JPH11114358A

JPH11114358A - 気体分離体

Info

Publication number: JPH11114358A
Application number: JP28164697A
Authority: JP
Inventors: Keiichiro Watanabe; 敬一郎渡邊; Shinji Kawasaki; 真司川崎; Kiyoshi Okumura; 清志奥村; Shigenori Ito; 重則伊藤; Makoto Murai; 真村井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1999-04-27
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: JP3828997B2

Abstract

(57)【要約】【課題】イオン伝導膜によって気体を分離する方式の気
体分離体において、気体分離体の強度を保持しつつイオ
ン伝導膜の面積を増大させ、気体分離膜の基体への付着
強度を向上させ、原料ガスの淀みを最小限に抑制する。【解決手段】気体分離体７０が基体６０とイオン伝導性
の気体分離膜６９とを備える。基体６０が、多孔質材料
からなるハニカム構造体６４と、ハニカム構造体の各貫
通孔６５、６７をそれぞれ塞いでいる多孔質材料製の封
孔部６１、６６とからなる。気体分離膜６９がハニカム
構造体６４の一方の端面６０ａ側において少なくとも封
孔部６１、６６の表面および貫通孔６５の内壁面を被覆
しており、ハニカム構造体の一方の端面６０ａ側と他方
の端面６０ｂ側との間で気体分離膜６９によって気密性
が保持されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン伝導式の気
体分離装置に使用するための気体分離体に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】多くの成分を含有する混合ガスから特定
のガス成分のみを得る方法として、有機または無機物質
からなるガス分離膜によって特定のガス成分のみを分離
する方法が知られている。こうした酸化分離膜として
は、オルガノポリシロキサン−ポリカーボネート共重合
膜、ゼオライトによるモレキュラーシーブ（分子ふる
い）膜が知られており、水素分離膜としては、ポリイミ
ド膜、ポリスルホン膜が知られている。

【０００３】特開昭６３−１５６５１６号公報によれ
ば、特定の混合導電体を混合焼結することによって、酸
化イオンの伝導に都合の良い粒界を増大させ、混合伝導
体の酸化イオン伝導率σを向上させている。

【０００４】また、本出願人は、特開平９−２４２３３
号公報において、多孔質の基体の気孔を緻密質マトリッ
クスによって充填し、緻密質マトリックスにイオン伝導
性を付与する技術を開示した。これによって、気体分離
体の気密性と気体分離能力を向上させることを狙ってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記したよう
な各気体分離体には、次のような問題点があった。即
ち、前記の混合焼結体においては、異種の粒子の粒界を
増大させることはできるが、この粒界は連続的には生成
していないので、異種粒子の界面が、酸素イオン濃度の
高い側から低い側へと向かって連続しておらず、酸素イ
オン伝導率を十分に向上させることができない。

【０００６】水素イオン伝導膜や酸素イオン伝導膜等の
分野においては、気体分離効率を向上させるために、気
体分離膜を薄くし、かつ面積を増加させることが必須で
ある。しかし、こうした気体分離膜は機械的強度が低い
ので、薄膜化および面積の増大が困難である。特に、気
体分離膜の一部に亀裂が入ると、膜の全体にわたって亀
裂が進展する性質があるので、信頼性が低い。そして気
体分離膜を薄くし、また面積を増加させると、いっそう
亀裂が発生、進展し易くなる。従って、気体分離膜の薄
膜化および面積の増大には限界があり、このために気体
分離性能にも限界がある。

【０００７】更に、多孔質基体の気孔中にイオン伝導性
の緻密質マトリックスを生成させる技術は、気体分離膜
の機械的強度の低さという問題点を克服する上で極めて
有効であった。しかし、この場合には多孔質基体の気孔
中にガスが淀み易いという問題があることが判明してき
た。即ち、多孔質基体の一方の側からその気孔内に例え
ば酸素とアルゴンとの混合ガスを供給し、酸素のみを多
孔質基体の他方の側に分離した場合、多孔質基体の気孔
内には多数の三相界面が存在しているので、初期は酸素
の分離が迅速に行われる。しかし、時間の経過につれ
て、気孔の三相界面付近に存在しているガス中の酸素濃
度が減少するのにもかかわらず、この減損したガスが気
孔の外部へと排出されにくく、淀む傾向があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、イオ
ン伝導膜によって気体を分離する方式の気体分離体にお
いて、気体分離体の強度を保持しつつイオン伝導膜の面
積を増大させ、かつ気体分離膜の基体への付着強度を向
上させることであり、また処理対象である原料ガスの淀
みを最小限に抑制できるようにすることである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、イオン伝導式
の気体分離体であって、この気体分離体が基体とイオン
伝導性の気体分離膜とを備えており、基体が、多孔質材
料からなるハニカム構造体と、このハニカム構造体の各
貫通孔をそれぞれ塞いでいる多孔質材料製の封孔部とか
らなり、気体分離体がハニカム構造体の一方の端面側に
おいて少なくとも封孔部の表面および貫通孔の内壁面を
被覆しており、ハニカム構造体の一方の端面側と他方の
端面側との間で気体分離膜によって気密性が保持されて
いることを特徴とする。

