JP2010042397A - 水素分離装置及び水素分離装置の運転方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】原料流体が流動する第1流路7を形成する部材9及び第1流路7内に配置される部材の第1流路7内に露出する鉄含有金属表面21で、第1流路7内に存する流体の流動方向において水素選択透過性金属膜12の透過可能部15の下流端より少なくとも上流の位置にある部分を鉄成分飛散防止皮膜31で被覆することによって、水素選択透過性金属膜12の欠陥を引き起こす鉄含有物質の第1流路7内への飛散が防止され、水素分離性能及び耐久性に優れた水素分離装置1とすることができる。
【選択図】図1A
Description
まず、本発明の水素分離装置の概要について、図1A、1B、1Cを参照しつつ説明する。本発明の水素分離装置1は、原料入口3、水素出口4及び残原料出口5、原料入口3から水素出口4及び残原料出口5に通じる流体流路6を有する反応容器2、並びに流体流路6上に設けられた水素選択透過部11を有する。水素選択透過部11は、水素選択透過性金属膜12を有し、流体流路6に設けられて、原料入口3及び残原料出口5に通じる第1流路7と水素出口4に通じる第2流路8とに流体流路6を隔てている。この水素選択透過部11の水素選択透過性金属膜12を通じて、第1流路7に存する原料流体及びその生成物に含有される水素が選択的に第2流路8側に透過されて水素出口4から排出される。更に、本発明の水素分離装置1は、第1流路7を形成する部材9及び第1流路7内に配置される部材(図1A中の接合部22など)の第1流路7内に露出する鉄含有金属表面21で、第1流路7内に存する流体の流動方向において水素選択透過性金属膜12の透過可能部15の下流端より少なくとも上流の位置にある部分が鉄成分飛散防止皮膜31で被覆されていることを特徴とする。
水素選択透過部11について説明する。水素選択透過部11は、上述のように、流体流路6を第1流路7と第2流路8とに隔てている(図1A、1B、1C参照)。水素選択透過部11は、水素選択透過性金属膜12を通じて、原料流体又は原料流体からの生成物に含まれる水素の透過を選択的に許容し、残余の原料流体及びその生成物の通過は阻止する。なお、水素選択透過性金属膜を介した第1流路7と第2流路8との間の水素分圧の差が水素の透過の駆動力となる。
まず、水素選択透過部11の機能の中枢をなす水素選択透過性金属膜12について説明する。ここでいう水素選択透過性金属とは、パラジウム(Pd)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、ジルコニウム(Zr)、バナジウム(V)など、水素を溶解・拡散することで、水素を選択的に透過させる性質を有する金属及びその合金のことをいう。
水素選択透過性金属膜12は、通常、薄膜でも水素選択透過性能を発揮できる。そこで、水素選択透過部11は、水素選択透過性金属膜12の薄膜を多孔質支持体14で裏打ちする複合構造としてもよい。このような複合構造の水素選択透過部11は、水素選択透過性金属膜12の機械的強度を高めることができるため好適である。上記の多孔質支持体14は、水素選択透過性金属膜12の水素選択透過性能を大きく損なわず、原料流体や水素などを内部に流通させるものであればよい。また、水素選択透過性金属膜12を多孔質支持体14で裏打ちした水素選択透過部11を用いる場合、水素選択透過性金属膜12が面する側は、第1流路7側でも第2流路8側でもよい。なお、もちろん、上記のような複合構造とせず、水素選択透過部11は、水素選択透過性金属膜12一層のみから構成してもよい。
まず、流体流路6など流路に関係した用語の定義をする。本発明の水素分離装置1における流体流路6とは、水素分離装置1の稼動時において、原料流体及びその生成物(水素選択透過部11を透過した水素もこれに含まれる)が通過する空間のことをいう。また、流体流路6を形成するとは、密封性の高い材質からなる流路部材によって閉じられた空間を形成することで、流体の流動範囲を制限し、流体が流動する通路を形成することをいう。
本発明の水素分離装置1は、上述の水素選択透過部11及び流路を形成する部材以外にも、流体流路6内に部材を配置してもよい。この配置される部材は、水素分離装置1に付与される機能に応じて適宜設計可能である。なお、本明細書では、水素選択透過部11も流体流路6内に配置される部材に属するものとする。
