(57)【要約】【課題】  水素含有ガス中の水素を水素透過性金属層に透過させて用いる装置において、水素透過性金属層内の残留水素に起因する水素透過性金属層の脆化を防止する。【解決手段】  水素透過性金属層２２と電解質層２１とを含む水素透過性金属部は、被支持領域Ｓの第２の面において、支持部２４の支持領域２４ａと接合する。また、支持部２４は、積層領域２４ｂでガスセパレータ２７と接する。水素透過性金属層２２の第１の面上にはアノード電極２３が設けられ、アノード電極２３上には、単セル内燃料ガス流路３０が形成される。水素透過性金属層２２の第２の面上には、電解質層２１，カソード電極２５が順次形成され、カソード電極２５上には、単セル内酸化ガス流路３２が形成される。単セル内燃料ガス流路３０には、パージガスが供給可能である。水素透過性金属層部は、被支持領域Ｓ全体が、第１の面側において、単セル内燃料ガス流路３０を通過するガスに晒される。【選択図】  図２
2005219936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層に、水素含有ガス中の水素を透過させて用いる装置であって、
前記水素透過性金属層を含み、第１および第２の面を有すると共に、前記装置内で支持されるための領域である被支持領域を備える水素透過性金属部と、
前記水素透過性金属部の前記第１の面側に形成される第１のガス流路と、
前記水素透過性金属部の前記第２の面側に形成される第２のガス流路と、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路のうちのいずれかの流路に対して前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第１のガス流路に対して、実質的に水素を含有しないパージガスを供給するパージガス供給部と、
前記装置の停止に対応する所定の条件下において、前記水素含有ガス供給部による前記水素含有ガスの供給を停止させると共に、前記パージガス供給部による前記パージガスの供給を行なわせる制御部と、
前記被支持領域において、前記第１の面を覆うことなく前記水素透過性金属部を前記第１のガス流路を通過するガスに晒すと共に、前記水素透過性金属部の前記第２の面とガス不透過な状態で接触して前記水素透過性金属部を支持する支持部と
を備える装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置であって、
前記被支持領域は、前記水素透過性金属部の外周部に設けられる
装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の装置であって、
前記パージガス供給部は、前記第１のガス流路に加えて、前記第２のガス流路に対しても前記パージガスを供給する
装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか記載の装置であって、
前記水素透過性金属部は、前記第２の面が、緻密な金属層である前記水素透過性金属層によって形成され、
前記支持部は、金属材料によって形成される
装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか記載の装置であって、
前記第１および第２のガス流路のうち、前記水素含有ガス供給部が前記水素含有ガスを供給する流路と異なる流路とは、前記水素含有ガス中の水素であって前記水素透過性金属層を透過した水素が流入する抽出水素流路である
装置。
【請求項６】
請求項１ないし４いずれか記載の装置であって、さらに、
前記第１および第２のガス流路のうち、前記水素含有ガス供給部が前記水素含有ガスを供給する流路とは異なる流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記水素透過性金属層に積層して設けられ、プロトン伝導性を有する電解質層と
を備え、
前記装置は、前記水素含有ガス中の水素と前記酸化ガス中の酸素とを電極活物質として、電気化学反応を進行して起電力を得る
装置。
【請求項７】
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層と、を含む複数の部材の積層体として構成される燃料電池であって、
前記水素透過性金属層と前記電解質層と電極とを含み、第１および第２の面を有する発電部であって、該発電部のうちの少なくとも前記水素透過性金属層を含む層から成り前記発電部を前記燃料電池内で支持するための領域である被支持領域を有する発電部と、
前記発電部の前記第１の面側に第１のガス流路を形成する第１のガスセパレータと、
前記発電部の前記第２の面側に第２のガス流路を形成する第２のガスセパレータと、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路のうちの一方の流路に対して、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路のうちの他方の流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記第１のガス流路に対して、実質的に水素を含有しないパージガスを供給するパージガス供給部と、
前記被支持領域において、前記第１の面を覆うことなく前記被支持領域を前記第１のガス流路を通過するガスに晒すと共に、前記被支持領域の前記第２の面とガス不透過な状態で接触して前記発電部を支持する支持部と
を備える燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池であって、さらに、
前記被支持領域は、前記発電部の外周部に設けられる
燃料電池。
【請求項９】
請求項７または８記載の燃料電池であって、さらに、
該燃料電池の発電停止に対応する所定の条件下において、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給を停止させると共に、前記パージガス供給部による前記パージガスの供給を行なわせる制御部を備える
燃料電池。
【請求項１０】
請求項７ないし９いずれか記載の燃料電池であって、
前記パージガス供給部は、前記第１のガス流路に加えて、前記第２のガス流路に対しても前記パージガスを供給する
燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素透過性金属層を備える装置、および、水素透過性金属層を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を選択的に透過させる水素透過性金属層を備え、水素含有ガス中の水素を水素透過性金属層に透過させて用いる装置としては、水素含有ガスから水素を抽出する水素抽出装置が知られている。例えば、特許文献１には、水素透過性金属層との間に水素含有ガスの流路を形成するための金属製のガス流路プレートと、水素透過性金属層である水素分離プレートと、水素透過性金属層との間に抽出した水素の流路を形成するための金属製のガス流路プレートと、を順次積層し、これらのプレートを拡散接合により接合した水素抽出装置が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３４５０６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２８５０６号公報
