(57)【要約】【課題】水素の有効透過面積を十分に確保して高い水素透過性能を実現しながら、機械的強度も向上できる構造の水素分離膜を提供する。【解決手段】開口処理が施された金属支持体１の表面に水素分離金属被膜２を成膜して水素分離膜とする。このとき、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分に、両者が金属結合された接合部と、金属結合していない非接合部とが設けられるようにする。これにより、金属支持体１と水素分離金属被膜２とは、接合部において互いに金属結合によって接合されるとともに、非接合部においても金属支持体１が水素分離金属被膜２と接触し裏側から支持する形となり、十分な機械的強度が確保される。一方、非接合部では、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合していないため水素が透過することができ、水素の有効とか面積が十分に確保されることになる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素選択透過性を有する水素分離金属被膜と、開口処理が施された金属支持体とを組み合わせてなる水素分離膜であって、
前記水素分離金属被膜と金属支持体との接触部分に、金属結合された接合部と、金属結合していない非接合部とを有することを特徴とする水素分離膜。
【請求項２】
前記水素分離金属被膜と金属支持体との接触部分のうち、少なくとも外周端部に位置する接触部分が前記接合部とされていることを特徴とする請求項１に記載の水素分離膜。
【請求項３】
前記水素分離金属被膜と金属支持体との接触部分のうち、中央部に位置する接触部分が前記接合部とされていることを特徴とする請求項２に記載の水素分離膜。
【請求項４】
前記水素分離金属被膜と金属支持体との接触部分のうち、外周端部と中央部との間に位置する接触部分の一部が前記接合部とされていることを特徴とする請求項３に記載の水素分離膜。
【請求項５】
前記水素分離金属被膜と金属支持体の接触部分の面積が、前記金属支持体の開口面積よりも小であることを特徴とする請求項１に記載の水素分離膜。
【請求項６】
前記金属支持体の厚さが前記水素分離金属被膜の厚さと同等、或いはそれ以上であることを特徴とする請求項１に記載の水素分離膜。
【請求項７】
水素選択透過性を有する水素分離金属被膜と、開口処理が施された金属支持体とを組み合わせてなる水素分離膜の製造方法であって、
金属支持体に開口処理を施す工程と、
開口処理が施された前記金属支持体の開口孔に低融点充填材を充填し平坦化する工程と、
前記金属支持体表面の一部に金属結合を抑制する処理を施す工程と、
前記金属支持体表面に水素分離金属被膜を成膜する工程と、
前記低融点充填材を溶融除去する工程とを有することを特徴とする水素分離膜の製造方法。
【請求項８】
前記金属支持体表面の一部に金属結合を抑制する処理を施す工程は、前記金属支持体表面の一部に酸化剤又は酸化物を塗布する工程であることを特徴とする請求項７に記載の水素分離膜の製造方法。
【請求項９】
改質ガスの通路となる一次通路と、改質ガスから分離された水素の通路となる二次通路と、これら一次通路と二次通路とを仕切る水素分離膜とを備える水素分離ユニットであって、
前記水素分離膜として、請求項１乃至６の何れかに記載の水素分離膜を備えることを特徴とする水素分離ユニット。
【請求項１０】
前記水素分離膜は、前記一次通路の上流側に位置する部分で接合部の面積が狭くされ、前記一次通路の下流側に位置する部分で接合部の面積が広くされていることを特徴とする請求項９に記載の水素分離ユニット。
【請求項１１】
燃料ガスの改質反応が行われる改質触媒部と、この改質触媒部で生成された改質ガスから分離された水素の通路となる水素通路と、これら改質触媒部と水素通路とを仕切る水素分離膜とを備える膜反応器であって、
前記水素分離膜として、請求項１乃至６の何れかに記載の水素分離膜を備えることを特徴とする膜反応器。
【請求項１２】
前記水素分離膜は、前記改質触媒部の上流側に位置する部分で接合部の面積が広くされ、前記改質触媒部の下流側に位置する部分での接合部の面積が狭くされていることを特徴とする請求項１１に記載の膜反応器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば複数成分からなる改質ガスから水素のみを選択して取り出すための水素分離膜及びその製造方法に関し、さらには、かかる水素分離膜を用いた水素分離ユニット及び膜反応器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素分離膜は、複数成分からなる改質ガスから水素のみを選択して取り出す際に使用され、例えば、液体燃料から水素を含む改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスから水素を分離供給することにより発電を行う燃料電池システムにおいて、水素分離ユニットや膜反応器等に用いられている。
