WO2003035230A1

WO2003035230A1 - Structure de fixation de separateur de gaz et dispositif de separation de gaz utilisant ladite structure

Info

Publication number: WO2003035230A1
Application number: PCT/JP2002/010961
Authority: WO
Inventors: Kenji Suzuki
Original assignee: Ngk Insulators,Ltd.
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2003-05-01
Also published as: EP1457250B1; JP3933907B2; JP2003126662A; EP1457250A4; US20040187690A1; US6958087B2; EP1457250A1

Description

明細書ガス分離体固定構造体及びそれを用いたガス分離装置技術分野

本発明は、ガス分離体固定構造体、及び当該ガス分離体固定構造体を用いたガス分離装置に関する。背景技術

従来、多成分混合ガスから特定のガス成分のみを得る方法として、有機又は無機のガス分離膜によって分離する方法が知られている。

膜分離法に用いられる分離膜は、水素分離膜としてポリイミドゃポリスルホンなどの有機高分子膜及びパラジウム又はパラジウム合金膜などの無機化合物膜が知られている。特に、パラジウム又はパラジウム合金膜は耐熱性もあり、また極めて高純度の水素を得ることができる。

パラジウム又はパラジウム合金は、水素を固溶して透過させる性質があり、この性質を利用し、パラジウム又はパラジウム合金からなる薄膜は水素を含有する混合ガスから水素を分離する水素分離体に広く用いられている。

関連する従来技術として、特開昭 6 2 - 2 7 3 0 3 0号公報、特開昭 6 3— 1 7 1 6 1 7号公報において、多孔質基体の一表面にパラジウム又はパラジウム合金からなるガス分離膜を被覆したガス分離体が開示されており、多孔質基体はガラス、酸化アルミニウム等のセラミックスからなるものである。ガス分離膜のみでは機械強度が充分ではないので、ガス分離膜を多孔質基体に被覆させている。このようなガス分離体が組み込まれたガス分離装置は、ガス分離体の一方の側より被処理ガスを導入し、特定のガスのみがガス分離体を透過し、ガス分離体の他方の側より精製された水素ガスが得られる構造を有する。従って、被処理ガス側と精製ガス側とを気密に分離して、ガス分離体と支持体との接合部から被処理ガスが精製ガス側に漏洩しないことが重要となる。一方、ガス分離体を使用して水素ガスを効率良く分離するためには、水素原子等がガス分離膜を拡散する速度を速くするため、 5〜2 0気圧で 3 0 0 以上、好ましくは 5 0 0 °C以上という高温、高圧で分離することが有利である。

この条件でのガス漏洩を防止するために、一般的にはガス分離体と支持体とをガラス、ろう材等により接合すること（ガラス接合、ろう接合）が行われている。また、ガスの処理温度が 2 5 0 °C以下である場合には、樹脂又はゴム製の〇リングを用いてガス分離体と支持体の間の気密性を確保することも行われている。しかし、前述のガラス接合、又はろう接合によってガス分離体と支持体とを接合すると、熱応力によりガス分離体を構成する多孔質基体が破壊されたり、熱サィクルの負荷に伴ってガス分離体と支持材との間の気密性が低下する等の問題の発生が想定され得る。更に、ガス分離体と支持体とのクリアランスを厳密に制御してこれらを接合する必要性があるばかりでなく、接合温度が高温であるため、熱応力により歪みを生ずる等の不具合が生ずることも想定される。

また、樹脂又はゴム製の〇リングを用いてガス分離体と支持体の間の気密性を確保する場合、ガスの処理温度が 2 5 0 超であると当該気密性を充分に確保することが実質的に困難であり、使用可能な温度範囲が限定されていた。

本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱応力によるガス分離体を構成する基体の破壊や、熱サイクルの負荷による、ガス分離体とこれを支持する支持材との間の気密性低下が起こり難いとともに、高温条件下においても使用可能なガス分離体固定構造体、及び、当該ガス分離体固定構造体を用いたガス分離装置を提供することにある

発明の開示

即ち、本発明によれば、多孔質セラミックスからなる軸方向に貫通を有する筒状基体の少なくとも一方の表面上にガス分離膜が形成されてなるガス分離体を備えたガス分離体固定構造体であって、前記ガス分離体の一方の開口端部には蓋状金属部材が、他方の開口端部には環状金属部材が、各々シール部材を介して固定されており、各々の前記シール部材がグランドパッキンであることを特徴とするガス分離体固定構造体が提供される。本発明においては、蓋状金属部材が、一方のグランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する蓋状又は環状の第 1のパッキン押さえと、一方のグランドパッキンの移動を抑制する環状又は蓋状の下部ストッパーにより構成されるとともに、環状金属部材が、他方のグランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する環状の第 2のパッキン押さえと、他方のグランドパッキンの移動を抑制する環状の上部ストッパーにより構成されることが好ましい。

