(57)【特許請求の範囲】
【請求項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、
該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、各々シール部材としてのグランドパッキンを介して圧縮固定されており、
前記蓋状金属部材は、一方の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パッキン押さえと、前記一方のグランドパッキンの移動を抑制する下部環状又は下部蓋状ストッパーと、により構成されるとともに、前記蓋状又は環状パッキン押さえと、前記下部環状又は下部蓋状ストッパーには、相互に接する部位にそれぞれねじ溝が形成されており、
前記環状金属部材は、他方の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、前記他方のグランドパッキンの移動を抑制する上部環状ストッパーと、により構成されるとともに、前記環状パッキン押さえと、前記上部環状ストッパーには、相互に接する部位にそれぞれねじ溝が形成されており、
前記下部環状又は下部蓋状ストッパーの、前記一方のグランドパッキンが配置される部分の内径が、前記下部環状又は下部蓋状ストッパーの、前記ねじ溝が形成された部分の内径に比して小さく、
前記上部環状ストッパーの、前記他方のグランドパッキンが配置される部分の内径が、前記上部環状ストッパーの、前記ねじ溝が形成された部分の内径に比して小さいことを特徴とするガス分離体固定構造体。
【請求項２】
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、
該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としてのグランドパッキンを介して圧縮固定されており、
前記環状金属部材は、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と、により構成されるとともに、前記環状パッキン押さえと、前記環状ストッパーには、相互に接する部位にそれぞれねじ溝が形成されており、
前記環状ストッパーの、前記グランドパッキンが配置される部分の内径が、前記環状ストッパーの、前記ねじ溝が形成された部分の内径に比して小さいことを特徴とするガス分離体固定構造体。
【請求項３】
筒状基体が複数個の貫通孔を並列的に有する請求項１又は２に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項４】
グランドパッキンの使用温度範囲の最高値が３００℃以上である請求項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】
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３５０℃以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項６】
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６００℃以上である請求項１〜５のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項７】
グランドパッキンの主成分が膨張黒鉛である請求項１〜６のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項８】
多孔質セラミックスがアルミナである請求項１〜７のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項９】
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１〜８のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項１０】
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１〜９のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項１１】
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が１０×１０−６／℃以下である請求項１〜１０のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項１２】
蓋状金属部材及び／又は環状金属部材の構成材料がパーマロイである請求項１〜１１のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項１３】
２５０〜１６５０℃の温度範囲で使用される請求項１〜１２のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項１４】
３００〜６００℃の温度範囲で使用される請求項１〜１３のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項１５】
被処理ガスの全圧が０．１〜１０ＭＰａとなる圧力範囲で使用される請求項１〜１４のいずれか一項に記載のガス分離体固定構造体。
【請求項１６】
圧力容器を備えたガス分離装置であって、
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。
【請求項１７】
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３〜１５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。
【請求項１８】
ガス分離体の膨張を吸収する緩衝手段を備えた請求項１７に記載のガス分離装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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や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。
【０００３】
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。
【０００４】
関連する従来技術として、特開昭６２−２７３０３０号公報、特開昭６３−１７１６１７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が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。
【０００５】
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早くするため、５〜２０気圧で３００℃以上、好ましくは５００℃以上という高温、高圧で分離することが有利である。
【０００６】
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２５０℃以下である場合には、Ｏ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。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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、熱サイ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。
【０００８】
また、Ｏ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２５０℃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。
【０００９】
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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
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、該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、各々シール部材としてのグランドパッキンを介して圧縮固定されており、前記蓋状金属部材は、一方の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パッキン押さえと、前記一方のグランドパッキンの移動を抑制する下部環状又は下部蓋状ストッパーと、により構成されるとともに、前記蓋状又は環状パッキン押さえと、前記下部環状又は下部蓋状ストッパーには、相互に接する部位にそれぞれねじ溝が形成されており、前記環状金属部材は、他方の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、前記他方のグランドパッキンの移動を抑制する上部環状ストッパーと、により構成されるとともに、前記環状パッキン押さえと、前記上部環状ストッパーには、相互に接する部位にそれぞれねじ溝が形成されており、前記下部環状又は下部蓋状ストッパーの、前記一方のグランドパッキンが配置される部分の内径が、前記下部環状又は下部蓋状ストッパーの、前記ねじ溝が形成された部分の内径に比して小さく、前記上部環状ストッパーの、前記他方のグランドパッキンが配置される部分の内径が、前記上部環状ストッパーの、前記ねじ溝が形成された部分の内径に比して小さいことを特徴とするガス分離体固定構造体が提供される。
【００１２】
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、該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としてのグランドパッキンを介して圧縮固定されており、前記環状金属部材は、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と、により構成されるとともに、前記環状パッキン押さえと、前記環状ストッパーには、相互に接する部位にそれぞれねじ溝が形成されており、前記環状ストッパーの、前記グランドパッキンが配置される部分の内径が、前記環状ストッパーの、前記ねじ溝が形成された部分の内径に比して小さいことを特徴とするガス分離体固定構造体が提供される。
【００１３】
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。
【００１４】
