JP2019084473A - 水素分離膜モジュール及び水素生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型化を招くことなく、原料ガスから効率良く水素を取り出すための水素分離膜モジュール及び水素生成装置を提供する。【解決手段】 原料ガスから水素ガスを分離させて取り出すための水素分離膜モジュール１００であって、原料ガスから水素ガスを選択的に透過させる筒状の水素分離膜層１０と、水素分離膜層１０の外側及び内側のいずれか一方側に配された流路形成部材２０とを含む。流路形成部材２０は、水素分離膜層１０の側を向く第１の表面２１に、水素分離膜層１０の筒状の軸線周りを螺旋状に延びる溝２４を具える。溝２４と水素分離膜層１０との間で、原料ガスが水素分離膜層１０の周りを螺旋状に通過可能な流路５０が形成されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、水素を含有する原料ガスから水素を取り出すために用いられる水素分離膜モジュール及び水素生成装置に関する。

下記特許文献１には、水素を含有する原料ガスから水素を取り出すため水素分離膜モジュールが記載されている。この水素分離膜モジュールは、筒状の多孔性の支持体と、その外側に配された筒状の水素分離膜とを含む。水素分離膜には、例えば、水素のみを選択的に通過させることができる薄膜材料（例えば、Ｐｄ等を主成分とする金属材料）が用いられている。

水素を含む原料ガスが、例えば、水素分離膜の外周面側に供給されると、前記原料ガス中の水素のみが水素分離膜を透過して、その内周面側、すなわち筒状の支持体内部へ移動する。したがって、前記支持体内部から高純度の水素（水素ガス）を取り出すことができる。

特開２００８−１５５１１８号公報

水素分離膜を有する流路中に原料ガスを流した場合、その流れの過程で、ある割合で徐々に原料ガスから水素が分離される。このため、流路の下流側を流れる原料ガス中の水素原子量は少なくなる。すなわち、流路の下流側では、水素原子量の少ない原料ガスを分離処理しなければならない。

一方、前記流路の距離が十分に長くない場合、原料ガスが水素分離膜と十分に接触せず、ひいては、水素が比較的多く残ったままの原料ガスが排出されてしまう。このような状況は、水素分離効率を高める上では、好ましくない。

原料ガスから効率良く水素を分離して取り出すためには、原料ガスをより長い距離及び／又はより高い頻度で水素分離膜に接触させ、未反応状態で排出される原料ガスの量を減少させることが重要である。しかしながら、原料ガスと水素分離膜との流路距離を大きく確保しようとすると、水素分離膜モジュールが大型化するという問題があった。特に、モジュールの大型化は、例えば、部品の小型化が強く要求される業界での利用（例えば、自動車用部品等）の妨げになるという課題があった。

本発明は、以上のような実情に鑑み案出なされたもので、過度の大型化を招くことなく、原料ガスから効率良く水素を取り出すための水素分離膜モジュール及び水素生成装置を提供することを主たる目的としている。

本発明は、原料ガスから水素ガスを分離させて取り出すための水素分離膜モジュールであって、前記原料ガスから水素ガスを選択的に透過させる筒状の水素分離膜層と、前記水素分離膜層の外側及び内側のいずれか一方側に配された筒状の流路形成部材とを含み、前記流路形成部材は、前記水素分離膜層側を向く第１の表面に、前記水素分離膜層の前記筒状の軸線周りを螺旋状に延びる溝を具え、前記溝と前記水素分離膜層との間で、前記原料ガスが前記水素分離膜層の周りを螺旋状に通過可能な流路が形成されている。

本発明の他の態様では、前記水素分離膜層の前記一方側と反対の側である他方側には、前記原料ガスから分離された水素ガスを取り出すための空間が形成されても良い。

本発明の他の態様では、前記流路形成部材は、前記水素分離膜層の前記外側に配置されても良く、前記空間が前記水素分離膜層の前記内側に形成されても良い。

本発明の他の態様では、前記流路の一端側に、前記原料ガスを供給するための供給部が設けられても良く、前記流路の他端側には、前記水素分離膜層と接触した後の前記原料ガスを排出するための排気部が設けられても良い。

本発明の他の態様では、前記溝の横断面は、前記水素分離膜層側に向かって溝幅が拡大するように構成されても良い。

本発明の他の態様では、前記流路形成部材と前記水素分離膜層との間に隙間が介在していても良い。

本発明の他の態様では、前記流路形成部材と前記水素分離膜層との間に、前記隙間を保持するための保持部材がさらに設けられても良い。

本発明の他の態様では、前記流路形成部材の前記溝は、前記水素分離膜層で実質的に閉じられていても良い。

本発明の他の態様では、前記水素分離膜層が金属材料で構成されており、前記流路形成部材が絶縁性材料で構成されており、前記流路形成部材の前記第１の表面と反対側の第２の表面の側に、筒状の電極部材が配されており、前記水素分離膜層は、前記水素分離膜層と前記電極部材との間で誘電体バリア放電を生じさせるための交流電源に接続可能に構成されても良い。

