(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属又は合金製の自立膜タイプの水素透過膜と、該水素透過膜を両面から支持する一対の多孔質材から成る支持板を備え、上記一対の支持板のうち、透過側に配置された支持板の機械的強度が供給側に配置された支持板の機械的強度よりも高いことを特徴とする水素分離体。
【請求項２】
上記一対の支持板の一方と他方とで材質が異なることを特徴とする請求項１に記載の水素分離体。
【請求項３】
上記一対の支持板の一方と他方とで厚さが異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素分離体。
【請求項４】
上記一対の支持板の一方と他方とで空隙率が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項５】
上記一対の支持板の一方と他方とで孔径が異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項６】
上記一対の支持板の少なくとも一方が、上記水素透過膜との対向面から裏面に連通する連通孔を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項７】
上記連通孔は、上記支持板の水素透過膜との対向面と裏面とで孔径が異なることを特徴とする請求項６に記載の水素分離体。
【請求項８】
少なくとも一方の上記支持板に、水素を含む混合ガスの改質を行う触媒層を設けたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項９】
少なくとも一方の上記支持板に、水素を選択的に透過させる選択機能層を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項１０】
上記一対の支持板の少なくとも一方が金属製のものであり、該支持板と水素透過膜を合金化し接合して成ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項１１】
上記支持板の上記水素透過膜との対向面の少なくとも一部に、上記水素透過膜との合金化を阻止する合金化阻止部を設けたことを特徴とする請求項１０に記載の水素分離体。
【請求項１２】
上記支持板の上記水素透過膜との対向面の少なくとも一部に、上記水素透過膜との合金化を促進する合金化促進部を設けたことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の水素分離体。
【請求項１３】
上記一対の支持板の少なくとも一方を、上記水素透過膜との対向面の裏面から支持する第２の支持板であるサポート部材を設けたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項１４】
上記一対の支持板が金属製のものであり、該一対の支持板及び水素透過膜の縁部全周を合金化して接合した接合部を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項１５】
上記水素透過膜及び支持板の縁部全周に、該水素透過膜及び支持板を積層方向に押圧してカシメ固定する接合部材を設けたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項１６】
上記水素透過膜及び支持板の縁部全周に、上記水素透過膜及び金属製の支持板を溶接して接合する金属製の接合部材を設けたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つの項に記載の水素分離体。
【請求項１７】
上記請求項１〜１６のいずれか１つの項に記載の水素分離体と、該水素分離体を間に挟んで、該水素分離体の両側にガス室を形成する一対の金属製の筺体部材を備え、上記水素分離体の接合部又は接合部材と、上記筺体部材の縁部を接合したことを特徴とする水素分離装置。
【請求項１８】
