(57)【要約】【課題】  水素分離膜と電解質膜との接触面積を確保することができる水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれらの製造方法を提供する。【解決手段】  水素分離膜（１００）は、水素透過性を有する水素分離膜（１００）であって、水素透過性を有する第１線材（１０）を含む金属網を備えることを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜（１００）は、複数の第１線材（１０）を含む金属網を備えることから、水素分離膜（１００）の表面には凹凸が形成される。それにより、水素分離膜（１００）上に形成される電解質膜と水素分離膜（１００）との接触面積が増加する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素透過性を有する水素分離膜であって、
水素透過性を有する第１線材を含む金属網を備えることを特徴とする水素分離膜。
【請求項２】
前記金属網は、前記第１線材と異なる物性を有する第２線材を含むことを特徴とする請求項１記載の水素分離膜。
【請求項３】
前記第２線材は、前記第１線材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有することを特徴とする請求項２記載の水素分離膜。
【請求項４】
前記第２線材は、前記第１線材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項２記載の水素分離膜。
【請求項５】
前記第２線材は、前記第１線材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有することを特徴とする請求項２記載の水素分離膜。
【請求項６】
前記第１線材は、芯材と水素透過性を有する被覆材とからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の水素分離膜。
【請求項７】
前記被覆材は、前記芯材と異なる物性を有することを特徴とする請求項６記載の水素分離膜。
【請求項８】
前記芯材は、前記被覆材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有することを特徴とする請求項７記載の水素分離膜。
【請求項９】
前記芯材は、前記被覆材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項７記載の水素分離膜。
【請求項１０】
前記芯材は、前記被覆材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有することを特徴とする請求項７記載の水素分離膜。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の水素分離膜と、
前記水素分離膜上に設けられ、プロトン伝導性を有する電解質膜とを備えることを特徴とする水素分離膜−電解質膜接合体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の水素分離膜−電解質膜接合体と、
前記水素分離膜−電解質膜接合体の、前記水素分離膜と反対側の面に設けられたカソードとを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
水素透過性を有する水素分離膜の製造方法であって、
水素透過性を有する第１線材を含む金属網を形成する金属網形成工程を含むことを特徴とする水素分離膜の製造方法。
【請求項１４】
前記金属網形成工程は、前記第１線材を含む複数の線材を平畳織りする工程であることを特徴とする請求項１３記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項１５】
前記金属網形成工程は、前記第１線材を含む複数の線材を平織りする工程であることを特徴とする請求項１３記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項１６】
前記金属網形成工程は、前記第１線材を含む複数の線材をむしろ織りする工程であることを特徴とする請求項１３記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項１７】
前記金属網は、前記第１線材と異なる物性を有する第２線材を含むことを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項１８】
前記第２線材は、前記第１線材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有することを特徴とする請求項１７記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項１９】
前記第２線材は、前記第１線材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１７記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項２０】
前記第２線材は、前記第１線材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有することを特徴とする請求項１７記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項２１】
