ガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法
【課題】ガス分離体とこれ固定保持する部材との接合箇所でガスの漏出が生じにくいガス分離体固定構造体およびその使用方法を提供する。
【解決手段】多孔質基体１１とその表面上に設けられたガス分離膜１２と有するガス分離体３と、ガス分離体３を収容する凹部２４を有する収容部材２１と、ガス分離体３の外周面１８と側壁２６との隙間２８に設けられたシール部材２２と、隙間２８において軸２０方向でシール部材２２を挟み込み加圧する締付部材２３と、を備え、ガス分離体３の熱膨張率に対する収容部材２１の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であるガス分離体固定構造体１。
【解決手段】多孔質基体１１とその表面上に設けられたガス分離膜１２と有するガス分離体３と、ガス分離体３を収容する凹部２４を有する収容部材２１と、ガス分離体３の外周面１８と側壁２６との隙間２８に設けられたシール部材２２と、隙間２８において軸２０方向でシール部材２２を挟み込み加圧する締付部材２３と、を備え、ガス分離体３の熱膨張率に対する収容部材２１の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であるガス分離体固定構造体１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法に関する。例えば、水素含有ガスから水素ガスのみを選択的に分離する水素分離体を固定保持した水素分離体固定構造体およびその使用方法を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
ガス分離装置は、特定のガス成分のみを透過させる特性を有するガス分離膜を備え、多成分混合ガスから特定のガス成分のみを分離することができる。
【０００３】
ガス分離装置には、ガス分離体を備えるものがある。ガス分離体には、例えば、内部に空洞部分を有し且つ端部を開口させた筒形状の多孔質基体と、この多孔質基体の外側表面を被覆するガス分離膜とを備えるものがある（例えば、特許文献１〜３）。このガス分離装置では、ガス分離体の外周面が露出する空間とガス分離体内部の空洞部分との間を、ガス分離膜がガスの自由な流通を制限するように隔てている。そのため、ガス分離体の外周面側の空間に多成分混合ガスを充填した場合、特定のガス成分のみがガス分離膜を透過してガス分離体の空洞部分に流入し、一方で残余のガス成分がそのままガス分離体の外周面側の空間に留まる。
【０００４】
また、ガス分離装置は、ガス分離体に接合してガス分離体を固定保持する部材（以下、「固定部材」）を備えている。ここで、ガス分離体と固定部材との接合箇所における密閉状態が悪い場合、ガス分離体と固定部材との接合箇所の隙間からガスの漏出が生じてしまう。このようなガス漏出が生じた場合、ガス分離膜を透過した特定のガス成分に残余のガス成分が混入してしまうため、特定のガス成分を効率的に分離できなくなる。
【０００５】
そこで、ガス分離体と固定部材との間をろう材やガラスによって気密に接合することや（例えば、特許文献１、２）、グランドパッキン等のシール部材を介在させてガス分離体と固定部材との間の密閉状態を高めることにより（例えば、特許文献３）、ガス分離体と固定部材との接合箇所からのガスの漏出を防止することを図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１６３８２７号公報
【特許文献２】特開平７−２６５６７３号公報
【特許文献３】特開２００３−１２６６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術では、ガスの透過を促進させるために高温や高圧の条件下で特定のガス成分の分離を実施した場合、ガス分離体および固定部材に熱膨張が生じることにより、ガス分離体と固定部材との密着性が不十分となり、その結果としてガス分離体と固定部材との接合箇所からのガス漏出を完全に防ぎきれない。
【０００８】
上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、ガス分離体とこれ固定保持する部材との接合箇所でガスの漏出が生じにくい、ガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明者は、ガス分離体および固定部材の熱膨張率に着目し、本発明を完成するに至った。本発明では、以下に示すガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法が提供される。
【００１０】
［１］ 内部に空洞部と前記空洞部を開口させる開口部とが設けられている多孔質基体と、前記多孔質基体の外側表面および内側表面のうち少なくとも一方の表面上に設けられて特定のガス成分のみを透過させるガス分離膜とを有するガス分離体と、前記ガス分離体を収容する凹部を有し、前記凹部の底壁の少なくとも一部が前記ガス分離体の前記開口部に当接されるまたは前記ガス分離体の前記開口部を挿通させると共に、前記凹部の側壁が隙間を有して前記外周面を包囲している収容部材と、前記隙間において前記ガス分離体の前記外周面と前記収容部材の前記側壁および前記底壁とに接触することにより前記隙間におけるガス流れを遮断するシール部材と、前記開口部が前記底壁に当接または挿通される方向に沿って前記底壁と共に前記シール部材を挟み込み加圧して、前記シール部材を前記外周面と前記側壁とを結ぶ方向に押し出しながら前記シール部材を前記外周面および前記側壁に圧着させる締付部材と、を備え、２０〜３００℃における前記多孔質基体の熱膨張率に対する前記収容部材の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であるガス分離体固定構造体。
【００１１】
［２］ 前記シール部材が、前記締付部材と前記底壁に挟み込まれ加圧されて、非弾性変形しながら前記外周面および前記側壁に圧着する前記［１］に記載のガス分離体固定構造体。
【００１２】
［３］ 前記シール部材が、ヤング率０．１〜２．０ＧＰａの環形状のグランドパッキンである前記［１］又は［２］に記載のガス分離体固定構造体。
【００１３】
［４］ 前記シール部材が、膨張黒鉛を主成分とする材質からなる前記［１］〜［３］のいずれかに記載のガス分離体固定構造体。
【００１４】
［５］ 前記［１］〜［４］のいずれかに記載のガス分離体固定構造体を用いて、１００〜６５０℃の温度でガス分離を行うガス分離体固定構造体の使用方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法は、ガス分離体とこれを固定保持する部材との接合箇所においてガスの漏出が生じにくいため、多成分混合ガス中に含まれる特定のガス成分の選択的な分離を効率良く実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のガス分離体固定構造体の一実施形態の縦断面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ’での横断面図である。
【図３】本発明のガス分離体固定構造体のうち、複数の空洞部を備える一実施形態の縦断面図である。
【図４】図３中のＢ−Ｂ’での横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１８】
１．ガス分離体固定構造体：
図１は、本発明の技術的範囲に属するガス分離体固定構造体１の縦断面図を表す。これらの図を参照し述べると、本発明のガス分離体固定構造体１は、ガス分離体３と、収容部材２１と、ガス分離体３と収容部材２１との間の隙間２８に充填されているシール部材２２と、収容部材２１と共にシール部材２２を挟み込み加圧して隙間２８の密閉性を高める締付部材２３とを備えている。本発明のガス分離体固定構造体１では、ガス分離体３が、収容部材２１、シール部材２２、および締付部材２３によって固定されている。
【００１９】
ガス分離体３は、多孔質基体１１と、特定のガス成分を透過させることが可能なガス分離膜１２とを備えている。
【００２０】
多孔質基体１１は、内部に１つ以上の空洞部１３を有し、空洞部１３を開口させる開口部１９が設けられている。図１に示す多孔質基体１１は、内部に１つの空洞部１３を有し、この空洞部１３が軸２０に沿った両端（端部１４）で開口している。よって、この多孔質基体１１は、２つの開口部１９を有している。
