KR101678285B1 - 팔라듐 합금막 유닛, 그 수납 구조물, 및 이들을 이용한 수소 정제 방법 - Google Patents
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Abstract
[과제] 팔라듐 합금 세관으로 이루어지는 수소 분리막을 이용한 수소 정제 장치에 있어서, 팔라듐 합금 세관을 용이하게 교환하는 것이 가능한 수단을 제공한다.
[해결 수단] 수소 정제 장치를 팔라듐 합금막 유닛과 그 수납 구조물로 용이하게 분리할 수 있도록 한다. 팔라듐 합금막 유닛은, 복수개의 팔라듐 합금 세관, 해당 팔라듐 합금 세관을 지지하는 원반 모양의 관판, 및, 일단에 해당 관판의 외주부와 밀착하는 원통부를 가지고, 다른 일단에 수납 구조물의 순수소 취출구와 접속하는 커플링을 가지며, 바람직하게는 해당 원통부와 해당 커플링의 사이의 위치에 수납 구조물의 용기의 개구부와 밀착하는 커플링을 더 가지는 순수소의 취출 배관으로 이루어진다. 또, 수납 구조물은, 팔라듐 합금막 유닛을 수납하는 용기, 히터, 원료 수소 공급구, 불순물 함유 가스 취출구, 및 순수소 취출구로 이루어지며, 순수소 취출구에 팔라듐 합금막 유닛의 일단에 마련된 커플링과 접속하는 부재, 바람직하게는 용기의 개구부에 팔라듐 합금막 유닛의 원통부에 마련된 커플링과 밀착하는 부재를 더 가진다.
[해결 수단] 수소 정제 장치를 팔라듐 합금막 유닛과 그 수납 구조물로 용이하게 분리할 수 있도록 한다. 팔라듐 합금막 유닛은, 복수개의 팔라듐 합금 세관, 해당 팔라듐 합금 세관을 지지하는 원반 모양의 관판, 및, 일단에 해당 관판의 외주부와 밀착하는 원통부를 가지고, 다른 일단에 수납 구조물의 순수소 취출구와 접속하는 커플링을 가지며, 바람직하게는 해당 원통부와 해당 커플링의 사이의 위치에 수납 구조물의 용기의 개구부와 밀착하는 커플링을 더 가지는 순수소의 취출 배관으로 이루어진다. 또, 수납 구조물은, 팔라듐 합금막 유닛을 수납하는 용기, 히터, 원료 수소 공급구, 불순물 함유 가스 취출구, 및 순수소 취출구로 이루어지며, 순수소 취출구에 팔라듐 합금막 유닛의 일단에 마련된 커플링과 접속하는 부재, 바람직하게는 용기의 개구부에 팔라듐 합금막 유닛의 원통부에 마련된 커플링과 밀착하는 부재를 더 가진다.
Description
본 발명은, 팔라듐(Pd) 합금 박막의 수소(水素) 가스 선택 투과성을 이용한 수소 정제(精製)에 관한 것이다. 본 발명은, 상세하게는, 팔라듐 합금 세관(細管) 등을 구비한 팔라듐 합금막 유닛, 상기 팔라듐 합금막 유닛을 수납하며, 상기 팔라듐 합금막 유닛과 일체로 되어 수소 정제 장치를 구성하는 수납 구조물, 및 이들을 이용한 수소 정제 방법에 관한 것이다.
종래, 다량의 고순도의 수소 가스가 분위기 가스로서 반도체 제조 공정에서 사용되고 있다. 반도체의 집적도가 향상한 것에 의해, 이러한 수소 가스에는, 불순물의 농도가 지극히 저농도(ppb 레벨 이하)인 것이 요구된다.
한편, 다량의 고순도의 수소를 공업적으로 제조하는 방법으로서는, 메탄올, 디메틸 에테르, 천연 가스, 액화 석유 가스 등으로부터 수증기 개질(改質) 반응에 의해 얻어지는 개질 가스를, 심냉(深冷) 흡착법, 압력 스윙(swing) 흡착법 등에 의해, 수소와 수소 이외의 가스로 분리하여 수소를 얻는 방법이 알려져 있다.
심냉 흡착법은, 액화 질소를 냉매로 하여 극저온화 된 흡착재가 충전된 흡착통에 수소 함유 가스를 유통(流通)하고, 수소 이외의 불순물을 제거하는 정제 방법이다. 압력 스윙 흡착법은, 복수의 흡착통에 수소 함유 가스를 차례로 유통함과 아울러, 승압, 불순물의 흡착, 불순물의 탈착, 및 흡착재의 재생의 각 조작을 반복하여, 수소 이외의 불순물을 제거하는 정제 방법이다. 상기와 같은 개질 가스에는, 수소 외에, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 질소, 물 등이 포함되지만, 심냉 흡착법, 압력 스윙 흡착법에서는, 이들 불순물을 매우 저농도(ppb 레벨 이하)가 될 때까지 제거하는 것은 곤란했다.
이것에 대해서, 지극히 고순도의 수소 가스를, 비교적으로 소량으로 얻는 방법으로서, 불순물을 포함하는 원료 수소를 팔라듐 합금의 박막으로 이루어지는 수소 분리막에 공급하고, 수소 가스의 선택 투과성을 이용하여, 원료 수소 중 수소만을 투과시켜 취출하는 방법이 알려져 있다. 이러한 수소 정제를 위한 장치는, 불순물을 포함하는 원료 수소의 도입구(導入口), 순(純)수소의 취출구, 및 해당 도입구와 해당 취출구와의 사이의 가스 유로 중에 팔라듐 합금의 박막을 구비하여 이루어지는 수소 정제 장치이다. 이러한 장치는, 예를 들면, 특허 문헌 1 ~ 3에 나타내는 바와 같이, 일단이 씰링된 복수의 팔라듐 합금 세관(수소 분리막)이, 타단의 개구부에서 관판(管版)에 의해 지지되어 셀 내에 수납되며, 이 팔라듐 합금 세관 및 관판에 의해서 셀 내가 1차측 공간(불순물을 포함하는 원료 수소의 공급측 공간) 및 2차측 공간(순수소의 취출측 공간)의 두 개의 공간으로 나누어진 구성을 가지는 수소 정제 장치이다.
팔라듐 합금의 수소 분리막을 이용한 수소 정제 방법은, 심냉 흡착법, 압력 스윙 흡착법과 비교하여, 전술과 같이 고순도의 수소 가스를 얻을 수 있는 것 외에, 장치를 소형화, 간소화할 수 있다고 하는 장점이 있지만, 단위 시간당 순(純)수소의 취출량이 적다고 하는 단점이 있다.
또, 수소 분리막의 단위 면적당 수소 투과량 Q는, Q=At－1(P1 1 /2－P2 1 /2)로 나타내어진다. 여기서, 식(式) 중, A는 분리막의 종류, 조작 조건 등에 의한 수치, t는 막 두께, P1는 1차측 공간의 수소 분압, P2는 2차측 공간의 수소 분압을 나타낸다.
전술과 같은 수소 정제 장치에서는, 적당량의 순수소를 확보하기 위해, 팔라듐 합금 세관(수소 분리막)의 막 두께가, 통상, 100㎛ 이하로 설정되어 있다. 그 때문에, 수소 정제 장치를 장기간 사용하면, 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도가 저하하여, 결국 팔라듐 합금 세관이 파괴해 버린다. 이에, 파괴되기 전에, 즉, 소정의 기간 사용한 후에, 파괴될 것 같은 팔라듐 합금 세관을 신규의 팔라듐 합금 세관과 교환할 필요가 있다.
