(57)【要約】【課題】タンマン管形状の混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離、あるいは隔膜リアクター技術の分野において、高度に集積化されたタンマン管にガスを供給する際、問題となる効率の低下を解決するガス流れ制御構造を提供する。【解決手段】ガスの導入口及び排出口を備えた圧力容器と、混合伝導性固体電解質を少なくとも片側表面に有する複数のタンマン管と、該タンマン管を保持し、ガス導出口を有するマニホールド板と、該マニホールド板上に設置された前記複数のタンマン管全てを収納し、ガス導入口を有するボックスとを少なくとも備えた酸素分離装置又は隔膜リアクター装置において、前記ボックス内に前記ガス導入口より前記複数のタンマン管に対し垂直方向にガスを供給するためのガス貯留室と、前記ボックスの該ガス貯留室の対向面にガス排出口を設けることを特徴とする混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離又は隔膜リアクターのガス流れ制御構造である。【選択図】  図1
2005145786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスの導入口及び排出口を備えた圧力容器と、混合伝導性固体電解質を少なくとも片側表面に有する複数のタンマン管と、該タンマン管を保持し、ガス導出口を有するマニホールド板と、該マニホールド板上に設置された前記複数のタンマン管全てを収納し、ガス導入口を有するボックスとを少なくとも備えた酸素分離装置又は隔膜リアクター装置において、
前記ボックス内に前記ガス導入口より前記複数のタンマン管に対して垂直方向にガスを供給するためのガス貯留室と、前記ボックスの該ガス貯留室の対向面にガス排出口を設けることを特徴とする混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離装置又は隔膜リアクターのガス流れ制御構造。
【請求項２】
前記ガス貯留室から前記ボックス内に多孔板を介してガスを導入することを特徴とする請求項１記載のガス流れ制御構造。
【請求項３】
前記ボックスに設置された前記ガス排出口が多孔板であることを特徴とする請求項１記載のガス流れ制御構造。
【請求項４】
前記多孔板が、前記ボックスの一面の全面に設けられることを特徴とする請求項２又は３記載のガス流れ制御構造。
【請求項５】
前記複数のタンマン管が、前記複数のタンマン管列に配置されることを特徴とする請求項１記載のガス流れ制御構造。
【請求項６】
前記タンマン管列が、ガス流れに対して垂直方向に配置されることを特徴とする請求項５記載のガス流れ制御構造。
【請求項７】
前記ガス流れに対して垂直方向に配置するタンマン管が、前記タンマン管の間隔をｄ、前記タンマン管の外径をｒとしたとき、3.0>d/r>1.2の関係を満足する位置に配置されていることを特徴とする請求項６記載のガス流れ制御構造。
【請求項８】
前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向にならない位置に各タンマン管が配置されることを特徴とする請求項７記載のガス流れ制御構造。
【請求項９】
前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、前列に配置された２本のタンマン管の中央後方の位置に各タンマン管が配置されることを特徴とする請求項８記載のガス流れ制御構造。
【請求項１０】
前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管列が、前記タンマン管列の間隔をＤ、前記タンマン管の間隔をｄ、前記タンマン管の直径をｒとしたとき、2d>D>0.5rの関係を満足する位置に配置されていることを特徴とする請求項６〜９の何れか１項記載のガス流れ制御構造。
【請求項１１】
前記ボックスの多孔板が設けられていない面に、複数の突起物が設けられていることを特徴とする請求項４記載のガス流れ制御構造。
【請求項１２】
前記突起物が板状体であることを特徴とする請求項１１記載のガス流れ制御構造。
【請求項１３】
前記板状体が、前記ボックスの多孔板が設けられていない壁面に、ガス流れに対して非平行で、かつ前記タンマン管に対して平行となる向きに設置されていることを特徴とする請求項１２記載のガス流れ制御構造。
【請求項１４】