【００１０】本発明者は、新規な構造の気体分離体を提
供するべく、研究を行っていたが、この過程で、多孔質
材料からなるハニカム構造体の各貫通孔を、それぞれ、
多孔質材料製の封孔部によって塞ぎ、イオン伝導性の気
体分離膜を、ハニカム構造体の少なくとも一方の端面側
において封孔部の表面および貫通孔の内壁面を被覆する
ように設けることを想到した。こうした気体分離体によ
れば、気体分離膜が、多孔質基体の各封孔部の表面と各
貫通孔の内壁面とにわたって一体に設けられているため
に、気体分離膜の多孔質基体への密着性が良好であり、
気体分離膜の表面積が大きくなるし、多孔質基体の厚さ
を低減しても、多孔質基体が基本的にハニカム構造体か
らなっているので、その強度が比較的に高い。

【００１１】しかも、気体分離膜は多孔質基体の開気孔
の中ではなく、多孔質基体の表面に形成されているの
で、開気孔内における原料ガスの淀みを防止できる。

【００１２】こうした気体分離体は、次のようにして作
製できる。基体の一方の端面側に、気体分離膜の材料と
なる金属化合物のガスを供給し、基体の他方の端面側に
酸化性ガスを供給することによって、基体の一方の端面
側において少なくとも封孔部の表面および貫通孔の内壁
面を被覆するように気体分離膜を生成させることに成功
した。

【００１３】この際、最初に化学的気相成長（ＣＶＤ）
プロセスによって化合物が生成するが、この段階では完
全に緻密な物質は生成しない。しかし、上記のＣＶＤ反
応が終結し、ほぼ気密な物質が生成し、多孔質基体の一
方の端面側と他方の端面側との間で気体の流通が阻害さ
れるようになると、今度は、酸化性ガスに含まれる酸素
が酸素イオンとなってこの物質内を透過し、この透過し
たイオンが電気化学的気相反応プロセスによって金属化
合物ガスと反応し、更に連続的に気体分離膜を生成す
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】多孔質基体の材質、および封孔部
の材質は、セラミックスが特に好ましい。具体的には、
アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、スピネ
ル、マグネシア、石英、コージェライト、ランタンマン
ガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンクロマイト
およびこれらの複合酸化物を好適な材料として例示でき
る。また、これらの各材質は同種のものであることが好
ましい。

【００１５】多孔質基体および封孔部の気孔率は、それ
ぞれ１０％−５０％であることが好ましい。

【００１６】ハニカム構造体の外形は、柱状であっても
よく、平板形状であってもよい。本発明において、ハニ
カム構造体の端面とは、ハニカム構造体の貫通孔が開口
している面のことを言う。ハニカム構造体の端面の平面
的形状は、特に制限はなく、六角形、四角形、三角形、
矩形、真円形、楕円形であってよい。また、ハニカム構
造体の各貫通孔の平面的形状も特に制限はなく、六角
形、四角形、三角形、矩形、真円形、楕円形であってよ
い。各貫通孔の有効直径は、０．１〜２０ｍｍであるこ
とが好ましく、各貫通孔の面積は１０^-3ｍｍ²〜４００
ｍｍ²であることが好ましい。各貫通孔を仕切る隔壁の
厚さは、１００μｍ〜１ｍｍが好ましい。

【００１７】気体分離膜を構成する構成物質としては、
イオン伝導性と電子伝導性とを備えている材質を採用す
ることができる。こうした材質としては、次のものが特
に好ましい。

【００１８】（１）ＳｒＦｅＣｏｘＯδ組成で、この化
合物の中でも、ＳｒＦｅＣｏ_0.5Ｏδが好ましい。

【００１９】（２）（Ｌａ_1-x・Ｃ_x）（Ｄ）Ｏ₃の構
造式を有するペロブスカイト構造体。Ｃは、ＩＩａ族元
素およびＩＩＩａ族元素からなる群より選ばれた一種以
上の元素である。Ｄは、マンガン、クロム、鉄、コバル
トおよびマグネシウムからなる群より選ばれた一種以上
の元素である。ｘは０〜０．５である。Ｃは、カルシウ
ムおよびストロンチウムからなる群より選ばれた一種以
上の金属元素が特に好ましく、Ｄは、クロム、マンガ
ン、コバルトが特に好ましい。

【００２０】（３）バリウムとセシウムとのペロブスカ
イト型複合酸化物であって、その金属イオンの一部がガ
ドリニウムイオンで置換されている複合酸化物からなる
混合導電体。