前記第１線材は、芯材と水素透過性を有する被覆材とからなることを特徴とする請求項１３〜２０のいずれかに記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項２２】
前記被覆材は、前記芯材と異なる物性を有することを特徴とする請求項２１記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項２３】
前記芯材は、前記被覆材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有することを特徴とする請求項２２記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項２４】
前記芯材は、前記被覆材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有することを特徴とする請求項２２記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項２５】
前記芯材は、前記被覆材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有することを特徴とする請求項２２記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項２６】
請求項１３〜２５のいずれかに記載の製造方法により製造された水素分離膜上に、プロトン伝導性を有する電解質膜を成膜する電解質膜成膜工程を含むことを特徴とする水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項２７】
前記金属網形成工程と前記電解質膜成膜工程との間に、前記金属網の前記電解質膜が成膜される面に水素透過性層を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２６記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法により製造された前記水素分離膜−電解質膜接合体の前記水素分離膜と反対側の面に、カソードを形成する工程を含むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
燃料電池のうち固体の電解質を用いたものには、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、水素分離膜電池等がある。ここで、水素分離膜電池とは、緻密な水素分離膜を備えた燃料電池である。緻密な水素分離膜は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、アノードとしても機能する。水素分離膜電池は、この水素分離膜上にプロトン伝導性を有する電解質膜が積層された構造をとっている。水素分離膜に供給された水素はプロトンに変換され、プロトン伝導性の電解質中を移動し、カソードにおいて酸素と結合して発電が行われる。
【０００４】
水素分離膜電池は、水素分離膜の上に電解質膜を成膜する方法により製造される。このとき、水素分離膜の電解質膜が成膜される面を研磨した後に電解質膜を成膜する（例えば、特許文献１参照）。この場合、水素分離膜表面の酸化物を除去することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−３２７５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、水素分離膜の研磨面の凹凸が減る。それにより、水素分離膜と電解質膜との界面接触面積が小さくなる。その結果、発電性能が低下するといった問題が生じる。
【０００７】
本発明は、水素分離膜と電解質膜との接触面積を確保することができる水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれらの製造方法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】
【０００８】
本発明に係る水素分離膜は、水素透過性を有する水素分離膜であって、水素透過性を有する第１線材を含む金属網を備えることを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜は、複数の第１線材を含む金属網を備えることから、水素分離膜の表面には凹凸が形成される。この場合、水素分離膜の表面積が増加する。それにより、水素分離膜上に形成される電解質膜と水素分離膜との接触面積が増加する。
【０００９】
上記構成において、金属網は、第１線材と異なる物性を有する第２線材を含むものであってもよい。上記構成において、第２線材は、第１線材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有するものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜の引っ張り強さが向上する。上記構成において、第２線材は、第１線材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜の熱膨張を抑制することができる。上記構成において、第２線材は、第１線材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜の水素膨張が抑制される。