前記板状体が、前記ボックスの天井面に、ガス流れに対して非平行となる向きに設置されていることを特徴とする請求項１２記載のガス流れ制御構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管(一端封じ円筒管)形状の分離管あるいはリアクター管を使った酸素分離装置あるいは隔膜リアクター技術分野におけるガス流れ制御構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離および隔膜リアクターは、高い酸化物イオン導電率を有する材料の開発進展に伴い、実用化研究が盛んになってきた。
酸素分離に関しては、酸素分圧の違いを駆動力として固体電解質の内部を酸化物イオンの形で拡散する原理に基づいており、例えば、圧縮された空気から一段で高純度の酸素を分離することが出来る。また、酸化物イオンの拡散速度を上げるため、高温(例えば850〜900℃)で動作させる必要があるものの、熱回収、圧力回収を組み合わせてエネルギー利用率を上げることにより、吸着現象を利用したPSAや蒸気圧特性(沸点)の違いを利用した深冷分離法と比較して、酸素の製造電力原単位を低くすることが出来ると期待されている。これが、近年の実用化研究が旺盛な理由の一つとなっている。
【０００３】
一方、隔膜リアクターに関しては、固体電解質を隔膜として、例えばメタンガスと空気を導入すると、酸素分離と同様の原理で空気側からメタンガス側に酸素が拡散し、メタンガス側の固体電解質表面に配置された触媒によりメタンを部分酸化させて水素と一酸化炭素の混合ガス(合成ガス)を得るものである。固体高分子燃料電池の原料となる水素が天然ガス(メタンガスが主成分)から取り出せることから、技術開発に対する期待が大きい。また、合成ガスはフィッシャー・トロプシュ合成(FT合成)によって種々の炭化水素化合物に変換できるので、天然ガス田からの輸送をガスではなく液体で行うことが可能になり、コストメリットが生ずる。
【０００４】
このような背景があるものの、実用化にはまだ相当の時間がかかると言われている。一定空間内に酸化物イオンの透過する膜面積を最大限に集積化し、さらに異なる2種類のガスを完全に隔離するためのシール技術を高温で実現することが、非常にハードルの高い技術であるためである。
【０００５】
このうち、前者の技術課題に対しては、ガス流れを如何に制御するかという別の技術課題も関わってくる。高度に集積されたイオン透過膜にガスを供給する際には、ガス流れが透過性能に大きな影響を与えるためである。従来のガス流れ制御方法に関する技術は、固体電解質のイオン透過現象を利用した燃料電池の分野で見ることができる。
【０００６】
平板型燃料電池の場合、一つのスタック内にガス流れ用の通路を複数設けることが一般的である。(特許文献1)。特許文献2では、いずれも燃料電池用のモジュールの中に燃料ガスと空気(酸化ガス)の通路を設け、高効率化や信頼性の向上を図った。しかしながら、複数のモジュールを集積化した場合の全体のガス流れ制御に関しては開示されていない。
【０００７】
また、タンマン管型燃料電池の場合では、例えば特許文献3では、1本のタンマン管に対して、ガスの供給管に複数の供給穴を設けたガス流れ制御方法を開示しているが、やはり複数のタンマン管を集積化した場合の全体のガス流れ制御に関しては開示されていない。
【０００８】
特許文献4、特許文献5及び特許文献6では、複数のタンマン管を使った技術開示を行っているが、いずれもガス流れ制御方法を開示したものではなく、ガス流れはタンマン管に対して平行となっている。
【０００９】
ガス流れ制御方法が効率向上に効果を発揮するためには、ガス流れが透過性能に与える影響を考察することが重要である。酸素分離を例に取ると次のようになる。林立するタンマン管に対して酸素含有ガス(例えば空気)を供給する時、酸素含有ガスから酸素が選択的に奪われることによって酸素濃度が場所によって変化し、酸素濃度が低下した場所では酸化物イオンの透過効率も大きく低下する。仮に、酸素供給側のガス流れに停滞領域が発生すると、その領域では酸化物イオンが透過するのに十分な駆動力が得られない。また、一部の酸素含有ガスが酸素分離領域から外れた領域を流れる場合には、この酸素含有ガスからは全く酸素を回収することが出来ず、効率が大きく損なわれることになる。従来の技術では、このような視点からガス流れ制御しようとしたものはなかった。
【００１０】
【特許文献１】特開平6-188008号公報
【特許文献２】特開2002-208417号公報
【特許文献３】特開平5-94830号公報
【特許文献４】特開平7-29590号公報
【特許文献５】特開2001-43887号公報