【特許文献３】特開２００２−１２８５０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このように、水素透過性金属層とガス流路を形成するための部材とを積層する場合には、水素透過性金属層は、その両面において隣接部材（ガス流路形成部材）と接合されるため、接合に関わる領域において、水素透過性金属層内部に水素が滞留して水素脆化が進行する可能性があった。これは、水素透過性金属層における上記接合に関わる領域では、内部水素が排出され難いことによる。すなわち、水素抽出装置の運転が停止されて、水素抽出装置に対する水素含有ガスの供給が停止され、水素透過性金属層の周囲の水素濃度が低下するときには、通常は水素透過性金属層から水素が排出されるが、接合に関わる領域では、水素濃度差に従う水素排出の動作が構造的な原因により妨げられてしまう。そのため、このように水素が排出されずに水素透過性金属層内に滞留することで、水素抽出装置の停止中に、水素透過性金属層が水素脆化を起こす可能性があった。
【０００５】
水素透過性金属層を備え、水素含有ガス中の水素を水素透過性金属層に透過させて用いる装置としては、水素抽出装置の他に、例えば燃料電池を挙げることができる。装置を停止する際に、水素透過性金属層において隣接部材と接合する領域では水素透過性金属層内に滞留する水素が排出され難く、水素透過性金属層が水素脆化を起こす原因となるという問題は、このような水素透過性金属層を備える装置に共通する問題であった。
【０００６】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層を備え、水素含有ガス中の水素を水素透過性金属層に透過させて用いる装置において、水素透過性金属層内に水素が滞留することに起因する水素透過性金属層の水素脆化を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層に、水素含有ガス中の水素を透過させて用いる装置であって、
前記水素透過性金属層を含み、第１および第２の面を有すると共に、前記装置内で支持されるための領域である被支持領域を備える水素透過性金属部と、
前記水素透過性金属部の前記第１の面側に形成される第１のガス流路と、
前記水素透過性金属部の前記第２の面側に形成される第２のガス流路と、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路のうちのいずれかの流路に対して前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第１のガス流路に対して、実質的に水素を含有しないパージガスを供給するパージガス供給部と、
前記装置の停止に対応する所定の条件下において、前記水素含有ガス供給部による前記水素含有ガスの供給を停止させると共に、前記パージガス供給部による前記パージガスの供給を行なわせる制御部と、
前記被支持領域において、前記第１の面を覆うことなく前記水素透過性金属部を前記第１のガス流路を通過するガスに晒すと共に、前記水素透過性金属部の前記第２の面とガス不透過な状態で接触して前記水素透過性金属部を支持する支持部と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の装置によれば、装置の停止に対応する所定の条件下において、実質的に水素を含有しないパージガスを第１のガス流路に対してパージガス供給部が供給する際には、水素透過性金属部では、一方の面で支持部に支持される被支持領域全体が、他方の面においてパージガスに晒される。したがって、装置の停止時に水素透過性金属層内に残留する水素を、効率良くパージガス中に排出することができる。そのため、水素透過性金属層内に残留した水素に起因する水素透過性金属層の水素脆化を防止することができる。ここで、被支持領域で水素透過性金属部を支持部が支持する際には、水素透過性金属部に支持部が接合されることとしても良く、あるいは、ガス不透過性を確保するための部材を介して水素透過性金属部に支持部が接することとしても良い。また、前記被支持領域は、前記水素透過性金属部の外周部に設けられる構成も好適である。
【０００９】
本発明の水素透過性金属層を備える装置において、
前記パージガス供給部は、前記第１のガス流路に加えて、前記第２のガス流路に対しても前記パージガスを供給することとしても良い。
【００１０】
このような構成とすれば、水素透過性金属層内に残留する水素を、水素透過性金属層の両面から積極的に排出することが可能となるため、水素透過性金属層からの水素排出を効率良く行なうことができる。
【００１１】
また、本発明の水素透過性金属層を備える装置において、
前記水素透過性金属部は、前記第２の面が、緻密な金属層である前記水素透過性金属層によって形成され、
前記支持部は、金属材料によって形成されることとしても良い。
【００１２】
このような構成とすれば、支持部によって水素透過性金属部を支持させる際に、金属同士が接することになるため、支持部による水素透過性金属部の支持を、金属同士の接合により容易に実現可能となる。
【００１３】
本発明の水素透過性金属層を備える装置において、
前記第１および第２のガス流路のうち、前記水素含有ガス供給部が前記水素含有ガスを供給する流路と異なる流路とは、前記水素含有ガス中の水素であって前記水素透過性金属層を透過した水素が流入する抽出水素流路であることとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、上記装置を水素含有ガスから水素を抽出する水素抽出装置として用いることができ、この水素抽出装置において、装置の運転を停止する際に、水素透過性金属層内に残留する水素を排出させ、水素透過性金属層の水素脆化を防止することができる。
【００１５】
あるいは、本発明の水素透過性金属層を備える装置において、さらに、
前記第１および第２のガス流路のうち、前記水素含有ガス供給部が前記水素含有ガスを供給する流路とは異なる流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記水素透過性金属層に積層して設けられ、プロトン伝導性を有する電解質層と
を備え、
前記装置は、前記水素含有ガス中の水素と前記酸化ガス中の酸素とを電極活物質として、電気化学反応を進行して起電力を得ることとしても良い。
【００１６】
このような構成とすれば、上記装置を燃料電池として用いることができ、この燃料電池における発電を停止する際に、水素透過性金属層内に残留する水素を排出させ、水素透過性金属層の水素脆化を防止することができる。なお、水素透過性金属層に積層される電解質層は、支持部によって片側から支持される水素透過性金属部に含まれることとしても良く、含まれないこととしても良い。
【００１７】
本発明の燃料電池は、水素を選択的に透過させる水素透過性金属層と、プロトン伝導性を有する電解質層と、を含む複数の部材の積層体として構成される燃料電池であって、
前記水素透過性金属層と前記電解質層と電極とを含み、第１および第２の面を有する発電部であって、該発電部のうちの少なくとも前記水素透過性金属層を含む層から成り前記発電部を前記燃料電池内で支持するための領域である被支持領域を有する発電部と、
前記発電部の前記第１の面側に第１のガス流路を形成する第１のガスセパレータと、
