JP2016168593A - 水素分離膜モジュール及びこれを用いた水素分離方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素を含有する被処理ガスから高純度の水素ガスを十分効率的に分離することが可能な水素分離モジュール及びこれを用いた水素分離方法を提供する。
【解決手段】水素分離膜モジュール１０は、筒状の水素分離膜１と、ケーシング５と、内挿部材８と、水素分離膜１の内側に被処理ガスを供給するためのガス供給口１０ａと、水素分離膜１を透過しない非透過ガスを流路９の下流側から排出するためのガス排出口１０ｂと、水素分離膜１を透過した水素を排出するための水素排出口５ａとを備える。内挿部材８はガス供給口１０ａとガス排出口１０ｂを隔てるガス供給管８ｂと、ガス供給管８ｂの外径よりも大きい外径を有する内筒管８ａとを有する。被処理ガスの流路９は、内筒管８ａの外面８Ｆと水素分離膜１の内面１ａとによって画成されており、外面８Ｆと内面１ａの離間距離は１〜３０ｍｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素を含有する被処理ガスから水素を分離する水素分離膜モジュール及びこれを用いた水素分離方法に関する。

近年、地球温暖化問題をはじめとする環境問題がクローズアップされており、環境に対する負荷が小さい新エネルギーの研究開発が活発になされている。新エネルギーの一つとして水素が挙げられ、例えば、水素を燃料とする燃料電池が既に利用されている。

下記特許文献１には、水素を含有するガスから水素を分離するための技術が記載されており、具体的にはパラジウム合金膜管を備えた水素精製装置が記載されている。

特公平７−１１２９２３号公報

ところで、水素は、例えばメタンの水蒸気改質によって得られる（下記式（１））。水蒸気改質により水素とともに生成する一酸化炭素を水性ガスシフト反応に供することにより、水素の収率を高めることができる（下記式（２））。
ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２ …（１）
ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２ …（２）

都市ガスや灯油を改質器に供給して水素を製造する場合、通常、改質器では水素及びその他のガスを含む混合ガスが生成する。その他のガスとしては、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン及び水蒸気などが挙げられる。原料の種類や反応の条件によって異なるが、混合ガスの水素濃度が７０体積％程度であり、二酸化炭素濃度が３０体積％程度となる場合もある。

本発明者らの検討によると、上記のように水素以外のガスを多く含む混合ガスを従来の水素分離膜モジュールで処理すると、高純度の水素ガスを得ることができても、一回の処理で十分に高い回収率を達成することができず、分離効率が低いという問題がある。これは、従来の水素分離膜モジュールは、水素濃度が９９体積％を超える被処理ガスを更に高純度にすることを主目的に開発されたものであるためと推察される。

本発明は、水素を含有する被処理ガスから高純度の水素ガスを十分効率的に分離することが可能な水素分離モジュール及びこれを用いた水素分離方法を提供することを目的とする。

本発明は、水素を含有する被処理ガスから水素を分離する水素分離膜モジュールであって、水素が選択的に透過する筒状の水素分離膜と、水素分離膜を収容するケーシングと、水素分離膜の内側に配設されており、水素分離膜の内面とともに被処理ガスの流路を画成する外面を有する内挿部材と、水素分離膜の内側に被処理ガスを供給するためのガス供給口と、水素分離膜を透過しない非透過ガスを流路の下流側から排出するためのガス排出口と、ケーシングに設けられており水素分離膜を透過した水素を排出するための水素排出口を備える水素分離膜モジュールを提供する。

上記水素分離膜モジュールにおいては、水素分離膜の内面と内挿部材の外面とによって被処理ガスの流路が画成されている。この流路に被処理ガスを供給して水素分離膜の内面に沿うように被処理ガスを流すことにより、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜と接触する機会が十分に確保される。このため、水素排出口から排出される水素の量を十分に増大でき、高純度の水素ガスを十分に高い回収率で得ることができる。

