JP7307868B2 - 水素分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、水素含有の混合ガスから水素を分離する技術に関する。

水素透過膜を用いて水素含有の混合ガスから水素を分離する技術が知られている。例えば特許文献１には、水素を透過する非バナジウム系金属又は非バナジウム系金属の合金により形成された水素透過膜を用いて水素含有の混合ガスである原料気体から水素を分離する水素分離装置が記載されている。

特開２０１９－５６８４号公報

水素分離装置の利用用途の一つとしては、コンビナートから排出された副生ガスから水素を回収することが考えられる。このような用途での使用を実現するために、水素分離装置による単位時間当たりの水素収集量を増やすことが望まれている。単位時間当たりの水素収集量を増やす方法としては、例えば水素透過膜の枚数を複数枚とすることが考えられる。しかし、水素透過膜の枚数を複数枚とする場合には、気密性に加え、各膜への水素含有の混合ガスの流入経路、分離した水素の収集経路、残りのガスの排出経路等の流路形成が問題となることがある。
本発明は、複数枚の水素透過膜を備えた場合であっても、流路形成が問題とならず、単位時間当たりの水素収集量を増やすことを目的とする。

本発明は、互いに分離された収容室と収集室とを有する筐体と、前記筐体に形成され、水素を含む混合ガスを前記筐体外から流入させる流入口と、前記収容室に収容され、それぞれ水素透過膜を有し、前記混合ガスから水素を分離する複数の膜モジュールと、前記筐体に形成され、前記混合ガスのうち前記分離された水素以外のガスを前記筐体外に流出させる第１の流出口と、前記筐体に形成され、前記複数の膜モジュールから前記収集室に収集された前記分離された水素を前記筐体外に流出させる第２の流出口とを備える水素分離装置を提供する。
ここで、膜モジュールとは、１枚の水素透過膜を組みことで、混合ガスから水素を分離することができる機能を有するものである。収容室とは、複数の膜モジュールを納める空間であると共に、水素含有の混合ガスが流入する空間である。収集室とは、膜モジュールにより分離された水素が流れ込む空間である。

前記複数の膜モジュールは、第１の方向に沿って間隔を空けて互いに違いに配置され、前記収集室は、前記筐体の内部において前記第１の方向と交わる第２の方向の端部に設けられてもよい。
ここで、互い違いに配置とは、例えば一つの膜モジュールが一側面に接したら、隣接する膜モジュールが他方の側面に接するような配置を示す。

前記複数の膜モジュールは、第１の方向に沿って並べられ、前記複数の膜モジュールに含まれる膜モジュールの組は、互いに対向するように配置され、前記筐体は、前記収容室及び前記収集室から分離された供給室をさらに有し、前記供給室は、前記筐体の内部において前記第１の方向と交わる第２の方向の一方の端部に設けられ、前記流入口は、前記混合ガスを前記供給室に流入させ、前記供給室内の前記混合ガスを前記膜モジュールの組の間に噴出する噴出部をさらに備え、前記収集室は、前記筐体の内部において前記第２の方向の他方の端部に設けられてもよい。
ここで、供給室とは、水素含有の混合ガスが流入する空間である。噴出部とは、供給室から供給された水素含有の混合ガスを噴出するノズルのことである。

前記筐体は、前記収容室及び前記収集室から分離された供給室と排出室とをさらに有し、前記供給室及び前記排出室は、前記筐体の内部において第１の方向の一方の端部に設けられ、前記第１の方向と交わる第２の方向に沿って並べて配置され、前記収集室は、前記筐体の内部において前記第１の方向の他方の端部に設けられ、前記複数の膜モジュールは、前記筐体の中心と対向し、それぞれ前記収容室において前記第１の方向の前記収集室側の端部、前記第２の方向の一方の端部及び他方の端部、前記第１の方向及び前記第２の方向と交わる第３の方向の一方の端部及び他方の端部に配置され、前記流入口は、前記混合ガスを前記供給室に流入させ、前記収容室に設けられ、前記供給室内の前記混合ガスを前記複数の膜モジュールの間に噴出する噴出部をさらに備え、前記第１の流出口は、前記収集室から貫通孔を介して前記排出室に流通した前記ガスを流出させてもよい。
ここで、排出室とは、混合ガスから水素を分離した残りのガス（ブリードガス）が流入する空間である。流入口とは、筐体外から筐体内に水素含有の混合ガスが流入する箇所である。

前記収集室は、筒状の形状をしており、前記筐体の中心部に設けられ、前記複数の膜モジュールは、前記収集室の周りに設けられ、前記収集室を中心とした螺旋に沿って配置されてもよい。
ここで、螺旋に沿って配置とは、例えば渦巻き型の配置を示す。

前記筐体は、第１の貫通孔が形成された第１のフランジ付きの第１の蓋部と、第２の貫通孔が形成された第２のフランジ付きの第２の蓋部と、複数の本体部とを含み、前記複数の本体部は、それぞれ両端が開口する中空の筒状の形状をしており、前記複数の本体部と前記複数の膜モジュールとは交互に配置され、前記複数の膜モジュールは、膜モジュールの組を含み、前記膜モジュールの組は、互いに対向し、前記複数の本体部に含まれる第１の本体部の挟むように配置され、前記第１の蓋部及び前記第２の蓋部は、前記複数の本体部及び前記複数の膜モジュールを挟むように配置され、前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔に挿入され、前記第１の蓋部、前記第２の蓋部、前記複数の本体部、及び前記複数の膜モジュールを締め付けて結合させる締結部材をさらに備え、前記収容室は、前記第１の本体部と前記膜モジュールの組とにより形成され、前記収集室は、前記複数の本体部のうち前記第１の本体部以外の第２の本体部と、前記複数の膜モジュールのうち前記第２の本体部を挟む２つの膜モジュールとにより形成され、前記流入口は、前記第１の本体部の側面に形成され、前記第１の流出口は、前記第１の本体部の側面に形成され、前記第２の流出口は、前記第２の本体部の側面に形成されてもよい。

また、本発明は、互いに分離された収容室と収集室とを有する筐体と、前記筐体に形成され、水素を含む混合ガスを前記筐体外から流入させる流入口と、前記収容室に収容され、それぞれ水素透過膜を有し、前記混合ガスから水素を分離する複数の膜モジュールと、前記筐体に形成され、前記混合ガスのうち前記分離された水素以外のガスを前記筐体外に流出させる第１の流出口と、前記筐体に形成され、前記複数の膜モジュールから前記収集室に収集された前記分離された水素を前記筐体外に流出させる第２の流出口と備え、前記収集室が、単一のものであることを特徴とする、水素分離装置を提供する。

前記水素透過膜は、バナジウムにより形成されてもよい。
ここで、水素透過膜は、水素を実用的に透過する金属により形成することができ、例えば、純バナジウムにより形成することができる。

本発明によれば、流路形成が問題とならず、単位時間当たりの水素収集量を増やすことができる。

第１実施形態に係る水素分離装置１００の一例を示す斜視図である。 図１に示す水素分離装置１００を図１中の矢印で示す方向から見たＩ－Ｉ断面図である。 膜モジュール１２０の一例を示す斜視図である。 膜モジュール１２０の一例を示す分解斜視図である。 水素透過膜１２１の一例を示す平面図である。 図５に示す水素透過膜１２１を図５中の矢印で示す方向から見たＩＩ－ＩＩ断面図である。 支持体１２５の一例を示す平面図である。 図７に示す支持体１２５を図７中の矢印で示す方向から見たＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。 枠体１２６の一例を示す平面図である。 図９に示す枠体１２６を図９中の矢印で示す方向から見たＩＶ－ＩＶ断面図である。 混合ガスから水素を分離する方法の一例を説明する図である。 第２実施形態に係る水素分離装置２００の一例を示す斜視図である。 図１２に示す水素分離装置２００を図１２中の矢印で示す方向から見たＶ－Ｖ断面図である。 図１３に示す水素分離装置２００を図１３中の矢印で示す方向から見たＶＩ－ＶＩ断面図である。 第３実施形態に係る水素分離装置３００の一例を示す斜視図である。 図１５に示す水素分離装置３００を図１５中の矢印で示す方向から見たＶＩＩ－ＶＩＩ断面図である。 図１６に示す水素分離装置３００を図１６中の矢印で示す方向から見たＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。 第４実施形態に係る水素分離装置４００の一例を示す斜視図である。 第５実施形態に係る水素分離装置５００の一例を示す斜視図である。 変形例に係る水素分離装置６００の一例を示す斜視図である。 図２０に示す水素分離装置６００を図２０中の矢印で示す方向から見たＩＸ－ＩＸ断面図である。 図２０に示す水素分離装置６００を図２０中の矢印で示す方向から見たＸ－Ｘ断面図である。

以下、図面を参照して本発明の第１実施形態～第５実施形態を説明する。なお、図面においては、発明を理解し易いように、実際の寸法、形状、それらの比率とは異なる場合がある。また、図面に示すｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向は、互いに直交する方向である。－ｘ軸方向、－ｙ軸方向、及び－ｚ軸方向は、それぞれｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向と反対の方向である。なお、以下の説明では、これらの軸方向の先端側の位置を、単に軸方向の位置という。

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る水素分離装置１００の一例を示す斜視図である。図２は、図１に示す水素分離装置１００を図１中の矢印で示す方向から見たＩ－Ｉ断面図である。なお、図１及び２では、混合ガスの流路Ｒ１を実線の矢印で示し、水素の流路を破線の矢印で示す。水素分離装置１００は、膜分離方式により混合ガスから水素を分離する。この混合ガスには、例えば副生ガスが用いられてもよい。水素分離装置１００は、筐体１１０と、５つの膜モジュール１２０ａ～１２０ｅ（総称して「膜モジュール１２０」ともいう。）と、供給管１３０と、排出管１４０と、収集管１５０ａ及び１５０ｂ（総称して「収集管１５０」ともいう。）とを備える。

筐体１１０は、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅを収容する。筐体１１０は、直方体の形状をしている。筐体１１０は、正面１１０ａと、背面１１０ｂと、底面１１０ｃと、上面１１０ｄと、側面１１０ｅと、側面１１０ｆとを有する。正面１１０ａと背面１１０ｂ、底面１１０ｃと上面１１０ｄ、側面１１０ｅと側面１１０ｆとは、それぞれ互いに対向する。これらの面において隣り合う面は互いに略直交する。なお、ここでは、説明の便宜上、「正面」、「背面」、「底面」、「上面」、「側面」という用語が用いられているが、水素分離装置１００は、いずれの面を鉛直方向の下側にして使用されてもよい。

膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、混合ガスから水素を分離する。供給管１３０は、水素を含む混合ガスを供給するのに用いられる。排出管１４０は、混合ガスのうち膜モジュール１２０ａ～１２０ｅにより分離された水素以外のガスを排出するのに用いられる。収集管１５０ａ及び１５０ｂは、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅにより分離された水素を収集するのに用いられる。