前記発電部の前記第２の面側に第２のガス流路を形成する第２のガスセパレータと、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路のうちの一方の流路に対して、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記第１のガス流路と前記第２のガス流路のうちの他方の流路に対して、酸素を含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記第１のガス流路に対して、実質的に水素を含有しないパージガスを供給するパージガス供給部と、
前記被支持領域において、前記第１の面を覆うことなく前記被支持領域を前記第１のガス流路を通過するガスに晒すと共に、前記被支持領域の前記第２の面とガス不透過な状態で接触して前記発電部を支持する支持部と
を備えることを要旨とする。
【００１８】
以上のように構成された本発明の燃料電池によれば、実質的に水素を含有しないパージガスを第１のガス流路に対してパージガス供給部が供給する際には、前記水素透過性金属層と前記電解質層と電極とを含む発電部では、一方の面で支持部に支持される被支持領域全体が、他方の面においてパージガスに晒される。したがって、発電部内に残留する水素を、効率良くパージガス中に排出することができる。そのため、水素透過性金属層内に残留した水素に起因する水素透過性金属層の水素脆化を防止することができる。ここで、被支持領域で発電部を支持部が支持する際には、発電部に支持部が接合されることとしても良く、あるいは、ガス不透過性を確保するための部材を介して発電部に支持部が接することとしても良い。また、前記被支持領域は、前記発電部の外周部に設けられる構成も好適である。
【００１９】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、水素抽出装置の運転方法や燃料電池の運転方法、あるいは燃料電池を備える燃料電池システムなどの形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第１実施例の変形例：
Ｃ．第２実施例：
Ｄ．第２実施例の変形例：
Ｅ．効果の確認：
【００２１】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例の燃料電池１０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池１０は、発電の本体である燃料電池スタック１５を備えており、燃料電池スタック１５は、単セル２０を複数積層することによって形成されている。図２は、燃料電池スタック１５の概略構成を示す断面模式図である。図２では、１つの単セル２０を中心に表わしているが、燃料電池スタック１５は、図２に示す単セル２０を繰り返し設けた構造として形成されている。本実施例の燃料電池１０は、単セル２０の内部構造に特徴があるため、まず最初に、図２に基づき単セル２０の構成について説明する。
【００２２】
単セル２０は、水素透過性金属層２２と、水素透過性金属層２２の一方の面上に形成されたアノード電極２３と、水素透過性金属層２２の他方の面上に形成された電解質層２１と、電解質層２１上に形成されたカソード電極２５と、から成る発電部２６を備えている。また、単セル２０は、発電部２６を、さらに両側から挟持する２つのガスセパレータ２７を備えている。一方のガスセパレータ２７とアノード電極２３との間には、水素を含有する燃料ガスが通過する単セル内燃料ガス流路３０が形成されている。また、他方のガスセパレータ２７とカソード電極２５との間には、酸素を含有する酸化ガスが通過する単セル内酸化ガス流路３２が形成されている。さらに単セル２０は、発電部２６を燃料電池スタック１５内で支持するための支持部２４と、支持部２４とガスセパレータ２７との間に配設される絶縁部２９と、を備えている。支持部２４は、発電部２６の外周部である被支持領域Ｓにおいて、発電部２６を接触支持している。
【００２３】
水素透過性金属層２２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、例えば、バナジウム（Ｖ）等の５族金属（Ｖの他、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金によって形成される。アノード電極２３は、水素分子を分離する活性と共に水素透過性を有するパラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金によって形成される。このアノード電極２３は、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、めっきなどにより、水素透過性金属層２２上に形成すればよい。
【００２４】
電解質層２１は、プロトン伝導性を有する固体電解質から成る層である。電解質層２１を構成する固体電解質としては、例えば、ＢａＣｅＯ3、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体を用いることができる。この電解質層２１は、水素透過性金属層２２上に、上記固体酸化物を生成させることによって形成することができる。電解質層２１を形成する方法としては、例えば、ＰＶＤ、ＣＶＤなど種々の手法を用いることができる。このように電解質層２１を、緻密な水素透過性金属層２２上に成膜することにより、電解質層２１の充分な薄膜化が可能となる。電解質層２１を薄膜化することにより、電解質層２１の膜抵抗をより低減することができ、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約２００〜６００℃程度で燃料電池を運転することが可能となる。なお、水素透過性金属層２２上には、その外周近傍において、電解質層２１が形成されていない領域が存在する。この電解質層２１が形成されていない領域において、水素透過性金属層２２は、後述するように支持部２４と接している。
【００２５】
カソード電極２５は、電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属を備える層である。本実施例では、電解質層２１上にＰｔ層を形成することによってカソード電極２５を設けた。
【００２６】
本実施例では、アノード電極２３およびカソード電極２５は、貴金属の薄膜により形成したが、これらの電極とガスセパレータ２７との間に、導電性およびガス透過性を有する集電部をさらに設けても良い。集電部は、例えば多孔質の発泡金属や金属メッシュの板材、あるいは、カーボンクロスやカーボンペーパ、あるいはセラミックス等によって形成することができる。なお、集電部は、この集電部と接するガスセパレータ２７と同種の材料により形成することが望ましい。
【００２７】
ガスセパレータ２７は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。ガスセパレータ２７の表面には、単セル内燃料ガス流路３０あるいは単セル内酸化ガス流路３２を形成するための所定の凹凸形状が形成されている。図２に示すように、ガスセパレータ２７は、その一方の面では、所定の単セル２０の単セル内燃料ガス流路３０を形成し、他方の面では、上記所定の単セル２０に隣接する単セル２０の単セル内酸化ガス流路３２を形成する。なお、図２では記載を省略しているが、燃料電池スタック１５内において、隣り合う単セル２０間に、冷媒流路を設けることとしても良い。
【００２８】
