(57)【要約】【課題】スイープガスを供給可能でありながら気密容器の設置空間を小さく保ち得る多孔質筒体モジュールを提供する。【解決手段】多孔質円筒１２の第１端部２０からスイープガスを送り込むためのガス供給管１９が備えられていることから、原料気体の供給圧を高めなくとも、そのスイープガスを流すことによってその周壁２４を透過する水素ガス透過率を高め延いては収率を高め得る。このとき、上記ガス供給管１９は、多孔質円筒１２の第１端部２０側に設けられていることから、スイープガスの供給および分離された水素ガスの回収が多孔質円筒１２の長手方向における同一端側で行われる。そのため、これらが互いに反対側で行われる場合のような反応容器６０の設置空間が大きくなることがないので、スイープガス供給が可能でありながら反応容器６０の設置空間を小さく保ち得る。【選択図】                    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の気体が透過可能な多孔質の周壁を有して両端が開放された筒状を成し且つ相互に所定間隔を以て束ねられた複数本の多孔質筒体と、
前記所定の気体が透過不能な緻密質の周壁を有して両端が開放された筒状を成し且つ前記複数本の多孔質筒体と相互に所定間隔を以て一体的に束ねられた緻密質筒体と、
前記複数本の多孔質筒体の長手方向における同一側に位置するそれらの一端から排出された前記気体をそれら一端と同一側に位置する一端から前記緻密質筒体内に導き入れるための連結路と、
前記複数本の多孔質筒体の各々の他端からスイープガスを送り込むためにそれらの他端側に設けられたスイープガス供給部と
を、含むことを特徴とする多孔質筒体モジュール。
【請求項２】
前記所定の気体が透過不能な緻密質の壁で囲まれた気体室を備えると共に前記複数本の多孔質筒体および前記緻密質筒体の一端がその気体室内に開放されるようにそれら複数本の多孔質筒体および緻密質筒体に気密に固着された中空封止体を含み、前記連結路はその気体室で構成されたものである請求項１の多孔質筒体モジュール。
【請求項３】
前記所定の気体が透過不能な緻密質材料から成り且つ前記複数本の多孔質筒体および前記緻密質筒体の他端がその一面から他面に貫通して気密に固着された支持体を含み、前記スイープガス供給部はその支持体の他面上に設けられたものである請求項１の多孔質筒体モジュール。
【請求項４】
前記所定の気体が透過不能な緻密質材料で構成されると共に前記支持体の他面との間に気体室が形成されるようにその支持体に気密に固着され且つその気体室を外部に連通させることにより前記スイープガス供給部として機能する貫通孔が形成された蓋部材を備え、前記複数本の多孔質筒体の他端がその気体室内に開放させられると共に前記緻密質筒体の他端がその蓋部材を貫通してその気体室外に開放させられたものである請求項３の多孔質筒体モジュール。
【請求項５】
前記スイープガスが透過可能な多孔質材料で構成されると共に前記支持体の他面に前記複数本の多孔質筒体の他端開口を塞いで固着され且つ前記緻密質筒体の他端が貫通させられた蓋部材を含むものである請求項３の多孔質筒体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数本の多孔質筒体が束ねられ且つその多孔質筒体内にスイープガスを供給可能な多孔質筒体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特定の気体を選択的に透過させ得る多孔質の周壁を有する多孔質筒体を気密容器内に備えた気体分離装置が知られている。この多孔質筒体は、例えばアルミナ等のセラミック多孔質材料が円筒形状に構成されたものであり、例えば気密容器内に上記特定の気体を含む原料気体を供給して、多孔質筒体の外部から内部に透過したその特定の気体をその一方の開放端から回収することによってその特定の気体が分離される。このような気体分離装置では、可及的に小さな容積で大きな気体流量を得る目的で、一般に、径方向において相互に離隔した状態で複数本を束ねたモジュールの形態で上記多孔質筒体が用いられている。
【０００３】
ところで、上記の多孔質筒体モジュールにおける気体の収率は、例えば気密容器内に供給する原料気体の供給圧を高くすることで高めることができるが、上記のような多孔質材料は低強度であるため供給圧の上限が比較的低い。そこで、多孔質筒体の他方の開放端から上記一方の開放端に向かってスイープガスを流して収率を高めることが行われている(例えば特許文献１乃至４等参照)。
【特許文献１】特開２００３−２１０９５１号公報
【特許文献２】特開２００２−３４６３３２号公報
【特許文献３】特開２００２−３５５５２３号公報
【特許文献４】特開２００３−１４４８６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のようなスイープガス供給が可能な従来の多孔質筒体モジュールは、気密容器の多孔質筒体の一端側からスイープガスを送込み、他端側から分離された気体およびスイープガスを回収するように構成されている。そのため、気密容器の互いに反対側の位置にスイープガスの導入口と気体の回収口とが設けられることから、スイープガス供給の可能な多孔質筒体モジュールでは、気密容器の設置空間が大きくなる不都合があった。
【０００５】