또, 예를 들면, 1차측 공간의 수소 분압 P1과 2차측 공간의 수소 분압 P2와의 사이의 차이를 크게 하면, 정제 수소의 취출량의 증가를 도모하는 것이 가능하다. 그러나, 그와 같이 하면, 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도의 저하가 빨라져, 팔라듐 합금 세관을 빈번히 교환할 필요가 생긴다. 게다가, 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도의 저하를 못보고 놓쳐, 팔라듐 합금 세관의 주변부로부터 가스의 누설이 발생한 후에는, 팔라듐 합금 세관을 시급히 교환할 필요가 있다.
팔라듐 합금 세관을 신규의 팔라듐 합금 세관과 교환하는 경우, 관판으로부터 결함이 있는 팔라듐 합금 세관을 떼어 내고, 신규의 팔라듐 합금 세관을 장착하는 것은 곤란하다. 또 복수의 팔라듐 합금 세관 및 이들을 지지하는 관판을 함께 신규의 복수의 팔라듐 합금 세관 및 이들을 지지하는 관판과 교환하는 경우는, 수소 정제 장치로부터의 관판의 장착을 떼어 내고, 기밀성의 확보를 하는 것에 시간이 걸렸다.
따라서, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 팔라듐 합금 세관으로 이루어지는 수소 분리막을 이용한 수소 정제에 있어서, 팔라듐 합금 세관을 용이하게 교환하는 것이 가능한 수단을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 이들 과제를 해결할 수 있도록 열심히 검토한 결과, 전술과 같은 수소 정제 장치를, 복수개의 팔라듐 합금 세관, 해당 팔라듐 합금 세관을 지지하는 원반 모양의 관판, 및 순수소의 취출 배관으로 이루어지는 구성부(팔라듐 합금막 유닛)와, 이들을 수납하는 용기, 용기 내를 가열하는 히터, 및 수소 정제에 필요한 각종 가스의 출입구로 이루어지는 구성부(수납 구조물)로 분리하고, 커플링을 이용하는 것에 의해, 일체로 조합시켰을 때에 내부의 기밀성을 해치지 않고, 이들 구성부의 합체 및 분리가 용이하게 되며, 팔라듐 합금 세관을 용이하게 교환하는 것이 가능한 것을 찾아내어, 이하 (1) 내지 (11)의 본 발명에 도달했다.
(1) 용기, 원료 수소(水素) 공급구, 및 순(純)수소 취출구를 구비한 수납 구조물 중, 상기 용기에 수납되며, 상기 수납 구조물과 일체로 되어 수소 정제(精製) 장치를 구성하는 팔라듐 합금막 유닛으로서,
복수의 팔라듐 합금 세관(細管)과, 관판(管板)과, 순수소의 취출 배관을 구비하며,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관은, 각각, 복수의 폐구(閉口) 단부와 복수의 개구(開口) 단부를 가지고,
상기 복수의 폐구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 일단을 씰링하고,
상기 복수의 개구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 타단에 형성되며,
상기 관판은, 원반(圓盤) 모양의 외주부와 복수의 지지부를 가지고,
상기 복수의 지지부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 상기 복수의 개구 단부에서 지지하며,
상기 취출 배관은, 취출 배관 본체와, 상기 취출 배관 본체의 일단에 형성되며 상기 외주부와 밀착하는 원통부와, 상기 취출 배관 본체의 타단에 형성되며 상기 순수소 취출구에 장착 및 떼어냄 가능하게 접속하는 취출구 커플링을 가지는 팔라듐 합금막 유닛.
(2) 용기, 원료 수소 공급구, 및 순수소 취출구를 구비한 수납 구조물 중, 상기 용기에 수납되며, 상기 수납 구조물과 일체로 되어 수소 정제 장치를 구성하는 팔라듐 합금막 유닛으로서,
복수의 팔라듐 합금 세관과, 관판과, 순수소의 취출 배관을 구비하며,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관은, 각각, 복수의 폐구 단부와 복수의 개구 단부를 가지고,
상기 복수의 폐구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 일단을 씰링하고,
상기 복수의 개구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 타단에 형성되며,
상기 관판은, 원반 모양의 외주부와 복수의 지지부를 가지고,
상기 복수의 지지부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 상기 복수의 개구 단부에서 지지하며,
상기 취출 배관은, 취출 배관 본체와, 상기 취출 배관 본체의 일단에 형성되며 상기 외주부와 밀착하는 원통부와, 상기 취출 배관 본체의 타단에 형성되며 상기 순수소 취출구와 접속하는 취출구 커플링과, 상기 원통부와 상기 취출구 커플링과의 사이의 위치에 상기 용기의 개구부와 밀착하는 용기 커플링을 가지는 팔라듐 합금막 유닛.
(3) 상기 관판의 중심축, 상기 취출 배관의 중심축, 및 상기 취출구 커플링의 중심축이, 동일한 중심축이 되도록 설정된, (1)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛.
(4) 상기 관판의 중심축, 상기 취출 배관의 중심축, 상기 취출구 커플링의 중심축, 및 상기 용기 커플링의 중심축이, 동일한 중심축이 되도록 설정된, (2)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛.
(5) 상기 관판이 니켈로 구성되고,
상기 취출 배관이 스테인리스로 구성되며,
상기 관판과 상기 취출 배관이 니켈, 크롬, 및 철의 합금에 의해 용접된, (1) 또는 (2)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛.
(6) 상기 취출구 커플링은, 상기 수납 구조물의 내부에 마련되며 상기 취출구 커플링과 접속하는 접속 부재에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부를 가지는, (1)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛.
(7) 상기 취출구 커플링은, 상기 수납 구조물의 내부에 마련되며 상기 취출구 커플링과 접속하는 접속 부재에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부를 가지고,
상기 용기 커플링은, 상기 수납 구조물의 내부에 마련되며 상기 용기 커플링과 밀착하는 밀착 부재에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부를 가지는, (2)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛.
(8) (1)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을 수납하며, 상기 팔라듐 합금막 유닛과 일체로 되어 수소 정제 장치를 구성하는 수납 구조물로서,
단부에 형성된 개구부를 가지며, 상기 개구부로부터 삽입 통과된 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 수납하는 용기와,
상기 용기의 외측으로부터 상기 용기의 내측을 가열하는 히터와,
불순물을 포함하는 원료 수소를 상기 용기에 공급하는 원료 수소 공급구와,
팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 상기 용기로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구와,
상기 취출구 커플링과 접속 가능한 접속 부재를 가지는 순수소 취출구를 구비하는 수납 구조물.
(9) (2)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을 수납하며, 상기 팔라듐 합금막 유닛과 일체로 되어 수소 정제 장치를 구성하는 수납 구조물로서,
단부에 형성된 개구부와 상기 개구부에 상기 용기 커플링과 밀착 가능한 밀착 부재를 가지며, 상기 개구부로부터 삽입 통과된 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 수납하는 용기와,
상기 용기의 외측으로부터 상기 용기의 내측을 가열하는 히터와,
불순물을 포함하는 원료 수소를 상기 용기에 공급하는 원료 수소 공급구와,
팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 상기 용기로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구와,
상기 취출구 커플링과 접속 가능한 접속 부재를 가지는 순수소 취출구를 구비하는 수납 구조물.
(10) (1)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을, (8)에 기재된 수납 구조물에 수납하여 수소의 정제를 행하는 방법으로서,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 소정의 기간 사용한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도가 저하한 후, 또는,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 주변부로부터 가스의 누설이 발생한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 포함하는 상기 팔라듐 합금막 유닛을 신규의 팔라듐 합금막 유닛으로 교환하여, 수소의 정제를 행하는 수소 정제 방법.