【００１０】
上記構成において、第１線材は、芯材と水素透過性を有する被覆材とからなるものであってもよい。上記構成において、被覆材は、芯材と異なる物性を有するものであってもよい。上記構成において、芯材は、被覆材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有するものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜の引っ張り強さが向上する。上記構成において、芯材は、被覆材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜の熱膨張が抑制される。上記構成において、芯材は、被覆材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、水素分離膜の水素膨張が抑制される。
【００１１】
本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体は、請求項１〜１０のいずれかに記載の水素分離膜と、水素分離膜上に設けられ、プロトン伝導性を有する電解質膜とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体においては、水素分離膜の表面積が増加する。この場合、水素分離膜上に形成される電解質膜と水素分離膜との接触面積が増加する。それにより、水素分離膜と電解質膜とのプロトン変換効率が向上する。
【００１２】
本発明に係る燃料電池は、請求項１１に記載の水素分離膜−電解質膜接合体と、水素分離膜−電解質膜接合体の水素分離膜と反対側の面に設けられたカソードとを備えることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、水素分離膜の表面積が増加する。この場合、水素分離膜上に形成される電解質膜と水素分離膜との接触面積が増加する。それにより、水素分離膜と電解質膜とのプロトン変換効率が向上する。その結果、発電性能を向上させることができる。
【００１３】
本発明に係る水素分離膜の製造方法は、水素透過性を有する水素分離膜の製造方法であって、水素透過性を有する第１線材を含む金属網を形成する金属網形成工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜の製造方法においては、水素分離膜の表面に凹凸が形成される。この場合、水素分離膜の表面積が増加する。それにより、水素分離膜上に形成される電解質膜と水素分離膜との接触面積が増加する。
【００１４】
上記製造方法において、金属網形成工程は、第１線材を含む複数の線材を平畳織りする工程であってもよい。上記製造方法において、金属網形成工程は、第１線材を含む複数の線材を平織りする工程であってもよい。上記製造方法において、金属網形成工程は、第１線材を含む複数の線材をむしろ織りする工程であってもよい。
【００１５】
上記製造方法において、金属網は、第１線材と異なる物性を有する第２線材を含むものであってもよい。上記製造方法において、第２線材は、第１線材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有するものであってもよい。この構成によれば、引っ張り強さの強い水素分離膜を製造することができる。上記製造方法において、第２線材は、第１線材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、熱膨張を抑制することができる水素分離膜を製造することができる。上記製造方法において、第２線材は、第１線材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、水素膨張を抑制することができる水素分離膜を製造することができる。
【００１６】
上記製造方法において、第１線材は、芯材と水素透過性を有する被覆材とからなるものであってもよい。上記製造方法において、被覆材は、芯材と異なる物性を有するものであってもよい。上記製造方法において、芯材は、被覆材の引張り強さよりも大きい引張り強さを有するものであってもよい。この構成によれば、引っ張り強さの強い水素分離膜を製造することができる。上記製造方法において、芯材は、被覆材の熱膨張係数よりも小さい熱膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、熱膨張を抑制することができる水素分離膜を製造することができる。上記製造方法において、芯材は、被覆材の水素膨張係数よりも小さい水素膨張係数を有するものであってもよい。この構成によれば、水素膨張を抑制することができる水素分離膜を製造することができる。
【００１７】
本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法は、請求項１３〜２５のいずれかに記載の製造方法により製造された水素分離膜上に、プロトン伝導性を有する電解質膜を成膜する電解質膜成膜工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法においては、水素分離膜の表面に凹凸が形成される。この場合、水素分離膜の表面積が増加する。それにより、水素分離膜上に形成される電解質膜と水素分離膜との接触面積が増加する。その結果、水素分離膜と電解質膜とのプロトン変換効率が向上する。
