JP5623819B2 - ガスシール複合体及び該ガスシール複合体を備えた装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスシール複合体及び該ガスシール複合体を備えた装置に関し、特に、原料ガスから所望のガスを選択して分離することにより純度の高い所望のガスを分離することができるガス分離装置等に使用されるガスシール複合体に関する。

従来より、部材間におけるガスシールを行うために、各種のシール部材（例えば単一の部材からなるガスケットや複数の構成部品からなるガスシール複合体など）が広く使用されている。

例えば燃料電池に供給する水素を製造する装置として、下記特許文献１に記載の様に、表面に水素透過膜を備えた水素分離筒を収納容器内に配置した水素分離装置が知られており、この水素分離装置にもシール部材が使用されている。

前記水素分離装置では、水素透過膜の支持体として、多孔質のセラミックからなる改質触媒兼支持体を用いた試験管形状の水素分離筒が用いられており、水素分離筒はその開口側の端部を取付金具等に固定されている。

この水素分離装置では、水素分離筒と取付金具との間のガスシールを行うためにシール部材が配置されており、水素分離筒は、シール部材を介して固定金具等で締め付けられることにより取付金具に固定されていた。つまり、水素分離装置では、セラミック製の水素分離筒と取付金具との間のガスシールを行うために、シール部材が用いられていた。

前記シール部材としては、例えば膨張黒鉛製のガスケット（パッキン）が知られており、この膨張黒鉛は、耐熱性に優れ、変質し難く、変形性に富むことから、流体用のシール部材として広く使用されている。なお、その他のシール部材としては、マイカ等の無機系ガスケット等も使用されている。

特開２００９−１８４８８３号公報

しかしながら、上述した従来技術では、シール部材のガスシール性に関しては、必ずしも十分ではないという問題があった。
つまり、膨張黒鉛製ガスケット、マイカ等の無機系ガスケットは、ガスケット内の僅かな間隙を通ってガスが漏れるという問題があった。

特に金属部材とその相手部材との間のガスシールを行う場合に、相手部材がセラミックやガラスのときには、金属部材と相手部材との間にシール部材を配置して両側から締め付けてガスシールを行うと（即ちコンプレッションシールの場合には）、あまり締付力を大きくすると相手部材が破損する恐れがある。そのため、締付力を大きくできず、よって、シール性を高めることができないという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コンプレッションシールの場合に、例えばセラミックやガラスのような金属部材より割れ易い相手部材を破損しないような締付力で締め付けても、高いシール性を実現できるガスシール複合体及び該ガスシール複合体を備えた装置を提供することである。

（１）本発明は、請求項１に記載の様に、金属部材と、前記金属部材に対向して配置される相手部材との間に配置されて、前記金属部材と前記相手部材との間隙をガスシールするガスシール複合体において、前記金属部材と前記相手部材との間に配置されて該金属部材と該相手部材との間隙をそれぞれガスシールする一対のガスケットと、前記金属部材と前記相手部材との間隙を閉塞するように、前記一対のガスケットの間に挟まれるとともに該一対のガスケットに密着して配置された金属箔と、を備え、前記一対のガスケット及び前記金属箔は筒状であり、前記金属箔は、一方のガスケットの軸方向における端面を覆うとともに、該端面に隣接する内周面の端部と該端面に向かい合う他方のガスケットの端面に隣接する外周面の端部とを覆うように、軸方向に沿って折れ曲がっていることを特徴とする。

本発明は、コンプレッションシールに関するものであり、本発明のガスシール複合体は、金属部材と相手部材との間に配置されて金属部材と相手部材との間隙をそれぞれガスシールする一対のガスケットを備え、且つ、金属部材と相手部材との間隙を閉塞するように、一対のガスケットの間に挟まれるとともに一対のガスケットに密着して配置された金属箔を備えている。

つまり、本発明では、一対のガスケットの間に（ピンホール等の欠陥が無い）金属箔が配置されているので、ガスケットが、例えば膨張黒鉛の様に、（例えば大きなガス圧力が加わっている場合に）内部の微小な隙間からガスのリークが発生する可能性があるものであっても、確実にガスのリークを防止することができる。従って、ガスのリークを防止するために、過大な締付力で締め付ける必要がないので、相手部材が例えばセラミックやガラスのような（金属部材に比べて）割れやすい部材であっても、割れの発生を抑制しながらシール性を高めることができるという顕著な効果を奏する。
また、本発明では、一対のガスケット及び金属箔は筒状であり、金属箔は、一方のガスケットの軸方向における端面を覆うとともに、その端面に隣接する内周面の端部とその端面に向かい合う他方のガスケットの端面に隣接する外周面の端部とを覆うように、軸方向に沿って折れ曲がっている。
この構成により、金属箔がガスケットの端面からずれにくくなるので、金属箔によってガスケットの端面及びその周囲を確実に覆うことができる。

（２）本発明では、請求項２に記載の様に、金属箔の厚みとして、１０〜１００μｍを採用できる。

この厚みであれば、扱いも容易で、しかも、締付力を高めても、破損しにくく好適である。
（３）本発明は、請求項３に記載の様に、前記金属部材と前記金属部材に対向して配置される相手部材との間に、前記金属部材と前記相手部材との間隙をガスシールする前記請求項１又は２に記載のガスシール複合体を備えた装置である。

