本发明的目的在于，对于下述的气体分离装置而言，提高其能量利用效率，所述气体分离装置是从含有规定的主成分气体、二氧化碳和水蒸气的第一混合气体中将二氧化碳与水蒸气分离的装置。另外，利用该气体分离装置的功能，提供显示出高能量利用效率的膜反应器和制氢装置。气体分离装置具备材料不同的第一分离膜(33)和第二分离膜(34)而构成。就第一分离膜(33)而言，若以100℃以上的温度供给前述第一混合气体，则通过使二氧化碳和水蒸气选择性地透过，从而将透过该第一分离膜的含有二氧化碳和水蒸气的第二混合气体分离，就第二分离膜(34)而言，若供给前述第二混合气体，则通过使水蒸气选择性地透过，从而将透过该第二分离膜(34)的水蒸气分离。