JP2007237146A - 水素ガス分離体固定構造体及びそれを用いた水素ガス分離装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス分離体を構成する基体の熱応力による破損や、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く、高温条件下においても使用可能な水素ガス分離体固定構造体を提供する。
【解決手段】筒状基体９、及び筒状基体９の表面上に配設される、第一の金属を含有するガス分離膜８を有するガス分離体７と、ガス分離体７の開口端部に接続される金属フランジと、ガス分離体７と金属フランジが接続される部分の、ガス分離膜８の表面上に配設される、第二の金属を含有する厚さ２０〜４００μｍの接合層５と、接合層５上に配設されるパッキン６と、その一部が接合層５に接触して配設され、パッキン６を押圧して固定可能な環状金属部材１とを備え、接合層５が、第二の金属の融点未満の温度で熱処理されることによりガス分離膜８の表面上に配設された水素ガス分離体固定構造体３０である。
【選択図】図１
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【選択図】図１
Description
本発明は、水素ガス分離体固定構造体、及びそれを用いた水素ガス分離装置に関する。
水素ガスは、石油化学の基本素材ガスとして大量に使用され、また、クリーンなエネルギー源として大きな期待が寄せられている。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（膜分離法）が知られている。水素分離に用いられる膜としては、ポリイミドやポリスルホン等の有機高分子膜やシリカ等のセラミック膜、パラジウム又はパラジウム合金膜等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。
パラジウム又はパラジウム合金は、水素のみを固溶させる性質があり、このような性質を利用して水素ガスを選択的に分離することができる。通常、パラジウム又はパラジウム合金は、水素透過速度を大きくするために、１〜２０μｍ程度の薄膜としてセラミック等の多孔質基体に被覆して使用される。
関連する従来技術として、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形成されたガス分離体が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。このとき用いられる多孔質基体は、ガラス、酸化アルミニウム等のセラミックからなるものである。また、ガス分離膜のみでは機械強度が不十分であるため、ガス分離膜を多孔質基体に被覆形成している。
このようなガス分離体が組み込まれたガス分離装置では、金属製の容器内にガス分離体を配置し、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を取り出す構造を有する。従って、被処理ガス側と精製ガス側とを気密に分離して、ガス分離体を金属製容器の精製ガス取出口に気密に接続する必要がある。このため、ガス分離体と精製ガス取出口に接続する金属フランジ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、水素原子がガス分離膜中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。但し、ガス分離体と金属フランジとの接合部の気密性及び耐久性が問題となる。即ち、高温、高圧の条件下においてもガス分離体と金属フランジとの接合部から被処理ガスが精製ガス側に漏洩しない気密性を十分に維持できる耐久性が必要となる。
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金属フランジをろう材等により接合すること（ろう接合）が行われている（例えば、特許文献３参照）。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。
しかし、前述のろう接合によってガス分離体と金属フランジを接合すると、接合温度が高温であるため、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金属フランジの間の気密性が低下したりする等の問題が発生する場合がある。更に、ガス分離体と支持体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、ガス分離体を構成するガス分離膜の溶融による破損、熱応力により歪みを生ずる等の不具合が生ずる場合がある。また、Ｏリングを用いる場合、ガスの処理温度が２５０℃超であると、気密性を十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。