上記水素分離体と上記筺体部材との間に、水素を含む混合ガスの改質を行う触媒部と、縁部全周に固定部とを備えた触媒部材を設け、上記水素分離体の接合部又は接合部材と触媒部材の固定部、及び、上記筺体部材の縁部と触媒部材の固定部を接合したことを特徴とする請求項１７に記載の水素分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素を含む混合ガスから水素ガスを取り出すのに用いられる水素透過膜を備えた水素分離体及び水素分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素透過膜は、水素ガス及び水素を含む混合ガスから水素ガスを選択的に取り出すために使用されている。水素透過膜としては、水素の吸着、解離、拡散、結合する能力を有するものが使用されており、代表的な水素透過膜として、例えば、パラジウム（Ｐｄ）系合金から成るものが挙げられる。このパラジウム（Ｐｄ）は貴金属であり、高価であるために、バナジウム（Ｖ）系やネオジム（Ｎｄ）系などの水素透過膜の研究も盛んに行われている。
【０００３】
近年、地球環境問題への関心の高まりから、燃料電池の開発が盛んに行われており、液体燃料等から触媒等によって改質された水素を選択的に得るために、水素透過膜が必要となってきている。また、燃料電池に限らず、例えば、内燃機関等の水素を必要とする部位に水素を供給するために、水素透過膜の利用が検討されている。
例えば、燃料電池の車体への搭載を考慮した場合、燃料電池システム全体の体積（容積）は、可能な限り小さくすることが好ましい。燃料電池システムを小さくするためには、燃料源として水素ガスよりも液体燃料を用いることが望ましく、液体燃料を用いる場合は、該燃料から改質された水素を選択的に取り出すことのできる水素透過膜の機能が重要となる。
【０００４】
従来、水素透過膜としては、多孔質支持体の表面に、Ｐｄ又はＰｄ合金製の水素透過膜を、メッキ、ＣＶＤ（気相化学反応）、スパッタリング、イオンプレーティング、蒸着などの方法によって成膜した成膜タイプのものが知られている（例えば、特許文献１）。
水素透過膜は、膜厚が薄いほど、水素の透過性を向上させることができる。水素透過膜の膜厚が薄ければ、多孔質支持体と水素透過膜を備えた水素分離体の体積（容積）も小さくすることができ、例えば、車体に搭載する燃料電池に用いる場合に好適である。
例えば、水素分離膜の膜厚を１０分の１（１／１０）にした場合、透過性は１０倍になり、水素分離体の体積（容積）も１０分の１（１／１０）にすることが可能となる。また、この場合、水素分離膜を形成するために必要となるＰｄの使用量は、１００分の１（１／１００）となり、Ｐｄの使用量を削減して、大幅にコストを低減することが可能となる。
【特許文献１】特開２００２−３３６６６４号公報
【０００５】
また、水素透過膜として、金属製又は合金製の自立膜タイプの水素透過膜も検討されている。自立膜タイプの水素透過膜は、上述の成膜タイプのように、多孔質支持体上に水素透過膜を成膜する必要がないため、より薄膜化することが可能となる。一方、水素透過膜を薄膜化したために、十分な強度を得ることができず、強度を補うために、水素透過膜を保持する構造が必要となる。
【０００６】
このような自立膜タイプの水素透過膜を保持する構造として、水素透過膜を、多数の貫通孔を備えた一対の金属製のプレートで挟持する構造が提案されている（特許文献２）。
この構造では、一方と他方の金属製のプレートに形成された各々の貫通孔が、水素透過膜を介して連通するように形成されている。また、水素透過膜を支持する金属製のプレートには、貫通孔以外の水素透過膜と接触する接触面の端部に、水素透過膜との接触面に対する角度が鈍角になるように設定された鈍角面が形成されている。
【特許文献２】特開２００３−１６５７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、かかる従来の技術において、例えば、上記特許文献１の成膜タイプの水素透過膜にあっては、水素透過膜を成膜する多孔質支持体の孔径が大きいと、ピンホール等が形成され易くなるという問題がある。この問題を避けるために、膜厚を厚くするか、多孔質支持体の孔径を小さくする必要があり、どちらの方法を採用しても、水素の透過性が低くなるという問題がある。
【０００８】
一方、上記特許文献２の自立膜タイプの水素透過膜にあっては、薄膜化された水素透過膜の変形が生じやすく、水素透過膜が損傷し易いという問題がある。水素透過膜は、供給側の水素分圧と抽出側の水素分圧との圧力差を利用して、水素を選択的に透過させているため、この圧力差によって、水素透過膜が変形し易く、この変形から損傷が生じ易い。また、水素透過膜は、水素の吸蔵による体積膨張や熱による熱膨張によっても、膜が変形し易く、この変形からも損傷が生じ易い。例えば、燃料電池に使用した水素透過膜に損傷が生じてしまうと、電極等に含まれる白金（Ｐｔ）等が被毒し、燃料電池の出力が低下してしまうという問題がある。
