(57)【要約】【課題】回収する気体の濃度と流量とを自由に変更することができる気体分離装置を提供する。【解決手段】気体分離装置１は、第１の気体分離膜を有する第１の気体分離モジュール１０ａと、第１の気体分離膜とは分離特性が異なる第２の気体分離膜を有する第２の気体分離モジュール１０ｂとを備え、第１の気体分離モジュール１０ａと第２の気体分離モジュール１０ｂとが、並列に接続され、供給気体は、第１の気体分離モジュール１０ａの第１の気体供給口と第２の気体分離モジュール１０ｂの第２の気体供給口とに分かれて供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の気体分離膜を有する第１の気体分離モジュールと、
前記第１の気体分離膜とは分離特性が異なる第２の気体分離膜を有する第２の気体分離モジュールとを備え、
前記第１の気体分離モジュールと前記第２の気体分離モジュールとが、並列に接続され、
供給気体は、前記第１の気体分離モジュールの第１の気体供給口と前記第２の気体分離モジュールの第２の気体供給口とに分かれて供給される
気体分離装置。
【請求項２】
前記第１の気体供給口に配置された第１の供給バルブと、
前記第２の気体供給口に配置された第２の供給バルブと、
をさらに備える
請求項１に記載の気体分離装置。
【請求項３】
前記第１の気体分離モジュールの第１の気体排出口に配置された第１の排気バルブと、
前記第２の気体分離モジュールの第２の気体排出口に配置された第２の排気バルブと、
をさらに有する
請求項１または２に記載の気体分離装置。
【請求項４】
前記第１の供給バルブ、前記第２の供給バルブ、前記第１の排気バルブおよび前記第２の排気バルブの少なくとも１つの開閉量を制御する制御部をさらに備える
請求項１〜３のいずれか１項に記載の気体分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃焼機器、空調機器、医療機器等の分野において、酸素や窒素を空気から分離、濃縮するための気体分離膜を供えた気体分離モジュールの研究開発が進んでいる。気体分離モジュールを使用すると、気体分離膜の一方側に酸素富化気体を、他方側に窒素富化気体を得ることができる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１では、特性の異なる気体分離膜を有する複数個の気体分離モジュールを直列に接続したガス濃縮装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０２−１３１１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、複数の気体分離モジュールを直列に接続した場合、１つの気体分離モジュールを単独で使用する場合に比べて、回収する気体の濃度および流量が大きい酸素富化気体および窒素富化気体を得ることができるものの、回収する気体の濃度と流量とを自由に制御することができない。
【０００６】
そこで、本発明は、回収する気体の濃度と流量とを自由に制御することができる気体分離装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様に係る気体分離装置は、第１の気体分離膜を有する第１の気体分離モジュールと、前記第１の気体分離膜とは分離特性が異なる第２の気体分離膜を有する第２の気体分離モジュールとを備え、前記第１の気体分離モジュールと前記第２の気体分離モジュールとが、並列に接続され、供給気体は、前記第１の気体分離モジュールの第１の気体供給口と前記第２の気体分離モジュールの第２の気体供給口とに分かれて供給される。なお、本発明における分離特性とは、２種以上の成分気体を含む供給気体を気体分離膜に供給した場合に、各成分気体の透過性能に関する特性を意味し、例えば、各成分気体の透過係数や、各成分気体の透過係数の比率（分離比）などを意味する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、回収する気体の濃度と流量とを自由に制御することができる気体分離装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態に係る気体分離装置の構成を示す概略図である。
【図２Ａ】実施の形態に係る気体分離モジュールの構成を示す概略図である。
【図２Ｂ】実施の形態に係る気体分離モジュールの気体分離原理を示す概略図である。
【図３】実施の形態に係る気体分離複合膜の構成の一例を示す概略図である。
【図４Ａ】実施の形態に係る気体分離装置における供給される気体Ａおよび排気される気体Ｂの設定条件と、排気される気体Ｃの回収量および窒素濃度とを示す図である。
【図４Ｂ】実施の形態に係る気体分離装置における排気される気体Ｃの窒素濃度と回収率の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１１】