【０００３】
燃料電池は、水素を燃料とし、酸素あるいは酸素を含む空気を酸化剤として使用して電気化学的反応で発電するものであるが、車両等への用途を考えた場合には、燃料電池システム全体の容積ができる限り小さいことが重要である。このような観点から考えたときに、燃料源はガスよりも液体であることが望ましく、そこで、燃料源として液体燃料を用い、水素分離膜を有する水素分離ユニットや膜反応器等を用いて燃料電池に供給する水素を取り出すようにした燃料電池システムが提案されている。
【０００４】
従来の水素分離膜としては、多孔質支持体の表層に水素分離金属の被膜を形成したものが知られているが、かかる水素分離膜では、膜厚を薄くすればするほど水素透過速度を向上することができることから、その薄膜化が要望されている。そこで、このような要望に応えるべく、水素分離膜をピンホールを生ずることなく薄膜化する技術が提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００５】
特許文献１記載の技術では、支持体の細孔中をパラフィン等の充填材で充填した後、水素分離金属の成膜を行う。そして、充填材は水素分離金属の成膜後に加熱除去する。これにより、多孔質基材の細孔中に水素分離金属が陥没，浸入することを抑制することができ、ピンホールの発生を抑制しつつ水素分離金属の薄膜化を図ることができる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−５２３２６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば特許文献１記載の水素分離膜においては、多孔質支持体として金属を主成分とする金属支持体を用いた場合、この金属支持体と成膜された水素分離金属との接触部分は、全て金属結合により接合されることになり、水素透過のための有効面積が充填材を除去した開孔部分に限定される。そのため、実質的な有効面積が減少し、透過性能が十分に得られない虞れがある。さらに、金属支持体と成膜された水素分離金属との接触部分が全て金属結合により接合されていると、例えば金属拡散による合金化が発生した場合、水素透過性能がさらに低下してしまうという問題がある。
【０００８】
このような不都合を解消するためには、金属支持体の開口部分の面積を広くすることも考えられるが、開口部分の面積を広くすると、金属支持体と水素分離膜の接触面積が減少し、水素分離膜の機械的強度の低下を招き、成膜された水素分離金属に剥離が発生してしまう虞れがある。
【０００９】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、有効透過面積を十分に確保することができ、しかも機械的強度を向上させることが可能な水素分離膜及びその製造方法を提供することを目的とし、さらには、水素透過性能に優れた水素分離ユニット及び膜反応器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素分離膜は、水素選択透過性を有する水素分離金属被膜と、開口処理が施された金属支持体とを組み合わせてなる水素分離膜であり、水素分離金属被膜と金属支持体との接触部分に、金属結合された接合部と、金属結合していない非接合部とを有することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の水素分離膜では、接合部により金属支持体と水素分離金属被膜とが金属結合により接合されるとともに、非接合部においても金属支持体が水素分離金属被膜と接触して裏側から支持する形となっているので、十分な機械的強度が確保される。また、非接合部では、金属支持体と水素分離金属被膜とが金属結合していないため、水素を透過させることができる。したがって、本発明の水素分離膜では、有効透過面積の確保と機械的強度の確保とが両立される。
【００１２】
以上の構成を有する本発明の水素分離膜は、金属支持体に開口処理を施す工程と、開口処理が施された金属支持体の開口孔に低融点充填材を充填し平坦化する工程と、金属支持体表面の一部に金属結合を抑制する処理を施す工程と、金属支持体表面に水素分離金属被膜を成膜する工程と、金属支持体の開口孔に充填された低融点充填材を溶融除去する工程とを有する製造方法によって作製される。