支持部２４は、隣り合って配設される２つのガスセパレータ２７間に配設される部材である。支持部２４は、ガスセパレータ２７の外周に沿った形状を有しており、図２に示すように、支持領域２４ａと、積層領域２４ｂとを備えている。支持部２４は、支持領域２４ａにおいて、水素透過性金属層２２のカソード電極２５側（電解質層２１側）表面の外周部と接合することで、水素透過性金属層２２およびアノード電極２３を片側から支持している。また、支持部２４は、積層領域２４ｂにおいて、絶縁部２９を介してガスセパレータ２７の外周部と接する。このように、水素透過性金属層２２の片面と接合される支持部２４を、ガスセパレータ２７と交互に重ね合わせることにより、各部材を順次積層した燃料電池スタック１５において、隣接部材に挟み込まれることなく水素透過性金属層２２およびアノード電極２３が保持される。支持部２４は、金属層である水素透過性金属層２２との接合を容易にするために、金属材料により形成することが望ましい。本実施例では、支持部２４は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）により形成しており、支持部２４と水素透過性金属層２２とは、ろう付けや溶接により接合することができる。あるいは、支持部２４は、水素透過性金属層２２との接合が可能であり充分な剛性を有していれば、他種の材料により形成することも可能である。
【００２９】
単セル２０を組み付ける際には、まず、水素透過性金属層２２の一方の面上にアノード電極２３を形成し、アノード電極２３を形成した水素透過性金属層２２の外周部である被支持領域Ｓの他方の面と、支持部２４の支持領域２４ａとを接合する。その後、水素透過性金属層２２のアノード電極２３を形成しない側の表面に電解質層２１を形成する。その後さらに、電解質層２１上に、Ｐｔ層であるカソード電極２５を形成する。このとき、電解質層２１は、水素透過性金属層２２の他方の面上において、支持部２４と接合する領域（被支持領域Ｓ）を除く全面を確実に覆うように形成することが望ましい。これにより、水素透過性金属層２２の酸化を防止することができる。また、カソード電極２５は、アノード電極２３との間で電気的に絶縁されている必要があるため、本実施例では、カソード電極２５とアノード電極２３との絶縁を確保するために、支持部２４の支持領域２４ａ端部との間に所定の空隙が形成されるようにカソード電極２５を形成している（図２参照）。
【００３０】
絶縁部２９は、支持部２４とガスセパレータ２７との間に配設される絶縁性材料によって形成される部材である。絶縁部２９は、例えばガスケットとすることができる。絶縁部２９を設けることで、単セル内燃料ガス流路３０および単セル内酸化ガス流路３２におけるガスシール性を確保すると共に、燃料電池スタック１５内の短絡を防止している。
【００３１】
なお、図２では記載を省略しているが、燃料電池スタック１５内には、燃料電池スタック１５を積層方向を貫通して、燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールドおよび酸化ガス排出マニホールドが設けられている。燃料電池スタック１５に対して燃料ガスが供給されると、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールドを介して各単セル内燃料ガス流路３０に分配されて電気化学反応に供され、その後燃料ガス排出マニホールドに集合して外部に導かれる。また、燃料電池スタック１５に対して酸化ガスが供給されると、酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールドを介して各単セル内酸化ガス流路３２に分配されて電気化学反応に供され、その後酸化ガス排出マニホールドに集合して外部に導かれる。
【００３２】
以上説明した単セル２０を積層した燃料電池スタック１５を備える燃料電池１０は、図１に示すように、燃料ガス供給部４０と、ブロワ４２と、ブロワ４４と、制御部４６と、を備えている。燃料ガス供給部４０は、燃料電池スタック１５が備える各単セル２０のアノード側に水素含有ガスである燃料ガスを供給するための装置である。燃料ガス供給部４０として、水素吸蔵合金を備える水素タンクや水素ボンベを用い、純度の高い水素ガスを燃料ガスとして用いることとしても良い。あるいは、燃料ガス供給部４０として、改質器を設け、炭化水素系の燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして用いることとしても良い。燃料ガス供給部４０と燃料電池スタック１５とは、燃料ガス供給路５０によって接続されている。燃料ガス供給部４０から供給される燃料ガスは、燃料ガス供給路５０を介して燃料電池スタック１５内の燃料ガス供給マニホールドに流入し、各単セル２０に分配される。
【００３３】
ブロワ４２は、燃料電池スタック１５が備える各単セル２０のカソード側に酸化ガスとして空気を供給する。すなわち、ブロワ４２は、酸化ガス供給部として働く。ブロワ４２と燃料電池スタック１５とは、酸化ガス供給路５２によって接続されている。ブロワ４２から供給される酸化ガスは、酸化ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１５内の酸化ガス供給マニホールドに流入し、各単セル２０に分配される。
【００３４】
ブロワ４４は、パージガス供給路５４によって燃料ガス供給路５０に接続されている。従って、ブロワ４４を駆動するときには、ブロワ４４が取り込んだ空気を、燃料ガス供給路５０および燃料ガス供給マニホールドを介して、単セル内燃料ガス流路３０に供給することができる。なお、ブロワ４４は、後述するように、パージガス供給部として働く。
【００３５】
制御部４６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部４６は、燃料電池１０の発電の開始や停止に関わる情報を取得すると共に、燃料電池１０各部の状態に関する情報を取得する。また、制御部４６は、取得した情報に基づいて、燃料ガス供給部４０やブロワ４２，４４等、燃料電池１０の各部に駆動信号を出力する。
【００３６】
燃料電池１０では、制御部４６が発電開始の信号を取得すると、制御部４６によって燃料ガス供給部４０およびブロワ４２が駆動されて燃料ガスおよび酸化ガスの供給が開始され、発電が開始される。以下、このように燃料電池１０の発電中に、制御部４６が発電停止の信号を取得した場合に行なわれる動作について説明する。
【００３７】
図３は、制御部４６が実行する停止処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池１０において発電が開始されると起動され、発電を行なっている間実行される。
【００３８】
本ルーチンが起動されると、制御部４６は、まず、発電停止の信号が取得されたか否かを判断する（ステップＳ１００）。ここで、発電停止の信号とは、例えば、燃料電池１０に対する負荷要求がゼロになったという情報とすることができる。あるいは、燃料電池１０を電気自動車に搭載して車両の駆動用電源として用いる場合には、車両の所定のスタートスイッチ（イグニションスイッチ等）がオフになったという情報とすることができる。また、燃料電池１０の発電停止を指示する信号に代えて、発電停止によって引き起こされる所定の状態を取得しても良い。例えば、燃料電池スタック１５の温度を検出して、その温度が所定値以下になった情報を発電停止の信号として取得することとしても良い。ステップＳ１００において発電停止の信号が取得されていないと判断すると、制御部４６は、発電停止の信号を取得するまでステップＳ１００の判断を繰り返す。
【００３９】