本発明においては、第 1のパッキン押さえの形状が、一方のグランドパッキンを、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、下部ストッパーの形状が、一方のグランドパッキンと直接に接触するとともに、第 1のパッキン押さえの凸型形状と嵌合する凹型形状であり、第 2のパッキン押さえの形状が、他方のグランドパッキンを、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、かつ、上部ストッパーの形状が、他方のグランドパッキンと直接に接触するとともに、第 2のパッキン押さえの凸型形状と嵌合し得る凹型形状であることが好ましい。

また、本発明によれば、多孔質セラミックスからなる軸方向に貫通孔を有する筒状基体の少なくとも一方の表面上にガス分離膜が形成されてなるガス分離体を備えたガス分離体固定構造体であって、前記ガス分離体の両方の開口端部には、環状金属部材が各々シール部材を介して固定されており、各々の前記シール部材がグランドパッキンであることを特徴とするガス分離体固定構造体が提供される本発明においては、環状金属部材が、グランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する環状パッキン押さえと、グランドパッキンの移動を抑制する環状ストッパーにより構成されることが好ましい。

本発明においては、環状パッキン押さえの形状が、グランドパッキンを、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、かつ、環状ストッパーの形状が、ダランドパッキンと直接に接触しするとともに、環状パッキン押さえの凸型形状と嵌合し得る凹型形状であることが好ましい。

本発明においては、筒状基体が、複数個の貫通孔を並列的に有することが好ましい。本発明においては、グランドパッキンの使用温度範囲の最高値が 3 0 0 以上であることが好ましく、グランドパッキンの非酸化性雰囲気における使用温度範囲の最高値が 3 5 0 以上であることが好ましく、非酸化性雰囲気における使用温度範囲の最高値が 6 0 0で以上であることが更に好ましい。

また、本発明においては、グランドパッキンの主成分が膨張黒鉛であることが好ましく、多孔質セラミックスがアルミナであることが好ましい。

更に、本発明においては、ガス分離膜が水素を選択的に透過する水素分離膜であることが好ましく、ガス分離膜がパラジウム又はパラジウムを含有する金属から構成されることが好ましい。

本発明においては、蓋状金属部材及び Z又は環状金属部材の構成材料の熱膨張係数が 1 0 X 1 0— 以下であることが好ましく、更に、蓋状金属部材及び Ζ 又は環状金属部材の構成材料がパーマロイであることが好ましい。

本発明のガス分離体固定構造体は 2 5 0〜 1 6 5 0での温度範囲で好適に使用することができ、 3 0 0〜6 0 0 の温度範囲で更に好適に使用することができる。また、被処理ガスの全圧が 0 . 1〜 1 O M P aとなる圧力範囲で好適に使用することができる。

また、本発明によれば、圧力容器を備えたガス分離装置であって、前述のいずれかのガス分離体固定構造体の環状金属部材が該圧力容器の内面に固定されていることを特徴とするガス分離装置が提供される。

なお、本発明によれば、流入孔から流入する被処理ガス中における特定のガス成分を、ガス分離膜を透過させて第一の流出孔から流出させるとともに、非透過ガスを第二の流出孔から流出させるガス分離装置であって、前記流入孔、前記第一の流出孔及び前記第二の流出孔を有する容器の内部に、前述のいずれかのガス分離体固定構造体が固定されていることを特徴とするガス分離装置が提供される本発明においては、ガス分離体の膨張を吸収する緩衝手段を備えることが好ましい。図面の簡単な説明図 1は、本発明のガス分離体固定構造体の一実施態様を示す断面図である。図 2は、本発明のガス分離体固定構造体の別の実施態様を示す断面図である。図 3 は、本発明のガス分離体固定構造体の更に別の実施態様を示す断面図である。図 4は、本発明のガス分離装置の一実施態様を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜、設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

本発明の第一の側面は、多孔質セラミックスからなる軸方向に貫通孔を有する筒状基体の少なくとも一方の表面上にガス分離膜が形成されてなるガス分離体を備えたガス分離体固定構造体であり、ガス分離体の一方の開口端部には蓋状金属部材が、他方の開口端部には環状金属部材が、各々のシール部材を介して固定されているとともに、各々のシール部材がグランドパッキンであることを特徴とするものである。また、蓋状金属部材は一方のグランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する蓋状又は環状の第 1のパッキン押さえと、一方のグランドパッキンの移動を抑制する環状又は蓋状の下部ストッパーにより構成されるとともに、環状金属部材は他方のグランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する環状の第 2のパッキン押さえと、他方のグランドパッキンの移動を抑制する環状の上部ストッパーにより構成されていることが好ましい。以下、その詳細について説明する。