【００１３】
また、前記構成を有する水素分離膜は、水素分離ユニットや膜反応器に用いることができる。水素分離ユニットや膜反応器に前記構成の水素分離膜を用いることにより、水素透過性能に優れた水素分離ユニットや膜反応器が実現される。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の水素分離膜は、水素分離金属被膜と金属支持体との接触部分に、これらが金属結合された接合部と、金属結合していない非接合部とを有することから、機械的強度を十分に確保しながら、水素の有効透過面積として十分な面積を確保することが可能である。
【００１５】
また、本発明の製造方法によれば、以上のような優れた性能を有する水素分離膜を簡単に作製することができる。
【００１６】
さらに、以上のような水素分離膜を用いた本発明の水素分離ユニットや膜反応器は、優れた水素透過性能を発揮することができ、水素の分離供給や改質反応を効率良く行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した水素分離膜及びその製造方法、水素分離ユニット及び膜反応器について、図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
先ず、本発明を適用した水素分離膜の構成について、図１及び図２を参照して説明する。この水素分離膜は、開口処理が施された金属支持体１の表面に、水素分離金属被膜２が成膜されてなるものである。なお、図１は水素分離金属皮膜２が成膜される前の金属支持体１を示す平面図であり、図２は金属支持体１の表面に水素分離金属被膜２が成膜された水素分離膜の断面図である。
【００１９】
金属支持体１は、例えばステンレス（ＳＵＳ）等の金属材料が板状に成形されてなり、開口処理によって、平均孔径が数十μｍ程度の開口孔３が形成されたものである。この金属支持体１の厚さは、水素分離膜全体の強度が十分に確保できるように、表面に成膜される水素分離金属被膜２の厚さと同等か、それ以上とされる。
【００２０】
開口孔３は、図１において白抜きで表される部分であり、例えば金属支持体１の両面からエッチング等によって孔加工が施されて、これらの孔が連通部分３ａにて連通されることにより、金属支持体１の両面にて開口する一体の開口孔３とされている。したがって、金属支持体１を平面視したときには、開口孔３に複数の連通部分３ａが所定間隔で配列されている様子が観察されるが、図１においては、特徴部分を分かり易く示すために、１つの連通部分３ａのみを図示して他の連通部分３ａは省略している。
【００２１】
また、金属支持体１の外周端部１ａとその内側の複数の円形部分１ｂは、エッチング等が施される際にマスキングされることによって、開口孔３とはならずに残存した部分であり、金属支持体１は、これらの領域を接触部分として後述の水素分離金属被膜２と接触するようになっている。
【００２２】
水素分離金属被膜２は、Ｐｄ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒの単体、若しくは複合体、あるいはＣｕ，Ａｇ等との合金等の水素分離金属が、無電解メッキやＣＶＤ等の手法で金属支持体１の表面に成膜されることによって形成されるものである。この水素分離金属被膜２は、水素を選択的に透過する機能を有している。
【００２３】
金属支持体１上に成膜された水素分離金属被膜２は、金属支持体１の外周端部１ａ及びその内側の複数の円形部分１ｂにおいて金属支持体１と接触することになる。このとき、本実施形態の水素分離膜では、金属支持体１と水素分離金属被膜２とは、全ての接触部分において金属結合しているわけではなく、接触部分の一部では金属結合されずに金属支持体１と水素分離金属被膜２とが接触した状態となっている。すなわち、本実施形態の水素分離膜では、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分に、金属結合された接合部と、金属結合していない非接合部とを有している。
【００２４】
これら接合部と非接合部とは任意に設定することが可能であるが、例えば、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分のうちで図１及び図２において破線で囲まれる領域が接合部とされ、それ以外の領域が非接合部とされる。すなわち、金属支持体１の外周端部１ａは、その全域が、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合された接合部とされ、その内側の円形部分１ｂでは、対角線上に位置する領域、すなわち中央部及びこの中央部と四隅との間に位置する部分が、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合された接合部とされる。一方、それ以外の領域は、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合していない非接合部とされている。