本発明の水素分離装置1は、第1流路7を形成する部材9及び第1流路7内に配置される部材(例えば、接合部22)の第1流路7内に露出する鉄含有金属表面21で、第1流路7内に存する流体の流動方向において水素選択透過性金属膜12の透過可能部15の下流端より少なくとも上流の位置にある部分の少なくとも一部が鉄成分飛散防止皮膜31で被覆されることを必須とする。
ここで上記に用いた用語の定義をする。ここでいう鉄含有金属表面21とは、第1流路7を形成する部材9及び第1流路7内の配置された部材などの表面であって、中でも鉄含有金属で形成される表面のことをいう。なお、鉄含有金属とは、高純度の鉄はもちろん、ステンレスなどの有意な割合で鉄を成分に含む合金など鉄を含有する金属全てのことをいう。水素選択透過部11の透過可能部15とは、水素選択透過性金属膜12の第1流路側の表面のうち、第1流路内に存する水素と接触し、第2流路側への透過を開始させる部分のことをいう。例えば、図2に示すように、水素選択透過性金属膜12の表面で遮蔽性の高い部材(図2の例では接合部22)に覆われている部分は、水素選択透過性金属膜12の透過可能部15に該当しない。
鉄成分飛散防止皮膜31の具体的な態様は、鉄含有金属表面21からの鉄含有物質25の飛散を防止できれば特に限定されない。鉄成分飛散防止皮膜31が鉄含有金属表面21からの鉄含有物質25の飛散を防止する仕組みとしては、鉄含有金属表面21の防食処理、鉄含有金属表面21と原料流体との接触の隔絶などが挙げられる。また、例えば、鉄含有金属表面21と鉄成分飛散防止皮膜31との間の熱膨張率の違い起因した鉄成分飛散防止皮膜31の歪みを緩衝するため、鉄成分飛散防止皮膜31は、緻密ではなくゆとりを持たせた構造(例えば細孔を有する構造など)を有するものにしてもよい。更には、鉄成分飛散防止皮膜31は、強い磁性を帯びた材質からなるものにして、鉄含有金属表面21から乖離した鉄含有物質25を捕捉する作用を発揮させることもできる。ちなみに、水素選択透過性金属膜12に付着して水素選択透過性金属膜12の欠陥を引き起こす鉄含有物質25の大多数は、粒径1〜100μm程度であることを本発明者が観察している。
高温環境下での使用が可能で、様々な材質の表面上に成膜が可能であり、凹凸のある表面上などにも容易に成膜できる方法が確立されている観点からは、本発明の水素分離装置1では、耐食性金属からなる金属皮膜又は金属酸化物被膜を鉄成分飛散防止皮膜31とすることが好ましい。また、ステンレス等の金属部材との密着性の観点から、鉄成分飛散防止皮膜31は耐食性金属の金属皮膜であることがより好ましい。鉄成分飛散防止皮膜31としては、耐食性金属の中でも、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)及び貴金属からなる群の少なくとも1種からなる金属皮膜又は金属酸化物被膜を用いることが好適である。ここで、貴金属としては、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等を好適に用いることができる。これら列挙した金属は、鉄と比較してパラジウムとの反応性が弱いか、耐食性金属が剥離して水素選択透過性金属膜12に付着しても水素選択透過性金属膜12が腐食しにくい利点がある。また、耐食性金属の金属皮膜は、ステンレス等の金属部材と熱膨張率の差異が少ない点でも優れている。さらに、これらの耐食性金属の中でも、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)、銀(Ag)が、反応性やコストの面からより好ましく、クロム(Cr)又は銀(Ag)が特に好ましい。
鉄成分飛散防止皮膜31の効果から、図1A、1Bに示すような、水素選択透過性金属膜12の透過可能部15の面積を増大させた、一方の端部が閉じられ他方の端部が内部の空洞部と通じる開口部とされた中空形状の水素選択透過部11を備えた水素分離装置1でも長期の耐用期間を得ることができる。