【００２１】（４）イットリア安定化ジルコニア、カル
シア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア。

【００２２】好ましくは、基体が、封孔部として、貫通
孔の一方の端面側の開口を塞ぐ一方の封孔部と、貫通孔
の他方の端面側の開口を塞ぐ他方の封孔部とを備えてい
る。この場合において、基体を一方の端面側から見たと
きに、平面的に見て一方の封孔部と他方の封孔部とが隣
接していることが好ましい。特に好適な形態において
は、基体を一方の端面側から見たときに、平面的に見て
一方の封孔部が他方の封孔部と隣接しており、他の一方
の封孔部とは隣接しておらず、他方の封孔部が一方の封
孔部と隣接しており、他の他方の封孔部とは隣接してい
ない。こうした実施形態について述べる。

【００２３】図１（ａ）は、多孔質基体９をその一方の
端面９ａ側から見た正面図であり、図１（ｂ）は、多孔
質基体９の側面図であり、図１（ｃ）は、多孔質基体９
をその他方の端面９ｂ側から見た正面図であり、図１
（ｄ）は、図１（ａ）のＩｄ−Ｉｄ線断面図である。

【００２４】多孔質基体９は、ハニカム構造体２１を備
えている。ハニカム構造体２１には、所定個数の貫通孔
１、３が規則的に設けられており、各貫通孔は、外枠２
２および隔壁２３によって互いに分離されている。各貫
通孔１、３は、ハニカム構造体２１の各端面９ａ、９ｂ
に向かって開口している。各端面９ａ、９ｂは、それぞ
れ長方形または正方形であり、各貫通孔１、３の各開口
も同様に長方形または正方形である。

【００２５】本例では、多孔質基体の一方の端面９ａ側
にある一方の封孔部２によって、各貫通孔３の開口が塞
がれており、多孔質基体の他方の端面９ｂ側にある他方
の封孔部４によって、各貫通孔１の開口が塞がれてい
る。基体を一方の端面９ａ側から見たときに（図１
（ａ）を参照）、一方の封孔部２の四周が、それぞれ他
方の封孔部４に隣接しており、他の一方の封孔部２とは
隣接していない。同様に、他方の封孔部４の四周が、そ
れぞれ一方の封孔部２に隣接しており、他の他方の封孔
部４とは隣接していない。

【００２６】この多孔質基体９に対して、金属化合物ガ
スおよび酸化性ガスを供給し、多孔質基体９の一方の端
面９ａ側に緻密質膜を形成することによって、図３に示
すような気体分離体２５を得る。

【００２７】この際には、例えば図２に模式的に示す気
相成長装置を使用する。この装置の反応チャンバー６の
外縁部を包囲するようにヒーター８が設けられており、
チャンバー６の内側で反応を進行させる。金属化合物原
料を、目的組成となるように混合し、混合物を粉末供給
装置５内に収容する。チャンバー６内には基体支持管２
０が突出しており、この中に酸化性ガス導入管１６が突
出している。この導入管１６上に多孔質基体９を設置
し、ヒーター８を発熱させる。多孔質基体９の一方の端
面９ａは、チャンバー内の空間１４に面しており、他方
の端面９ｂは、基体支持管２０内に面している。

【００２８】金属化合物の原料粉末のキャリアガスを供
給し、このキャリアガスを矢印Ｃのように気化器７に通
して金属化合物ガスとし、チャンバー６内の空間１４に
流し、矢印Ａのように、多孔質基体９の一方の端面９ａ
側に供給する。一方、例えばアルゴンと酸素との混合ガ
スを加湿器１５に通し、酸素と水分とを含む酸化性ガス
を得、この酸化性ガスを配管１７を通して導入管１６内
に供給し、矢印Ｂのように多孔質基体９の他方の端面９
ｂ側に供給する。

【００２９】基体支持管２０の中に配管１９が挿入され
ており、配管１９は弁１２Ｂを介して真空ポンプ１３Ｂ
に連結されている。また、チャンバー６の反応空間１４
に配管１８が挿入されており、配管１８は弁１２Ａを介
して真空ポンプ１３Ａに連結されている。各配管に圧力
計１０Ａ、１０Ｂが連結されている。配管１８と１９と
の間に、弁付きの差圧計１１が設けられている。真空ポ
ンプ１３Ａ、１３Ｂを作動させ、弁１２Ａ、１２Ｂおよ
び差圧計を調節することによって、チャンバー６内の空
間１４の圧力と、酸化性ガス側の圧力との差を調節す
る。

【００３０】この結果、図３（ａ）、（ｂ）に示すよう
な気体分離体２５が得られる。たたし、図３（ａ）、
（ｂ）は、それぞれ、図１（ａ）においてＩＩＩａ−Ｉ
ＩＩａ線、ＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿って切ってみたと
きの断面を示している。

