(57)【要約】【課題】水素分離装置において水素脆化の発生を低減する技術を提供することを目的とする。【解決手段】水素透過膜１５を支持する支持板材１０の多孔部１２と枠部１３との間の水素透過膜１５と支持板材１０との接触部位Ｓ１に水素を誘導する水素流路部として流路溝３１を形成する。すると、水素分離装置の起動停止時などに、接触部位Ｓ１に残留する水素を水素流路部に誘導することによって低減でき、接触部位Ｓ１における水素脆化の発生を抑制することができる。流路溝３１に替えて、多孔部１２と枠部１３との間に多孔部１２を囲む空間を設ける。水素透過膜の外周の端面を支持板材側に折り曲げ、その折り曲げた部位と枠部１３の内壁面とを接合することによって残留水素を誘導する水素流路部を設けることもできる。また、前記空間に多孔体８１を設けることによって残留水素を誘導する水素流路部を設けることもできる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分離装置であって、
水素透過膜と、
前記水素透過膜を支持する支持部材と、
を備え、
前記支持部材は、複数の貫通孔が設けられた多孔部と、前記多孔部を囲む外周枠部とを備え、
前記多孔部と前記外周枠部との間には、前記水素透過膜と前記外周枠部とが接する部位の水素を前記外周枠部の前記水素透過膜とは反対側に誘導するための水素流路部が設けられていることを特徴とする水素分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素分離装置であって、
前記水素流路部は、水素を誘導する流路溝を含むことを特徴とする水素分離装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水素分離装置であって、
前記流路溝は、前記外周枠部の外縁に近づくに従い幅が狭くなることを特徴とする水素分離装置。
【請求項４】
請求項１に記載の水素分離装置であって、
前記水素流路部は、前記水素透過膜の外周に設けられた前記水素透過膜の折曲部を有することを特徴とする水素分離装置。
【請求項５】
請求項１に記載の水素分離装置であって、
前記水素流路部には、水素を透過する多孔体が配置されていることを特徴とする水素分離装置。
【請求項６】
燃料電池であって、
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の水素分離装置と、
前記水素分離装置に接合された電解質層と、
を備えた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料ガスとして用いるために、改質ガスなどの水素含有ガスから水素を抽出して用いる場合がある。そのような水素を抽出するための装置（水素分離装置）として、水素を選択的に透過させる薄板状の水素分離部材（水素透過膜）を用いたものがある。
【０００３】
水素透過膜は、一般にパラジウムなどの高コストの部材で構成されることが多いため、水素透過膜を薄膜化することによって、その材料費コストを低減することができる。また、それに加えて水素透過膜の薄膜化によって、水素透過の効率を向上することもできる。しかし、水素透過膜を薄膜化するとその強度が低下するため、水素透過膜に支持部材を設けることによって、その強度を確保する場合がある。
【０００４】
そのような水素分離装置においては、例えば、水素分離装置が用いられているシステムの起動停止時など、装置内に水素が長時間残留するような場合に、装置の構成基材の水素脆化を引き起こす可能性がある。そこで、パージガスなどを用いて上記のような残留水素を装置外部へ排出する種々の方法が提案されている（特許文献１等）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２１９９３６
【特許文献２】特開２００５−２００２７３
【０００６】
しかし、水素透過膜とその支持部材との接触部位に存在する水素を外部へ排出するのには時間がかかるため、パージガスなどを用いてもなお、水素が排出されずに残留してしまい、水素脆化を引き起こすおそれがあることを本発明の発明者が見出した。しかし、これまでは、こうした問題に対して充分な工夫がなされていないのが実情であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、水素分離装置において水素脆化の発生を低減する技術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】
上記目的を達成するために、本発明は、水素分離装置であって、水素透過膜と、前記水素透過膜を支持する支持部材とを備え、前記支持部材は、複数の貫通孔が設けられた多孔部と、前記多孔部を囲む外周枠部とを備え、前記多孔部と前記外周枠部との間には、前記水素透過膜と前記外周枠部とが接する部位の水素を前記外周枠部の前記水素透過膜とは反対側の部位に誘導するための水素流路部が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、水素分離装置の起動停止時などに、水素透過膜と支持部材の外周枠部との接触部位に残留する水素を水素流路部によって前記接触部位から誘導し、容易に排出することができ、前記接触部位における水素脆化を低減できる。