(11) (2)에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을, (9)에 기재된 수납 구조물에 수납하여 수소의 정제를 행하는 방법으로서,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 소정의 기간 사용한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도가 저하한 후, 또는,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 주변부로부터 가스의 누설이 발생한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 포함하는 상기 팔라듐 합금막 유닛을 신규의 팔라듐 합금막 유닛과 교환하여 수소의 정제를 행하는 수소 정제 방법.
본 발명은, 복수개의 팔라듐 합금 세관, 해당 팔라듐 합금 세관을 지지하는 원반(圓盤) 모양의 관판, 및 순수소의 취출 배관 등으로 이루어지는 팔라듐 합금막 유닛과, 용기, 원료 수소 공급구, 및 순수소 취출구 등으로 이루어지는 수납 구조물을, 1개 또는 2개의 커플링(취출구 커플링, 용기 커플링)에 의해, 수소 정제 장치에 용이하게 조립하고, 또 용이하게 분리할 수 있도록 한 것이다. 본 발명은 이러한 구성이므로, 예를 들면, 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도가 저하한 경우 등, 팔라듐 합금 세관의 교환이 필요할 때에, 일체로 조합시켰을 때의 내부의 기밀성을 해치지 않고, 팔라듐 합금막 유닛마다 용이하게 신규의 것과 교환하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛의 일례를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛의 일례를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 사용되는 배관의 커플링의 예를 나타내는 사시도.
도 4는 도 1, 도 2의 팔라듐 합금막 유닛의 관판의 위치에서의 단면의 일례를 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명의 제1 형태의 수납 구조물의 일례를 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명의 제2 형태의 수납 구조물의 일례를 나타내는 구성도.
도 7은 팔라듐 합금막 유닛의 용기 커플링과 수납 구조물의 용기의 개구부의 접속 구조의 일례를 나타내는 단면도.
도 8은 본 발명의 팔라듐 합금막 유닛과 그 수납 구조물을 일체로 조합시킨 수소 정제 장치의 예를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛의 일례를 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 사용되는 배관의 커플링의 예를 나타내는 사시도.
도 4는 도 1, 도 2의 팔라듐 합금막 유닛의 관판의 위치에서의 단면의 일례를 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명의 제1 형태의 수납 구조물의 일례를 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명의 제2 형태의 수납 구조물의 일례를 나타내는 구성도.
도 7은 팔라듐 합금막 유닛의 용기 커플링과 수납 구조물의 용기의 개구부의 접속 구조의 일례를 나타내는 단면도.
도 8은 본 발명의 팔라듐 합금막 유닛과 그 수납 구조물을 일체로 조합시킨 수소 정제 장치의 예를 나타내는 구성도.
본 발명은, 일단이 씰링된 팔라듐 합금 세관(細管)과 팔라듐 합금 세관의 개구단을 지지하는 관판(管板)에 의해서 셀 내부가 1차측 공간과 2차측 공간으로 나누어지고, 불순물을 포함하는 수소를 1차측 공간으로부터 도입하고, 팔라듐 합금 세관을 투과시켜 2차측 공간으로부터 순수소를 취출하는 수소 정제 장치 혹은 수소 정제(精製) 방법에 적용된다.
또, 본 발명에 적용되는 원료 수소로서는, 메탄올, 디메틸 에테르, 천연 가스, 액화 석유 가스 등으로부터 수증기 개질(改質) 반응에 의해 얻어지는 개질 가스, 해당 개질 가스를, 심냉(深冷) 흡착법, 압력 스윙(swing) 흡착법 등에 의해 예비적으로 정제한 비교적으로 고순도의 수소를 들 수 있다. 이들 방법에 의해 얻어진 수소는, 통상은, 봄베(bombe), 저장 탱크 등의 저장 장치에 비축된다.
본 발명에 의해 얻어지는 지극히 고순도의 정제 수소는, 예를 들면 반도체 제조 공정에서의 분위기 가스(캐리어 가스)로서 사용된다.
도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 팔라듐 합금막 유닛, 그 수납 구조물, 및 이들을 이용한 수소 정제 방법을 설명하지만, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a)은, 용기(9), 원료 수소 공급구(11), 및 순수소 취출구(13)를 구비한 수납 구조물(200, 200a) 중, 용기(9)에 수납되며, 수납 구조물(200, 200a)과 일체로 되어 수소 정제 장치(300, 300a)를 구성하는 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a)이다. 이하, 본 발명의 제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100)과 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100a)에 대해 상세하게 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100)은, 각각의 일단이 씰링되고, 각각의 타단에 개구 단부(6)를 가지는 복수의 팔라듐 합금 세관(1), 개구 단부(6)에서 팔라듐 합금 세관(1)을 지지하는 원반 모양의 관판(2), 및, 일단에 관판(2)의 외주부(2b)와 밀착하는 원통부(3)를 가지고, 타단에 수납 구조물(200)의 순수소 취출구(13)와 접속하는 취출구 커플링(4)을 가지는 순수소의 취출 배관(5)을 구비한다. 상기의 원반 모양의 관판(2), 순수소의 취출 배관(5), 및 취출구 커플링(4)의 중심축은, 통상은 동일한 중심축이 되도록 설정된다.
상세하게 설명하면, 팔라듐 합금막 유닛(100)은, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)과, 관판(2)과, 순수소의 취출 배관(5)을 구비한다. 복수의 팔라듐 합금 세관(1)은, 각각, 복수의 폐구(閉口) 단부(7)와, 복수의 개구(開口) 단부(6)를 가진다. 복수의 폐구 단부(7)는, 각각, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)의 일단을 씰링하고 있다. 복수의 개구 단부(6)는, 각각, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)의 타단에 형성되어 있다. 관판(2)은, 관판 본체(2a)와, 원반 모양의 외주부(2b)와, 복수의 지지부(2c)를 가진다(도 4 참조). 복수의 지지부(2c)는, 각각, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)을 복수의 개구 단부(6)에서 지지한다. 각 지지부(2c)는, 예를 들면, 관판 본체(2a)에 형성된 관통공이다.
취출 배관(5)은, 취출 배관 본체(8)와, 취출 배관 본체(8)의 일단에 형성되며 외주부(2b)와 밀착하는 원통부(3)와, 취출 배관 본체(8)의 타단에 형성되며 순수소 취출구(13)(도 5 참조)와 접속하는 취출구 커플링(4)을 가진다. 팔라듐 합금막 유닛(100)에 대한 취출 배관(5)의 길이의 비율은, 팔라듐 합금막 유닛(100)이 장착되는 수납 구조물(200)이나, 수소 정제 장치(300)의 사이즈에 적합하도록 설정된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100a)은, 각각의 일단이 씰링되며, 각각의 타단에 개구 단부(6)를 가지는 복수의 팔라듐 합금 세관(1), 개구 단부(6)에서 팔라듐 합금 세관(1)을 지지하는 원반 모양의 관판(2), 및, 일단에 관판(2)의 외주부(2b)와 밀착하는 원통부(3)를 가지고, 타단에 수납 구조물(200)의 순수소 취출구(13)와 접속하는 취출구 커플링(4)을 가지며, 원통부(3)와 취출구 커플링(4)과의 사이의 위치에 수납 구조물(200)의 용기(9)의 개구부(14)와 밀착하는 용기 커플링(4a)을 가지는 순수소의 취출 배관(5)을 구비한다. 상기의 원반 모양의 관판(2), 순수소의 취출 배관(5), 취출구 커플링(4), 및 용기 커플링(4a)의 중심축은, 통상은 동일한 중심축이 되도록 설정된다. 취출구 커플링(4) 및 용기 커플링(4a)에는, 예를 들면, 니켈제의 금속 패킹이 사용된다. 또, 용기 커플링(4a)은, 수소 정제 중 약 300℃까지 상승하므로, 이것에 견딜 수 있는 재료이면 특별히 한정되지 않는다.