【００２１】
ガス分離膜１２は、多孔質基体１１における外側表面１５と内側表面１６のうち少なくとも一方の表面上に設けられている。ここで内側表面１６とは、空洞部１３に面した表面である。図１に示す多孔質基体１１では、外側表面１５にガス分離膜１２が設けられている。
【００２２】
ガス分離膜１２としては、水素選択透過性金属膜、ゼオライト膜、シリカ膜、炭素膜などを使用することができる。水素選択透過性金属膜とは、水素選択透過性金属［例えば、パラジウム（Ｐｄ）やパラジウム合金］が水素を溶解する性質を利用した膜である。ゼオライト膜とは、ＤＤＲ（Ｄｅｃａ−Ｄｏｄｅｃａｓｉｌ ３Ｒ）型ゼオライトに代表される結晶構造中の細孔を利用してガス分離を行う膜である。また、シリカ膜または炭素膜も材料中に形成される細孔を利用してガス分離を行う膜である。
【００２３】
ガス分離膜１２の膜厚は、０．１〜２０μｍであることが好ましく、０．５〜５μｍであることがより好ましい。ガス分離膜１２の膜厚が０．１μｍ以上であることにより、ガス分離性能を十分なものとでき、一方で、同膜厚が２０μｍ以下であることにより、ガス分離膜１２はガス透過性能を十分に発揮できる薄さを備えたものになる。また、ガス分離膜１２の膜厚は、多孔質基体１１の厚さに比して十分薄いため、ガス分離体３の熱膨張率は多孔質基体１１の熱膨張率で代用することができる。
【００２４】
ガス分離体３では、分離する特定のガス成分の種類に応じてガス分離膜１２の種類を選択することができる。また、ガス分離膜１２の製法に応じて、あるいはガス分離膜１２の性能を引き出せるように、多孔質基体１１の形状、材質、および細孔の特性などを選択することができる。
【００２５】
収容部材２１は、ガス分離体３を収容する凹部２４を有する。凹部２４は、底壁２５と側壁２６とから構成されている。底壁２５の少なくとも一部は、ガス分離体３の開口部１９に当接されている、または、ガス分離体３の開口部１９を挿通させている。図１のガス分離体固定構造体１では、底壁２５がガス分離体３の開口部１９に当接している。
【００２６】
ガス分離体３中の１個の空洞部１３に複数個の開口部１９が存在する場合、各開口部１９に１個ずつ収容部材２１を設けることができる。この場合、複数個の収容部材２１のうち少なくとも１個の収容部材２１では、底壁２５に流通穴３０を設けることにより、ガス分離体３の空洞部１３内にガスを流入させるまたは空洞部１３内のガスを排出させるようにするとよい。
【００２７】
図１のガス分離体固定構造体１では、ガス分離体３の開口部１９ａに対して収容部材２１が設けられ、開口部１９ｂに対して収容部材２１ｂが設けられている。収容部材２１ａは、底壁２５に流通穴３０が設けられていることにより、空洞部１３とガス分離体３の外部との間でのガスの流通を可能にしている。一方で、収容部材２１ｂは、開口部１９ｂを介して空洞部１３と外部とが通じないように、底壁２５には流通穴３０が設けられていない。
【００２８】
図２は、図１中のＡ−Ａ’での横断面図を表す。側壁２６は、ガス分離体３の外周面１８に対して隙間を有しながら、外周面１８の外側で、ガス分離体３を中心に一周するように包囲している。
【００２９】
シール部材２２は、ガス分離体３の外周面１８と収容部材２１の側壁２６との間の隙間２８において、外周面１８、側壁２６、および底壁２５に接触している。そして、シール部材２２は、外周面１８および側壁２６に密着することにより、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみて、隙間２８を開口部１９の中心に対して一周にわたり塞いでいる（図２）。これにより、隙間２８におけるガスの流れが、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘにおいて遮断される（図１）。
【００３０】
多孔質基体１１の外側表面１５にガス分離膜１２が設けられている場合には、ガス分離体３の外周面１８のうちでシール部材２２と接触する部分は、ガス分離膜１２、または、ガラスなどの気密性の高い材料に覆われていることが好ましい。これにより、ガス分離体３の外周面１８とシール部材２２との間の気密性を一層高めることができる。
【００３１】
図１を参照しつつ、多成分混合ガスをガス分離体３の外周面１８に曝した場合について説明する。多成分混合ガスが外周面１８に沿って隙間２８に流入しても、この隙間２８に流入した多成分混合ガスはシール部材２２から底壁２５側には漏れ出していくことができない。そのため、外周面１８から空洞部１３に至るガスの流れは、特定のガス成分のみに許されているガス分離膜１２を透過する経路に限定される。この結果、多成分混合ガス中の特定のガス成分がガス分離体３の空洞部１３に濃縮される。
【００３２】
シール部材２２は、１個単独で使用したり、または、複数個を積層させて使用したりすることができる。また、シール部材２２のシール性能を向上させるという観点からは、締付部材２３に近い部分または遠い部分などに別種のアダプターパッキンやスペーサーリングなどの補助部材を使用することにより、シール部材２２への応力伝達の効率的を高めることがよい。ただし、補助部材自体はガスの漏出を防止する効果が低いため、本明細書のいうシール部材２２には上記の補助部材が含まれてないものとする。
【００３３】
締付部材２３は、ガス分離体３の外周面１８と側壁２６との隙間２８において、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに沿って底壁２５と共にシール部材２２を挟み込み加圧する。シール部材２２は、この加圧によって外周面１８と側壁２５とを結ぶ方向、言い換えると、前記方向Ｘに交わる方向に膨らむ。この結果、シール部材２２がガス分離体３の外周面１８および側壁２６に圧着する。これにより、ガス分離体３の外周面１８とシール部材２２との間の気密性および収容部材２１の側壁２６とシール部材２２との間の気密性を一層高めることができる。
【００３４】
また、本発明のガス分離体固定構造体１は、２０〜３００℃における多孔質基体１１の熱膨張率に対する収容部材２１の熱膨張率の比（＝収容部材２１の熱膨張率／多孔質基体１１の熱膨張率）が０．５５以上０．９５以下であることを特徴とする。また、後述する熱膨張率の比によってもたらされる作用を一層確かなものとする観点からは、上記の２０〜３００℃における熱膨張率の比は、０．５５以上０．９０以下であることが更に好ましく、０．５５以上０．８０以下であることが特に好ましい。
【００３５】
上記の２０〜３００℃における熱膨張率の比とは、２０〜３００℃の温度域の中の各温度における、対象となる２つの物体の間の熱膨張率の比をいう。ここでいう物体の温度Ｔ℃（但しＴ℃は２０℃以上３００℃以下）における熱膨張率とは、物体が、（Ｔ−０．５）℃のときに長さＬＴ−０．５℃、（Ｔ＋０．５）℃のときの長さＬＴ＋０．５℃の場合に、式：（ＬＴ＋０．５℃−ＬＴ−０．５℃）／（ＬＴ−０．５℃×１）、によって算出される値である。熱膨張率は、熱機械分析装置（ＴＭＡ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて測定される物体の熱膨張量の値より算出することができる。なお、熱機械分析装置の測定方式は、プローブを用いた接触方式、レーザーを用いた非接触方式のうちのいずれでもよい。
【００３６】
本発明のガス分離体固定構造体１は、上記の熱膨張率の比が０．９５以下であることにより、高温（１００〜６５０℃）でのガスの分離時において、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみた場合の（図２参照）、開口部１９の中心１７から半径方向Ｒ外側に向かうガス分離体３の熱膨張による体積増加が、側壁２６の熱膨張により生じる前記半径方向Ｒ外側への凹部２４の拡張よりも有意に大きくなる。この熱膨張により、前記半径方向Ｒに沿った隙間２８の幅は、常温時に比べて高温時の方が狭まる。そのため、シール部材２２が常温時においてガス分離体３の外周面１８および収容部材２１の側壁２６と十分に密着していると、ガスの分離を行う高温時には、シール部材２２が外周面１８および側壁２６に対して常温時よりも一層大きな圧力で押しつけられるようになる。すなわち、シール部材２２と外周面１８との気密性およびシール部材２２と側壁２６との気密性は、高温時に一層高められる。したがって、本発明のガス分離体固定構造体１は、ガスの分離を高温で実施する場合には、ガス分離体３とシール部材２２との接触箇所におけるガス漏出や収容部材２１とシール部材２２との接触箇所におけるガス漏出が極めて生じにくくなる。