【０００９】
また、上記特許文献２の水素分離装置は、水素透過膜を保持する金属製のプレートの接触面の端部に、該接触面に対する角度が鈍角になるように設定した鈍角面を形成して、供給側と抽出側の圧力差により水素透過膜が金属製のプレートから受ける応力を小さくしようとしている。しかし、貫通孔の孔径や圧力差の大きさなどによっては、プレートから受ける応力を小さくしても、水素透過膜の変形を防止することができず、水素透過膜の損傷が避けられない場合もある。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、自立膜タイプの水素透過膜の大きな変形を防いで損傷を防止することが可能な、水素の透過性に優れた水素分離体、及び、これを用いたものであって、簡易な構成でシール性に優れた水素分離装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、上記目的を達成するべく鋭意検討を重ねた結果、金属又は合金製の水素透過膜を、一対の多孔質材からなる支持板で両面から支持し、該一対の支持板の一方と他方とを有意に異ならせることなどによって、上記目的を達成することができることを見出し、本発明を完成した。
【００１２】
即ち、本発明の水素分離体は、金属又は合金製の自立膜タイプの水素透過膜と、該水素透過膜を両面から支持する一対の多孔質材から成る支持板を備えたものであり、この一対の支持板のうち、透過側に配置された支持板の機械的強度が供給側に配置された支持板の機械的強度よりも高いものとしてある。
【００１３】
また、本発明の水素分離装置は、上記水素分離体と、該水素分離体を間に挟んで、該水素分離体の両側にガス室を形成する一対の金属製の筺体部材を備えたものであり、上記水素分離体の接合部又は接合部材と、上記金属製の筺体部材の縁部を接合して成るものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、金属又は合金製の水素透過膜を、一方と他方とで有意に異ならせるようにした一対の多孔質材から成る支持板で支持するようにし、透過側に配置された支持板の機械的強度を供給側に配置された支持板の機械的強度よりも高くしてあるので、水素透過膜が変形しにくく、水素透過膜の大きな変形に起因する損傷を防止することができ、水素の透過性に優れた水素分離体を提供することができる。
また、本発明によれば、上記水素分離体を、この水素分離体の両側にガス室を形成する一対の金属製の筺体部材で挟んで、この金属製の筺体部材の縁部と水素分離体の縁部周囲に形成された接合部又は接合部材とを接合するようにしたので、簡易な構造でシール性と水素の透過性に優れた水素分離装置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】
【００１５】
以下、本発明の水素分離体につき詳細に説明する。
上述の如く、本発明の水素分離体は、金属又は合金製の水素透過膜と、該水素透過膜を両面から支持する一対の多孔質材から成る支持板を備え、上記一対の支持板の一方と他方とで機械的強度が異なるものである。
【００１６】
水素透過膜としては、例えば、Ｐｄ製のものや、Ｐｄ系合金、Ｖ系合金、Ｎｄ系合金、Ｚｒ系合金のものが挙げられる。
水素透過膜は、その膜厚が薄いものほど、水素の透過性が向上されることから、好ましくは膜厚が５〜１０μｍ、より好ましくは、大きな変形が生じにくい程度の厚さであって膜厚が５μｍ以下のものを使用する。
【００１７】
水素透過膜を両面から支持する一対の多孔質材からなる支持板としては、一方と他方とで、例えば、材質、厚さ、空隙率、孔径等が異なることにより、機械的強度が異なるようにしたものであることが好ましい。
このように、水素透過膜を両面から支持する一対の支持板の一方と他方との機械的強度が異なるようにしたことによって、水素透過膜の変形を防止することができる。
次に、本発明の水素分離体の構成によって、水素透過膜の変形を防止することが可能となるメカニズムについて説明する。
【００１８】
図１〜５は、水素透過膜の供給側と透過側のうち、透過側の面を多孔質材から成る支持板で支持した場合に、水素透過膜に変形（皺）が生じ、該変形（皺）に起因して、水素透過膜に損傷が生じる状態を示す説明図である。