【００１８】
上記製造方法において、金属網形成工程と電解質膜成膜工程との間に、金属網の電解質膜が成膜される面に水素透過性層を形成する工程をさらに含むものであってもよい。この構成によれば、電解質膜に欠陥が生じることを抑制することができる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池の製造方法は、請求項２７に記載の水素分離膜−電解質膜接合体の製造方法により製造された水素分離膜−電解質膜接合体の水素分離膜と反対側の面に、カソードを形成する工程を含むことを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の製造方法においては、水素分離膜の表面に凹凸が形成される。この場合、水素分離膜の表面積が増加する。それにより、水素分離膜上に形成される電解質膜と水素分離膜との接触面積が増加し、水素分離膜と電解質膜とのプロトン変換効率が向上する。その結果、発電性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、水素分離膜と電解質膜との接触面積を確保することができる水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池ならびにそれらの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００２２】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、本発明の第１実施例に係る水素分離膜１００を示した模式図である。図１（ａ）は水素分離膜１００の平面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、水素分離膜１００は、複数の第１線材１０が平畳織りされた金属網構造を有する。ここで、平畳織りとは、縦線と横線とが一本ずつ相互に交わっており、かつ、縦線または横線のいずれかが互いに相接して並んだもので、畳表のような織り方をいう。
【００２３】
第１線材１０は、水素を選択的に透過する水素透過性金属からなる。それにより、水素分離膜１００も水素透過性を有する。第１線材１０を構成する材料は、水素透過性を有していれば特に限定されるものではない。第１線材１０としては、例えば、Ｐｄ（パラジウム）、Ｖ（バナジウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｎｂ（ニオブ）等の金属、または、これらの合金等を用いることができる。本実施例においては、第１線材１０としてＰｄを用いる。第１線材１０の線径は、特に限定されないが、１０μｍ〜３０μｍ程度である。この場合、水素分離膜１００の膜厚は、３０μｍ〜９０μｍ程度になる。
【００２４】
本実施例に係る水素分離膜１００においては複数の第１線材１０が平畳織りされていることから、水素分離膜１００の表面には凹凸が形成される。この場合、水素分離膜１００の表面積が増加する。それにより、水素分離膜１００上に形成される電解質膜と水素分離膜１００との接触面積が増加する。その結果、水素分離膜１００と電解質膜との剥離強度が向上するとともに、プロトン変換効率が向上する。
【００２５】
ここで、圧延によって形成された水素分離膜の表面を研磨すると、研磨面に局所的に大きい凹凸または尖った凸部が形成されることがある。これに比較して、本実施例に係る水素分離膜１００の表面には、平畳織りによって略均一で滑らかな凹凸が形成される。この場合、電解質膜に局所的な応力がかかることを抑制することができる。それにより、電解質膜の割れ、剥離等を抑制することができる。また、水素分離膜１００が複数の第１線材１０から構成されることから、熱膨張、水素膨張等に起因する歪は、各第１線材１０に分散される。
【００２６】
また、カソード側とアノード側との短絡を抑制するためには、上記凹凸が覆われるような電解質膜を成膜することが好ましい。この場合、局所的に大きい凹凸があると電解質膜の膜厚を大きくしなければならないが、本実施例においては電解質膜の膜厚を小さくすることができる。
【００２７】
なお、複数の第１線材１０の線径は、略同一であることが好ましい。水素分離膜１００の表面の凹凸が均一化されるからである。また、第１線材１０の断面は、円形に限られず、楕円形、矩形等の他の形状であってもよい。また、平畳織りによる方法においては、縦線または横線のいずれかが互いに相接するため、線材同士の隙間が小さくなる。
【００２８】
（変形例１）
続いて、本実施例の変形例１について説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、本実施例の変形例１に係る水素分離膜１００ａを示した模式図である。図２（ａ）は水素分離膜１００ａの平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、水素分離膜１００ａは、第１線材１０が平織りされた金属網構造を有する。ここで、平織りとは、縦線と横線とが一本ずつ交互に交わった織り方のことをいう。その他の構成は、図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであるため、説明を省略する。