図 1は、本発明のガス分離体固定構造体の一実施態様を示す断面図である。蓋状金属部材 1は、蓋状の第 1のパッキン押さえ 2と、環状の下部ストッパー 3により構成されており、環状金属部材 4は、環状の第 2のパッキン押さえ 5と、環状の上部ストッパー 6により構成されている。なお、環状金属部材 4 (第 2のパッキン押さえ' 5 ) は、貫通孔 7を有するフランジ 8と、溶接等の気密性を確保する接合方法により接合されている。

蓋状金属部材 1及び環状金属部材 4には、ガス分離体 1 0の外周面と接するようにグランドパッキン 1 1， 1 2がシール部材として配置されている。このとき、グランドパッキン 1 1 , 1 2を各々少なくとも 1個収納可能なスタフイングポックス 1 3を備え、この内部にグランドパッキン 1 1， 1 2を収納するように配置してもよい。但し、グランドパッキン 1 1 , 1 2はガス分離体 1 0の外周面に直に接することが必要である。

第 1のパッキン押さえ 2及び第 2のパッキン押さえ 5は、グランドパッキン 1 1， 1 2に対して、筒状基体 3 1の軸方向に締付圧力を付与することができ、下部ストッパー 3及び上部ストッパー 6は、グランドパッキン 1 1， 1 2に対して締付圧力が付与されることに伴う当該グランドパッキン 1 1 , 1 2の軸方向への移動を抑制する。このとき、移動を抑制されたグランドパッキン 1 1 , 1 2は、実際上は多少の変形を伴ってガス分離体 1 0の径の内部方向、即ち、ガス分離膜 3 0の膜面に対して垂直方向に適当な圧力で密着し、ガス分離体 1 0と、蓋状金属部材 1及び環状金属部材 4との間の気密性を確保する。なお、スタフイングポックス 1 3により、その内部に収納されたグランドパッキン 1 1， 1 2に付与された締付圧力を、ガス分離体 1 0へとより効果的に伝えることが可能となる。また、本発明においては、部品数を少なくし、かつ、より気密性を確保しやすい等の観点から、第 1のパッキン押さえ 2の形状が、グランドパッキン 1 1を、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、下部ストッパー 3の形状が、ダランドパッキン 1 1と直接に接触するとともに、第 1のパッキン押さえ 2の凸型形状と嵌合する凹型形状であり、第 2のパッキン押さえ 5の形状が、グランドパッキン 1 2を、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、かつ、上部ストッパ一 6の形状が、グランドパッキン 1 2と直接に接触するとともに、第 2のパツキン押さえ 5の凸型形状と嵌合し得る凹型形状であることが好ましい。

第 1のパッキン押さえ 2と下部ストッパー 3が接する部位、及び、第 2のパッキン押さえ 5と上部ストッパー 6が接する部位には、グランドパッキン 1 1 , 1 2への締付圧力を付与及び保持するため、ねじ溝 2 0が形成されていてもよい。また、第 1のパッキン押さえ 2、下部ストッパー 3、第 2のパッキン押さえ 5、及び上部ストッパー 6の外周部には、レンチ等を用いてのねじ込みを容易にすべく、面取り部 2 1が形成されていてもよい。図 2は、本発明のガス分離体固定構造体の別の実施態様を示す断面図である。蓋状金属部材 1は、環状の第 1のパッキン押さえ 1 0 0と、環状の下部ストッパ — 1 0 7により構成されており、環状金属部材 4は、環状の第 2のパッキン押さえ 5と、環状の上部ストッパー 6により構成されている。なお、環状金属部材 4

(上部ストッパー 6 ) は、貫通孔 7を有するフランジ 8と溶接等の接合方法により接合されている。また、その他の部材、例えばグランドパッキン 1 1， 1 2、スタフィングボックス 1 3等は図 1に示すガス分離体固定構造体の場合と同様の位置関係で配置されており、グランドパッキン 1 1， 1 2はガス分離体 1 0の外周面に直に接している。

即ち、本発明に係るガス分離体固定構造体においては、環状の第 1のパッキン押さえによりグランドパッキンに対して締付圧力を付与する方向は、図 1、 2に示すように筒状基体 3 1の軸方向であれば上下いずれの方向であってもよく、目的，用途等に応じて自在な設計が可能である。

次に、本発明の第二の側面について説明する。本発明の第二の側面は、多孔質セラミツクスからなる軸方向に貫通孔を有する筒状基体の少なくとも一方の表面上にガス分離膜が形成されてなるガス分離体を備えたガス分離体固定構造体であり、ガス分離体の両方の開口端部には、環状金属部材が各々シール部材を介して圧縮固定されており、各々のシール部材がグランドパッキンであることを特徴とするものである。また、環状金属部材は、グランドパッキンに対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する環状パッキン押さえと、グランドパッキンの移動を抑制する環状ストッパーにより構成されることが好ましい。以下、その詳細について説明する。