図１〜３は、一方の面のみが支持板で支持された水素透過膜に変形が生じる状態を示す断面図であり、図４及び５は、皺及び損傷が生じた水素透過膜を説明する写真（平面図）である。
【００１９】
図１に示すように、水素透過膜の水素の透過側の面が支持板２で支持された水素透過膜１は、熱膨張や水素による体積膨張により、水素透過膜１の一部が支持板２から浮き上がって、支持板２のない側（供給側）に突出するように変形（変形部１ａ）する（図２）。
水素透過膜１の供給側と透過側とでは、一般的に、供給側（燃料電池に用いる場合は、燃料の混合ガスを改質する改質側）の方が透過側より圧力が高いため、供給側に突出した水素透過膜は、供給側の圧力を受けて鋭角状に押し潰され、先端が尖った状態の大きな皺（変形部１ａ’）が形成される（図３及び図４）。
この大きな皺（変形部１ａ’）は、水素透過膜１の供給側と透過側の圧力差が緩和されたり、水素透過膜から水素が全て放出されたり、温度が下がると、再び、図２の過程を経て、図１の状態に戻ろうとする。
水素透過膜の使用条件によっては、図１の状態、図２の状態、図３の状態、再び、図２の状態と、水素透過膜の変形が繰り返され、最終的には、皺の頂部に亀裂が入り、水素透過膜が損傷する（図５）。
【００２０】
上述のような大きな皺は、水素の供給側から受けた高い圧力によって、水素透過膜の膨張部分が集中して、生成されると考えられる。
一方、小さな皺の生成は、水素透過膜に大きな皺が生成されるのを防ぐため、小さな皺の生成に止めることができれば、水素透過膜の損傷につながりにくい。
【００２１】
本発明の水素分離体は、圧力差が異なる水素透過膜の供給側と透過側に、圧力差に応じて各々機械的強度が異なる支持板を設け、この一対の支持板によって水素透過膜にかかる皺を作る応力を水素透過膜の両面に分散するようにしているので、大きな皺が生成されにくく、水素透過膜に変形が生じたとしても、小さな皺の生成に止まるので、水素透過膜の損傷を防ぐことができる。
一般的に、水素透過膜の供給側と透過側では、供給側の方が透過側よりも圧力が高いので、供給側の圧力を受ける透過側に、機械的強度の大きい支持板を設け、供給側に機械的強度の小さい支持板を設けることが好ましい。
【００２２】
このように、本発明の水素分離体は、自立膜タイプの厚さの薄い水素透過膜を使用した場合であっても、水素透過膜の大きな変形を防ぎ、水素透過膜の損傷を防止することができるので、厚さの薄い自立膜タイプの水素透過膜を使用して、水素分離体又は水素分離装置を小型化（薄型化）することができる。
【００２３】
例えば、一対の支持板の各々を異なる材質で形成することにより、一方と他方とで機械的強度を異なるようにすることができる。例えば、一方の供給側にセラミック製の支持板を設け、他方の透過側に金属製の支持板を設けることが好ましい。
【００２４】
次に、本発明の水素分離体の実施形態の例（実施形態１〜１４）を図面に基づき説明する。本発明の水素分離体は、図６〜２１に示す実施形態に限定されるものではない。各図面に共通する部材には、同一の符号を付した。
【００２５】
（実施形態１）
図６に示すように、本発明の実施形態１の水素分離体１０は、水素透過膜１の供給側（改質側）に厚さの薄い支持板２ａを設け、水素透過膜１の透過側に厚さの厚い支持板２ｂを設けている。なお、図６中、符号２０は、支持板２ａ，２ｂを合金化して接合した接合部を示す。
このように、水素透過膜を両面から支持する支持板の一方と他方との厚さを変えることにより、機械的強度が異なるようにしてもよい。
この場合は、例えば、水素透過膜の供給側の支持板の厚さを薄くし、水素透過膜の透過側の支持板の厚さを厚くすることが好ましい。
【００２６】
図７は、両面から機械的強度の異なる一対の支持板で支持された水素透過１に形成された変形（皺）の状態を示す写真（平面図）である。
図７に示すように、水素透過膜１は、両面から機械的強度の異なる一対の支持板で支持されることによって、水素透過膜１には、大きな変形（皺）が生じておらず、小さな変形（皺）の生成に止まっており、損傷が生じにくくなっていることが確認できる。
【００２７】
一対の支持板のうち、水素透過膜の供給側に設ける支持板の厚さは、部材の通気率により異なるが０．５ｍｍ程度が好ましい。
【００２８】
また、図示を省略したが、水素透過膜１の供給側（改質側）に空隙率の大きい支持板を設け、水素透過膜の透過側に空隙率の小さい支持板を設けて水素分離体１を形成してもよい。