（実施の形態）
［１．気体分離装置の構成］
はじめに、本実施の形態に係る気体分離装置１の構成について説明する。
【００１２】
図１は、本実施例における気体分離装置１の構成を示す概略図である。図１に示すように、本実施の形態の気体分離装置１は、並列に接続された第１の気体分離モジュール１０ａと、第２の気体分離モジュール１０ｂとを備え、さらに、給気管２０と、第１の排気管２２と、第２の排気管２４と、制御部４０とを備える。
【００１３】
第１の気体分離モジュール１０ａは、第１の供給バルブ３０ａおよび第１の排気バルブ３２ａを有し、第２の気体分離モジュール１０ｂは、第２の供給バルブ３０ｂとおよび第２の排気バルブ３２ｂを有する。
【００１４】
給気管２０は、２つに分れて、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂに接続されている。また、第２の排気管２４は、２つに分れて、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂに接続されている。これにより、給気管２０を通して、気体Ａがそれぞれのモジュールに供給され、各モジュールによって分離され、排気される一方の気体Ｃは一緒になって、第２の排気管２４から排気される。なお、気体Ａは、本発明の供給気体の一例である。また、本実施の形態では、気体Ａは空気であり、気体Ｃは窒素富化気体である。
【００１５】
給気管２０と各モジュールの接続部に、第１の供給バルブ３０ａおよび第２の供給バルブ３０ｂが配置されている。なお、各供給バルブ３０ａおよび３０ｂが配置されている給気管２０と各モジュールの接続部は、本発明の第１の気体供給口および第２の気体供給口の一例である。
【００１６】
また、第１の排気管２２は、２つに分れて、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂに接続されている。これにより、各モジュールによって分離され、排気される他方の気体Ｂは一緒になって、第１の排気管２２から排気される。なお、本実施の形態では、気体Ｂは酸素富化気体である。
【００１７】
第１の排気管２２と各モジュールの接続部に、第１の排気バルブ３２ａおよび第２の排気バルブ３２ｂが配置されている。なお、第１の排気バルブ３２ａおよび第２の排気バルブ３２ｂが配置されている第１の排気管２２と各モジュールの接続部は、本発明の第１の気体排出口および第２の気体排出口の一例である。
【００１８】
また、各供給バルブ３０ａ、３０ｂおよび各排気バルブ３２ａ、３２ｂの開閉量は、制御部４０により制御される。制御部４０として、コンピュータ、マイコン等を用いることができる。各バルブ３０ａ、３０ｂ、３２ａおよび３２ｂは、例えばバルブ制御により開閉量を調節することができるソレノイドバルブである。
【００１９】
次に、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂの構成について説明する。図２Ａは、本実施の形態に係る第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂの構成を示す概略図であり、図２Ｂは、気体分離原理を示す概略図である。
【００２０】
図２Ａに示すように、気体分離モジュール１０ａおよび１０ｂは、後述する気体分離複合膜５０（図２Ｂ参照）が両面に設けられた枠体４２が複数積層された構成である。積層された枠体４２の上下には、図２Ａに示すように、支持体４３が配置されている。積層された各枠体４２の間には、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、隙間４４が設けられている。
【００２１】
図２Ｂに示すように、各枠体４２には開口４５が設けられている。枠体４２の両面には、開口４５を覆うように気体分離複合膜５０が設けられている。
【００２２】
図２Ｂに示すように、隙間４４の一端側から空気が供給されると、空気の一部は、気体分離複合膜５０を透過し、枠体４２の中を通って排気口４６から排気される。なお、上述した給気管２０は、隙間４４の一端側に接続されており、第２の排気管２４は、隙間４４の他端側に接続される。また、第１の排気管２２は、排気口４６に接続されている。
【００２３】
気体分離膜５０を透過しなかった残りの空気は、隙間４４の他端側から排気される。これにより、隙間４４の一端側から供給された空気が酸素富化気体と窒素富化気体とに分離され、排気口４６から酸素富化気体が、隙間４４の他端側から窒素富化気体が、それぞれ排気される。また、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂから排気された酸素富化気体は、排気バルブ３２ａまたは３２ｂを通って、第１の排気管２２で一緒になって、気体Ｂとして排気され、窒素富化気体は、第２の排気管２４で一緒になって、気体Ｃとして排気される。