【００３１】気体分離膜２４は、多孔質基体９の一方の
端面９ａ側に設けられており、一方の封孔部２の表面を
被覆する部分２４ａ、貫通孔１の内壁面を被覆する部分
２４ｂ、他方の封孔部４の表面を被覆する部分２４ｃを
備えている。これらの各部分は互いにつながっており、
全体として一方の端面側と他方の端面側との間で気密性
が保持されている。この気体分離体２５は、保持板２７
およびシール材２６に対して固定されている。

【００３２】以下、具体的な実験結果について述べる。
図１−図３を参照しつつ説明した前記手順にしたがっ
て、図３に示す気体分離体２５を製造した。詳細を以下
に示す。

【００３３】（ハニカム構造体の作製）平均粒径１μｍ
のマグネシア−アルミナスピネル粉末１００重量部、メ
チルセルロース４重量部、セルロース３重量部および水
を混合し、この混合物を混練し、坏土を調製した。真空
土練機を用いて、直径８０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円柱
形状の坏土成形体を調製した。この坏土成形体を押出機
に投入し、押出成形し、長さ１１ｍｍの押出成形体を得
た。ただし、口金として、各貫通孔の断面形状が正方形
であり、壁の厚さが０．５ｍｍであり、ピッチが２．４
ｍｍであり、外側寸法５５ｍｍ×５５ｍｍの口金を使用
した。

【００３４】次に、前記マグネシア−アルミナスピネル
粉末にバインダーを添加してペーストを製造し、このペ
ーストを各貫通孔３の開口に充填し、封孔部２を成形し
た。次いで、ハニカム構造体を反転させ、前記のペース
トを各貫通孔１の開口に充填し、封孔部４を成形した。

【００３５】この成形体を脱脂し、得られた脱脂体を電
気炉内に収容し、１５００℃で３時間焼成し、外側寸法
５０ｍｍ×５０ｍｍ、長さ１０ｍｍの直方体形状の焼成
体を得た。この焼成体から試料を切り出し、その気孔率
を測定したところ、ハニカム構造体の部分は２５％であ
り、封孔部は２７％であった。

【００３６】（気体分離膜の形成）図２を参照しつつ説
明した前記方法に従って、反応を実施した。ＬａＣ
ｌ₃、ＭｎＣｌ₂の原料粉末を、反応後の膜の組成がＬ
ａＭｎＯ₃となるように秤量し、混合し、この混合粉末
を粉末供給装置５に入れた。多孔質基体９をセットし、
電気炉を１３００℃まで昇温し、前記の塩化物原料の混
合粉末を３００分間供給し、反応を行わせた。

【００３７】塩化物原料の混合粉末のキャリアガスとし
てアルゴンガスを使用し、アルゴンガスを１２０ｃｃ／
分で供給した。酸素ガスを、加湿器１５内で４０℃の水
槽でバブリングさせることによって酸化性ガスを得、こ
の酸化性ガスを１５０ｃｃ／分で導入管１７内に供給し
た。塩化物ガス側の圧力を１Ｔｏｒｒとし、酸化性ガス
側の圧力を０．５Ｔｏｒｒとした。

【００３８】反応後、図３（ａ）に示す断面を顕微鏡で
観察した。気体分離膜２４の厚さは３０μｍであった。

【００３９】こうして得られた気体分離体の気密性およ
び気体伝導効率を評価した。具体的には、気体分離体２
５を保持板２７にシール板を使って組み込み、１０００
℃で焼き付け、図４に模式的に示す評価装置の中に組み
込んだ。

【００４０】アルミナ管３２と３３との間に試料２５を
設置し、加熱し、シール材２６を溶融させてシールし
た。上側のアルミナ管３２の内側空間３０内に挿入され
ている供給管２９に対して、矢印Ｄのようにアルゴンガ
スを供給した。また、下側のアルミナ管３３の内側空間
３４内に挿入されている供給管３６に対して、矢印Ｆの
ように空気を供給した。各ガスは、各供給管２９，３６
から各内側空間３０、３４内へと流入する。電気炉のヒ
ーター８によって気体分離体の温度を１０００℃に上昇
させた。

【００４１】各アルミナ管３２，３３からそれぞれ矢印
Ｅ，Ｇのように排出されてきた各ガスを、ガス分析計３
７によって分析する。この結果、アルゴンガスの出口側
（矢印Ｅ側）のガスをガスクロマトグラフィーで測定し
たところ、アルゴンと微量の酸素とを検出した。

【００４２】アルゴンガス側から窒素が検出されなかっ
たことにより、気体分離体２５と保持板２７との間から
はリークがないことを確認した。アルゴンガス中の酸素
濃度を酸素分析計によって測定したところ、３．５％で
あった。