本発明は、以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、スイープガスを供給可能でありながら気密容器の設置空間を小さく保ち得る多孔質筒体モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
斯かる目的を達成するため、本発明の要旨とするところは、(ａ)所定の気体が透過可能な多孔質の周壁を有して両端が開放された筒状を成し且つ相互に所定間隔を以て束ねられた複数本の多孔質筒体と、(ｂ)前記所定の気体が透過不能な緻密質の周壁を有して両端が開放された筒状を成し且つ前記複数本の多孔質筒体と相互に所定間隔を以て一体的に束ねられた緻密質筒体と、(ｃ)前記複数本の多孔質筒体の長手方向における同一側に位置するそれらの一端から排出された前記気体をそれら一端と同一側に位置する一端から前記緻密質筒体内に導き入れるための連結路と、(ｄ)前記複数本の多孔質筒体の各々の他端からスイープガスを送り込むためにそれらの他端側に設けられたスイープガス供給部とを、含むことにある。
【発明の効果】
【０００７】
このようにすれば、緻密質筒体と複数本の多孔質筒体とが束ねられた多孔質筒体モジュールは、それらの一端が連結路によって相互に連結されていることから、多孔質筒体モジュールには、多孔質筒体内をその他端から一端に向かい且つ緻密質筒体内をその一端から他端に向かって流れるように往復する気体通路が形成されるので、多孔質筒体の周壁を透過してその内部に入った気体は、その内部を流れて一端から連結路に排出され、その連結路を通って緻密質筒体にその一端から流れ込み、更にその内部を流れて他端から回収される。しかも、多孔質筒体の他端からスイープガスを送り込むためのスイープガス供給部が備えられていることから、原料気体の供給圧を高めなくとも、そのスイープガスを流すことによってその周壁を透過する前記所定の気体の透過率を高め延いては収率を高め得る。このとき、上記スイープガス供給部は、多孔質筒体の他端側に設けられていることから、スイープガスの供給および分離された気体の回収が多孔質筒体の長手方向における同一端側で行われる。そのため、これらが互いに反対側で行われる場合のようにスイープガス供給部を設けることで気密容器の設置空間が大きくなることがないので、スイープガス供給が可能でありながら気密容器の設置空間を小さく保ち得る多孔質筒体モジュールが得られる。
【０００８】
ここで、好適には、前記多孔質筒体モジュールは、前記所定の気体が透過不能な緻密質の壁で囲まれた気体室を備えると共に前記複数本の多孔質筒体および前記緻密質筒体の一端がその気体室内に開放されるようにそれら複数本の多孔質筒体および緻密質筒体に気密に固着された中空封止体を含み、前記連結路はその気体室で構成されたものである。このようにすれば、複数本の多孔質筒体および緻密質筒体がそれらの一端において中空封止体で一体的に束ねられると共に、その内部に設けられた気体室内にそれらの一端が開放されることによってその気体室が前記連結路として機能させられる。そのため、複数本の多孔質筒体および緻密質筒体を束ねると同時に連結路が形成されるので、これらを別々の部材で分担させる場合に比較して構造が簡単になると共に製造が容易になる利点がある。
【０００９】
また、好適には、前記多孔質筒体モジュールは、前記所定の気体が透過不能な緻密質材料から成り且つ前記複数本の多孔質筒体および前記緻密質筒体の他端がその一面から他面に貫通して気密に固着された支持体を含み、前記スイープガス供給部はその支持体の他面上に設けられたものである。このようにすれば、前記複数本の多孔質筒体および緻密質筒体が支持体に固着されることでそれらの他端において一体的に束ねられることから、取扱いが容易になる利点がある。多孔質筒体モジュールを気密容器等の中に設置して使用するに際しては、支持体の他面上に設けられたスイープガス供給部を気密容器のスイープガス供給路に接続すると共に、緻密質筒体の他端を気密容器の気体回収路に接続すればよい。なお、緻密質筒体は、例えば多孔質筒体よりも他端側に突き出した状態にあることが好ましいが、そのような位置関係に限られず、その他端が気体回収路に独立して接続可能な状態であれば足りる。
【００１０】
また、前記支持体が他端に固着された態様において、好適には、前記所定の気体が透過不能な緻密質材料で構成されると共に前記支持体の他面との間に気体室が形成されるようにその支持体に気密に固着され且つその気体室を外部に連通させることにより前記スイープガス供給部として機能する貫通孔が形成された蓋部材を備え、前記複数本の多孔質筒体の他端がその気体室内に開放させられると共に前記緻密質筒体の他端がその蓋部材を貫通してその気体室外に開放させられたものである。このようにすれば、前記支持体および蓋部材によって緻密質の壁で囲まれた気体室を内部に備えた中空の封止体が構成されると共に、その蓋部材にスイープガス供給部として機能する貫通孔が備えられ、複数本の多孔質筒体の他端はその気体室内に開放されてその気体室を経由して貫通孔すなわちスイープガス供給部に接続される一方、緻密質筒体の他端はその蓋部材を貫通して多孔質筒体とは独立して気体室外に開放される。すなわち、複数本の多孔質筒体および緻密質筒体がそれらの他端において一体的に束ねられると共にスイープガス供給部が設けられ、且つ緻密質筒体の他端は気体室の外で開放される。そのため、複数本の多孔質筒体および緻密質筒体を束ねると同時に、複数本の多孔質筒体のみにスイープガスが供給されると共に緻密質筒体から気体が回収される構造を形成し得るので、これらを別々の部材で分担させる場合に比較して構造が簡単になると共に製造が容易になり、しかも、スイープガス供給部をスイープガス供給路に気密に接続し且つ緻密質筒体の他端を気体回収路に気密に接続するだけで、他に気密封止構造を設けることなくる利点がある。