ステップＳ１００において発電停止の信号を取得したと判断すると、制御部４６は、燃料ガス供給部４０およびブロワ４２を停止させる（ステップＳ１１０）。その後、制御部４６は、ブロワ４４を駆動してパージ処理を実行し（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。ブロワ４４を駆動すると、単セル内燃料ガス流路３０にパージガスである空気が供給されるため、単セル内燃料ガス流路３０内に残留していた燃料ガスが掃気される。ここで、水素透過性金属層２２およびアノード電極２３では、燃料電池１０の発電停止時には、プロトンあるいは水素原子として内部に水素が残留している。また、電解質層２１の内部にも、プロトンの状態で水素が残留している。このような場合に周囲の水素濃度が低くなると、上記のように発電部２６内に残留する水素は、濃度差に従って外部に排出される。単セル内燃料ガス流路にパージガスを流し続けることで、単セル内燃料ガス流路３０において水素濃度が低い状態が維持され、発電部２６内の水素を単セル内燃料ガス流路３０に排出する動作を、継続して行なうことができる。ステップＳ１２０のパージ処理とは、このように、単セル内燃料ガス流路３０にパージガスを流すことで発電部２６内の水素を排出させる処理をいう。したがって、ステップＳ１２０におけるブロワ４４の駆動は、発電部２６内の残留水素が充分に排出されるまで行なうことが望ましく、例えば、水素を充分に排出可能となる時間を予め設定しておくこととすれば良い。
【００４０】
以上のように構成された第１実施例の燃料電池１０によれば、水素透過性金属からなる層を含む発電部２６は、ガスセパレータ２７と共に積層される支持部２４によって片側から支持されるため、発電部２６内に残留する水素を、単セル内燃料ガス流路３０を流れるパージガス内に効率よく排出させることができる。すなわち、発電部２６を隣接部材で挟み込んで保持しておらず、発電部２６を支持するための被支持領域Ｓにおいて、パージガスが流れる流路側の表面がパージガスに晒されるため、被支持領域Ｓを含むより広い範囲から単セル内燃料ガス流路３０へと、発電部２６内の水素の排出が行なわれる。したがって、燃料電池１０の発電を停止した後に燃料電池スタック１５の温度が低下する場合であっても、水素透過性金属から成る層である水素透過性金属層２２およびアノード電極２３内に水素が滞留することに起因するこれらの層の水素脆化を防止することができる。なお、支持部２４と一方の面で接合される被支持領域Ｓは、水素透過性金属層２２およびアノード電極２３から成る層の外周部全体に設けるのではなく、外周部の一部において設けられていても良い。少なくともこのような構造を有する領域において、水素透過性金属を含む層の保持に関わる領域全体をパージガスに晒すことで、水素透過性金属層２２およびアノード電極２３の水素脆化を抑える効果を得ることができる。
【００４１】
また、本実施例の燃料電池１０によれば、水素透過性金属を含む層を支持部２４によってカソード側から支持すると共に、水素透過性金属を含む層のアノード側から水素を排出させるため、水素排出の動作を特に効率良く開始することが可能となる。すなわち、発電部２６から水素を排出させる際に、特にプロトンの状態で残留する水素を、効率よくパージガス中に排出することができる。これは、発電停止時には、発電部２６のアノード側表面には、発電部２６内のプロトンに対応する電子が存在することによる。発電停止時にパージ処理を開始すると、プロトンはアノード電極２３の電子と直ちに反応して水素分子となり、効率良くパージガス中に排出される。
【００４２】
Ｂ．第１実施例の変形例：
Ｂ１．変形例１：
第１実施例では単セル内燃料ガス流路３０にパージガスを流すこととしたが、単セル内酸化ガス流路３２にも併せてパージガスを供給しても良い。この場合には、図３のステップＳ１１０においてブロワ４２を停止させることなく、ステップＳ１２０のパージ処理中にも、ブロワ４２の駆動を続行すればよい。単セル内酸化ガス流路３２にもパージガスを供給することで、単セル内燃料ガス流路３０だけでなく単セル内酸化ガス流路３２においても水素濃度が低い状態を維持することができる。従って、単セル内酸化ガス流路３２側に対しても、水素透過性金属から成る層に残留する水素の排出を積極的に行なうことができ、より効率よく、より短期間で、残留水素の排出を行なうことができる。
【００４３】
Ｂ２．変形例２：
第１実施例では、水素透過性金属層２２において、カソード側を支持部２４と接合させることとしたが、アノード側を支持部２４と接合させることとしても良い。このような構成を図４に示す。図４では、図２に対応する部分には同じ参照番号を付している。このように、水素透過性金属層２２を支持部２４によってアノード側から支持する場合には、燃料電池１０の停止時には単セル内酸化ガス流路３２にパージガスを供給すればよい。また、この場合には、単セル内燃料ガス流路３０にも併せてパージガスを供給することとしても良い。また、パージ処理中に、単セル内燃料ガス流路３０にはパージガスを供給しない場合であっても、パージ処理を開始する際には単セル内燃料ガス流路３０内を掃気して、水素透過性金属から成る層の周囲の水素濃度を低下させておくことが望ましい。
【００４４】
なお、図４に示す構造を作製する際には、アノード電極２３は、水素透過性金属層２２と支持部２４との接合の後、水素透過性金属層２２上の、支持部２４によって覆われていない領域に設けている。すなわち、支持部２４に支持されていないアノード電極２３もまた、隣接部材に挟み込まれて支持されることがない。したがって、水素透過性金属から成るアノード電極２３内に残留する水素もまた、排出が妨げられることなく、単セル内酸化ガス流路３２側および単セル内燃料ガス流路３０側に、効率よく排出可能となっている。
【００４５】
Ｂ３．変形例３：
第１実施例では、酸化ガス供給部としてのブロワ４２と、パージガス供給部としてのブロワ４４とを別個に設けたが、単一のブロワを用いて、酸化ガスの供給とパージガスの供給とを行なうこととしても良い。この場合には、ブロワと酸化ガス供給路５２を接続する流路と、ブロワと燃料ガス供給路５０とを接続する流路を設け、発電時に空気を酸化ガス供給路５２に供給する動作と、発電停止時に空気を燃料ガス供給路５０に供給する動作とを切り替え可能とすればよい。
【００４６】
また、第１実施例のように、酸化ガス供給部とパージガス供給路とを別個に設ける場合には、空気以外のガスをパージガスとして用いても良い。パージガスは、水素透過性金属層２２中の水素が濃度差に従って排出可能となるように、実質的に水素を含有しないガスであればよい。
【００４７】
Ｂ４．変形例４：
第１実施例では、支持部２４によって片側から支持される水素透過性金属層を含む層（水素透過性金属部）を、水素透過性金属層２２およびアノード電極２３によって構成したが、異なる構成としても良い。例えば、Ｖ等の５族金属あるいは５族金属合金により形成した水素透過性金属層２２のカソード側（電解質層２１と接する境界面）に、さらに、アノード電極２３と同様のＰｄ層を設けることとしても良い。
【００４８】
また、水素透過性金属層２２とアノード電極２３とを一体とし、支持部２４によって片側から支持される水素透過性金属部全体を、Ｐｄ層あるいはＰｄ合金層によって形成することとしても良い。
【００４９】
あるいは、水素透過性金属から成る層（水素透過性金属層２２およびアノード電極２３）のアノード側（ガスセパレータ２７と接する側）の面上に、これらの水素透過性を有する金属層に加えてさらに、白金（Ｐｔ）等の貴金属からなる層（触媒層）を設けることとしても良い。