【００３７】
本発明のガス分離体固定構造体１は、ガス分離膜１２を透過した特定のガス成分に対してガス分離膜１２を透過せずに別経路で流れてきた残余のガス成分が混入しにくくなっている。そのため、特に高性能のガス分離体３を備える場合には、このガス分離体３の高い性能を十分に引き出すことを可能にする。
【００３８】
また、本発明のガス分離体固定構造体１は、上記の熱膨張率の比が０．９５以下であることによって、ガス分離体３の固定がシール部材２２からの外周面１８および側壁２６への圧力のみにより可能な場合もある。このような場合には、ガス分離体３の一部を収容部材２１の底壁２５に当接させなくても、ガス分離体３を固定することができる。また、このような場合、ガス分離体３のぐらつきなどを抑える観点から、ガス分離体３の開口部１９を底壁２５に挿通させることが好ましい。
【００３９】
本発明のガス分離体固定構造体１は、上記の熱膨張率の比が０．５５以上であることによって、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみた場合の（図２参照）、開口部１９の中心１７から半径方向Ｒ外側に向かうガス分離体３の熱膨張による体積増加が、側壁２６に囲まれる凹部２４の前記半径方向Ｒ外側に向かう拡張よりも過度に大きくならない。したがって、本発明のガス分離体固定構造体１は、前記半径方向Ｒに沿った隙間２８の幅が高温時においても狭くなり過ぎず、シール部材２２に過度の圧縮が生じない。そのため、シール部材２２が過度の圧縮によって強い反発力を生じることがなくなり、その結果として、シール部材２２の反発力によってガス分離体３を破損させることもなくなる。
【００４０】
なお、本発明のガス分離体固定構造体１では、加圧されることによって変形しうる、つまり適度な柔軟性を有するシール部材２２が外周面１８および側壁２６に圧着することによって気密性を保持しているため、２０〜３００℃における上記の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であれば、高温（１００〜６５０℃）でのガスの分離時においても、固定箇所におけるガス漏出やガス分離体３の破損を抑制することが可能となる。
【００４１】
さらに、多孔質基体１１の熱膨張率に対する収容部材２１の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であることによってもたらされる上述の作用を一層確かなものとする観点からは、２０℃から６５０℃までの、多孔質基体１１の平均熱膨張率に対する収容部材２１の平均熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であることが好ましい。物体の２０℃から６５０℃までの平均熱膨張率とは、物体が２０℃のときの長さＬ２０℃、物体が６５０℃のときの長さＬ６５０℃のときに、式：（Ｌ６５０℃−Ｌ２０℃）／（Ｌ２０℃×６３０）、にて算出される値である。平均熱膨張率は、熱機械分析装置（ＴＭＡ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて測定される物体の熱膨張量の値より算出することができる。
【００４２】
締付部材２３と収容部材２１の熱膨張率の比については特に限定されないが、シール部材２２と締付部材２３との密着性およびシール部材２２と収容部材２１との密着性を共に高める観点から、締付部材２３と収容部材２１の熱膨張率は略同一であることが好ましい。
【００４３】
シール部材２２は、締付部材２３と底壁２５に挟み込まれ加圧されて、非弾性変形しながら側壁２６および外周面１８に圧着することが好ましい。このシール部材２２は、締付部材２２と底壁２５によって挟み込み加圧される際に、弾性変形する加圧領域よりもさらに大きな圧力にて加圧されることにより非弾性変形する。この非弾性変形によって、シール部材２２と外周面１８との密着性およびシール部材２２と側壁２６との密着性がより向上し、ガス漏出量が極めて微量またはゼロ（全く無し）にまで抑制される。シール部材２２として複数個の部材を使用する場合は、１個以上のシール部材２２が非弾性変形をしていればよい。なお、非弾性変形とは弾性変形以外の変形をいい、例えば塑性変形やクリープ変形が非弾性変形に含まれる。
【００４４】
締付部材２２と底壁２５によって挟み込み加圧された際の、シール部材２２の非弾性変形の有無については、一旦組み立てたガス分離体固定構造体１から締付部材２３を取り外した後の、シール部材２２の変形量を測定することによって判断することができる。
【００４５】
シール部材２２は、環状のグランドパッキンであることが好ましい。環状のグランドパッキンは、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみて（図２参照）、開口部１９の中心１７からの各方位において、中心１７から半径方向Ｒ内側に向かってほぼ同じ大きさの力でガス分離体３を締め付けるため、ガス漏出を一層生じにくくすることができる。また、環状のグランドパッキンでは、締付部材２３および底壁２５からの締め付けにより加えられた力が、ガス分離体３を締め付ける力へと変換しやすく、またこのガス分離体３を締め付ける力が開口部１９の中心１７からの各方位に均等に分散する。そのため、ガス分離体３がシール部材２２（環状グランドパッキン）によって局所的に強く圧迫されることも無くなり、ガス分離体３の破損を確実に低減することができる。
【００４６】
シール部材２２のヤング率は、０．１〜２．０ＧＰａであることが好ましく、０．２〜１．５ＧＰａであることが更に好ましい。シール部材２２のヤング率が０．１ＧＰａ以上であることにより、シール部材２２の変形量が適度に抑えられ、ガス分離体３および収容部材２１とシール部材２２の気密性を確実に高く保つことができる。また、シール部材２２のヤング率が２．０ＧＰａ以下であることにより、シール部材２２を非弾性変形させた際にガス分離体３を破損させることなく、ガス分離体３とシール部材２２の気密性および収容部材２１とシール部材２２との気密性を確実に高く保つことができる。なお、シール部材２２のヤング率は、シール部材２２が弾性変形する応力範囲内における、応力ひずみ曲線の直線部の傾きから求めることができる。
【００４７】
シール部材２２は、膨張黒鉛を主成分とする材質からなることが好ましい。膨張黒鉛を主成分とする材質からなるシール部材２２は、膨張黒鉛に特有な高耐熱性、高耐圧性が付加されており、その結果として、シール部材２２とガス分離体３の外周面１８との気密性およびシール部材２２と収容部材２１の側壁２６との気密性を一層確実に確保することができる。
【００４８】
膨張黒鉛を主成分とする材質からなるシール部材２２には、ガス分離体３の外周面１８および収容部材２１の側壁２６に接触する部分が膨張黒鉛からなる部材であり、内部が金属などの剛性の高い材質によって補強されている形態のものも含まれる。このような形態のシール部材２２は、内部の剛性の高い部材が膨張黒鉛からなる部材を外周面１８および側壁２６に向かって強く圧迫するようにできるため、シール部材２２と外周面１８との密着性およびシール部材２２と側壁２６との密着性をより一層高めることができる。
【００４９】
収容部材２１および締付部材２３は、図１に示すように、互いの接触部分にねじ溝２７を形成して螺合させることにより、シール部材２２の締め付けを強化させ、この締め付け状態をそのまま保持させることを可能にするものであることが好ましい。
【００５０】
図１に示す締付部材２３は、中心部分にガス分離体３の外周面１８に接触しない程度にガス分離体３を挿通することができる環形状を有し、側壁２６に接触する外側面にねじ溝２７が形成されている。この形態の締付部材２３は、ガス分離体３を中心として一周するようにシール部材２２に接触し、ガス分離体３を中心とする周方向の各部で均等にシール部材２２を締め付ける。そのため、シール部材２２を局所的に強く圧縮したことに起因した、シール部材２２のめくれや、シール部材２２の局所的な圧迫によるガス分離体３の破損を生じにくい。
【００５１】