このように、水素透過膜を両面から支持する支持板の一方と他方との空隙率を変えることにより、機械的強度が異なるようにしてもよい。
【００２９】
一対の支持板のうち、水素透過膜の供給側に設ける支持板の空隙率は、水素透過膜表面への水素の到達を容易にするため、水素透過膜の透過側に設ける空隙率より高く設定する必要がある。各々の好ましい空隙率は多孔質体の素材により異なる。
【００３０】
（実施形態２）
図８は、本発明の水素分離体の実施形態２を示し、水素分離体１０は、水素透過膜１の供給側（改質側）に孔径の大きい支持板２ｃを備え、水素透過膜の透過側に孔径の小さい支持板２ｄを備えている。
一対の支持板の各々の孔径が異なることにより、一方と他方とで機械的強度が異なるようにすることができる。
例えば、供給側の支持体２ｃの平均細孔径Ａと、透過側の支持体２ｄの平均細孔径Ｂを、Ａ＞Ｂにし、供給側の支持体２ｃの平均細孔径Ａを、透過側の支持体２ｄの平均細孔径Ｂよりも疎にして、透過側の支持体２ｄの機械的強度を向上させてもよい。このように、透過側の支持板２ｄの機械的強度が大きいと、供給側から透過側にかかる大きな圧力により変形を生じることなく、水素透過膜１の膨張による変形を分散させ、水素透過膜１に大きな変形（皺）が生成されるのを防止することができる。
【００３１】
水素透過膜の透過側に設ける支持板の平均細孔径は、少なくとも０．５μｍ程度の大きさが必要である。一方、水素透過膜の供給側に設ける支持板の平均細孔径は、水素透過膜表面への水素の到達を容易にするため、透過側に設ける支持板の平均細孔径よりかなり大きな孔径が必要である。水素透過膜の供給側に設ける支持板の平均細孔径は、通気率を顧慮して定める必要がある。
【００３２】
（実施形態３）
図９は、本発明の水素分離体の実施形態３を示す。本例の水素分離体は、一対の支持板の一方と他方とで孔径を変える手段として、例えば、供給側に、金属製の網状体を支持板２ｅとして備え、透過側に、金属製の多孔質材から成る板状体を支持板２ｆとして備えている。
水素透過膜１の供給側に網状体である支持板２ｅを設けた場合（図１０（ａ）参照）、熱と水素の透過により網状体である支持板２ｅが変形し、この変形に伴って水素透過膜１も変形するが、網状体である支持板２ｅによって、水素透過膜１の局所的な大きな変形が防止され、水素透過膜１の変形が分散されて、一定の間隔で小さく変形するので、水素透過膜１の損傷を防ぐことができる（図１０（ｂ）参照）。
なお、金属製の網状体を支持板として用いる場合は、水素透過膜と接触側の面に、後述する合金化阻止部を形成することが好ましい。
【００３３】
（実施形態４）
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の水素分離体の実施形態４を示す。本例の水素分離体１０は、水素分離体１０を構成する一対の支持板２ｇ，２ｈのうち、少なくとも一方の支持板２ｇが、水素透過膜１の対向面から裏面に連通する連通孔３ａを有するものである。  支持板２ｇが連通孔３ａを有することにより、一対の支持板２ｇ，２ｈの一方と他方とで機械的強度を異ならせるようにすることができる。
図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、支持板２ｇは、水素透過膜１の対向面から裏面に連通する連通孔３ａを有することによって、供給側で改質された水素ガスの水素透過膜１への供給量を増大することができ、水素透過膜１を通して、水素ガスを透過側に多量に供給することができるようになる。
【００３４】
（実施形態５）
また、図１２は、本発明の水素分離体の実施形態５を示し、本例のように、水素分離体の支持板２ｇに形成する連通孔３ｂは、水素透過膜の対向面と裏面とで孔径が異なるように形成してもよい。例えば、支持板の裏面（水素透過膜と接触しない面、即ち、供給側の面）の孔径を大きくし、その一方で、支持板の水素透過膜との対向面（水素透過膜側の面）の孔径を小さく形成することによって、供給側で改質された水素ガスの水素透過膜への供給量を増大することができる。
【００３５】
（実施形態６）
図１３は、本発明の水素分離体の実施形態６を示す。図１３に示すように、水素分離体１０は、一対の支持板２ｉ，２ｊのうち、少なくとも一方の支持板２ｉに、例えば、水素を選択的に透過させる、分子ふるいの機能を有する選択機能層４を設けた例を示す。この選択機能層４は、例えば、水素透過膜１の供給側に設ける支持板２ｉの水素透過膜１との対向面に設けることが好ましい。