【００１１】
なお、上記貫通孔は、一つだけ設けられていても良いが、複数設けられていても差し支えない。また、貫通孔は、多孔質筒体の他端とは反対側に向かって伸びるように蓋部材に突設された管状部材内に設けられていてもよい。このようにすれば、この管状部材にスイープガス供給路を接続することによって、容易に多孔質筒体の他端をそのスイープガス供給路に接続できる。
【００１２】
また、前記支持体が他端に固着された態様において、好適には、前記スイープガスが透過可能な多孔質材料で構成されると共に前記支持体の他面に前記複数本の多孔質筒体の他端開口を塞いで固着され且つ前記緻密質筒体の他端が貫通させられた蓋部材を含むものである。このようにすれば、多孔質筒体の他端が多孔質の蓋部材によって塞がれることから、これが完全に露出させられている場合に比較して、多孔質筒体の周壁を透過して内部に入った気体が他端に向かって逆流することが抑制される。このような構成では、実質的に蓋部材にスイープガスを透過させる無数の貫通孔が設けられていることになるので、その蓋部材を例えば気密容器の構成部材等の適当な部材で気密に覆うことにより、スイープガス供給部をスイープガス供給路に接続することが可能となる。なお、「他端開口を塞ぐ」とは、蓋部材が支持体の他面に密着して設けられることにより多孔質筒体の他端面を塞いだ状態に限られず、その支持体の他面から離隔して設けられることによりその他端面から離れてこれを塞いだ状態すなわち相互間に空隙が形成された状態であってもよい。
【００１３】
例えば、支持体を複数本の多孔質筒体および緻密質筒体の分布領域に対して十分に大きい差渡し寸法で構成する一方、気密容器にスイープガス供給路と気体回収路とを形成し、その周縁部を気密容器を構成する蓋部材の端面に気密に取付けると共に緻密質筒体の他端を気体回収路に気密に接続し、多孔質筒体の一端側を気密容器内に気密に収容すればよい。
【００１４】
また、好適には、前記複数本の多孔質筒体および緻密質筒体は、その一端が一平面上に位置させられたものである。このようにすれば、中空封止体でその一端を固着して気体室内に開放させるに際して、固着作業が容易になると共に、その気体室の大きさを小さくできる利点がある。
【００１５】
また、好適には、前記緻密質筒体は、その他端が前記複数本の多孔質筒体の他端よりも突き出したものである。このようにすれば、多孔質筒体とは独立して気体回収路に接続される緻密質筒体の他端が突き出していることから、その接続が容易になる利点がある。一層好適には、前記複数本の多孔質筒体はその他端が一平面上に位置し、前記緻密質筒体はその他端がその一平面よりも突き出したものである。このようにすれば、複数本の多孔質筒体の他端を気体室内に容易に収容できる利点がある。
【００１６】
また、好適には、前記多孔質筒体モジュールは、前記複数本の多孔質筒体および緻密質筒体の一端に前記中空封止体が固着され且つそれらの他端に前記支持体が固着されたものである。このようにすれば、複数本の多孔質筒体および緻密質筒体がそれらの両端に中空封止体および支持体が固着されることによって一体的に束ねられると共に、それらの一端が連結路として機能する気体室内に開放される。そのため、束ねられると同時に、多孔質筒体の他端からその一端、連結路、および緻密質筒体の一端を経由してその他端に至る気体通路が形成され、複数本の多孔質筒体の一端が中空封止体によって閉じられる。したがって、多孔質筒体モジュールを気密容器内に設置して、その気密容器に備えられているスイープガス供給路および気体回収路をスイープガス供給部および緻密質筒体の他端にそれぞれ接続するだけで、他に特に封止構造を設けること無く、前記特定の気体がその多孔質筒体の周壁を透過する経路のみを通って上記気体通路内を流通可能なフィルタ構造が得られる。この結果、気密容器全体の気密封止構造と、多孔質筒体モジュールの気密構造とを別々に構成できるため、多孔質筒体モジュールの大きさに応じて気密容器の封止構造を変更する必要が無く、しかも、気密容器内への組付け作業が簡単になる利点がある。
【００１７】
上記構成において、支持体の一面が前記貫通孔を備えた緻密質の蓋部材によって覆われることによりそれらの間に気体室が形成される場合には、束ねられると同時に更に複数本の多孔質筒体の他端がその気体室内に開放される。そのため、複数本の多孔質筒体の他端がその支持体および蓋部材によって閉じられ、且つ共通の貫通孔に連通させられるので、気密容器内に設置するに際してスイープガス供給部をスイープガス供給路に接続することが一層容易になる。
【００１８】
更に、上記のように多孔質筒体モジュールの封止構造が中空封止体、支持体および蓋部材によって構成される等により、気密容器内に設置する際に多孔質筒体をガラス封着材等を用いて気密に封止する必要がない場合には、多孔質筒体の外周面に実質的にフィルタとして機能する所定の細孔径の多孔質膜が設けられる場合にも、中空封止体、支持体、および蓋部材を接合した後に多孔質膜を成膜できるため、その接合強度の確保が容易になる利点もある。
【００１９】