この装置としては、例えばガス分離装置（例えば水素分離装置、酸素分離装置）や、固体酸化物形燃料電池などが挙げられる。
以下、本発明の各構成について説明する。

・前記金属箔の材料としては、Ａｇ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｆｅ等の金属、又はこれらの少なくとも一つを含む合金等を採用できる。
・前記相手部材の材料としては、金属部材の材料とは異なり、同じ条件（押圧力等）下においては金属部材よりも割れやすい例えばセラミック又はガラスを含む材料を採用できる。ここで、セラミックとしては、ジルコニア、安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、窒化珪素、窒化アルミ、酸化チタン等を採用でき、ガラスとしては、シリカガラス、ホウ珪酸ガラス等を採用できる。

また、相手部材としては、セラミックを主体とした例えば試験管形状の水素分離筒や平板形状の水素分離板が挙げられる。この水素分離筒や水素分離板としては、（改質触媒兼支持体である）多孔質支持管（又は多孔質支持板）の表面に水素透過膜が形成された筒状体（又は板材）や、多孔質支持管（又は多孔質支持板）の表面に、金属の拡散を防止するバリア層が形成され、更にバリア層の表面に水素透過膜が形成された筒状体（又は板材）が挙げられる。

このうち、多孔質支持管（又は多孔質支持板）を構成する材料としては、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の混合物の焼結体、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物を主体とする焼結体（Ｎｉ−ＹＳＺサーメット等）、その他、支持体としての機能と改質触媒としての機能の両機能を合わせ有する多孔質セラミック、多孔質サーメットなどが挙げられる。

水素透過膜としては、例えばＰｄ膜やＰｄ合金膜などの金属膜が挙げられる。
バリア層の構成材料としては、例えばジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、アルミナ、マグネシア、セリア等、もしくはそれらの材料の混合物もしくは化合物を用いることができる。

・前記金属部材としては、前記水素分離筒や水素分離板を取り付ける取付部材が挙げられ、この取付部材としては、耐熱性及び耐酸化性を有する例えばＳＵＳ４０５、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６L、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４３０等のステンレスや、コバール、インコネル、パーマロイなど、金属製の取付金具などが挙げられる。

・前記ガスケットの材料としては、膨張黒鉛を採用でき、この膨張黒鉛としては、下記の物性値を有することが好ましい。
密度（嵩密度）が０．６〜１．９ｇ／ｃｍ³、圧縮率（ＪＩＳ−Ｒ３４５３に準拠）が
１０〜９０％、復元率（ＪＩＳ−Ｒ３４５３に準拠）が３〜７０％、酸化開始温度（空気中での加熱によって重量が１％減少したときの温度）が４００℃以上。

第１実施形態のガスシール複合体を適用した水素分離装置を軸方向に沿って破断して模式的に示す断面図である。 第１実施形態の水素分離装置を軸方向に沿って破断して詳細に示す断面図である。 （ａ）は第１実施形態のガスシール複合体を分解して示す斜視図、（ｂ）はガスシール複合体の正面図、（ｃ）はガスシール複合体を軸方向に沿って破断した状態を示す断面図である。 第１実施形態の水素分離装置のガスリークを調べる装置を示す説明図である。 比較例の水素分離装置を軸方向に沿って破断して示す断面図である。 第２実施形態の水素分離装置を軸方向に沿って破断して示す断面図である。 （ａ）は第２実施形態のガスシール複合体を分解して示す斜視図、（ｂ）はガスシール複合体の正面図、（ｃ）はガスシール複合体を軸方向に沿って破断した状態を示す断面図である。 第３実施形態の水素分離装置を軸方向に沿って破断して示す断面図である。 第４実施形態のガスシール複合体を分解して示す斜視図である。 第４実施形態の水素分離装置を縦方向に沿って破断して示す断面図である。 第４実施形態のガスシール複合体の配置を示す説明図である。 第４実施形態の水素分離装置のガスリークを調べる装置を示す説明図である。 第５実施形態の水素分離装置を示す斜視図である。 第５実施形態の水素分離装置を分解して示す斜視図である。 第６実施形態のガスシール複合体をＳＯＦＣに適用した状態を示す説明図である。 （ａ）は他のガスシール複合体を分解して示す斜視図、（ｂ）は更に他のガスシール複合体を分解して示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、第２実施形態は参考例である。
［第１実施形態］
ここでは、ガスシール複合体が使用されたガス分離装置を例として説明する。例えば燃料電池に燃料ガス（水素ガス）を供給する水素分離装置（ガス製造装置）について説明する。

ａ）まず、本実施形態において、水素分離装置の要部である水素分離筒について説明する。
図１に模式的に示す様に、本実施形態の水素分離装置１は、一端が閉塞された試験管状の水素分離筒３と、水素分離筒３の開放端側が挿入された筒状の取付金具５と、水素分離筒３の外周面と取付金具５の内周面との間に配置された円筒形のガスシール複合体７と、ガスシール複合体７の先端側（同図上側）を押圧する円筒形の押圧金具９と、押圧金具９に外嵌されて取付金具５に螺合する筒状の固定金具１１とを備えている。

以下に、図２に基づいて、水素分離装置１の構成をより詳細に説明する。
図２に詳細に示すように、前記水素分離筒３は、その軸中心の中心孔１３に導入された原料ガス（例えばメタンなどの炭化水素ガスと水蒸気の混合ガス及びその反応によって得られた少なくとも水素ガスを含む混合ガス）から、水素を選択的に分離して、水素分離筒３の外周側に供給する部材である。

この水素分離筒３は、一端が閉塞された試験管状の（改質触媒兼支持体である）多孔質支持管１５と、多孔質支持管１５の外側表面を覆うバリア層１９と、バリア層１９の外側表面を覆う水素透過膜２１とから構成されている。