【００４３】この後、空気側（アルミナ管３３側）に導
入するガスを、空気からアルゴンに切替えると、酸素分
析計からの酸素量の測定値は減少し、最終的には５ｐｐ
ｍとなった。これらの結果から、気体分離体によって酸
素を分離できることを確認した。

【００４４】また、例えば図５、図６に示すような気体
分離装置に対して本発明を適用できる。図５（ａ）、
（ｂ）に示す気体分離装置４１の容器４２の外周にはヒ
ーターが設けられており、容器４２の中に気体分離用モ
ジュール４４が設置されている。モジュール４４は、例
えば３個の気体分離体２５を備えており、隣り合う気体
分離体２５は互いにシール部材２６によって気密に結合
されている。モジュール４４の両端部には、それぞれ隔
離板４５が気密に結合されている。

【００４５】例えば、容器４２においてモジュール４４
の一方の側の通路４３へと矢印Ｌのように空気を導入
し、かつモジュール４４の他方の側の通路４６へと矢印
Ｍのようにアルゴンを導入し、同時にヒーターによって
例えば９００℃に加熱し、容器内の温度を９００℃に保
持する。この状態で矢印Ｊのように空気を排出させると
共に、矢印Ｋのように排出されるアルゴンガスを採取
し、採取したガスをガスクロマトグラフ４８によって分
析し、あるいは、採取したガス中の酸素濃度を酸素分析
計４７によって分析できる。

【００４６】図６に模式的に示す気体分離装置９１の中
に気体分離体２５を組み込める。気体分離装置９１の容
器５３の外周にヒーター８が設けられており、容器５３
の中に気体分離用モジュール５７が設置されている。容
器５３内には、互いに平行に延びる隔壁５２が設けられ
ており、隔壁５２によって気体通路が入口５５と出口５
８との間で蛇行する。

【００４７】モジュール５７は、例えば６個の気体分離
体２５を備えており、隣り合う気体分離体２５は、互い
に分離板５４およびシール部材２６によって気密に結合
されている。モジュール５７の両端部には、それぞれ隔
離板４５が気密に結合されており、各隔離板４５が入口
５５および出口５８内で延びている。

【００４８】容器５３の入口５５において、モジュール
５７の一方の側の通路５１へと矢印Ｌのように例えば空
気を導入し、かつモジュール５７の他方の側の通路５６
へと矢印Ｍのように例えばアルゴンを導入する。これと
同時に、ヒーター８によって加熱する。この状態で矢印
Ｊのように空気を排出させると共に、矢印Ｋのように排
出されるアルゴンガスを採取し、採取したガスをガスク
ロマトグラフ４８によって分析する。また、採取したガ
ス中の酸素濃度を酸素分析計４７によって測定する。

【００４９】次いで、ハニカム構造体内の各貫通孔が細
長い場合について、本発明の実施形態を述べる。図７
（ａ）は、多孔質基体６０をその一方の端面６０ａ側か
ら見た正面図であり、図７（ｂ）は、多孔質基体６０の
断面図であり、図７（ｃ）は、多孔質基体６０をその他
方の端面６０ｂ側から見た正面図である。

【００５０】多孔質基体６０は、細長いハニカム構造体
６４を備えている。ハニカム構造体６４には、所定個数
の貫通孔６５、６７が規則的に設けられており、各貫通
孔は、外枠６２および隔壁６３によって互いに分離され
ている。各端面６０ａ、６０ｂは、それぞれ長方形また
は正方形であり、各貫通孔６５、６７の各開口も、同様
に長方形または正方形である。

【００５１】多孔質基体の一方の端面６０ａ側にある一
方の封孔部６１によって、各貫通孔６７の開口が塞がれ
ており、多孔質基体の他方の端面６０ｂ側にある他方の
封孔部６６によって、各貫通孔６５の開口が塞がれてい
る。多孔質基体を一方の端面６０ａ側から見たときに、
一方の封孔部６１の四周が、それぞれ他方の封孔部６６
に隣接しており、他の一方の封孔部６１とは隣接してい
ない。同様に、他方の封孔部６６の四周が、それぞれ一
方の封孔部６１に隣接しており、他の他方の封孔部６６
とは隣接していない。

【００５２】この多孔質基体６０に気体分離膜を形成す
るためには、例えば図８に模式的に示す気相成長装置を
使用する。図８の装置の要部は、図２に示した装置と同
様であるので、図２に示した構成部分と同じ構成部分に
は同じ符号を付け、その説明を省略する。チャンバー６
内には、基体支持管２０が突出している。この支持管２
０上に、多孔質基体６０の他方の端面側を接触させ、基
体６０を設置する。２６はシール材である。基体６０の
他方の端面６０ｂは、基体支持管２０の内側空間に通じ
ている。