因みに、多孔質筒体を気密容器内に設置する際にフランジ部材等に気密に封止する構造では、多孔質膜の成膜後に封止工程が実施される。そのため、形成した多孔質膜が変質しないようにその封止のための焼成温度を成膜温度よりも低くする必要があることから、焼成温度が低いことに起因して接合強度の確保が困難であった。
【００２０】
また、好適には、前記緻密質筒体は、その長手方向に垂直な平面内における前記複数本の多孔質筒体および緻密質筒体全体の分布領域内に、その領域の重心回りに一様な分布で配置されたものである。このようにすれば、相対的に高強度の緻密質筒体が分布領域内にその重心に対して偏り無く配置されるので、モジュール全体の機械的強度が好適に確保される。例えば一本の場合には中央に配置され、２本以上の場合にはその分布領域の重心に中心が一致する円周上に等間隔に配置されることが好ましい。
【００２１】
また、好適には、前記緻密質筒体は前記複数本の多孔質筒体の外周側に複数本が配置される。このようにすれば、相対的に高強度の複数本の緻密質筒体の内周側に相対的に低強度の多孔質筒体が位置することから、その多孔質筒体が外周側に位置する場合に比較して、その多孔質筒体の破損が抑制される。
【００２２】
なお、緻密質筒体は分離された前記特定の気体の通路として機能するものであって、気体の分離自体には寄与しない。そのため、多孔質筒体内を通過した気体の流通抵抗とならない程度の流通断面積を備えていれば足り、過剰に設けると空間利用効率を低下させる。そのため、空間利用効率面では、必要な流通断面積が確保できる範囲で少ない本数が好ましく、１本とするのが空間利用効率が最も高くなる。この本数が少ない場合には、機械的強度の分布を考慮すると多孔質筒体の内周側に配置される方が好ましくなる。
【００２３】
また、緻密質筒体は、多孔質筒体と同一開口面積に構成されてもよいが、それよりも小さいまたは大きい開口面積に構成されてもよい。但し、過度に大きくすると、多孔質筒体モジュールの全容積のうち気体の分離に寄与する多孔質筒体の占める体積が小さくなるので収率を低下させ、過度に小さくすると、流通抵抗を高くして収率を低下させる。そのため、緻密質筒体の開口面積は、複数本の多孔質筒体内の気体流量に応じた適当な大きさに定めることが好ましい。
【００２４】
また、前記多孔質筒体および緻密質筒体は、例えば、円筒形状を成すものが好適に用いられるが、角筒形状等の他の形状であっても差し支えない。
【００２５】
また、多孔質筒体の本数は、使用される気密容器の大きさや用途等に応じて２本以上の適宜の複数本に定められ、緻密質筒体の本数は前述したように流通抵抗および空間利用効率等との兼ね合いで１本以上の適宜の本数に定められる。
【００２６】
また、好適には、前記中空封止体は、前記複数本の多孔質筒体および前記緻密質筒体の一端が貫通させられた支持部と、その支持部との間に前記気体室を形成するようにその支持部の一面に気密に固着された蓋部とから構成される。このようにすれば、支持部によって多孔質筒体および緻密質筒体が束ねられると共に、その支持部に蓋部を固着することで前記気体室が形成される。なお、気体室は、例えば、支持部および蓋部の少なくとも一方に他方に対向して備えられた凹所によって形成される。
【００２７】
また、好適には、前記多孔質筒体モジュールは、前記緻密質筒体の内壁面に固着された所定の機能を有する機能層を含むものである。このようにすれば、多孔質筒体を透過して緻密質筒体内に流れ込んだ気体は、その他端に向かって流れる過程でその内壁面に設けられた機能層と接触させられる。そのため、その機能層の機能に応じて、多孔質筒体モジュールを気体の改質等種々の目的に用いることができる。すなわち、緻密質筒体の周壁は前記所定の気体を透過させないことから、その内壁面に何らかの層(或いは膜)を形成してもモジュール全体の透過性能に何ら影響せず、しかも、その緻密質筒体内を流れる過程でその内壁面に気体が長時間に亘って接触させられるため、その内壁面に機能層を設けることにより好適に気体と反応させ得るのである。例えば、触媒層が機能層として設けられる場合には、分離された気体中の有害成分の除去、減少、或いは無害化等がその触媒の構成に応じて可能である。また、吸着層が機能層として設けられる場合には、分離された気体中の水分等の不純物を吸着して除去或いは減少させることがその吸着材料の構成に応じて可能である。
【００２８】
すなわち、本発明の多孔質筒体モジュールは、機能層を形成しない状態でガスの分離に用いられる他、機能層を設けることによって気体中の微少量の不純物の吸着除去等に好適に用いられる。例えば、ガス分離用途においては、水素と窒素との混合ガスからの水素ガスの分離、水素とメタンとの混合ガスからの水素の分離、水素と酸素との混合ガスからの水素の分離等に用い得る。分離するガスは、水素に限られず、分子径が相互に異なる(相違が大きいほど好ましい)気体分子であれば、適宜の混合ガスに用い得る。
【００２９】
また、前記多孔質筒体モジュールは、両端が開放された前記複数本の多孔質筒体に加えて、前記他端側が閉塞された１本または複数本の多孔質筒体を備えたものであってもよい。その他端側が閉塞された多孔質筒体内にはスイープガスが送り込まれないことから、全ての多孔質筒体の他端からスイープガスが送り込まれる場合に比べて不利ではあるが、このような多孔質筒体を設けても機能上の支障は特に生じない。
【００３０】
また、好適には、前記多孔質筒体モジュールは、その構成部材がセラミック材料で構成されるものである。セラミック材料は耐環境性に優れるため、気体分離に好適に用い得る。セラミック材料としては、例えば、アルミナ・セラミックスやアルミナとシリカの混合材料(例えばムライト)等が好適であるが、これらに限られない。