【００１０】
前記水素流路部は、水素を誘導する流路溝を含むことを特徴とするものとしても良い。
【００１１】
この構成によれば、流路溝によって水素を誘導することができる。
【００１２】
前記流路溝は、前記外周枠部の外縁に近づくに従い幅が狭くなることを特徴とするものとしても良い。
【００１３】
この構成によれば、流路溝によって水素の誘導を行うとともに、水素透過膜と支持部材との接触部位の面積を増すことができる。従って、前記接触部位において、水素以外のガスが水素透過膜の反対側へと漏洩する可能性を低減できる。
【００１４】
前記水素流路部は、前記水素透過膜の外周に設けられた前記水素透過膜の折曲部を有することを特徴とするものとしても良い。
【００１５】
この構成によれば、水素透過膜の外周縁を折り曲げて形成した折曲部によって、水素透過膜と支持部材とを接合することができ、水素を誘導する水素流路部を形成するとともに、その接合部から水素以外のガスが水素透過膜の反対側へと漏洩する可能性を低減できる。
【００１６】
前記水素流路部には、水素を透過する多孔体が配置されていることを特徴とするものとしても良い。
【００１７】
この構成によれば、多孔体によって水素を誘導することができるとともに、水素透過膜と支持部材との接合部位を確保することができる。
【００１８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、水素透過膜を用いた水素分離装置、その水素分離装置を備えた燃料電池、その燃料電池を備えた車両等の形態で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
Ａ．比較例：
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、比較例として水素分離装置の構成を示す概略図である。
【００２０】
図１（Ａ）は、水素分離装置において水素透過膜を支持するための支持板材１０を示している。支持板材１０は、連続した略四角形の板形状であり、複数の貫通孔１１が設けられた領域である略四角形の多孔部１２と、多孔部１２を囲む略四角枠形状の枠部１３とを備えている。支持板材１０は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）で構成することができる。
【００２１】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示す１Ｂ−１Ｂ切断における断面の概略図である。支持板材１０は、後述する水素透過膜を配置するために、多孔部１２を、水素透過膜の厚みの分だけ厚みを少なくすることによって凹部１４を形成している。
【００２２】
図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）の凹部１４に水素透過膜１５を配置した水素分離装置１６を示す概略図である。水素透過膜１５は、凹部１４と同じ形状の略四角形であり、凹部１４に収まるように配置されている。従って多孔部１２の全ての貫通孔１１は、水素透過膜１５によって覆われている。水素透過膜１５は、例えばパラジウム（Ｐｄ）で構成することができ、その厚みは例えば、５μｍ〜１００μｍ程度であることが好ましい。
【００２３】
水素分離装置１６を実際に使用する場合には、水素分離装置１６の水素透過膜１５の配置されていない支持板材１０側（以後「水素極側」と呼ぶ）に燃料ガス（水素含有ガス）を供給する。すると、支持板材１０の貫通孔１１を通過して水素透過膜１５に至った燃料ガスのうち水素のみが水素透過膜１５を透過することができ、水素を抽出できる。
【００２４】
図２は、図１（Ｃ）において破線で囲んだ領域Ａを拡大して示した概略図である。図２に示すように、水素透過膜１５と支持板材１０との接触部位Ｓ０（破線で図示）周辺における水素は支持板材１０に沿って移動する分だけ、貫通孔１１に至るまでに時間がかかる。そのため、この水素分離装置１６を用いたシステムを想定した場合、そのシステムの起動停止時などに、パージガスを用いても接触部位Ｓ０において水素が残留する可能性が高い。従って、接触部位Ｓ０において、水素分離装置１６の構成基材に水素脆化を引き起こす可能性が高い。
【００２５】
上記の比較例の問題点をふまえて、以下に本発明の実施例を説明する。
【００２６】
Ｂ．第１実施例：
図３（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１実施例として水素分離装置の構成を示す概略図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は、多孔部１２に後述する流路溝３１が設けられている点以外は、図１（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じである。
【００２７】