このうち、多孔質支持管１５は、例えばＮｉ-ＹＳＺ多孔体からなり、改質触媒としての役割と水素透過膜２１等を支持する役割とを有する通気性を有する試験管状の支持体であり、この多孔質支持管１５では、原料ガスを水蒸気改質して改質ガス（例えば水素、二酸化炭素、一酸化炭素）を生成する。

水素透過膜２１は、例えばＰｄＡｇ合金からなり、多孔質支持管１５内で改質された改質ガスから水素を選択的に透過して精製する薄膜である。
バリア層１９は、例えばＹＳＺ多孔体からなり、多孔質支持管１５の金属成分（例えばＮｉ）と水素透過膜２１の成分（例えばＰｄ）とが互いに交じり合う（拡散する）ことにより、水素透過膜２１の水素透過性能が劣化することを防止するための多孔質層（相互拡散防止層）である。

また、前記取付金具５は、水素分離装置１の基部を構成する例えばＳＵＳ４３０からなる筒状金具であり、その先端側より、外周にねじ部２３を有する先端側筒状部２５と、外周側に環状に張り出す鍔部２７と、（原料ガスを供給する配管等が接続される）基端側筒状部２９とを備えている。

この取付金具５の軸中心には、原料ガスの流路となる貫通孔（中空部）３１が形成され、中空部３１には、水素分離筒３の基端側（同図右側）の端部が収容されている。詳しくは、中空部３１の内径は、先端側筒状部２５内側より鍔部２７内側が小さく設定されており、鍔部２７内側の先端側に凹部３３が形成され、この凹部３３に水素分離筒３の端部が内嵌している。

前記固定金具１１は、軸方向に沿った断面がＬ字状の例えばＳＵＳ４３０からなる筒状金具であり、径方向に伸びて押圧金具９を基端側に押圧する環状の押圧板３５と、押圧板３５の外周端から軸方向に沿って基端側に伸び、内周面にねじ部３７を有する筒状部３９とを備えている。従って、この固定金具１１のねじ部３７と取付金具５のねじ部２３を螺合させて締め付けることにより、押圧金具９を介してガスシール複合体７を、基端側に押圧することができる。

前記押圧金具９は、円筒形状の例えばＳＵＳ４３０からなる筒状金具であり、取付金具５の先端側筒状部２５の内周面と水素分離筒３の外周面との間に形成された筒状の空間４１内にて、ガスシール複合体７と隣接して配置されている。この押圧金具９の先端側は固定金具１１の押圧板３５に当接し、その後端側はガスシール複合体７に当接している。

なお、前記水素分離装置１の内部（詳しくは水素分離筒３の中心孔１３）には、内挿管５０が配置されている。この内挿管５０は、原料ガスを、水素分離装置１の基端側から水素分離筒３の先端側に供給する部材であり、反応後のオフガス（ＣＯ、ＣＯ₂、Ｈ₂、メタン、水蒸気）は、内挿管５０の外周に沿って水素分離装置１の基端側から排出される。

特に、本実施形態では、図３（ａ）に拡大して示す様に、前記ガスシール複合体７は、環状の一対のガスケット（先端側ガスケット４３、基端側ガスケット４５）とその両ガスケット４３、４５の間に挟まれた環状の金属箔部材４７とから構成されている。

このうち、両ガスケット４３、４５は、膨張黒鉛からなる内径φ１０ｍｍ、外径φ１３ｍｍ、（軸方向の長さ）幅４ｍｍの耐熱性のガスケットである。
前記両ガスケット４３、４５は、前記空間４１内にて、押圧金具９の押圧によって圧縮された状態、従って周囲を押圧した状態に保持されているので、この空間４１における原料ガスの漏出を防止している。

また、金属箔部材４７は、例えば銀からなり、その厚みが１０〜１００μｍの範囲（例えば２０μｍ）で、ピンホール等のガスが漏れる様な欠陥が無いガスシール用の部材（箔）である。この金属箔部材４７は、内径φ１０ｍｍ、外径φ１３ｍｍの環状中央部４９と、環状中央部４９の外周に沿うとともに、先端側ガスケット４３の外周に沿って（約０．２ｍｍ）先端側に伸びる環状先端部５１と、環状中央部４９の内周に沿うとともに、基端側ガスケット４５の内周に沿って（約０．２ｍｍ）基端側に伸びる環状基端部５３とから構成されている。

つまり、金属箔部材４７は、図３（ｂ）、（ｃ）に示す様に、その環状中央部４９の上面が、先端側ガスケット４３の下面（基端側の端面）に密着するとともに、環状中央部４９の下面が、基端側ガスケット４５の上面（先端側の端面）に密着し、更に、環状先端部５１の内周面が、先端側ガスケット４３の外周面に密着するとともに、環状基端部５３の外周面が、基端側ガスケット４５の内周面に密着している。これにより、先端側ガスケット４３と基端側ガスケット４５との間のガスのリークを完全に防止している。

ｂ）次に、本実施形態の水素分離装置１の製造方法について説明する。
＜水素分離筒３の製造方法＞
例えば酸化ニッケル６０質量部と、イットリア８モル％を固溶させたジルコニア４０質量部（８ＹＳＺ）とを混合する。更に造孔剤として黒鉛粉（又はコンスターチ）を混合して混合材を作製する。

そして、この混合材を用い、押出成形によって、有底円筒管を成形する。
次に、有底円筒管を乾燥した後に、脱脂処理を行い、１４００℃で１時間焼成して、ＮｉＯ−ＹＳＺで形成された多孔質支持管１５を作製する。