【００３１】
また、前記多孔質筒体は、好適には、セラミックス、合成樹脂、および金属等から構成されるものであるが、特にアルミナやムライト等で構成することが好ましい。
【００３２】
また、前記中空封止体、前記支持体、および前記蓋部材は、好適には、セラミックス、合成樹脂、または金属から成るものであり、特に、アルミナやムライト等で構成することが好ましい。
【００３３】
また、前記緻密質筒体の構成材料は、多孔質筒体、中空封止体、および支持体等と同一材料或いは同一系統の材料で構成されることが好ましいが、これらに限られず、別系統の材料でも差し支えなく、例えば、合成樹脂材料や金属材料等で構成されていてもよい。但し、多孔質筒体モジュールが温度変化の激しい環境等で用いられる場合には、他の構成材料と可及的に熱膨張係数の相違の小さい材料で構成することが望ましく、例えば、コバール等の金属が好適に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において図は適宜簡略化或いは変形されており、各部の寸法比および形状等は必ずしも正確に描かれていない。
【００３５】
図１は、本発明の一実施例の多孔質円筒モジュール(以下、モジュールという)１０の全体を示す斜視図であり、図２は、その長手方向に沿った断面を中間部を省略して示す図である。これらの図において、モジュール１０は、一方向に沿って伸びる長手状を成し相互に径方向に離隔させられた複数本、例えば６本の多孔質円筒１２と、径方向に離隔してこれに平行に設けられた１本の緻密質円筒１４と、それら多孔質円筒１２および緻密質円筒１４の両端部にそれぞれ嵌め合わされたエンドキャップ１６，１８と、そのエンドキャップ１６のエンドキャップ１８とは反対側の他面４２に突設されたガス供給管１９を備えて構成されている。本実施例においては、多孔質円筒１２が多孔質筒体に、緻密質円筒１４が緻密質筒体に、エンドキャップ１８が中空封止体にそれぞれ相当する。
【００３６】
上記の多孔質円筒１２は、例えば、外径が6(mm)程度、内径が4(mm)程度、長さ寸法が400(mm)程度の大きさを備えて断面が円環状を成し、図において左側に位置する第１端部２０および右側に位置する第２端部２２がそれぞれ開放されたものである。また、この多孔質円筒１２は、例えば気孔率が30〜40(%)程度の多孔質のアルミナ・セラミックスから成るものであって、例えば4(nm)程度の平均細孔径を備えた微細な多数の細孔がその周壁２４の表面２６から内面２８まで連通して形成されており、その周壁２４を例えば窒素や水素等の所定の気体が透過し得るように構成されている。
【００３７】
また、上記の緻密質円筒１４は、例えば外径が6(mm)程度、内径が4(mm)程度、長さ寸法が500(mm)程度の大きさを備えて断面が円環状を成し、図において左側に位置する第１端部３０および右側に位置する第２端部３２がそれぞれ開放されたものである。また、この緻密質円筒１４は、例えば気孔率が0〜5(%)程度すなわち多孔質円筒１２よりも十分に緻密な緻密質のアルミナ・セラミックスから成るものであって、その周壁３４は気体が透過し得ないように構成されている。また、前記のガス供給管１９も、この緻密質円筒１４と長さ寸法が異なる他は同様にアルミナ・セラミックス等から同様な寸法および形状に構成された緻密質円筒である。
【００３８】
また、前記のエンドキャップ１６，１８は、何れも緻密質円筒１４と同様な緻密質のアルミナ・セラミックスから成り、略円板状を成すものである。エンドキャップ１６は、エンドキャップ１８とは反対側の一面４２に環状の段付部４６が形成されると共に、更にその内周に凹所４８が形成されたものである。その凹所４８には、一面３８から凹所４８に向かって厚み方向に貫通する７個の貫通孔３６、４０が備えられている。これら７個の貫通孔３６，４０は、１個(貫通孔３６)がエンドキャップ１６の中心に位置し、残る６個(貫通孔４０)がその周囲の一円周上に一定の間隔で、すなわち例えば６０度程度の間隔で配置されている。
【００３９】
また、前記のエンドキャップ１８は、エンドキャップ１６と同様な形状に構成され、且つ対称的に配置されたものであって、そのエンドキャップ１６とは反対側の一面４４に環状の段付部４６が形成されると共に、更にその内周に凹所４８が形成されている。この凹所４８には、一面４４側から他面５０に貫通する例えば７個の貫通孔５２、５３が備えられている。これら７個の貫通孔５２、５３は、１個(貫通孔５３)がエンドキャップ１８の中心に位置し、残る６個(貫通孔５２)がその周囲の一円周上に一定の間隔で配置されている。この貫通孔５２が配置されている円周の直径は、貫通孔４０が配置されている円周の直径と同じ大きさである。
【００４０】
また、上記のエンドキャップ１６，１８の一面４２，４４には、上記の凹所４８，４８を閉じる円板状のエンドカバー５４、５５が例えばシール・ガラス等の封着材５６で気密に固着されており、それらの間に気体室５８ａ，５８ｂが形成されている。このエンドカバー５４、５５も、エンドキャップ１６，１８と同様に緻密質のアルミナ・セラミックス等で構成され、気体を透過させないものである。但し、エンドキャップ１６に固着されたエンドカバー５５には、中央部に貫通孔３６と同軸に位置する貫通孔５７がその厚み方向に貫通して設けられると共に、それよりも外周側の位置に厚み方向に貫通する貫通孔５９が備えられている。