筐体１１０は内部に、互いに分離された収容室１１１と収集室１１２ａ及び１１２ｂとを有する。収集室１１２ａは、ｚ軸方向（第２の方向の一例）の端部（一端の一例）に設けられる。収集室１１２ｂは、－ｚ軸方向の端部（第２の方向の他方の端部の一例）に設けられる。収容室１１１は、収集室１１２ａと収集室１１２ｂとの間に設けられる。

筐体１１０の内部には、筐体１１０の内部を収集室１１２ａとそれ以外の空間とに仕切る仕切り板１６１ａが設けられる。仕切り板１６１ａは、筐体１１０の内部の中心よりも上面１１０ｄに近い位置に設けられる。仕切り板１６１ａは、矩形の形状をしている。仕切り板１６１ａは、底面１１０ｃ及び上面１１０ｄと略平行に延びる。仕切り板１６１ａの－ｘ軸方向の端部は側面１１０ｅに接し、ｘ軸方向の端部は側面１１０ｆに接する。仕切り板１６１ａ、上面１１０ｄ、側面１１０ｅ、及び側面１１０ｆにより収集室１１２ａが形成される。

仕切り板１６１ｂは、筐体１１０の内部を収集室１１２ｂとそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板１６１ｂは、筐体１１０の内部の中心より底面１１０ｃに近い位置に設けられる。仕切り板１６１ｂは、矩形の形状をしている。仕切り板１６１ｂは、底面１１０ｃ及び上面１１０ｄと略平行に延びる。仕切り板１６１ｂの－ｘ軸方向の端部は側面１１０ｅに接し、ｘ軸方向の端部は側面１１０ｆに接する。仕切り板１６１ｂ、底面１１０ｃ、側面１１０ｅ、及び側面１１０ｆにより収集室１１２ｂが形成される。また、仕切り板１６１ａ、仕切り板１６１ｂ、側面１１０ｅ、及び側面１１０ｆにより収容室１１１が形成される。

収容室１１１には、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅが収容される。膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、筐体１１０の内部に流路Ｒ１が形成されるように配置される。流路Ｒ１は、－ｚ軸方向に進み、収容室１１１の－ｚ軸方向の端部で折り返した後、ｚ軸方向に進み、収容室１１１のｚ軸方向の端部で折り返すのを繰り返しながら、ｘ軸方向に進む。膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、ｘ軸方向（第１の方向の一例）に沿って間隔を空けて互い違いに配置される。膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、いずれも－ｘ軸方向を向くように設けられる。膜モジュール１２０ａ～１２０ｅの間隔は、全て同じであってもよいし、少なくとも１つが異なっていてもよい。膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅのｚ軸方向の端部は仕切り板１６１ａに接し、－ｚ軸方向の端部は仕切り板１６１ｂから離隔されている。膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄの－ｚ軸方向の端部は仕切り板１６１ｂに接し、ｚ軸方向の端部は仕切り板１６１ａから離隔されている。膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、ｘ軸方向に沿って見たときに一つ前又は後ろの膜モジュール１２０と一部が重なっている。すなわち、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、ｘ軸方向に沿って見たときに一つ前又は後ろの膜モジュール１２０と一部が重なっていない。

また、収容室１１１には、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅと正面１１０ａとの隙間からガスが流通するのを妨げるために、閉塞板１６２ａ～１６２ｅが設けられている。閉塞板１６２ａ～１６２ｅは、それぞれ膜モジュール１２０ａと１２０ｂとの間、膜モジュール１２０ｂと１２０ｃとの間、膜モジュール１２０ｃと１２０ｄとの間、膜モジュール１２０ｄと１２０ｅとの間、及び膜モジュール１２０ｅと側面１１０ｆとの間に設けられる。閉塞板１６２ａ～１６２ｅは、矩形の形状をしている。閉塞板１６２ａ～１６２ｅの－ｙ軸方向の端部は正面１１０ａに接する。ただし、流路Ｒ１を妨げないように、閉塞板１６２ａ、１６２ｃ、及び１６２ｅの－ｚ軸方向の端部は、上述した膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅと同様に、仕切り板１６１ｂから離隔されている。また、閉塞板１６２ｂ及び１６２ｄのｚ軸方向の端部は、上述した膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄと同様に、仕切り板１６１ａから離隔されている。

側面１１０ｅの中央部には、供給管１３０により供給された混合ガスを収容室１１１に流入させる流入口１１５が形成されている。流入口１１５には、供給管１３０が接続されている。流入口１１５は、側面１１０ｅを貫通し、収容室１１１と供給管１３０とを連通させる。供給管１３０により供給された混合ガスは、流入口１１５を介して収容室１１１に流入する。

側面１１０ｆの中央部には、収容室１１１内の残りのガスを排出管１４０に流出させる流出口１１６（第１の流出口の一例）が形成されている。流出口１１６には、排出管１４０が接続されている。流出口１１６は、側面１１０ｆを貫通し、収容室１１１と排出管１４０とを連通させる。収容室１１１内の残りのガスは、流出口１１６を介して排出管１４０に流出する。

収集室１１２ａには、膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅにより分離された水素が収集される。仕切り板１６１ａには、膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅにより分離された水素を収集室１１２ａに収集するために、流通口１６３ａ、１６３ｃ、及び１６３ｅが形成されている。流通口１６３ａ、１６３ｃ、及び１６３ｅは、仕切り板１６１ａを貫通する。流通口１６３ａ、１６３ｃ、及び１６３ｅには、それぞれ膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅが接続されている。これにより、膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅの内部と収集室１１２ａとが連通する。膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール１２０ａ、１２０ｃ、及び１２０ｅの内部を通り、流通口１６３ａ、１６３ｃ、及び１６３ｅを介して収集室１１２ａに移動する。

収集室１１２ｂには、膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄにより分離された水素が収集される。仕切り板１６１ｂには、膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄにより分離された水素を収集室１１２ｂに収集するために、流通口１６３ｂ及び１６３ｄが形成されている。流通口１６３ｂ及び１６３ｄは、仕切り板１６１ｂを貫通する。流通口１６３ｂ及び１６３ｄには、膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄが接続されている。これにより、膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄの内部と収集室１１２ｂとが連通する。膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄにより分離された水素は、膜モジュール１２０ｂ及び１２０ｄの内部を通り、流通口１６３ｂ及び１６３ｄを介して収集室１１２ｂに移動する。

側面１１０ｆにおいてｚ軸方向の端部及び－ｚ軸方向の端部には、それぞれ収集室１１２ａ及び１１２ｂ内の水素を収集管１５０ａ及び１５０ｂに流出させる流出口１１７ａ及び１１７ｂ（第２の流出口の一例）が形成されている。流出口１１７ａ及び１１７ｂには、それぞれ収集管１５０ａ及び１５０ｂが接続されている。流出口１１７ａは、側面１１０ｆを貫通し、収集室１１２ａと収集管１５０ａとを連通させる。流出口１１７ｂは、側面１１０ｆを貫通し、収集室１１２ｂと収集管１５０ｂとを連通させる。収集室１１２ａ及び１１２ｂ内の水素は、それぞれ流出口１１７ａ及び１１７ｂを介して収集管１５０ａ及び１５０ｂに流出する。

図３は、膜モジュール１２０の一例を示す斜視図である。図４は、膜モジュール１２０の一例を示す分解斜視図である。膜モジュール１２０は、水素透過膜１２１と、ステンレス鋼繊維体１２２と、メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂと、パンチングプレート１２４と、支持体１２５と、枠体１２６とを有する。

図５は、水素透過膜１２１の一例を示す平面図である。図６は、図５に示す水素透過膜１２１を図５中の矢印で示す方向から見たＩＩ－ＩＩ断面図である。水素透過膜１２１は、混合ガスから水素だけを選択的に透過させる金属の膜である。水素透過膜１２１は、例えば純バナジウムにより形成されている。水素透過膜１２１は、円板状の形状をしている。なお、以下の説明では、水素透過膜１２１において混合ガスが接触する側を一次側といい、水素が透過する側を二次側という。

ステンレス鋼繊維体１２２は、水素透過膜１２１に付加される応力を吸収する。ステンレス鋼繊維体１２２は、衝撃吸収性がある素材で形成されている。ステンレス鋼繊維体１２２は、円板状の形状をしている。ステンレス鋼繊維体１２２の直径は、水素透過膜１２１において混合ガスが接触する領域（以下、「有効領域」という。）の直径より大きく、水素透過膜１２１の直径以下である。

メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂは、水素透過膜１２１を透過した水素を密封する。メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂは、環状の形状をしている。メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂは、例えば銅により形成されている。メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂの直径は、水素透過膜１２１の直径と略同一である。メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂの内径は、水素透過膜１２１の有効領域の直径以上である。

パンチングプレート１２４は、水素透過膜１２１を保持する。パンチングプレート１２４は、金属等の剛性のある素材により形成されている。パンチングプレート１２４は、円板状の形状をしている。パンチングプレート１２４の直径は、水素透過膜１２１の直径より小さく、水素透過膜１２１の有効領域の直径以上である。パンチングプレート１２４の表面には、水素透過膜１２１を透過した水素を流通させる複数の貫通孔１８１が形成されている。なお、貫通孔１８１の形状及び数は、図４に示す例に限定されず、どのような形状及び数であってもよい。パンチングプレート１２４の表面は、ステンレス鋼繊維体１２２を介して水素透過膜１２１を支持する。これにより、水素透過膜１２１の形状が保たれる。

図７は、支持体１２５の一例を示す平面図である。図８は、図７に示す支持体１２５を図７中の矢印で示す方向から見たＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。支持体１２５は、水素透過膜１２１、ステンレス鋼繊維体１２２、メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂ、及びパンチングプレート１２４を支持する。支持体１２５は、扁平な円柱の一部を高さ方向に沿って切り取ったような形状をしている。支持体１２５の表面には、凹部１９１が形成されている。凹部１９１には、パンチングプレート１２４、メタルガスケット１２３ｂ、ステンレス鋼繊維体１２２、水素透過膜１２１、及びメタルガスケット１２３ａが順番に収容される。凹部１９１の底部は、平らな円形の底に向かって徐々に窄まっている。

凹部１９１の底部には、底から順番に段１９２及び１９３が形成されている。段１９２は、パンチングプレート１２４の周縁部を支持する。段１９２は、平面視で環状の形状をしている。段１９２の直径は、パンチングプレート１２４が収まるように定められる。段１９２の内径は、水素透過膜１２１の有効領域の直径以上である。凹部１９１には、最初にパンチングプレート１２４が収容される。パンチングプレート１２４は、段１９２に支持される。これにより、パンチングプレート１２４と凹部１９１の底との間に空間が形成される。この空間には、水素透過膜１２１により分離された水素が収容される。

段１９３は、メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂの周縁部と、水素透過膜１２１の周縁部とを支持する。段１９３は、段１９２と同様に、平面視で環状の形状をしている。段１９３の直径は、水素透過膜１２１が収まるように定められている。段１９３の幅は、メタルガスケット１２３ａ及び１２３ｂの幅以上である。段１９３の内径は、パンチングプレート１２４の直径より大きい。凹部１９１には、パンチングプレート１２４に続いて、メタルガスケット１２３ｂ、ステンレス鋼繊維体１２２、水素透過膜１２１、メタルガスケット１２３ａが順番に収容される。メタルガスケット１２３ｂ、ステンレス鋼繊維体１２２、水素透過膜１２１、及びメタルガスケット１２３ａは、段１９３に支持される。