本発明の他の態様では、原料ガスから水素ガスを分離させて取り出すための水素分離膜モジュールであって、前記原料ガスから水素ガスを選択的に透過させる筒状の水素分離膜層と、前記水素分離膜層の外側及び内側のいずれか一方側に配された筒状の流路形成部材とを含み、前記水素分離膜層は、前記流路形成部材側を向く表面に、前記流路形成部材の前記筒状の軸線周りを螺旋状に延びる溝を具え、前記溝と前記流路形成部材との間で、前記原料ガスが前記水素分離膜層の周りを螺旋状に通過可能な流路が形成されている。

本発明の他の態様では、上記に記載のいずれかの水素分離膜モジュールを用いた水素生成装置として構成されても良い。

本発明の水素分離膜モジュールは、水素分離膜層を大型化することなく、原料ガスが流れる流路を長くできる。したがって、原料ガスを水素分離膜層により長い距離及び／又はより高い頻度で接触させることができる。また、流路を螺旋状としたことで、水素分離膜層の筒状の表面を有効に活用でき、水素ガスと水素分離膜層との接触機会が増加する。したがって、本発明の水素分離膜モジュールは、過度の大型化を招くことなく、原料ガスから効率良く水素を取り出すことができる。

第１実施形態の水素分離膜モジュールの正面図（一部断面図）である。 図１の斜視図である。 図１の分解斜視図である。 図１の要部拡大図である。 （Ａ）は実施形態のモジュールでの原料ガスの流れを説明する概略斜視図、（Ｂ）は本発明外モジュールでの原料ガスの流れを示す概略斜視図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、溝の変形例を示す図１の要部断面図である。 流路の変形例を示す図１の要部拡大図である。 流路の他の変形例を示す図１の要部拡大図である。 第２実施形態の水素分離膜モジュールの正面図（一部断面図）である。 図９の斜視図である。 図９の分解斜視図である。 図９の要部拡大図である。 第２実施形態の水素分離膜モジュールの変形例１の正面図（一部断面図）である。 図１３の要部拡大図である。 第１実施形態の変形例２の水素分離膜モジュールの要部拡大図である。 第２実施形態の変形例１の水素分離膜モジュールの要部拡大図である。 第３実施形態の変形例２の水素分離膜モジュールの要部拡大図である。

以下、本発明の実施形態が図面に基づき詳細に説明される。図面は、本発明を例示及び説明する目的で使用されるもので、本発明は、図面に表された具体的な形態等に限定して解釈されるものではない。また、図面に表されている装置の縮尺やバランス等は、各図を通して統一されているわけではないし、構成の理解を助けるために、一部誇張して描かれている場合がある。また、全ての実施形態を通して、同一又は共通する要素には同じ番号が付されており、重複する説明が省略される場合がある。

［第１実施形態］
先ず、本発明の第１実施形態が説明される。第１実施形態は、水素を含む原料ガスから水素ガスを分離させて取り出すための水素分離膜モジュール（以下、単に、「モジュール」ということがある。）１００であって、例えば、熱改質方式の水素分離に適したものに関する。原料ガスは、水素を含有するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、メタンやアンモニア等を採用することができる。

［水素分離膜モジュール］
図１は、本実施形態の水素分離膜モジュール１００の正面図を示す。理解しやすいように、図１では、上半分が断面図として描かれている。図２及び図３は、モジュール１００の斜視図及び分解斜視図である。図１ないし図２を参照すると、本実施形態のモジュール１００は、例えば、水素分離膜層１０と、流路形成部材２０とを含んで構成される。

［水素分離膜層］
図３に示されるように、水素分離膜層１０は、筒状に形成される。この水素分離膜層１０は、例えば、水素分離膜１２を用いて構成されても良い。水素分離膜１２は、原料ガスから水素ガスを選択的に（即ち、水素のみを選択して）透過させる性質を有する薄膜である。好ましい態様では、水素分離膜層１０は、例えば、シート状で準備された水素分離膜１２を円筒状に巻回して成形し、シート両端部を溶接等により固着することで作られる。他の態様では、水素分離膜層１０は、楕円状や多角形状等の筒状に構成されても良い。