상세하게 설명하면, 팔라듐 합금막 유닛(100a)은, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)과, 관판(2)과, 순수소의 취출 배관(5)을 구비한다. 복수의 팔라듐 합금 세관(1)은, 각각, 복수의 폐구 단부(7)와 복수의 개구 단부(6)를 가진다. 복수의 폐구 단부(7)는, 각각, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)의 일단을 씰링한다. 복수의 개구 단부(6)는, 각각, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)의 타단에 형성되어 있다. 관판(2)은, 관판 본체(2a)와, 원반 모양의 외주부(2b)와, 복수의 지지부(2c)를 가진다(도 4 참조). 복수의 지지부(2c)는, 각각, 복수의 팔라듐 합금 세관(1)을 복수의 개구 단부(6)에서 지지한다. 각 지지부(2c)는, 예를 들면, 관판 본체(2a)에 형성된 관통공이다. 취출 배관(5)은, 취출 배관 본체(8)와, 취출 배관 본체(8)의 일단에 형성되며 외주부(2b)와 밀착하는 원통부(3)와, 취출 배관 본체(8)의 타단에 형성되며 순수소 취출구(13)(도 6 참조)와 접속하는 취출구 커플링(4)과, 원통부(3)와 상기 취출구 커플링(4)과의 사이의 위치에 상기 용기(9)의 개구부(14)(도 6 참조)와 밀착하는 용기 커플링(4a)을 가진다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 팔라듐 합금막 유닛에서 사용되는 팔라듐 합금 세관(1)은, 관판(2)측의 일단에 개구 단부(6)를 가지고, 반대측의 일단인 타단에 폐구 단부(7)를 가지는 관으로 이루어진다. 팔라듐 합금 세관(1)은, 길이가 통상 20 ~ 200cm, 외경이 통상 1.0 ~ 5.0mm, 두께가 통상 30 ~ 100㎛이다. 또, 팔라듐 합금 세관(1)은, 1개의 팔라듐 합금막 유닛(100)에 대해서 3 ~ 1000개 사용된다. 이들의 배치에 대해서는 특별히 제한이 없지만, 인접하는 팔라듐 합금 세관끼리의 간격은, 통상 1.0 ~ 2.5mm가 되도록 설정된다.
전술의 팔라듐 합금 세관(1)의 구성 성분으로서는, 팔라듐과 동을 주성분으로 하는 합금, 팔라듐과 은을 주성분으로 하는 합금, 팔라듐과 은과 금을 주성분으로 하는 합금을 예시할 수 있다. 이들 합금을 이용하는 경우, 팔라듐 50 ~ 70wt%와 동 30 ~ 50wt%과의 합금, 팔라듐 60 ~ 90wt%와 은 10 ~ 40wt%과의 합금, 팔라듐 60 ~ 80wt%와 은 10 ~ 37wt%와 금 3 ~ 10wt%의 합금이 바람직하다. 팔라듐 합금은 그 외의 금속을 포함하고 있어도 괜찮지만, 상기의 금속(상술의 팔라듐, 금, 은, 동)은, 통상은 95wt% 이상, 바람직하게는 99wt% 이상 함유된다.
본 발명에서 사용되는 관판(2)은, 통상은 두께가 3 ~ 30mm의 원반이다. 또, 관판(2)의 직경은, 팔라듐 합금 세관(1)의 지름이나 갯수 등에 따라 다르지만, 통상은 10 ~ 200mm이며, 바람직하게는 15 ~ 50mm이다. 또, 관판(2)의 직경은, 팔라듐 합금 세관(1)의 길이의 1/10 이하인 것이 바람직하고, 1/15 이하인 것이 보다 더 바람직하다. 그 이유는, 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a)을 가늘고 긴 형상으로 하는 것에 의해, 취출 배관(5)의 원통부(3)의 지름, 취출 배관(5)의 용기 커플링(4a)의 지름을 작게 할 수 있고, 그 결과, 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a)을 용기(9)에 수납하여(도 5, 도 6 참조), 수소의 정제를 행할 때에, 이들의 부근으로부터의 가스 누설을 보다 확실히 방지할 수 있기 때문이다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 관판(2)에는, 미리 팔라듐 합금 세관(1)을 장착하는 위치에, 이것을 삽입하기 위한 관통공이 마련된다. 팔라듐 합금 세관(1)의 관판(2)에의 지지는, 용접 등에 의해 행해진다. 지지부(2c)는, 이 관통공이나 용접에 의해 구성된다. 이 때, 수소 분리막을 투과한 순수소의 유로 공간을 확보하기 위해서, 필요에 따라서 팔라듐 합금 세관(1)의 내부에 코일 모양의 스프링을 삽입하는 것도 가능하다. 또, 관판(2)은 니켈제인 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용되는 순수소의 취출 배관(5)은, 관판(2)측의 단부에 해당 관판(2)의 외주부(2b)와 밀착하는 원통부(3)를 가지고 있다. 원통부(3)는, 관판(2)과의 밀착부에서 가스 누출이 없도록, 적어도 관판(2)의 외주부(2b)의 측면에서 원통으로 형성되어 있으면 좋고, 취출 배관 본체(8)와 관판(2)과의 사이의 부분은, 그 단면이 도 1에 나타내는 바와 같은 コ자 형상 외에, 원추대(圓錐台)의 형상, 반원의 형상, 또는 이들에 유사한 형상 등이라도 괜찮다. 또, 순수소의 취출 배관(5)은, 관판(2)과 반대측의 단부에, 수납 구조물(200)의 순수소 취출구(13)와 접속하는 취출구 커플링(4), 예를 들면 도 3의 (1), (2)에 나타내는 바와 같은 수형(雄型)) 또는 암형(雌型)의 커플링을 가지고 있다.
게다가, 본 발명의 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛에 관해서는, 순수소의 취출 배관(5)은, 원통부(3)와 취출구 커플링(4)과의 사이의 위치에, 수납 구조물(200)의 용기(9)의 개구부(14)와 밀착하는 용기 커플링(4a), 예를 들면, 도 3의 (3)에 나타내는 바와 같은 암형 또는 수형(도시하지 않음)의 커플링을 가지고 있다. 용기 커플링(4a)은, 통상은 팔라듐 합금 세관(1)의 길이나 수납 구조물(200)의 용기(9)의 길이와의 관계에서, 바람직한 위치에서 순수소의 취출 배관(5)의 취출 배관 본체(8)에 고정하여 장착된다.
이들 취출구 커플링(4), 용기 커플링(4a)은, 후술하는 수납 구조물(200)의 내부에 마련된 이들 커플링과 접속 또는 밀착하는 부재(접속 부재(13a), 밀착 부재(14a))에 대해서, 장착 떼어냄이 자유 자재로 되도록 설정된다. 즉, 취출구 커플링(4)은, 수납 구조물(200)의 내부에 마련되며, 취출구 커플링(4)과 접속하는 접속 부재(13a)에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부(41)를 가진다. 또, 용기 커플링(4a)은, 수납 구조물(200)의 내부에 마련되며, 용기 커플링(4a)과 밀착하는 밀착 부재(14a)에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부(41a)를 가진다. 예를 들면, 수납 구조물(200)의 순수소 취출구(13)가 수형의 커플링을 가지는 경우, 취출구 커플링(4)은 이것에 나사 결합하는 암형의 커플링이 되고, 수납 구조물(200)의 순수소 취출구(13)가 암형의 커플링을 가지는 경우, 취출구 커플링(4)은 이것에 나사 결합하는 수형의 커플링이 된다. 또, 마찬가지로 수납 구조물(200a)의 용기(9)의 개구부(14)가 수형의 커플링을 가지는 경우, 용기 커플링(4a)은 이것에 나사 결합하는 암형의 커플링이 되고, 수납 구조물(200a)의 용기(9)의 개구부(14)가 암형의 커플링을 가지는 경우, 용기 커플링(4a)은 이것에 나사 결합하는 수형의 커플링이 된다.