【００２４】
図３は、気体分離複合膜５０の構成の一例を示す概略図である。気体分離複合膜５０は、図３に示すように、支持層５４と気体分離膜５６とを備え、支持層５４と気体分離膜５６との間にアンダーコート層５７を、気体分離膜５６の上に保護層５８を備える。なお、気体分離複合膜５０は、支持層５４側を第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂの枠体４２の開口４５の内側に向け、保護層５８側を枠体４２の外側に向けて、枠体４２に取り付けられている。これにより、気体分離複合膜５０に対して、保護層５８側から支持層５４側へと空気が透過する構成となっている。
【００２５】
支持層５４は、例えば、不織布の上に多孔質の材料がコーティングされた基体である。
【００２６】
気体分離膜５６は、例えば、ポリ（４−メチルペンテン−１）とポリフマル酸エステルとを少なくとも含む材料により構成されている。
【００２７】
アンダーコート層５７は、例えば、ポリフマル酸エステルとシロキサン系化合物と一置換ポリジフェニルアセチレンまたは二置換ポリジフェニルアセチレンとを含む材料により構成されている。支持層５４と気体分離膜５６との間にアンダーコート層５７を備えることにより、気体分離膜５６は支持層５４に密着し易くなるため、気体分離膜５６が支持層５４から剥がれるのを抑制することができる。
【００２８】
また、保護層５８は、例えば、ポリフマル酸エステルとシロキサン系化合物とを含む材料により構成されている。気体分離複合膜５０において、気体分離膜５６の上に保護層５８を備えることにより、シロキサン系化合物が気体分離膜５６から支持層５４へと移動しても、保護層５８から気体分離膜５６にシロキサン系化合物を補充することができるので、気体分離膜５６の劣化を抑制することができる。
【００２９】
また、気体分離膜５６、アンダーコート層５７および保護層５８に、ポリフマル酸エステルを含むことにより、水面上に各層を広げ易くなるので、各層を水面展開法により容易に作製することができる。
【００３０】
ここで、単位体積の酸素が、単位圧力差において単位面積の気体分離膜を透過する時間を酸素透過係数ＰＯ２［ｃｃ／ｓｅｃ・ｃｍＨｇ・ｃｍ２］、単位体積の窒素が、単位圧力差において単位面積の気体分離膜を透過する時間を窒素透過係数ＰＮ２［ｃｃ／ｓｅｃ・ｃｍＨｇ・ｃｍ２］という。また、ＰＯ２／ＰＮ２を分離比という。また、気体分離モジュールに供給した空気の流量［ｌ／ｍｉｎ］に対する回収される窒素富化気体の流量［ｌ／ｍｉｎ］の割合を回収率［％］とすると、回収率と回収される窒素富化気体における窒素濃度［％］は、分離比によって変化する。なお、上述の酸素透過係数、窒素透過係数および分離比は、本発明の分離特性の一例である。
【００３１】
本実施の形態の気体分離装置１では、気体分離複合膜５０の構成（材料や積層構造など）を変えることにより、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂの分離特性を変えている。なお、第１の気体分離モジュール１０ａの気体分離膜５６および第２の気体分離モジュール１０ｂの気体分離膜５６は、それぞれ本発明の第１の気体分離膜および第２の気体分離膜の一例である。
【００３２】
［２．気体分離装置による気体分離方法］
次に、気体分離装置１おける気体分離方法について説明する。
【００３３】
図４Ａは、気体分離装置１における供給される気体Ａおよび排気される気体Ｂの設定条件と、排気される気体Ｃの回収量および窒素濃度を示す図である。図４Ｂは、気体分離装置１における回収される気体Ｃの窒素濃度と回収率の関係を示すグラフである。なお、図４Ａに示す「気体分離モジュール」の欄において、「第１」とは第１の気体分離モジュール１０ａ、「第２」とは第２の気体分離モジュール１０ｂを示している。また、図４Ｂは、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂを用いた実測値（小さい白丸および小さい黒丸）をもとに導出した、第１の気体分離モジュール１０ａの特性（破線）と、第２の気体分離モジュール１０ｂの特性（実線）を示している。
【００３４】
＜条件（ａ）＞