【００２９】
変形例１に係る水素分離膜１００ａにおいても、水素分離膜１００ａの表面には凹凸が形成されるため、水素分離膜１００ａの表面積が増加する。また、水素分離膜１００ａの表面には、平織りによって略均一な凹凸が形成されるため、水素分離膜１００ａ上に形成される電解質膜に局所的な応力がかかることを抑制することができる。さらに、水素分離膜１００ａが複数の第１線材１０から構成されることから、熱膨張、水素膨張等に起因する歪は、各第１線材１０に分散される。また、カソード側とアノード側との短絡を抑制しつつ電解質膜を薄膜化することができる。
【００３０】
（変形例２）
続いて、本実施例の変形例２について説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）は、本実施例の変形例２に係る水素分離膜１００ｂを示した模式図である。図３（ａ）は水素分離膜１００ｂの平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、水素分離膜１００ｂは、第１線材１０がむしろ織りされた金属網構造を有する。ここで、むしろ織りとは、第１線材１０を数本ずつ一括して織ったむしろ状の織り方をいう。その他の構成は、図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであるため、説明を省略する。
【００３１】
変形例２に係る水素分離膜１００ｂにおいても、水素分離膜１００ｂの表面には凹凸が形成されるため、水素分離膜１００ｂの表面積が増加する。また、水素分離膜１００ｂの表面には、むしろ織りによって略均一な凹凸が形成されるため、水素分離膜１００ｂ上に形成される電解質膜に局所的な応力がかかることを抑制することができる。さらに、水素分離膜１００ｂが複数の第１線材１０から構成されることから、熱膨張、水素膨張等に起因する歪は、各第１線材１０に分散される。また、カソード側とアノード側との短絡を抑制しつつ電解質膜を薄膜化することができる。
【００３２】
（変形例３）
続いて、本実施例の変形例３について説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、本実施例の変形例３に係る水素分離膜１００ｃを示した模式図である。図４（ａ）は水素分離膜１００ｃの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、水素分離膜１００ｃは、複数の第１線材１０と複数の第２線材２０とが平畳織りされた金属網構造を有する。第２線材２０は、第１線材１０と異なる物性を有する線材からなる。その他の構成は、図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであるため、説明を省略する。
【００３３】
例えば、第２線材２０は、第１線材１０に比較して引っ張り強さの大きい線材からなる。第１線材１０がＰｄからなる場合、第２線材２０として、ステンレス（ＳＵＳ）等を用いることができる。この場合、水素分離膜１００ｃの引っ張り強さが向上する。例えば、第２線材２０は１〜数本おきに織りこまれている。
【００３４】
また、第２線材２０は、第１線材１０に比較して引っ張り強さが大きく、かつ、水素透過性を有するものであってもよい。例えば、第１線材１０がＰｄからなる場合、第２線材２０は、Ｐｄと銀（Ａｇ）、ロジウム（Ｒｈ）、白金（Ｐｔ）等との合金、ＰｄとＰｔと金（Ａｕ）との合金、ＰｄとＡｕとＰｔとＲｈとの合金等が用いられる。この場合、第２線材２０は水素透過性を有するため、水素分離膜１００ｃの引っ張り強さが向上するとともに、水素分離膜１００ｃの水素透過性を確保することができる。
【００３５】
また、第２線材２０は、第１線材１０に比較して小さい熱膨張係数を有するものであってもよい。例えば、第１線材１０がＰｄからなる場合、第２線材２０としてＳＵＳ等を用いることができる。この場合、水素分離膜１００ｃの熱膨張を抑制することができる。それにより、水素分離膜１００ｃ上に成膜される電解質膜の割れ、剥離等を抑制することができる。
【００３６】
また、第２線材２０は、第１線材１０に比較して小さい水素膨張係数を有するものであってもよい。例えば、第１線材１０がＰｄからなる場合、第２線材２０として、ＰｄとＡｕ、Ｐｔ、Ｒｈ等との合金、ＳＵＳ等を用いることができる。この場合、水素分離膜１００ｃの水素膨張を抑制することができる。
【００３７】
なお、変形例３において、水素分離膜１００ｃは、複数の第１線材１０と複数の第２線材２０とが、平織り、むしろ織り等の他の織り方で織られた金属網構造を有するものであってもよい。
【００３８】
（変形例４）
続いて、本実施例の変形例４について説明する。図５（ａ）および図５（ｂ）は、本実施例の変形例４に係る水素分離膜１００ｄを示した模式図である。図５（ａ）は水素分離膜１００ｄの平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、水素分離膜１００ｄは、複数の第１線材１０ｄが平畳織りされた金属網構造を有する。その他の構成は、図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであるため、説明を省略する。