또, 취출구 커플링(4)은, 팔라듐 합금 세관(1)을 투과한 순수소를, 누설하지 않고 수납 구조물(200)의 순수소 취출구(13)에 공급할 수 있는 기능을 가지고, 또 용기 커플링(4a)은, 수납 구조물(200a)의 용기(9)의 개구부(14)와의 기밀성을 확보할 수 있는 기능을 가지면, 특별히 커플링의 종류, 구조, 크기 등에 제한되지 않고, 예를 들면 나사가 없는 원터치 커플링 등도 사용 가능하다. 또, 상대 부재인 수납 구조물 내의 커플링이, 단독으로 상기와 같은 기능을 가지는 경우, 순수소의 취출 배관(5)의 해당 부분은, 원통 등의 형상을 가지는 단순한 구조의 배관이라도 좋고, 이러한 경우도 본 발명에 포함되는 것이다. 순수소의 취출 배관(5)은, 원통부(3), 취출구 커플링(4), 및 용기 커플링(4a)을 포함하여 스테인리스제인 것이 바람직하며, 관판(2)과 원통부(3)는, 니켈, 크롬, 및 철의 합금에 의해 용접되는 것이 바람직하다.
도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 수납 구조물(200, 200a)은, 전술과 같은 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a)을 수납하며, 해당 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a)과 일체로 되어 수소 정제 장치(300, 300a)를 구성한다. 본 발명의 수납 구조물(200, 200a)은, 전술과 같은 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a) 중, 적어도 팔라듐 합금 세관(1), 관판(2), 및 순수소의 취출 배관(5)의 원통부(3)를 용기(9)에 수납한다. 이하, 본 발명의 제1 형태의 수납 구조물(200)과 제2 형태의 수납 구조물(200a)에 대해 상세하게 설명한다.
도 5(실선 부분)에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제1 형태의 수납 구조물(200)은, 제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100)을 수납하는 U자 형상 또는 コ자 형상의 용기(9), 용기(9)의 외측으로부터 해당 용기 내를 가열하는 히터(10), 불순물을 포함하는 원료 수소를 용기(9)에 공급하는 원료 수소 공급구(11), 팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 해당 용기로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구(12), 및, 제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛의 순수소의 취출 배관(5)의 일단에 마련된 취출구 커플링(4)과 접속 가능한 부재(접속 부재(13a))를 가지는 순수소 취출구(13)를 구비하여 이루어지는 수납 구조물이다.
보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 제1 형태의 수납 구조물(200)은, 제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100)을 수납하며, 팔라듐 합금막 유닛(100)과 일체로 되어 수소 정제 장치(300)를 구성한다. 수납 구조물(200)은, 단부에 형성된 개구부(14)를 가지고, 개구부(14)로부터 삽입 통과된 복수의 팔라듐 합금 세관(1)을 수납하는 용기(9)와, 용기(9)의 외측으로부터 용기(9)의 내측을 가열하는 히터(10)와, 불순물을 포함하는 원료 수소를 용기(9)에 공급하는 원료 수소 공급구(11)와, 팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 용기(9)로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구(12)와, 취출구 커플링(4)과 접속 가능한 접속 부재(13a)를 가지는 순수소 취출구(13)를 구비한다.
도 6(실선 부분)에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제2 형태의 수납 구조물(200a)은, U자형 또는 コ자형의 형상을 가지며, 개구부(14)에 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100a)의 용기 커플링(4a)과 밀착 가능한 부재를 가지는, 팔라듐 합금막 유닛을 수납하는 용기(9), 용기(9)의 외측으로부터 용기(9) 내를 가열하는 히터(10), 불순물을 포함하는 원료 수소를 용기(9)에 공급하는 원료 수소 공급구(11), 팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 용기(9)로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구(12), 및 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100a)의 순수소의 취출 배관(5)의 일단에 마련된 취출구 커플링(4)과 접속 가능한 부재(접속 부재(13a))를 가지는 순수소 취출구(13)를 구비하여 이루어지는 수납 구조물이다.
보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 제2 형태의 수납 구조물(200a)은, 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100a)을 수납하며, 팔라듐 합금막 유닛(100a)과 일체로 되어 수소 정제 장치(300a)를 구성한다. 수납 구조물(200a)은, 단부에 형성된 개구부(14)와 개구부(14)에 용기 커플링(4a)과 밀착 가능한 밀착 부재(14a)를 가지며, 개구부(14)로부터 삽입 통과된 복수의 팔라듐 합금 세관(1)을 수납하는 용기(9)와, 용기(9)의 외측으로부터 용기(9)의 내측을 가열하는 히터(10)와, 불순물을 포함하는 원료 수소를 용기(9)에 공급하는 원료 수소 공급구(11)와, 팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 용기(9)로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구(12)와, 취출구 커플링(4)과 접속 가능한 접속 부재(13a)를 가지는 순수소 취출구(13)를 구비한다.
본 발명의 수납 구조물(200, 200a)에서 사용되는 용기(9)는, 정면으로부터 본 형상이 U자 형상 또는 コ자 형상이지만, 이들을 회전시켜 얻어지는 형상, 혹은 이들에 유사한 것도 포함된다. 또, 측벽의 단면의 형상은 통상은 원형이지만, 이것에 한정되지는 않는다. 용기(9)의 길이는, 통상은 팔라듐 합금 세관(1)의 길이의 1.05 ~ 1.3배이다. 또, 용기(9)의 저부(원료 수소 공급구(11))와 팔라듐 합금 세관(1)의 폐구 단부(7)와의 사이의 틈은, 팔라듐 합금 세관에서의 수소의 투과가 효율 좋게 행해지도록 좁게 되도록 설정하는 것이 바람직하고, 통상은 해당 틈이 1 ~ 10cm가 되도록 설정된다. 또, 용기(9)는 통상은 스테인리스제이다.
원료 수소 공급구(11)와 불순물 함유 가스 취출구(12)와의 위치는, 관판(2)의 위치보다 상류측이면 특별히 제한되는 것은 아니지만, 이들은 서로 떨어진 위치에 설정되는 것이 바람직하다. 도 5, 도 6에서, 원료 수소 공급구(11)와 불순물 함유 가스 취출구(12)의 위치를, 서로 바꾸어 부착하는 것도 가능하다. 순수소 취출구(13)의 선단부에는, 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 팔라듐 합금막 유닛의 취출구 커플링(4)과 접속 가능한 부재, 예를 들면 도 3의 (1), (2)에 나타내는 바와 같은 수형 또는 암형의 커플링이 마련된다. 그러나, 이것에 한정되지 않고, 팔라듐 합금막 유닛의 순수소의 취출 배관(5)의 경우와 마찬가지로, 예를 들면 나사가 없는 원터치 커플링 등도 사용 가능하다.