条件（ａ）では、分離比が３．５である第１の気体分離モジュール１０ａのみを用いる。この場合、制御部４０により、第１の供給バルブ３０ａを全開にし、第２の供給バルブ３０ｂを全閉とする。ここで、供給側の圧力を調整することにより、給気管２０より、加圧した空気（窒素濃度７９．３％）を１［ｌ／ｍｉｎ］供給する。次に、第１の排気管２２から排気される気体Ｂ（酸素富化気体）の流量が０．５［ｌ／ｍｉｎ］となるように、制御部４０により、第１の排気バルブ３２ａを調整した。これにより、第２の排気管２４からは、残りの０．５［ｌ／ｍｉｎ］の気体Ｃ（窒素富化気体）が排気されるので、回収率は５０％となる。ここで、第１の気体分離モジュール１０ａは、図４Ｂの点線で示すような特性を示していることから、気体Ｃにおける窒素濃度は８７．５％となる。すなわち、条件（ａ）では、空気を１［ｌ／ｍｉｎ］供給した際に、８７．５％の窒素濃度を有する窒素富化気体を０．５［ｌ／ｍｉｎ］得ることができる。
【００３５】
＜条件（ｂ）＞
条件（ｂ）では、分離比が２．５である第２の気体分離モジュール１０ｂのみを用いる。制御部４０により、第１の供給バルブ３０ａを全閉、第２の供給バルブ３０ｂを全開として、給気管２０より、１［ｌ／ｍｉｎ］の空気を供給する。また、第１の排気管２２から排気される気体Ｂ（酸素富化気体）の流量が０．５［ｌ／ｍｉｎ］となるように、制御部４０により、第２の排気バルブ３２ｂを調整した。この場合も、第２の排気管２４からは、残りの０．５［ｌ／ｍｉｎ］の気体Ｃ（窒素富化気体）が排気されるので、回収率は５０％となる。ここで、第２の気体分離モジュール１０ｂは、図４Ｂの実線で示すような特性を示していることから、気体Ｃにおける窒素濃度は８５．１％となる。すなわち、条件（ｂ）では、空気を１［ｌ／ｍｉｎ］供給した際に、８５．１％の窒素濃度を有する窒素富化気体を０．５［ｌ／ｍｉｎ］得ることができる。
【００３６】
＜条件（ｃ）＞
条件（ｃ）では、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂを両方使用する。制御部４０により、第１の供給バルブ３０ａおよび第２の供給バルブ３０ｂを半開として、給気管２０より、０．５［ｌ／ｍｉｎ］の空気を第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂのそれぞれに供給する。また、第１の排気管２２に排気される気体Ｂ（酸素富化気体）の流量が、それぞれ、０．２５［ｌ／ｍｉｎ］となるように、制御部４０により、第１の排気バルブ３２ａおよび第２の排気バルブ３２ｂを調整した。この場合、第２の排気管２４から排気される気体Ｃ（窒素富化気体）は、それぞれ、０．２５［ｌ／ｍｉｎ］となる。すなわち、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂにおける回収率は、ともに５０％となる。したがって、第１の気体分離モジュール１０ａからは、８７．５％の窒素濃度で０．２５［ｌ／ｍｉｎ］の流量の窒素富化気体を得ることができ、第２の気体分離モジュール１０ｂからは、８５．１％の窒素濃度で０．２５［ｌ／ｍｉｎ］の流量の窒素富化気体を得ることができ、両気体を混合させることにより、８６．３％の窒素濃度で０．５［ｌ／ｍｉｎ］の流量の窒素富化気体を得ることができる。
【００３７】
＜条件（ｄ）〜（ｆ）＞
条件（ｄ）〜（ｆ）では、制御部４０により、第１の排気バルブ３２ａおよび第２の排気バルブ３２ｂの開閉量を調整し、バルブをより絞ることによって、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂにおける回収率を７０％とする。それ以外は、上記条件（ａ）〜（ｃ）と同様に、各種設定を行う。
【００３８】
以上の結果、図４Ａに示すように、同じ窒素濃度（７９．３％）の空気を同じ１［ｌ／ｍｉｎ］の流量で供給した場合であっても、様々な窒素濃度で、様々な流量の窒素富化気体を得ることができる。図４Ｂの白丸は、上記条件（ａ）〜（ｆ）によって得られる窒素富化気体の窒素濃度と回収率を示しており、各気体分膜モジュールを単体で用いた場合には得られない窒素濃度と回収率で窒素富化気体を回収できることがわかる。
【００３９】
これより、本実施の形態の気体分離装置１では、第１の気体分離モジュール１０ａと第２の気体分離モジュール１０ｂの２つの気体分離モジュールを使い分けることで、第１の気体分離モジュール１０ａと第２の気体分離モジュール１０ｂの有する特性の間（すなわち、図４Ｂの実線と破線の間のハッチングされた領域）で示される幅広い範囲の窒素濃度と回収率で、窒素富化気体を得ることができ、同様に、気体Ｂとして回収される酸素富化気体についても、幅広い範囲の酸素濃度および回収率で得ることができる。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態に係る気体分離装置について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。また、上記で用いた材料および数字は、全て本発明を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された材料および数字に制限されない。
【００４１】