支持体１２５の内部には、水素透過膜１２１を透過した水素を流通させるために、流路１９４が形成されている。凹部１９１の底には、流路１９４の入り口１９５が形成されている。支持体１２５の側面には、流路１９４の出口１９６が形成されている。流路１９４の出口１９６には、水素透過膜１２１を透過した水素を収集室１１２ａ又は１１２ｂに流通させるために、流通管１９７が接続されている。流通管１９７は、流通口１６３ａ～１６３ｅのいずれかに挿入される。なお、流路１９４及び流通管１９７の延びる方向及び流路１９４の出口１９６の位置は、図８に示す例に限定されず、適宜変更されてもよい。

図９は、枠体１２６の一例を示す平面図である。図１０は、図９に示す枠体１２６を図９中の矢印で示す方向から見たＩＶ－ＩＶ断面図である。枠体１２６は、水素透過膜１２１を支持体１２５に固定するために、凹部１９１に圧入される。枠体１２６の直径は、凹部１９１に嵌り合うように定められる。支持体１２５の凹部１９１に、パンチングプレート１２４、メタルガスケット１２３ｂ、ステンレス鋼繊維体１２２、水素透過膜１２１、及びメタルガスケット１２３ａが順番に収容された後、枠体１２６は凹部１９１に圧入される。枠体１２６は、中空の筒状の形状をしており、枠体１２６の中空部から水素透過膜１２１が一次側に露出する。水素透過膜１２１において枠体１２６の中空部から露出し、かつメタルガスケット１２３ａ、１２３ｂで挟み込まれていない部分が、上述した有効領域となる。

混合ガスは、水素透過膜１２１の一次側の表面に接触する。水素透過膜１２１の表面において混合ガスに含まれる水素が分離し、水素透過膜１２１を透過する。水素透過膜１２１を透過した水素は、ステンレス鋼繊維体１２２及びパンチングプレート１２４を介して、凹部１９１の底に形成された空間に移動する。そして、水素は、入り口１９５から流路１９４に移動し、流路１９４及び流通管１９７を通って収集室１１２ａ又は１１２ｂに移動する。

図１１は、混合ガスから水素を分離する方法の一例を説明する図である。まず、供給管１３０を通って送られてきた混合ガスが流入口１１５からｘ軸方向に沿って収容室１１１に流入する（ステップＳ１）。

収容室１１１に混合ガスが流入すると、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅにおいて順番に混合ガスから水素が分離される（ステップＳ２）。より詳細には、収容室１１１に流入した混合ガスは、まず膜モジュール１２０ａに到達し、膜モジュール１２０ａにおいて混合ガスから水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール１２０ａにより分離された水素以外の残りのガスは、流路Ｒ１に沿って移動して膜モジュール１２０ｂに到達し、膜モジュール１２０ｂにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール１２０ａ及び１２０ｂにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ１に沿って移動して膜モジュール１２０ｃに到達し、膜モジュール１２０ｃにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール１２０ａ～１２０ｃにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ１に沿って移動して膜モジュール１２０ｄに到達し、膜モジュール１２０ｄにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール１２０ａ～１２０ｄにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ１に沿って移動して膜モジュール１２０ｅに到達し、膜モジュール１２０ｅにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール１２０ａ～１２０ｅにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ１に沿って移動する。また、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール１２０ａ～１２０ｅの内部を通って収集室１１２ａ又は１１２ｂに移動する。

収容室１１１内の残りのガスが流出口１１６に到達すると、このガスが流出口１１６からｘ軸方向に沿って流出し、排出管１４０を通って外部に送られる（ステップＳ３）。また、収集室１１２ａ又は１１２ｂ内の水素が流出口１１７ａ又は１１７ｂに到達すると、収集室１１２ａ及び１１２ｂ内の水素がそれぞれ流出口１１７ａ及び１１７ｂからｘ軸方向に沿って流出し、収集管１５０ａ及び１５０ｂを通って外部に送られる（ステップＳ４）。なお、残りのガスの流出と水素の流出とは並行して行われてもよい。

第１実施形態によれば、流路形成が問題とならず、単位時間当たりの水素収集量を増やすことができる。仮に、単一の膜モジュール１２０だけが用いられたとすると、混合ガスに含まれる水素が全て分離されない場合がある。しかし、第１実施形態では、複数の膜モジュール１２０が用いられるため、最初の膜モジュール１２０により混合ガスに含まれる水素が全て分離されなくても、後段の膜モジュール１２０により残りの水素が分離されるため、単位時間当たりの水素収集量が増える。また、第１実施形態で説明したように膜モジュール１２０ａ～１２０ｅ、収容室１１１、収集室１１２ａ及び１１２ｂ、流入口１１５、流出口１１６、流出口１１７ａ及び１１７ｂを配置することにより、単に膜モジュール１２０ａ～１２０ｅを並列に並べた構成に比べて、水素分離装置１００の小型化が図れる。

２．第２実施形態
図１２は、第２実施形態に係る水素分離装置２００の一例を示す斜視図である。図１３は、図１２に示す水素分離装置２００を図１２中の矢印で示す方向から見たＶ－Ｖ断面図である。図１４は、図１３に示す水素分離装置２００を図１３中の矢印で示す方向から見たＶＩ－ＶＩ断面図である。なお、図１２～１４では、混合ガスの流路を実線の矢印で示し、水素の流路を破線の矢印で示す。水素分離装置２００は、筐体２１０と、４つの膜モジュール２２０ａ～２２０ｄ（総称して「膜モジュール２２０」ともいう。）と、供給管２３０と、排出管２４０と、収集管２５０とを備える。

筐体２１０は、膜モジュール２２０ａ～２２０ｄを収容する。筐体２１０は、第１実施形態で説明した筐体１１０と同様に、直方体の形状をしており、正面２１０ａと、背面２１０ｂと、底面２１０ｃと、上面２１０ｄと、側面２１０ｅと、側面２１０ｆとを有する。膜モジュール２２０ａ～２２０ｄは、第１実施形態で説明した膜モジュール１２０ａ～１２０ｅと同様の構成を有する。供給管２３０、排出管２４０、及び収集管２５０は、それぞれ第１実施形態で説明した供給管１３０、排出管１４０、及び収集管１５０ａ又は１５０ｂと同様である。

筐体２１０は内部に、互いに分離された供給室２１１と、２つの収容室２１２ａ及び２１２ｂ（総称して「収容室２１２」ともいう。）と、排出室２１３と、収集室２１４とを有する。供給室２１１は、－ｚ軸方向（第２の方向の一例）の端部（一方の端部の一例）に設けられる。排出室２１３は、ｙ軸方向の端部に設けられる。収集室２１４は、ｚ軸方向の端部（第２の方向の他方の端部の一例）に設けられる。収容室２１２ａ及び２１２ｂは、供給室２１１と収集室２１４との間に設けられる。

筐体２１０の内部には、仕切り板２６１～２６４が設けられる。仕切り板２６１は、筐体２１０内の空間を供給室２１１とそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板２６１は、筐体２１０内部の中心より底面２１０ｃに近い位置に設けられる。仕切り板２６１は、矩形の形状をしており、底面２１０ｃ及び上面２１０ｄと略平行に延びる。仕切り板２６１の－ｘ軸方向の端部は側面２１０ｅに接し、ｘ軸方向の端部は側面２１０ｆに接する。仕切り板２６１、底面２１０ｃ、側面２１０ｅ、及び側面２１０ｆにより供給室２１１が形成される。

仕切り板２６２は、筐体２１０内の空間を収集室２１４とそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板２６２は、筐体２１０内部の中心より上面２１０ｄに近い位置に設けられる。仕切り板２６２は、矩形の形状をしている。仕切り板２６２は、底面２１０ｃ及び上面２１０ｄと略平行に延びる。仕切り板２６２の－ｘ軸方向の端部は側面２１０ｅに接し、ｘ軸方向の端部は側面２１０ｆに接する。仕切り板２６２、上面２１０ｄ、側面２１０ｅ、及び側面２１０ｆにより収集室２１４が形成される。

仕切り板２６３は、筐体２１０内の空間を排出室２１３とそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板２６３は、筐体２１０内部の中心より背面２１０ｂに近い位置に設けられる。仕切り板２６３は、矩形の形状をしており、正面２１０ａ及び背面２１０ｂと略平行に延びる。仕切り板２６３の－ｘ軸方向の端部は側面２１０ｅに接し、ｘ軸方向の端部は側面２１０ｆに接する。仕切り板２６３、背面２１０ｂ、側面２１０ｅ、及び側面２１０ｆにより排出室２１３が形成される。

仕切り板２６４は、筐体２１０内の空間のうち供給室２１１、排出室２１３、及び収集室２１４以外の空間を収容室２１２ａと収容室２１２ｂとに仕切る。仕切り板２６４は、側面２１０ｅと側面２１０ｆとの略中間の位置に設けられる。仕切り板２６４は、矩形の形状をしており、側面２１０ｅ及び２１０ｆと略平行に延びる。仕切り板２６４のｚ軸方向の端部は仕切り板２６２に接し、－ｚ軸方向の端部は仕切り板２６１に接する。仕切り板２６４、側面２１０ｅ、仕切り板２６１、及び仕切り板２６２により収容室２１２ａが形成される。また、仕切り板２６４、側面２１０ｆ、仕切り板２６１、及び仕切り板２６２により収容室２１２ｂが形成される。

収容室２１２ａには、膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂ（膜モジュールの組の一例）が収容される。膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂは、ｘ軸方向（第１の方向の一例）に沿って並べられる。膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂは、それぞれ収容室２１２ａの－ｘ軸方向の端部及びｘ軸方向の端部に、互いに対向するように配置される。

収容室２１２ｂには、膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄ（膜モジュールの組の一例）が収容される。膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄは、膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂと同様に、ｘ軸方向（第１の方向の一例）に沿って並べられる。膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄは、それぞれ収容室２１２ｂの－ｘ軸方向の端部及びｘ軸方向の端部に、互いに対向するように配置される。

供給室２１１には、収容室２１２ａ及び２１２ｂに供給される混合ガスが収容される。側面２１０ｅにおいて－ｚ軸方向の端部には、混合ガスを供給管２３０から供給室２１１に流入させる流入口２１５が形成されている。流入口２１５には、供給管２３０が接続されている。流入口２１５は、側面２１０ｅを貫通し、供給室２１１と供給管２３０とを連通させる。供給管２３０を通じて供給された混合ガスは、流入口２１５を介して供給室２１１に流入する。

仕切り板２６１において収容室２１２ａの中心に対応する位置には、供給室２１１内の混合ガスを収容室２１２ａに供給するために、流通口２６５ａが形成されている。仕切り板２６１において収容室２１２ｂの中心に対応する位置には、供給室２１１内の混合ガスを収容室２１２ｂに供給するために、流通口２６５ｂが形成されている。流通口２６５ａ及び２６５ｂは、仕切り板２６１を貫通する。