例えば、本発明の水素分離体１０を燃料電池に用いた場合、供給側の混合ガス中に、一酸化炭素や二酸化炭素、水、メタン等が含まれている場合、水素以外の水素透過を阻害する物質が水素透過膜に流通すると水素の透過が阻害される。このため、支持板２ｉに、例えば、水素を選択的に透過させる、分子ふるいの機能を有する選択機能層４を設けることによって、供給側の混合ガス中に含まれている水素以外の一酸化炭素等の膜への接近を阻止したり、一酸化炭素よりも透過妨害性能がより小さい二酸化炭素は透過させるようにして、水素透過膜の透過性をより向上させることができる。
【００３６】
選択機能層としては、例えば、多孔質材からなる支持板の一方の表面にＣＶＤ法やゾルゲル法により形成した、分子ふるい機能を有するシリカ層や、ＣＶＤ法により成膜したＡｌ２Ｏ３等から成る、分子ふるい機能を有するセラミック層等が挙げられる。
【００３７】
（実施形態７）
図１４は、本発明の水素分離体の実施形態７を示す。図１４に示すように、水素分離体１０は、一対の支持板２ｃ，２ｄのうち、少なくとも一方の支持板２ｉには、例えば、燃料の改質を行う触媒層５を設けたものであってもよい。この触媒層５は、例えば、水素透過膜１の供給側の支持板２ｃの混合ガスと接触し易い外側（水素透過膜１と接触する側の反対側）に設けることが好ましい。
この触媒層５としては、例えば、燃料を改質して水素を発生させる触媒と同じものを用いることができる。支持板２ｃに触媒層５を設けた場合は、水素透過膜１を透過させる前に燃料の改質を行う触媒層を増大させて、改質の効率を向上させることができるので、好ましい。
【００３８】
本発明の水素分離体として、金属又は合金製の水素透過膜と、金属又は合金製の一対の支持板を用いた場合は、これらの水素透過膜と支持板とを合金化することによって、一体化することができる（図６、図８、図１０、図１１及び図１４等参照）。
【００３９】
（実施形態８）
上述のように、金属又は合金製の水素透過膜と、金属又は合金製の一対の支持板を合金化して接合する場合は、図１５に示す実施形態８のように、支持板２ｋ，２ｌの水素透過膜１との対向面の少なくとも一部、好ましくは支持板２ｋ，２ｌの水素透過膜１と対向面の縁部全周を除く残部の全てに合金化を阻止する合金化阻止部６を設けることが好ましい（図中、矢印は、支持板２ｋ，２ｌの接合方向を示す。）。合金化阻止部を設けていない縁部全周は、合金化促進部２０’として機能し、この合金化促進部が接合して接合部２０となる。なお、図示を省略したが、他の例においても、支持板として、金属又は合金製の支持板を用いる場合は、水素透過膜との対向面に、合金化阻止部を設けた支持板を用いることが好ましい。
この合金化阻止部６を設けることによって、支持板２ｋ，２ｌの縁部全周と水素透過膜とを合金化して一体化させる際に、合金化によって水素透過膜１の水素の透過が阻止されることなく、水素透過膜１と支持板２ｋ，２ｌとを一体化することができる。
【００４０】
合金化阻止部としては、支持板の表面に形成したＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３及びＺｒＯ２等の耐熱性無機酸化物製の膜が挙げられる。この膜は、めっきなどのＣＶＤ法、さらに、真空蒸着やスパッタリングなどのＰＶＤ法、塗布などにより形成することができる。
【００４１】
（実施形態９）
図１６は、本発明の水素分離体１０の実施形態９を示す。図１６に示すように、例えば、水素分離体１０の支持板２ｍ，２ｎとしてセラミック製のものを用いた場合は、金属製の支持板と比較して、支持板２ｍ，２ｎの剛性が小さいので、これらの支持板２ｍ，２ｎの水素透過膜１との対向面の裏面側に、更に多孔質材又は複数の通孔を有する第２の支持板として、サポート部材７ａ，７ｂを設けてもよい。
また、図１６に示すように、第２の支持板であるサポート部材７ａ，７ｂが、金属製の多孔質材から成るものである場合は、供給側に設けるサポート部材７ａと、透過側に設けるサポート部材７ｂとでは、各々のサポート部材７ａ，７ｂに形成される平均孔径等が異なるものであってもよい。
【００４２】
サポート部材７は、水素透過膜の一方の支持板のみを支持するように設けてもよく、図１６に示すように、両方の支持板を支持するように設けてもよい。