水素分離膜１２としては、典型的には、上記特許文献１に例示されているようなＰｄを含む金属材料、例えば、Ｐｄ−Ｃｕ合金やＰｄ−Ａｇ合金等が好適である。前者の場合、Ｐｄは、質量％で少なくとも５０％〜７５％、好ましくは５５％〜７０％含まれることが望ましく、Ｃｕは、２５％〜５０％、好ましくは３０％〜４５％含まれることが望ましい。後者の場合、Ｐｄは、少なくとも５０％〜８５％、好ましくは５５％〜８０％含まれるのが望ましく、Ａｇについては、少なくとも１５％〜５０％、好ましくは２０％〜４５％含まれるのが望ましい。ただし、本発明の本質からすれば、水素分離膜１２の材料は、水素を選択的に透過させる材料であれば、特に限定されるものではない。

一般に、水素分離膜１２の厚さが小さいほど、水素透過性能は向上する。一方、水素分離膜１２の厚さが小さくなると、ピンホールなどの内部欠陥の影響を受けやすくなり、また、取扱いが困難になるおそれがある。特に限定されるものではないが、水素分離膜１２の厚さは、好ましくは５０μm以下、より好ましくは５〜２５μm程度とされるのが望ましい。

水素分離膜層１０の軸線方向の両端には、エンドキャップ４０及び４２が配されている。エンドキャップ４０は、水素分離膜層１０の軸線方向の一端側に固着されており、エンドキャップ４２は、水素分離膜層１０の軸線方向の他端側に固着されている。エンドキャップ４０及び４２は、例えば、溶接等により、水素分離膜層１０に気密に固着されている。これにより、水素分離膜層１０の内側には、気密な空間Ｏが提供される。

［流路形成部材］
流路形成部材２０は、例えば、水素分離膜層１０に対応した筒状（円筒状）に形成されている。また、流路形成部材２０は、例えば、水素分離膜層１０の外側及び内側のいずれか一方側に配される。図１に示されるように、この実施形態では、流路形成部材２０は、水素分離膜層１０の外側に配置される（すなわち、この態様では、水素分離膜層１０の前記一方側は、「外側」とされ、水素分離膜層１０の他方側は「内側」とされる。）。他の態様では、流路形成部材２０は、水素分離膜層１０の内側に配置されても良い（図示省略）。

流路形成部材２０の軸線方向の両端部は、例えば、エンドキャップ４０及び４２と気密に接合されている。任意の事項ではあるが、好ましい態様として、流路形成部材２０の両端部と、エンドキャップ４０、４２との間には、Ｏリングや各種のスペーサー等の保持部材７０が装着されても良い。保持部材７０は、水素分離膜層１０と流路形成部材２０との間に気密な空間を提供するのに役立つ。

この実施形態では、流路形成部材２０は、例えば、水素分離の温度条件に耐えうる耐熱性を具えるものであれば、特に限定されることなく種々の材料を用いて形成することができ、例えば、各種の金属材料の他、セラミックスやガラス等の無機材料で構成されても良い。また、好ましい態様では、内部が観察できるよう、流路形成部材２０は、透明で形成されても良い。本実施形態では、流路形成部材２０として、例えば、石英ガラスが用いられている。

流路形成部材２０は、水素分離膜層１０側を向く第１の表面２１と、その反対側の第２の表面２２とを具える。この実施形態では、第１の表面２１が、流路形成部材２０の内周面に相当し、第２の表面２２が、流路形成部材２０の外周面に相当する。

流路形成部材２０の第１の表面２１には、水素分離膜層１０の軸線周りを螺旋状に延びる溝２４が形成されている。図４には、図１の部分拡大図が示される。図４に示されるように、この実施形態では、溝２４と水素分離膜層１０との間に、水素分離膜層１０の周りを螺旋状に延びる流路５０が形成されている。このような溝２４は、例えば、流路形成部材２０を切削加工することによって形成され得る。

［モジュールの作用］
本実施形態のモジュール１００は、例えば、予め定められた水素を分離させるための改質環境下（例えば、流路内温度４５０℃程度）において、流路５０の一端側に前記原料ガスが供給されて使用される。これにより、原料ガスは、図５（Ａ）に略示されるように、水素分離膜層１０と接触しながら水素分離膜層１０の周りを螺旋状に通過することができる。この際、水素分離膜層１０に接触した原料ガス中の水素分子のみが、順次、水素分離膜層１０に吸着され、水素原子となって水素分離膜層１０を透過する。水素分離膜層１０を透過した水素原子は、その内側の空間で水素分子となって水素分離膜層１０から離脱する。これにより、原料ガスから水素が分離される。