本発明においては、内挿部材がガス供給管を有し、当該ガス供給管によってガス供給口とガス排出口が隔てられていることが好ましい。これにより、ガス供給口からの被処理ガスがガス排出口にショートカットするのを防止できる。

本発明において、筒状の水素分離膜は一方の端部の開口が閉鎖板によって閉鎖されており、内挿部材の外面が閉鎖板の近傍にまで延在していることが好ましい。かかる構成により、水素分離膜の閉鎖されている側の端部から他方の端部にわたって水素分離膜の内面に沿うように流路を形成することができ、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜と接触する機会がより一層十分に確保される。

本発明は、上記水素分離膜モジュールを用いた水素分離方法であり、筒状の水素分離膜の内面と内挿部材の外面とによって画成される流路に被処理ガスを供給し、被処理ガスに含まれる水素を筒状の水素分離膜の内側から外側へと透過させる水素分離方法を提供する。

本発明に係る水素分離方法によれば、上記流路に被処理ガスを供給して水素分離膜の内面に沿うように被処理ガスを流すことにより、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜と接触する機会が十分に確保される。なお、高純度の水素ガスを十分に高い回収率で得るには、被処理ガスの流量を調整して流路内に層流を生じさせることが好ましい。

本発明によれば、水素を含有する被処理ガスから高純度の水素ガスを十分効率的に分離することができる。

図１は、本発明に係る水素分離膜モジュールの一実施形態を示す模式断面図である。 図２は、本発明に係る水素分離膜モジュールの他の実施形態を示す模式断面図である。 図３は、ケーシング内に複数の水素分離膜を備える水素分離膜モジュールを示す断面図である。 図４は、図３に示す水素分離膜モジュールのケーシングを外した状態を示す上面図である。 図５は、従来の水素分離膜モジュールの一例を示す模式断面図である。 図６は、実施例、比較例及びシミュレーションの結果を示すグラフである。 図７は、実施例、比較例及びシミュレーションの結果を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

＜水素分離膜モジュール＞
（第一実施形態）
図１に示す水素分離膜モジュール（以下、単に「モジュール」という。）１０は、水素を含有する被処理ガスから水素を分離するためのものである。モジュール１０は、水素が選択的に透過する円筒状の水素分離膜１と、水素分離膜１を収容するケーシング５と、水素分離膜１の内側に配設された内挿部材８とを備える。なお、ケーシング５及び内挿部材８の材質としては、ステンレス鋼やインコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）などが挙げられる。

水素分離膜１は、水素を選択的に透過する性質を有する。水素の選択的な透過は、温度２００〜６００℃程度の条件下において、水素分離膜１の内面１ａに接触した水素分子が解離して水素原子となり、水素原子が内面１ａ側と外面１ｂ側の水素の分圧差をドライビングフォースとして外面１ｂ側へと移動し、外面１ｂ上において他の水素原子と結合して水素分子となることによって生じるものと推察される。

水素分離膜１を構成する材料としては、パラジウム、パラジウムと銅の合金及びパラジウムと銀の合金などが挙げられる。なお、水素分離膜１の水素透過性能低下を抑制するため、上記パラジウム又はパラジウム合金に他の元素を添加してもよい。他の元素としては、例えばＭｇ，Ｔｉ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｙ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｐｒ，Ｓｍ及びＧｄなどが挙げられる。

水素分離膜１は、上記材料のみからなる緻密膜であってもよく、あるいは、上記材料からなる緻密な薄膜を多孔体で支持してなるものであってもよい。前者の場合、水素分離膜１の厚さは、機械的強度及び水素透過性の点から、好ましくは２μｍ以上であり、より好ましくは５〜２５μｍである。後者の場合、薄膜の厚さは、加工性の点から、好ましくは２μｍ以上であり、より好ましくは５〜２５μｍである。