【００２５】
次に、本実施形態の水素分離膜の機能について、図３及び図４を用いて説明する。
【００２６】
Ｐｄ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒの単体、若しくは複合体、あるいはＣｕ，Ａｇ等との合金等からなる水素分離金属被膜２は、水素をプロトン化して金属結晶格子間を拡散させ、透過させる性質を持つ。すなわち、このような水素分離金属被膜２を用いれば、複数成分の改質ガスから水素のみ選択して取り出すことが可能である。
【００２７】
一方、水素分離金属被膜２を支持する支持体の材料としては、一般的にセラミックスや金属等が適用されるが、セラミックスは脆いため強度的に不十分であり、強度を保とうとすると金属を材料とした金属支持体１を適用することが有効である。しかしながら、金属支持体１を適用する場合、水素分離金属被膜２と金属接合された部分では、水素分離金属被膜２を透過した水素ガスが通過できない。
【００２８】
そこで、金属支持体１に開口孔３を成形する等の方法を採る必要がある。このような方法では、開口孔３の開口面積を最大限に広げることが水素透過性能を向上させるために有効であるが、水素分離金属被膜２の強度を保つためには、水素分離金属被膜２と金属支持体１との接触面積を確保する必要があり、これら双方の要求を満足させることは困難とされてきた。本実施形態の水素分離膜は、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分を工夫することで、水素透過性能の向上と機械的強度の確保との双方を両立させるようにしたものである。
【００２９】
図３は、本実施形態の水素分離膜の要部を拡大して示す断面図であり、金属支持体１の表面では開口孔３の開口面積が総面積の８０％程度となるように成形されている。また、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分のうちで図３中左側の接合部Ｂでは、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合されており、水素分離金属被膜２を透過した水素ガスはこの接合部Ｂを通過できない。
【００３０】
一方、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分のうちで図３中右側の非接合部Ｎでは、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが接触しているものの、金属結合はしていないため、水素分離金属被膜２を透過した水素ガスはこの非接合部Ｎを通過して開口孔３に流れ込み、或いは金属支持体１の内部を通過して水素分離膜を透過することになる。したがって、本実施形態の水素分離膜では、開口孔３の開口面積にこの非接合部Ｎの面積を加えた面積が、水素の透過できる有効水素透過面積となる。
【００３１】
図４は、総面積に対する有効水素透過面積の割合と、総面積が有効水素透過面積である場合を１として表される水素透過係数との関係を示すものである。この図４から、有効水素透過面積を大きくすればするほど、水素透過係数は増加することがわかる。本実施形態の水素分離膜では、開口孔３の開口面積を最大限に広げるとともに、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分に非接合部Ｎを設け、接合部Ｂの面積を最小限とする構成としたため、水素分離膜の強度を確保しつつ、有効水素透過面積を大きくとることが可能となり、高い水素透過性能を得ることが可能となる。また、接合部Ｂで金属支持体１と水素分離金属被膜２が合金化することにより発生する金属拡散を最小限にとどめることができ、これに起因する水素透過性能の低下を抑制できるという効果も得られることになる。
【００３２】
次に、以上のような構成を有する本実施形態の水素分離膜の製造方法について、図５を用いて説明する。図５は本実施形態の水素分離膜を作製する工程の一例を示すフロー図である。
【００３３】
本実施形態の水素分離膜を作製するには、先ず、水素等による耐食性を抑制したステンレス（ＳＵＳ）等の材料を用いて、水素分離金属被膜２の膜厚と同等かそれ以上の厚さを有する板状の金属支持体１を作製する（工程Ｓ１）。
【００３４】