供給室２１１には、供給室２１１内の混合ガスを収容室２１２ａ及び２１２ｂに供給するノズル２７０ａ及び２７０ｂ（総称して「ノズル２７０」ともいう。）（噴出部の一例）が設けられている。ノズル２７０ａは、流通口２６５ａに接続されている。ノズル２７０ａは、流通口２６５ａからｚ軸方向に沿って延びる。ノズル２７０ａの先端は、収容室２１２ａの中央部に位置する。供給室２１１内の混合ガスは、ノズル２７０ａに流入し、ノズル２７０ａの先端から膜モジュール２２０ａと膜モジュール２２０ｂとの間に噴出される。ノズル２７０ａによる混合ガスの噴出方向には、ノズル２７０ａから見て膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂがある－ｘ軸方向及びｘ軸方向が含まれてもよい。

ノズル２７０ｂは、流通口２６５ｂに接続されている。ノズル２７０ｂは、流通口２６５ｂからｚ軸方向に沿って延びる。ノズル２７０ｂの先端は、収容室２１２ｂの中央部に位置する。供給室２１１内の混合ガスは、ノズル２７０ｂに流入し、ノズル２７０ｂの先端から膜モジュール２２０ｃと膜モジュール２２０ｄとの間に噴出される。ノズル２７０ｂによる混合ガスの噴出方向には、ノズル２７０ｂから見て膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄがある－ｘ軸方向及びｘ軸方向が含まれてもよい。

排出室２１３には、混合ガスのうち膜モジュール２２０ａ～２２０ｄにより水素に分離されずに残ったガスが収容される。仕切り板２６３において収容室２１２ａの中心に対応する位置には、収容室２１２ａ内の残りのガスを排出室２１３に流通させる流通口２６７ａが形成されている。仕切り板２６３において収容室２１２ｂの中心に対応する位置には、収容室２１２ｂ内の残りのガスを排出室２１３に流通させる流通口２６７ｂが形成されている。流通口２６７ａ及び２６７ｂは、仕切り板２６３を貫通する。流通口２６７ａは、収容室２１２ａと排出室２１３とを連通させる。流通口２６７ｂは、収容室２１２ｂと排出室２１３とを連通させる。収容室２１２ａ及び２１２ｂ内の残りのガスは、それぞれ流通口２６７ａ及び２６７ｂを介して排出室２１３に移動する。

側面２１０ｆにおいてｙ軸方向の端部には、排出室２１３内の残りのガスを排出管２４０に流出させる流出口２１７（第１の流出口の一例）が形成されている。流出口２１７には、排出管２４０が接続されている。流出口２１７は、側面２１０ｆを貫通し、排出室２１３と排出管２４０とを連通させる。排出室２１３内の残りのガスは、流出口２１７を介して排出管２４０に流出する。

収集室２１４には、膜モジュール２２０ａ～２２０ｄにより分離された水素が収集される。仕切り板２６２において膜モジュール２２０ａ～２２０ｄに対向する位置には、それぞれ膜モジュール２２０ａ～２２０ｄにより分離された水素を収集室２１４に収集するために、流通口２６６ａ～２６６ｄが形成されている。流通口２６６ａ～２６６ｄは、仕切り板２６２を貫通する。流通口２６６ａ～２６６ｄには、それぞれ膜モジュール２２０ａ～２２０ｄが接続されている。これにより、膜モジュール２２０ａ～２２０ｄの内部と収集室２１４とが連通する。膜モジュール２２０ａ～２２０ｄにより分離された水素は、膜モジュール２２０ａ～２２０ｄの内部を通り、流通口２６６ａ～２６６ｄを介して収集室２１４に移動する。

側面２１０ｆにおいてｚ軸方向の端部には、収集室２１４内の水素を収集管２５０に流出させる流出口２１６（第２の流出口の一例）が形成されている。流出口２１６には、収集管２５０に接続されている。流出口２１６は、側面２１０ｆを貫通し、収集室２１４と収集管２５０とを連通させる。収集室２１４内の水素は、流出口２１６を介して収集管２５０に流出する。

図１１を参照して、第２実施形態に係る混合ガスから水素を分離する方法の一例について説明する。まず、供給管２３０を通って送られてきた混合ガスが流入口２１５からｘ軸方向に沿って供給室２１１に流入する（ステップＳ１）。供給室２１１内の混合ガスは、ノズル２７０ａ及び２７０ｂにより収容室２１２ａ及び２１２ｂに噴出される。

収容室２１２ａ及び２１２ｂ内に混合ガスが噴出されると、膜モジュール２２０ａ～２２０ｄにおいて混合ガスから水素が分離される（ステップＳ２）。より詳細には、ノズル２７０ａにより噴出された混合ガスは、膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂに到達し、膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂにおいて水素が分離される。膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂの内部を通って収集室２１４に移動する。混合ガスのうち膜モジュール２２０ａ及び２２０ｂにより分離された水素以外の残りのガスは、流通口２６７ａを介して排出室２１３に移動する。一方、ノズル２７０ｂにより噴出された混合ガスは、膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄに到達し、膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄにおいて水素が分離される。膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール２２０ｃ及び２２０ｄの内部を通って収集室２１４に移動する。図１４に示すとおり、混合ガスのうち膜モジュール２３０ｃ及び２３０ｄにより分離された水素以外の残りのガスは、流通口２６７ｂを介して排出室２１３に移動する。

排出室２１３内の残りのガスが流出口２１７に到達すると、このガスが流出口２１７からｘ軸方向に沿って流出し、排出管２４０を通って外部に送られる（ステップＳ３）。収集室２１４内の水素が流出口２１６に到達すると、この水素が流出口２１６からｘ軸方向に沿って流出し、収集管２５０を通って外部に送られる（ステップＳ４）。なお、残りのガスの流出と水素の流出とは並行して行われてもよい。

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、流路形成が問題とならず、単位時間当たりの水素収集量を増やすことができる。また、第２実施形態で説明したように、膜モジュール２２０ａ～２２０ｄ、供給室２１１、収容室２１２ａ及び２１２ｂ、排出室２１３、収集室２１４、流入口２１５、流出口２１６、及び流出口２１７を配置することにより、単に膜モジュール２２０ａ～２２０ｄを並列に並べた構成に比べて、水素分離装置２００の小型化が図れる。

３．第３実施形態
図１５は、第３実施形態に係る水素分離装置３００の一例を示す斜視図である。図１６は、図１５に示す水素分離装置３００を図１５中の矢印で示す方向から見たＶＩＩ－ＶＩＩ断面図である。なお、図１５及び１６では、混合ガスの流路を実線の矢印で示し、水素の流路を破線の矢印で示す。図１７は、図１６に示す水素分離装置３００を図１６中の矢印で示す方向から見たＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ断面図である。水素分離装置３００は、筐体３１０と、５つの膜モジュール３２０ａ～３２０ｅ（総称して「膜モジュール３２０」ともいう。）と、供給管３３０と、排出管３４０ａ及び３４０ｂ（総称して「排出管３４０」ともいう。）と、収集管３５０とを備える。

筐体３１０は、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅを収容する。筐体３１０は、第１実施形態で説明した筐体１１０と同様に、直方体の形状をしており、正面３１０ａと、背面３１０ｂと、底面３１０ｃと、上面３１０ｄと、側面３１０ｅと、側面３１０ｆとを有する。膜モジュール３２０ａ～３２０ｅは、第１実施形態で説明した膜モジュール１２０ａ～１２０ｅと同様の構成を有する。供給管３３０、排出管３４０ａ及び３４０ｂ、及び収集管３５０は、それぞれ第１実施形態で説明した供給管１３０、排出管１４０、及び収集管１５０ａ、１５０ｂと同様である。

筐体３１０は内部に、互いに分離された供給室３１１と、収容室３１２と、排出室３１３ａ及び３１３ｂ（総称して「排出室３１３」ともいう。）と、収集室３１４とを有する。供給室３１１、排出室３１３ａ、及び排出室３１３ｂは、ｚ軸方向（第１の方向の一例）の端部（一方の端部の一例）に設けられる。供給室３１１、排出室３１３ａ、及び排出室３１３ｂは、筐体３１０の内部においてｙ軸方向（第２の方向の一例）に沿って並べて配置される。排出室３１３ａは、筐体３１０の内部においてｙ軸方向の端部に設けられる。排出室３１３ｂは、筐体３１０の内部において－ｙ軸方向の端部に設けられる。供給室３１１は、排出室３１３ａと排出室３１３ｂとの間に設けられる。収集室３１４は、筐体３１０の内部において－ｚ軸方向の端部（第１の方向の他方の端部の一例）に設けられる。収容室３１２は、排出室３１３ａ、排出室３１３ｂ、及び供給室３１１と収集室３１４との間に設けられる。

筐体３１０の内部には、仕切り板３６１～３６４が設けられる。仕切り板３６１は、筐体３１０内の空間を供給室３１１、排出室３１３ａ、及び排出室３１３ｂを含む上部空間とそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板３６１は、筐体３１０内部の中心より上面３１０ｄに近い位置に設けられる。仕切り板３６１は、矩形の形状をしており、底面３１０ｃ及び上面３１０ｄと略平行に延びる。仕切り板３６１のｙ軸方向の端部は側面３１０ｅに接し、－ｙ軸方向の端部は側面３１０ｆに接する。上面３１０ｄ、仕切り板３６１、側面３１０ｅ、及び側面３１０ｆにより上部空間が形成される。

仕切り板３６２は、上部空間を排出室３１３ａとそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板３６２は、上部空間の中心より側面３１０ｅに近い位置に設けられる。仕切り板３６２は、矩形の形状をしており、側面３１０ｅ及び３１０ｆと略平行に延びる。仕切り板３６２のｚ軸方向の端部は上面３１０ｄに接し、－ｚ軸方向の端部は仕切り板３６１に接する。側面３１０ｅ、仕切り板３６２、仕切り板３６１、及び上面３１０ｄにより排出室３１３ａが形成される。

仕切り板３６３は、上部空間を排出室３１３ｂとそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板３６３は、側面３１０ｆと仕切り板３６２との略中間の位置に設けられる。仕切り板３６３は、矩形の形状をしており、側面３１０ｆ及び仕切り板３６２と略平行に延びる。仕切り板３６２のｚ軸方向の端部は上面３１０ｄに接し、－ｚ軸方向の端部は仕切り板３６１に接する。側面３１０ｆ、仕切り板３６３、仕切り板３６１、及び上面３１０ｄにより排出室３１３ｂが形成される。また、仕切り板３６１～３６３及び上面３１０ｄにより供給室３１１が形成される。