図３（Ａ）は、第１実施例における支持板材３０を示している。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す３Ｂ−３Ｂ切断における断面の概略図である。図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、流路溝３１は、貫通孔１１のうち最外周に位置する貫通孔１１に連結しており、貫通孔１１と連結していない一端が、枠部１３と接している。流路溝３１の幅は、１００μｍ程度としても良い。流路溝３１は、例えばエッチング加工によって形成することができる。
【００２８】
図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に示す支持板材３０に水素透過膜１５を配置した第１実施例における水素分離装置３２を示す概略図である。水素透過膜１５は、凹部１４に配置され、全ての流路溝３１と貫通孔１１とを被覆している。なお、水素透過膜１５は、例えばクラッド法や、拡散接合、ロウ付けなどの接合方法により、支持板材１０に接合されるものとしても良い。ロウ付け接合をする場合は、接合部材としては、融点が低く柔らかい部材で構成することが好ましく、例えば銀（Ａｇ）などを用いることができる。
【００２９】
図４は、図３（Ｃ）において破線で囲んだ領域Ｂを拡大して示した概略図であり、流路溝３１が設けられている点以外は、図２とほぼ同じである。図４からも理解できるように、流路溝３１によって水素は貫通孔１１に誘導され、その排出性が向上する。従って、水素透過膜１５と支持板材３０との接触部位Ｓ１（破線で図示）に水素が残留する可能性が低減する。また、接触部位Ｓ１において水素透過膜１５と支持板材３０との接合面を確保でき、その接触部位における水素ガス以外のガス（例えば一酸化炭素や窒素）の水素極側からの漏洩（以後「ガスリーク」と呼ぶ）を低減できる。
【００３０】
Ｃ．第２実施例：
図５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施例として水素分離装置の構成を示す概略図である。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、流路溝５１の形状が異なる点以外は、図３（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じである。
【００３１】
図５（Ａ）は、第２実施例における支持板材５０を示している。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す５Ｂ−５Ｂ切断における断面の概略図である。図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に示す支持板材５０に水素透過膜１５を配置した第２実施例における水素分離装置５２を示す概略図である。
【００３２】
流路溝５１は、枠部１３に近づくに従ってその幅が狭くなるように形成されている。このような形状とすることによって、第１実施例に較べ、水素透過膜１５と枠部との接触面積が増す。従ってその接触部位Ｓ２における接合が容易となり、かつ、接合面積が増すため接触部位Ｓ２におけるシール性が向上し、ガスリークを低減できる。
【００３３】
Ｄ．第３実施例：
図６（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第３実施例として水素分離装置の構成を示す概略図である。図６（Ａ）〜（Ｃ）は、多孔部１２が枠部１３に連結部６１のみで連結している点と、水素透過膜６３の形状が異なる点以外は、図３（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じである。
【００３４】
図６（Ａ）は、第３実施例における支持板材６０を示す概略図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す６Ｂ−６Ｂ切断における断面の概略図である。図６（Ａ）に示すように、枠部１３の内周縁と多孔部１２の外周縁の間には多孔部１２を囲む空隙６２が設けられており、枠部１３と多孔部１２とが分離しないように、多孔部１２はその四辺を連結部６１によって枠部１３に支持されている。連結部６１は、多孔部１２を支持できる程度の強度であれば良く、図６（Ｂ）に示すように、多孔部１２より厚みを薄く形成されている。
【００３５】
図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）に示す支持板材６０に水素透過膜６３を配置した第３実施例における水素分離装置６４を示す概略図である。図６（Ｃ）に示すように、第３実施例における水素透過膜６３は、その四辺を同一方向に直角に折り曲げて側面６３ｓを形成することによって、底面の一方が開いた薄い直方体形状に形成されており、他方の膜面によって形成される底面６３ｂが、凹部１４と同じ大きさとしてある。即ち、水素透過膜６３は、四方の側面６３ｓが枠部１３の内周壁面に接し、かつ、水素透過膜６３の底面６３ｂが多孔部１２を被覆するように配置されている。
【００３６】
側面６３ｓと枠部１３との接触部位Ｓ３を、図６（Ｃ）において破線で図示してある。接触部位Ｓ３は、第１実施例と同様に拡散接合や、ロウ付け接合などで接合されているものとしても良い。
【００３７】