【００５０】
Ｂ５．変形例５：
第１実施例では、支持部２４によって片側から支持される水素透過性金属部は、水素透過性金属層２２およびアノード電極２３から成ることとしたが、電解質層２１をさらに含めた構造を、水素透過性金属部として片面支持することとしても良い。このような構成を図５に示す。図５では、図２に対応する部分には同じ参照番号を付しており、部材の積層に関わる要部、すなわち、水素透過性金属部の外周部近傍の様子のみを示す。
【００５１】
このような構成の燃料電池を作製するには、まず水素透過性金属層２２を形成し、この水素透過性金属層２２の一方の面上にアノード電極２３を形成すると共に、他方の面上に電解質層２１を形成する。その後、電解質層２１を、外周部表面において支持部２４によって支持させ、さらに、電解質層２１の支持部２４によって支持される側からカソード電極２５を形成すればよい。ここで、固体酸化物から成る電解質層２１を、金属から成る支持部２４によって支持させるためは、例えば両者をろう付けによって接合しても良いし、両者の間にガスケットを配設し、ガスケットを介して接触支持させても良い。水素透過性金属部を支持部２４によって片面支持する際には、両者が接触する部位において充分なガス不透過性が確保されていればよい。このような構成としても、同様の効果が得られる。なお、図５においては、アノード電極２３とカソード電極２５との間の短絡を防止するために、カソード電極２５の外周が支持部２４の支持領域２４ａの端部に接しないように、カソード電極２５が形成されている。
【００５２】
また、アノード電極２３と水素透過性金属層２２と電解質層２１とに加えて、カソード電極２５をさらに含めた構造を、片側から支持することとしても良い。このような構成としても、水素透過性金属層を含む水素透過性金属部が片側から支持され、支持部に覆われない側にパージガスが供給されることで、同様の効果を得ることができる。なお、この場合には、アノード電極２３およびカソード電極２５の外周部に、アノード電極２３とカソード電極２５との間の絶縁性を確保する構造を設けることとすれば良い。
【００５３】
Ｂ６．変形例６：
第１実施例では、電極間に配設される電解質部として、水素透過性金属層２２上に成膜した電解質層２１を用い、水素透過性金属層２２をアノード側に配設しているが、異なる構成としても良い。例えば、アノード側の配置とカソード側の配置とを入れ替えることとしても良い。すなわち、電解質層２１のカソード側に水素透過性金属層２２を配設することとしても良い。このとき、水素透過性金属層を支持部によって片側から支持する際には、電解質層を含む電解質部ごと支持することとしても良いし、電解質層は含まずに水素透過性金属層を支持することとしても良い。その他、電解質層と水素透過性金属層とを備える電解質部において、電解質層および／または水素透過性金属層を複数備える構成とすることもできる。これらの場合にも、水素透過性金属から成る層を含む層を片側から支持し、支持部に覆われない側の流路にパージガスを流すことで、同様の効果が得られる。
【００５４】
Ｂ７．変形例７：
また、電解質層２１は、固体酸化物以外の電解質からなることとしてもよく、プロトン伝導性を有する他種の電解質を用いることが可能である。例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子膜によって電解質層を形成することができる。固体高分子膜の両面に緻密な水素透過性金属層を設けた燃料電池とすれば、水素透過性金属層によって固体高分子膜の水分を保持することによって、従来の固体高分子型燃料電池よりも高い動作温度を実現可能となる。あるいは、固体高分子膜に代えて、ヘテロポリ酸系や含水βアルミナ系などセラミック、ガラス、アルミナ系に水分を含ませた膜を電解質層として用いることとしても良い。
【００５５】
Ｃ．第２実施例：
図６は、第２実施例の水素抽出装置６０の構成を表わす概略構成図である。水素抽出装置６０は、水素含有ガスから水素を抽出する動作が進行する本体である抽出部６１と、抽出部６１に対して水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部７２と、抽出部６１に対してパージガスを供給するパージガス供給部７０と、制御部７８と、を備えている。
【００５６】
抽出部６１は、複数の水素透過性金属層６４を積層することによって形成されている。積層された水素透過性金属層６４間には、水素含有ガス供給部７２から供給される水素含有ガスが流れる水素含有ガス路６２と、パージガス供給部７０から供給されるパージガスが流れるパージガス路６６とが、交互に形成されている。
【００５７】
水素透過性金属層６４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、例えば、パラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金により形成することができる。あるいは、バナジウム（Ｖ）等の５族金属（Ｖの他、ニオブ、タンタル等）または５族金属の合金を基材として、その両面にＰｄやＰｄ合金層を形成した多層膜とすることができる。
【００５８】
図７は、抽出部６１の構造をさらに詳しく示す説明図である。図７では、本実施例の要部に相当する部材の積層に関わる構成についてのみ示している。抽出部６１は、水素透過性金属層６４を積層するための構造として、支持部６８を備えている。支持部６８は、抽出部６１の外周部に配設される部材であり、各水素透過性金属層６４の外周部である被支持領域Ｓにおいて、水素透過性金属層６４の一方の面と接合することによって、各水素透過性金属層６４を支持する。支持部６８は、図７に示すように、支持領域６８ａと積層領域６８ｂとを備えている。支持部６８は、支持領域６８ａにおいて、水素透過性金属層６４の被支持領域Ｓにおける水素含有ガス路６２側の面と接合する。また、支持部６８は、積層領域６８ｂにおいて、他の支持部６８の積層領域６８ｂと接合する。このように、水素透過性金属層６４を片側から支持する支持部６８を順次積層することにより、抽出部６１において、隣接部材に挟み込まれることなく水素透過性金属層６４が保持される。支持部６８は、金属層である水素透過性金属層６４との接合を容易にするために、金属材料により形成することが望ましい。本実施例では、支持部６８は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）により形成している。支持部６８と水素透過性金属層６４との間、および、隣り合う支持部６８間は、ろう付けや溶接により接合することができる。あるいは、支持部６８は、水素透過性金属層６４との接合が可能であり充分な剛性を有していれば、他種の材料により形成することも可能である。
【００５９】
水素含有ガス供給部７２は、抽出部６１が備える水素含有ガス路６２に対して、水素抽出の対象となる水素含有ガスを供給するための装置である。例えば、水素含有ガス供給部７２として改質器を設け、炭化水素系の燃料を改質して得られる水素リッチな改質ガスを水素含有ガスとして抽出部６１に供給するならば、改質ガスから純度の高い水素ガスを分離することが可能となる。水素含有ガス供給部７２から抽出部６１へと水素含有ガスを供給するための流路として、水素含有ガス供給路７６が設けられている。この水素含有ガス供給路７６は、途中で分岐して、各々の水素含有ガス路６２に接続している。