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３００℃以上であることが好ましく、グランドパッキンの非酸化雰囲気における使用温度範囲の最高値が３５０℃以上であることが好ましく、非酸化雰囲気における使用温度範囲の最高値が６００℃以上であることが更に好ましい。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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が１０×１０-6／℃以下であることが好ましく、更に、蓋状金属部材及び／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。
【００１８】
本発明のガス分離体固定構造体は２５０〜１６５０℃の温度範囲で好適に使用することができ、３００〜６００℃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０．１〜１０ＭＰａとなる圧力範囲で好適に使用することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
【発明の実施の形態】
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。
【００２３】
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、各々のシール部材としてのグランドパッキンを介して圧縮固定されているものである。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若しくは環状パッキン押さえと、前記一方のグランドパッキンの移動を抑制する下部環状若しくは下部蓋状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パッキン押さえと、前記他方のグランドパッキンの移動を抑制する上部環状ストッパーにより構成されている。以下、その詳細について説明する。
【００２４】
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、蓋状パッキン押さえ２と、下部環状ストッパー３により構成されており、環状金属部材４は、環状パッキン押さえ５と、上部環状ストッパー６により構成されている。なお、環状金属部材４（環状パッキン押さえ５）は、貫通孔７を有するフランジ８と溶接等の接合方法により接合されている。
【００２５】
蓋状金属部材１及び環状金属部材４には、ガス分離体１０の外周面と接するようにグランドパッキン１１・１２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ィングボックス１３を備え、この内部にグランドパッキン１１・１２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１１・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。
【００２６】
蓋状パッキン押さえ２及び環状パッキン押さえ５は、グランドパッキン１１・１２に対して、筒状基体の軸方向に締付圧力を付与することができ、下部環状ストッパー３及び上部環状ストッパー６は、グランドパッキン１１・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１１・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１１・１２は、実際上は多少の変形を伴ってガス分離体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、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、スタフィングボックス１３は、その内部に収納されたグランドパッキン１１・１２に付与された締付圧力を、ガス分離体１０へと効果的に伝えることが可能である。
【００２７】
蓋状パッキン押さえ２と下部環状ストッパー３が接する部位、及び、環状パッキン押さえ５と上部環状ストッパー６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が形成されている。また、蓋状パッキン押さえ２、下部環状ストッパー３、環状パッキン押さえ５、及び上部環状ストッパー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２１が形成されていてもよい。
【００２８】
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、環状パッキン押さえ１００と、下部環状ストッパー１０７により構成されており、環状金属部材４は、環状パッキン押さえ５と、上部環状ストッパー６により構成されている。なお、環状金属部材４（上部環状ストッパー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１１・１２、スタフィングボックス１３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１１・１２はガス分離体１０の外周面に直に接している。
【００２９】
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。
【００３０】
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、ガス分離体の両方の開口端部には、環状金属部材が各々シール部材としてのグランドパッキンを介して圧縮固定されているものである。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ている。以下、その詳細について説明する。
【００３１】
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５・１００と、環状ストッパー３・６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５・１００）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１０４等と溶接等の接合方法により接合されている。
【００３２】
環状金属部材４には、ガス分離体１０の外周面と接するようにグランドパッキン１１・１２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ィングボックス１３を備え、この内部にグランドパッキン１１・１２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１１・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。
【００３３】
環状パッキン押さえ５・１００は、グランドパッキン１１・１２に対して、筒状基体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３・６は、グランドパッキン１１・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１１・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１１・１２は、実際上は多少の変形を伴ってガス分離体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、スタフィングボックス１３は、その内部に収納されたグランドパッキン１１・１２に付与された締付圧力を、ガス分離体１０へと効果的に伝えることが可能である。
【００３４】
環状パッキン押さえ５・１００と環状ストッパー３・６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が形成されている。また、環状パッキン押さえ５・１００、及び環状ストッパー３・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２１が形成されていてもよい。
【００３５】
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。
【００３６】
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、シー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圧縮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う必要性がなく、保守・点検等の手間も削減される。
【００３７】
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。
【００３８】
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３００℃以上であることが好ましく、３５０℃以上であることが更に好ましく、４５０℃以上であることが特に好ましい。グランドパッキンの使用温度範囲の最高値が３００℃未満である場合には、一般的に想定される高温条件下での使用に適合せず、充分なシール性を維持できないためである。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１６５０℃以下のものであればよい。
【００３９】
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３５０℃以上であることが好ましく、４５０℃以上であることが更に好ましく、６００℃以上であることが特に好ましい。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３５０℃未満である場合には、一般的に想定される非酸化性雰囲気中、高温条件下での使用に適合せず、充分なシール性を維持できないためである。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１６５０℃以下のものであればよい。
【００４０】
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。
【００４１】
なお、膨張黒鉛以外に使用温度範囲の最高値が３００℃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。
【００４２】
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０．００３〜２０μｍが好ましく、更に０．００５〜５μｍが好ましい。孔径が０．００３μｍ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２０μｍ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。
【００４３】