なお、水素分離膜１が上記材料からなる緻密な薄膜と、これを支持する多孔体とによって構成される場合、多孔体の側においてはガス種の置換が阻害されやすいため、混合ガス（被処理ガス）と接触する側を緻密な薄膜とし、透過後の水素が接触する側を多孔体とすることが好ましい。

水素分離膜１は円筒状であり、その内径は好ましくは１０ｍｍ以上であり、より好ましくは２５〜４０ｍｍである。水素分離膜１の長さは好ましくは５０ｍｍ以上であり、より好ましくは８０〜１０００ｍｍである。

水素分離膜１の先端側の開口１ｃは閉鎖板２によって閉鎖されている。他方、水素分離膜１の基端側の開口１ｄには、貫通孔３ａを有する板３が装着されている。この貫通孔３ａを通じて被処理ガスを水素分離膜１の内側に供給できるようになっている。なお、閉鎖板２及び板３の材質としては、ステンレス鋼やインコネル（登録商標）、ハステロイ（登録商標）などが挙げられる。水素分離膜１と、閉鎖板２及び板３との接合部は気密性が保たれており、これらの接合はロウ付けや電子ビーム溶接によって行うことができる。

内挿部材８は、水素分離膜１の内径よりも一回り小さい外径を有する内筒管８ａと、板３の貫通孔３ａに挿入されており先端が閉鎖板２の近傍に位置するガス供給管８ｂと、内筒管８ａとガス供給管８ｂとによって形成されるアニュラスを先端側において塞ぐ閉塞板８ｃ及び基端側で塞ぐ閉塞板８ｄとを有する。上記構成の内挿部材８を水素分離膜１の内側に配設することにより、内筒管８ａの外面８Ｆと水素分離膜１の内面１ａとによって被処理ガスの流路９が画成される。

内挿部材８の内筒管８ａは、閉鎖板２の近傍にまで延在している。内筒管８ａの先端（閉塞板８ｃの上面）と閉鎖板２の離間距離は、好ましくは０．１〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．１〜５ｍｍである。

内筒管８ａの外面８Ｆと水素分離膜１の内面１ａの離間距離は、好ましくは０．１〜３０ｍｍであり、より好ましくは１〜２５ｍｍであり、更に好ましくは１〜２０ｍｍである。この距離が０．１ｍｍ未満であると被処理ガスの流量を大きくしたときに水素の分離効率が不十分となりやすく、他方、３０ｍｍを超えると被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜１と接触する機会が低下しやすい。

ガス供給管８ｂの基端側には、切り欠８ｅが設けられている。流路９を通過してきたガス（非透過ガス）が切り欠８ｅを通じてガス排出口１０ｂに移送されるようになっている。本実施形態においては、ガス供給管８ｂの基端がガス供給口１０ａをなし、貫通孔３ａとガス供給管８ｂとの間のアニュラスがガス排出口１０ｂをなしている。なお、図１に示す通り、内挿部材８は、内筒管８ａとガス供給管８ｂとの間が空洞であるが、この部分は空洞でなくてもよい。

ケーシング５は、水素分離膜１を収容している。ケーシング５の上端面には水素排出口５ａが設けられている。水素分離膜１を透過した水素を水素排出口５ａから排出できるようになっている。

上記構成のモジュール１０によれば、以下のような効果が奏される。すなわち、モジュール１０においては、図１に矢印で示すように、水素分離膜１の内面１ａと内挿部材８の内筒管８ａの外面８Ｆとによって画成される流路９に被処理ガスを流すことができる。これにより、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜１と接触する機会が十分に確保される。このため、水素排出口５ａから排出される水素の量を十分に増大でき、高純度の水素ガスを十分に高い回収率で得ることができる。

また、モジュール１０においては、内挿部材８のガス供給管８ｂによってガス供給口１０ａとガス排出口１０ｂが隔てられている。これにより、ガス供給口１０ａからの被処理ガスがガス排出口１０ｂにショートカットするのを防止できる。