仕切り板３６４は、筐体３１０内の空間を収集室３１４とそれ以外の空間とに仕切る。仕切り板３６４は、筐体３１０内部の中心より底面３１０ｃに近い位置に設けられる。仕切り板３６４は、矩形の形状をしており、底面３１０ｃ及び上面３１０ｄと略平行に延びる。仕切り板３６４のｙ軸方向の端部は側面３１０ｅに接し、－ｙ軸方向の端部は側面３１０ｆに接する。仕切り板３６４、底面３１０ｃ、側面３１０ｅ、及び側面３１０ｆにより収集室３１４が形成される。また、仕切り板３６１及び３６４、側面３１０ｅ及び３１０ｆにより収容室３１２が形成される。

収容室３１２には、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅが収容される。膜モジュール３２０ａ～３２０ｅは、筐体３１０の中心と対向するように配置される。膜モジュール３２０ａ及び３２０ｃは、収容室３１２において、それぞれ－ｘ軸方向の端部及びｘ軸方向の端部（第２の方向の一方の端部及び他方の端部の一例）に配置される。膜モジュール３２０ｂ及び３２０ｄは、収容室３１２において、それぞれ－ｙ軸方向の端部及びｙ軸方向の端部（第３の方向の一方の端部及び他方の端部の一例）に配置される。膜モジュール３２０ｅは、収容室３１２において－ｚ軸方向の端部、すなわち収集室３１４側の端部に配置される。

供給室３１１には、収容室３１２に供給される混合ガスが収容される。上面３１０ｄの中央部には、混合ガスを供給管３３０から供給室３１１に流入させる流入口３１５が形成されている。流入口３１５には、供給管３３０が接続されている。流入口３１５は、上面３１０ｄを貫通し、供給室３１１と供給管３３０とを連通させる。供給管３３０を通じて供給された混合ガスは、流入口３１５を介して供給室３１１に流入する。

仕切り板３６１において収容室３１２の中心に対応する位置には、供給室３１１内の混合ガスを収容室３１２に供給するために、流通口３６５が形成されている。流通口３６５は、仕切り板３６１を貫通する。

供給室３１１には、供給室３１１内の混合ガスを収容室３１２に供給するノズル３７０（「噴出部」の一例）が設けられている。なお、図１７では、ノズル３７０の図示が省略されている。ノズル３７０は、流通口３６５に接続されている。ノズル３７０は、流通口３６５から－ｚ軸方向に延びる。ノズル３７０の先端は、収容室３１２の中心部に位置する。供給室３１１内の混合ガスは、ノズル３７０に流入し、ノズル３７０の先端から膜モジュール３２０ａ～３２０ｅの間に噴出される。ノズル３７０による混合ガスの噴射方向には、ノズル３７０から見て膜モジュール３２０ａ～３２０ｅがある－ｘ軸方向、－ｙ軸方向、ｘ軸方向、ｙ軸方向、及び－ｚ軸方向が含まれてもよい。

排出室３１３ａ及び３１３ｂには、混合ガスのうち膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにより水素に分離されずに残ったガスが収容される。仕切り板３６１において膜モジュール３２０ｄと仕切り板３６２との間に対応する位置には、収容室３１２内の残りのガスを排出室３１３ａに流通させる流通口３６７ａ（貫通孔の一例）が形成されている。仕切り板３６１において膜モジュール３２０ｂと仕切り板３６３との間に対応する位置には、収容室３１２内の残りのガスを排出室３１３ｂに流通させる流通口３６７ｂ（貫通孔の一例）が形成されている。流通口３６７ａ及び３６７ｂは、それぞれ仕切り板３６１を貫通する。流通口３６７ａは、収容室３１２と排出室３１３ａとを連通させる。流通口３６７ｂは、収容室３１２と排出室３１３ｂとを連通させる。収容室３１２内の残りのガスは、流通口３６７ａ及び３６７ｂを介して排出室３１３ａ及び３１３ｂに移動する。

上面３１０ｄにおいてｙ軸方向の端部及び－ｙ軸方向の端部には、それぞれ排出室３１３ａ及び３１３ｂ内の残りのガスを排出管３４０ａ及び３４０ｂに流出させる流出口３１６ａ及び３１６ｂ（総称して、「流出口３１６」ともいう。）（第１の流出口の一例）が形成されている。流出口３１６ａ及び３１６ｂには、それぞれ排出管３４０ａ及び３４０ｂに接続されている。流出口３１６ａは、上面３１０ｄを貫通し、排出室３１３ａと排出管３４０ａとを連通させる。同様に、流出口３１６ｂは、上面３１０ｄを貫通し、排出室３１３ｂと排出管３４０ｂとを連通させる。排出室３１３ａ及び３１３ｂ内の残りのガスは、それぞれ流出口３１６ａ及び３１６ｂを介して排出管３４０ａ及び３４０ｂに流出する。

収集室３１４には、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにより分離された水素が収集される。仕切り板３６４において膜モジュール３２０ａ～３２０ｅに対向する位置には、それぞれ膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにより分離された水素を収集室３１４に収集するために、流通口３６６ａ～３６６ｅが形成されている。流通口３６６ａ～３６６ｅは、仕切り板３６４を貫通する。流通口３６６ａ～３６６ｅには、それぞれ膜モジュール３２０ａ～３２０ｅが接続されている。これにより、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅの内部と収集室３１４とが連通する。膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール３２０ａ～３２０ｅの内部を通り、流通口３６６ａ～３６６ｅを介して収集室３１４に移動する。

側面３１０ｆにおいて－ｚ軸方向の端部には、収集室３１４内の水素を収集管３５０に流出させる流出口３１７（第２の流出口の一例）が形成されている。流出口３１７には、収集管３５０が接続されている。流出口３１７は、側面３１０ｆを貫通し、収集室３１４と収集管３５０とを連通させる。収集室３１４内の水素は、流出口３１７を介して収集管３５０に流出する。

図１１を参照して、第３実施形態に係る混合ガスから水素を分離する方法の一例について説明する。まず、供給管３３０を通って送られてきた混合ガスが流入口３１５から－ｚ軸方向に沿って供給室３１１に流入する（ステップＳ１）。供給室３１１内の混合ガスは、ノズル３７０により収容室３１２に噴出される。

混合ガスが収容室３１２に噴出されると、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにおいて混合ガスから水素が分離される（ステップＳ２）。より詳細には、ノズル３７０により噴出された混合ガスは、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅに到達し、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにおいて水素が分離される。膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにより分離された水素は、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅの内部を通って収集室３１４に移動する。混合ガスのうち膜モジュール３２０ａ～３２０ｅにより分離された水素以外の残りのガスは、流通口３６７ａ及び３６７ｂを介して排出室３１３ａ及び３１３ｂに移動する。

排出室３１３ａ及び３１３ｂ内の残りのガスが流出口３１６ａ及び３１６ｂに到達すると、このガスが流出口３１６ａ及び３１６ｂからｚ軸方向に沿って流出し、排出管３４０ａ及び３４０ｂを通って外部に送られる（ステップＳ３）。収集室３１４内の水素が流出口３１７に到達すると、収集室３１４内の水素が流出口３１７から－ｙ軸方向に沿って流出し、収集管３５０を通って外部に送られる（ステップＳ４）。なお、残りのガスの流出と水素の流出とは並行して行われてもよい。

第３実施形態によれば、第１実施形態と同様に、流路形成が問題とならず、単位時間当たりの水素収集量を増やすことができる。また、第３実施形態で説明したように、膜モジュール３２０ａ～３２０ｅ、供給室３１１、収容室３１２、排出室３１３ａ及び３１３ｂ、収集室３１４、流入口３１５、流出口３１６ａ及び３１６ｂ、流出口３１７を配置することにより、単に膜モジュール３２０ａ～３２０ｅを並列に並べた構成に比べて、水素分離装置３００の小型化が図れる。

４．第４実施形態
図１８は、第４実施形態に係る水素分離装置４００の一例を示す斜視図である。なお、図１８では、混合ガスの流路Ｒ２を実線の矢印で示し、水素の流路を破線の矢印で示す。また、図１８に示す円の中に黒の円が描かれた記号は、紙面奥側から手前に向かう矢印（ｙ軸方向）を表す。水素分離装置４００は、筐体４１０と、５つの膜モジュール４２０ａ～４２０ｈ（総称して「膜モジュール４２０」ともいう。）と、供給管４３０と、収集管４４０と、排出管４５０とを備える。

筐体４１０は、膜モジュール４２０ａ～４２０ｈを収容する。筐体４１０は、両端が閉じた中空の筒状の形状をしている。筐体４１０は、底面４１０ａ及び４１０ｂと、側面４１０ｃとを有する。底面４１０ａと底面４１０ｂとは、互いに対向する。底面４１０ａ及び４１０ｂと側面４１０ｃとは互いに交わる。

膜モジュール４２０ａ～４２０ｈは、第１実施形態で説明した膜モジュール１２０ａ～１２０ｅと同様の構成を有する。供給管４３０、収集管４４０、及び排出管４５０は、それぞれ第１実施形態で説明した供給管１３０、収集管１５０ａ又は１５０ｂ、及び排出管１４０と同様である。

筐体４１０は内部に、互いに分離された収容室４１１と、収集室４１２とを有する。収集室４１２は、筒状の形状をしており、筐体４１０の中心部に設けられる。収容室４１１は、収集室４１２と側面４１０ｃとの間に設けられる。収容室４１１は、収集室４１２を取り囲む。

筐体４１０の内部には、仕切り部材４６１が設けられる。仕切り部材４６１は、筐体４１０内の空間を収容室４１１と収集室４１２とに仕切る。仕切り部材４６１は、筒状の形状をしている。仕切り部材４６１は、筐体４１０の中心において、筐体４１０の高さ方向であるｚ軸方向に延びる。仕切り部材４６１のｚ軸方向の端部は底面４１０ａに接し、－ｚ軸方向の端部は底面４１０ｂに接する。仕切り部材４６１、底面４１０ａ及び４１０ｂにより収集室４１２が形成される。また、仕切り部材４６１、側面４１０ｃ、底面４１０ａ及び４１０ｂにより収容室４１１が形成される。

収容室４１１には、膜モジュール４２０ａ～４２０ｈが収容される。膜モジュール４２０ａ～４２０ｈは、筐体４１０の内部に流路Ｒ２が形成されるように配置される。流路Ｒ２は、収集室４２１の周りを螺旋状に旋回しながら－ｚ軸方向に進む。膜モジュール４２０ａ～４２０ｈは、収集室４２１の周りに設けられ、収集室４２１を中心とした螺旋に沿って配置される。膜モジュール４２０ａ～４２０ｈは、いずれもｚ軸方向を向くように設けられる。膜モジュール４２０ａ～４２０ｈは、－ｚ軸方向に沿って間隔を空けて設けられる。膜モジュール４２０ａ～４２０ｈの間隔は、全て同じであってもよいし、少なくとも一部が異なっていてもよい。膜モジュール４２０ａ～４２０ｄは、それぞれ収集室４１２から見てｙ軸方向、－ｘ軸方向、－ｙ軸方向、及びｘ軸方向に配置される。同様に、膜モジュール４２０ｅ～４２０ｈは、それぞれ収集室４１２から見てｙ軸方向、－ｘ軸方向、－ｙ軸方向、及びｘ軸方向に配置される。