【００３９】
ここで、第１線材１０ｄの断面図を図６に示す。図６に示すように、第１線材１０ｄは、芯材３０および被覆材３５からなる。芯材３０の外周は、被覆材３５で被覆されている。被覆材３５は、水素透過性金属からなる。被覆材３５としては、例えばＰｄ、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ等の金属、または、これらの合金等を用いることができる。変形例４においては、被覆材３５としてＰｄを用いる。被覆材３５は、芯材３０の外周に、メッキ等によってコーティングすることにより形成される。芯材３０は、被覆材３５と異なる物性を有する材料からなる。芯材３０の線径は、特に限定されないが、１０μｍ〜３０μｍ程度である。また、被覆材３５の厚みは、特に限定されないが、１μｍ〜５μｍ程度である。
【００４０】
芯材３０は、被覆材３５よりも引っ張り強さの大きいものであってもよい。例えば、被覆材３５がＰｄからなる場合、芯材３０としてＳＵＳ等を用いることができる。この場合、水素分離膜１００ｄの引っ張り強さが向上する。また、ＳＵＳはＰｄよりも安価であるため、水素分離膜１００ｄの製造コストを低減することができる。
【００４１】
また、芯材３０は、被覆材３５に比較して引っ張り強さが大きく、かつ、水素透過性を有するものであってもよい。例えば、被覆材３５がＰｄからなる場合、芯材３０として、ＰｄとＡｇ、Ｒｈ、Ｐｔ等との合金、ＰｄとＰｔとＡｕとの合金、ＰｄとＡｕとＰｔとＲｈとの合金等を用いることができる。この場合、水素分離膜１００ｄの引っ張り強さが向上するとともに、水素分離膜１００ｄの水素透過性を確保することができる。
【００４２】
また、芯材３０は、被覆材３５よりも小さい熱膨張係数を有するものであってもよい。例えば、被覆材３５がＰｄからなる場合、芯材３０としてＳＵＳ等を用いることができる。この場合、水素分離膜１００ｄの熱膨張を抑制することができる。それにより、水素分離膜１００ｄ上に成膜される電解質膜の割れ、剥離等を抑制することができる。
【００４３】
また、芯材３０は、被覆材３５よりも小さい水素膨張係数を有するものであってもよい。例えば、被覆材３５がＰｄからなる場合、芯材３０としてＳＵＳ、あるいは、ＰｄとＡｕ、Ｐｔ、Ｒｈ等との合金が用いられる。この場合、水素分離膜１００ｄの水素膨張を抑制することができる。
【００４４】
また、芯材３０は、被覆材３５よりも高い水素透過性を有するものであってもよい。例えば、被覆材３５がＰｄからなる場合、芯材３０としてＶを用いることができる。Ｖは、Ｐｄよりも水素透過性が高く、かつ安価である。したがって、水素分離膜１００ｄの水素透過性が向上するとともに、製造コストが低減される。また、Ｐｄは耐酸化性を有することから、Ｖの酸化を抑制することができる。
【００４５】
また、水素分離膜１００ｄは、図４（ａ）および図４（ｂ）に示した水素分離膜１００ｃにおいて、第１線材１０の代わりに第１線材１０ｄを有するものであってもよい。あるいは、第２線材２０の代わりに第１線材１０ｄを有するものであってもよい。また、水素分離膜１００ｄは、複数の第１線材１０ｄが平織りあるいはむしろ織りされた金属網構造を有するものであってもよい。
【実施例２】
【００４６】
続いて、本発明の第２実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体１５０について説明する。図７は、水素分離膜−電解質膜接合体１５０の模式的断面図である。図７に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１５０は、実施例１に係る水素分離膜１００と、水素分離膜１００上に設けられた電解質膜１２０とを備える。
【００４７】
電解質膜１２０は、プロトン伝導性を有する電解質からなる。電解質膜１２０は、特に限定されないが、例えばＳｒＺｒ（１−ｘ）ＩｎｘＯ３（Ｓｒ：ストロンチウム、Ｚｒ：ジルコニウム、Ｉｎ：インジウム）のようなＡＢ（１−ｘ）ＭｘＯ３構造を有するペロブスカイト構造を有する電解質を電解質膜１２０として用いることができる。また、電解質膜１２０の膜厚は、特に限定されないが、例えば１μｍ程度である。その他の構成は実施例１と同じであるため、説明を省略する。
【００４８】
本実施例における水素分離膜−電解質膜接合体１５０においては、水素分離膜１００の表面には凹凸が形成されるため、水素分離膜１００の表面積が増加する。それにより、水素分離膜１００上に形成される電解質膜１２０と水素分離膜１００との接触面積が増加する。その結果、水素分離膜１００と電解質膜１２０との剥離強度が向上するとともに、プロトン変換効率が向上する。また、水素分離膜１００の表面には、平織りによって略均一な凹凸が形成されるため、電解質膜１２０に局所的な応力がかかることを抑制することができる。それにより、電解質膜１２０の割れ、剥離等を抑制することができる。さらに、水素分離膜１００が複数の第１線材１０から構成されることから、熱膨張、水素膨張等に起因する歪は、各第１線材１０に分散される。また、カソード側とアノード側との短絡を防止しつつ電解質膜１２０を薄膜化することができる。
【００４９】
なお、水素分離膜１００の代わりに、実施例１の変形例１〜変形例４に示した水素分離膜１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄのいずれかを用いてもよい。