更に、モジュール１０においては、水素分離膜１は先端側の開口１ｃが閉鎖板２によって閉鎖されており、内挿部材８の内筒管８ａが閉鎖板２の近傍にまで延在している。かかる構成により、水素分離膜１の上端から下端にわたって水素分離膜１の内面１ａに沿うように流路９を形成することができ、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜１と接触する機会がより一層十分に確保される。

（第二実施形態）
図２に示すモジュール２０は、水素が選択的に透過する円筒状の水素分離膜１と、水素分離膜１を収容するケーシング５と、水素分離膜１の内側に配設された内挿部材１８とを備える。モジュール２０は、内挿部材８の代わりに、以下の構成の内挿部材１８を備える点において、上述のモジュール１０と相違する。以下、この相違点をなす内挿部材１８について主に説明する。

内挿部材１８は、図２に示す通り、内筒管１８ａと、その基端部をなすガス供給管１８ｂとによって構成される。本実施形態においては、内筒管１８ａの外面１８Ｆと水素分離膜１の内面１ａとによって被処理ガスの流路１９が画成される。内筒管１８ａは、ガス供給管１８ｂの外径よりも大きい外径を有する。非透過ガスが内挿部材１８と板３の間を通じてガス排出口２０ｂに至ることができる限り、内筒管１８ａの基端側は板３の近傍にまで延在していることが好ましい。本実施形態においては、ガス供給管１８ｂの基端がガス供給口２０ａをなし、貫通孔３ａとガス供給管１８ｂとの間のアニュラスがガス排出口２０ｂをなしている。

内挿部材１８の内筒管１８ａは、閉鎖板２の近傍にまで延在している。内筒管１８ａの先端と閉鎖板２の離間距離は、好ましくは０．１〜１０ｍｍであり、より好ましくは０．１〜５ｍｍである。また、内筒管１８ａの外面１８Ｆと水素分離膜１の内面１ａの離間距離は、好ましくは０．１〜３０ｍｍであり、より好ましくは１〜２５ｍｍであり、更に好ましくは１〜２０ｍｍである。

上記構成のモジュール２０によれば、以下のような効果が奏される。すなわち、モジュール２０においては、図２に矢印で示すように、水素分離膜１の内面１ａと内挿部材１８の内筒管１８ａの外面１８Ｆとによって画成される流路１９に被処理ガスを流すことができる。これにより、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜１と接触する機会が十分に確保される。このため、水素排出口５ａから排出される水素（透過ガス）の量を十分に増大でき、高純度の水素ガスを十分に高い回収率で得ることができる。

また、モジュール２０においては、内挿部材１８のガス供給管１８ｂによってガス供給口２０ａとガス排出口２０ｂが隔てられている。これにより、ガス供給口２０ａからの被処理ガスがガス排出口２０ｂにショートカットするのを防止できる。

更に、モジュール２０においては、水素分離膜１は先端側の開口１ｃが閉鎖板２によって閉鎖されており、内挿部材１８の内筒管１８ａが閉鎖板２の近傍にまで延在している。かかる構成により、水素分離膜１の上端から下端にわたって水素分離膜１の内面１ａに沿うように流路１９を形成することができ、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜１と接触する機会がより一層十分に確保される。

＜水素分離方法＞
次に、本発明に係る水素分離膜モジュールを用いた水素分離方法について説明する。ここでは、第一実施形態に係るモジュール１０を用いた水素分離方法を例示するが、モジュール２０を用いても同様に実施することができる。

本実施形態に係る水素分離方法は、水素分離膜１の内面１ａと内挿部材８の外面８Ｆとによって画成される流路９に被処理ガスを供給し、被処理ガスに含まれる水素を筒状の水素分離膜１の内側から外側へと透過させるものである。