上記の工程において、原料ガスは、水素分離膜層１０の周囲を螺旋状に通過するため、水素分離膜層１０とより長い距離及び／又はより高い頻度で接触する。したがって、流路５０の上流側のみならず、流路５０の下流側においても、上記の作用が得られる。つまり、流路５０の上流側から下流側まで広い範囲において、万遍なく水素生成と水素分離を行い、水素分離膜層１０を有効に活用することができる。一方、本実施形態のような流路５０が設けられていない場合、図５（Ｂ）に示されるように、原料ガスは、水素分離膜層１０の一部のみに接して通過することになり、かつ、その移動ルートもランダムなものになり、上述の作用は得られない。

以上のように、本実施形態のモジュール１００は、過度の大型化（例えば、水素分離膜層１０の軸線方向の長さの拡張等）を招くことなく、原料ガスを、水素分離膜層１０により長い距離及び／又はより高い頻度で接触させて、効率良く水素を取り出すことができる。また、本実施形態のモジュール１００では、未反応状態の原料ガスや分離されなかった水素ガスの排出を極力少なくすることができ、その結果、高純度の水素を効率良く得ることが可能となる。さらに、本実施形態のモジュール１００では、流路５０内に原料ガスを供給することのみで、水素生成、水素分離及び非水素ガスの排出といった一連の機能を一つのモジュールで行うことができる利点がある。なお、この実施形態の熱改質方式の場合、例えば、流路形成部材２０の流路５０中に、反応を促進するための白金等の触媒を担持させても良い。

水素分離膜層１０の内側には、原料ガスから分離された水素ガスを取り出すための空間Ｏが形成されている。このような態様では、モジュール１００の内部空間であるデッドスペースを有効に活用することができる。空間Ｏに集められた水素（水素ガス）は、例えば、エンドキャップ４０又は４２に設けられた取出口６０から適宜モジュールの外部に取り出すことができる。なお、水素分離膜層１０の他方側（内側）に流路形成部材２０が設けられる態様では、前記空間Ｏが水素分離膜層１０の外側に、例えば、筒状の空間として形成されても良い。この場合、水素分離膜層１０の内側は、例えば、各種の部品（例えば、ヒータ材）を配置するための空間として利用可能である。

本実施形態のモジュール１００は、特に限定されることなく、あらゆる用途に適用可能であるが、例えば、各種燃料電池用の高純度水素発生装置として好適に実施され、とりわけ、小型化の要請が特に強く要求される自動車用として好適である。

［流路の好ましい態様］
好ましい態様では、図１に示されるように、流路５０の一端側には、例えば、原料ガスを供給するための供給部５２が設けられる。供給部５２は、例えば、流路形成部材２０から外部に突出する筒状であり、その一端が外部に開放されており、かつ、他端が螺旋状の流路５０に連通している。

同様に、好ましい態様では、流路５０の他端側には、例えば、水素分離膜層１０と接触した後の原料ガスを排出するための排気部５４が設けられる。供給部５２は、例えば、流路形成部材２０から外部に突出する筒状であり、一端が外部に開放されており、かつ、他端が螺旋状の流路５０に連通している。なお、供給部５２及び排気部５４は、いずれも、一対の保持部材７０間の領域に設けられている。したがって、供給部５２を介して、外部から流路５０内に原料ガスを漏れなく供給することができ、かつ、水素分離膜層１０と接触した後の使用済の原料ガスは、排気部５４からモジュールの外部へと漏れなく排出され得る。

本実施形態のモジュール１００では、図４に示されるように、流路形成部材２０の溝２４が、水素分離膜層１０で実質的に閉じられている。これにより、図４の横断面に現れる各流路５０は、本質的に、水素分離膜層１０の軸線方向に沿った方向では、互いに連通せずに独立している。このような態様では、原料ガスが流路５０から逸脱して水素分離膜層１０の軸線方向に沿って流れる、いわゆるショートカットを抑制するのに役立つ。したがって、原料ガスは、より確実に螺旋状の流路５０に沿って流れるので、モジュール１００を大型にすることなく水素分離膜層１０との接触機会を増加させることが可能となる。

上記「実質的に閉じられている」とは、水素分離膜層１０と流路形成部材２０とが直接接触して溝２４が閉じられる態様のみならず、溝２４と水素分離膜層１０との間に微小隙間（例えば、０．１mm以下程度の微小隙間）が介在している状態を少なくとも包含する。この程度の微小隙間であれば、原料ガスのほぼ全部を、流路５０に沿って螺旋状に流すことができる。特に前者の態様において、水素分離膜層１０と流路形成部材２０とは、互いに接着等により固着されても良いし、互いに固着されることなく、単に接触しているだけの状態であっても良い。