図 3は、本発明のガス分離体固定構造体の更に別の実施態様を示す断面図である。環状金属部材 4は、環状パッキン押さえ 1 1 0 , 1 2 0と、環状ストッパー 1 3 0 , 1 4 0により構成されており、環状金属部材 4 (環状パッキン押さえ 1 1 0 , 1 2 0 ) は、貫通孔 7を有するフランジ 8、又は当該ガス分離体固定構造体が取着される容器本体 1 0 4と溶接等の接合方法により接合されている。環状金属部材 4には、ガス分離体 1 0の外周面と接するようにグランドパツキン 1 1， 1 2がシール部材として配置されている。このとき、グランドパッキン 11, 12を各々少なくとも 1個収納可能なスタフイングボックス 13を備え、この内部にグランドパッキン 1 1， 12を収納するように配置してもよい。伹し、グランドパッキン 1 1, 12はガス分離体 10の外周面に直に接することが必要である。

環状パッキン押さえ 1 10， 120は、グランドパッキン 1 1, 12に対して、筒状基体 31の軸方向に締付圧力を付与することができ、環状ストッパー 13 0, 140は、グランドパッキン 1 1， 12に対して締付圧力が付与されることに伴う当該グランドパッキン 1 1, 12の軸方向への移動を抑制する。このとき、移動を抑制されたグランドパッキン 1 1， 12は、実際上は多少の変形を伴つてガス分離体 10の径の内部方向、即ち、ガス分離膜 30の膜面に対して垂直方向に適当な圧力で密着し、ガス分離体 10と、環状金属部材 4との間の気密性を確保する。なお、ス夕フイングボックス 13により、その内部に収納されたダランドパッキン 1 1, 12に付与された締付圧力を、ガス分離体 10へとより効果的に伝えることが可能となる。

また、本発明においては、部品数を少なくし、かつ、より気密性を確保しやすい等の観点から、環状パッキン押さえ 1 10, 120の形状が、グランドパツキン 1 1, 12を、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、かつ、環状ストッパー 130， 140の形状が、グランドパッキン 11， 12と直接に接触しするとともに、環状パッキン押さえ 1 10， 120の凸型形状と嵌合し得る凹型形状であることが好ましい。

環状パッキン押さえ 1 10, 120と環状ストッパー 130, 140が接する部位には、グランドパッキン 11, 12への締付圧力を付与及び保持するため、ねじ溝 20が形成されていてもよい。また、環状パッキン押さえ 110, 120 、及び環状ストッパー 130, 140の外周部には、レンチ等を用いてのねじ込みを容易にすべく、面取り部 21が形成されていてもよい。

既に述べたように、図 3に示すガス分離体固定構造体の場合であっても環状パッキン押さえによりグランドパッキンに対して締付圧力を付与する方向は筒状基体の軸方向であれば上下いずれの方向であってもよく、目的 ·用途等に応じて自在に設計することができる。本発明のガス分離体固定構造体は、ガラス接合、ろう接合等を採用せず、シ一ル材としてのグランドパッキンを介してガス分離体を各金属部材に固定しているために、熱膨張差に起因するガス分離体の破損等が生じ難く、また、ガス分離体の実使用に際して温度が上昇した場合であっても気密性が充分に確保されるとともに、熱サイクルの負荷に対しても優れた耐久性を示す。更には、高温下においてパッキン押さえ等の増し締め等を行なう必要性がなく、保守 ·点検等の手間も削減される。

また、本発明においてはグランドパッキンの使用温度範囲の最高値が 3 0 0 V, 以上であることが好ましく、 3 5 O t:以上であることが更に好ましく、 4 5 0で以上であることが特に好ましい。水素原子等のガス分離膜における拡散速度を速くするため、高温で使用できることが好ましいためである。なお、本発明においてはグランドパッキンの使用温度範囲の最高値の上限値について特に限定されるものではないが、実質的な耐熱性等の観点からは、概ね 1 6 5 0 以下のものであればよい。

更に、本発明においてはグランドパッキンの非酸化性雰囲気中における使用温度範囲の最高値が 3 5 0 ^以上であることが好ましく、 4 5 0 以上であることが更に好ましく、 6 0 0で以上であることが特に好ましい。なお、本発明においてはグランドパッキンの非酸化性雰囲気中における最高使用温度の上限値について特に限定されるものではないが、実質的な耐熱性等の観点からは、概ね 1 6 5 0で以下のものであればよい。

また、本発明においては、グランドパッキンの主成分が膨張黒鉛であることが好ましい。膨張黒鉛を主成分とするグランドパッキンは高耐熱性、高耐圧性を示すとともに優れた弾性体であるため、これを用いた本発明のガス分離体固定構造体はガス分離体と、蓋状金属部材及び環状金属部材との間の気密性を充分に確保することができ、高温 ·高圧条件下において使用可能である。