次に、工程Ｓ１で作製された板状の金属支持体１に対して開口処理を施して、金属支持体１に開口孔３を形成する。具体的には、金属支持体１の両面の所定箇所（外周端部１ａとその内側の複数の円形部分１ｂとなる箇所）をマスキングして、エッチング等により金属支持体１の両面から孔加工を施し、開口孔３を形成する（工程Ｓ２）。
【００３５】
次に、工程Ｓ２で作製した開口孔３に、銅やパラフィン等のように金属支持体１や水素分離金属被膜２よりも融点が低い低融点充填材を注入し、少なくとも水素分離金属被膜２を成膜する金属支持体２の表面上が平坦となるように成形する（工程Ｓ３）。
【００３６】
次に、金属支持体１表面の開口孔３が開口されていない部分（接触部分）のうちで、水素分離金属被膜２と金属接合させない部分（非接合部となる部分）に、酸化剤または酸化物を塗布する（工程Ｓ４）。
【００３７】
次に、金属支持体１表面に水素分離金属を成膜して、水素分離金属被膜２を形成する。水素分離金属被膜２は、無電解メッキやＣＶＤ等の手法により、例えば膜厚２μｍ以下となるように成膜する（工程Ｓ５）。
【００３８】
最後に、水素分離金属被膜２が成膜された金属支持体１から低融点充填材を溶融により除去する（工程Ｓ６）。以上の一連の工程を経て、本実施形態の水素分離膜が作製されることになる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態の水素分離膜では、水素選択透過性を有する水素分離金属被膜２と開口処理を施した金属支持体１とを組み合わせた水素分離膜において、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分に、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合された接合部と、金属結合していない非接合部とを設けることで、水素分離膜としての十分な強度を確保しながら、有効透過面積を広げて高い水素透過性能を得ることが可能である。
【００４０】
また、このとき、少なくとも金属支持体１の外周端部１ａは接合部とされて、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合されるようにしているので、端部からのガスの漏れを確実に防止することができる。さらに、金属支持体１の円形部分１ｂのうちで、中央部に位置する領域も接合部とされ、また、この中央部から端部の間の少なくとも一部も接合部とされるようにすることで、水素分離膜の強度をより向上させることが可能である。
【００４１】
さらにまた、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分の面積が、開口孔３の開口面積よりも狭くなるようにしているので、有効透過面積を十分に大きくとることが可能であり、また、金属支持体１の厚さを水素分離金属被膜２と同等以上としているので、水素分離膜の強度をより確実に得ることが可能である。
【００４２】
なお、以上は平板状の金属支持体１上に水素分離金属被膜２が成膜されてなる平板型の水素分離膜に本発明を適用した例について説明したが、本発明は、以上の例に限定されるものではなく、例えば図６に示すように、円筒形状に成形された金属支持体１１の周面に水素分離金属被膜が成膜されてなる円筒型の水素分離膜に対しても有効に適用可能である。
【００４３】
この場合も、金属支持体１１周面の水素分離金属被膜との接触部分に、これら金属支持体１１と水素分離金属被膜とが金属結合された接合部と、金属結合していない非接合部とが設けられ、例えば、金属支持体１１と水素分離金属被膜との接触部分のうちで、図６において破線で囲まれる領域、すなわち金属支持体１１の周面の端部と中央部とに位置する接触部分が接合部Ｂとされ、それ以外の接触部分が非接合部Ｎとされる。
【００４４】
以上のように構成される円筒型の水素分離膜においても、金属支持体１１と水素分離金属被膜との接触部分に接合部と非接合部とが設けられることにより、水素分離膜としての十分な強度を確保しながら、有効透過面積を広げて高い水素透過性能を得ることが可能となる。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の水素分離膜を水素分離ユニットに用いた例について説明する。この水素分離ユニットは、改質ガスの通路となる一次通路と、改質ガスから分離された水素の通路となる二次通路と、これら一次通路と二次通路とを仕切る水素分離膜とを備えてなるものであり、図７に示すように、燃料電池システムに組み込まれて使用され、改質ガスから水素を取り出して燃料電池に供給する機能を有する。
【００４６】