好ましい態様として、流路形成部材２０の溝２４の横断面は、水素分離膜層１０側に向かって溝幅Ｗが拡大するように構成されても良い。特に好ましい態様では、溝２４において、溝底２４ｂと反対側の部分である開口部２４ａが最も大きい幅Ｗを構成している。このような態様は、流路５０の横断面において、水素分離膜層１０側により多くの原料ガスを供給することができ、ひいては、原料ガスと水素分離膜層１０との接触機会をさらに高めることができる。

溝２４の横断面は、図４に示した台形状に限定されるものではなく、例えば、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示されるように、種々の形状で構成されても良い。図６（Ａ）では、溝２４は、三角形状の横断面とされている。図６（Ｂ）では、溝２４は、半円形又は半楕円形の横断面とされている。図６（Ｃ）では、溝２４は、矩形状の横断面とされている。溝２４の横断面は、さらに、上記の２以上の形状を複合したような形状でも良い。

原料ガスと水素分離膜層１０との接触機会を十分に高めるために、水素分離膜層１０から溝２４の最も深い位置までの距離Ｄ（便宜上、以下、「深さ」という）は、好ましくは、１．５mm以下とされても良い。溝２４の溝幅Ｗ、深さＤ、横断面積及び螺旋ピッチ等は、モジュールに求められる性能や用途等に応じて適宜定めることができる。

好ましい態様では、流路５０の断面積を、流路５０の位置に応じて異ならせても良い。例えば、流路５０の下流側の断面積は、流路５０の上流側の断面積よりも大きく構成されても良い。これにより、原料ガスは、流路５０の上流側では相対的に大きな速度で流れる一方、流路５０の下流側では相対的に小さい速度で流れる。流路５０の下流側を流れる原料ガスほど水素原子個数が少なくなっているので、下流側を流れる原料ガスの流速を相対的に低下させることで、より高い頻度で水素分離膜層１０と接触させることができる。これにより、流路５０の全域において、均一な水素分離が可能となり、未反応原料ガスの排出をより減少させることができる。

好ましい態様では、上記断面積の変化は、前記溝幅Ｗを変えることで行われても良い。例えば、図７に示されるように、流路５０の上流側の領域Ａでは、相対的に狭い溝幅Ｗａとされ、流路５０の下流側の領域Ｂでは、相対的に広い溝幅Ｗｂとされても良い。これにより、さらに、水素と水素分離膜層１０との接触効率が高められる。好ましい態様では、上流側の流路５０の溝幅Ｗａは、例えば１〜２mm程度とされ、下流側の流路５０の溝幅Ｗｂは、例えば５〜１０mm程度とされる。

好ましい態様では、流路５０において、相対的に断面積の小さい部分は、流路５０の全長の１／２〜２／３の範囲とされ、相対的に断面積の大きい部分は、残りの部分に形成することができる。なお、断面積が変化する境界部では、圧力損失を低下するために、断面積を徐々に変化させることが望ましい。

好ましい態様では、流路５０の螺旋のピッチを、流路５０の位置に応じて異ならせても良い。例えば、図８に示されるように、流路５０の上流側の領域Ａでは、相対的に大きい螺旋ピッチＰａとされ、流路５０の下流側の領域Ｂでは、相対的に小さい螺旋ピッチＰｂとされても良い。流路５０の下流側を流れる原料ガスほど水素原子個数が少なくなっているので、原料ガスを、流路５０の下流側でのより高い頻度で水素分離膜層１０と接触させることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態が説明される。第２実施形態は、原料ガスから水素ガスを分離させて取り出すための水素分離膜モジュール（以下、単に、「モジュール」ということがある。）２００であって、例えば、プラズマ改質方式の水素分離に適したものに関する。

［水素分離膜モジュール］
図９は、本実施形態の水素分離膜モジュール２００の正面図を示す。理解しやすいように、図９では、上半分が断面図として描かれている。図１０及び図１１は、モジュール２００の斜視図及び分解斜視図である。図９ないし図１１を参照すると、本実施形態のモジュール１００は、例えば、水素分離膜層１０と、流路形成部材２０と、電極部材３０とを含んで構成される。

第２実施形態では、第１実施形態と比べると、水素分離膜層１０が金属材料で構成されること、流路形成部材２０が絶縁性材料で構成されていること、及び、流路形成部材２０の第２の表面２２の側に電極部材３０が配されていることが特定されている点で異なっている。以下、これらの異なる点を中心に、第２実施形態が説明される。