上述のような問題を解消すべく、ガス分離体と金属フランジを、グランドパッキンを用いてシールしたガス分離体固定構造体が開示されている（例えば、特許文献４参照）。このガス分離体固定構造体ではろう接合を採用していないため、熱応力に起因して基体が破損するといった不具合が生じ難いものの、完全に漏れの無い気密な接合を得ることは困難であり、接合部からの漏れを考慮する必要がある。しかしながら、より高精度のガス分離能が要求される用途においては、ガス分離体と支持材との間の気密性の更なる向上を図る必要があった。
特開昭６２−２７３０３０号公報
特開昭６３−１７１６１７号公報
特許第３３０５４８４号公報
特開２００３−１２６６６２号公報
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、その課題とするところは、ガス分離体を構成する基体の熱応力による破損や、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の低下が起こり難く、高温条件下においても使用可能な水素ガス分離体固定構造体、及びそれを用いた水素ガス分離装置を提供することにある。
本発明者らは上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、ガス分離体と、このガス分離体の少なくとも一の開口端部に接続させる金属フランジのガス分離膜側の表面上の所定箇所に、所定の厚みの接合層を配設し、更にこの接合層の上にパッキンを押圧可能に配設することによって、上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、以下に示す水素ガス分離体固定構造体、及び水素ガス分離装置が提供される。
［１］筒状基体、及び前記筒状基体の少なくとも一の表面上に配設される、水素ガスを選択的に分離可能な第一の金属を含有するガス分離膜を有するガス分離体と、前記ガス分離体の少なくとも一の開口端部に接続される金属フランジと、前記ガス分離体と前記金属フランジが接続される部分の、前記ガス分離膜側の表面上に配設される、第二の金属を含有する厚さ２０〜４００μｍの接合層と、前記接合層上に配設されるパッキンと、少なくともその一部が前記接合層に接触して配設され、前記パッキンを押圧して固定可能な金属部材と、を備え、前記接合層が、前記第二の金属の融点未満の温度で熱処理されることにより前記ガス分離膜の表面上に配設された水素ガス分離体固定構造体。
［２］前記第一の金属が、パラジウム、パラジウム合金、パラジウムと銀、又は銅を主成分とする金属である前記［１］に記載の水素ガス分離体固定構造体。
［３］前記第二の金属が、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、及び銅からなる群より選択される少なくとも一種である前記［１］又は［２］に記載の水素ガス分離体固定構造体。
［４］前記筒状基体が、多孔質のセラミック、金属、カーボン、又はこれらの混合物からなるものである前記［１］〜［３］のいずれかに記載の水素ガス分離体固定構造体。
［５］前記金属フランジが、ステンレス、インコネル、コバール、又はニッケル合金からなるものである前記［１］〜［４］のいずれかに記載の水素ガス分離体固定構造体。
［６］前記接合層が、前記第二の金属の融点よりも５０℃以上低い温度で熱処理されることにより前記ガス分離膜の表面上に配設された前記［１］〜［５］のいずれかに記載の水素ガス分離体固定構造体。
［７］圧力容器と、前記圧力容器の内面に固定される、前記［１］〜［６］のいずれかに記載の水素ガス分離体固定構造体と、を備えた水素ガス分離装置。
本発明の水素ガス分離体固定構造体は、ガス分離体を構成する基体の熱応力による破損や、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く、高温条件下においても使用可能であるという効果を奏するものである。
本発明の水素ガス分離装置は、ガス分離体を構成する基体の熱応力による破損や、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く、高温条件下においても使用可能であるという効果を奏するものである。