게다가, 본 발명의 제2 형태의 수납 구조물(200a)에 관해서는, 용기(9)의 개구부(14)의 선단부(16)에는, 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100a)의 용기 커플링(4a)과 밀착 가능한 부재(밀착 부재(14a))가 마련된다. 예를 들면, 도 7에 나타내는 바와 같은 용기 커플링(4a)의 접속 구조에서는, 용기 커플링(4a)의 선단부(15)의 내주에는 암나사가 마련되고, 개구부(14)의 선단부(16)의 외주에는 수나사가 마련되며, 나사를 돌려 조이는 것에 의해 패킹(17)이 벽면(18)에 밀착하여, 해당 부분에서의 기밀성을 얻는 것이 가능하다. 본 발명에서는, 용기 커플링(4a)과 개구부(14)와의 기밀성을 확보하는 것이 가능하면, 이러한 구조에 한정되지 않고, 예를 들면 나사를 가지지 않는 원터치 커플링 등도 사용 가능하다.
다음으로, 본 발명의 제1 형태의 수소 정제 방법과 제2 형태의 수소 정제 방법에 대해 상세하게 설명한다.
본 발명의 제1 형태의 수소 정제 방법은, 제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100)을, 제1 형태의 수납 구조물(200)에 수납하여 수소의 정제를 행하는 방법으로서, 팔라듐 합금 세관(1)을 소정의 기간 사용한 후, 팔라듐 합금 세관(1)의 기계적 강도가 저하한 후, 또는 팔라듐 합금 세관(1)의 주변부로부터 가스의 누설이 발생한 후, 팔라듐 합금 세관(1)을 팔라듐 합금막 유닛(100)마다 신규의 것과 교환하여 수소의 정제를 행하는 방법이다.
또, 본 발명의 제2 형태의 수소 정제 방법은, 제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛(100a)을, 제2 형태의 수납 구조물(200a)에 수납하여 수소의 정제를 행하는 방법으로서, 팔라듐 합금 세관(1)을 소정의 기간 사용한 후, 팔라듐 합금 세관(1)의 기계적 강도가 저하한 후, 또는 팔라듐 합금 세관(1)의 주변부로부터 가스의 누설이 발생한 후, 팔라듐 합금 세관(1)을 팔라듐 합금막 유닛(100a)마다 신규의 것과 교환하여 수소의 정제를 행하는 방법이다.
또, 본 발명에서, 팔라듐 합금 세관(1)의 소정의 사용 기간은, 팔라듐 합금 세관(1)의 조건(막 두께 등), 수소의 정제 조건(온도, 가스 압력 등), 사용 빈도 등에 의해 일괄적으로 정할 수 없지만, 통상은 6개월 ~ 5년이다. 또, 팔라듐 합금 세관(1)의 기계적 강도의 저하란, 팔라듐 합금 세관(1)을 구성하는 팔라듐 합금막에 핀 홀 등이 발생한 경우, 팔라듐 합금막이 열화(劣化)한 경우, 팔라듐 합금막이 변질한 경우 등을 포함하는 것이다.
본 발명에 의해 수소의 정제를 행할 때에는, 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 팔라듐 합금막 유닛(100, 100a)이 수납 구조물(200, 200a)에 수납되며, 각 배관의 접속 등이 행해져 수소 정제 장치(300, 300a)가 조립되어진 후, 도 8의 (1) 또는 도 8의 (2)에 나타내는 바와 같이, 수납 구조물(200, 200a)의 원료 수소 공급구(11)가 원료 수소 공급 배관(19)과, 불순물 함유 가스 취출구(12)가 불순물 함유 가스 회수 배관(20)과, 순수소 취출구(13)가 순수소 회수 배관(21)과 접속된다.
또, 제2 형태에서는, 팔라듐 합금막 유닛(100a)의 순수소의 취출 배관(5)의 원통부(3)와, 수납 구조물(200a)의 용기(9)의 측벽의 사이에는, 팔라듐 합금막 유닛(100a)이 수납 구조물(200a)에 용이하게 수납할 수 있도록 하기 위해서, 0.2 ~ 10mm의 틈이 있는 것이 바람직하고, 0.5 ~ 5mm의 틈이 있는 것이 보다 더 바람직하다. 원료 수소가 해당 틈을 통과하여 배관 본체(8)의 쪽으로 흘러도, 수납 구조물(200a)의 용기(9)의 개구부(14)와 밀착하는 용기 커플링(4a)에 의해, 원료 수소의 외부로의 누설을 방지할 수 있다.
또, 제1 형태에서는, 상기와 같은 틈이 없는 것이 바람직하지만, 틈이 있는 경우는, 내열성 패킹 등의 씰(seal) 부재, 혹은 서로 맞물리는 나사부 등을 마련하여 원료 수소의 누설을 방지할 수 있다.
그 후, 원료 수소 공급구(11)로부터 불순물을 포함하는 원료 수소가, 히터(10)에 의해 가열된 용기(9) 내에 공급되어 수소의 정제가 행해진다. 수소 정제를 할 때의 팔라듐 합금 세관(1)의 온도는, 통상은 250 ~ 500℃, 바람직하게는 300 ~ 450℃이다. 또, 미리 예열기 등에 의해 원료 가스를 상기의 온도 정도로 가열하고 나서, 수소 정제 장치에 도입하는 것이 바람직하다. 원료 수소는 가열된 팔라듐 합금 세관(1)과 접촉하고, 수소만이 팔라듐 합금 세관(1)을 투과하며, 순수소의 취출 배관(5)의 배관 본체(8)를 경유하여, 순수소 취출구(13)에 공급된다. 또, 팔라듐 합금 세관(1)을 투과하지 않은 가스는, 불순물 함유 가스 취출구(12)로부터 회수된다.
본 발명의 수소 정제 방법에서는, 용기(9)의 1차측(팔라듐 합금 세관(1)보다 상류측)과 셀 2차측(팔라듐 합금 세관(1)보다 하류측)의 수소 분압의 차이가 클수록 단위 시간당 수소 투과량이 커진다. 그 때문에, 본 발명에서는, 통상은 원료 수소를 대기압보다 큰 압력으로 공급하고, 셀 2차측의 압력이 대기압 이하가 되도록 된다. 두께가 얇은 팔라듐 합금 세관(1)은, 이러한 분위기하에서 장기간 사용하면 기계적 강도가 저하하고, 결국 파괴해 버리므로, 그 전에 팔라듐 합금 세관(1)을 팔라듐 합금막 유닛마다 신규의 것과 교환하는 것이 바람직하다. 이후, 팔라듐 합금 세관(1)의 기계적 강도가 저하했을 때 등에, 동일하게 하여 팔라듐 합금막 유닛의 교환이 반복하여 행해진다.
[실시예]
다음으로, 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1］
(제1 형태의 팔라듐 합금막 유닛의 제작)
직경 25mm, 두께 5mm의 원반 모양의 니켈제 관판(2)에, 팔라듐, 은, 및 금을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 팔라듐 합금 세관(1)(외경 1.8mm, 두께 70㎛, 길이 300mm) 35개를, 복수의 동심원 상(上)에 용접했다. 또, 일단에 원통부(3)(내경 25mm, 길이 20mm)를 가지고, 다른 일단에 도 3의 (2)에 나타내는 바와 같은 수형의 커플링(나사부의 내경 30mm, 길이 70mm)을 가지는 순수소의 취출 배관(5)(배관 본체(8)의 외경 7mm, 길이 200mm)을 제작했다. 이어서, 원통부(3)와 관판(2)을, 니켈, 크롬, 및 철의 합금에 의해 용접하고, 도 1에 나타내는 바와 같은 팔라듐 합금막 유닛을 제작했다.
(제1 형태의 수납 구조물의 제작, 수소 정제 장치의 제작)
원료 수소 공급구(11), 불순물 함유 가스 취출구(12)를 가지는 U자 형상의 용기(9)(내경 25mm, 길이 400mm)의 외측에 히터(10)를 마련한 후, 순수소 취출구(13)를 설치하고, 그 선단에 상기의 팔라듐 합금막 유닛의 수형의 커플링과 감합(嵌合, 끼워 맞춤)하는 암형의 커플링을 마련하여 수납 구조물을 제작했다.