底面４１０ａにおいて膜モジュール４２０ａと対向する位置には、混合ガスを供給管４３０から収容室４１１に流入させる流入口４１５が形成されている。流入口４１５には、供給管４３０に接続されている。流入口４１５は、底面４１０ａを貫通し、収容室４１１と供給管４３０とを連通させる。供給管４３０を通じて供給された混合ガスは、流入口４１５を介して収容室４１１に流入する。

底面４１０ｂにおいて、側面４１３の－ｘ軸方向の端部と収集室４１２との間に対応する位置には、収容室４１１内の残りのガスを排出管４５０に流出させる流出口４１６（第１の流出口の一例）が形成されている。流出口４１６には、排出管４５０が接続されている。流出口４１６は、底面４１０ｂを貫通し、収容室４１１と排出管４５０とを連通させる。収容室４１１内の残りのガスは、流出口４１６を介して排出管４５０に流出する。

収集室４１２は、膜モジュール４２０ａ～４２０ｈにより分離された水素が収容される。仕切り部材４６１において膜モジュール４２０ａ～４２０ｈに対向する位置には、それぞれ膜モジュール４２０ａ～４２０ｈにより分離された水素を収集室４１２に収集するために、流通口４６５ａ～４６５ｈが形成されている。流通口４６５ａ～４６５ｈは、仕切り部材４６１を貫通する。流通口４６５ａ～４６５ｈには、それぞれ膜モジュール４２０ａ～４２０ｈが接続されている。これにより、膜モジュール４２０ａ～４２０ｈの内部と収集室４１２とが連通する。膜モジュール４２０ａ～４２０ｈにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール４２０ａ～４２０ｈの内部を通り、流通口４６５ａ～４６５ｈを介して収集室４１２に移動する。

底面４１０ｂの中央部には、収集室４１２内の水素を収集管４４０に流出させる流出口４１７（第２の流出口の一例）が形成されている。流出口４１７には、収集管４４０が接続されている。流出口４１７は、底面４１０ｂを貫通し、収集室４１２と収集管４４０とを連通させる。収集室４１２内の水素は、流出口４１７を介して収集管４４０に流出する。

図１１を参照して、第４実施形態に係る混合ガスから水素を分離する方法の一例について説明する。まず、供給管４３０を通って送られてきた混合ガスが流入口４１５から－ｚ軸方向に沿って収容室４１１に流入する（ステップＳ１）。

混合ガスが収容室４１１に流入すると、膜モジュール４２０ａ～４２０ｈにおいて混合ガスから水素が分離される（ステップＳ２）。より詳細には、混合ガスは、まず膜モジュール４２０ａに到達し、膜モジュール４２０ａにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール４２０ａにより分離された水素以外の残りのガスは、流路Ｒ２に沿って移動して膜モジュール４２０ｂに到達し、膜モジュール４２０ｂにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール４２０ａ及び４２０ｂにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ２に沿って移動して膜モジュール４２０ｃに到達し、膜モジュール４２０ｃにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール４２０ａ～４２０ｃにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ２に沿って移動して膜モジュール４２０ｄに到達し、膜モジュール４２０ｄにおいて水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール４２０ａ～４２０ｄにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ２に沿って移動する。そして、上述した膜モジュール４２０ａ～４２０ｄと同様に、膜モジュール４２０ｅ～４２０ｈにおいても順番に残りのガスから水素が分離される。混合ガスのうち膜モジュール４２０ａ～４２０ｈにより分離された水素以外の残りのガスは、さらに流路Ｒ２に沿って移動して流出口４１６に到達する。一方、膜モジュール４２０ａ～４２０ｈにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール４２０ａ～４２０ｈの内部を通って収集室４１２に移動する。

収容室４１１内の残りのガスが流出口４１６に到達すると、このガスが流出口４１６から－ｚ軸方向に沿って流出し、排出管４５０を通って外部に送られる（ステップＳ３）。収集室４１２内の水素が流出口４１７に到達すると、この水素が流出口４１７を介して－ｚ軸方向に沿って流出し、収集管４４０を通って外部に送られる（ステップＳ４）。なお、残りのガスの流出と水素の流出とは並行して行われてもよい。

第４実施形態によれば、第１実施形態と同様に、流路形成が問題とならず、単位時間当たりの水素収集量を増やすことができる。また、第４実施形態で説明したように、膜モジュール４２０ａ～４２０ｈ、収容室４１１、収集室４１２、流入口４１５、流出口４１６、及び流出口４１７を配置することにより、単に膜モジュール４２０ａ～４２０ｈを並列に並べた構成に比べて、水素分離装置４００の小型化が図れる。

５．第５実施形態
図１９は、第５実施形態に係る水素分離装置５００の一例を示す斜視図である。なお、図１９では、混合ガスの流路を実線の矢印で示し、水素の流路を破線の矢印で示す。水素分離装置５００は、筐体５１０と、４つの膜モジュール５２０ａ～５２０ｄ（総称して「膜モジュール５２０」ともいう。）と、供給管５３０ａ及び５３０ｂ（総称して「供給管５３０」ともいう。）と、排出管５４０ａ及び５４０ｂ（総称して「排出管５４０」ともいう。）と、収集管５５０ａ～５５０ｃ（総称して「収集管５５０」ともいう。）とを備える。

膜モジュール５２０ａ～５２０ｄは、第１実施形態で説明した膜モジュール１２０ａ～１２０ｅと同様の構成を有する。供給管５３０ａ及び５３０ｂは、排出管５４０ａ及び５４０ｂ、及び収集管５５０ａ～５５０ｃは、それぞれ第１実施形態で説明した供給管１３０、排出管１４０、及び収集管１５０ａ、１５０ｂと同様である。

筐体５１０は、互いに分離する蓋部５６０及び５７０と、本体部５８１～５８３とを有する。筐体５１０は、蓋部５６０及び５７０、本体部５８１～５８３、及び膜モジュール５２０ａ～５２０ｄを結合することにより、一体に形成される。

蓋部５６０（第１の蓋部の一例）は、筐体５１０の一端を閉じる。蓋部５６０は、筒状部材５６１とフランジ５６２（第１のフランジの一例）とを有する。筒状部材５６１は、少なくとも一端が開口する筒状の形状を有している。筒状部材５６１の直径は、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄの直径と略同一である。フランジ５６２は、筒状部材５６１のｚ軸方向の端部を閉じる。フランジ５６２には、貫通孔５６３ａ及び５６３ｂ（第１の貫通孔の一例）が形成されている。

蓋部５７０（第２の蓋部の一例）は、筐体５１０の他端を閉じる。蓋部５７０は、蓋部５６０と同様に、筒状部材５７１とフランジ５７２（第２のフランジの一例）とを有する。フランジ５７２は、筒状部材５７１の－ｚ軸方向の端部を閉じる。フランジ５７２には、貫通孔５６３ａ及び５６３ｂと対向する位置に、貫通孔５７３ａ及び５７３ｂ（第２の貫通孔の一例）が形成されている。

本体部５８１～５８３は、筐体５１０の側面を構成する。本体部５８１～５８３は、それぞれ両端が開口する中空の筒状の形状をしている。本体部５８１～５８３の直径は、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄの直径と略同一である。

本体部５８１～５８３と膜モジュール５２０ａ～５２０ｄとは交互に配置される。膜モジュール５２０ａ及び５２０ｂ（膜モジュールの組の一例）は、互いに対向し、ｚ軸方向及び－ｚ軸方向から本体部５８１を挟むように配置される。同様に、膜モジュール５２０ｃ及び５２０ｄ（膜モジュールの組の一例）は、互いに対向し、ｚ軸方向及び－ｚ軸方向から本体部５８３を挟むように設けられる。蓋部５６０及び５７０は、開口する－ｚ軸方向の端及びｚ軸方向の端が互いに対向する状態で、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄと本体部５８１～５８３とをｚ軸方向及び－ｚ軸方向から挟むように配置される。なお、蓋部５６０、膜モジュール５２０ａ、本体部５８１、膜モジュール５２０ｂ、本体部５８２、膜モジュール５２０ｃ、本体部５８３、膜モジュール５２０ｄ、及び蓋部５７０の間には、密封性を高めるために、それぞれシール部材が設けられてもよい。

蓋部５６０及び５７０、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄ、及び本体部５８１～５８３は、ボルト５９１ａ及び５９１ｂ（総称して「ボルト５９１」ともいう。）とナット５９２ａ及び５９２ｂ（総称して「ナット５９２」ともいう。）（締結部材の一例）とにより結合される。ボルト５９１ａは、蓋部５６０及び５７０が膜モジュール５２０ａ～５２０ｄと本体部５８１～５８３とを挟んだ状態において、貫通孔５６３ａ及び５７３ａに挿入される。ボルト５９１ａとナット５９２ａとにより、蓋部５６０及び５７０と、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄと、本体部５８１～５８３とが締め付けられて結合される。同様に、ボルト５９１ｂは、蓋部５６０及び５７０が膜モジュール５２０ａ～５２０ｄと本体部５８１～５８３を挟んだ状態において、貫通孔５６３ｂ及び５７３ｂに挿入される。ボルト５９１ｂとナット５９２ｂとにより、蓋部５６０及び５７０と、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄと、本体部５８１～５８３とが締め付けられて結合される。

本体部５８１及び５８３（第１の本体部の一例）の内部には、それぞれ収容室５１１ａ及び５１１ｂ（総称して「収容室５１１」ともいう。）が形成される。収容室５１１ａは、本体部５８１、膜モジュール５２０ａ、及び膜モジュール５２０ｂにより形成される。収容室５１１ｂは、本体部５８３、膜モジュール５２０ｃ、及び膜モジュール５２０ｄにより形成される。

本体部５８１及び５８３の側面には、ｘ軸方向の端部に、それぞれ混合ガスを供給管５３０ａ及び５３０ｂから収容室５１１ａ及び５１１ｂに流入させる流入口５１３ａ及び５１３ｂ（総称して「流入口５１３」ともいう。）が形成されている。流入口５１３ａ及び５１３ｂには、それぞれ供給管５３０ａ及び５３０ｂが接続されている。流入口５１３ａは、本体部５８１を貫通し、収容室５１１ａと供給管５３０ａとを連通させる。流入口５１３ｂは、本体部５８３を貫通し、収容室５１１ｂと供給管５３０ｂとを連通させる。供給管５３０ａ及び５３０ｂを通じて供給された混合ガスは、流入口５１３ａ及び５１３ｂを介して収容室５１１ａ及び５１１ｂに流入する。

本体部５８１及び５８３の－ｘ軸方向の端部には、それぞれ収容室５１１ａ及び５１１ｂ内の残りのガスを排出管５４０ａ及び５４０ｂに流出させる流出口５１４ａ及び５１４ｂ（第１の流出口の一例）が形成されている。流出口５１４ａ及び５１４ｂは、本体部５８１及び５８３を貫通する。流出口５１４ａ及び５１４ｂには、それぞれ排出管５４０ａ及び５４０ｂが接続されている。流出口５１４ａは、収容室５１１ａと排出管５４０ａとを連通させる。流出口５１４ｂは、収容室５１１ｂと排出管５４０ｂとを連通させる。収容室５１１内の残りのガスは、流出口５１４ａ及び５１４ｂを介して排出管５４０ａ及び５４０ｂに流出する。