【特許文献６】特開2001-273915号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述の問題は、これまであまり顕在化していなかった。なぜなら、固体電解質を使った燃料電池は、集積化に関してまだ技術が成熟していないためである。更に、酸素分離や隔膜リアクターに関しては、タンマン管型を集積する技術はまだ緒に就いたばかりである。事実、本発明者らは、混合伝導性固体電解質の形状をタンマン管型として、これを多数本使って酸素分離や隔膜リアクターとして作用させたところ、単管での測定から予想される値と比較して、はるかに低い効率しか実測できず、これにより初めてガス流れ制御の重要性を認識するに至った。
【００１２】
本発明は、タンマン管形状の混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離、あるいは隔膜リアクター技術の分野において、高度に集積化されたタンマン管にガスを供給する際、問題となる効率の低下を解決するガス流れ制御構造を提供することによって、酸素分離効率やリアクター収率を上げることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、ガス流れ及び酸素吸収のシミュレータを構築し、効率向上のための検討を行いながら、同時に実験によりその効果を見出すことによって本発明を完成させるに至った。
すなわち、上記の目的を達成するため、本発明は、混合伝導性固体電解質を用いた酸素分離又は隔膜リアクターのガス流れ制御構造として、ガスの導入口及び排出口を備えた圧力容器と、混合伝導性固体電解質を少なくとも片側表面に有する複数のタンマン管と、該タンマン管を保持し、ガス導出口を有するマニホールド板と、該マニホールド板上に設置された前記複数のタンマン管全てを収納し、ガス導入口を有するボックスとを少なくとも備えた酸素分離装置又は隔膜リアクター装置において、前記ボックス内に前記ガス導入口より前記複数のタンマン管に対し垂直方向にガスを供給するためのガス貯留室と、前記ボックスの該ガス貯留室の対向面にガス排出口を設けることを特徴とする。
【００１４】
この時、前記ガス貯留室からボックス内に多孔板を介してガスを導入する構造や、前記ボックスに設置された排出口が多孔板である構造が望ましい。また、前記多孔板が、ボックスの1面の全面に設けられることがより望ましい。
【００１５】
また、前記複数のタンマン管は、複数のタンマン管列に配置され、より望ましくは、前記タンマン管列が、ガス流れに対して垂直方向に配置するガス流れ構造とする。この時、前記ガス流れに対して垂直方向に配置するタンマン管が、タンマン管の間隔をd、タンマン管の外径をrとしたとき、3.0>d/r>1.2の関係を満足する位置に配置されるのが望ましい。
【００１６】
更に、前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向にならない位置に各タンマン管が配置されるのがより望ましい。
更に、前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、前列に配置された2本のタンマン管の中央後方の位置に各タンマン管が配置される構造が最も望ましい。また、前記ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管列は、タンマン管列の間隔をD、タンマン管の間隔をd、タンマン管の外径をrとしたとき、2d>D>0.5rの関係を満足する位置に配置されることが好ましい。
【００１７】
更に、前記ボックスの多孔板が設けられていない面に、複数の突起物を設けた構造は、ガス流れ構造上、更に望ましい。更に、前記突起物が板状体であることがより望ましい構造である。この時、前記板状体が、前記ボックスの多孔板が設けられていない壁面に、ガス流れに対して非平行で、かつタンマン管に対して平行となる向きに設置されている構造が最も望ましい。
また、前記板状体が、前記ボックスの天井面に、ガス流れに対して非平行となる向きに設置されている構造が同様に最も望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、圧力容器に備えられたガスの導入口より供給されたガスが一旦ボックス内に設けられた貯留室に貯えられ、しかる後に複数のタンマン管に対して垂直にしかも均一に供給されることにより、複数のタンマン管の間を効率的にガスが流れる。これにより、ガス流れ効率が向上し、酸素分離効率やリアクター収率を飛躍的に高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、本発明を実施するための最良の形態として、具体例を図1及び図2に示す。