これとは別に、８ＹＳＺとバインダとエタノールを添加して、スラリーを調製する。
次に、このスラリーを、ディップコート法（又はスプレー吹き付け法、印刷法等）により、多孔質支持管１５の表面上に塗布してコート層を形成する。

次に、このコート層を１３００℃で加熱処理して焼き付けし、バリア層１９を形成する。
このバリア層１９により被覆された多孔質支持管１５を、エタノールで３０分間超音波洗浄し、１２０℃で乾燥させる。

次に、バリア層１９を覆う様に、無電解メッキ法（又は真空蒸着法、スパッタリング法等）により、Ｐｄ等による水素透過膜２１を形成する。
次に、水素雰囲気下にて、６００℃で３時間還元処理を施し、これにより、水素分離筒３を完成する。
＜ガスシール複合体７の製造方法＞
・両ガスケット４３、４５を製造する場合には、例えば膨張黒鉛製のシートを（図示しない心棒等に）巻き付けることにより、筒状の積層体を形成する（心棒等は後に除去する）。

次に、この積層体を、濃硫酸、硝酸などの酸化剤により酸化処理することによって、膨張黒鉛内の層間距離を例えば１００〜３００倍程度膨張させる。
その後、この膨張黒鉛を、例えば０．６〜１．９ｇ／ｃｍ³の密度範囲となるように、プレス成形により負荷・圧縮する。

・金属箔部材４７を製造する場合には、銀からなる厚み２０μｍの金属箔を、プレス加工によって、中央に円形の開口部４８（図３参照）を有する円盤状に加工する。具体的には、両ガスケット４３、４５の外径より大きく且つ内径より小さくなるように、外径１３．０５ｍｍ×内径０．９５ｍｍの円環状に加工する。
＜水素分離装置１の組付方法＞
まず、基端側ガスケット４５と先端側ガスケット４３との間に、金属箔部材４７を同軸に配置し、密着させて一体とする。

このとき、金属箔部材４７の外径は両ガスケット４３、４５の外径より大きいので、金属箔部材４７の外周縁部は、両ガスケット４３、４５の外周面より外側に環状に張り出している。同様に、金属箔部材４７の内径は両ガスケット４３、４５の内径より小さいので、金属箔部材４７の内周縁部は、両ガスケット４３、４５の内周面より内側に環状に張り出している（これが図示しないがガスシール複合体７の取付前形状である）。

次に、前記図２に示す様に、取付前形状のガスシール複合体７を、取付金具５の先端側の空間４１に収容する。このとき、両ガスケット４３、４５の外周面から張り出す金属箔部材４７の外周縁部は、先端側筒状部２５の内周面に当たって、先端側（図２上方）に折れ曲がり、先端側ガスケット４３の外周面及び先端側筒状部２５の内周面に密着する。

次に、前記空間４１内において、ガスシール複合体７の上に、押圧金具９を収容する。
次に、水素分離筒３の開放端側を、押圧金具９、先端側ガスケット４３、金属箔部材４７、基端側ガスケット４５の各貫通孔を通す様に挿入し、水素分離筒３の端部を取付金具５の凹部３３に嵌める。このとき、両ガスケット４３、４５の内周面から張り出す金属箔部材４７の内周縁部は、水素分離筒３の外周面に当たって、基端側（図２下方）に折れ曲がり、基端側ガスケット４５の内周面及び水素分離筒３の外周面に密着する。

次に、水素分離筒３の先端側より固定金具１１を外嵌し、固定金具１１のねじ部３７と取付金具５のねじ部２３を螺合し、固定金具１１により押圧金具９を基端側に締め付けて、水素分離装置１を完成する。

なお、この締め付けにより、ガスシール複合体７も締め付けられて、コンプレッションシールとして機能するようになる。
ｃ）この様に、本実施形態では、取付金具５の内周面と水素分離筒３の外周面との間に、ガスシール複合体７、即ち一対の膨張黒鉛製のガスケット４３、４５の間に（両ガスケット４３、４５に密着する様に）金属箔部材４７を配置したガスシール複合体７を備えている。

従って、膨張黒鉛を構成するシートの隙間からガスがリークする場合でも、金属箔部材４７によってガスのリークを確実に防止することができる。
また、本実施形態では、両ガスケット４３、４５の間に金属箔部材４７を備えていることにより、ガスのリークを防止するために、過大な締付力で締め付ける必要がないので、セラミックを含む水素分離筒３の割れを防止できる。

従って、本実施形態では、水素分離筒３の割れの発生を抑制しながらシール性を高めることができるという顕著な効果を奏する。
ｄ）次に、本実施形態の水素分離装置１の効果を確認するために行ったガスリークの実験例について説明する。

・この実験例（Ｈｅリーク試験）は、図４に示す様に、上述した構造の水素分離装置１をリーク測定装置６１に固定して、水素分離筒３との外周面と取付金具５の内周面との間からＨｅガスが漏出するか否かを調べたものである。

具体的には、水素分離装置１の取付金具５の外周面の中央部分より先端側を、密閉容器６３内に収容し、取付金具５の（同図下方の）開放端６５側に、０．８ＭＰａＧのＨｅガスを供給し、密閉容器６３の先端側（同図上方）の開口部６７を石鹸膜流量計６９に接続する。そして、この状態で、周囲温度を室温〜６００℃に変更する熱サイクル（１回の室温〜６００℃までの昇温時間：１２０分）を１０回実施し、その際のＨｅガスのリーク量を石鹸膜流量計６９によって測定した。