以下、本発明の実施の最良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、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
図１は、本発明の水素ガス分離体固定構造体の一実施形態を模式的に示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の水素ガス分離体固定構造体３０は、ガス分離体７、このガス分離体７の少なくとも一の開口端部（図１における上部）に配設される接合層５、パッキン６、及び金属フランジ４を含む環状金属部材１を備えている。
ガス分離体７は、筒状基体９とガス分離膜８を有するものである。筒状基体９は、単独では機械強度が弱く自立困難なガス分離膜を支持するものである。筒状基体９は、ガスの透過を妨げないような、例えば、多孔質のセラミック、金属、カーボン、これらの混合物等の材質によって構成されている。筒状基体９が多孔質セラミックからなるものである場合、ガス分離膜を形成する面の平均細孔径は、０．０１〜１μｍであることが好ましく、０．０５〜０．３μｍであることが更に好ましい。平均細孔径が０．０１μｍ未満であると、ガスが通過するときの抵抗が増大する場合とガス分離膜の密着性が低下する場合がある。一方、平均細孔径が１μｍを超えると、ガス分離膜８にピンホールが生じ易く、細孔を埋めるために必要な膜厚が増大するからである。
また、多孔質セラミックは、アルミナ、又はジルコニアであることが好ましい。アルミナやジルコニアは、被処理ガスが反応し難いために好ましい。また、アルミナによって形成された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る。一方、ジルコニアはガス分離膜として用いる金属膜との熱膨張差が小さいため好ましい。アルミナ製の筒状基体は、例えば、特開昭６２−２７３０３０号公報に記載する方法等により作製することができる。なお、筒状基体の全体形状は、円柱状や角柱状の他、円柱や角柱がその軸に沿って湾曲した形状であってもよい。流路の形状は直線状に限定されず、例えば曲線状であってもよい。また、円柱状の一方の端が袋管状に閉じている構造は、接合部が少なくできるため有利である。更に、複数の流路を並列的に有するものでもよい。
ガス分離膜８は、筒状基体９の少なくとも一の表面上に膜状に配設されている。ガス分離膜８は、図１に示すように筒状基体９の外側に形成されていても、内側に形成されていても、或いは内外両面に形成されていてもよい。また、ガス分離膜８の一部は、多孔質基材の細孔の一部に入り込んでいてもよい。ガス分離膜８を筒状基体９の表面上に被覆形成するには、公知の方法によればよい。例えば、化学メッキ法、真空蒸着法、ＣＶＤ法、スパッタリング法等を用いることができる。
このガス分離膜８は、ガス分離可能な第一の金属を含有する膜である。なお、ガス分離膜８の具体例としては、水素を選択的に透過する水素分離膜等を挙げることができる。ガス分離膜８に含有される第一の金属は、水素を選択的に透過させる金属であればよいが、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム合金、又はパラジウム（Ｐｄ）と銀（Ａｇ）或いは銅（Ｃｕ）を主成分とする金属は水素の透過速度が大きく、好ましい。パラジウム合金は、例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，５６（１９９１）３１５−３２５：“Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｐｅｒｍｅａｂｌｅ Ｐａｌｌａｄｉｕｍ−Ｓｉｌｖｅｒ Ａｌｌｏｙ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｏｎ Ｐｏｒｏｕｓ Ｃｅｒａｍｉｃｓ”、特開昭６３−２９５４０２号公報等の公知文献に記載されているように、パラジウム以外の金属の含量が全体の１０〜５０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、又は銅を含有することは、パラジウムの水素脆化防止のために好ましい。