被処理ガスの水素濃度は特に限定されるものではないが、被処理ガスの水素濃度は好ましくは５０体積％以上１００体積％未満であり、より好ましくは７０体積％以上１００体積％未満である。本発明に係る水素分離膜モジュールは比較的水素濃度が低い被処理ガスから高純度の水素を効率的に得られる点が特徴である。例えば、被処理ガスの水素濃度は９５体積％以下、９０体積％以下、８５体積％以下又は８０体積％以下であってもよい。

被処理ガスに含まれる水素以外のガスとしては、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素、水蒸気などが挙げられる。例えば、二酸化炭素の濃度が２０〜３０体積％の被処理ガスとして、合成ガス（水素及び一酸化炭素を含む混合ガス）を水性ガスシフト反応に供して得られる混合ガスが挙げられる。このガスは、更に、０．１〜５体積％の一酸化炭素、０．１〜５体積％のメタンを含む場合もあり、加えて、被処理ガスの０．１〜６０体積％の水蒸気を含む場合もある。

水素分離膜１の種類や性能にもよるが、使用時の水素分離膜１の温度は、好ましくは２００〜６００℃であり、より好ましくは３００〜５００℃である。水素分離膜１の内側の圧力は、好ましくは０．１〜５ＭＰａであり、より好ましくは０．５〜４ＭＰａである。他方、水素分離膜１の外側の圧力は、好ましくは水素分離膜１の内側の圧力より０．１ＭＰａ以上低い値であり、より好ましくは２ＭＰａ以上低い値である。

水素分離膜１の内面１ａの面積Ａ（ｃｍ^２）と、単位時間当たりの被処理ガスに含まれる水素の量Ｂ（Ｎｍ^３／時）との比Ａ／Ｂは、十分に高い回収率を達成する観点から、好ましくは０．０５以上であり、より好ましくは０．０９〜０．１１である（図７参照）。Ａ／Ｂの値が０．０５未満であると水素回収率が不十分となりやすい。なお、Ａ／Ｂの値が０．１１を超える場合は、被処理ガスの流量に対してモジュール１０の性能が過剰であることを意味する。

モジュール１０における流路９内においては、高純度の水素ガスを十分に高い回収率で得るには、被処理ガスの流れが層流であることが好ましい。被処理ガスの流量を調整したり、場合によっては流路９の流路断面積を適宜設定したりすることによって流路９内に層流を生じさせることができる。

本実施形態に係る水素分離方法によれば、流路９に被処理ガスを供給して水素分離膜１の内面１ａに沿うように被処理ガスを流すことにより、被処理ガスに含まれる水素分子が水素分離膜１と接触する機会が十分に確保される。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態においては、ケーシング５内に一つの水素分離膜１を設置する場合を例示したが、図３，４に示すように、ケーシング５内に複数の水素分離膜１を設置してもよい。図３に示すモジュール３０は、ケーシング５内に７本の水素分離膜１を有し（図４参照）、それぞれの水素分離膜１の内側に内挿部材２８が挿入されている。内挿部材２８は、第一実施形態に係る内挿部材８と同様の構成を有し、水素分離膜１の上端の閉鎖板２の近傍にまで延在している。なお、ケーシング５内に設置する水素分離膜１の本数は７本に限定されない。また、内挿部材２８の構成は、第二実施形態に係る内挿部材１８と同様のもの、または内挿部材８と内挿部材１８の混成であってもよい。

また、上記実施形態においては、製造の容易性の点で好適な例として、内挿部材８，１８の先端側から閉鎖板２に向けて放出された被処理ガスが流路９，１９へと単に流入する構成を挙げたが、水素分離膜１の先端側に以下のような工夫を施してもよい。例えば、水素分離膜１の長手方向に対して傾斜した方向にガスを吐出するノズルを水素分離膜１の先端側に設けてもよい。これにより、流路９，１９内を被処理ガスが螺旋状に流れ、より一層高い水素回収率が期待できる。