【００５３】金属化合物ガスの原料を、矢印Ｃのように
チャンバー６内に流し、気化器７に通し、基体６０の一
方の端面６０ａ側に矢印Ａのように供給する。酸化性ガ
スを導入管１７内に矢印Ｎのように供給する。この導入
管１７の先端側から矢印Ｂのように酸化ガスを流す。

【００５４】これによって、図９（ａ）、（ｂ）に示す
気体分離体７０を得る。気体分離膜６９は、多孔質基体
６０の一方の端面６０ａ側に設けられており、一方の封
孔部６１の表面を被覆する部分６９ａ、貫通孔６５の内
壁面を被覆する部分６９ｂ、他方の封孔部６６の表面を
被覆する部分６９ｃを備えている。これらの各部分は互
いにつながっており、全体として一方の端面側と他方の
端面側との間で気密性が保持されている。

【００５５】図９（ｂ）は図９（ａ）の気体分離体７０
を端面６０ｂ側から見た正面図である。気体分離体７０
の周囲が、保持板２７に対して、シール材２６を介して
気密に取りつけられている。

【００５６】以下、図７〜図９を参照しつつ説明した方
法に従って、気体分離体７０を作製し、その機能を確認
した。

【００５７】（ハニカム構造体の作製）前記したスピネ
ル坏土の成形体を押出機に投入し、押出成形し、前記の
ようにして焼成し、ピッチ１１ｍｍ、断面形状正方形、
外側寸法５６ｍｍ×５６ｍｍ、長さ２００ｍｍのハニカ
ム構造体を得た。

【００５８】次に、前記スピネル粉末にバインダーを添
加してペーストを製造し、このペーストを各貫通孔６７
の開口に充填し、封孔部６１を成形した。次いで、ハニ
カム構造体を反転させ、前記のペーストを各貫通孔６５
の開口に充填し、封孔部６６を成形した。次いで、各封
孔部の成形部分を乾燥し、１５００℃で３時間焼成する
ことによって、各封孔部を製造した。

【００５９】（気体分離膜の形成）図８を参照しつつ説
明した前記方法に従って、反応を実施し、ランタンマン
ガナイトの緻密な膜６９を形成した。これに基体と同じ
材質のスピネル製の保持板２７を取りつけた。これを図
４に示すような評価装置に組み込み、前述したようにし
て酸素分離試験を行った。

【００６０】ただし、アルミナ管３２と３３との間に試
料７０を設置し、加熱し、シール材２６を溶融させてシ
ールした。上側のアルミナ管３２の内側空間３０内に挿
入されている供給管２９に対して、矢印Ｄのようにアル
ゴンガスを供給した。また、下側のアルミナ管３３の内
側空間３４内に挿入されている供給管３６に対して、矢
印Ｆのように空気を供給した。電気炉のヒーター８によ
って気体分離体の温度を９００℃に上昇させた。

【００６１】アルゴンガスの出口側（矢印Ｅ側）のガス
をガスクロマトグラフィーで測定したところ、アルゴン
と微量の酸素とを検出した。アルゴンガス側から窒素が
検出されなかったことにより、気体分離体７０と保持板
２７との間からはリークがないことを確認した。アルゴ
ンガス中の酸素濃度を酸素分析計によって測定したとこ
ろ、５％であった。

【００６２】この後、空気側（アルミナ管３３側）に導
入するガスを、空気からアルゴンに切替えると、酸素分
析計からの酸素量の測定値は減少し、最終的には５ｐｐ
ｍとなった。これらの結果から、気体分離体によって酸
素を分離できることを確認した。

【００６３】本発明の好適な態様においては、一方の封
孔部および／または他方の封孔部によって塞がれている
貫通孔が、ハニカム構造体の側面に開口する各流通孔を
通してハニカム構造体の一方の封孔部側の外部空間ない
し他方の封孔部側の外部空間に連通している。これによ
って、原料ガスをハニカム構造体の各貫通孔内に連続的
に供給し、常に新鮮な原料ガスを気体分離膜に対して接
触させることができる。図１０〜図１２はこの実施形態
に係るものである。

【００６４】図１０（ａ）は気体分離体７１を模式的に
示す正面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のＸｂ
−Ｘｂ線断面図であり、図１１（ａ）は図１０（ａ）の
ＸＩａ−ＸＩａ線断面図であり、図１１（ｂ）は図１０
（ａ）のＸＩｂ−ＸＩｂ線断面図である。図１２は、気
体分離体７１を使用した気体分離装置の一例を模式的に
示す断面図である。

【００６５】気体分離体７１の多孔質基体９３は、細長
いハニカム構造体９４を備えている。ハニカム構造体９
４には、所定個数の貫通孔７２、７６が設けられてお
り、各貫通孔は、外枠６２および隔壁６３によって互い
に分離されている。基体の各端面９３ａ、９３ｂは、そ
れぞれ長方形または正方形であり、各貫通孔７２、７６
の各開口も、同様に長方形または正方形である。