本発明の水素分離装置1において、鉄成分飛散防止皮膜31による水素選択透過性金属膜12の欠陥を抑制する効果は、ヘリウムリーク量変化率に表れている。なお、本明細書のいうヘリウムリーク量変化率とは、累積稼働時間0時間の水素分離装置に対して、窒素雰囲気中で600℃まで昇温後、常圧の空気を0.5時間流体流路6内に導入して水素透過性能を安定化し、次いで0.7MPaの水素を流体流路6内に導入して300時間の水素分離処理を行う場合における、上記の水素分離処理前(水素分離処理累積時間:0時間)のヘリウムリーク量(Heリーク量(ml/min・cm2))に対する上記の300時間の水素分離処理後(水素分離処理累積時間:300時間)のヘリウムリーク量の比、として定義する。本発明の水素分離装置1では、このヘリウムリーク量変化率が2.0以下であることが好適である。ヘリウムリーク量変化率を2.0以下とすることで、本発明の水素分離装置1は、その稼動期間において良好な水素分離性能を発揮することが可能である。なお、へリウムリーク量は、水素分離処理累積時間が0時間及び300時間の時点において、水素分離膜の一方の面側に0.9MPaのヘリウムガスを供給し、単位面積・単位時間あたりに、他方の面側に漏れてくるヘリウムガスの量を測定することによって求めることができる。
図3に示す、鉄成分飛散防止皮膜31としてNi皮膜による被覆を内面に施したステンレス製の反応容器2に、以下の水素選択透過部11及び接合部22を備えた水素分離装置1を作製した。水素選択透過部11は、外径30mm、長さ500mmの袋管形状の多孔質アルミナ支持体の表面上に、水素選択透過性金属膜12としてめっき法によりPd‐Ag合金膜を成膜した。なお、PdとAgとの割合は、Pd80質量部に対して、Ag20質量部となるように調節した。水素選択透過部11は、その開口部13をステンレス製の金属接合部22に嵌合して固定した。なお、金属接合部22は、水素選択透過部11の開口部13近傍の表面を、鉄成分飛散防止皮膜31としてAgめっき処理によりAg皮膜で被覆した。得られた水素分離装置1について下記のように水素分離処理前後のヘリウムリーク量の測定を行った。
鉄成分飛散防止皮膜31としてAuめっきを行ったステンレス製の金属接合部22を用いた以外は実施例1と同様にして水素分離装置1を作製し(図3)、得られた水素分離装置1について下記のように水素分離処理前後のヘリウムリーク量の測定を行った。
実施例1と基本的に同様の構成の水素分離装置1に、図4に示す、鉄成分飛散防止皮膜31としてCrめっきにより表面上を被覆したステンレス製の金属カバーからなる触媒保持部材24を配置した。さらに、図4に示すように、この触媒保持部材24によって2つに隔てられた第1流路7内の空間のうち、水素選択透過部11のない側の空間にRu/アルミナ触媒物質23を配置し、得られた水素分離装置1について下記のようにメタン‐水蒸気改質処理の前後のヘリウムリーク量の測定を行った。
図7に示す、金属接合部22及び反応容器2に鉄成分飛散防止皮膜31による被覆処理を行わなかった以外は実施例1と同様の水素分離装置1を作製した。得られた水素分離装置1について下記のように水素分離処理前後のヘリウムリーク量の測定を行った。
実施例1、2、及び比較例1の水素分離装置1を用いて、以下に説明する水素分離処理の前後のヘリウムリーク量の測定を行った。反応容器2を加熱することによって、水素選択透過部11を窒素雰囲気中で600℃まで昇温した後、原料入口3から常圧の空気を0.5h反応容器2内に導入することによって水素選択透過部11の水素透過性能の安定化をし、次いで原料入口3から0.7MPaの水素を反応容器2内に導入することによって水素分離処理を300時間行った。この水素分離処理の前後で、水素選択透過性金属膜12の一方の面側に0.9MPaのヘリウムガスを供給することによってヘリウムリーク量(ml/min・cm2)を測定した結果及びヘリウムリーク量変化率を表1に示す。表1より、実施例1、2では、300時間の水素分離処理後も水素分離装置1のヘリウムリーク量が増加せず、ヘリウムリーク量変化率がそれぞれ1.2及び1.3であった。対して、比較例1では、300時間の水素分離処理後のヘリウムリーク量が増加し、ヘリウムリーク量変化率が89と高い値を示した。比較例1の水素選択透過性金属膜12のリーク箇所を電子顕微鏡にて観察した結果、鉄(Fe)とPd‐Ag合金との反応による欠陥が観察された。