［水素分離膜層］
図１１に示されるように、水素分離膜層１０は、第１実施形態と同様に、例えば、筒状に（円筒状）構成されている。この実施形態では、水素分離膜層１０は、金属材料で構成される。これにより、水素分離膜層１０は、誘電体バリア放電を発生させるための電極（高圧側電極）として用いることができる。金属材料からなる水素分離膜層１０としては、例えば、第１実施形態で述べたようなＰｄを含む金属材料、例えば、Ｐｄ−Ｃｕ合金やＰｄ−Ａｇ合金等の水素分離膜１２が好適に用いられる。ただし、本発明の本質からすれば、水素分離膜１２の材料は、水素を選択的に透過させる金属材料であれば、特に限定されるものではない。

［流路形成部材］
図９及び図１１に示されるように、流路形成部材２０は、第１実施形態と同様に、水素分離膜層１０に対応した筒状（円筒状）に形成されている。この実施形態では、流路形成部材２０は、誘電体バリア放電を発生させるために絶縁材料（誘電体）で構成される。このような絶縁材料としては、特に限定されるものではないが、第１の実施形態のところで述べたように、セラミックスやガラス等の無機材料が好適である。本実施形態では、流路形成部材２０として、例えば、石英ガラスが用いられている。

図１２には、モジュール２００の要部拡大断面図が示される。図１２に示されるように、この実施形態では、水素分離膜層１０と流路形成部材２０とは、流路形成部材２０の溝２４の開口部２４ａと、水素分離膜層１０との間には隙間Ｇ、すなわち空間が介在するように配置されている。この隙間Ｇは、後述の誘電体バリア放電を発生させる空間として利用される。特に限定されるものではないが、この隙間は、例えば、０．１〜０．５mm程度とされるのが良い。上述の保持部材７０は、上記隙間Ｇをモジュール２００内で、円周方向に連続して形成するのに役立つ。このような保持部材７０としては、例えば、弾性材料が好適であり、例えば、フッ素ゴム等の耐熱性を有する弾性材料が好適である。

［電極部材］
図９〜図１１に示されるように、電極部材３０は、例えば、水素分離膜層１０に対応した筒状（円筒状）に構成されており、本実施形態では金属材料で構成されている。電極部材３０は、例えば、複数の孔が形成されたパンチングメタルなどを筒状に成形することで作られても良い。また、電極部材３０は、導体であれば、金網、その他のメッシュ材料、多孔質の焼結金属体、カーボンなど種々の材料を用いて構成されても良い。

電極部材３０は、流路形成部材２０の第１の表面２１と反対側の第２の表面２２の側に配置されている。この実施形態では、流路形成部材２０の外周面側に配置されている。これにより、本実施形態のモジュール２００は、内側から、水素分離膜層１０、流路形成部材２０及び電極部材３０の順に配置されている。

また、電極部材３０は、誘電体バリア放電を発生させるための接地電極として構成されている。

［モジュールの作用］
以下、第２実施形態のモジュール２００の作用が説明される。本実施形態のモジュール２００は、上記のように、誘電体バリア放電を利用したプラズマ改質方式を利用して、原料ガスから水素が分離、生成される。

先ず、モジュール２００の電極部材３０が接地されるとともに、水素分離膜層１０が高電圧の交流電源（パルス電源）に接続される。

次に、供給部５２から流路５０内に、例えば、アンモニア等を含む原料ガスが供給され、さらに、水素分離膜層１０に、数kHz（例えば、８kHz）程度の高周波電圧が印加される。これにより、水素分離膜層１０（高電圧電極）と電極部材３０（接地電極）との間で誘電体バリア放電を生じさせ、この放電により、流路５０内の原料ガスをプラズマ化させる。すなわち、原料ガスは、水素ガスと残余の非水素ガスとに分離する他、水素ガスは電子（−）と陽子（＋）とに分離する。分離した電子は、電子雪崩により気体分子である別の未分離の水素分子と衝突して電子と陽子に分離し、その結果、水素ガス全体について、電子と陽子への分離が加速度的に促進される。

また、電子は、高周波電圧を印加している場合において、水素分離膜層１０が陽極のときに該水素分離膜層１０へと引き寄せられ、陽子は、水素分離膜層１０が陰極のときに該水素分離膜層１０へと引き寄せられる。電子及び陽子は、それぞれ水素分離膜層１０に引き寄せられた際に、濃度勾配による拡散移動により水素分離膜層１０の筒状の内側へと移動する。そして、水素分離膜層１０の筒状の内部でプラズマ相から気体相へと安定化する過程で電子と陽子が相互に引き合って再結合して水素原子となり、その後、水素分子となる。これらの一連の反応により、流路５０内の原料ガス中の水素ガスが水素分離膜層１０の内側の空間へと移動する。したがって、より効率の良い水素生成が可能となり、未反応の原料ガス排出量を極めて少なくすることができる。