【００６０】
パージガス供給部７０は、抽出部６１が備えるパージガス路６６に対して、水素濃度が充分に低いパージガスを供給するための装置である。本実施例では、パージガスとして空気を用いており、パージガス供給部７０としては、例えば外部から空気を取り込むブロワを用いることができる。パージガス供給部７０から抽出部６１へとパージガスを供給するための流路として、パージガス供給路７４が設けられている。このパージガス供給路７４は、途中で分岐して、各々のパージガス路６６に接続している。
【００６１】
制御部７８は、第１実施例の制御部４６と同様に水素抽出装置６０の運転の開始や停止に関わる情報を取得すると共に、取得した情報に基づいて、水素含有ガス供給部７２やパージガス供給部７０に対して駆動信号を出力する。
【００６２】
制御部７８は、水素抽出装置６０の運転開始の信号を取得すると、水素含有ガス供給部７２およびパージガス供給部７０を駆動して、抽出部６１に対して水素含有ガスおよびパージガスの供給を開始する。抽出部６１に対して水素含有ガスおよびパージガスの供給が開始されると、抽出部６１では、水素透過性金属層６４において、水素濃度が高い水素含有ガス路６２側から水素濃度が低いパージガス路６６側へと、水素が移動する。パージガス路６６に対してパージガスの供給を続けることで、パージガス路６６においては水素濃度が低い状態が維持されるため、水素含有ガスから水素を抽出する動作は効率よく継続可能となる。水素含有ガス路６２を通過しつつ水素が抽出された残余のガスは、抽出部６１外部に排出される。また、パージガス路６６を通過しつつ、水素透過性金属層６４を透過した水素が混合されたパージガスは、パージガス路６６から抽出部６１の外部へと取り出される。なお。図６では、水素含有ガス路６２を通過する水素含有ガスと、パージガス路６６を通過するパージガスとは並行に流れるように表わしているが、対向する向きに流しても良く、あるいは両者の流れを直交させても良い。
【００６３】
制御部７８は、水素抽出装置６０の運転停止の信号を取得すると、水素含有ガス供給部７２を停止させると共に、パージガス供給部７０の駆動をさらに続行する。水素透過性金属層６４は、水素抽出装置６０の運転停止時には内部に水素が残留しているが、周囲の水素濃度が低いときには、水素透過性金属層６４内に残留する水素は、水素濃度差に従って水素透過性金属層６４表面から外部に排出される。パージガス路６６にパージガスを流し続けることで、パージガス路６６において水素濃度が低い状態が維持され、水素透過性金属層６４内の水素の排出を、継続して行なうことができる。水素含有ガス供給部７２を停止した後にパージガス供給部７０の駆動を続行する動作は、例えば、水素を充分に排出可能となる時間として予め設定した時間行なうこととすれば良い。なお、水素抽出装置６０の運転停止時に水素含有ガス供給部７２を停止させる際には、水素含有ガス路６２内を、空気などの水素濃度が低いガスで掃気して、水素透過性金属層６４の周囲の水素濃度を低下させることが望ましい。
【００６４】
以上のように構成された第２実施例の水素抽出装置６０によれば、水素透過性金属層６４は、支持部６８によって水素含有ガス路６２側から支持されるため、運転停止時に水素透過性金属層６４内に残留する水素を、水素透過性金属層６４からパージガス路６６へと効率よく排出させることができる。すなわち、水素透過性金属層６４を隣接部材で挟み込むことで保持しておらず、水素透過性金属層６４の被支持領域Ｓにおいて、パージガスが流れる流路側の表面が隣接部材で覆われていないため、水素透過性金属層６４表面のより広い範囲から水素の排出が行なわれる。したがって、水素抽出装置６０運転を停止した後に抽出部６１の温度が低下する場合であっても、水素透過性金属層６４内に水素が滞留することに起因する水素透過性金属層６４の水素脆化を防止することができる。なお、水素透過性金属層６４を片側から支持する構造は、水素透過性金属層６４の外周部全体ではなく、外周部の一部において設けられていても良い。少なくともこのような構造を有する領域において、水素透過性金属層６４の保持に関わる領域全体をパージガスに晒すことで、水素透過性金属層６４の水素脆化を抑える効果を得ることができる。
【００６５】
Ｄ．第２実施例の変形例：
Ｄ１．変形例１：
第２実施例では、運転停止時にはパージガス路６６にパージガスを流し続けることとしたが、水素含有ガス路６２にも併せてパージガスを供給しても良い。この場合には、パージガス供給路７４から分岐して水素含有ガス供給路７６に接続する流路をさらに設ければよい。運転停止時には、水素含有ガス供給路７６に対する水素含有ガスの供給を停止すると共に、パージガス供給路７４に加えて水素含有ガス供給路７６に対しても、パージガス供給部７０からパージガスを供給することで、抽出部６１の各水素含有ガス路６２にもパージガスを通過させることができる。これにより、パージガス路６６だけでなく水素含有ガス路６２においても水素濃度が低い状態を維持することができる。従って、水素透過性金属層６４の両側から水素の排出を積極的に行なわせることができ、より効率よく、より短期間で、残留水素の排出を行なわせることができる。
【００６６】
Ｄ２．変形例２：
第２実施例では、水素透過性金属層６４において、水素含有ガス路６２側を支持部６８と接合させることとしたが、パージガス路６６側を支持部６８と接合させることとしても良い。このような場合には、運転停止時には、各水素含有ガス路６２に対してパージガスを供給すればよい。また、この場合にパージガス路６６にも併せてパージガスを供給することとしても良い。
【００６７】
Ｄ３．変形例３：
第２実施例では、水素抽出装置６０の運転中に水素抽出効率を維持するために用いるパージガスと、水素抽出装置６０の運転停止時に水素透過性金属層６４内の水素排出のために用いるパージガスとを、同種のガスとしているため、パージガス供給部７０を共通して用いることができるが、それぞれのパージガスとして、異なるガスを用いても良い。水素抽出装置６０の運転中に用いるパージガスとして、水素含有ガスに比べて充分に水素濃度が低いガスを用いれば、水素抽出動作を良好に継続することができる。また、水素抽出装置６０の停止時に用いるパージガスとして、実質的に水素を含有しないガスを用いれば、水素透過性金属層からの水素排出の動作を効率よく行なうことができる。
【００６８】
Ｄ４．変形例４：
第２実施例では、水素透過性金属層６４を、水素透過性を有する金属薄膜により形成したが、異なる構成としても良い。例えば、ガス透過性を有する多孔質体上に水素透過性金属を担持させることにより水素透過性金属層６４を形成することができる。この場合にも、水素透過性金属層を片側から支持し、他方の面の全面から水素を排出可能とすることで、同様の効果を得ることができる。
【００６９】
Ｅ．効果の確認：
本発明の効果を以下のようにして確認した。図８は、本発明の効果を確認するために作製したモデルの形状を示す説明図である。図８（Ａ）は、本発明に対応する発明形状モデルを示し、図８（Ｂ）は、比較のために作製した従来形状モデルを示す。発明形状モデルは、厚さ１００μｍのＶ製薄膜８０と、このＶ製薄膜８０の片面と接合されたステンレス部材８１とを備えている。この発明形状モデルは、水素透過性金属層を含む層が支持部によって片側から支持される第１および第２実施例に対応するものである。従来形状モデルは、発明形状モデルと同様のＶ製薄膜８０と、この薄膜を両側から挟み込むように接合された２枚のステンレス薄膜８２とを備えている。
【００７０】
