspect 1, wherein the sealing material includes at least one of glass, glass ceramic, crystallized glass, and a composite material of glass and ceramic.

(2)上記手段1において、前記水素透過性金属膜は、前記多孔質支持体の外周面の上に形成された表面膜であることを特徴とする水素分離装置。   (2) In the above-mentioned means 1, the hydrogen permeable metal membrane is a surface membrane formed on an outer peripheral surface of the porous support.

(3)上記手段1において、前記水素透過性金属膜は、前記多孔質支持体の中央部に形成されることを特徴とする水素分離装置。   (3) In the above-mentioned means 1, the hydrogen permeable metal membrane is formed at a central portion of the porous support.

(4)上記手段1において、前記シール材は、前記保持部材と前記多孔質支持体の端部とを覆うことを特徴とする水素分離装置。   (4) The hydrogen separating apparatus according to the above (1), wherein the sealing member covers the holding member and an end of the porous support.

1,51,100,110,120,130,140…水素分離装置
11,61,144…水素分離体としてのチューブ
12,62…多孔質支持体
13,63…水素透過性金属膜
14…多孔質支持体の内周面
15…多孔質支持体の外周面
21,22,71,101,102,111,112,121,122,131,141,142…保持部材
27,77…保持凹部
31,104…シール材
145…接続流路としての折り返し流路
A1,A2…空間
1, 51, 100, 110, 120, 130, 140 ... hydrogen separators 11, 61, 144 ... tubes 12 and 62 as hydrogen separators ... porous supports 13 and 63 ... hydrogen-permeable metal membranes 14 ... porous Inner peripheral surface 15 of support: outer peripheral surface 21, 22, 71, 101, 102, 111, 112, 121, 122, 131, 141, 142 of porous support: holding members 27, 77: holding recesses 31, 104 ... seal material 145 ... folded flow paths A1, A2 ... space as connection flow paths

Claims (5)

筒状の多孔質支持体に水素透過性金属膜を形成した複数の水素分離体と、
隣接する前記水素分離体間にガスが通過する空間を有するように前記複数の水素分離体同士を互いに離間させた状態で、前記複数の水素分離体の少なくとも一方の端部を保持する保持部材と
を備え、
前記保持部材は、上面に凹部を有し、前記凹部の内底面に前記水素分離体の端部を保持する複数の保持凹部を備え、
前記複数の水素分離体は、前記多孔質支持体の内周面と外周面との間での前記ガスの通過を不能にするシール材を介して前記保持部材に接合され、
前記複数の水素分離体が一直線上に配置された前記保持部材を複数積層してなる
ことを特徴とする水素分離装置。
A plurality of hydrogen separators formed with a hydrogen-permeable metal membrane on a cylindrical porous support,
A holding member that holds at least one end of the plurality of hydrogen separators in a state where the plurality of hydrogen separators are separated from each other so as to have a space through which gas passes between the adjacent hydrogen separators. With
The holding member includes a plurality of holding recesses having a recess on an upper surface, and holding an end of the hydrogen separator on an inner bottom surface of the recess.
The plurality of hydrogen separators are joined to the holding member via a sealing material that prevents passage of the gas between the inner peripheral surface and the outer peripheral surface of the porous support,
A hydrogen separation device comprising a plurality of the holding members in which the plurality of hydrogen separators are arranged on a straight line.
前記多孔質支持体及び前記保持部材はセラミックからなり、前記シール材はガラスを含む無機材料からなることを特徴とする請求項1に記載の水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 1, wherein the porous support and the holding member are made of ceramic, and the sealing material is made of an inorganic material including glass. 隣接する前記保持部材同士が、前記シール材を介して互いに接合されることを特徴とする請求項1または2に記載の水素分離装置。   3. The hydrogen separation device according to claim 1, wherein the adjacent holding members are joined to each other via the sealing material. 4. 2つ以上の前記水素分離体を接続するための接続流路を備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の水素分離装置。   The hydrogen separation device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a connection flow path for connecting two or more hydrogen separation bodies. 前記複数の水素分離体が一直線上に配置された複数の前記保持部材は、縦方向、横方向及び奥行方向のうち少なくともいずれか一方に積層されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の水素分離装置。   The plurality of holding members in which the plurality of hydrogen separators are arranged in a straight line are stacked in at least one of a vertical direction, a horizontal direction, and a depth direction. The hydrogen separation device according to claim 1.
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