図1は、酸素分離装置の分離炉を例に取ってその構造を示したものであるが、隔膜リアクターでもタンマン管の内部にガスの導入管が挿入されるだけで、構造の特徴に大きな差異はない。図1では、ガスの導入口5及び排出口12を備えた圧力容器1と、混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管10と、これを保持するためのマニホールド板11と、マニホールド板上に置かれ複数のタンマン管全てを収納するボックス6(以降、整流ボックスと記載)とからなる分離炉の全体図を示し、図2では、ガスの導入口よりタンマン管群に対し垂直方向にガスを供給できるようにボックスの内側に多孔板8を配したガス貯留室7が設けられ、多孔板と対向するボックスの側壁にはガスを排出するための多孔板9が設けられた整流ボックスの構造を示している。
【００２０】
圧力容器1に備えられたガスの導入口5から供給されたガスは、ガス貯留室7に貯えられた後、外部多孔板8を通ってタンマン管に対して垂直に供給される。ガス流は、タンマン管と衝突しながら反対方向に設けられた多孔板9を通って、最終的には圧力容器に備えられた排出口12から排出される。
【００２１】
本発明のようにガスをタンマン管に対して垂直にしかも均一に供給した場合と、タンマン管に対して平行に供給した場合では、ガス流れの効率は大きく異なり、特にガス流れ速度が大きくなるほどその差は顕著となる。
【００２２】
酸素含有ガスをタンマン管に対して平行に供給した場合、タンマン管近傍を流れるある限られた領域から酸素が選択的に透過する。タンマン管から少し離れたところから酸素が拡散によりタンマン管近傍に供給されることになるが、量的に限度があることから、結果的にこの領域は酸素貧化領域となり、それ以外の領域では透過に寄与しないまま排出されることになる。この状況は、ガス流れが速くなればなるほど顕著となる。これに対し、垂直供給ではこのような状況にはならない。
【００２３】
多孔板8に設けられる貫通孔の数及び孔径は、多孔板を通過する際の圧損を考慮して決定される。例えば、圧損が小さすぎると、ガス導入口14に近い孔から優先的にガスの供給が起き、孔の場所によってガスの流れ速度が異なってしまう。反対に、圧損が大きすぎると場所によるガス流れの不均一は解消されるが、実際に使う圧力以上に昇圧しておくことになるためエネルギーのロスに繋がる。
【００２４】
圧損に関しては、単位時間に多孔板を通過するガス量によって大きく変化するため、まず、ガスの供給速度を予め決定しておく必要がある。しかる後、圧損と流れの均一性に関するシミュレーションを行い、ある値以上の圧損で均一性が確保できるといった知見を得る。その後、多孔板に設ける貫通孔の位置と数を決定する。貫通孔は、例えば、m行n列に整然と並んだ位置に(m×n)個設けられる。一行の中にある貫通孔の間隔は、タンマン管の間隔に整合するように設けるのが望ましいが、タンマン管の間隔より広くなければ必ずしも整合する必要はない。また、一列の中にある貫通孔の間隔は、例えば、5〜50mmの範囲で設けるのが望ましい。最後に、貫通孔の孔径を目標とする圧損になるように決定する。孔径は孔数によって変化するが、例えば、1〜10mmφの範囲で設けるのが望ましい。
【００２５】
多孔板9に設けられる貫通孔の数、及び孔径は、多孔板8と同様の考え方に基づいて決定される。多孔板を通過する際の圧損が小さすぎると、排出口12に近い孔から優先的にガスの排出が起きてガス流れの均一性が失われ、反対に、圧損が大きすぎるとガス流れの不均一は解消されるが、エネルギーのロスに繋がるためである。
【００２６】
次に、タンマン管の配置に関する本発明の実施形態について説明する。
タンマン管の配置は、複数のタンマン管を複数のタンマン管列に配置するようにする。このタンマン管列はガス流れに対して垂直方向に配置するのが望ましい。更に、次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向にならないように配置(以降、千鳥配置と記載)する。次列のタンマン管の中心と前列のタンマン管中心がガス流れと平行方向となる位置に各タンマン管を配置(以降、直列配置と記載)すると、次列のタンマン管は前列にあるタンマン管の陰に入ってしまうため、タンマン管の間を相互作用なしで通過してしまうガス流れ(無効ガス流れ)が無視できない程度に発生してしまうためである。
【００２７】
無効ガス流れを最も有効に抑制するには、ガス流れに対して垂直方向に整列したタンマン管が、前列に配置された2本のタンマン管の中央後方の位置に各タンマン管を配置(以降、正千鳥配置と記載)する。正千鳥配置とすることで、全体のガス流れがバランスよく全てのタンマン管に供給され、無効ガス流れ分は最小となる。