【００４１】
前記の多孔質円筒１２および緻密質円筒１４は、このように構成されたエンドキャップ１６，１８の貫通孔３６，４０，５２、５３およびエンドカバー５５の貫通孔５７に刺し通されており、何れもシール・ガラス等の封着材５６で気密に固着されている。また、エンドカバー５５に設けられた貫通孔５９には、前記のガス供給管１９が刺し通されており、その一端が気体室５８ａ内に開放させられると共に他端が気体室５８ａ外に位置させられている。
【００４２】
この結果、上記の図２から明らかなように、多孔質円筒１２は、その第１端部２０が緻密なエンドキャップ１６およびエンドカバー５５間に形成された気体室５８ａ内に開放させられると共に、第２端部２２が緻密なエンドキャップ１８とエンドカバー５４との間に形成された気体室５８ｂ内に開放されており、一方、緻密質円筒１４は、その第１端部３０がエンドキャップ１６の他面４２側に突き出して開放されると共に、第２端部３２が上記のエンドキャップ１８側の気体室５８ｂ内に開放されている。そのため、上記の多孔質円筒１２の周壁２４を透過して気体がその内部に入ると、その開放された第２端部２２から気体室５８ｂ内に向かって流れ、緻密質円筒１４にその第２端部３２から流れ込んだものがその内部を第１端部３０に向かって流れ、その開放された第１端部３０から流れ出ることになる。本実施例においては、エンドキャップ１６が支持体に、エンドカバー５５が蓋部材に相当し、エンドキャップ１８およびエンドカバー５４によって中空封止体が構成されている。また、気体室５８ｂが連結路に相当する。
【００４３】
また、ガス供給管１９から送り込まれた気体は、エンドキャップ１６側の気体室５８ａ内に入り、その中で広がって多孔質円筒１２に第１端部２０から入る。この気体も多孔質円筒１２内を図における左側から右側に向かって流れ、気体室５８ｂを経由して緻密質円筒１４内に入り、その第１端部３０から排出される。本実施例においては、このガス供給管１９がスイープガス供給部に相当する。
【００４４】
以上のように構成されたモジュール１０は、よく知られたセラミック製造技術を用いて、前述したような各特性を備えたエンドキャップ１６，１８、エンドカバー５４、５５，多孔質円筒１２、緻密質円筒１４、およびガス供給管１９を作製し、これらを組み合わせて固着することにより製造される。エンドキャップ１６，１８、エンドカバー５４、５５は、例えば粉末プレス成形および切削加工等によって成形され、多孔質円筒１２、緻密質円筒１４、およびガス供給管１９は、例えば押出成形や冷間静水圧加圧成形および切削加工等によって成形される。また、原料は、所望とする気孔率に応じて焼結特性の異なるものや添加物を含むもの等が適宜用いられる。また、必要な寸法・形状精度を得るために、焼結後に適宜研削加工が施される。
【００４５】
そして、各部品を製造した後、例えば、エンドキャップ１６に緻密質円筒１４を貫通させると共に、多孔質円筒１２を差し込んでそれぞれ封着材５６で固着し、それらの他端側にエンドキャップ１８を嵌め合わせて封着材５６で固着し、それらエンドキャップ１６の一面４２およびエンドキャップ１８の一面４４にエンドカバー５５，５４を嵌め入れて封着材５６で固着し、更に、そのエンドカバー５５にガス供給管１９を嵌め入れて封着材５６で固着することによりモジュール１０が製造される。なお、これらの固着順序は、上記のものに限られず、製造が容易になるように適宜定められる。
【００４６】
図３は、モジュール１０の使用状態を説明するための模式図である。図において、モジュール１０は反応容器６０内に図示しない固定装置等を用いて固定されており、そのエンドキャップ１６から突き出した緻密質円筒１４の開放端(第１端部３０)がジョイント６２によって左端部に設けられた気体回収路(ガス導出口)６４に気密に接続されている。また、ガス供給管１９は、ジョイント６３によってスイープガス供給路６５に気密に接続されている。この反応容器６０は、気密に構成されたものであって、図において下側に位置する側面にガス導入口６６が設けられると共に、上側に位置する側面にバルブ６１を備えたガス排出口６７が設けられたものである。気体回収路６４は、反応容器６０の蓋６８に設けられており、その蓋６８は、図示しないボルト等の締結装置によって気密に容器本体に取り付けられている。また、ガス導入口６６には、バルブ７０を介してガス供給源７２が接続され、一方、気体回収路６４には、バルブ７４を介してガス流量等を測定するための測定装置７６が接続されている。また、スイープガス供給路６５には、バルブ７８を介してスイープガス供給源８０が接続されている。すなわち、モジュール１０は、気密な反応容器６０内に配置され、且つその緻密質円筒１４が気体回収路６４に、ガス供給管１９がスイープガス供給路６５にそれぞれ気密に接続されているが、その反応容器６０内には気密な仕切は何ら存在しない。
【００４７】