例えば、上述した実施の形態では、気体分離モジュールを２つ使用した場合について説明したが、気体分離モジュールの数は２つに限らず、適宜変更してもよく、同じ分離特性を示す気体分離モジュールが含まれている場合であっても、異なる分離特性を示す気体分離モジュールを少なくとも２つ備えていればよい。
【００４２】
また、上述した実施の形態では、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂごとに供給バルブ３０ａおよび３０ｂを備えていたが、本発明はこれに限らず、１つの供給バルブで第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂに供給される気体を制御してもよい。この場合、気体分離モジュールごとに供給量を制御することはできないが、各気体分離モジュールごとに配置されている排気バルブをそれぞれ制御することで、供給量を制御することができる。
【００４３】
また、各供給バルブ３０ａ、３０ｂおよび排気バルブ３２ａ、３２ｂは、ソレノイドバルブに限らず、他の形式のバルブであってもよい。
【００４４】
また、上述した実施の形態では、各供給バルブ３０ａ、３０ｂ及び各排気バルブ３２ａ、３２ｂの開閉量をそれぞれの条件に応じて制御したが、本発明はこれに限らず、例えば、時間とともに各バルブの開閉量を変化させてもよい。例えば、気体分離装置１を車両に搭載し、窒素富化気体あるいは酸素富化気体を車両に搭載されているエンジンに供給する場合、エンジンの動作状態や車両の動作状況に応じて、濃度や流量を変化させることが可能である。
【００４５】
また、気体分離装置１を車両に搭載する場合には、制御部４０としてＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）を用いることが可能である。
【００４６】
また、今回、気体分離装置に加圧した気体Ａ（空気）を供給したが、本発明はこれに限らず、排気側を減圧するなどして、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂそれぞれの供給側と排気側との間で圧力差を生じさせることで、気体Ａを気体分離装置に供給してもよい。また、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂそれぞれの排気側にバルブを設けてもよい、これにより、上述した第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂそれぞれの供給側と排気側との間の圧力差を容易に制御することができる。
【００４７】
また、第１の気体分離モジュール１０ａおよび第２の気体分離モジュール１０ｂは、図２Ａおよび図２Ｂに示したような構成に限らず、他の形状あるいは構造であってもよい。また、給気管２０、第１の排気管２２および第２の排気管２４は、いわゆる配管に限らず、例えば、各機体分離モジュールを搭載する容器の内部形状を各気体Ａ、Ｂ、Ｃが混合しない構造であればよい。
【００４８】
また、気体分離複合膜５０は、上述した構成に限らず他の構成としてもよい。例えば、支持層５４は、上述の構成に限らず、一方の面から他方の面に気体が通過可能な構成であれば他の構成であってもよい。また、気体分離膜は、ポリ（４−メチルペンテン−１）とポリフマル酸エステル以外に他の成分、例えば、シロキサン系化合物や、一置換ポリジフェニルアセチレンまたは二置換ポリジフェニルアセチレンを含んでもよい。また、気体分離複合膜は、上述のアンダーコート層あるいは保護層がなくてもよい。あるいは、アンダーコート層、気体分離層および保護層は、それぞれ、単層で構成されていなくてもよく、いずれかの層が複数の層を積層した構成であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、ハイブリッド自動車等に搭載される気体供給システムに適用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１  気体分離装置
１０ａ  第１の気体分離モジュール
１０ｂ  第２の気体分離モジュール
２０  給気管
２２  第１の排気管
２４  第２の排気管
３０ａ、３０ｂ  第１のバルブ
３２ａ、３２ｂ  第２のバルブ
４０  制御部
４２  枠体
４３  支持体
４４  隙間
４６  排気口
５０  気体分離複合膜
５４  支持層
５６  気体分離膜
５７  アンダーコート層
５８  保護層
【図１】
2017170381.tif 000003
【図２Ａ】
2017170381.tif 000004
【図２Ｂ】
2017170381.tif 000005
【図３】
2017170381.tif 000006
【図４Ａ】
2017170381.tif 000007
【図４Ｂ】
2017170381.tif 000008