接合層５は、ガス分離体７の開口端部において、金属フランジが接合される部分の、ガス分離膜８側の表面上に配設されている。この接合層５には、第二の金属が含有されている。また、接合層５は、第二の金属の融点未満の温度で熱処理されることにより、ガス分離膜８の表面上に配設されている。このため、接合層５に含有される第二の金属は、ガス分離膜８に含有される第一の金属、及び金属部材の少なくとも一部（環状金属フランジ４、蓋状金属フランジ１４）を構成する金属と、相互拡散することにより接合されている。従って、ガス分離体７と、これに接続される金属フランジ（環状金属フランジ４、蓋状金属フランジ１４）との間の気密性が高度に確保されている。更に、ガス分離体７と金属フランジ（環状金属フランジ４、蓋状金属フランジ１４）とは、パッキン６及び金属部材（環状金属部材１、蓋状金属部材１１）により機械的な強度が維持され、振動や組付けなどによる応力に対する耐久性が確保されている。
なお、接合層５は、それに含有される第二の金属の融点未満の温度で熱処理されることにより形成されている。即ち、従来使用されてきたろう材と異なり、溶融状態にまで加熱されて部材どうしを接合する層ではないため、接合層５とガス分離膜８の成分どうしの相互拡散が抑制され、合金化による硬化や欠陥の生成を防ぐことができる。また、熱処理温度が融点未満と低く、硬化が抑制されることから熱応力が低減され、ガス分離体７の破損や、熱サイクルの負荷による気密性の低下が極めて生じ難いものである。なお、接合層５は、第二の金属の融点よりも５０℃以上低い温度で熱処理されることによりガス分離膜の表面上に配設されたものであることが好ましく、１５０℃以上低い温度で熱処理されることによりガス分離膜の表面上に配設されたものであることが更に好ましい。第二の金属の融点よりも５０℃以上低い温度で熱処理されることにより、より気密性に優れた接合層とすることができる。なお、熱処理温度の下限値については特に限定されないが、第二の金属の融点の１／２の温度、又はそれよりも低い温度で熱処理した場合には、金属の相互拡散が不十分になり易く、十分な気密性を確保し難くなる場合がある。
また、接合層５の厚さは、２０〜４００μｍ、好ましくは５０〜３００μｍ、更に好ましくは１００〜２００μｍである。接合層５の厚さが２０μｍ未満であると、接合層５を形成するに際して用いる金属箔等の強度が不足して取り扱いが困難になるとともに、接合強度が不十分となり、十分な気密性を確保し難くなる。一方、接合層５の厚さが４００μｍ超であると、接合層５の熱膨張率とガス分離体７又は筒状基体６との熱膨張の差が大きくなり過ぎてしまい、ガス分離体に破損が生じ易くなる。
接合層５に含有される第二の金属の具体例としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル等を挙げることができる。なお、これらの二種以上を組み合わせたものを用いることもできる。なかでも、銀（Ａｇ）、又は銀（Ａｇ）を含有する合金が好ましい。銀（Ａｇ）を含有する合金としては、ＢＡｇ−８等を挙げることができる。
接合層５を形成するには、先ず、ガス分離体７の開口端部に金属フランジ（環状金属フランジ４）を接続した状態で、ガス分離体７と金属フランジ（環状金属フランジ４）の接続部のガス分離膜８側の表面上に、第二の金属を含有する金属箔を、所定の厚さとなるように配置する。次いで、配置した金属箔を包み込むようにパッキン６、及び金属部材１を配置するとともに、パッキン６を介して金属箔に対して適度な締付圧力を負荷した状態で、所定温度で加熱処理すればよい。
パッキン６は、接合層５の上に配設されている。このパッキン６は、シール材としての機能を有するものもあるが、本願においては、接合層５をガス分離体７と金属フランジ（環状金属フランジ４）との表面に密着させて金属の相互拡散を生じ易くするとともに、接合部の機械的強度を付与する働きを有するものであればよく、必ずしもシール機能は必要としない。なお、パッキン６を、スタフィングボックス１５の内部に収納するように配置してもよい。このスタフィングボックス１５は、パッキン６を少なくとも１個収納可能なものであり、内部に収納されたパッキン６に付与された締付圧力を、ガス分離体７の方向に効果的に伝えることが可能である。なお、パッキン６は、接合層５を包み込むように接触した状態で配設されていることが好ましい。