このような装置構成において、バルブ６１，７０、７４、７８を開けてガス供給源７２から例えば窒素および水素の混合ガス等の所定の原料気体を反応容器６０内に供給すると共にスイープガス供給源８０からアルゴン等の所定のスイープガスをガス供給管１９に供給すると、反応容器６０は気密に構成されていることから、供給された原料気体のうち分子径の小さい水素ガスは、唯一の流通経路である多孔質円筒１２の周壁を透過してその内部に流れ込む。また、スイープガスはエンドキャップ１６内の気体室５８ａを経由して多孔質円筒１２内に流れ込む。図において、矢印は気体の流通方向を表している。多孔質円筒１２内に流入した原料気体およびスイープガスは、気体室５８ｂ内に向かって流れ、更に、その気体室５８ｂを経由して緻密質円筒１４内に流れ込む。そして、その緻密質円筒１４から気体回収路６４を経て測定装置７６に気体が導かれる。すなわち、このように気体流通経路が構成されていることから、緻密質円筒１４の気体回収路６４側が相対的に負圧となるので、ガス供給源７２から適当な圧力で気体が供給されると、多孔質円筒１２の周壁２４を透過し、透過した気体が全て緻密質円筒１４に流れるのである。
【００４８】
しかも、多孔質円筒１２の第１端部２０から送り込まれたスイープガスは、アルゴンの分子径が大きいことから多孔質円筒１２の周壁２４を透過し得ないため、そのまま第２端部２２に向かって流れるが、この流れによって周壁２４を透過する水素ガスの流入が促進される。そのため、スイープガスを導入しない場合に比較して著しく収率が高められることになる。また、気体回収路６４には緻密質円筒１４が気密に接続されていることから、反応容器６０内に導入された原料気体は、多孔質円筒１２を経て緻密質円筒１４を通る経路のみで気体回収路６４に送られる。したがって、測定装置７６で測定されるガス流量は、モジュール１０の透過流量となる。なお、窒素ガスは分子径が大きいことから多孔質円筒１２の周壁２４を透過し得ないため、ガス排出口６７から排出される。
【００４９】
下記の表１は、このような装置構成でモジュール１０の多孔質円筒１２の構成材料や原料ガスの供給圧、スイープガスの有無等を種々変更して水素と窒素との混合ガスを流した場合の透過流量を測定した結果を示したものである。原料ガスの混合比はモル比で５０：５０とし、スイープガスはアルゴンを0.1(MPa)の圧力で供給した。なお、下記の各実施例では、多孔質円筒１２の細孔径を構成材料を変更することで変化させた他は、前述したものと同様な構成とした。下記に示される通り、何れの細孔径や供給ガス圧の場合にも、スイープガスを流すことで水素ガスの透過ガス濃度すなわち収率が著しく高められることが明らかとなった。なお、透過ガス濃度は、気体回収路６４から回収された気体をH2＋N2を100(mol％)として評価したものである。
【００５０】
［表１］
実施例１  実施例２  実施例３  実施例４  
多孔質円筒構成材料    アルミナ  アルミナ  アルミナ  アルミナ
＋シリカ  ＋シリカ
多孔質円筒細孔径(nm)      4         4        0.5       0.5
ガス供給圧(MPa)          0.2       0.3       0.3       0.5
透過係数比(H2/N2)        3.5       3.5      20.5      20.5
H2の透過ガス濃度(mol％)
スイープガス無し      65.1      69.7      89.3      92.4
スイープガス有り      77.2      76.9      94.5      94.1    
【００５１】
要するに、本実施例によれば、緻密質円筒１４と複数本の多孔質円筒１２とが束ねられたモジュール１０は、それらの一端が気体室５８ｂによって相互に連結されていることから、モジュール１０には、多孔質円筒１２内をその第１端部２０からから第２端部２２に向かい且つ緻密質円筒１４内をその第２端部３２から第１端部３０に向かって流れるように往復する気体通路が形成されるので、多孔質円筒１２の周壁２４を透過してその内部に入った気体は、その内部を流れて第２端部２２から気体室５８ｂに排出され、その気体室５８ｂを通って緻密質円筒１４にその第２端部３２から流れ込み、更にその内部を流れて第１端部３０から回収される。しかも、多孔質円筒１２の第１端部２０からスイープガスを送り込むためのガス供給管１９が備えられていることから、原料気体の供給圧を高めなくとも、そのスイープガスを流すことによってその周壁２４を透過する水素ガス透過率を高め延いては収率を高め得る。このとき、上記ガス供給管１９は、多孔質円筒１２の第１端部２０側に設けられていることから、スイープガスの供給および分離された水素ガスの回収が多孔質円筒１２の長手方向における同一端側で行われる。そのため、これらが互いに反対側で行われる場合のような反応容器６０の設置空間が大きくなることがないので、スイープガス供給が可能でありながら反応容器６０の設置空間を小さく保ち得る。
【００５２】
また、本実施例においては、複数本の多孔質円筒１２および緻密質円筒１４がそれらの第２端部２２，３２においてエンドキャップ１８およびエンドカバー５４で一体的に束ねられると共に、その内部に設けられた気体室５８ｂ内にそれらの端部２２，３２が開放されることによってその気体室５８ｂが連結路として機能させられる。そのため、複数本の多孔質円筒１２および緻密質円筒１４を束ねると同時に連結路が形成されるので、これらを別々の部材で分担させる場合に比較して構造が簡単になると共に製造が容易になる利点がある。
【００５３】
また、本実施例においては、前記複数本の多孔質円筒１２および緻密質円筒１４がエンドキャップ１６に固着されることでそれらの第１端部２０，３０において一体的に束ねられることから、取扱いが容易になる利点がある。
【００５４】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において、前述した実施例と共通する部分は同一の符号を付して説明を省略する。