図７に示す燃料電池システムでは、改質ガスを生成するための炭化水素系燃料と水とが、コントロールユニット２１の信号にて制御される第一燃料噴射弁２２と水噴射弁２３により蒸発器２４に供給され、改質器２５に隣接する燃焼器２６から供給される燃焼ガスとの熱交換により、蒸発器２４において気化が行われるようになっている。そして、気化された炭化水素系燃料と水とが、燃料ガスとして改質器２５に導入され、燃焼器２６との熱交換を行うことで燃料ガスの改質反応が行われる。燃焼器２６には、第二燃料噴射弁２７が設けられており、熱量が不足した場合、コントロールユニット２１の信号により燃料が追加供給される。
【００４７】
ここで、炭化水素系燃料（ＣｎＨｍ）と水との改質反応について簡単に説明すると、燃料の水蒸気改質反応は、下記反応式（１）で表わされる。なお、下記反応式（２）は、シフト反応と呼ばれるものであり、一般に低温では水素、高温ではＣＯが生成する方向に進行する。改質器２５では、反応式（１）を主体として反応式（２）の反応が行われるが、高級炭化水素の改質反応では、通常、改質温度が高いため、反応式（２）の反応はＣＯの生成する方向に進行し易い。
【００４８】
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ  →  ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２  ・・・（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋Ｈ２  ・・・（２）
改質器２５で生成された改質ガスは、水素分離ユニット２８の一次側通路２９に供給される。その後、改質ガスは水素分離ユニット２８内の水素分離膜３０によって水素が選択透過され、二次側通路３１を経て燃料電池３２へ供給され、電気化学反応により起電力を得ることになる。
【００４９】
燃料電池３２で起こる電気化学反応は、下記反応式（３）〜（５）で表される。
【００５０】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−  ・・・（３）
（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ  ・・・（４）
Ｈ２＋（１／２）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ  ・・・（５）
ここで、反応式（３）は燃料電池３２のアノード側における反応を表し、反応式（４）は燃料電池３２のカソード側における反応を表している。そして、燃料電池３２全体としては反応式（５）に示す反応が進行することとなる。このような電気化学反応により起電力を得ている燃料電池３２は、固体高分子型の燃料電池であり、電池反応を促進する白金等の触媒を備えている。
【００５１】
しかしながら、供給されたガス中にＣＯが含まれている場合には、このＣＯが白金触媒に吸着して触媒としての機能を低下させ、反応式（４）に示したアノード側における反応を阻害して燃料電池３２の性能を阻害してしまう。そのため、燃料電池３２のような固体高分子型の燃料電池で発電を行う場合には、ＣＯ除去器や水素分離膜３０等のＣＯ除去手段を用いて供給するガス中のＣＯを所定値以下に低減して電池性能の低下を防ぐことが必要となる。なお、このような固体高分子型の燃料電池３２において、供給されるガス中のＣＯ濃度の許容値は、通常数十ｐｐｍ程度である。
【００５２】
さらに、水素分離膜３０により透過されなかった排気ガスの一部及び燃料電池３２から排出される余剰水素は、燃焼器２６に供給され、改質器２５の加熱に供されることとなる。また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット２１の信号を受ける空気制御バルブ３３の動作により、燃料電池３２に空気を供給するようになっている。
【００５３】
以上のような燃料電池システムにおいて、水素分離ユニット２８の水素分離膜３０を本発明の水素分離膜の構成とする。この水素分離膜３０は、基本的には上述した第１の実施形態と同様のものであるが、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分における接合部Ｂ及び非接合部Ｎの配置が第１の実施形態のものとは異なっている。以下、本実施形態で用いられる水素分離膜３０の特徴部分を、図８を参照して説明する。なお、図８は水素分離金属皮膜２が成膜される前の金属支持体１を示す平面図であり、第１の実施形態のものと同一部分には同一の符号を付している。
【００５４】