【００６６】多孔質基体の一方の端面９３ａ側にある一
方の封孔部９５によって、各貫通孔７６の開口が塞がれ
ており、多孔質基体の他方の端面９３ｂ側にある他方の
封孔部７４によって、各貫通孔７２の開口が塞がれてい
る。各貫通孔７２は列状に並んでおり、かつ各貫通孔７
６も列状に並んでいる。

【００６７】気体分離膜７５は、多孔質基体９３の一方
の端面９３ａ側に設けられており、一方の封孔部９５の
表面を被覆し、貫通孔７２の内壁面を被覆し、かつ、他
方の封孔部７４の貫通孔７２に面する内壁面を被覆して
いる。

【００６８】各貫通孔７２の他方の封孔部７４側の端部
においては、それぞれ、隔壁６３に流通孔７３が設けら
れており、隣接する貫通孔７２の端部がそれぞれ連通し
ている。また、ハニカム構造体の外枠６２においても、
貫通孔７２の他方の封孔部７４側の端部において流通孔
７８が設けられており、これによって貫通孔７２がハニ
カム構造体の外側空間に連通している。

【００６９】各貫通孔７６の一方の封孔部９５側の端部
においては、それぞれ、隔壁６３に流通孔７７が設けら
れており、隣接する貫通孔７６の端部がそれぞれ連通し
ている。また、ハニカム構造体の外枠６２においても、
貫通孔７６の一方の封孔部９５側の端部において流通孔
７９が設けられており、これによって貫通孔７６がハニ
カム構造体の外側空間に連通している。

【００７０】（ハニカム構造体の作製）前記したスピネ
ル坏土の成形体を押出機に投入し、押出成形し、前記の
ようにして焼成し、ピッチ１１ｍｍ、断面形状正方形、
外側寸法５６ｍｍ×５６ｍｍ、長さ１００ｍｍのハニカ
ム構造体を得た。

【００７１】次に、前記スピネル粉末にバインダーを添
加してペーストを製造し、このペーストを各貫通孔７６
の開口に充填し、封孔部９５を成形した。次いで、ハニ
カム構造体を反転させ、前記のペーストを各貫通孔７２
の開口に充填し、封孔部７４を成形した。次いで、各封
孔部の成形部分を乾燥し、１５００℃で３時間焼成する
ことによって、各封孔部を製造した。次いで、各流通孔
７３、７８、７７、７９を形成した。

【００７２】（気体分離膜の形成）図８を参照しつつ説
明した前記方法に従って、反応を実施し、ランタンマン
ガナイトの緻密な膜７５を形成した。これを、図１２に
模式的に示すような評価装置に組み込み、酸素分離試験
を行った。

【００７３】容器８３の外周にはヒーター８が設けられ
ており、容器８３の中に気体分離体７１が設置されてい
る。基体の一方の端面９３ａ側は保持部材８１によって
シール材２６を介して気密に保持されており、他方の端
面９３ｂ側は保持部材８２によってシール材２６を介し
て気密に保持されている。容器８３内の空間は、隔離板
８４およびシール材２６によって８５と８６とに区分さ
れている。各シール材を溶融させてシールを行う。

【００７４】基体の一方の端面９３ａ側へと導入管８１
ａから矢印ａのように空気を導入した。空気は、矢印Ｐ
のように各貫通孔７２内を流れ、各流通孔７３、７８を
矢印Ｑ、Ｒのように流れ、矢印Ｖのように空間８６内を
通過し、矢印Ｗのように容器外に排出される。また、基
体の他方の端面９３ｂ側へと導入管８２ａから矢印Ｚの
ようにアルゴンを導入した。アルゴンは、矢印Ｓのよう
に各貫通孔７６内を流れ、各流通孔７７、７９を矢印
Ｔ、Ｕのように流れ、矢印Ｘのように空間８５内を通過
し、矢印Ｙのように容器外に排出される。

【００７５】空気およびアルゴンの導入と同時に、ヒー
ター８によって９００℃に加熱し、容器内の温度を９０
０℃に保持した。採取したアルゴンガスをガスクロマト
グラフィーによって分析し、アルゴンと微量の酸素を検
出した。アルゴンガス側から窒素が検出されなかったこ
とにより、気体分離体等からはリークがないことを確認
した。

【００７６】アルゴンガス中の酸素濃度を酸素分析計に
よって測定したところ、３％であった。この後、空気を
アルゴンに切替えると、酸素分析計からの酸素量の測定
値は減少し、最終的には５ｐｐｍとなった。これらの結
果から、気体分離体によって酸素を分離できることを確
認した。