なお、膨張黒鉛以外に使用温度範囲の最高値が 3 0 0 ^eC以上となる耐熱性を示すパッキンの材質としては、石綿繊維、金属繊維等を挙げることができるが、石綿繊維は人体に対する悪影響（健康障害の発生等）が懸念されるために、金属繊維は圧縮固定されるガス分離膜表面に傷をつける恐れがあるために好ましくない。従って、グランドパッキンの主成分を膨張黒鉛とすることにより、これらの問題が回避される。

本発明のガス分離体固定構造体を構成する部材の 1つである多孔質セラミックスからなる筒状基体は、ガス分離膜単独では機械強度が弱いので、ガス分離膜を支持するものである。ここでいう多孔質とは、例えば、三次元的に連続した多数の微細な小孔を有することを意味するものであり、その孔径は 0 . 0 0 3〜2 0 mが好ましく、更に 0 . 0 0 5〜5 /z mが好ましい。孔径が 0 . 0 0 3 m未満ではガスが通過するときの抵抗が大きくなるからである。一方、孔径が 2 0 mを超えるとガス分離膜にピンホールが生じやすくなり、好ましくない。

本発明においては筒状基体を構成する多孔質セラミツクスがアルミナであることが好ましく、被処理ガスが反応しないという効果を奏する。また、アルミナよりなる多孔質の筒状基体は所望とする形状に、容易に作製することができ、例えば、特開昭 6 2 - 2 7 3 0 3 0号公報に記載する方法により作製することができる。

本発明においては、筒状基体が複数個の貫通孔を並列的に有することが好ましい。但し、筒状基体の形状は円柱状に限定されるものではなく、例えば、角柱状であってもよく、例えば円柱、角柱がその軸に沿って湾曲した形状であってもよい。また、貫通孔の形状は直線状のものに限定されるものではなく、例えば曲線状の形状であってもよい。

また、本発明においてはガス分離膜が水素を選択的に透過する水素分離膜であることが好ましく、このような選択透過性を示すガス分離膜を構成する金属としては、パラジウム又はパラジウムを含有する金属が好ましい。パラジウムを含有する金属とは、パラジウム単体と、パラジウム合金とを包含する。パラジウム合金は、 Journal of Membrane Sc i ence, 56 (1 991) 315-325 : "Hydrogen Permeab l e Pa 1 l ad ium-S i lver Al l oy Membrane Suppor ted on Porous Cerami cs", 特開昭 6 3 - 2 9 5 4 0 2号公報に記載されているように、パラジウム以外の金属の含量は 1 0〜3 0質量％であることが好ましい。パラジウムを合金化する主目的は、パラジウムの水素脆化防止と高温時の分離効率向上のためである。また、パラジゥム以外の金属として銀を含有することは、パラジウムの水素脆化防止のため、好ましい。

なお、ガス分離膜が被覆する面は、筒状基体の外側でも、内側でも、或いはこの両者でもよく、ガス分離膜を筒状基体に被覆する方法は一般的な公知の方法が使用でき、例えば、化学メツキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等を用いることができる。

本発明においては、蓋状金属部材及び又は環状金属部材の構成材料の使用温度範囲内の熱膨張係数が 1 O X 1 0—⁶ で以下であることが好ましく、 9 X 1 0— ⁶ノ以下であることが更に好ましく、 8 X 1 0— ^{6 1} C以下であることが特に好ましい。通常、多孔質セラミックスからなる筒状基体の熱膨張係数は 1 0 X 1 0 _⁶ で以下であり、グランドパッキンの応力値の変動制御、及び筒状基体の破損防止等の観点から、筒状基体と、蓋状金属部材及び Z又は環状金属部材の構成材料の熱膨張係数は近似していることが好ましいためである。従って、蓋状金属部材及び/又は環状金属部材の構成材料の熱膨張係数を当該数値以下とすることにより、高温条件下における被分離ガスのリーク発生や筒状基体の破損等を防止することができる。

なお、本発明においては蓋状金属部材及び又は環状金属部材の構成材料の熱膨張係数の下限値については特に限定されるものではないが、材料入手の容易性等の観点からは概ね 0 . 4 X 1 0 _⁶Z :以上であれば問題なく用いることができる。

また、本発明における前述の熱膨張係数が 1 0 X 1 (Γ⁶/^以下である蓋状金属部材及びノ又は環状金属部材として好適な構成材料金属の具体例として、パーマロイ、コバール、インバ一、スーパーインバー、モリブデン、タングステン、鉄.ニッケル合金等を挙げることができ、特にパーマロイであることが好ましく、このことにより、高温条件下における被分離ガスのリーク発生や筒状基体の破損等を効果的に防止することが可能である。