本実施形態で用いられる水素分離膜３０では、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分のうちで、図８において破線で囲まれる領域が、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合された接合部Ｂとされ、それ以外の領域が金属結合していない非接合部Ｎとされる。すなわち、金属支持体１の外周端部１ａは、その全域が接合部Ｂとされ、その内側の円形部分１ｂでは、図８中上半分に設定される対角線領域と、図８中下半分に設定される対角線領域とが接合部Ｂとされる。一方、それ以外の領域は非接合部Ｎとされている。
【００５５】
ここで、水素分離膜３０は、図８中の上側が一次通路２９の上流側に位置し、図８中の下側が一次通路２９の下流側に位置するように、水素分離ユニット２８内に設置される。そして、図８中上半分に設定される対角線領域の面積（すなわち接合部の面積）が、図８中下半分に設定される対角線領域の面積よりも小とされている。すなわち、この水素分離膜３０では、一次通路２９の上流側に位置する部分で接合部Ｂの面積が狭くなり、一次通路２９の下流側に位置する部分で接合部Ｂの面積が広くなるように設計されている。
【００５６】
水素分離ユニット２８では、一次通路２９を流れる改質ガスが上流側から下流側に向かう過程で水素分離膜３０によって水素分離が行われることになる。したがって、一次通路２９の上流側の方が下流側に比べて水素分圧が高くなっている。本例の水素分離膜３０は、水素分圧が高い一次通路２９上流側に位置する部分での接合部Ｂの面積が狭くされ、水素分圧が低い一次通路２９下流側に位置する部分で接合部Ｂの面積が広くされているので、特に水素分圧が高い位置で広い有効透過面積が確保されることになり、高い水素透過性能が得られることになる。
【００５７】
また、水素分離ユニット２８に本発明の水素分離膜３０を用いる効果としては、水素分離膜３０の強度を確保できることに加え、有効水素透過面積の向上に伴うＰｄ使用量削減によるコストの抑制や、水素透過性能の向上による水素分離膜ユニット２８の小型化等を挙げることができる。
【００５８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の水素分離膜を膜反応器に用いた例について説明する。この膜反応器は、燃料ガスの改質反応が行われる改質触媒部と、この改質触媒部で生成された改質ガスから分離された水素の通路となる水素通路と、これら改質触媒部と水素通路とを仕切る水素分離膜とを備えてなるものであり、図９に示すように、燃料電池システムに組み込まれて使用され、燃料ガスから水素を取り出して燃料電池に供給する機能を有する。
【００５９】
図９に示す燃料電池システムでは、改質ガスを生成するための炭化水素系燃料と水とが、コントロールユニット４１の信号にて制御される第一燃料噴射弁４２及び水噴射弁４３により蒸発器４４に供給され、膜反応器４５の燃焼触媒部４６から供給される燃焼ガスとの熱交換により、蒸発器４４において気化が行われるようになっている。そして、気化された炭化水素系燃料と水とが、燃料ガスとして膜反応器４５の改質触媒部４７に導入され、燃焼触媒部４６との熱交換を行うことで燃料ガスの改質反応が行われる。
【００６０】
改質触媒部４７における改質反応によって生成された改質ガス中の水素は、水素分離膜４８によって選択透過され、水素通路４９を経て燃料電池５０へ供給され、電気化学反応により起電力を得ることとなる。水素分離膜４８により透過されなかった排気ガス及び燃料電池５０から排出される余剰水素は、膜反応器４５の燃焼触媒部４６に供給され、改質触媒部４７の加熱に供されることとなる。この燃焼触媒部４６には、第二燃料噴射弁５１によって燃料を供給することが可能であり、燃焼触媒部４６の温度上昇が必要な場合、コントロールユニット４１の制御信号により追加燃料が供給される。また、本実施形態の燃料電池システムでは、コントロールユニット４１の信号を受ける空気制御バルブ５２の動作により、燃料電池５０に空気を供給するようになっている。
【００６１】
ここで、膜反応４５の改質触媒部４７で行なわれる炭化水素系燃料の改質反応、及び燃料電池５０で行なわれる電気化学反応は、上述した第２の実施形態で説明したものと同様であるが、改質触媒部４７で生成された改質ガスは、水素分離膜４８によって改質反応と同時に水素が選択透過され、水素通路４９を経て燃料電池５０へ供給されることとなる。そのため、この燃料電池システムでは、第２の実施形態で説明した燃料電池システムに比べて改質反応を促進することが可能となり、必要となる改質触媒容量が削減され、システムの小型化が可能となる。
【００６２】
