氢提纯装置及使用其的氢提纯系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用了钯合金薄膜的氢气选择透过性的氢提纯装置及使用其的氢提纯系统，更具体而言涉及一种可对导入于盒的一次侧空间的含杂质的原料氢进行高效加热的氢提纯装置及使用其的氢提纯系统。
【背景技术】
[0002]一直以来，在半导体制造工序中，大量使用高纯度的氢气作为环境气体。关于这样的氢气，因半导体的集成度的提高而要求杂质的浓度为极低的浓度(PPb水平以下)。
[0003]另一方面，作为工业大量制造高纯度氢的方法，人们公知如下方法:以深冷吸附法、变压法等，将从甲醇、二甲醚、天然气、液化石油气等以水蒸气改质反应而得到的改质气体分离为氢气与氢气以外的气体，从而得到氢。
[0004]深冷吸附法为如下提纯方法:将含氢气体流通于吸附筒以除去氢以外的杂质，该吸附筒中填充了将液氮作为制冷剂而被极低温化后的吸附材料。变压法为如下提纯方法:使含氢气体依次流通于多个吸附筒，并且反复进行升压、杂质的吸附、杂质的解吸以及吸附材料的再生的各个操作，从而去除氢以外的杂质。在上述那样的改质气体中，除了氢以外，还含有一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气、水等，在深冷吸附法、变压法中，很难使这些杂质达到极低的浓度(ppb水平以下)而去除。
[0005]对此，作为以比较少量的方式得到极高纯度的氢气的方法，人们公知如下方法:将含杂质的原料氢供给于由钯合金的薄膜构成的氢分离膜，利用氢气的选择透过性而仅使氢透过而取出。用于这样的氢提纯的装置为如下氢提纯装置，其在含杂质的原料氢的导入口、纯氢的导出口以及在该导入口和该导出口之间的气体流路中具有钯合金的薄膜，例如专利文献I?3所示，为具有如下结构的氢提纯装置，其中，一端被封住的多根钯合金细管(氢分离膜)在其另一端的开口部以管板支承，被收纳于盒内，通过该钯合金细管和管板，盒内被分隔为一次侧空间(含杂质的原料氢的供给侧空间)和二次侧空间(纯氢的取出侧空间)这两个空间。
[0006]【专利文献I】日本特开昭62-128903号公报
[0007]【专利文献2】日本特开平1-145302号公报
[0008]【专利文献3】日本特开平1-145303号公报
【发明内容】
[0009]发明想要解决的问题
[0010]利用钯合金的氢分离膜的氢提纯方法与深冷吸附法、变压法相比，具有单位时间的纯氢取出量少的缺点，但是除了上述那样得到高纯度的氢气以外，具有使装置小型化、简化的长处。但是使含杂质的原料氢接触于钯合金细管而透过该细管时，需要充分地加热该细管和原料氢，除了用于将盒的内部加热的加热器以外，需要用于预先加热原料氢的加热器等的设备。
[0011]在利用了钯合金薄膜的氢分离膜的氢提纯中，为了增加单位时间的纯氢的取出量，例如，如果进行氢提纯装置的大型化，则具有用于预先加热原料氢的加热器等的设备也为大型的问题，另外，增加氢提纯装置的话，则具有配管等设备增多而变得复杂，削弱小型化、简化的长处的问题。因此，本发明想要解决的问题为提供一种氢提纯装置、以及使用多个该氢提纯装置的氢提纯系统，该氢提纯装置可对导入于盒的一次侧空间的含杂质的原料氢进行高效加热。
[0012]用于解决问题的方案
[0013]本发明人为了解决上述问题而进行了深入研宄，结果发现如下成果，进而达成了本发明的氢提纯装置，即，如果在上述那样的氢提纯装置中，将盒的一次侧空间的形状设定为细长的形状，并且将含杂质的原料氢的导入配管以通过该盒的细长的内壁与用于将盒内加热的加热器之间的间隙的方式设置，则用该加热器的热量充分地加热流通于该导入配管内部的原料氢，即使氢提纯装置为大型的情况下，或使用多个氢提纯装置的情况下，仍能够将装置维持于小型且简化的形态。
[0014]S卩，本发明为一种氢提纯装置，其具有如下结构:通过用一端被封住的多根钯合金细管和在细管的开口端部中支撑该细管的管板，将在外周具有加热部的盒的内部分隔为一次侧空间和二次侧空间，其中，将含杂质的原料氢从一次侧空间导入，使其透过钯合金细管而从二次侧空间取出纯氢，其特征在于，钯合金细管的长度为管板的直径的15倍以上，含杂质的原料氢的导入配管以通过盒的侧壁与加热器之间的间隙的方式而设置。
[0015]另外，本发明为一种氢提纯系统，其特征在于，并列设置多个上述氢提纯装置，将多个该氢提纯装置的各个原料氢的导入配管连接于外部的一根原料氢供给配管，将多个该氢提纯装置的各个纯氢取出配管连接于外部的一根纯氢回收配管。
[0016]发明的效果
[0017]在本发明的氢提纯装置中，将盒的一次侧空间设定为细长的形状，含杂质的原料氢的导入配管以通过该盒的细长的侧壁与用于将盒内加热的加热器之间的方式构成。即，在本发明中，为通过用于将盒内加热的加热器而充分加热原料氢的导入配管的结构，故能够缩小或不需要用于预先加热原料氢的加热器等设备。特别是在氢提纯装置为大型的场合、氢提纯装置为多个的场合，能在能够谋求装置的小型化、简化的方面发挥效果。