【００２８】
タンマン管の配置に関し、最良の形態の一例を図3に示す。図3は、混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管が配置された様子を鳥瞰図で示したもので、全てのタンマン管10はガス流れの方向15に対して垂直に立っており、かつ前列に配置された2本のタンマン管の中央後方に次列のタンマン管がくるように配置されている。この配置をわかりやすくするために、図4では上方からタンマン管を見た図を示した。
【００２９】
図4で示しているように、タンマン管の間隔をd、タンマン管の外径をr、タンマン管列の間隔をDとすると、その大きさの関係はガス流れの効率に大きく影響を与える。また、この関係はガスの流れ速度と関係しており、それぞれの流れ速度に対して最適値が存在する。
【００３０】
まず、dとrの関係については、3.0>d/r>1.2の範囲とするのが望ましい。d/r値が3.0以上になると、本発明のようにタンマン管を配置しても、タンマン管の間隔が大きすぎて無効ガス流れが無視できなくなるためであり、d/r値が1.2以下になると、タンマン管の間をガスが通り抜けるのに大きな抵抗となるため、後列にスムーズな流れが出来ないためである。ちなみに、d/r=1でタンマン管同士が接触し、ガス流れは完全に阻害される。
【００３１】
また、Dとrの関係については、2d>D>0.5rの範囲とするのが望ましい。Dが0.5r以下となると奇数列同士、又は偶数列同士が干渉してしまい、物理的に配置することが出来ないためであり、Dが2d以上では本来の目的である集積化を達成できないためである。
【００３２】
上述したように、複数のタンマン管の間を通過する無効ガス流れはタンマン管の配置方法の改良によって最小にすることができる。一方、一番端に配置されたタンマン管近傍、具体的には一番端に位置するタンマン管と整流ボックスの壁面の間を流れる無効ガス流れについては、配置方法の改良によって改善することは出来ない。また、タンマン管頂部と整流ボックスの天井の間を流れる無効ガス流れについても、配置方法の改良によって改善することは出来ない。
【００３３】
これらを改善するためには、整流ボックスの多孔板が設けられていない面に、複数の突起物を設けるのが有効である。特に板状の突起物を設けるのが最も簡便な方法である。この板状体の突起物は、整流ボックスの多孔板が設けられていない側壁とタンマン管群の間隙にガスの流れに対して非平行かつタンマン管に対して平行に少なくとも2枚以上配置されるのが望ましい。また、タンマン管頂部と整流ボックスの天井の間を流れる無効ガス流れについては、タンマン管の高さに応じて整流ボックスの天井高さを整合させることによって、その影響を小さくできるが、複数のタンマン管の高さが微妙に異なる場合には、板状体の突起物を、整流ボックスの天井とタンマン管頂部の間に、ガス流れに対して非平行となる向きに設置するのも有効である。
【００３４】
図5は、図2に板状体の突起物16を追加した例を図示したものであり、側壁にはそれぞれ4枚の突起物が設けられている。なお、見やすさを優先したため、図5にはタンマン管は1本のみ描いているが、当然複数のタンマン管が林立しているものである。
【００３５】
図6は、図5を上から見たもの(但し、複数のタンマン管の場合)である。
整流ボックスの側壁に設けられた突起物は、側壁に沿って層流となって抜けてしまい反応領域に到達しないガスを有効利用するためのものであるが、同時に作業性の向上にも有効に作用する。すなわち、側壁に沿って層流となって抜けてしまうガスを最小限にしようとすれば、タンマン管群と側壁の間隙を極めて小さくすることになるが、これではセットの方法が非常に困難である。突起物を設ける方法では、複数のタンマン管に対して余裕を持った整流ボックスをセットした後、突起物をセットするようにすれば、このような困難さは軽減される。
【００３６】
板状体の突起物の数、形状に関してはいろいろなバリエーションが考えられる。その例を図7に示す。(a)は、図6で例示したものと同一であるが、これ以外にも例えば、(b)〜(d)等が考えられる。いずれの例も、突起物近傍のみを図示しており、全体は図示したものの反復・繰り返しで表現できる。また、整流ボックスの天井に設けられる板状体の突起物の形状についても、図7と同様、いろいろなバリエーションが可能である。その例を図8に示す。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を実施例、比較例で説明する。
(実施例1)
−ガス流量と多孔板圧損に関する検討−