本発明においては筒状基体を構成する多孔質セラミッ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６２−２７３０３０号公報に記載する方法により作製することができる。
【００４４】
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 Science,56(1991)315-325:“Hydrogen Permeable Palladium-Silver Alloy Membrane Supported on Porous Ceramics”、特開昭６３−２９５４０２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１０〜３０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、パラジウ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。
【００４５】
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、化学メッキ法、真空蒸着法、スパッタリング法等を用いることができる。
【００４６】
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１０×１０-6／℃以下であることが好ましく、９×１０-6／℃以下であることが更に好ましく、８×１０-6／℃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１０×１０-6／℃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／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。
【００４７】
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０．５×１０-6／℃以上であれば問題なく用いることができる。
【００４８】
また、本発明における前述の熱膨張係数が１０×１０-6／℃以下である蓋状金属部材及び／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、インバー、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。
【００４９】
なお、ガス分離体１０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１０とグランドパッキン１１・１２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９９体積％以上であれば充分に許容され得る。
【００５０】
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ＳＵＳ３０４（熱膨張係数：１７ｐｐｍ／℃）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１１・１２の応力低下に伴って極微量の被処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）。
【００５１】
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、２５０〜１６５０℃の温度範囲で好適に使用することができ、３００〜６００℃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０．１〜１０ＭＰａとなる圧力範囲で好適に使用することができる。
【００５２】
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。
【００５３】
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、更に具体的には環状パッキン押さえ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１０の一方の開口端部はグランドパッキン１１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１０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、出口（図示せず）より排出される。
【００５４】
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。
【００５５】
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、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、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圧縮固定されている、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ものである。以下、その詳細について説明する。
【００５６】
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１０１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１０の一端よりその内部に入る。分離ガスは、ガス分離膜３０を選択的に透過し、ガス分離体１０の外部に出、流出孔１０２より流出する。一方、非透過ガスは、ガス分離１０の他端より、流出孔１０３を介して排出される。
【００５７】
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。従って、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。
【００５８】
具体的には、図４に示すように容器本体１０４とガス分離体１０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１０４の外周面を蛇腹状の形状とし、ガス分離体１０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〜２ｋｇ／ｃｍ2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。
【００５９】
【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）
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０．１μｍであるアルミナ製の基体に、厚さ１８μｍの金属パラジウムがメッキされたものを用いた。また、グランドパッキンは膨張黒鉛性編組グランドパッキンを、各金属部材は４５パーマロイ製のものを用いた。なお、基体の熱膨張係数は７．１×１０-6／℃（４０〜３００℃）、７．７×１０-6／℃（４０〜６００℃）であり、各金属部材の熱膨張係数は７．３×１０-6／℃（４０〜３００℃）、９．９×１０-6／℃（４０〜６００℃）であった。
【００６０】
（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１１・１２を２個ずつ収納し、グランドパッキン１１・１２に接触するまで蓋状パッキン押さえ２及び環状パッキン押さえ５を軽くねじ込み、グランドパッキン１１・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１１・１２よりも深い位置となるまで挿入した。その後、蓋状パッキン押さえ２及び環状パッキン押さえ５を、トルクレンチを用いて、軸方向への締付圧力が２０ＭＰａ、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１０ＭＰａ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。
【００６１】
（気密試験）
気密試験のため、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、ガス分離装置を製造した。
気密試験は、ガス分離体の被処理側（外周側）に０．９ＭＰａの圧力でアルゴンガスを導入・保持した状態で、ガス分離体を室温から６００℃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（２５℃）、３００℃、及び６００℃の各時点において、分離ガス側（内周側）に漏洩するアルゴンガスの流量を測定した。結果を表１に示す。
【００６２】
【表１】
0003933907.tif 000002
【００６３】
（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、３００℃におけるシール部ガス漏洩許容量を約３０ｍｌ／ｍｉｎ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１／６０（数十分の一）程度に抑制されているとともに、低温（２５℃）域から高温（６００℃）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。
【００６４】
【発明の効果】
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圧縮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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  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】  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】  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】  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。
【符号の説明】
１…蓋状金属部材、２…蓋状パッキン押さえ、３…下部環状ストッパー、４…環状金属部材、５…環状パッキン押さえ、６…上部環状ストッパー、７…貫通孔、８…フランジ、１０…ガス分離体、１１・１２…グランドパッキン、１３…スタフィングボックス、２０…ねじ溝、２１…面取り部、３０…ガス分離膜、３１…筒状基体、１００…環状パッキン押さえ、１０１…流入孔、１０２…流出孔、１０３…流出孔、１０４…容器本体、１０５…蓋体、１０６…固定部材、１０７…下部蓋状ストッパー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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