【附图说明】
[0018]图1表示本发明的氢提纯装置的一个例子的结构图。
[0019]图2表示本发明的图1以外的氢提纯装置的一个例子的结构图。
[0020]图3 (I)表示在图1的氢提纯装置的管板位置的截面的一个例子的结构图。图3 (2)表示在图1的氢提纯装置的钯合金细管位置的截面的一个例子的结构图。
[0021]图4表示本发明的氢提纯系统的例子的结构图。
【具体实施方式】
[0022]本发明适用于如下氢提纯装置，其中，通过用一端被封住的多根钯合金细管和支撑该细管的开口端部的管板将盒的内部分隔为一次侧空间和二次侧空间，将含杂质的氢从一次侧空间导入，使其透过钯合金细管而从二次侧空间取出纯氢。另外，作为适用于本发明的原料氢，可列举出:将从甲醇、二甲醚、天然气、液化石油气等通过水蒸气改质反应得到的改质气体；通过深冷吸附法、变压法预备提纯该改质气体而得到的高纯度氢。通过该方法得到的氢通常贮藏于液化气瓶、贮藏管等贮藏装置。通过本发明得到的极高纯度的提纯氢例如用于半导体制造工序中的环境气体(载气)。
[0023]以下，基于图1?图4对本发明的氢提纯装置和使用其的氢提纯系统进行详细说明，但本发明并不限于此。另外，图1、图2为显示本发明的氢提纯装置的一个例子的结构图，图3(1)为表示在图1的氢提纯装置的管板位置的截面的一个例子的结构图，图3(2)为表示在图1的钯合金细管位置的截面的一个例子的结构图，图4为表示本发明的氢提纯系统的一个例子的结构图。
[0024]本发明的氢提纯装置如图1、图2所示，其具有如下结构:通过用一端被封住的多根钯合金细管I和在细管的开口端部中支撑该细管的管板2，将在外周具有加热器3的盒4的内部分隔为一次侧空间4’和二次侧空间4”，将含杂质的原料氢从一次侧空间4’的原料氢供给口 9导入，使其透过钯合金细管而从二次侧空间4”的纯氢导出口 11取出纯氢，其特征在于，钯合金细管I的长度为管板2的直径的15倍以上，如图1?图3所示，含杂质的原料氢的导入配管5以通过盒4的侧壁6与加热器3之间的间隙的方式而设置。
[0025]以下，对本发明的氢提纯装置的各个组成部进行详细说明。
[0026]本发明的氢提纯装置的盒的形态如图1、2所示，正面的外形呈U字形、3字形或与其类似的形状，在截面为圆形的容器的开口部上设置具有纯氢导出口的盖。在本发明的氢提纯装置中，流通原料氢的导入配管5的内部的原料氢通过用加热器3充分加热直到到达原料氢供给口 9，以该方式将盒4 (特别是4’侧)设定为细长形状(以管板的直径变小的方式)。另外，加热器3横跨设置于盒的侧壁中的至少钯合金细管所设置部分的侧壁的外周整体上。由此，在本发明中，优选将钯合金细管I的长度设定为远长于管板2的直径，通常为管板直径的15倍以上，优选为20倍以上。另外，盒4的二次侧空间4”侧在装置小型化的方面优选为较小，故盒的管板的上游侧的空间的体积相对地比盒的管板的下游侧的空间的体积大，通常为盒的管板的下游侧的空间的体积的10倍以上，优选为15倍以上，更进一步优选为20倍以上。但是，上述体积为不考虑上述钯合金细管的存在的情况。
[0027]在本发明的氢提纯装置中，含杂质的原料氢的导入配管5如前述那样，以通过盒4的侧壁6与加热器3之间的间隙的方式而设定，但如图3所示，优选在原料氢的导入配管5与盒的侧壁6与加热器3之间的间隙中填充导热水泥等固体的导热介质12，将源自加热器3的热量高效地传递给原料氢的导入配管5。以夹设导热介质而通过盒的侧壁与加热器之间的间隙的方式设定的原料氢的导入配管(具有图3那样的结构的原料氢的导入配管)的长度通常为盒4的侧壁6的长度的50%以上，优选为80%以上，更进一步优选为90%以上。另外，上述盒4的侧壁6的长度为图1、图2中的盒4的侧壁6的直线部分的长度。
[0028]另外，在本发明的氢提纯装置中，原料氢的导入配管5通常以与钯合金细管平行的方式设置，但也可设置为螺旋状。在以与钯合金细管平行的方式设置的场合，通过盒的侧壁与加热器之间的间隙的结构的原料氢的导入配管的长度通常为30cm以上，优选为40cm以上。另外，原料氢的导入配管5的内径通常为6mm以下。如果导入配管5的内径超过6mm，则流通导入配管5的内部的原料氢将有可能无法充分加热。
[0029]本发明的氢提纯装置中使用的钯合金细管I如图1所示，由在管板2侧的一端具有开口端部7，在相反侧的一端具有闭口端部8的管构成。钯合金细管I如上述那样，其长度为管板的直径的15倍以上，具体为20?200cm。另外，外径通常为1.0?5.0mm,厚度通常为30?100 μ m。另外，钯合金细管I相对于一个钯合金膜组件而言使用3?100根。它们的配置没有特别限制，相邻的钯合金细管之间的间隔通常设定为1.0?2.5_。
[0030]作为上述钯合金细管I的结构成分，可示例出以钯和铜为主成分的合金、以钯和银为主成分的合金、以钯和银和金为主成分的合金。使用这些合金的场合，优选钯50?70界1:%和铜30?50wt%的合金、钮60?9(^1:%和银10?40wt%