【００５５】
図４に示されるモジュール８２は、前記のエンドキャップ１６に代えてそれよりも外径が大径とされる他は同様に構成されたエンドキャップ８４と、その凹所を閉塞するようにエンドカバー５５に代えて固着されたエンドカバー８６とを備えた他は、前記のモジュール１０と略同様に構成されている。上記のエンドカバー８６は、例えば多孔質筒体１２よりも十分に大きい例えば10(μm)程度の平均細孔径を備えたものであって、アルゴン等の前記スイープガスが透過可能な多孔質材料から成るものである。このエンドカバー８６には、緻密質円筒１４が貫通させられる貫通孔が中央部に一つだけ設けられており、前記ガス供給管１９は取り付けられていない。
【００５６】
このようなモジュール８２は、図に示されるように、フランジ８８，９０を備えた反応容器９２内に収容され、そのフランジ８８，９０にエンドカバー８６を気密に挟持して固定して用いられる。この反応容器９２には、エンドカバー８６との間で気密空間を構成するカバー９４にスイープガス供給路６５が備えられており、そのスイープガス供給路６５がその気密空間内に開放されているが、他の設置構成は前記モジュール１０の場合と同様である。
【００５７】
このように構成されたモジュール８２では、スイープガス供給路６５からスイープガスが供給されると、多孔質のエンドキャップ８４を透過して多孔質円筒１２内に流れ込むので、前記モジュール１０の場合と同様に、そのスイープガスによって水素ガスの透過が促進され収率が高められる。すなわち、モジュール８２は、前記モジュール１０のようなそれ自身で完成した気体室５８ａを有していないが、カバー９４との間に気体室が実質的に形成されるので、このような構成でも差し支えないのである。本実施例においては、エンドカバー８６によってスイープガス供給部が構成されている。
【００５８】
なお、この実施例において、エンドカバー８６は、多孔質円筒１２内に透過した水素ガスがエンドキャップ８４側の端部から逆流して排出されることを抑制する目的で設けられているのであり、原料ガスおよびスイープガスの供給条件を適宜調整することにより無用とすることもできる。
【００５９】
図５に示されるモジュール９６は、前記の緻密質円筒１４の内壁面に触媒層９８を固着したものであるが、他の構成はモジュール１０と全く同一である。触媒層９８は、例えば、0.1(wt%)程度の割合で白金を含むアルミナから成るものであり、例えば、100(μm)程度の厚さ寸法で、緻密質円筒１４の全長に亘って設けられている。このようなモジュール９６では、多孔質円筒１２および気体室５８を経由して緻密質円筒１４内に気体が流れ込むと、その内壁面上に設けられた触媒層９８と接触しつつ開放端３０に向かわせられる。そのため、その流通過程で触媒との間で気体が反応させられるので、例えば有害な気体を除去することができる。
【００６０】
例えば、ガス供給源７２から送られる気体がH2、H2O、O2の混合ガスである場合に、100(ml/min)程度の流量で流したところ、その混合ガス中のCO濃度が供給側で1000(ppm)であったのに対し、出口側で8(ppm)程度まで低下させられた。また、同様な供給側濃度で流量を1000(ml/min)程度とした場合には、出口側におけるCO濃度を50(ppm)程度に低下させることができた。また、導入する混合ガスを空気(air)と水素との混合ガスとした場合には、1000(ml/min)程度の流量で、供給側におけるVOC濃度が10000(ppm)程度であった場合に、出口側で500(ppm)程度まで低下させることができた。
【００６１】
また、上記のような触媒層９８に代えて他の触媒層を設けて気体中の微少量の不純物を除去することもできる。また、触媒層９８に代えて、吸着層１００を設けることもできる。例えば、マグネシウムおよびリチウム化合物を含む吸着層１００を設けた場合には、気体中のCO2を除去することができる。また、シリカゲルやモレキュラーシーブ等で吸着層１００を構成した場合には、気体中に含まれる微少量水を除去することが可能である。
【００６２】
以上、本発明を図面を参照して詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施例のモジュール１０の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１のモジュール１０の縦断面を示す図である。
【図３】図１のモジュール１０を反応容器６０内に設置した使用状態を模式的に示す図である。
【図４】本発明の他の実施例のモジュール１０の構成を説明するための図３に対応する断面図である。
【図５】本発明の更に他の実施例のモジュール１０の構成を説明するための図２に対応する断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０：多孔質筒体モジュール、１２：多孔質円筒、１４：緻密質円筒、１６：エンドキャップ(支持体)、｛１８：エンドキャップ、５４：エンドカバー｝(中空封止体)、１９：ガス供給管(スイープガス供給部)、２０：第１端部(他端)、２４：周壁、６０：反応容器
【図１】
2005169233.tif 000003
【図２】
2005169233.tif 000004
【図３】
2005169233.tif 000005
【図４】
2005169233.tif 000006
【図５】
2005169233.tif 000007