これらのモデルを、まず所定時間水素雰囲気中に晒して、Ｖ製薄膜８０内に水素が滞留する状態、すなわち、燃料電池１０や水素抽出装置６０の運転停止時に対応する状態にした。ここで各モデルを水素雰囲気中に晒す時間は、各モデルのＶ製薄膜８０が水素で飽和するのに充分な時間であれば良く、たとえば１時間以上とすることができる。その後、各モデルを空気雰囲気中に晒して、Ｖ製薄膜８０内に滞留する水素を排出させる処理、すなわち第１実施例のパージ処理に対応する処理を行なった。その後さらに、空気雰囲気中に晒した後の各モデルについて、Ｖ製薄膜８０内に残留する水素量を測定し、モデル間で比較した。残留水素量は、不活性ガス溶解−ガスクロ法により測定した。すなわち、上記処理を施した各モデルのＶ製薄膜８０全体を加熱気化させることによって、Ｖ製薄膜中に含まれる全水素量を測定し、Ｖ製薄膜中の残留水素濃度を算出して比較した。これによって、Ｖ製薄膜８０を片側から支持して水素が排出される表面を確保することによる効果を調べた。
【００７１】
ここで、従来形状モデルとしては、Ｖ製薄膜８０がステンレス薄膜８２に覆われる長さである「ろう付け部長さ」（図８（Ｂ）参照）が異なる種々のモデルを用意した。また、水素排出性能を比較するために、各々のモデルについて、空気雰囲気中に晒してＶ製薄膜８０から水素を排出させる時間（パージ時間）を種々異ならせて、残留水素濃度を測定した。
【００７２】
図９（Ａ）に、発明形状モデルについて、空気雰囲気中に晒す時間を異ならせて残留水素濃度を測定した結果を表わすグラフを示す。また、図９（Ｂ）に、ろう付け部長さが３ｍｍ（グラフ（ａ））、２ｍｍ（グラフ（ｂ））、１．５ｍｍ（グラフ（ｃ））、１ｍｍ（グラフ（ｄ））である従来形状モデルのそれぞれについて、空気雰囲気中に晒す時間を異ならせて残留水素濃度を測定した結果を示す。図９では、横軸はパージ時間、縦軸は残留水素濃度をそれぞれ表わしている。なお、従来モデルについて実際に実験を行なうときには、ろう付け部長さを３ｍｍ、７ｍｍ、１０ｍｍと、より大きく形成したモデルを用いた。図９（Ｂ）に示す結果は、上記した実際の実験における測定値から、Ｖ製薄膜８０内での水素の拡散係数を算出し、この拡散係数に基づいて、ろう付け部長さをより短くして同様の実験を行なった場合の残留水素量をシミュレーションにより求めた結果である。
【００７３】
図９（Ａ）に示すように、発明形状モデルは、約１秒間空気雰囲気中に晒すだけで、Ｖ製薄膜８０中に実質的に水素が残留しないレベルとなるようにＶ製薄膜８０から水素を排出することができた。これに対して、図９（Ｂ）に示すように、従来形状モデルにおける残留水素濃度を低下させるためには、従来形状モデルをより長時間空気雰囲気中に晒す必要があった。
【００７４】
ここで、水素透過性金属の水素脆化は、水素透過性金属と水素とが結合する（水素化物を形成する）ことにより進行する。水素透過性金属層中に水素が残留（固溶）するときに、残留水素が実際に水素透過性金属と結合して水素脆化を引き起こす程度は、低温であるほど、また、残留水素量が多いほど大きくなる。従って、水素透過性金属層を有する装置においては、運転停止時には、その装置の使用温度範囲の下限においても、残留水素と水素透過性金属とが結合することで引き起こされる水素脆化が許容範囲となるように、水素透過性金属層中の残留水素量（残留水素濃度）を低減させることが望まれる。
【００７５】
例えば、水素透過性金属層を有する装置として、第１実施例の燃料電池１０のような燃料電池を用い、この燃料電池を車載して車両の駆動用電源として使用する場合には、車両の使用可能温度として保証することが望まれる−４０℃において、充分に水素脆化が防止できればよい。すなわち、運転停止時に水素透過性金属層から水素を排出させることによって、−４０℃で進行し得る水素脆化が許容範囲となるように、水素透過性金属層中の残留水素量をより速く低減させることができればよい。
【００７６】
水素透過性金属と水素とが結合して水素脆化が進行すると、水素透過性金属の延性が低下して脆性が高まる。このような水素脆化の程度は、例えば、引っ張り試験における絞りの程度から判断することができる。「金属」１９９１年９月号に掲載された「バナジウム合金の課題と展望」（諸住正太郎著）中の図２において、Ｖの延性−脆性遷移温度に及ぼす水素（Ｈ）の影響を、引っ張り試験での絞りとして調べた結果が示されている。ここでは、温度が−４０℃の場合に、Ｖ試料中の水素濃度が３５ｐｐｍのときにはＶ試料は充分な延性を有するが、Ｖ試料中の水素濃度が５０ｐｐｍのときにはＶ試料は延性が不十分であり脆性が高くなることを示している。この結果から、−４０℃で水素脆化の程度を許容範囲とするには、Ｖ中の水素濃度を４０ｐｐｍ程度に低減できればよいことが予想される。図９（Ｂ）の結果に基づくと、従来形状モデルでは、ろう付け部長さが１ｍｍであっても、残留水素濃度を４０ｐｐｍ以下にするためには約９５秒間空気雰囲気中に晒す必要があることがわかる。なお、図９（Ｂ）に示す結果は、Ｖ製薄膜８０全体に対する残留水素濃度を表わしているため、従来形状モデルのＶ製薄膜８０においてステンレス薄膜８２に覆われていた領域では、実際にはさらに残留水素濃度が高いことが予想される。したがって、装置の停止時には、長時間のパージ処理を行なう必要があり、装置の実用化への妨げとなる可能性がある。これに対して、本発明を適用する場合には、既述したように１秒程度のパージ処理により充分に水素排出を行なうことができるため、装置の停止時の動作を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】第１実施例の燃料電池１０の概略構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池スタック１５の概略構成を示す断面模式図である。
【図３】停止処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】第１実施例の変形例を表わす説明図である。
【図５】第１実施例の他の変形例を表わす説明図である。
【図６】水素抽出装置６０の構成を表わす概略構成図である。
【図７】抽出部６１の構造を示す説明図である。
【図８】本発明の効果を確認するために作製したモデルの形状を示す説明図である。
【図９】空気雰囲気中に晒す時間を異ならせて残留水素濃度を測定した結果を表わすグラフである。
【符号の説明】
【００７８】
１０…燃料電池
１５…燃料電池スタック
２０…単セル
２１…電解質層
２２…水素透過性金属層
２３…アノード電極
２４…支持部
２４ａ…支持領域
２４ｂ…積層領域
２５…カソード電極
２６…発電部
２７…ガスセパレータ
２９…絶縁部
３０…単セル内燃料ガス流路
３２…単セル内酸化ガス流路
４０…燃料ガス供給部
４２，４４…ブロワ
４６…制御部
５０…燃料ガス供給路
５２…酸化ガス供給路
５４…パージガス供給路
６０…水素抽出装置
６１…抽出部
６２…水素含有ガス路
６４…水素透過性金属層
６６…パージガス路
６８…支持部
６８ａ…支持領域
６８ｂ…積層領域
７０…パージガス供給部
７２…水素含有ガス供給部
７４…パージガス供給路
７６…水素含有ガス供給路
７８…制御部
８０…Ｖ製薄膜
８１…ステンレス部材
８２…ステンレス薄膜
【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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