図9に示した形状で、空気流量を10,100,500Nm3/Hr(1時間あたりの体積、Nは気体の標準状態(0.1MPa、25℃)に換算したことを示す)に設定して、多孔板を通過する流速の均一度を調べた。解析モデルは、整流ボックスの内部構造の対称性を利用して、実際の半分の領域を対象とした。解析格子数は、X=160、Y=65、Z=40(計416000)とし、多孔板の個々の貫通孔と板厚は形状としてモデル化しなかった。解析ツールは、ソフトウェア・クレイドル社の構造格子系熱流体解析コード「STREAM Ver.3.11」を用いた。解析条件及び解析結果を下表(表1、2)にまとめる。
【００３８】
【表１】
2005145786.tif 000003
【００３９】
【表２】
2005145786.tif 000004
【００４０】
表から、例えば、100Nm3/Hrの流量では多孔板圧損が500Pa程度、10Nm3/Hrの流量では5Pa程度の多孔板を用いればよいことが分かった。また、表には示されていないが、各実験とも多孔板上部で通過流速が高くなる傾向があり、流量が増加するほどこの傾向による不均一性が強くなることも分かった。
【００４１】
本シミュレーションでは、多孔板の個々の貫通孔と板厚は形状としてモデル化しなかったため、多孔板には無限小の孔径を持つ貫通孔が無限大個あるという仮想的なものを前提に考えたが、実際には、100Nm3/Hrの流量で多孔板圧損が500Pa程度となるよう、例えば、15行×11列(計165個)で、孔径3mmφ程度の貫通孔を、図9に示した整流ボックスの多孔板の全面に用いればよいことが分かった。
【００４２】
(実施例2)
ガス貯留室から複数のタンマン管に対し、垂直方向にガスを供給する際、ガスの供給方法を変え、実際に酸素分離実験を行った。実験は、タンマン管外径18mm、平均長さ20cmの酸素分離管53本を、奇数列11本、偶数列10本、全5列で正千鳥配置させ、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する条件で行った。いずれの実験も、導入側・排出側とも圧損が500Pa程度となるようにした。空気流量は、100Nm3/Hrとした。また、分離管の間隔dは34mmとし、整流ボックス内には突起物は設けなかった。結果を表3にまとめる。
【００４３】
【表３】
2005145786.tif 000005
【００４４】
表から分かるように、ガス貯留室からボックス内に多孔板を介してガスを導入する構造、又はボックスに設置された排出口が多孔板である構造が望ましく、どちらも多孔板である構造が最も望ましい。
【００４５】
(実施例3)
−タンマン管配置方法に関する検討−
本発明のガス流れ制御構造で、タンマン管の配列を直列配置と正千鳥配置とし、配置方法の差異によるガス流れの比較を行った。解析ツールはFLUENT社の熱流体汎用解析コード「FLUENT Ver.5.5」を用い、2次元の解析格子による解析を行った。実施例1と同様、多大な格子点を必要とするため、多孔板の個々の貫通孔と板厚は形状としてモデル化しなかった。解析条件を表4にまとめる。なお、空気温度850℃、圧力1.0MPaを想定し、空気密度3.143kg/m3、空気粘度46.464×10-6Pas(パスカル秒)を使用し、酸素透過によるガスの消滅については考慮しなかった。
【表４】
2005145786.tif 000006
【００４６】
解析結果を図10、11に示す。図10、11は、ガスの流速を等高線表記して示したものである。いずれの結果もタンマン管の背後で低流速領域が出現しているが、直列配列の場合、その領域が次のタンマン管前方にまで伸びているのに対して、正千鳥配置の場合では、そのような状況はなく、明らかに効率的な流れになっていることが分かった。
【００４７】
(実施例4)
実施例3と同様の手法を使い、図7で例示した板状体の突起物の効果をシミュレートした。比較として、突起物無しについても検討を行った。解析条件を表5にまとめる。共通条件として、空気温度900℃、空気流量100Nm3/Hr、及びタンマン管配置は正千鳥配置とした。
【００４８】
【表５】
2005145786.tif 000007
【００４９】
正千鳥配置されたタンマン管表面に当たる空気の流速に注目して、結果を図12にまとめた。図12は、横軸にタンマン管列の位置(1が最上流、16が最下流)、縦軸がその列にあるタンマン管の表面に当たる空気の流速の平均値をとった。突起物のない実験No.10では、下流に行くに従い次第に平均流速は低下するのに対して、突起物を設けた他のケースでは、1列目を除いてほぼ一定の平均流速を示し、かつ高いレベルを保つことが分かった。これは、突起物を設けることにより、効率よくタンマン管にガスが供給されていることを示している。