この実験の結果、Ｈｅガスのリーク量は０であり、本実施例の水素分離装置１の気密性が高いことが確認できた。
・また、比較例１として、図５に示す様に、前記実施例１と同様に、水素分離筒７１、取付金具７３、固定金具７５、押圧金具７７、ガスシール部材７９からなる水素分離装置８１を製造した。但し、比較例１の水素分離装置８１では、ガスシール部材７９は、膨張黒鉛からなる内径φ１０ｍｍ、外径φ１３ｍｍ、幅８ｍｍのガスケットのみから構成されている。

そして、この比較例１の水素分離装置８１に対して、前記実験例と同様なリーク測定装置を用い、同様な実験条件により、Ｈｅリーク試験を行った。
その結果、約０．５ｃｃ／ｍｉｎのリークが発生したので、実施例１に比べて気密性が低いことが分かる。

なお、前記図３において、金属箔部材４７の向き（図３に示す「上下の向き」）をその逆向きにしてもよい。この場合、図３に示す構造と同様なシール効果が得られる。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態のガスシール複合体が使用される水素分離装置について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

ａ）まず、本実施形態の水素分離装置の構成について説明する。
図６に示す様に、本実施形態の水素分離装置９１は、第１実施形態とほぼ同様に、水素分離筒９３、取付金具９５、固定金具９７、押圧金具９９、ガスシール複合体１０１を備えている。

また、水素分離筒９３の開放端１０３側（同図下方）の外周は、外側に環状に突出してフランジ１０５を構成しており、このフランジ１０５の下端と取付金具９５の下側端部から内周側に突出する段部１０７との間に、膨張黒鉛からなる環状のシール部材１０９を備えている。

本実施形態では、前記ガスシール複合体１０１は、第１実施形態と同様に、膨張黒鉛からなる一対のガスケット（先端側ガスケット１１１、基端側ガスケット１１３）と、両ガスケット１１１、１１３の間に挟まれた金属箔部材１１５とから構成されている。

図７（ａ）に拡大して示す様に、前記両ガスケット１１１、１１３は、膨張黒鉛からなる内径φ１０ｍｍ、外径φ１３ｍｍ、幅４ｍｍの耐熱性のガスケットである。
また、金属箔部材１１５は、例えば銀からなり、その厚みが１０〜１００μｍの範囲（例えば２０μｍ）のガスシール用の部材（箔）である。この金属箔部材１１５は、内径φ１０ｍｍ、外径φ１３ｍｍの環状中央部１１７と、環状中央部１１７の外周に沿って、先端側ガスケット１１１の外周に沿って（約０．２ｍｍ）先端側に伸びる外側環状先端部１１９と、環状中央部１１７の内周に沿って、先端側ガスケット１１１の内周に沿って（約０．２ｍｍ）先端側に伸びる内側環状先端部１２１とから構成されている。

つまり、金属箔部材１１５は、図７（ｂ）、（ｃ）に示す様に、その環状中央部１１７の上面が、先端側ガスケット１１１の下面（基端側の端面）に密着するとともに、環状中央部１１７の下面が、基端側ガスケット１１３の上面（先端側の端面）に密着し、更に、外側環状先端部１１９の内周面が、先端側ガスケット１１１の外周面に密着するとともに、内側環状先端部１２１の外周面が、先端側ガスケット１１１の内周面に密着している。これにより、先端側ガスケット１１１と基端側ガスケット１１３との間のガスのリークを完全に防止している。

ｂ）次に、水素分離装置９１の組付方法について説明する。
予め、先端側ガスケット１１１の軸方向の一方の端面（基端側の端面）に、金属箔部材１１５を同軸に配置し、密着させて一体とする（即ちガスシール複合体１０１の取付前形状とする）。

このとき、金属箔部材１１５の外径は先端側ガスケット１１１の外径より大きいので、金属箔部材１１５の外周縁部は、先端側ガスケット１１１の外周面より外側に環状に張り出している。同様に、金属箔部材１１５の内径は先端側ガスケット１１１の内径より小さいので、金属箔部材１１５の内周縁部は、先端側ガスケット１１１の内周面より内側に環状に張り出している。

次に、金属箔部材１１５の外周側及び内周側において先端側ガスケット１１１から張り出している部分を、先端側ガスケット１１１側に折り曲げて、先端側ガスケット１１１の外周面及び内周面に密着させる。

そして、前記図６に示す様に、環状のシール部材１０９を、取付金具９５の先端側の空間１２１に収容する。
次に、基端側ガスケット１１３を、水素分離筒９３に外嵌し、その水素分離筒９３の開放端１０３側を、取付金具９５の空間１２１に嵌める。

次に、先端側ガスケット１１１を、金属箔部材１１５側を下にして、水素分離筒９３に外嵌し、基端側ガスケット１１３に密着させる。
次に、先端側ガスケット１１１の上に、押圧金具９９を嵌める。

次に、水素分離筒９３の先端側より固定金具９７を外嵌し、固定金具９７を螺合することによって、押圧金具９９でガスシール複合体１０１を圧縮する。これにより、ガスシール複合体１０１が水素分離筒９３を締め付けて、水素分離装置９１が完成する。

ｃ）本実施形態によっても、前記第１実施形態と同様な効果を奏するとともに、特に本実施形態では、予め先端側ガスケット１１１の端面を覆うように金属箔部材１１５を配置するので、ガスシール複合体１０１を取付金具９５に取り付ける際に、金属箔部材１１５がずれにくいという利点、即ち薄膜の金属箔部材１１５の位置決めが容易であるという利点がある。