以上のような燃料電池システムにおいて、膜反応器４５の水素分離膜４８を本発明の水素分離膜の構成とする。この水素分離膜４８は、基本的には上述した第１の実施形態と同様のものであるが、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分における接合部Ｂ及び非接合部Ｎの配置が第１の実施形態のものとは異なっている。以下、本実施形態で用いられる水素分離膜４８の特徴部分を、図１０を参照して説明する。なお、図１０は水素分離金属皮膜２が成膜される前の金属支持体１を示す平面図であり、第１の実施形態のものと同一部分には同一の符号を付している。
【００６３】
本実施形態で用いられる水素分離膜４８では、金属支持体１と水素分離金属被膜２との接触部分のうちで、図１０において破線で囲まれる領域が、金属支持体１と水素分離金属被膜２とが金属結合された接合部Ｂとされ、それ以外の領域が金属結合していない非接合部Ｎとされる。すなわち、金属支持体１の外周端部１ａは、その全域が接合部Ｂとされ、その内側の円形部分１ｂでは、図１０中上半分に設定される対角線領域と、図１０中下半分に設定される対角線領域とが接合部Ｂとされる。一方、それ以外の領域は非接合部Ｎとされている。
【００６４】
ここで、水素分離膜４８は、図１０中の上側が改質触媒部４７の上流側に位置し、図１０中の下側が改質触媒部４７の下流側に位置するように、膜反応器４５内に設置される。そして、図１０中下半分に設定される対角線領域の面積（すなわち接合部の面積）が、図１０中上半分に設定される対角線領域の面積よりも小とされている。すなわち、この水素分離膜４８では、改質触媒部４７の上流側に位置する部分で接合部Ｂの面積が広くなり、改質触媒部４７の下流側に位置する部分で接合部Ｂの面積が狭くなるように設計されている。
【００６５】
膜反応器４５では、改質触媒部４７を流れる燃料ガスが上流側から下流側に向かう過程で改質反応が行われることで水素濃度が上昇していき、この改質ガスから水素分離膜４８によって水素分離が行われることになる。したがって、改質触媒部４７の下流側の方が上流側に比べて改質ガスの水素濃度が高くなっている。本例の水素分離膜４８は、改質ガスの水素濃度が低い改質触媒部４７上流側に位置する部分での接合部Ｂの面積が広くされ、改質ガスの水素濃度が高い改質触媒部４７下流側に位置する部分で接合部Ｂの面積が狭くされているので、特に改質ガスの水素濃度が高い位置で広い有効透過面積が確保されることになり、高い水素透過性能が得られることになる。
【００６６】
また、膜反応器４５に本発明の水素分離膜４８を用いる効果としては、水素分離膜４８の強度を確保できることに加え、有効水素透過面積の向上に伴うＰｄ使用量削減によるコストの抑制や、水素透過性能の向上による膜反応器４５の小型化等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した水素分離膜を説明する図であり、水素分離金属被膜が成膜される前の金属支持体を示す平面図である。
【図２】本発明を適用した水素分離膜の断面図である。
【図３】本発明を適用した水素分離膜の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】総面積に対する有効水素透過面積の割合と水素透過係数との関係を示す特性図である。
【図５】本発明を適用した水素分離膜の作製工程を示すフロー図である。
【図６】本発明を適用した円筒型の水素分離膜を説明する図であり、水素分離金属被膜が成膜される前の金属支持体を示す側面図である。
【図７】本発明の水素分離ユニットを用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図８】本発明の水素分離ユニットに用いられる水素分離膜を説明する図であり、水素分離金属皮膜が成膜される前の金属支持体を示す平面図である。
【図９】本発明の膜反応器を用いた燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１０】本発明の膜反応器に用いられる水素分離膜を説明する図であり、水素分離金属被膜が成膜される前の金属支持体を示す平面図である。
【符号の説明】
１  金属支持体
１ａ  外周端部
１ｂ  円形部分（接触部分）
２  水素分離金属被膜
３  開口孔
２８  水素分離ユニット
３０  水素分離膜
４５  膜反応器
４８  水素分離膜
Ｂ  接合部
Ｎ  非接合部
【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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