実施例3の水素分離装置1を用いて、以下にメタン‐水蒸気改質処理の前後のヘリウムリーク量の測定を行った。反応容器2を加熱することによって、水素選択透過部11を窒素雰囲気中で600℃まで昇温した後、原料入口3から0.4MPaの圧力でメタンと水蒸気を1:3の比率となるように反応容器2内に導入し、メタン‐水蒸気改質処理を300時間行った。このメタン‐水蒸気改質処理の前後で、水素選択透過性金属膜12の一方の面側に0.9MPaのヘリウムガスを供給することによってヘリウムリーク量(ml/min・cm2)を測定した結果及びヘリウムリーク量変化率を表2に示す。
Claims (10)
- 原料流体を流入する原料入口と、前記原料流体より選択的に抽出される水素を流出する水素出口と、残余の前記原料流体を排出する残原料出口と、並びに前記原料入口から前記水素出口及び前記残原料出口まで通じる流体流路と、を有する反応容器と、
前記流体流路に設けられて、前記原料入口及び前記残原料出口に通じる第1流路と前記水素出口に通じる第2流路とに前記流体流路を隔て、前記原料流体に含まれる水素を選択的に透過する水素選択透過性金属膜を有し、該水素選択透過性金属膜を通じて前記第1流路側から前記第2流路側へ水素を選択的に透過する水素選択透過部と、を備え、
前記第1流路を形成する部材及び前記第1流路内に配置される部材の前記第1流路内に露出する鉄含有金属表面で、前記第1流路内に存する流体の流動方向において前記水素選択透過性金属膜の透過可能部の下流端より少なくとも上流の位置にある部分の少なくとも一部が鉄成分飛散防止皮膜で被覆された水素分離装置。 - 前記第1流路を形成する部材及び前記第1流路内に配置される部材の前記第1流路内に露出する前記鉄含有金属表面で、前記第1流路内に存する流体の流動方向において前記水素選択透過性金属膜の前記透過可能部の前記下流端より少なくとも上流の位置にある部分全てが前記鉄成分飛散防止皮膜で被覆された請求項1に記載の水素分離装置。
- 前記反応容器の前記第1流路内に露出する前記鉄含有金属表面の全てを前記鉄成分飛散防止皮膜で被覆した請求項1又は2に記載の水素分離装置。
- 前記水素選択透過性金属膜は、パラジウム(Pd)及び/又はパラジウムを含有する合金の金属膜である請求項1〜3のいずれか一項に記載の水素分離装置。
- 前記鉄成分飛散防止皮膜は、ニッケル(Ni)、クロム(Cr)及び貴金属からなる群のうち少なくとも1種からなる金属皮膜又は金属酸化物皮膜である請求項1〜4のいずれか一項に記載の水素分離装置。
- 前記貴金属が、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)の少なくとも1種を含有する請求項5に記載の水素分離装置。
- 前記水素選択透過部は、多孔質支持体とその表面上を被覆した前記水素選択透過性金属膜からなり、一方の端部が閉じられ他方の端部が内部の空洞部と通じる開口部とされた中空形状であり、
前記水素選択透過部の前記開口部と接続し、前記水素選択透過部の前記開口部と前記水素出口とが通じるように前記水素選択透過部を固定する接合部を有し、
前記第1流路内に露出する前記接合部の前記鉄含有金属表面で、前記第1流路内に存する流体の流動方向において前記水素選択透過性金属膜の前記透過可能部の前記下流端より少なくとも上流の位置にある部分が前記鉄成分飛散防止皮膜で被覆された請求項1〜6のいずれか一項に記載の水素分離装置。 - 前記第1流路内に、触媒物質と、前記触媒物質を前記第1流路内の所定の位置に保持して前記触媒物質と前記水素選択透過部との接触を阻止し且つ前記原料流体の通過を許容する触媒保持部材と、を有し、
前記触媒保持部材の表面のうち、前記第1流路内に露出する前記鉄含有金属表面で、前記第1流路内に存する流体の流動方向において前記水素選択透過性金属膜の前記透過可能部の前記下流端より少なくとも上流の位置にある部分が前記鉄成分飛散防止皮膜で被覆された請求項1〜7のいずれか一項に記載の水素分離装置。 - 請求項1〜8のいずれか一項に記載の水素分離装置を、水素透過時の前記水素選択透過性金属膜を透過する水素の温度が300℃以上かつ900℃以下で使用する水素分離装置の運転方法。
- 前記水素選択透過性金属膜を透過する水素の前記温度が400℃以上かつ800℃以下である請求項9に記載の水素分離装置の運転方法。
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