蓋部５６０、蓋部５７０、及び本体部５８２（第２の本体部の一例）の内部には、それぞれ収集室５１２ａ～５１２ｃ（総称して「収集室５１２」ともいう。）が形成される。収集室５１２ａは、筒状部材５６１、フランジ５６２、及び膜モジュール５２０ａにより形成される。収集室５１２ｂは、本体部５８２、膜モジュール５２０ｂ、及び膜モジュール５２０ｃにより形成される。収集室５１２ｃは、筒状部材５７１、フランジ５７２、及び膜モジュール５２０ｄにより形成される。収集室５１２ａ～５１２ｃには、それぞれ膜モジュール５２０ａ、膜モジュール５２０ｂ及び５２０ｃ、膜モジュール５２０ｄにより分離された水素が収集される。膜モジュール５２０ａにより分離された水素は、膜モジュール５２０ａの内部を通って収集室５１２ａに移動する。膜モジュール５２０ｂ及び５２０ｃにより分離された水素は、それぞれ膜モジュール５２０ｂ及び５２０ｃの内部を通って収集室５１２ｂに移動する。膜モジュール５２０ｄにより分離された水素は、膜モジュール５２０ｄの内部を通って収集室５１２ｃに移動する。

筒状部材５６１、本体部５８２、及び筒状部材５７１の側面には、－ｘ軸方向の端部に、それぞれ収集室５１２ａ～５１２ｃ内の水素を収集管５５０ａ～５５０ｃに流出させる流出口５１５ａ～５１５ｃ（第２の流出口の一例）が形成されている。流出口５１５ａ～５１５ｃには、それぞれ収集管５５０ａ～５５０ｃが接続されている。流出口５１５ａ～５１５ｃは、それぞれ筒状部材５６１、本体部５８２、及び筒状部材５７１を貫通する。流出口５１５ａは、収集室５１２ａと収集管５５０ａとを連通させる。流出口５１５ｂは、収集室５１２ｂと収集管５５０ｂとを連通させる。流出口５１５ｃは、収集室５１２ｃと収集管５５０ｃとを連通させる。収集室５１２ａ～５１２ｃ内の水素は、それぞれ流出口５１５ａ～５１５ｃを介して収集管５５０ａ～５５０ｃに流出する。

図１１を参照して、第５実施形態に係る混合ガスから水素を分離する方法の一例について説明する。まず、供給管５３０ａ及び５３０ｂを通って送られてきた混合ガスが流入口５１３ａ及び５１３ｂから－ｘ軸方向に沿って収容室５１１ａ及び５１１ｂにそれぞれ流入する（ステップＳ１）。

混合ガスが収容室５１１ａ及び５１１ｂに流入すると、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄにおいて混合ガスから水素が分離される（ステップＳ２）。より詳細には、収容室５１１ａに流入した混合ガスは、膜モジュール５２０ａ及び５２０ｂに到達し、膜モジュール５２０ａ及び５２０ｂにおいて水素が分離される。膜モジュール５２０ａにより分離された水素は、膜モジュール５２０ａの内部を通って、収集室５１２ａに移動する。膜モジュール５２０ｂにより分離された水素は、膜モジュール５２０ｂの内部を通って、収集室５１２ｂに移動する。一方、収容室５１１ｂに流入した混合ガスは、膜モジュール５２０ｃ及び５２０ｄに到達し、膜モジュール５２０ｃ及び５２０ｄにおいて水素が分離される。膜モジュール５２０ｃにより分離された水素は、膜モジュール５２０ｃの内部を通って、収集室５１２ｂに移動する。膜モジュール５２０ｄにより分離された水素は、膜モジュール５２０ｄの内部を通って、収集室５１２ｃに移動する。

収容室５１１ａ及び５１１ｂ内の残りのガスが流出口５１４ａ及び５１４ｂに到達すると、このガスが流出口５１４ａ及び５１４ｂから－ｘ軸方向に沿って流出し、排出管５４０ａ及び５４０ｂを通って外部に送られる（ステップＳ３）。より詳細には、収容室５１１ａに流入した混合ガスのうち膜モジュール５２０ａ及び５２０ｂにより分離された水素以外の残りのガスは、流出口５１４ａから流出し、排出管５４０ａを通って外部に送られる。一方、収容室５１１ｂに流入した混合ガスのうち膜モジュール５２０ｃ及び５２０ｄにより分離された水素以外の残りのガスは、流出口５１４ｂから流出し、排出管５４０ｂを通って外部に送られる。

収集室５１２ａ～５１２ｃ内の水素が流出口５１５ａ～５１５ｃに到達すると、この水素が流出口５１５ａ～５１５ｃから－ｘ軸方向に沿って流出し、収集管５５０ａ～５５０ｃを通って外部に送られる（ステップＳ４）。なお、残りのガスの流出と水素の流出とは並行して行われてもよい。

第５実施形態によれば、第１実施形態と同様に、流路形成が問題とならず、単位時間当たりの水素収集量を増やすことができる。また、第５実施形態で説明したように、膜モジュール５２０ａ～５２０ｄ、収容室５１１ａ及び５１１ｂ、収集室５１２ａ～５１２ｃ、流入口５１３ａ及び５１３ｂ、流出口５１４ａ及び５１４ｂ、及び流出口５１５ａ～５１５ｃを配置することにより、単に膜モジュール５２０ａ～５２０ｄを並列に並べた構成に比べて、水素分離装置５００の小型化が図れる。また、ボルト５９１とナット５９２とにより、筐体５１０と膜モジュール５２０ａ～５２０ｄとが一体に形成されるため、筐体５１０を形成するために溶接等の結合作業を行わなくてもよい。

６．変形例
本発明は、上述した第１実施形態～第５実施形態に限定されない。上述した第１実施形態～第５実施形態は、組み合わせて用いられてもよい。また、上述した第１実施形態～第５実施形態は、以下の例のように変形されてもよい。さらに、以下の変形例は、組み合わせて用いられてもよい。

上述した第１実施形態において、膜モジュール１２０の配置は、図１及び２に示す例に限定されない。例えば膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、ｚ軸方向に対して斜めに配置されてもよい。また、膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、ｘ軸方向から見たときに、一つ前又は後ろの膜モジュール１２０と重ならなくてもよい。収容室１１１及び収集室１１２の数及び配置は、図１及び２に示す例に限定されない。例えば収集室１１２は、１つだけ設けられてもよい。収集室１１２は、ｙ軸方向又は－ｙ軸方向の端部に設けられてもよい。流入口１１５、流出口１１６、及び流出口１１７の位置は、図１及び２に示す例に限定されない。例えば流入口１１５は、正面１１０ａ、背面１１０ｂ、底面１１０ｃ、又は上面１１０ｄにおいて－ｘ軸方向の端部に形成されてもよい。流出口１１７ａ及び１１７ｂは、それぞれ背面１１０ｂ及び正面１１０ａに形成されてもよい。膜モジュール１２０の数は、図１及び２に示す例に限定されない。膜モジュール１２０の数は、いくつであってもよい。筐体１１０の形状は、図１及び２に示す例に限定されない。例えば筐体１１０の形状は、直方体以外の六面体の形状であってもよいし、筒状の形状であってもよい。また、直方体の形状をした筐体１１０に収容室１１１及び収集室１１２を一つずつ設け、供給管１３０、排出管１４０、収集管１５０を一つずつ設けた場合には、水素分離装置１００を複数組み合わせることが容易になる。

図２０は、第１実施形態の変形例に係る水素分離装置６００の一例を示す斜視図である。図２１は、図２０に示す水素分離装置６００を図２０中の矢印で示す方向から見たＩＸ－ＩＸ断面図である。図２２は、図２０に示す水素分離装置６００を図２０中の矢印で示す方向から見たＸ－Ｘ断面図である。水素分離装置６００は、基本的には第１実施形態で説明した水素分離装置１００と同様の構成を備える。膜モジュール１２０ａ～１２０ｅは、図２２に示すように、平面視で図２に示す例と同様に配置される。ただし、筐体１１０の内部には、図２１に示すように、単一の収集室１１２ｃだけが－ｚ軸方向の端部に設けられる。筐体１１０の内部には、筐体１１０の内部を収集室１１２ｃとそれ以外の空間とに仕切る仕切り板１６１ｃが設けられる。また、水素分離装置６００は、単一の収集管１５０ｃだけを備える。収集管１５０ｃは、収集室１１２ｃの流出口１１７ｃに接続されている。膜モジュール１２０ａ～１２０ｅにより分離された水素は、収集室１１２ｃに収集され、収集管１５０ｃを通って外部に送られる。

上述した第２実施形態において、膜モジュール２２０の配置は、図１２～１４に示す例に限定されない。例えば膜モジュール２２０ａ～２２０ｄは、ｚ軸方向に対して斜めに配置されてもよい。供給室２１１、収容室２１２、排出室２１３、及び収集室２１４の数及び配置は、図１２～１４に示す例に限定されない。例えば３つ以上の収容室２１２が設けられてもよい。流入口２１５、流出口２１６、流出口２１７の位置は、図１２～１４に示す例に限定されない。例えば流入口２１５は、底面２１０ｃに形成されてもよい。流出口２１６は、上面２１０ｄに形成されてもよい。流出口２１７は、背面２１０ｂに形成されてもよい。膜モジュール２２０の数は、図１２～１４に示す例に限定されない。膜モジュール２２０の数は、いくつであってもよい。筐体２１０の形状は、図１２～１４に示す例に限定されない。例えば筐体２１０の形状は、直方体以外の六面体の形状であってもよいし、筒状の形状であってもよい。収容室２１２に混合ガスを噴出する装置は、ノズル２７０に限定されない。混合ガスを噴出する装置であれば、どのような装置が用いられてもよい。

上述した第３実施形態において、膜モジュール３２０の配置は、図１５～１７に示す例に限定されない。例えば単一の面に複数の膜モジュール３２０が配置されていてもよい。供給室３１１、収容室３１２、排出室３１３、及び収集室３１４の数及び配置は、図１５～１７に示す例に限定されない。例えば排出室３１３が１つだけ設けられてもよいし、３以上の排出室３１３が設けられてもよい。収集室３１４は、－ｚ軸方向の端部に加えて、ｙ軸方向の端部、－ｙ軸方向の端部、ｘ軸方向の端部、－ｘ軸方向の端部のうち少なくとも１つに設けられてもよい。流入口３１５、流出口３１６、及び流出口３１７の位置は、図１５～１７に示す例に限定されない。例えば流出口３１６ａは、側面３１０ｅにおいてｚ軸方向の端部に設けられてもよい。流出口３１６ｂは、側面３１０ｆにおいてｚ軸方向の端部に設けられてもよい。流出口３１７は、底面３１０ｃに設けられてもよい。膜モジュール３２０の数は、図１５～１７に示す例に限定されない。膜モジュール３２０の数は、いくつであってもよい。筐体３１０の形状は、図１５～１７に示す例に限定されない。例えば筐体３１０の形状は、直方体以外の六面体の形状であってもよい。収容室３１２に混合ガスを噴出する部品は、ノズル３７０に限定されない。混合ガスを噴出する装置であれば、どのような装置が用いられてもよい。