【００７７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、イ
オン伝導膜によって気体を分離する方式の気体分離体に
おいて、気体分離体の強度を保持しつつイオン伝導膜の
面積を増大させ、かつ気体分離膜の基体への付着強度を
向上させることであり、また処理対象である原料ガスの
淀みを最小限に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、多孔質基体９をその一方の端面９ａ
側から見た正面図であり、（ｂ）は、多孔質基体９の側
面図であり、（ｃ）は、多孔質基体９をその他方の端面
９ｂ側から見た正面図であり、（ｄ）は、（ａ）のＩｄ
−Ｉｄ線断面図である。

【図２】気相成長装置を模式的に示す図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、気体分離体２５
を、図１（ａ）においてＩＩＩａ−ＩＩＩａ線、ＩＩＩ
ｂ−ＩＩＩｂ線に沿って切ったときの断面図である。

【図４】本発明で使用しうる気体分離装置の例を模式的
に示す図である。

【図５】（ａ），（ｂ）は、本発明で使用しうる気体分
離装置４１の一例を模式的に示す図である。

【図６】本発明で使用しうる気体分離装置９１の他の例
を模式的に示す図である。

【図７】（ａ）は、多孔質基体６０をその一方の端面６
０ａ側から見た正面図であり、（ｂ）は、多孔質基体６
０の断面図であり、（ｃ）は、多孔質基体６０をその他
方の端面６０ｂ側から見た正面図である。

【図８】本発明で使用しうる他の気体分離装置の例を模
式的に示す図である。

【図９】（ａ）は他の実施形態に係る気体分離体７０を
示す断面図であり、（ｂ）は、図９（ａ）の気体分離体
７０を他方の端面６０ｂ側から見た正面図である。

【図１０】（ａ）は、本発明の更に他の実施形態で使用
する気体分離体７１を示す正面図であり、（ｂ）は、図
１０（ａ）のＸｂ−Ｘｂ線断面図である。

【図１１】（ａ）は、図１０（ａ）のＸＩａ−ＸＩａ線
断面図であり、（ｂ）は、図１０（ａ）のＸＩｂ−ＸＩ
ｂ線断面図である。

【図１２】図１０の気体分離体７１を組み込んだ気体分
離装置の一例を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１、３、６５、６７、７２、７６貫通孔２、６１、
９５一方の封孔部４、６６、７４他方の封孔部
９、６０、９３多孔質基体２４、６９、７５気体
分離膜２５、７０、７１気体分離体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤重則愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内 (72)発明者村井真愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号日本碍子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン伝導式の気体分離体であって、この
気体分離体が基体とイオン伝導性の気体分離膜とを備え
ており、前記基体が、多孔質材料からなるハニカム構造
体と、このハニカム構造体の各貫通孔をそれぞれ塞いで
いる多孔質材料製の封孔部とからなり、前記気体分離体
が前記ハニカム構造体の一方の端面側において少なくと
も前記封孔部の表面および前記貫通孔の内壁面を被覆し
ており、前記ハニカム構造体の前記一方の端面側と他方
の端面側との間で前記気体分離膜によって気密性が保持
されていることを特徴とする、気体分離体。
【請求項２】前記気体分離膜がイオン伝導性と電子伝導
性とを備えていることを特徴とする、請求項１記載の気
体分離体。
【請求項３】前記基体が、前記封孔部として、前記貫通
孔の前記一方の端面側の開口を塞ぐ一方の封孔部と、前
記貫通孔の他方の端面側の開口を塞ぐ他方の封孔部とを
備えていることを特徴とする、請求項１または２記載の
気体分離体。
【請求項４】前記基体を前記一方の端面側から見たとき
に、平面的に見て前記一方の封孔部と前記他方の封孔部
とが隣接していることを特徴とする、請求項３記載の気
体分離体。
【請求項５】前記基体を前記一方の端面側から見たとき
に、平面的に見て前記一方の封孔部が前記他方の封孔部
と隣接しており、他の前記一方の封孔部とは隣接してお
らず、前記他方の封孔部が前記一方の封孔部と隣接して
おり、他の前記他方の封孔部とは隣接していないことを
特徴とする、請求項４記載の気体分離体。
【請求項６】前記他方の封孔部によって塞がれている前
記貫通孔が、前記ハニカム構造体の側面に開口する流通
孔を通して前記ハニカム構造体の前記他方の封孔部側の
外部空間に連通していることを特徴とする、請求項３〜
５のいずれか一つの請求項に記載の気体分離体。
【請求項７】前記一方の封孔部によって塞がれている前
記貫通孔が、前記ハニカム構造体の側面に開口する流通
孔を通して前記ハニカム構造体の前記一方の封孔部側の
外部空間に連通していることを特徴とする、請求項３〜
６のいずれか一つの請求項に記載の気体分離体。