なお、前記図７において、金属箔部材１１５の向き（図７に示す「上下の向き」）をその逆向きにしてもよい。この場合、図７に示す構造と同様なシール効果が得られる。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態のガスシール複合体が使用される水素分離装置について説明するが、前記第２実施形態と同様な内容の説明は省略する。

ａ）まず、本実施形態の水素分離装置の構成について説明する。
図８に示す様に、本実施形態の水素分離装置１３１は、第２実施形態とほぼ同様に、水素分離筒１３３、取付金具１３５、固定金具１３７、押圧金具１３９、ガスシール複合体１４１を備えている。

本実施形態では、水素分離筒１３３の基端側のフランジ１４３の径が大きいので、そのフランジ１４３の上面にガスシール複合体１４１を配置している。
詳しくは、押圧部材１３９の下面とフランジ１４３の上面とに挟まれるように、円環状の一対のガスケット１４５、１４７、即ち、外径１２．５ｍｍ×内径１０ｍｍ×厚み２ｍｍの内側ガスケット１４５と、外径１５ｍｍ×内径１２．５ｍｍ×厚み２ｍｍの外側ガスケット１４７を備え、更に、両ガスケット１４５、１４７に挟まれるように、円環状の金属箔部材１４９が配置されている。

つまり、図９に示す様に、金属箔部材１４９は、内径１１ｍｍ×外径１４ｍｍの平板状の環状中央部１５１と、環状中央部１５１の下端の周囲において、外側ガスケット１４７の下面に沿って（約０．５ｍｍ）外側に張り出す環状外側部１５３と、環状中央部１５１の上端の周囲において、内側ガスケット１４５の上面に沿って（約０．５ｍｍ）内側に張り出す環状内側部１５５とから構成されている。

すなわち、金属箔部材１４９は、その環状中央部１５１の外周面が、外側ガスケット１４７の内周面に密着するとともに、環状中央部１５１の内周面が、内側ガスケット１４５の外周面に密着し、更に、環状外側部１５３の上面が、外側ガスケット１４７の下面に密着するとともに、環状内側部１５５の下面が、内側ガスケット１４５の上面に密着している。これにより、外側ガスケット１４７と内側ガスケット１４５との間のガスのリークを完全に防止している。

なお、フランジ１４３の下面と取付金具１３５の下端にて内側に環状に突出する凸部１５７の上面とに挟まれるように、他の環状ガスケット１５９を備えている。
ｂ）次に、水素分離装置１３１の組付方法について説明する。

前記図８に示す様に、まず、取付金具１３５の内部に、他の環状ガスケット１５９を配置する。
次に、取付金具１３５の内部に、水素分離筒１３３のフランジ１４３側を嵌める。

次に、取付金具１３５の内部において、水素分離筒１３３に外嵌するように、フランジ１４３の上面に内側ガスケット１４５を配置する。
次に、内側ガスケット１４５の上面に、開口部１４８（図９参照）を有する（曲げられていない状態の）円盤状の金属箔部材１４９を配置する。

次に、金属箔部材１４９上に、外側ガスケット１４７を置き、フランジ１４３側（下方）に押圧する。これによって、外側ガスケット１４７は内側ガスケット１４５の外側に嵌り込むとともに、金属箔部材１４９を断面Ｌ字状に折り曲げる。

次に、外側ガスケット１４７及び（内側ガスケット１４５上の）金属箔部材１４９の上に、押圧金具１３９を配置する。
次に、固定金具１３７を嵌め、この固定金具１３７によって押圧金具１３９を（従ってガスシール複合体１４１を）締め付けて、水素分離装置１３１を完成する。

本実施形態によっても、前記第１実施形態と同様な効果を奏する。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態のガスシール複合体が使用される水素分離装置について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

ａ）まず、本実施形態の水素分離装置の構造を説明する。
図１０に示す様に、本実施形態の水素分離装置１６１は、平板形の装置である。詳しくは、水素分離装置１６１は、直方体形状の例えばＳＵＳ３１６からなる容器１６３の内部に、原料ガスから水素を分離する平板状の水素分離板１６５を配置したものである。

このうち、水素分離板１６５は、一辺が５０ｍｍ、厚みが３ｍｍの正方形の板材であり、例えばＹＳＺ多孔体からなるセラミック支持体１６７の表面に、ＰｄＡｇ合金からなる水素分離膜１６９を形成したものである。

また、容器１６３の側方の一方には、原料ガスを水素分離板１６５で区分された原料ガス側の第１空間（同図下方側）１７１に供給する原料供給管１７３が設けられ、側方の他方の側には、同第１空間１７１から外部にオフガスを排出するためのオフガス排出管１７５が設けられている。

更に、容器１６３の一方の主面側には、水素分離板１６５によって分離された水素を、水素分離板１６５で区分された水素側の第２空間（同図上方側）１７７から外部に供給するための水素排出管１７９が設けられている。

特に本実施形態では、水素分離板１６５の上面（水素分離膜１６９側の表面）と容器１６３の平板状の上板１８１（同図上側）の下面とは、２ｍｍの間隔を保って平行とされており、この水素分離板１６５と上板１８１との間には、四角枠状のガスシール複合体１８３が配置されている。

このガスシール複合体１８３は、同心状に配置された（前記第３実施形態と同様な材料からなる）一対のガスケット（外側ガスケット１８５、内側ガスケット１８７）と、その間に配置された（前記第３実施形態と同様な材料からなる）金属箔部材１８９とから構成されている。