なお、ガス分離体 1 0の外周側から内周側へと透過してきた分離ガスに、ガス分離体 1 0とグランドパッキン 1 1， 1 2のシール面から不可避的に侵入する極微量の被処理ガス（分離されていないガス）が混在することになる（図 1 ) 。但し、得られる分離ガスの用途を考慮した場合、当該用途に影響を与えない程度の混在率であれば極微量の被処理ガスの混在は許容されると考えられる。例えば、得られる分離ガスが水素ガスであって、これを燃料電池用水素精製機として使用することを想定した場合、当該水素ガスの純度は 9 9体積％以上であれば充分に許容され得る。

従って、例えば蓋状金属部材 1及び環状金属部材 4の材質を S U S 3 0 4 (熱膨張係数： 1 7 X l O—⁶Zt:) とした場合、その熱膨張係数は多孔質セラミックスの 2〜 3倍であるため、高温条件下においてはグランドパッキン 1 1， 1 2の応力低下に伴って極微量の被理ガスのリーク発生も予測されるが、得られる分離ガスの用途により本発明のガス分離体固定構造体は好適に採用される（図 1 ) 本発明のガス分離体固定構造体は、その熱応力や熱サイクルに対する優れた耐久性から、 2 5 0〜 1 6 5 O tの温度範囲で好適に使用することができ、 3 0 0 〜6 0 0 "Cの温度範囲で更に好適に使用することができる。また、被処理ガスの全圧が 0 . 1〜 1 O M P aとなる圧力範囲で好適に使用することができる。次に、本発明の第三の側面について説明する。本発明の第三の側面は圧力容器を備えたガス分離装置であり、上述してきたいずれかのガス分離体固定構造体の一部である環状金属部材が、圧力容器の内面に固定されていることを特徴とするガス分離装置である。以下、その詳細について説明する。

図 1に示す構造のガス分離体固定構造体を組み込んだ場合を想定して説明する。環状金属部材 4、更に具体的には第 2のパッキン押さえ 5の一部分が、フランジ 8等に適当な接合方法、例えば溶接等により接合されることによって、ガス分離装置の構成要素である圧力容器（図示せず）の内面に固定される。ガス分離体 1 0の一方の開口端部はグランドパッキン 1 1を介して蓋状金属部材 1によって気密に閉じられているため、ガス分離体 1 0を透過した分離ガスは、環状金属部材 4が固定されている開口端部（貫通孔 7 ) の方向へと流れ、圧力容器の外部に取り出される。なお、被処理ガス中の他のガスはガス分離体を透過せず、圧力容器に設けられた出口（図示せず）より排出される。

ここで、本発明のガス分離装置では、ガス分離体固定構造体が圧力容器の内面に固定されている箇所はガス分離体固定構造体において、貫通孔 7を有する一方の端部のみであり、蓋状金属部材 1、即ち、他方の端部は圧力容器の内面に固定されていない（図 1 ) 。従って、熱サイクルの負荷に起因するガス分離体の膨張

•収縮による破損が極めて生じ難く、長期間の使用が可能であるという効果を奏する。

次に、本発明の第四の側面について説明する。本発明の第四の側面は、流入孔から流入する被処理ガス中における特定のガス成分を、ガス分離膜を透過させて第一の流出孔から流出させるとともに、非透過ガスを第二の流出孔から流出させるガス分離装置であり、ガス分離体の両方の開口端部に環状金属部材が各々シール部材を介して固定されている、これまで述べてきたいずれかのガス分離体固定構造体が、流入孔、第一の流出孔及び第二の流出孔を有する容器の内部に固定されていることを特徴とするものである。以下、その詳細について説明する。図 4は、本発明のガス分離装置の一実施態様を示す断面図である。図 4において、流入孔 1 0 1より導入された被処理ガスは、フランジ 8の貫通孔 7を介して、ガス分離体 1 0の一端よりその内部に入る。分離ガスは、ガス分離膜 3 0を選択的に透過し、ガス分離体 1 0の外部に出、流出孔 1 0 2より流出する。一方、非透過ガスは、ガス分離体 1 0の他端より、流出孔 1 0 3を介して排出される。なお、図 4中、符号 1 0 5は蓋体、符号 1 0 6は固定部材を示す。