【実施例３】
【００５０】
続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池２００について説明する。図８は、燃料電池２００の模式的断面図である。図８に示すように、燃料電池２００は、図７に示した実施例２に係る水素分離膜−電解質膜接合体１５０と、水素分離膜−電解質膜接合体１５０の水素分離膜１００と反対側の面に形成されたカソード１４０とを備える。カソード１４０は、酸素とプロトンとの反応を促進するための触媒として機能する。カソード１４０としては、例えば、Ｌａ０．６Ｓｒ０．４ＣｏＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＭｎＯ３、Ｌａ０．５Ｓｒ０．５ＦｅＯ３等のセラミックスを用いることができる。本実施例においては、水素分離膜１００は、電解質膜１２０を支持および補強する支持体として機能するとともに、燃料ガスが供給されるアノードとしても機能する。その他の構成は、図７に示した水素分離膜−電解質膜接合体１５０と同じであるため、説明を省略する。
【００５１】
続いて、燃料電池２００の動作について説明する。燃料電池２００では、まず、水素を含有する燃料ガスが水素分離膜１００に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜１００を透過して電解質膜１２０に到達する。電解質膜１２０に到達した水素は、プロトンと電子とに解離する。プロトンは、電解質膜１２０を伝導し、カソード１４０に到達する。一方、酸素を含有する酸化剤ガスは、カソード１４０に供給される。カソード１４０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード１４０に到達したプロトンとから、水が発生するとともに、電力が発生する。以上の動作により、燃料電池２００による発電が行われる。
【００５２】
燃料電池２００においては、水素分離膜１００と電解質膜１２０とのプロトン変換効率が向上することから、電流密度が増加する。また、電解質膜１２０を薄膜化することができることから、内部抵抗を低下させることができる。さらに、電解質膜１２０の割れ、剥離等を抑制することができることから、発電性能低下を抑制することができる。
【００５３】
なお、本実施例において、水素分離膜１００の代わりに、実施例１の変形例１〜変形例４に係る水素分離膜１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄのいずれかを用いてもよい。
【００５４】
（製造方法）
続いて、水素分離膜１００、水素分離膜−電解質膜接合体１５０および燃料電池２００の製造方法について説明する。図９（ａ）〜図９（ｃ）および図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、水素分離膜１００、水素分離膜−電解質膜接合体１５０および燃料電池２００の製造方法を示した模式図である。なお、実施例１〜実施例３に示した部材と同じ部材には同じ記号を付し、説明を省略する。
【００５５】
まず、図９（ａ）に示すように、水素透過性金属からなる第１線材１０を準備する。第１線材１０は、市販品を購入してもよく、製造してもよい。なお、第１線材１０は、例えば、水素透過性金属を押し出し加工することにより製造することができる。次に、図９（ｂ）に示すように、複数の第１線材１０を平畳織りすることにより金属網を形成する。これにより、水素分離膜１００が完成する。図９（ｃ）に、水素分離膜１００の模式的断面図を示す。
【００５６】
次に、図１０（ａ）に示すように、水素分離膜１００上に、電解質膜１２０を成膜する。この場合、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）等の方法を用いることができる。これにより水素分離膜−電解質膜接合体１５０が完成する。図１０（ｂ）に、水素分離膜−電解質膜接合体１５０の模式的断面図を示す。
【００５７】
次に、図１０（ｃ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１５０の水素分離膜１００と反対側の面に、カソード１４０を形成する。この場合、スクリーン印刷法等の方法を用いることができる。これにより、燃料電池２００が完成する。図１０（ｄ）に、燃料電池２００の模式的断面図を示す。
【００５８】
上記製造方法によれば、水素分離膜１００の表面に凹凸が形成されるため、水素分離膜１００の表面積が増加する。それにより、水素分離膜１００上に形成される電解質膜１２０と水素分離膜１００との接触面積が増加する。その結果、水素分離膜１００と電解質膜１２０との剥離強度が向上するとともに、プロトン変換効率が向上する。また、水素分離膜１００の表面には、平畳織りによって略均一な凹凸が形成されるため、電解質膜１２０に局所的な応力がかかることを抑制することができる。それにより、電解質膜１２０の割れ、剥離等を抑制することができる。さらに、水素分離膜１００が複数の第１線材１０から構成されることから、熱膨張、水素膨張等に起因する歪は、各第１線材１０に分散される。また、カソード側とアノード側との短絡を防止しつつ電解質膜１２０を薄膜化することができる。
【００５９】