上記の環状の締付部材２３は、高温においても、ガス分離体３を挿通させる穴を形成する内壁面３１と、ガス分離体３とが接触しないことが好ましい。環状の締付部材２３の内壁面３１がガス分離体３に接触しなくすることにより、薄いガス分離膜２が多孔質基体１１の外側表面１５に設けられた場合でも、この薄いガス分離膜１２が破損しにくくなる。
【００５２】
図３は、本発明の技術的範囲に属する他のガス分離体固定構造体１の縦断面図を表す。本ガス分離体固定構造体１では、ガス分離体３は軸２０方向に沿って複数の空洞部１３が貫通しているレンコン状の多孔質基体１１を有している。この多孔質基体１１には、空洞部１３に面した内側表面１６にガス分離膜１２が設けられている。また、端部１４では、被覆部材４１が先端部の外側表面１５全体および側方の外側表面１５の一部に設けられている。
【００５３】
被覆部材４１は、ガスが多孔質基体１１の側方の外側表面１５から多孔質基体１１の内部に流入し、先端部の外側表面１５から多孔質基体１１の外部へと通り抜けていくことを阻むことができるように設けられている。これにより、ガスはガス分離膜１２を透過しなければガス分離体３の外周面１８側と空洞部１３との間を流通することが困難になる。被覆部材４１は、ガスの漏出をより効果に防ぐことができる観点から、ガラスなどの気密性の高い材料から形成されていることが好ましい。
【００５４】
２．ガス分離構造体の使用方法：
上記のガス分離体固定構造体１の使用温度は、使用するガス分離膜や分離を行うガスの種類などによって、適当な値に設定することができる。ガス分離体固定構造体１の使用温度は１００〜６５０℃であることが好ましく、３００〜６００℃であることが更に好ましい。ガス分離体固定構造体１の使用温度が１００℃以上であることにより、ガスの透過を促進させる効果を確実に発現させることができる。一方、ガス分離体固定構造体１の使用温度が６５０℃以下であることにより、シール部材２２の劣化の進行を確実に抑えることができる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５６】
（実施例１）
外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍの袋管形状の多孔質ジルコニア支持体を作製した。このジルコニア支持体の熱膨張率を測定した結果、２０〜３００℃における平均熱膨張率は１０．５×１０−６／℃であった。この支持体上に、水素分離膜として、めっき法によりＰｄ−Ａｇ合金膜を作製した。なお、ＰｄとＡｇとの割合は、Ｐｄ８０部に対して、Ａｇ２０部となるように調節した。この水素分離体の開口端を４５−Ｎｉ合金（Ｎｉ４５質量％、Ｆｅ５５質量％）製の固定部材（フランジ）と膨張黒鉛製のグランドパッキン（シール部材）を用いて接合し、水素分離体固定構造体を作製した。なお、接合後のシール部材は、非弾性変形していることを確認した（表１）。４５−Ｎｉ合金の２０〜３００℃における平均熱膨張率は、７．７×１０−６／℃であった。
【００５７】
（実施例２）
５０−Ｎｉ合金（Ｎｉ５０質量％、Ｆｅ５０質量％）製の固定部材（フランジ）を用いた以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。５０−Ｎｉ合金の２０〜３００℃における平均熱膨張率は９．９×１０−６／℃であった。
【００５８】
（実施例３）
支持体として多孔質アルミナを使用し、４２−Ｎｉ合金（Ｎｉ４２質量％、Ｆｅ５８質量％）製の固定部材（フランジ）を用いた以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。作製した多孔質アルミナの２０〜３００℃における平均熱膨張率は７．８×１０−６／℃であった。４２−Ｎｉ合金の２０〜３００℃における平均熱膨張率は４．６×１０−６／℃であった。
【００５９】
（実施例４）
グランドパッキンが非弾性変形しない応力で接合した以外は（表１）、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。
【００６０】
（比較例１）
ステンレス（ＳＵＳ３１６）製の固定部材（フランジ）を使用した以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。ステンレス（ＳＵＳ３１６）の２０〜３００℃における平均熱膨張率は１６．２×１０−６／℃であった。
【００６１】
（比較例２）
支持体として多孔質アルミナ（２０〜３００℃における平均熱膨張率７．８×１０−６／℃）を使用した以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。
【００６２】
（比較例３）
４２−Ｎｉ合金（Ｎｉ４２質量％、Ｆｅ５８質量％）製の固定部材（フランジ）を用いた以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。
【００６３】
（評価）
実施例１〜４、比較例１〜３の水素分離体を用いて耐熱試験を行った。水素分離体を耐圧容器中に配設し、水素分離膜からのＨｅリーク量の測定を行った。その後、耐圧容器を加熱することによって、水素分離体を窒素雰囲気中で５００℃まで昇温した後に水素分離膜からのＨｅリーク量の測定を行った。Ｈｅリーク量を表１に示す。５００℃ではガスの熱膨張のため、２５℃の場合と比較してＨｅリーク量は０．３８６倍になる。そこで、温度変化によるＨｅリーク量の変化を考慮し、５００℃でのＨｅリーク量に２．５９（＝１／０．３８６）をかけた値を用いてＨｅリーク量の変化率を求めた。表１に示されたように、実施例１〜４ではＨｅリーク量の変化率が１．３以下であった。特に、実施例１〜３では５００℃で水素分離膜からのＨｅリーク量が減少した。対して、比較例１、２ではＨｅリーク量が２倍以上に増加したことが分かる。また、比較例３では昇温によって水素分離体にクラックが発生したため、５００℃でのＨｅリーク量を測定することができなかった。なお、耐熱試験前後において、Ｐｄ−Ａｇ合金膜からのＨｅリーク量は、接合箇所からのＨｅリーク量に比べて十分少ないことを確認している。
【００６４】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、多成分混合ガスから特定のガス成分のみを選択的に分離するガス分離体を固定保持したガス分離体固定構造体として利用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１：ガス分離体固定構造体、３：ガス分離体、１１：多孔質基体、１２：ガス分離膜、１３：空洞部、１４：端部、１５：外側表面、１６：内側表面、１７：中心、１８：外周面、１９，１９ａ，１９ｂ：開口部、２０：軸、２１，２１ａ，２１ｂ：収容部材、２２：シール部材、２３：締付部材、２４：凹部、２５：底壁、２６：側壁、２７：ねじ溝、２８：隙間、３０：流通穴、３１：内壁面、４１：被覆部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法に関する。例えば、水素含有ガスから水素ガスのみを選択的に分離する水素分離体を固定保持した水素分離体固定構造体およびその使用方法を挙げることができる。
【背景技術】
【０００２】
ガス分離装置は、特定のガス成分のみを透過させる特性を有するガス分離膜を備え、多成分混合ガスから特定のガス成分のみを分離することができる。
【０００３】
ガス分離装置には、ガス分離体を備えるものがある。ガス分離体には、例えば、内部に空洞部分を有し且つ端部を開口させた筒形状の多孔質基体と、この多孔質基体の外側表面を被覆するガス分離膜とを備えるものがある（例えば、特許文献１〜３）。このガス分離装置では、ガス分離体の外周面が露出する空間とガス分離体内部の空洞部分との間を、ガス分離膜がガスの自由な流通を制限するように隔てている。そのため、ガス分離体の外周面側の空間に多成分混合ガスを充填した場合、特定のガス成分のみがガス分離膜を透過してガス分離体の空洞部分に流入し、一方で残余のガス成分がそのままガス分離体の外周面側の空間に留まる。
【０００４】
また、ガス分離装置は、ガス分離体に接合してガス分離体を固定保持する部材（以下、「固定部材」）を備えている。ここで、ガス分離体と固定部材との接合箇所における密閉状態が悪い場合、ガス分離体と固定部材との接合箇所の隙間からガスの漏出が生じてしまう。このようなガス漏出が生じた場合、ガス分離膜を透過した特定のガス成分に残余のガス成分が混入してしまうため、特定のガス成分を効率的に分離できなくなる。