本プラズマ改質方式の場合、流路形成部材２０が誘電体の役割を担う。このため、流路形成部材２０は、上述のように、水素分離膜層１０との間に隙間を介在させて非接触状態に配置される。このような配置は、原料ガスの一部が螺旋状の流路５０をショートカットする。しかし、上記隙間が小さいために、原料ガスの大部分は、流動抵抗がより小さい流路５０に沿った流れを提供し、上記隙間による原料ガスと水素分離膜層１０との接触機会の低下といった不具合は、実質的には生じない。したがって、第２実施形態においても、原料ガスは、水素分離膜層１０とより長い距離及び／又はより高い頻度で接触し、流路５０の上流側（供給側）のみならず、流路５０の下流側（排出側）において、水素生成と水素分離を行い、水素分離膜層１０を有効に活用することができる。

また、流路５０が螺旋状とされることで、流路５０の表面積が増加する。これにより、放電面積も増やすことができ、電子雪崩が促進されて水素ガスの電子と陽子の分離が加速度的に促進され、水素生成効率がさらに向上する。

本発明は、種々の改造及び変形形態が可能であり、上述の例示の実施形態は、例示として示されているに過ぎない。例えば、水素分離膜層１０の内側に、流路形成部材２０が配置されても良い。この場合、水素分離膜層１０の外側に、原料ガスから分離された水素ガスを取り出すための空間が形成される。また、第１実施形態及び第２実施形態ともに、水素分離膜層１０の内側に、この水素分離膜層１０を保持しかつその形状を保持するための内側電極部材（図示省略）などが設けられても良い。この内側電極部材は、上記電極部材と同様に種々の材料及び構成が採用されても良い。

［第１実施形態の変形例１］
図１３には、第１実施形態の変形例１として、水素分離膜モジュール３００の正面図が示されており、図１４には、その要部拡大図が示さている。図１３及び図１４に示されるように、水素分離膜モジュール３００は、原料ガスから水素ガスを選択的に透過させる筒状の水素分離膜層１０と、水素分離膜層１０の外側及び内側のいずれか一方側に配された筒状の流路形成部材２０とを含んでいる。この例では、流路形成部材２０の水素分離膜層１０側の表面は、その軸線方向に平坦な面で構成されている。また、水素分離膜層１０は、その流路形成部材２０側を向く表面（この例では、外周面）に、流路形成部材２０の筒状の軸線周りを螺旋状に延びる溝２６を具えている。そして、この溝２６と流路形成部材２０との間で、原料ガスが水素分離膜層１０の周りを螺旋状に通過可能な流路５０が形成されている。すなわち、第３実施形態では、流路形成部材２０側ではなく、水素分離膜層１０側に、螺旋状の溝２６が形成されている点で、第１実施形態とは異なっている。このような態様においても、第１実施形態と同様の作用を期待することができる。

［第１実施形態の変形例２］
図１５には、第１実施形態の変形例２として、水素分離膜モジュール３０１の要部拡大図が示されている。この変形例２では、流路形成部材２０の水素分離膜層１０側に、螺旋状の突出部２９が形成されている点で上記変形例１とは異なっている。この突出部２９は、水素分離膜層１０の溝２６の螺旋ピッチに対応するように形成されている。本実施形態では、流路形成部材２０の突出部２９は、溝２６と螺旋ピッチが揃えられ、これにより、各突出部２９が各溝２６に嵌り合うように位置合わせされている。突出部２９と溝２６の断面における湾曲の曲率は、突出部２９と溝２６との間に原料ガスが水素分離膜層１０の周りを螺旋状に通過可能な流路５０が形成されるように、互いに異なっている（すなわち、湾曲の曲率半径に関して、流路形成部材２０の突出部２９の方が、水素分離膜層１０よりも大きく形成されている。）。また、流路形成部材２０の水素分離膜層１０とは反対側の面は、水素分離膜層１０側に凹む螺旋状の凹部が形成されている。この変形例２では、第１実施形態と同様の作用を期待することができるとともに、モジュール３０１のさらなる小型化を図るのに役立つ。