本発明においては、水素分離膜の内面と内挿部材の外面とによって流路が画成される構成であれば、水素分離膜は両端が開放された状態で使用されてもよい。また、被処理ガスの流れる方向が上記実施形態と逆向きであってもよい。水素分離膜の形状は円筒形に限られず、断面形状が楕円形や矩形、多角形であってもよい。

本発明に係る水素分離膜モジュール及びこれを用いた水素分離方法の効果を確認するため、以下の実施例１，２及び比較例１に係る水素分離試験を行った。

（実施例１）
図１に示すモジュール１０と同様の構成を有するモジュールを作製し、水素分離試験を行った。表１に本実施例に係るモジュールのサイズを示し、表２に評価条件を示す。

（実施例２）
図２に示すモジュール２０と同様の構成を有するモジュールを作製し、水素分離試験を行った。モジュールのサイズ及び評価条件は、実施例１と同様とした（表１，２参照）。

（比較例１）
図５に示すモジュール５０と同様の構成を有するモジュールを作製し、水素分離試験を行った。図５に示すモジュール５０は、内挿部材８が水素分離膜１の内側に配設されていない点において、図１に示すモジュール１０と相違する。モジュールのサイズ（内筒管を除く）及び評価条件は、実施例１と同様とした（表１，２参照）。

実施例１，２及び比較例１の結果を図６，７に示す。図６にはプロセスシミュレータ（商品名：ＰＲＯ／ＩＩ、インベンシス社製）による計算結果（理論値）、図７にはＣＦＤ（商品名：Ｆｌｕｎｅｔ ｖｅｒ．１２、ＡＮＳＹＳ社製）による計算結果（理論値）も示す。

本発明によれば、水素を含有する被処理ガスから高純度の水素ガスを十分効率的に分離することができる。

１…水素分離膜、１ａ…水素分離膜の内面、１ｂ…水素分離膜の外面、２…閉鎖板、５…ケーシング、５ａ…水素排出口、８，１８…内挿部材、８Ｆ，１８Ｆ…内筒管（内挿部材）の外面、８ａ，１８ａ…内筒管、８ｂ，１８ｂ…ガス供給管、９，１９…流路、１０，２０，３０…水素分離膜モジュール、１０ａ，２０ａ…ガス供給口、１０ｂ，２０ｂ…ガス排出口、２８…内挿部材。

Claims (3)

1. 水素を含有する被処理ガスから水素を分離する水素分離膜モジュールであって、
   水素が選択的に透過する筒状の水素分離膜と、
   前記水素分離膜を収容するケーシングと、
   前記水素分離膜の内側に配設されており、前記水素分離膜の内面とともに前記被処理ガスの流路を画成する外面を有する内挿部材と、
   前記水素分離膜の内側に前記被処理ガスを供給するためのガス供給口と、
   前記水素分離膜を透過しない非透過ガスを前記流路の下流側から排出するためのガス排出口と、
   前記ケーシングに設けられており前記水素分離膜を透過した水素を排出するための水素排出口と、
   を備え、
   前記内挿部材は、前記ガス供給口と前記ガス排出口を隔てるガス供給管と、前記ガス供給管の外径よりも大きい外径を有する内筒管とを有し、
   前記被処理ガスの前記流路は、前記内筒管の外面と前記水素分離膜の内面とによって画成されており、前記内筒管の外面と前記水素分離膜の内面の離間距離は１〜３０ｍｍである、水素分離膜モジュール。
2. 前記筒状の水素分離膜は一方の端部の開口が閉鎖板によって閉鎖されており、前記内挿部材の前記外面が前記閉鎖板の近傍にまで延在している、請求項１に記載の水素分離膜モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の水素分離膜モジュールを用いた水素分離方法であり、前記筒状の水素分離膜の内面と前記内挿部材の外面とによって画成される流路に前記被処理ガスを供給し、前記被処理ガスに含まれる水素を前記筒状の水素分離膜の内側から外側へと透過させる水素分離方法。

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