上述の如く、被処理ガスをガス分離体の内部より導入する場合において、ガス分離体の一端より被処理ガスを導入し、他端より非透過ガスを排出する場合には

、ガス分離体をその一端において容器本体の内部に支持するとともに、ガス分離体の両端を容器本体の流出孔或いは流入孔と連通させることが必要となる。従つて、ガス分離体と容器本体との熱膨張差によりガス分離装置が損傷したり、ガス分離体と容器本体の流出孔或いは流入孔を連結する構造が損傷を受ける可能性がある。本発明においてはガス分離体の膨張を吸収するような緩衝手段を備えることが好ましく、このことにより、前述の事態が起こることを防ぐことができる。具体的には、図 4に示すように容器本体 1 0 4とガス分離体 1 0との熱膨張差によりガス分離装置が損傷するのを防ぐために、容器本体 1 0 4の外周面を蛇腹状の形状とし、ガス分離体 1 0の軸方向における伸張を許容する構造とすればよい。蛇腹部は透過ガスの圧力を受けるが、透過ガスの圧力は、一般に陰圧〜 0 . 2MP aと小さいため、蛇腹が伸びるように作用する力は無視することができるまた、この他の方法として、貫通孔と容器の流出孔或いは流入孔の連結に、バネ状に巻いた、弾性を有するパイプを用いる等の方法がある。

実施例

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

(ガス分離体とガス分離体固定構造体）

ガス分離体には、外径 10. 7mm、内径 7. 5mm、長さ 40mmの円筒形状を有し、小孔径が 0. 1 mであるアルミナ製の多孔質基体に、厚さ 18 m の金属パラジウムがメツキされたものを用いた。また、ガス分離体固定構造体を構成するグランドパッキンには膨張黒鉛製編組グランドパッキンを、各金属部材には 45パーマロイ製のものを用いた。なお、この多孔質基体の熱膨張係数は 7 . 1 X 10 -'/V, (40〜300 ）、 7. 7X 10 -⁶/ （ 40〜 600 であり、各金属部材の熱膨張係数は 7. 3 X 10-W (40〜300で）、 9 . 9 X 10—^{6 1} (40〜6000 であった。

(ガス分離体固定構造体の製造）

図 1に示すような構成のガス分離体固定構造体を作製した。まず、スタフィングボックス 13にグランドパッキン 1 1， 12を 2個ずつ収納し、グランドパッキン 1 1, 12に接触するまで第 1のパッキン押さえ 2及び第 2のパッキン押さえ 5を軽くねじ込み、グランドパッキン 1 1, 12を仮固定した。次に、蓋状金属部材 1及び環状金属部材 4に、前述のガス分離体 10を挿入した。このとき、ガス分離体 10の開口端部がグランドパッキン 1 1， 12よりも深い位置となるまで挿入した。その後、第 1のパッキン押さえ 2及び第 2のパッキン押さえ 5を、トルクレンチを用いて、軸方向への締付圧力が 20 MP a、径の内部方向（ガス分離膜の膜面に対して垂直方向）への締付圧力が約 1 OMP aとなるように締め込むことにより、ガス分離体固定構造体を製造した。

(気密試験）

前述のガス分離体固定構造体を、金属ガスケットを介して圧力容器に固定することにより、気密試験を行なった。

気密試験は、ガス分離体の被処理側（外周側）に 0 . 9 M P aの圧力でァルゴンガスを導入 ·保持した状態で、ガス分離体を室温から 6 0 O :まで加熱し、次いで、室温まで冷却した。この温度サイクルを 5回繰り返し、室温（2 5 ）、 3 0 0 、及び 6 0 0での各時点において、分離ガス側（内周側）に漏洩するァルゴンガスの流量を測定することにより行った。結果を表 1に示す。

(考察）

許容されるシール部からのガス漏洩量（シール部ガス漏洩許容量）は、分離膜の面積 ·水素透過量、及び分離膜のピンホールからの被処理ガスの漏洩量等に依存する。これらの諸条件を勘案し、 3 0 0でにおけるシール部ガス漏洩許容量を約 3 O m l /m i nと想定する。このとき、表 1に示す結果から明らかなように、本発明のガス分離体固定構造体は、温度サイクルが経過してもアルゴンガスの漏洩は極微量、即ち、前記シール部ガス漏洩許容量の 1 / 6 0 (数十分の一）程度に抑制されているとともに、低温（2 5 ）域から高温（6 0 0 °C) 域に至るまで、充分な気密性が確保されていることが判明した。従って、本発明に係るガス分離固定構造体を用いれば、ガスリークが少なく、長期使用が可能なガス分離装置を提供することができると考えられる。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明のガス分離体固定構造体は、ガス分離体の開口端部に所定の金属部材がグランドパッキンを介して固定されているため、熱応力によるガス分離体を構成する基体の破壊や、熱サイクルの負荷によるガス分離体と、これを支持するための支持材である金属部材との間の気密性低下が起こり難いとともに、高温条件下においても使用可能であるといった利点を有する。

また、本発明のガス分離装置によれば、上述のガス分離体固定構造体が所定の状態で圧力容器の内面に固定されているため、熱サイクルの負荷に起因するガス分離体の膨張，収縮による破損が極めて生じ難く、長期間の使用が可能である。

Claims

請求の範囲

1 . 多孔質セラミックスからなる軸方向に貫通孔を有する筒状基体の少なくとも一方の表面上にガス分離膜が形成されてなるガス分離体を備えたガス分離体固定構造体であって、