［第２実施形態の変形例１］
図１６には、第２実施形態の変形例１として、水素分離膜モジュール４００の要部拡大図が示されている。この変形例１では、流路形成部材２０側ではなく、水素分離膜層１０側に、螺旋状の溝２６が形成されている点で第２実施形態とは異なっている。このような態様においても、第２実施形態と同様の作用を期待することができる。

［第２実施形態の変形例２］
図１７には、第２実施形態の変形例２として、水素分離膜モジュール４０１の要部拡大図が示されている。この変形例２では、流路形成部材２０の水素分離膜層１０側に、螺旋状の突出部２９が形成されている点で上記変形例１とは異なっている。この突出部２９は、水素分離膜層１０の溝２６の螺旋ピッチに対応するように形成されている。本実施形態では、流路形成部材２０の突出部２９は、溝２６と螺旋ピッチが揃えられており、かつ、隙間Ｇを介して配置されている。突出部２９と溝２６の断面における湾曲の曲率は、図１５の態様と同様である。さらに、この変形例２では、電極部材３０も、流路形成部材２０に沿って湾曲している。この変形例２では、第２実施形態と同様の作用を期待することができるとともに、モジュール４０１のさらなる小型化を図るのに役立つ。

以上、本発明のいくつかの実施形態が説明されたが、本発明は、本明細書において開示された特定の実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の思想に含まれる全ての改造例、均等例及び変形例を含む。

１００、２００、３００、４００ 水素分離膜モジュール
１０ 水素分離膜層
１２ 水素分離膜
２０ 流路形成部材
２１ 第１の表面
２２ 第２の表面
２４、２６ 溝
３０ 電極部材
５０ 流路
５２ 供給部
５４ 排気部
７０ 保持部材

Claims (11)

1. 原料ガスから水素ガスを分離させて取り出すための水素分離膜モジュールであって、
   前記原料ガスから水素ガスを選択的に透過させる筒状の水素分離膜層と、前記水素分離膜層の外側及び内側のいずれか一方側に配された筒状の流路形成部材とを含み、
   前記流路形成部材は、前記水素分離膜層側を向く第１の表面に、前記水素分離膜層の前記筒状の軸線周りを螺旋状に延びる溝を具え、
   前記溝と前記水素分離膜層との間で、前記原料ガスが前記水素分離膜層の周りを螺旋状に通過可能な流路が形成されている、
   水素分離膜モジュール。
2. 前記水素分離膜層の前記一方側と反対の側である他方側には、前記原料ガスから分離された水素ガスを取り出すための空間が形成されている、請求項１記載の水素分離膜モジュール。
3. 前記流路形成部材は、前記水素分離膜層の前記外側に配置されており、前記空間が前記水素分離膜層の前記内側に形成されている、請求項２記載の水素分離膜モジュール。
4. 前記流路の一端側に、前記原料ガスを供給するための供給部が設けられており、前記流路の他端側に、前記水素分離膜層と接触した後の前記原料ガスを排出するための排気部が設けられている、請求項１ないし３のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
5. 前記溝の横断面は、前記水素分離膜層側に向かって溝幅が拡大する、請求項１ないし４のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
6. 前記流路形成部材と前記水素分離膜層との間に隙間が介在している、請求項１ないし５のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
7. 前記流路形成部材と前記水素分離膜層との間に、前記隙間を保持するための保持部材がさらに設けられている、請求項６記載の水素分離膜モジュール。
8. 前記流路形成部材の前記溝は、前記水素分離膜層で実質的に閉じられている、請求項１ないし５のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
9. 前記水素分離膜層が金属材料で構成されており、
   前記流路形成部材が絶縁性材料で構成されており、
   前記流路形成部材の前記第１の表面と反対側の第２の表面の側に、筒状の電極部材が配されており、
   前記水素分離膜層は、前記水素分離膜層と前記電極部材との間で誘電体バリア放電を生じさせるための交流電源に接続可能に構成されている、請求項１ないし７のいずれかに記載の水素分離膜モジュール。
10. 原料ガスから水素ガスを分離させて取り出すための水素分離膜モジュールであって、
    前記原料ガスから水素ガスを選択的に透過させる筒状の水素分離膜層と、前記水素分離膜層の外側及び内側のいずれか一方側に配された筒状の流路形成部材とを含み、
    前記水素分離膜層は、前記流路形成部材側を向く表面に、前記流路形成部材の前記筒状の軸線周りを螺旋状に延びる溝を具え、
    前記溝と前記流路形成部材との間で、前記原料ガスが前記水素分離膜層の周りを螺旋状に通過可能な流路が形成されている、
    水素分離膜モジュール。
11. 請求項１ないし１０のいずれかに記載の水素分離膜モジュールを用いた水素生成装置。

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