그 후, 팔라듐 합금막 유닛을 수납 구조물에 수납하고, 팔라듐 합금막 유닛의 수형의 커플링과 수납 구조물의 암형의 커플링을 접속한 후, 원료 수소 공급 배관(19), 불순물 함유 가스 회수 배관(20), 및 순수소 회수 배관(21)을 접속하여, 도 8의 (1)에 나타내는 바와 같은 수소 정제 장치를 제작했다.
(수소 정제 시험)
U자 형상의 용기 내의 온도를 600℃로 승온함과 아울러 수소를 도입하여, 10시간 가열 처리를 행했다. 이어서 420℃까지 온도를 저하시키고, 1차측(팔라듐 합금 세관(1)보다 상류측)의 공간과 2차측(팔라듐 합금 세관(1)보다 하류측)의 공간의 차압(差壓)이 1.0MPa이 되도록 제어하면서, 불순물(질소, 산소, 이산화탄소 등)을 합계로 약 400ppm 포함하는 원료 수소를 원료 수소 공급구(11)로부터 도입하고, 수소의 정제를 행했다. 그 결과, 1시간의 처리로 순수소 취출구(13)로부터 820L의 순수소가 얻어졌다.
이 때, 원료 가스의 공급량에 대한 불순물 함유 가스의 배출량은, 실시예(불순물 400ppm)에서는 약 2%로 제어된다.
(팔라듐 합금막 유닛의 교환)
전술의 수소 정제 시험에서, 팔라듐 합금 세관(1)의 기계적 강도가 저하했다고 가정하여, 다음과 같이 팔라듐 합금막 유닛의 교환을 행했다.
수소 정제 시험이 종료한 상태에서, 순수소 회수 배관(21)의 밸브를 닫아, 질소를 원료 수소 공급구(11)로부터 도입하고, U자 형상의 용기 내를 질소 분위기로 한 후, 팔라듐 합금막 유닛의 수형의 커플링과 수납 구조물의 암형의 커플링을 떼어냈다. 이어서, 수납 구조물의 순수소 취출구(13)를 이동하고, 수납 구조물로부터 팔라듐 합금막 유닛을 취출하며, 신규의 팔라듐 합금막 유닛을 수납 구조물에 수납했다. 그 후, 수납 구조물의 순수소 취출구(13)를 원래의 위치로 되돌리고, 유닛의 수형의 커플링과 수납 구조물의 암형의 커플링을 접속하여 유닛의 교환을 완료했다.
[실시예 2]
(제2 형태의 팔라듐 합금막 유닛의 제작)
직경 25mm, 두께 5mm의 원반 모양의 니켈제 관판(2)에, 팔라듐, 은, 및 금을 주성분으로 하는 합금으로 이루어지는 팔라듐 합금 세관(1)(외경 1.8mm, 두께 70㎛, 길이 300mm) 35개를, 복수의 동심원 상에 용접했다. 또, 일단에 원통부(3)(내경 25mm, 길이 20mm)를 가지고, 다른 일단에 도 3의 (2)에 나타내는 바와 같은 수형의 커플링을 가지며, 중앙부에 도 3의 (3)에 나타내는 바와 같은 암형의 커플링(나사부의 내경 30mm, 길이 70mm)을 가지는 순수소의 취출 배관(5)(배관 본체(8)의 외경 7mm, 길이 200mm)을 제작했다. 이어서, 원통부(3)와 관판(2)을, 니켈, 크롬, 및 철의 합금에 의해 용접하여, 도 2에 나타내는 바와 같은 팔라듐 합금막 유닛을 제작했다.
(제2 형태의 수납 구조물의 제작, 수소 정제 장치의 제작)
원료 수소 공급구(11), 불순물 함유 가스 취출구(12)를 가지며, 개구부의 선단부(16)에 상기의 팔라듐 합금막 유닛의 암형의 커플링과 나사 결합하는 수형의 커플링을 마련한 U자 형상의 용기(9)(내경 30mm, 길이 400mm)의 외측에 히터(10)를 마련한 후, 순수소 취출구(13)를 설치하고, 그 선단에 상기의 팔라듐 합금막 유닛의 수형의 커플링과 나사 결합하는 도 3의 (1)에 나타내는 바와 같은 암형의 커플링을 마련하여 수납 구조물을 제작했다.
그 후, 팔라듐 합금막 유닛을 수납 구조물에 수납하고, 팔라듐 합금막 유닛의 수형의 커플링과 수납 구조물의 암형의 커플링을 접속한 후, 원료 수소 공급 배관(19), 불순물 함유 가스 회수 배관(20), 및 순수소 회수 배관(21)을 접속하여, 도 8의 (1)에 나타내는 바와 같은 수소 정제 장치를 제작했다.
(수소 정제 시험)
U자 형상의 용기 내의 온도를 600℃로 승온함과 아울러 수소를 도입하여, 10시간 가열 처리를 행했다. 이어서 420℃까지 온도를 저하시키고, 1차측(팔라듐 합금 세관(1)보다 상류측)의 공간과 2차측(팔라듐 합금 세관(1)보다 하류측)의 공간의 차압이 1.0MPa이 되도록 제어하면서, 불순물(질소, 산소, 이산화탄소 등)을 합계로 약 400ppm을 포함하는 원료 수소를 원료 수소 공급구(11)로부터 도입하고, 수소의 정제를 행했다. 그 결과, 1시간의 처리로 순수소 취출구(13)의 하류측으로부터 830L의 순수소가 얻어졌다.
이 때에도, 원료 가스의 공급량에 대한 불순물 함유 가스의 배출량은, 실시예(불순물 400ppm)에서는 약 2%로 제어된다.
(팔라듐 합금막 유닛의 교환)
전술의 수소 정제 시험에서, 팔라듐 합금 세관(1)의 기계적 강도가 저하했다고 가정하여, 다음과 같이 팔라듐 합금막 유닛의 교환을 행했다.
수소 정제 시험이 종료한 상태에서, 순수소 회수 배관(21)의 밸브를 닫아, 질소를 원료 수소 공급구(11)로부터 도입하고, U자 형상의 용기 내를 질소 분위기로 한 후, 2개소의 커플링을 떼어냈다. 이어서, 수납 구조물의 순수소 취출구(13)를 이동하고, 수납 구조물로부터 팔라듐 합금막 유닛을 취출하며, 신규의 팔라듐 합금막 유닛을 수납 구조물에 수납했다. 그 후, 수납 구조물의 순수소 취출구(13)를 원래의 위치에 되돌리고, 2개소의 커플링을 접속하여 팔라듐 합금막 유닛의 교환을 완료했다.
이상과 같이, 본 발명의 팔라듐 합금막 유닛 및 그 수납 구조물을 이용한 수소 정제 장치는, 1개소 또는 2개소의 커플링에 의해, 수소 정제 장치의 일체 조합 및 분리를 용이하게 할 수 있고, 일체로 조합시켰을 때에 내부의 기밀성을 해치지 않으므로, 기계적 강도가 저하한 경우 등, 팔라듐 합금 세관의 교환이 필요할 때에, 팔라듐 합금 세관을, 팔라듐 합금막 유닛마다 용이하게 신규의 것과 교환하는 것이 가능하다.