具体的には、前記図１１に示す様に、外側ガスケット１８５は、正方形の枠状（外側の１辺３９ｍｍ×幅５ｍｍ×高さ４ｍｍ）であり、外側ガスケット１８５の内側に配置された内側ガスケット１８７は、同様な正方形の枠状（外側の１辺２９ｍｍ×幅５ｍｍ×高さ４ｍｍ）である。また、金属箔部材１８９は、厚み０．１ｍｍの金属箔からなり、外側の１辺の長さが３５ｍｍで、幅が５ｍｍの正方形の枠状である。

この金属箔部材１８９は、前記図１０に示す様に、外側ガスケット１８５の内周面と内側ガスケット１８７の外周面とに挟まれて密着する正方形の枠状の環状中央部１９１と、外側ガスケット１８５の下面と水素分離板１６５の上面とに挟まれて密着する正方形の枠状の環状外側部１９３と、内側ガスケット１８７の上面と容器１６３の上面とに挟まれて密着する正方形の枠状の環状内側部１９５とから構成されている。

そして、前記水素分離板１６５と上材１８１とは、間にガスシール複合体１８３を挟んで、周囲をボルト１９７及びナット１９９によって固定されている。なお、水素分離板１６５の下側とナット１９９との間には、補強板１９８が配置されている。

ｂ）次に、本実施形態の水素分離装置１６１の動作を説明する。
前記図１０に示す様に、周囲の温度が６００℃の高温の状態で、例えば原料供給管１７３より容器１６３内の第１空間１７１に、例えばＨ₂を含む高圧（例えば０．８ＭＰａＧ）の原料ガスが供給されると、原料ガスは水素分離板１６５にて水素と他のガスとが分離され、分離された水素は第２空間１７７から水素排出管１７９を介して、外部に供給される。

一方、原料供給管１７３より第１空間１７１に供給された原料ガスのうち、水素に分離された残りのガス（オフガス）は、オフガス排出管１７５を介して外部に排出される。
本実施形態においても、前記第３実施形態と同様な効果を奏する。

ｃ）次に、本実施形態の水素分離装置１６１の効果を確認するために行ったガスリークの実験例について説明する。
・この実験例（Ｈｅリーク試験）では、図１２に示す様に、水素分離装置１６１のオフガス排出管１７５を封止し、水素排出管１７９を石鹸膜流量計２０３に接続した。

そして、前記各実験例と同様に、原料供給管１７３から、０．８ＭＰａＧのＨｅガスを供給し、水素排出管１７９から排出されるＨｅガスを石鹸膜流量計２０３で測定するようにした。そして、この状態で、前記各実験例と同様に、周囲温度を室温〜６００℃に変更する熱サイクルを１０回実施し、その際のＨｅガスのリーク量を石鹸膜流量計２０３によって測定した。

この実験の結果、Ｈｅガスのリーク量は０であり、本実施形態の水素分離装置１６１の気密性が高いことが確認できた。
・また、比較例２として、図示しないが、第４実施形態のガスシール複合体に代えて、正方形の枠状（外側の１辺３９ｍｍ×幅１０ｍｍ×厚み４ｍｍ）の（前記ガスケットと同様な材料からなる）ガスケットのみを用いた水素分離装置を作製した。

そして、この比較例２の水素分離装置を用いて、前記と同様な装置及び条件で、Ｈｅリーク試験を行った。
その結果、約１ｃｃ／ｍｉｎのリークが発生したので、第４実施形態に比べて気密性が低いことが分かる。
［第５実施形態］
次に、第５実施形態のガスシール複合体が使用される水素分離装置について説明するが、前記第１実施形態と同様な内容の説明は省略する。

本実施形態の水素分離装置は、前記第４実施形態のような平板状の装置を積層したものである。
図１３に示す様に、本実施形態の水素分離装置２０１は、複数の水素分離板２０３と直方体形状の金属製（例えばＳＵＳ３１６）の薄型容器２０５とを交互に積層した積層体２０７を、金属製（例えばＳＵＳ３１６）の外側容器２０９内に収容したものである。

前記水素分離板２０３は、Ｎｉ−ＹＳＺ多孔体からなる第１層２３１と、その両側に配置された、ＹＳＺ多孔体からなる第２層２３３と、ＰｄＡｇ合金膜からなる水素分離膜２３５とから構成されている。なお、上下両端の水素分離板２０３は、内側のみ第２層２３３と水素分離膜２３５とが形成されている。

前記外側容器２０９には、原料ガスを供給する原料供給管２１１と、オフガスを排出するオフガス排出管２１３とが設けられている。また、各薄型容器２０５の側方には、水素分離板２０３にて分離された水素を外部に排出するために水素排出管２１５が設けられている。

なお、前記積層体２０７が外側容器２０９に収容される際、原料供給管２１１側とオフガス排出管２１３側以外には簡単なガスシールがなされており（図示しない）、原料供給管２１１側から導入された原料ガスが積層体２０７の中を透過しないでオフガス排出管２１３に流れるのを防いでいる。

前記積層体２０７は、図１４に示す様に、水素分離板２０３と薄型容器２０５とを、前記第４実施形態と同様なガスシール複合体２１７を介して積層し、その積層したものを、板厚方向の両側から板材２１９、２２１で挟んで、ボルト等で固定したものである。

このうち、前記ガスシール複合体２１７は、前記第４実施形態と同様に、四角枠状の外側の膨張黒鉛から外側ガスケット２２５と、四角枠状の内側の膨張黒鉛からなる内側ガスケット２２７と、両ガスケット２２５、２２７の間に配置された、四角枠状の銀からなる金属箔部材２２９とから構成されている。