このような構成とすることによって、水素透過膜６３の側面６３ｓによって、水素は側面６３ｓの折り曲げた方向（図６（Ｃ）に図示した矢印方向）に誘導される。従って、接触部位Ｓ３周辺における残留水素の排出性も向上する。さらに、接触部位Ｓ３において接合面が設けられることによってシール性が向上し、ガスリークの発生の可能性も低減できる。
【００３８】
Ｅ．第４実施例：
図７（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施例として水素分離装置の構成を示す概略図である。図７（Ａ）〜（Ｃ）は、枠部１３の形状が異なる点と、水素透過膜７１の形状が異なる点以外は、図６（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じである。
【００３９】
図７（Ａ）は、第４実施例における支持板材７０を示す概略図である。図７（Ｂ）は、図７（Ａ）に示す７Ｂ−７Ｂ切断における断面の概略図である。図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、枠部１３の内周縁には、外周縁及び多孔部１２より厚みの薄い内縁部１３ｅが設けられている。従って、枠部１３の断面は、略Ｌ字形（逆Ｌ字形を含む）となる。
【００４０】
図７（Ｃ）は、支持板材７０に水素透過膜７１を配置した第４実施例における水素分離装置７２を示す概略図である。水素透過膜７１は、第３実施例における水素透過膜６３と同様に側面７１ｓを有しており、その側面７１ｓの端面をさらに直角に内側へ折り曲げた端部７１ｅを有している。即ち、側面７１ｓと端部７１ｅの形成する断面は、略Ｌ字形となる。
【００４１】
また、図７（Ｃ）に示すように、水素透過膜７１を、第３実施例と同様に配置したとき、側面７１ｓは枠部１３の内壁面と接触し、端部７１ｅは内縁部１３ｅと接触することによって接触部位Ｓ４（破線で図示）を形成している。
【００４２】
このような構成によっても、第３実施例と同様に、水素は水素透過膜の折り曲げた部位（側面７１ｓ、端部７１ｅ）によって誘導される。また、第４実施例における接触部位Ｓ４は、第３実施例における接触部位Ｓ３より面積が増しているため、接触部位Ｓ４におけるシール性が増し、第３実施例よりもガスリークの発生の可能性を低減できる。
【００４３】
Ｆ．第５実施例：
図８（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施例として水素分離装置の構成を示す概略図である。図８（Ａ）〜（Ｃ）は、枠部１３と多孔部１２との間に連結部６１と空隙６２に替えて多孔体８１が設けられている点と水素透過膜の形状が異なる点以外は、図６（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じである。
【００４４】
図８（Ａ）は、第４実施例における支持板材８０を示す概略図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）に示す８Ｂ−８Ｂ切断における断面の概略図である。第５実施例においては、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、枠部１３と多孔部１２との間の空隙を満たすように多孔体８１を設け、多孔体８１と枠部１３との接触部位Ｓ５ａ及び多孔体８１と多孔部１２との接触部位Ｓ５ｂを接合することによって、多孔部１２は枠部１３に支持されている。
【００４５】
図８（Ｂ）からも理解できるように、多孔体８１の厚みは、多孔部１２の厚みと等しい。多孔体８１は、発砲金属や、多孔質焼結ＳＵＳで構成される。また、接触部位Ｓ５ａ、Ｓ５ｂにおける接合方法としては、例えばロウ付け接合や、拡散接合などがある。
【００４６】
図８（Ｃ）は、図８（Ｂ）に示す支持板材８０に水素透過膜を配置した第４実施例における水素分離装置８３を示す概略図である。水素透過膜８２は、凹部１４に配置され、多孔体８１の一方の底面と全ての貫通孔１１とを被覆している。水素透過膜８２は支持板材８０と、クラッド法などによって接合されるものとしても良い。
【００４７】
このような構成としても、多孔体８１によって矢印で図示したように水素が誘導され、水素透過膜８２と支持板材８０との接触部位において水素が残留する可能性を低減できる。また、水素透過膜８２と、多孔体８１及び枠部１３との接触部位Ｓ５ｃ（太線で図示）において接合面を確保し、シール性を向上できる。
【００４８】
Ｇ．第６実施例：
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施例として水素分離装置の構成を示す概略図である。第６実施例は、第１実施例と第３実施例の構成とを組み合わせたものである。即ち、図９（Ａ）〜（Ｃ）は、以下に示す相違点以外は第１実施例を示す図３（Ａ）〜（Ｃ）とほぼ同じであり、また、その相違点は第３実施例の構成を置換したものである。
【００４９】
図９（Ａ）は、第６実施例における支持板材９０を示す概略図である。図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示す９Ｂ−９Ｂ切断における断面の概略図である。支持板材９０は、多孔部１２と枠部１３との間に、図３（Ａ）と同様な空隙６２が設けられており、多孔部１２は連結部６１によって枠部１３に支持されている。従って、流路溝３１は、貫通孔１１と連結することなく空隙６２と連結している。