【０００５】
そこで、ガス分離体と固定部材との間をろう材やガラスによって気密に接合することや（例えば、特許文献１、２）、グランドパッキン等のシール部材を介在させてガス分離体と固定部材との間の密閉状態を高めることにより（例えば、特許文献３）、ガス分離体と固定部材との接合箇所からのガスの漏出を防止することを図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１６３８２７号公報
【特許文献２】特開平７−２６５６７３号公報
【特許文献３】特開２００３−１２６６６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術では、ガスの透過を促進させるために高温や高圧の条件下で特定のガス成分の分離を実施した場合、ガス分離体および固定部材に熱膨張が生じることにより、ガス分離体と固定部材との密着性が不十分となり、その結果としてガス分離体と固定部材との接合箇所からのガス漏出を完全に防ぎきれない。
【０００８】
上記の問題に鑑みて、本発明の課題は、ガス分離体とこれ固定保持する部材との接合箇所でガスの漏出が生じにくい、ガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明者は、ガス分離体および固定部材の熱膨張率に着目し、本発明を完成するに至った。本発明では、以下に示すガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法が提供される。
【００１０】
［１］ 内部に空洞部と前記空洞部を開口させる開口部とが設けられている多孔質基体と、前記多孔質基体の外側表面および内側表面のうち少なくとも一方の表面上に設けられて特定のガス成分のみを透過させるガス分離膜とを有するガス分離体と、前記ガス分離体を収容する凹部を有し、前記凹部の底壁の少なくとも一部が前記ガス分離体の前記開口部に当接されるまたは前記ガス分離体の前記開口部を挿通させると共に、前記凹部の側壁が隙間を有して前記外周面を包囲している収容部材と、前記隙間において前記ガス分離体の前記外周面と前記収容部材の前記側壁および前記底壁とに接触することにより前記隙間におけるガス流れを遮断するシール部材と、前記開口部が前記底壁に当接または挿通される方向に沿って前記底壁と共に前記シール部材を挟み込み加圧して、前記シール部材を前記外周面と前記側壁とを結ぶ方向に押し出しながら前記シール部材を前記外周面および前記側壁に圧着させる締付部材と、を備え、２０〜３００℃における前記多孔質基体の熱膨張率に対する前記収容部材の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であるガス分離体固定構造体。
【００１１】
［２］ 前記シール部材が、前記締付部材と前記底壁に挟み込まれ加圧されて、非弾性変形しながら前記外周面および前記側壁に圧着する前記［１］に記載のガス分離体固定構造体。
【００１２】
［３］ 前記シール部材が、ヤング率０．１〜２．０ＧＰａの環形状のグランドパッキンである前記［１］又は［２］に記載のガス分離体固定構造体。
【００１３】
［４］ 前記シール部材が、膨張黒鉛を主成分とする材質からなる前記［１］〜［３］のいずれかに記載のガス分離体固定構造体。
【００１４】
［５］ 前記［１］〜［４］のいずれかに記載のガス分離体固定構造体を用いて、１００〜６５０℃の温度でガス分離を行うガス分離体固定構造体の使用方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のガス分離体固定構造体およびガス分離体固定構造体の使用方法は、ガス分離体とこれを固定保持する部材との接合箇所においてガスの漏出が生じにくいため、多成分混合ガス中に含まれる特定のガス成分の選択的な分離を効率良く実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のガス分離体固定構造体の一実施形態の縦断面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ’での横断面図である。
【図３】本発明のガス分離体固定構造体のうち、複数の空洞部を備える一実施形態の縦断面図である。
【図４】図３中のＢ−Ｂ’での横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。
【００１８】
１．ガス分離体固定構造体：
図１は、本発明の技術的範囲に属するガス分離体固定構造体１の縦断面図を表す。これらの図を参照し述べると、本発明のガス分離体固定構造体１は、ガス分離体３と、収容部材２１と、ガス分離体３と収容部材２１との間の隙間２８に充填されているシール部材２２と、収容部材２１と共にシール部材２２を挟み込み加圧して隙間２８の密閉性を高める締付部材２３とを備えている。本発明のガス分離体固定構造体１では、ガス分離体３が、収容部材２１、シール部材２２、および締付部材２３によって固定されている。
【００１９】
ガス分離体３は、多孔質基体１１と、特定のガス成分を透過させることが可能なガス分離膜１２とを備えている。
【００２０】
多孔質基体１１は、内部に１つ以上の空洞部１３を有し、空洞部１３を開口させる開口部１９が設けられている。図１に示す多孔質基体１１は、内部に１つの空洞部１３を有し、この空洞部１３が軸２０に沿った両端（端部１４）で開口している。よって、この多孔質基体１１は、２つの開口部１９を有している。
【００２１】
ガス分離膜１２は、多孔質基体１１における外側表面１５と内側表面１６のうち少なくとも一方の表面上に設けられている。ここで内側表面１６とは、空洞部１３に面した表面である。図１に示す多孔質基体１１では、外側表面１５にガス分離膜１２が設けられている。
【００２２】
ガス分離膜１２としては、水素選択透過性金属膜、ゼオライト膜、シリカ膜、炭素膜などを使用することができる。水素選択透過性金属膜とは、水素選択透過性金属［例えば、パラジウム（Ｐｄ）やパラジウム合金］が水素を溶解する性質を利用した膜である。ゼオライト膜とは、ＤＤＲ（Ｄｅｃａ−Ｄｏｄｅｃａｓｉｌ ３Ｒ）型ゼオライトに代表される結晶構造中の細孔を利用してガス分離を行う膜である。また、シリカ膜または炭素膜も材料中に形成される細孔を利用してガス分離を行う膜である。
【００２３】
ガス分離膜１２の膜厚は、０．１〜２０μｍであることが好ましく、０．５〜５μｍであることがより好ましい。ガス分離膜１２の膜厚が０．１μｍ以上であることにより、ガス分離性能を十分なものとでき、一方で、同膜厚が２０μｍ以下であることにより、ガス分離膜１２はガス透過性能を十分に発揮できる薄さを備えたものになる。また、ガス分離膜１２の膜厚は、多孔質基体１１の厚さに比して十分薄いため、ガス分離体３の熱膨張率は多孔質基体１１の熱膨張率で代用することができる。
【００２４】
ガス分離体３では、分離する特定のガス成分の種類に応じてガス分離膜１２の種類を選択することができる。また、ガス分離膜１２の製法に応じて、あるいはガス分離膜１２の性能を引き出せるように、多孔質基体１１の形状、材質、および細孔の特性などを選択することができる。
【００２５】
収容部材２１は、ガス分離体３を収容する凹部２４を有する。凹部２４は、底壁２５と側壁２６とから構成されている。底壁２５の少なくとも一部は、ガス分離体３の開口部１９に当接されている、または、ガス分離体３の開口部１９を挿通させている。図１のガス分離体固定構造体１では、底壁２５がガス分離体３の開口部１９に当接している。
【００２６】
ガス分離体３中の１個の空洞部１３に複数個の開口部１９が存在する場合、各開口部１９に１個ずつ収容部材２１を設けることができる。この場合、複数個の収容部材２１のうち少なくとも１個の収容部材２１では、底壁２５に流通穴３０を設けることにより、ガス分離体３の空洞部１３内にガスを流入させるまたは空洞部１３内のガスを排出させるようにするとよい。
【００２７】
図１のガス分離体固定構造体１では、ガス分離体３の開口部１９ａに対して収容部材２１が設けられ、開口部１９ｂに対して収容部材２１ｂが設けられている。収容部材２１ａは、底壁２５に流通穴３０が設けられていることにより、空洞部１３とガス分離体３の外部との間でのガスの流通を可能にしている。一方で、収容部材２１ｂは、開口部１９ｂを介して空洞部１３と外部とが通じないように、底壁２５には流通穴３０が設けられていない。