なお、図９（ｂ）に示す金属網を形成する工程において、第１線材１０を平畳織りする代わりに、図２に示したように第１線材１０を平織りしてもよく、あるいは図３に示したように第１線材１０をむしろ織りしてもよい。また、図９（ｂ）に示す金属網を形成する工程は、図４に示したように第１線材１０の他に第２線材２０を１〜数本おきに織り込むものであってもよい。
【００６０】
また、金属網を形成する工程は、第１線材１０の代わりに、図６に示したような第１線材１０ｄを用いてもよい。
【００６１】
（他の製造方法）
上記製造方法において、図９（ｂ）に示す金属網を形成する工程と、図１０（ａ）に示す電解質膜を成膜する工程との間に、水素透過性層を形成する工程を行ってもよい。以下に、水素透過性層を形成する工程を備える水素分離膜−電解質膜接合体１５０ａおよび燃料電池２００ａの製造方法について説明する。図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１２（ａ）〜図１２（ｄ）は、水素分離膜−電解質膜接合体１５０ａおよび燃料電池２００ａの製造方法を示した模式図である。なお、実施例１〜実施例３に示した部材と同じ部材には同じ記号を付し、説明を省略する。
【００６２】
まず、図９（ａ）〜図９（ｃ）に示した製造方法で水素分離膜１００を製造する。次に、図１１（ａ）に示すように、水素透過性層１３０を水素分離膜１００の電解質膜１２０が成膜される面に形成する。水素透過性層１３０は、水素透過性を有する物質であれば特に限定されないが、例えばＰｄあるいはＰｄ合金からなる。水素透過性層１３０の成層方法としては、例えばＰＶＤ、ＣＶＤ等の方法を用いることができる。水素透過性層１３０の層厚は特に限定されないが、例えば１μｍ〜５μｍ程度である。図１１（ｂ）に水素分離膜１００上に水素透過性層１３０が形成された状態の模式的断面図を示す。
【００６３】
次に、図１２（ａ）に示すように、水素分離膜１００上に電解質膜１２０を成膜する。これにより水素分離膜−電解質膜接合体１５０ａが完成する。図１２（ｂ）に、水素分離膜−電解質膜接合体１５０ａの模式的断面図を示す。次に、図１２（ｃ）に示すように、水素分離膜−電解質膜接合体１５０ａの水素分離膜１００と反対側の面に、カソード１４０を形成する。これにより、燃料電池２００ａが完成する。図１２（ｄ）に、燃料電池２００ａの模式的断面図を示す。
【００６４】
上記製造方法によれば、水素分離膜１００に隙間が生じていた場合であっても、水素透過性層１３０によって隙間が閉塞される。それにより、図１２（ａ）の工程において電解質膜１２０に欠陥が生じることを抑制することができる。その結果、水素分離膜１００とカソード１４０との短絡を抑制することができる。
【００６５】
なお、実施例１〜実施例４において、水素分離膜は、水素分離膜上の凹凸が略均一となる織り方であれば、平畳織り、平織りおよびむしろ織り以外の織り方であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１実施例に係る水素分離膜の模式図である。
【図２】本発明の第１実施例の変形例１に係る水素分離膜の模式図である。
【図３】本発明の第１実施例の変形例２に係る水素分離膜の模式図である。
【図４】本発明の第１実施例の変形例３に係る水素分離膜の模式図である。
【図５】本発明の第１実施例の変形例４に係る水素分離膜の模式図である。
【図６】本発明の第１実施例の変形例４に係る第１線材の模式的断面図である。
【図７】本発明の第２実施例に係る水素分離膜−電解質膜接合体の模式的断面図である。
【図８】本発明の第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。
【図９】本発明に係る水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池の製造方法の模式図である。
【図１０】本発明に係る水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池の製造方法の模式図である。
【図１１】本発明に係る水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池の他の製造方法の模式図である。
【図１２】本発明に係る水素分離膜、水素分離膜−電解質膜接合体および燃料電池の他の製造方法の模式図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  第１線材
２０  第２線材
３０  芯材
３５  被覆材
１００  水素分離膜
１２０  電解質膜
１４０  カソード
１５０  水素分離膜−電解質膜接合体
２００  燃料電池
【図１】
2008149286.tif 000003
【図２】
2008149286.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008149286.tif 000008
【図７】
2008149286.tif 000009
【図８】
2008149286.tif 000010
【図９】
2008149286.tif 000011
【図１０】
2008149286.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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