パッキンは使用温度において十分に機能するものであれば特に材質が限定されるものではないが、高温使用において耐久性を確保するには、グランドパッキンを用いることが望ましい。グランドパッキンを用いた場合の使用温度範囲の最高値は、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℃未満であると、一般的に想定される高温条件下での使用に適合せず、十分な気密性を維持できない場合がある。なお、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は特に限定されないが、実質的な耐熱性等の観点からは、１６５０℃以下であればよい。
グランドパッキンの主成分は、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。従って、このようなグランドパッキンを用いた本実施形態の水素ガス分離体固定構造体は、ガス分離体と金属フランジとの間の機械的強度を十分に確保することができ、高温・高圧条件下においても使用可能である。
なお、膨張黒鉛以外の、使用温度範囲の最高値が３００℃以上となる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。但し、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、また、金属繊維は圧縮固定されるガス分離膜表面に傷をつける恐れがあるために、いずれも好ましくない。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。
本実施形態の水素ガス分離体固定構造体３０は、ガラス接合、ろう接合等を採用していないために、熱膨張差に起因するガス分離体の破損等が生じ難く、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十分に確保される。また、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。
図１に示す環状金属部材１は、環状パッキン押さえ２、環状ストッパー３、及び環状金属フランジ４が組み合わされることにより構成されている。環状金属フランジ４は貫通孔２１が形成されている部材である。ガス分離膜８を通過して分離された分離ガスは、この貫通孔２１を通じて系外に取り出すことができる。なお、同じく図１に示す蓋状金属部材１１は、環状パッキン押さえ１２、環状ストッパー１３、及び蓋状金属フランジ４が組み合わされることにより構成されている。蓋状金属フランジ４には貫通孔が形成されておらず、ガス分離体７の一方の開口端部を封止している。即ち、ガス分離体７の、分離ガスを取り出す側の開口端部に配設される金属部材にのみ貫通孔２１が形成されるように、金属部材を構成すればよい。
環状金属部材１は、少なくともその一部が接合層５に接触して配設されており、パッキン６を押圧して固定可能な部材である。環状パッキン押さえ２は、パッキン６に対して、筒状基体９の軸方向に締付圧力を付与可能な部材である。また、環状ストッパー３は、パッキン６に対して締付圧力が付与されることに伴う、パッキン６の軸方向への移動を抑制可能な部材である。環状ストッパー３によって移動を抑制されたパッキン６は、実際上は多少の変形を伴ってガス分離体７の径の内部方向、即ち、ガス分離膜８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７と、環状金属部材１との間の気密性を更に確実なものとすることができる。
環状パッキン押さえ２と環状ストッパー３が接する部位には、パッキン６への締付圧力を付与及び保持するため、ねじ溝２０が形成されていることが好ましい。また、環状パッキン押さえ２、及び環状ストッパー３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（図示せず）が形成されていることが好ましい。
金属部材（環状金属部材１、環状パッキン押さえ２，１２、環状ストッパー３，１３、環状金属フランジ４、蓋状金属部材１１、蓋状金属フランジ１４等）の使用温度範囲内の熱膨張係数は、１１×１０−６／℃以下であることが好ましく、１０×１０−６／℃以下であることが更に好ましく、９×１０−６／℃以下であることが特に好ましい。筒状基体９が多孔質セラミックからなるものである場合を想定すると、この筒状基体９の熱膨張係数は１１×１０−６／℃以下である。この場合、パッキン６の応力値の変動制御、及び筒状基体９の破損防止等の観点から、筒状基体９と金属部材の熱膨張係数が同等以下で近似していることが好ましいためである。従って、金属部材の熱膨張係数を１１×１０−６／℃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９の破損等を防止することができる。