【００５０】
図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）に示す支持板材９０に水素透過膜１５を配置した第６実施例における水素分離装置９１を示す概略図である。水素透過膜１５は、流路溝３１と空隙６２及び多孔部１２を被覆するように、凹部１４に配置されている。
【００５１】
このような構成としても、支持板材９０と水素透過膜１５との接触部位において水素が残留する可能性を低減でき、水素脆化の発生を低減できる。
【００５２】
Ｈ．第７実施例：
図１０は、本発明の一実施例として第１実施例における水素分離装置３２を用いた燃料電池（水素分離膜電池１００）の構成を示す概略図である。水素分離膜電池１００は、電解質層１１０が水素透過膜と接するように設けられている。電解質層１１０の水素透過膜と接しない面にはカソード電極層１２０が設けられている。さらに、水素分離装置３２の支持板材３０と接するようにアノード用セパレータ１３０ａが設けられ、カソード電極層１２０と接するようにカソード用セパレータ１３０ｃが設けられている。
【００５３】
電解質層１１０は、プロトン伝導性を有する電解質からなる層である。電解質層１１０としては、セラミックスプロトン伝導体などを用いることができる。カソード電極層１２０は、例えばパラジウム（Ｐｄ）などで構成でき、白金（Ｐｔ）などの触媒層を設けても良い。
【００５４】
アノード用セパレータ１３０ａには、水素透過膜１５と接する側に水素含有ガスが流れるアノードガス流路１３１が設けられている。カソード用セパレータ１３０ｃには、カソード電極層１２０と接する側に酸素含有ガスが流れるカソードガス流路１３２が設けられている。
【００５５】
アノードガス流路１３１から供給された水素含有ガス中の水素（プロトン）は、水素分離装置３２によってたのガス成分から分離され、電解質層１１０を透過し、カソード電極層１２０に至り酸素と反応する。このように水素分離膜電池１００は発電する。即ち、水素分離装置３２は、アノード電極としての機能も有する。
【００５６】
なお、水素分離装置３２に替えて、上記の第２実施例ないし第６実施例において示した水素分離装置と置換しても良い。
【００５７】
Ｉ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００５８】
Ｉ１．変形例１：
第１実施例および第２実施例、第６実施例において、流路溝３１は支持板材を貫通する水素流路としても良い。このような構成としても、水素分離装置に残留する水素を水素分離装置外部へと誘導でき、水素透過膜と支持板材との接触、接合面を確保できる。
【００５９】
Ｉ２．変形例２：
第５実施例において、多孔体８１は、枠部１３と多孔部１２との間の空間を満たすように設けられる必要はなく、例えば、多孔体８１に貫通孔が設けられることによって水素流路が形成されているものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】比較例としての水素分離装置を示す説明図。
【図２】比較例としての水素分離装置の一部拡大断面を示す説明図。
【図３】第１実施例としての水素分離装置を示す説明図。
【図４】第１実施例としての水素分離装置の一部拡大断面を示す説明図。
【図５】第２実施例としての水素分離装置を示す説明図。
【図６】第３実施例としての水素分離装置を示す説明図。
【図７】第４実施例としての水素分離装置を示す説明図。
【図８】第５実施例としての水素分離装置を示す説明図。
【図９】第６実施例としての水素分離装置を示す説明図。
【図１０】第７実施例としての水素分離膜電池を示す説明図。
【符号の説明】
【００６１】
１０…支持板材
１１…貫通孔
１２…多孔部
１３…枠部
１３ｅ…内縁部
１４…凹部
１５…水素透過膜
１６…水素分離装置（比較例）
３０…支持板材（第１実施例）
３１…流路溝（第１実施例）
３２…水素分離装置（第１実施例）
５０…支持板材（第２実施例）
５１…流路溝（第２実施例）
５２…水素分離装置（第２実施例）
６０…支持板材（第３実施例）
６１…連結部
６２…空隙
６３…水素透過膜（第３実施例）
６３ｂ…底面
６３ｓ…側面
６４…水素分離装置（第３実施例）
７０…支持板材（第４実施例）
７１…水素透過膜（第４実施例）
７１ｅ…端部
７１ｓ…側面
７２…水素分離装置（第４実施例）
８０…支持板材（第５実施例）
８１…多孔体
８２…水素透過膜（第５実施例）
８３…水素分離装置（第５実施例）
９０…支持板材（第６実施例）
９１…水素分離装置（第６実施例）
１００…水素分離膜電池
１１０…電解質層
１２０…カソード電極層
１３０ａ…アノード用セパレータ
１３０ｃ…カソード用セパレータ
１３１…アノードガス流路
１３２…カソードガス流路
Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５ａ、Ｓ５ｂ、Ｓ５ｃ…接触部位
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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