上述した第４実施形態において、膜モジュール４２０の配置は、図１８に示す例に限定されない。例えば膜モジュール４２０ａ～４２０ｈは、ｘ軸方向又はｙ軸方向に対して斜めに配置されてもよい。収集室４１２から見て互いに異なる方向に配置される膜モジュール４２０の数は４つに限定されない。例えば３つの膜モジュール４２０が収集室４１２から見て３方向に配置されてもよい。また、５つの膜モジュール４２０が収集室４１２から見て５方向に配置されてもよい。収容室４１１及び収集室４１２の数及び配置は、図１８に示す例に限定されない。例えば２つの収集室４１２が設けられてもよい。この場合、２つ目の収集室４１２は、筐体４１０の中心に設けられた１つ目の収集室４１２と筐体４１０との間に設けられてもよい。流入口４１５、流出口４１６、及び流出口４１７の位置は、図１８に示す例に限定されない。例えば流入口４１５は、側面４１０ｃにおいてｚ軸方向の端部に形成されてもよい。流出口４１６は、側面４１０ｃにおいて－ｚ軸方向の端部に形成されてもよい。膜モジュール４２０の数は、図１８に示す例に限定されない。膜モジュール４２０の数は、いくつであってもよい。筐体４１０の形状は、図１８に示す例に限定されない。例えば筐体４１０の形状は、直方体等の六面体の形状であってもよい。

上述した第５実施形態において、膜モジュール５２０の配置は、図１９に示す例に限定されない。収容室５１１及び収集室５１２の数及び配置は、図１９に示す例に限定されない。例えば収容室５１１は、１つだけ設けられてもよいし、３つ以上設けられてもよい。収集室５１２は、２つだけ設けられてもよいし、４つ以上設けられてもよい。流入口５１３、流出口５１４、流出口５１５の位置は、図１９に示す例に限定されない。例えば流入口５１３と流出口５１４とは、対応する本体部５８１又は５８３において、流入口５１３と対応する本体部５８１又は５８３の中心とを結ぶ線と、流出口５１４とこの中心とを結ぶ線とが交わるような位置に形成されてもよい。膜モジュール５２０の数は、いくつであってもよい。膜モジュール５２０の数は、図１９に示す例に限定されない。２つの本体部５８１及び５８２と、２つの膜モジュール５２０を一組のセットとしたときに、このセットが何組設けられてもよい。筐体５１０の形状は、図１９に示す例に限定されない。例えば筐体５１０の形状は、直方体等の六面体の形状であってもよい。蓋部５６０及び５７０と、膜モジュール５２０と、本体部５８１～５８３とを結合させる部材は、ボルト５９１とナット５９２に限定されない。蓋部５６０及び５７０と、膜モジュール５２０と、本体部５８１～５８３とを締め付けて結合する部材であれば、どのような部材が用いられてもよい。

上述した第１実施形態～第５実施形態において、水素分離装置１００、２００、３００、４００、及び５００から流出した残りのガスには、水素が含まれている場合がある。そこで、水素分離装置１００、２００、３００、４００、及び５００から流出した残りのガスが再び水素分離装置１００、２００、３００、４００、及び５００に供給されてもよい。例えば排出管１４０、２４０、３４０、４５０、５４０が、それぞれ供給管１３０、２３０、３３０、４３０、５３０に接続される。排出管１４０、２４０、３４０、４５０、５４０に流出した残りのガスは、それぞれ再び供給管１３０、２３０、３３０、４３０、５３０を通って筐体１１０、２１０、３１０、４１０、５１０内に流入する。このようにして、混合ガスに含まれる水素の量が閾値以下になるまで、混合ガスから水素を分離する処理が繰り返されてもよい。これにより、水素の回収率（収集率）を向上させることができる。

上述した第１実施形態～第５実施形態において、水素透過膜１２１の素材は、純バナジウムに限定されない。例えば水素透過膜１２１の素材は、バナジウムを主たる金属とする合金であってもよいし、５族に属する金属（例えばニオブ、バナジウム、タンタル）等のバナジウム以外の金属であってもよい。

上述した第１実施形態～第５実施形態において、水素分離装置１００、２００、３００、４００、及び５００は、それぞれ筐体１１０、２１０、３１０、４１０、及び５１０の内部を加熱する加熱部を有してもよい。加熱部には、例えばリボンヒーターが用いられてもよい。筐体１１０、２１０、３１０、４１０、及び５１０の内部の温度は、加熱部により例えば３００～３３０度に加熱されてもよい。

上述した第１実施形態～第５実施形態において、水素を含む混合ガスは、予め水素を含んだ副生ガスに限定されず、都市ガス、有機ハイドライド、メタノール、アンモニア等の改質反応で水素が含まれるようになるガスも含まれ、水素を含むガスであればどのようなガスであってもよい。

上述した第１実施形態～第５実施形態において、水素分離装置１００、２００、３００、４００、及び５００により分離された水素は様々な用途で利活用されてもよい。例えば水素は、自動車用の燃料電池や家庭用の燃料電池に用いられてもよいし、水素発電に用いられてもよい。また、この水素は、工業・産業用の水素として用いられてもよい。

本発明は、混合ガスから水素を分離する方法として提供されてもよい。

１００：水素分離装置、１１０：筐体、１２０：膜モジュール、１３０：供給管、１４０：排出管、１５０：収集管、２００：水素分離装置、２１０：筐体、２２０：膜モジュール、２３０：供給管、２４０：排出管、２５０：収集管、２７０：ノズル、３００：水素分離装置、３１０：筐体、３２０：膜モジュール、３３０：供給管、３４０：排出管、３５０：収集管、３７０：ノズル、４００：水素分離装置、４１０：筐体、４２０：膜モジュール、４３０：供給管、４４０：収集管、４５０：排出管、５００：水素分離装置、５１０：筐体、５２０：膜モジュール、５３０：供給管、５４０：排出管、５５０：収集管、５６０：蓋部、５７０：蓋部、５８１～５８３：本体部、５９１：ボルト、５９２：ナット

Claims (3)

1. 互いに分離された収容室と収集室とを有する筐体と、
   前記筐体に形成され、水素を含む混合ガスを前記筐体外から流入させる流入口と、
   前記収容室に収容され、それぞれ水素透過膜を有し、前記混合ガスから水素を分離する複数の膜モジュールと、
   前記筐体に形成され、前記混合ガスのうち前記分離された水素以外のガスを前記筐体外に流出させる第１の流出口と、
   前記筐体に形成され、前記複数の膜モジュールから前記収集室に収集された前記分離された水素を前記筐体外に流出させる第２の流出口と
   を備え、
   前記複数の膜モジュールは、第１の方向に沿って並べられ、
   前記複数の膜モジュールに含まれる膜モジュールの組は、互いに対向するように配置され、
   前記筐体は、前記収容室及び前記収集室から分離された供給室をさらに有し、
   前記供給室は、前記筐体の内部において前記第１の方向と交わる第２の方向の一方の端部に設けられ、
   前記流入口は、前記混合ガスを前記供給室に流入させ、
   前記供給室内の前記混合ガスを前記膜モジュールの組の間に噴出する噴出部をさらに備え、
   前記収集室は、前記筐体の内部において前記第２の方向の他方の端部に設けられる
   水素分離装置。
2. 互いに分離された収容室と収集室とを有する筐体と、
   前記筐体に形成され、水素を含む混合ガスを前記筐体外から流入させる流入口と、
   前記収容室に収容され、それぞれ水素透過膜を有し、前記混合ガスから水素を分離する複数の膜モジュールと、
   前記筐体に形成され、前記混合ガスのうち前記分離された水素以外のガスを前記筐体外に流出させる第１の流出口と、
   前記筐体に形成され、前記複数の膜モジュールから前記収集室に収集された前記分離された水素を前記筐体外に流出させる第２の流出口と
   を備え、
   前記筐体は、前記収容室及び前記収集室から分離された供給室と排出室とをさらに有し、
   前記供給室及び前記排出室は、前記筐体の内部において第１の方向の一方の端部に設けられ、前記第１の方向と交わる第２の方向に沿って並べて配置され、
   前記収集室は、前記筐体の内部において前記第１の方向の他方の端部に設けられ、
   前記複数の膜モジュールは、前記筐体の中心と対向し、それぞれ前記収容室において前記第１の方向の前記収集室側の端部、前記第２の方向の一方の端部及び他方の端部、前記第１の方向及び前記第２の方向と交わる第３の方向の一方の端部及び他方の端部に配置され、
   前記流入口は、前記混合ガスを前記供給室に流入させ、
   前記収容室に設けられ、前記供給室内の前記混合ガスを前記複数の膜モジュールの間に噴出する噴出部をさらに備え、
   前記第１の流出口は、前記収集室から貫通孔を介して前記排出室に流通した前記ガスを流出させる
   水素分離装置。
3. 互いに分離された収容室と収集室とを有する筐体と、
   前記筐体に形成され、水素を含む混合ガスを前記筐体外から流入させる流入口と、
   前記収容室に収容され、それぞれ水素透過膜を有し、前記混合ガスから水素を分離する
   複数の膜モジュールと、
   前記筐体に形成され、前記混合ガスのうち前記分離された水素以外のガスを前記筐体外
   に流出させる第１の流出口と、
   前記筐体に形成され、前記複数の膜モジュールから前記収集室に収集された前記分離さ
   れた水素を前記筐体外に流出させる第２の流出口と
   を備え、
   前記筐体は、第１の貫通孔が形成された第１のフランジ付きの第１の蓋部と、第２の貫通孔が形成された第２のフランジ付きの第２の蓋部と、複数の本体部とを含み、
   前記複数の本体部は、それぞれ両端が開口する中空の筒状の形状をしており、
   前記複数の本体部と前記複数の膜モジュールとは交互に配置され、
   前記複数の膜モジュールは、膜モジュールの組を含み、
   前記膜モジュールの組は、互いに対向し、前記複数の本体部に含まれる第１の本体部の挟むように配置され、
   前記第１の蓋部及び前記第２の蓋部は、前記複数の本体部及び前記複数の膜モジュールを挟むように配置され、
   前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔に挿入され、前記第１の蓋部、前記第２の蓋部、前記複数の本体部、及び前記複数の膜モジュールを締め付けて結合させる締結部材をさらに備え、
   前記収容室は、前記第１の本体部と前記膜モジュールの組とにより形成され、
   前記収集室は、前記複数の本体部のうち前記第１の本体部以外の第２の本体部と、前記複数の膜モジュールのうち前記第２の本体部を挟む２つの膜モジュールとにより形成され、
   前記流入口は、前記第１の本体部の側面に形成され、
   前記第１の流出口は、前記第１の本体部の側面に形成され、
   前記第２の流出口は、前記第２の本体部の側面に形成される
   水素分離装置。

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