また、前記各薄型容器２０５の厚み方向の両側（同図上下方向）の中央部分には、上下両側の水素分離膜２３５側にそれぞれ開口する（第４実施形態の水素排出管の排出孔に相当する）開口部（図示せず）が形成されている。

本実施形態によっても、前記第４実施形態と同様な効果を奏するとともに、水素分離板２０３が多数積層されているので、コンパクトな装置で、多くの水素を分離供給できるという利点がある。
［第６実施形態］
次に、第６実施形態について説明するが、前記第４実施形態と同様な内容の説明は省略する。

本実施形態は、前記第４実施形態と同様なガスシール複合体を固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に適用したものである。
具体的には、図１５に示す様に、本実施形態は、第４実施形態と同様なガスシール複合体を、直方体形状の（例えばＳＵＳ４３０からなる）金属製の容器３０１の中に、原料ガスと酸化剤ガス（空気）とを用いて発電を行う板状の発電セル３０３を配置したＳＯＦＣ３０５に適用したものである。

このＳＯＦＣ３０５では、容器３０１の上板３０７と発電セル３０３との間に、前記第４実施形態と同様に、四角枠状のガスシール複合体３０９を配置して、ボルト３１１及びナット３１３等で締め付けて固定している。

また、前記ガスシール複合体３０９は、前記第４実施形態と同様に、一対の四角枠状のガスケット３１５、３１７の間に四角枠状の金属箔部材３１９を配置したものである。なお、ガスケット３１５、３１７は膨張黒鉛ではなく、例えば、マイカ等を使用できる。

前記容器３０１の一方の側方には、原料ガスを（同図下側の）燃料ガス流路３２１に供給する原料供給管３２３が取り付けられており、他方の側方には、発電後の排ガスを燃料ガス流路から外部に排出するためのオフガス排出管３２５が取り付けられている。

また、容器３０１の上板３０７には、空気を容器３０１内の（同図上方の）ガスシール複合体３０９で囲まれた空気流路３２７に供給するための空気導入管３２９と、発電後の空気を外部に排出するための空気排出管３３１が取り付けられている。

なお、前記発電セル３０３は、図示しないが、ＬＳＣＦからなる空気極と、ＧＤＣからなる反応防止層と、ＹＳＺからなる固体電解質層と、Ｎｉ−ＹＳＺ多孔体からなる燃料極とが順次積層されたものである。

このＳＯＦＣ３０５では、Ｈ₂、ＣＨ₄、Ｈ₂Ｏ、ＣＯを含む原料ガスを、原料供給管３２３を介して燃料ガス流路３２１に供給するとともに、空気を、空気導入管３２９を介して空気流路３２７に供給することにより、発電セル３０３にて発電を行う。

上述した構成のＳＯＦＣ３０５においても、前記第４実施形態と同様なガスシール複合体３０９を備えていることにより、上板３０７と発電セル３０３との間を確実に気密して、原料ガスと空気とを好適に分離することができる。

尚、本発明は前記実施形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、前記第１実施形態のガスシール複合体に代えて、例えば図１６（ａ）に示す様に、先端側ガスケット４０１と基端側ガスケット４０３に挟まれた部分のみに、環状の金属箔部材４０５を配置したガスシール複合体４０７を用いてもよい。

（２）また、前記第３実施形態のガスシール複合体に代えて、例えば図１６（ｂ）に示す様に、外側ガスケット４１１と内側ガスケット４１３に挟まれた部分のみに、円筒状の金属箔部材４１５を配置したガスシール複合体４１７を用いてもよい。

１、８１、９１、１３１、１６１、２０１…水素分離装置（水素製造装置）
３、７１、９３、１３３…水素分離筒
５、７３、９５、１３５…取付金具
７、１０１、１４１、１８３、２１７、３０９、４０７、４１７…ガスシール複合体
９、７７、９９、１３９…押圧金具
１１、７５、９７、１３７…固定金具
４３、４５、７９、１１１、１１３、１４５、１４７、１８５、１８７、２２５、２２７、３１５、３１７、４０１、４０３、４１１、４１３…ガスケット
４７、１１５、１４９、１８９、２２９、３１９、４０５、４１５…金属箔部材
１６５、２０３…水素分離板
１８１、３０７…上板
３０５…固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）

Claims (3)

1. 金属部材と、前記金属部材に対向して配置される相手部材との間に配置されて、前記金属部材と前記相手部材との間隙をガスシールするガスシール複合体において、
   前記金属部材と前記相手部材との間に配置されて該金属部材と該相手部材との間隙をそれぞれガスシールする一対のガスケットと、
   前記金属部材と前記相手部材との間隙を閉塞するように、前記一対のガスケットの間に挟まれるとともに該一対のガスケットに密着して配置された金属箔と、
   を備え、
   前記一対のガスケット及び前記金属箔は筒状であり、
   前記金属箔は、一方のガスケットの軸方向における端面を覆うとともに、該端面に隣接する内周面の端部と該端面に向かい合う他方のガスケットの端面に隣接する外周面の端部とを覆うように、軸方向に沿って折れ曲がっていることを特徴とするガスシール複合体。
2. 前記金属箔の厚みは、１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のガスシール複合体。
3. 前記金属部材と前記金属部材に対向して配置される相手部材との間に、前記金属部材と前記相手部材との間隙をガスシールする前記請求項１又は２に記載のガスシール複合体を備えたことを特徴とするガスシール複合体を備えた装置。