1 : 팔라듐 합금 세관 2 : 관판
3 : 원통부 4 : 취출구 커플링
4a : 용기 커플링 5 : 순수소의 취출 배관
6 : 개구 단부 7 : 폐구 단부
8 : 배관 본체 9 : 용기
10 : 히터 11 : 원료 수소 공급구
12 : 불순물 함유 가스 취출구 13 : 순수소 취출구
14 : 용기의 개구부 15 : 용기 커플링의 선단부
16 : 용기의 개구부의 선단부 17 : 패킹
18 : 벽면 19 : 원료 수소 공급 배관
20 : 불순물 함유 가스 회수 배관 21 : 순수소 회수 배관
100, 100a : 팔라듐 합금막 유닛 200, 200a : 수납 구조물
300, 300a : 수소 정제 장치
3 : 원통부 4 : 취출구 커플링
4a : 용기 커플링 5 : 순수소의 취출 배관
6 : 개구 단부 7 : 폐구 단부
8 : 배관 본체 9 : 용기
10 : 히터 11 : 원료 수소 공급구
12 : 불순물 함유 가스 취출구 13 : 순수소 취출구
14 : 용기의 개구부 15 : 용기 커플링의 선단부
16 : 용기의 개구부의 선단부 17 : 패킹
18 : 벽면 19 : 원료 수소 공급 배관
20 : 불순물 함유 가스 회수 배관 21 : 순수소 회수 배관
100, 100a : 팔라듐 합금막 유닛 200, 200a : 수납 구조물
300, 300a : 수소 정제 장치
Claims (11)
- 용기, 원료 수소(水素) 공급구, 및 순(純)수소 취출구를 구비한 수납 구조물 중, 상기 용기에 수납되며, 상기 수납 구조물과 일체로 되어 수소 정제(精製) 장치를 구성하는 팔라듐 합금막 유닛으로서,
복수의 팔라듐 합금 세관(細管)과, 관판(管板)과, 순수소의 취출 배관을 구비하며,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관은, 각각, 복수의 폐구(閉口) 단부와 복수의 개구(開口) 단부를 가지고,
상기 복수의 폐구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 일단을 씰링하고,
상기 복수의 개구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 타단에 형성되며,
상기 관판은, 원반(圓盤) 모양의 외주부와 복수의 지지부를 가지고,
상기 복수의 지지부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 상기 복수의 개구 단부에서 지지하며,
상기 취출 배관은, 취출 배관 본체와, 상기 취출 배관 본체의 일단에 형성되며 상기 외주부와 밀착하는 원통부와, 상기 취출 배관 본체의 타단에 형성되며 상기 순수소 취출구에 장착 및 떼어냄 가능하게 접속하는 취출구 커플링을 가지는 팔라듐 합금막 유닛. - 용기, 원료 수소 공급구, 및 순수소 취출구를 구비한 수납 구조물 중, 상기 용기에 수납되며, 상기 수납 구조물과 일체로 되어 수소 정제 장치를 구성하는 팔라듐 합금막 유닛으로서,
복수의 팔라듐 합금 세관과, 관판과, 순수소의 취출 배관을 구비하며,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관은, 각각, 복수의 폐구 단부와 복수의 개구 단부를 가지고,
상기 복수의 폐구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 일단을 씰링하고,
상기 복수의 개구 단부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 타단에 형성되며,
상기 관판은, 원반 모양의 외주부와 복수의 지지부를 가지고,
상기 복수의 지지부는, 각각, 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 상기 복수의 개구 단부에서 지지하며,
상기 취출 배관은, 취출 배관 본체와, 상기 취출 배관 본체의 일단에 형성되며 상기 외주부와 밀착하는 원통부와, 상기 취출 배관 본체의 타단에 형성되며 상기 순수소 취출구와 접속하는 취출구 커플링과, 상기 원통부와 상기 취출구 커플링과의 사이의 위치에 상기 용기의 개구부와 밀착하는 용기 커플링을 가지는 팔라듐 합금막 유닛. - 청구항 1에 있어서,
상기 관판의 중심축, 상기 취출 배관의 중심축, 및 상기 취출구 커플링의 중심축이, 동일한 중심축이 되도록 설정된 팔라듐 합금막 유닛. - 청구항 2에 있어서,
상기 관판의 중심축, 상기 취출 배관의 중심축, 상기 취출구 커플링의 중심축, 및 상기 용기 커플링의 중심축이, 동일한 중심축이 되도록 설정된 팔라듐 합금막 유닛. - 청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 관판이 니켈로 구성되고,
상기 취출 배관이 스테인리스로 구성되며,
상기 관판과 상기 취출 배관이 니켈, 크롬, 및 철의 합금에 의해 용접된 팔라듐 합금막 유닛. - 청구항 1에 있어서,
상기 취출구 커플링은, 상기 수납 구조물의 내부에 마련되며 상기 취출구 커플링과 접속하는 접속 부재에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부를 가지는 팔라듐 합금막 유닛. - 청구항 2에 있어서,
상기 취출구 커플링은, 상기 수납 구조물의 내부에 마련되며 상기 취출구 커플링과 접속하는 접속 부재에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부를 가지고,
상기 용기 커플링은, 상기 수납 구조물의 내부에 마련되며 상기 용기 커플링과 밀착하는 밀착 부재에 대해서, 장착 및 떼어냄 가능한 착탈부를 가지는 팔라듐 합금막 유닛. - 청구항 1에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을 수납하며, 상기 팔라듐 합금막 유닛과 일체로 되어 수소 정제 장치를 구성하는 수납 구조물로서,
단부에 형성된 개구부를 가지며, 상기 개구부로부터 삽입 통과된 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 수납하는 용기와,
상기 용기의 외측으로부터 상기 용기의 내측을 가열하는 히터와,
불순물을 포함하는 원료 수소를 상기 용기에 공급하는 원료 수소 공급구와,
팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 상기 용기로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구와,
상기 취출구 커플링과 접속 가능한 접속 부재를 가지는 순수소 취출구를 구비하는 수납 구조물. - 청구항 2에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을 수납하며, 상기 팔라듐 합금막 유닛과 일체로 되어 수소 정제 장치를 구성하는 수납 구조물로서,
단부에 형성된 개구부와 상기 개구부에 상기 용기 커플링과 밀착 가능한 밀착 부재를 가지며, 상기 개구부로부터 삽입 통과된 상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 수납하는 용기와,
상기 용기의 외측으로부터 상기 용기의 내측을 가열하는 히터와,
불순물을 포함하는 원료 수소를 상기 용기에 공급하는 원료 수소 공급구와,
팔라듐 합금막을 투과하지 않은 불순물을 포함하는 가스를 상기 용기로부터 취출하는 불순물 함유 가스 취출구와,
상기 취출구 커플링과 접속 가능한 접속 부재를 가지는 순수소 취출구를 구비하는 수납 구조물. - 청구항 1에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을, 청구항 8에 기재된 수납 구조물에 수납하여 수소의 정제를 행하는 방법으로서,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 소정의 기간 사용한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도가 저하한 후, 또는,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 주변부로부터 가스의 누설이 발생한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 포함하는 상기 팔라듐 합금막 유닛을 신규의 팔라듐 합금막 유닛으로 교환하여, 수소의 정제를 행하는 수소 정제 방법. - 청구항 2에 기재된 팔라듐 합금막 유닛을, 청구항 9에 기재된 수납 구조물에 수납하여 수소의 정제를 행하는 방법으로서,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 소정의 기간 사용한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 기계적 강도가 저하한 후, 또는,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관의 주변부로부터 가스의 누설이 발생한 후,
상기 복수의 팔라듐 합금 세관을 포함하는 상기 팔라듐 합금막 유닛을 신규의 팔라듐 합금막 유닛과 교환하여 수소의 정제를 행하는 수소 정제 방법.
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