【００２８】
図２は、図１中のＡ−Ａ’での横断面図を表す。側壁２６は、ガス分離体３の外周面１８に対して隙間を有しながら、外周面１８の外側で、ガス分離体３を中心に一周するように包囲している。
【００２９】
シール部材２２は、ガス分離体３の外周面１８と収容部材２１の側壁２６との間の隙間２８において、外周面１８、側壁２６、および底壁２５に接触している。そして、シール部材２２は、外周面１８および側壁２６に密着することにより、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみて、隙間２８を開口部１９の中心に対して一周にわたり塞いでいる（図２）。これにより、隙間２８におけるガスの流れが、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘにおいて遮断される（図１）。
【００３０】
多孔質基体１１の外側表面１５にガス分離膜１２が設けられている場合には、ガス分離体３の外周面１８のうちでシール部材２２と接触する部分は、ガス分離膜１２、または、ガラスなどの気密性の高い材料に覆われていることが好ましい。これにより、ガス分離体３の外周面１８とシール部材２２との間の気密性を一層高めることができる。
【００３１】
図１を参照しつつ、多成分混合ガスをガス分離体３の外周面１８に曝した場合について説明する。多成分混合ガスが外周面１８に沿って隙間２８に流入しても、この隙間２８に流入した多成分混合ガスはシール部材２２から底壁２５側には漏れ出していくことができない。そのため、外周面１８から空洞部１３に至るガスの流れは、特定のガス成分のみに許されているガス分離膜１２を透過する経路に限定される。この結果、多成分混合ガス中の特定のガス成分がガス分離体３の空洞部１３に濃縮される。
【００３２】
シール部材２２は、１個単独で使用したり、または、複数個を積層させて使用したりすることができる。また、シール部材２２のシール性能を向上させるという観点からは、締付部材２３に近い部分または遠い部分などに別種のアダプターパッキンやスペーサーリングなどの補助部材を使用することにより、シール部材２２への応力伝達の効率的を高めることがよい。ただし、補助部材自体はガスの漏出を防止する効果が低いため、本明細書のいうシール部材２２には上記の補助部材が含まれてないものとする。
【００３３】
締付部材２３は、ガス分離体３の外周面１８と側壁２６との隙間２８において、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに沿って底壁２５と共にシール部材２２を挟み込み加圧する。シール部材２２は、この加圧によって外周面１８と側壁２５とを結ぶ方向、言い換えると、前記方向Ｘに交わる方向に膨らむ。この結果、シール部材２２がガス分離体３の外周面１８および側壁２６に圧着する。これにより、ガス分離体３の外周面１８とシール部材２２との間の気密性および収容部材２１の側壁２６とシール部材２２との間の気密性を一層高めることができる。
【００３４】
また、本発明のガス分離体固定構造体１は、２０〜３００℃における多孔質基体１１の熱膨張率に対する収容部材２１の熱膨張率の比（＝収容部材２１の熱膨張率／多孔質基体１１の熱膨張率）が０．５５以上０．９５以下であることを特徴とする。また、後述する熱膨張率の比によってもたらされる作用を一層確かなものとする観点からは、上記の２０〜３００℃における熱膨張率の比は、０．５５以上０．９０以下であることが更に好ましく、０．５５以上０．８０以下であることが特に好ましい。
【００３５】
上記の２０〜３００℃における熱膨張率の比とは、２０〜３００℃の温度域の中の各温度における、対象となる２つの物体の間の熱膨張率の比をいう。ここでいう物体の温度Ｔ℃（但しＴ℃は２０℃以上３００℃以下）における熱膨張率とは、物体が、（Ｔ−０．５）℃のときに長さＬＴ−０．５℃、（Ｔ＋０．５）℃のときの長さＬＴ＋０．５℃の場合に、式：（ＬＴ＋０．５℃−ＬＴ−０．５℃）／（ＬＴ−０．５℃×１）、によって算出される値である。熱膨張率は、熱機械分析装置（ＴＭＡ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて測定される物体の熱膨張量の値より算出することができる。なお、熱機械分析装置の測定方式は、プローブを用いた接触方式、レーザーを用いた非接触方式のうちのいずれでもよい。
【００３６】
本発明のガス分離体固定構造体１は、上記の熱膨張率の比が０．９５以下であることにより、高温（１００〜６５０℃）でのガスの分離時において、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみた場合の（図２参照）、開口部１９の中心１７から半径方向Ｒ外側に向かうガス分離体３の熱膨張による体積増加が、側壁２６の熱膨張により生じる前記半径方向Ｒ外側への凹部２４の拡張よりも有意に大きくなる。この熱膨張により、前記半径方向Ｒに沿った隙間２８の幅は、常温時に比べて高温時の方が狭まる。そのため、シール部材２２が常温時においてガス分離体３の外周面１８および収容部材２１の側壁２６と十分に密着していると、ガスの分離を行う高温時には、シール部材２２が外周面１８および側壁２６に対して常温時よりも一層大きな圧力で押しつけられるようになる。すなわち、シール部材２２と外周面１８との気密性およびシール部材２２と側壁２６との気密性は、高温時に一層高められる。したがって、本発明のガス分離体固定構造体１は、ガスの分離を高温で実施する場合には、ガス分離体３とシール部材２２との接触箇所におけるガス漏出や収容部材２１とシール部材２２との接触箇所におけるガス漏出が極めて生じにくくなる。
【００３７】
本発明のガス分離体固定構造体１は、ガス分離膜１２を透過した特定のガス成分に対してガス分離膜１２を透過せずに別経路で流れてきた残余のガス成分が混入しにくくなっている。そのため、特に高性能のガス分離体３を備える場合には、このガス分離体３の高い性能を十分に引き出すことを可能にする。
【００３８】
また、本発明のガス分離体固定構造体１は、上記の熱膨張率の比が０．９５以下であることによって、ガス分離体３の固定がシール部材２２からの外周面１８および側壁２６への圧力のみにより可能な場合もある。このような場合には、ガス分離体３の一部を収容部材２１の底壁２５に当接させなくても、ガス分離体３を固定することができる。また、このような場合、ガス分離体３のぐらつきなどを抑える観点から、ガス分離体３の開口部１９を底壁２５に挿通させることが好ましい。
【００３９】
本発明のガス分離体固定構造体１は、上記の熱膨張率の比が０．５５以上であることによって、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみた場合の（図２参照）、開口部１９の中心１７から半径方向Ｒ外側に向かうガス分離体３の熱膨張による体積増加が、側壁２６に囲まれる凹部２４の前記半径方向Ｒ外側に向かう拡張よりも過度に大きくならない。したがって、本発明のガス分離体固定構造体１は、前記半径方向Ｒに沿った隙間２８の幅が高温時においても狭くなり過ぎず、シール部材２２に過度の圧縮が生じない。そのため、シール部材２２が過度の圧縮によって強い反発力を生じることがなくなり、その結果として、シール部材２２の反発力によってガス分離体３を破損させることもなくなる。
【００４０】
なお、本発明のガス分離体固定構造体１では、加圧されることによって変形しうる、つまり適度な柔軟性を有するシール部材２２が外周面１８および側壁２６に圧着することによって気密性を保持しているため、２０〜３００℃における上記の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であれば、高温（１００〜６５０℃）でのガスの分離時においても、固定箇所におけるガス漏出やガス分離体３の破損を抑制することが可能となる。
【００４１】