(実施例5)
本発明のガス流れ制御構造で、タンマン管外径18mm、平均長さ20cmの酸素分離管53本を、奇数列11本、偶数列10本、全5列で正千鳥配置させ、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する実験を行った。用いた多孔板には、孔径3.0mmφ、孔数165個(15行×11列)の貫通孔が設けられている。分離管の間隔dは34mmとした。天井と側壁に突起物を設けた結果を表6に、側壁のみ突起物有りの結果を表7に、突起物なしの結果を表8にそれぞれまとめた。側壁の突起物の形状は図7の(a)、天井の突起物の形状は図8の(a)とした。
【００５０】
【表６】
2005145786.tif 000008
【００５１】
【表７】
2005145786.tif 000009
【００５２】
【表８】
2005145786.tif 000010
【００５３】
表6〜8を比較すると、突起物を設けた方が明らかに酸素分離効率が向上していることが分かった。
【００５４】
(実施例6)
本発明のガス流れ制御構造で、種々の条件にて、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する実験を行った。空気の流量は全ての場合で100Nm3/Hrとした。結果を表9にまとめる。No.27とNo.28、29の実験を比較すると、d/r比が本発明の望ましい範囲に入っているNo.27の方がより高い透過速度となった。突起物の形状に関する実験では、本発明で例示した形状は全て高い透過速度を示した(No.27、30〜32)。また、タンマン管列の数が増えても、平均透過速度の低下はそれほど顕著なものではないことが分かった(No.33)。正千鳥配置に対して直列配置にしたものは、いずれの突起物を用いても透過速度はある程度低下し、正千鳥配置がより望ましいことが確認できた(No.34〜37)。
【００５５】
【表９】
2005145786.tif 000011
【００５６】
(比較例)
整流ボックス内にガス貯留室を設けない状態で、その他の条件を実施例5に従って、850℃において1.0MPa空気から酸素を分離する実験を行った。また、突起物は設けなかった。実験結果を表10にまとめた。
【００５７】
【表１０】
2005145786.tif 000012
【００５８】
表10から分かるように、整流ボックス内にガス貯留室を設けない状態では、ガスの流れ制御が不十分で、透過速度は極端に低下した。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】酸素分離装置における分離炉の望ましい構造の例示図である。
【図２】複数のタンマン管を収納する本発明の整流ボックス構造の概略図である。
【図３】混合伝導性固体電解質からなる複数のタンマン管が正千鳥配置された様子の鳥瞰図である。
【図４】図3を上方から見た図である。
【図５】図2に板状体の突起物を整流ボックス壁面に追加記述した図である。
【図６】図5を上方から見た図である。
【図７】整流ボックス壁面に設けられる板状体の突起物の形状に関する具体例を示した図(整流ボックスの上方から見た図)である。
【図８】整流ボックス天井に設けられる板状体の突起物の形状に関する具体例を示した図(整流ボックスの横方向から見た図)である。
【図９】多孔板を通過する流速の均一度をシミュレートする際に想定した整流ボックスの大きさを示す図である。
【図１０】直列配置させた複数のタンマン管にガスを供給させた場合の、ガス流れ解析の結果をまとめた図である。
【図１１】正千鳥配置させた複数のタンマン管にガスを供給させた場合の、ガス流れ解析の結果をまとめた図である。
【図１２】各突起物形状での正千鳥配置されたタンマン管表面平均流速の列平均値を示す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  圧力容器
２  断熱壁
３  圧力容器フランジ
４  締結手段(ボルト＆ナット)
５  ガスの導入口
６  整流ボックス
７  ガス貯留室
８  多孔板(供給側)
９  多孔板(排出側)
１０  タンマン管
１１  マニホールド板
１２  排出口
１３  分離酸素排出口
１４  ガス導入用サービスポート
１５  ガス流れ
１６  突起物
Ａ  ガス流速大の領域
Ｂ  ガス流速中の領域
Ｃ  ガス流速小の領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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