前記ガス分離体の一方の開口端部には蓋状金属部材が、他方の開口端部には環状金属部材が、各々シール部材を介して圧縮固定されており、各々の前記シール部材がグランドパッキンであることを特徴とするガス分離体固定構造体。

2 . 前記蓋状金属部材が、一方の前記グランドパッキンに対して、前記筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する蓋状又は環状の第 1のパッキン押さえと、一方の前記グランドパッキンの移動を抑制する環状又は蓋状の下部ストッパーにより構成されるとともに、

前記環状金属部材が、他方の前記グランドパッキンに対して、前記筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する環状の第 2のパッキン押さえと、他方の前記グランドパッキンの移動を抑制する環状の上部ストッパーにより構成される請求項 1に記載のガス分離体固定構造体。

3 . 前記第 1のパッキン押さえの形状が、一方の前記グランドパッキンを、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、

前記下部ストッパーの形状が、一方の前記グランドパッキンと直接に接触するとともに、前記第 1のパッキン押さえの凸型形状と嵌合する凹型形状であり、前記第 2のパッキン押さえの形状が、他方の前記グランドパッキンを、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、かつ、

前記上部ストッパーの形状が、他方の前記グランドパッキンと直接に接触するとともに、前記第 2のパッキン押さえの凸型形状と嵌合し得る凹型形状である請求項 2に記載のガス分離体固定構造体。

4 . 多孔質セラミックスからなる軸方向に貫通孔を有する筒状基体の少なくとも一方の表面上にガス分離膜が形成されてなるガス分離体を備えたガス分離体固定構造体であって、

前記ガス分離体の両方の開口端部には、環状金属部材が各々シール部材を介して圧縮固定されており、各々の前記シール部材がダランドパッキンであることを特徴とするガス分離体固定構造体。

5 . 前記環状金属部材が、前記グランドパッキンに対して、前記筒状基体の軸方向に締付圧力を付与する環状パッキン押さえと、前記グランドパッキンの移動を抑制する環状ストッパーにより構成される請求項 4に記載のガス分離体固定構造体。

6 . 前記環状パッキン押さえの形状が、前記グランドパッキンを、その先端部で直接に押圧する凸型形状であり、かつ、

前記環状ストッパーの形状が、前記グランドパッキンと直接に接触しするとともに、前記環状パッキン押さえの凸型形状と嵌合し得る凹型形状である請求項 5 に記載のガス分離体固定構造体。

7 . 前記筒状基体が、複数個の貫通孔を並列的に有する請求項 1〜6のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

8 . 前記グランドパッキンの使用温度範囲の最高値が 3 0 0 "C以上である請求項 1〜 7のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

9 . 前記グランドパッキンの非酸化性雰囲気中における使用温度範囲の最高値が 3 5 0で以上である請求項 1〜8のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

1 0 . 前記グランドパッキンの非酸化性雰囲気中における使用温度範囲の最高値が 6 0 0で以上である請求項 1〜9のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

1 1 . 前記グランドパッキンの主成分が膨張黒鉛である請求項 1〜1 0のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

1 2 . 前記多孔質セラミックスがアルミナである請求項 1〜1 1のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

1 3 . 前記ガス分離膜が水素を選択的に透過する水素分離膜である請求項 1〜 1 2のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

1 4 . 前記ガス分離膜がパラジウム又はパラジウムを含有する金属から構成される請求項 1〜 1 3のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

15. 前記蓋状金属部材及び Z又は前記環状金属部材の構成材料の熱膨張係数が 4X 1 CT⁶〜10 X 10— ⁶/°C以下である請求項 1〜14のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

16. 前記蓋状金属部材及び又は前記環状金属部材の構成材料がパーマロイである請求項 1〜 15のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

17. 250〜1650での温度範囲で使用される請求項 1〜16のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

18. 300〜600°Cの温度範囲で使用される請求項 1〜 17のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

19. 被処理ガスの全圧が 0. 1〜1 OMP aとなる圧力範囲で使用される請求項 1〜 18のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。

20. 圧力容器を備えたガス分離装置であって、

請求項 1〜 19のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体の前記環状金属部材が前記圧力容器の内面に固定されていることを特徴とするガス分離装置。

21. 流入孔から流入する被処理ガス中における特定のガス成分を、ガス分離膜を透過させて第一の流出孔から流出させるとともに、非透過ガスを第二の流出孔から流出させるガス分離装置であって、

前記流入孔、前記第一の流出孔及び前記第二の流出孔を有する容器の内部に、請求項 4〜 19のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体が固定されていることを特徴とするガス分離装置。

22. 前記ガス分離体の膨張を吸収する緩衝手段を備えた請求項 21に記載のガス分離装置。