金属部材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。なお、熱膨張係数が１０１×１０−６／℃以下である金属部材を構成する金属材料の具体例としては、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、パーマロイが好ましい。
図２は、本発明の水素ガス分離体固定構造体の他の実施形態を模式的に示す断面図である。図２に示す水素ガス分離体固定構造体４０は、ガス分離体１７が、有底筒状基体１９と、この有底筒状基体１９の表面上に形成されたガス分離膜１９とを備えたものである。即ち、図２に示すガス分離体１７は、一つの開口端部のみを有するものである。従って、本実施形態の水素ガス分離体固定構造体４０を構成する接合層５、パッキン６、及び環状金属部材１は、ガス分離体１７の一つの開口端部のみにそれぞれ配設されている場合がある。
次に、本発明のガス分離装置の一実施形態について説明する。本実施形態のガス分離装置は、圧力容器と、この圧力容器の内面に固定される前述の水素ガス分離体固定構造体とを備えたものである。
図１に示す実施形態の水素ガス分離体固定構造体３０を組み込んだ場合を想定して説明する。環状金属部材１の一部分、より具体的には環状金属フランジ４が適当な接合方法、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７の一方の開口端部は、接合層５、及びパッキン６を解した状態で蓋状金属部材１１によって気密に閉じられているため、ガス分離体７を透過した分離ガスは、環状金属部材１が固定されている開口端部の方向へと流れ、貫通孔２１を通じて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７を透過せず、出口（図示せず）より排出される。
ここで、本実施形態のガス分離装置においては、水素ガス分離体固定構造体３０の一方の端部のみが圧力容器の内面に固定されており、他方の端部は圧力容器に固定される必要がない。従って、熱サイクルの負荷に起因するガス分離体７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。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
外径１０．５ｍｍ、内径７．５ｍｍ、長さ１００ｍｍの円筒状であり、外表面の細孔径が０．１μｍであるアルミナ製の筒状基体を用意した。この筒状基体の外表面に、厚さ約２μｍのＰｄ−Ａｇ合金からなる水素分離膜（ガス分離膜）を形成することにより、図１に示すようなガス分離体７を作製した。ガス分離体７の一方の開口端部に環状金属フランジ４を配置し、銀（Ａｇ）箔（融点＝９６０℃）を、所定の厚さとなるように、環状金属フランジ４とガス分離膜８の表面に確実に接触するように巻き付けて仮固定した。一方、環状ストッパー３のスタフィングボックス１５にパッキン（膨張黒鉛製のフォイル成形パッキン）６を収納し、環状パッキン押さえ２を軽くねじ込むことにより、パッキン６を仮固定して環状金属部材１を作製した。
外径１０．５ｍｍ、内径７．５ｍｍ、長さ１００ｍｍの円筒状であり、外表面の細孔径が０．１μｍであるアルミナ製の筒状基体を用意した。この筒状基体の外表面に、厚さ約２μｍのＰｄ−Ａｇ合金からなる水素分離膜（ガス分離膜）を形成することにより、図１に示すようなガス分離体７を作製した。ガス分離体７の一方の開口端部に環状金属フランジ４を配置し、銀（Ａｇ）箔（融点＝９６０℃）を、所定の厚さとなるように、環状金属フランジ４とガス分離膜８の表面に確実に接触するように巻き付けて仮固定した。一方、環状ストッパー３のスタフィングボックス１５にパッキン（膨張黒鉛製のフォイル成形パッキン）６を収納し、環状パッキン押さえ２を軽くねじ込むことにより、パッキン６を仮固定して環状金属部材１を作製した。
環状金属部材１に、銀（Ａｇ）箔が仮固定されたガス分離体７を挿入した。このとき、銀（Ａｇ）箔の位置が移動しないように注意した。また、銀（Ａｇ）箔の全面を覆うようにパッキン６を配置した。軸方向への締め付け圧力が３０ＭＰａ、及び径の内部方向（ガス分離体７の膜面に対して垂直方向）への締め付け圧力が２０ＭＰａとなるように、トルクレンチを使用して環状パッキン押さえ２を締め込んで、各部材を固定した。Ａｒ雰囲気中、６５０℃で２時間加熱処理することにより厚さ２０μｍの接合層５を形成し、接合層５とガス分離膜８、及び接合層５と環状金属フランジ４を拡散接合させて、図１に示すような構造の水素ガス分離体固定構造体３０（実施例１）を製造した。なお、使用した各金属部品は、いずれも４５パーマロイ製である。