さらに、多孔質基体１１の熱膨張率に対する収容部材２１の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であることによってもたらされる上述の作用を一層確かなものとする観点からは、２０℃から６５０℃までの、多孔質基体１１の平均熱膨張率に対する収容部材２１の平均熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であることが好ましい。物体の２０℃から６５０℃までの平均熱膨張率とは、物体が２０℃のときの長さＬ２０℃、物体が６５０℃のときの長さＬ６５０℃のときに、式：（Ｌ６５０℃−Ｌ２０℃）／（Ｌ２０℃×６３０）、にて算出される値である。平均熱膨張率は、熱機械分析装置（ＴＭＡ：Ｔｈｅｒｍｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて測定される物体の熱膨張量の値より算出することができる。
【００４２】
締付部材２３と収容部材２１の熱膨張率の比については特に限定されないが、シール部材２２と締付部材２３との密着性およびシール部材２２と収容部材２１との密着性を共に高める観点から、締付部材２３と収容部材２１の熱膨張率は略同一であることが好ましい。
【００４３】
シール部材２２は、締付部材２３と底壁２５に挟み込まれ加圧されて、非弾性変形しながら側壁２６および外周面１８に圧着することが好ましい。このシール部材２２は、締付部材２２と底壁２５によって挟み込み加圧される際に、弾性変形する加圧領域よりもさらに大きな圧力にて加圧されることにより非弾性変形する。この非弾性変形によって、シール部材２２と外周面１８との密着性およびシール部材２２と側壁２６との密着性がより向上し、ガス漏出量が極めて微量またはゼロ（全く無し）にまで抑制される。シール部材２２として複数個の部材を使用する場合は、１個以上のシール部材２２が非弾性変形をしていればよい。なお、非弾性変形とは弾性変形以外の変形をいい、例えば塑性変形やクリープ変形が非弾性変形に含まれる。
【００４４】
締付部材２２と底壁２５によって挟み込み加圧された際の、シール部材２２の非弾性変形の有無については、一旦組み立てたガス分離体固定構造体１から締付部材２３を取り外した後の、シール部材２２の変形量を測定することによって判断することができる。
【００４５】
シール部材２２は、環状のグランドパッキンであることが好ましい。環状のグランドパッキンは、開口部１９が底壁２５に当接または挿通される方向Ｘに交わる断面からみて（図２参照）、開口部１９の中心１７からの各方位において、中心１７から半径方向Ｒ内側に向かってほぼ同じ大きさの力でガス分離体３を締め付けるため、ガス漏出を一層生じにくくすることができる。また、環状のグランドパッキンでは、締付部材２３および底壁２５からの締め付けにより加えられた力が、ガス分離体３を締め付ける力へと変換しやすく、またこのガス分離体３を締め付ける力が開口部１９の中心１７からの各方位に均等に分散する。そのため、ガス分離体３がシール部材２２（環状グランドパッキン）によって局所的に強く圧迫されることも無くなり、ガス分離体３の破損を確実に低減することができる。
【００４６】
シール部材２２のヤング率は、０．１〜２．０ＧＰａであることが好ましく、０．２〜１．５ＧＰａであることが更に好ましい。シール部材２２のヤング率が０．１ＧＰａ以上であることにより、シール部材２２の変形量が適度に抑えられ、ガス分離体３および収容部材２１とシール部材２２の気密性を確実に高く保つことができる。また、シール部材２２のヤング率が２．０ＧＰａ以下であることにより、シール部材２２を非弾性変形させた際にガス分離体３を破損させることなく、ガス分離体３とシール部材２２の気密性および収容部材２１とシール部材２２との気密性を確実に高く保つことができる。なお、シール部材２２のヤング率は、シール部材２２が弾性変形する応力範囲内における、応力ひずみ曲線の直線部の傾きから求めることができる。
【００４７】
シール部材２２は、膨張黒鉛を主成分とする材質からなることが好ましい。膨張黒鉛を主成分とする材質からなるシール部材２２は、膨張黒鉛に特有な高耐熱性、高耐圧性が付加されており、その結果として、シール部材２２とガス分離体３の外周面１８との気密性およびシール部材２２と収容部材２１の側壁２６との気密性を一層確実に確保することができる。
【００４８】
膨張黒鉛を主成分とする材質からなるシール部材２２には、ガス分離体３の外周面１８および収容部材２１の側壁２６に接触する部分が膨張黒鉛からなる部材であり、内部が金属などの剛性の高い材質によって補強されている形態のものも含まれる。このような形態のシール部材２２は、内部の剛性の高い部材が膨張黒鉛からなる部材を外周面１８および側壁２６に向かって強く圧迫するようにできるため、シール部材２２と外周面１８との密着性およびシール部材２２と側壁２６との密着性をより一層高めることができる。
【００４９】
収容部材２１および締付部材２３は、図１に示すように、互いの接触部分にねじ溝２７を形成して螺合させることにより、シール部材２２の締め付けを強化させ、この締め付け状態をそのまま保持させることを可能にするものであることが好ましい。
【００５０】
図１に示す締付部材２３は、中心部分にガス分離体３の外周面１８に接触しない程度にガス分離体３を挿通することができる環形状を有し、側壁２６に接触する外側面にねじ溝２７が形成されている。この形態の締付部材２３は、ガス分離体３を中心として一周するようにシール部材２２に接触し、ガス分離体３を中心とする周方向の各部で均等にシール部材２２を締め付ける。そのため、シール部材２２を局所的に強く圧縮したことに起因した、シール部材２２のめくれや、シール部材２２の局所的な圧迫によるガス分離体３の破損を生じにくい。
【００５１】
上記の環状の締付部材２３は、高温においても、ガス分離体３を挿通させる穴を形成する内壁面３１と、ガス分離体３とが接触しないことが好ましい。環状の締付部材２３の内壁面３１がガス分離体３に接触しなくすることにより、薄いガス分離膜２が多孔質基体１１の外側表面１５に設けられた場合でも、この薄いガス分離膜１２が破損しにくくなる。
【００５２】
図３は、本発明の技術的範囲に属する他のガス分離体固定構造体１の縦断面図を表す。本ガス分離体固定構造体１では、ガス分離体３は軸２０方向に沿って複数の空洞部１３が貫通しているレンコン状の多孔質基体１１を有している。この多孔質基体１１には、空洞部１３に面した内側表面１６にガス分離膜１２が設けられている。また、端部１４では、被覆部材４１が先端部の外側表面１５全体および側方の外側表面１５の一部に設けられている。
【００５３】
被覆部材４１は、ガスが多孔質基体１１の側方の外側表面１５から多孔質基体１１の内部に流入し、先端部の外側表面１５から多孔質基体１１の外部へと通り抜けていくことを阻むことができるように設けられている。これにより、ガスはガス分離膜１２を透過しなければガス分離体３の外周面１８側と空洞部１３との間を流通することが困難になる。被覆部材４１は、ガスの漏出をより効果に防ぐことができる観点から、ガラスなどの気密性の高い材料から形成されていることが好ましい。
【００５４】
２．ガス分離構造体の使用方法：
上記のガス分離体固定構造体１の使用温度は、使用するガス分離膜や分離を行うガスの種類などによって、適当な値に設定することができる。ガス分離体固定構造体１の使用温度は１００〜６５０℃であることが好ましく、３００〜６００℃であることが更に好ましい。ガス分離体固定構造体１の使用温度が１００℃以上であることにより、ガスの透過を促進させる効果を確実に発現させることができる。一方、ガス分離体固定構造体１の使用温度が６５０℃以下であることにより、シール部材２２の劣化の進行を確実に抑えることができる。
【実施例】
【００５５】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００５６】
（実施例１）
外径３０ｍｍ、長さ５００ｍｍの袋管形状の多孔質ジルコニア支持体を作製した。このジルコニア支持体の熱膨張率を測定した結果、２０〜３００℃における平均熱膨張率は１０．５×１０−６／℃であった。この支持体上に、水素分離膜として、めっき法によりＰｄ−Ａｇ合金膜を作製した。なお、ＰｄとＡｇとの割合は、Ｐｄ８０部に対して、Ａｇ２０部となるように調節した。この水素分離体の開口端を４５−Ｎｉ合金（Ｎｉ４５質量％、Ｆｅ５５質量％）製の固定部材（フランジ）と膨張黒鉛製のグランドパッキン（シール部材）を用いて接合し、水素分離体固定構造体を作製した。なお、接合後のシール部材は、非弾性変形していることを確認した（表１）。４５−Ｎｉ合金の２０〜３００℃における平均熱膨張率は、７．７×１０−６／℃であった。
【００５７】
（実施例２）