（実施例２〜１０、比較例１〜６）
使用した金属箔（接合層）の種類、形成される接合層の厚さ、及び熱処理温度を表１に示すようにしたこと以外は、前述の実施例１と同様の操作により、水素ガス分離体固定構造体３０（実施例２〜１０、比較例１〜６）を製造した。なお、ＢＡｇ−８の融点は７８０℃である。
使用した金属箔（接合層）の種類、形成される接合層の厚さ、及び熱処理温度を表１に示すようにしたこと以外は、前述の実施例１と同様の操作により、水素ガス分離体固定構造体３０（実施例２〜１０、比較例１〜６）を製造した。なお、ＢＡｇ−８の融点は７８０℃である。
［Ｈｅガスリーク量］：作製した水素ガス分離体固定構造体３０をＳＵＳ製容器に入れ、環状金属フランジ４をＳＵＳ製容器の外側に通じるように缶板に取り付けた。ＳＵＳ製容器内（水素ガス分離体固定構造体の外側）に、０．９ＭＰａの圧力でＨｅガスを導入し、流量計を使用して、環状金属フランジ４内からリークするＨｅガスの量（Ｈｅガスリーク量（ｍｌ／ｍｉｎ））を測定した。測定結果を表１に示す。また、室温から５００℃まで加熱する熱サイクルを１００サイクル行い、１００サイクル経過後のＨｅガスリーク量（ｍｌ／ｍｉｎ）を測定した。測定結果を表１に示す。
表１に示すように、実施例１〜１０の水素ガス分離体固定構造体は、比較例１〜６の水素ガス分離体固定構造体と比べて、Ｈｅガスのリーク量が少ないものであるとともに、熱サイクルを繰り返した後であっても、十分な気密性が確保されているものであることが明らかである。
本発明の水素ガス分離体固定構造体は、例えば、燃料電池用水素精製機、炭化水素を原料とする水蒸気改質による水素製造装置等に好適に用いることができる。
１：環状金属部材、２，１２：環状パッキン押さえ、３，１３：環状ストッパー、４：環状金属フランジ、５：接合層、６：パッキン、７，１７：ガス分離体、８，１８：ガス分離膜、９：筒状基体、１１：蓋状金属部材、１４：蓋状金属フランジ、１５：スタフィングボックス、１６：ねじ溝、１９：有底筒状基体、２１：貫通孔、３０，４０：水素ガス分離体固定構造体
Claims (7)
- 筒状基体、及び前記筒状基体の少なくとも一の表面上に配設される、水素ガスを選択的に分離可能な第一の金属を含有するガス分離膜を有するガス分離体と、
前記ガス分離体の少なくとも一の開口端部に接続される金属フランジと、
前記ガス分離体と前記金属フランジが接続される部分の、前記ガス分離膜側の表面上に配設される、第二の金属を含有する厚さ２０〜４００μｍの接合層と、
前記接合層上に配設されるパッキンと、
少なくともその一部が前記接合層に接触して配設され、前記パッキンを押圧して固定可能な金属部材と、を備え、
前記接合層が、前記第二の金属の融点未満の温度で熱処理されることにより前記ガス分離膜の表面上に配設された水素ガス分離体固定構造体。 - 前記第一の金属が、パラジウム、パラジウム合金、パラジウムと銀、又は銅を主成分とする金属である請求項１に記載の水素ガス分離体固定構造体。
- 前記第二の金属が、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル、及び銅からなる群より選択される少なくとも一種である請求項１又は２に記載の水素ガス分離体固定構造体。
- 前記筒状基体が、多孔質のセラミック、金属、カーボン、又はこれらの混合物からなるものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素ガス分離体固定構造体。
- 前記金属フランジが、ステンレス、インコネル、コバール、又はニッケル合金からなるものである請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素ガス分離体固定構造体。
- 前記接合層が、前記第二の金属の融点よりも５０℃以上低い温度で熱処理されることにより前記ガス分離膜の表面上に配設された請求項１〜４のいずれか一項に記載の水素ガス分離体固定構造体。
- 圧力容器と、
前記圧力容器の内面に固定される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水素ガス分離体固定構造体と、を備えた水素ガス分離装置。
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