５０−Ｎｉ合金（Ｎｉ５０質量％、Ｆｅ５０質量％）製の固定部材（フランジ）を用いた以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。５０−Ｎｉ合金の２０〜３００℃における平均熱膨張率は９．９×１０−６／℃であった。
【００５８】
（実施例３）
支持体として多孔質アルミナを使用し、４２−Ｎｉ合金（Ｎｉ４２質量％、Ｆｅ５８質量％）製の固定部材（フランジ）を用いた以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。作製した多孔質アルミナの２０〜３００℃における平均熱膨張率は７．８×１０−６／℃であった。４２−Ｎｉ合金の２０〜３００℃における平均熱膨張率は４．６×１０−６／℃であった。
【００５９】
（実施例４）
グランドパッキンが非弾性変形しない応力で接合した以外は（表１）、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。
【００６０】
（比較例１）
ステンレス（ＳＵＳ３１６）製の固定部材（フランジ）を使用した以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。ステンレス（ＳＵＳ３１６）の２０〜３００℃における平均熱膨張率は１６．２×１０−６／℃であった。
【００６１】
（比較例２）
支持体として多孔質アルミナ（２０〜３００℃における平均熱膨張率７．８×１０−６／℃）を使用した以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。
【００６２】
（比較例３）
４２−Ｎｉ合金（Ｎｉ４２質量％、Ｆｅ５８質量％）製の固定部材（フランジ）を用いた以外は、実施例１と同様にして水素分離体固定構造体を作製した。
【００６３】
（評価）
実施例１〜４、比較例１〜３の水素分離体を用いて耐熱試験を行った。水素分離体を耐圧容器中に配設し、水素分離膜からのＨｅリーク量の測定を行った。その後、耐圧容器を加熱することによって、水素分離体を窒素雰囲気中で５００℃まで昇温した後に水素分離膜からのＨｅリーク量の測定を行った。Ｈｅリーク量を表１に示す。５００℃ではガスの熱膨張のため、２５℃の場合と比較してＨｅリーク量は０．３８６倍になる。そこで、温度変化によるＨｅリーク量の変化を考慮し、５００℃でのＨｅリーク量に２．５９（＝１／０．３８６）をかけた値を用いてＨｅリーク量の変化率を求めた。表１に示されたように、実施例１〜４ではＨｅリーク量の変化率が１．３以下であった。特に、実施例１〜３では５００℃で水素分離膜からのＨｅリーク量が減少した。対して、比較例１、２ではＨｅリーク量が２倍以上に増加したことが分かる。また、比較例３では昇温によって水素分離体にクラックが発生したため、５００℃でのＨｅリーク量を測定することができなかった。なお、耐熱試験前後において、Ｐｄ−Ａｇ合金膜からのＨｅリーク量は、接合箇所からのＨｅリーク量に比べて十分少ないことを確認している。
【００６４】
【表１】
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、多成分混合ガスから特定のガス成分のみを選択的に分離するガス分離体を固定保持したガス分離体固定構造体として利用できる。
【符号の説明】
【００６６】
１：ガス分離体固定構造体、３：ガス分離体、１１：多孔質基体、１２：ガス分離膜、１３：空洞部、１４：端部、１５：外側表面、１６：内側表面、１７：中心、１８：外周面、１９，１９ａ，１９ｂ：開口部、２０：軸、２１，２１ａ，２１ｂ：収容部材、２２：シール部材、２３：締付部材、２４：凹部、２５：底壁、２６：側壁、２７：ねじ溝、２８：隙間、３０：流通穴、３１：内壁面、４１：被覆部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に空洞部と前記空洞部を開口させる開口部とが設けられている多孔質基体と、前記多孔質基体の外側表面および内側表面のうち少なくとも一方の表面上に設けられて特定のガス成分のみを透過させるガス分離膜とを有するガス分離体と、
前記ガス分離体を収容する凹部を有し、前記凹部の底壁の少なくとも一部が前記ガス分離体の前記開口部に当接されるまたは前記ガス分離体の前記開口部を挿通させると共に、前記凹部の側壁が隙間を有して前記外周面を包囲している収容部材と、
前記隙間において前記ガス分離体の前記外周面と前記収容部材の前記側壁および前記底壁とに接触することにより前記隙間におけるガス流れを遮断するシール部材と、
前記開口部が前記底壁に当接または挿通される方向に沿って前記底壁と共に前記シール部材を挟み込み加圧して、前記シール部材を前記外周面と前記側壁とを結ぶ方向に押し出しながら前記シール部材を前記外周面および前記側壁に圧着させる締付部材と、を備え、
２０〜３００℃における前記多孔質基体の熱膨張率に対する前記収容部材の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であるガス分離体固定構造体。
【請求項２】
前記シール部材が、前記締付部材と前記底壁に挟み込まれ加圧されて、非弾性変形しながら前記外周面および前記側壁に圧着する請求項１に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項３】
前記シール部材が、ヤング率０．１〜２．０ＧＰａの環形状のグランドパッキンである請求項１又は２に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項４】
前記シール部材が、膨張黒鉛を主成分とする材質からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体を用いて、１００〜６５０℃の温度でガス分離を行うガス分離体固定構造体の使用方法。
【請求項１】
内部に空洞部と前記空洞部を開口させる開口部とが設けられている多孔質基体と、前記多孔質基体の外側表面および内側表面のうち少なくとも一方の表面上に設けられて特定のガス成分のみを透過させるガス分離膜とを有するガス分離体と、
前記ガス分離体を収容する凹部を有し、前記凹部の底壁の少なくとも一部が前記ガス分離体の前記開口部に当接されるまたは前記ガス分離体の前記開口部を挿通させると共に、前記凹部の側壁が隙間を有して前記外周面を包囲している収容部材と、
前記隙間において前記ガス分離体の前記外周面と前記収容部材の前記側壁および前記底壁とに接触することにより前記隙間におけるガス流れを遮断するシール部材と、
前記開口部が前記底壁に当接または挿通される方向に沿って前記底壁と共に前記シール部材を挟み込み加圧して、前記シール部材を前記外周面と前記側壁とを結ぶ方向に押し出しながら前記シール部材を前記外周面および前記側壁に圧着させる締付部材と、を備え、
２０〜３００℃における前記多孔質基体の熱膨張率に対する前記収容部材の熱膨張率の比が０．５５以上０．９５以下であるガス分離体固定構造体。
【請求項２】
前記シール部材が、前記締付部材と前記底壁に挟み込まれ加圧されて、非弾性変形しながら前記外周面および前記側壁に圧着する請求項１に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項３】
前記シール部材が、ヤング率０．１〜２．０ＧＰａの環形状のグランドパッキンである請求項１又は２に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項４】
前記シール部材が、膨張黒鉛を主成分とする材質からなる請求項１〜３のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体を用いて、１００〜６５０℃の温度でガス分離を行うガス分離体固定構造体の使用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１８９３３５（Ｐ２０１１−１８９３３５Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５３４７５（Ｐ２０１０−２５３４７５）
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１２日（２０１０．１１．１２）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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