一対の支持板として、セラミック製の支持板を設け、該一対の支持板の水素透過膜との対向面の裏面に、更に、一対の金属製の板状のサポート部材を設けた場合は、この金属製のサポート部材の縁部全周を合金化して接合し、一体化して水素分離体を形成してもよい。
【００４３】
（実施形態１０）
図１７は、本発明の水素分離体１０の実施形態１０を示し、図１７に示すように、水素分離体１０として、例えば、一対の支持体２ｏ，２ｐのうち、一方の支持板２ｐの厚さを大きくしても水素透過膜１の変形を防止できない場合も、支持板２ｐの水素透過膜１との対向面の裏面に、更に、第２の支持板として、サポート部材７ｃを設けてもよい。なお、図１７には、選択機能層４を有する支持板２ｏを用いた例を示す。
例えば、水素透過膜１の供給側の圧力が数百ｋＰａと高い場合は、水素透過膜１の透過側の支持板２ｐの厚さを大きくしただけでは、水素透過膜１及び支持板２ｐの変形を防止できない場合がある。この場合には、水素透過膜１の透過側の支持板２ｐを更に支持する第２の支持板であるサポート部材７ｃを設けて、透過側の部材の剛性を大きくすることで、水素透過膜１の大きな変形を防止することができる。
この場合は、サポート部材７ｃに多数の通孔８を形成し、透過側の支持板２ｐから透過してきた水素ガスが透過側に抜け易い構造にすることが好ましい。
【００４４】
次に、水素透過膜と一対の支持板とを一体化させた水素分離体の実施形態の例（実施形態１１〜１４）、及び、その製造方法を図面に基づき説明する。図１８〜２１は、水素分離体の製造方法の例を示す説明図である。
【００４５】
本発明の水素分離体１０として、金属又は合金製の水素透過膜１と、金属又は合金製の支持板（例えば、支持板２ａ，２ｂ）を用いた場合は、水素透過膜と一対の支持板との縁部全周を合金化することによって接合し、該合金化した部分を接合部２０として、一体化して水素分離体を製造することができる（図６、図８、図１０、図１１及び図１４等参照）。
【００４６】
（実施形態１１）
図１８は、本発明の水素分離体の実施形態１１を示す。図１８に示すように、水素分離体１０として、水素透過膜１と、該水素透過膜１を両面から支持する支持板２ａ，２ｂの外縁部に、水素透過膜１及び支持板２ａ，２ｂの外縁部全体を囲繞する枠状体から成る接合部材２１を設け、この接合部材２１に、一対の支持板２ａ，２ｂの端縁部の一部又は全部を溶接し一体化して、水素分離体１０を製造してもよい。なお、図１８中、２ａ’及び２ｂ’は溶接部分を示し、６は合金化阻止部を示す。
例えば、支持板２ａ，２ｂがステンレス製である場合は、接合部材２１として、ステンレス製のものを用いれば、支持板２ａ，２ｂと接合部材２１との溶接が容易であり、組み立て作業性を向上させることができる。
【００４７】
（実施形態１２）
図１９は、本発明の水素分離体の実施形態１２を示す。図１９に示すように、水素分離体１０として、水素透過膜１と、該水素透過膜を両面から支持する支持板２ａ，２ｂの外縁部に、この外縁部の一部又は外縁部の全体を囲繞して、例えば、６００℃以下の温度で、水素透過膜１及び一対の支持板２ａ，２ｂを、積層方向にカシメて固定する接合部材２２を設けてもよい。この接合部材２２を用いて、水素透過膜１と一対の支持板２ａ，２ｂを積層方向に押圧し、気密に一体化して、水素分離体１０を製造する。図１９中、矢印は接合部材２２のカシメる方向を示し、６は合金化阻止部を示す。
なお、接合部材を用いて、水素透過膜及び一対の支持板を積層方向にカシメて固定する場合は、溶接して固定する場合のように、局所的な温度上昇によって、水素透過膜や支持板がアッセンブリ（組み付け）後にひずみを生じることがないという利点を有する。
【００４８】
（実施形態１３）
図２０は、本発明の水素分離体の実施形態１３を示す。図２０に示すように、水素分離体１０は、支持板２ａ，２ｂの接合部２０又は接合部材の部分を外方側から圧縮加工してもよい。接合部２０又は接合部材の部分を外方側から圧縮加工することによって、支持板２ａ，２ｂ及び／又はサポート部材の空隙を潰して密度を大きくすることができ、水素分離体を装置に組み付ける際に、供給側から透過側へのガス漏れを防止することができる。
なお、図２０中、矢印は、支持板２ａ，２ｂの接合部２０又は接合部材の部分を圧縮する方向を示している。
水素分離体の接合部又は接合部材を圧縮加工する場合は、接合部又は接合部材を予め厚く形成しておき、圧縮加工後に、圧縮加工した部分と圧縮加工していない部分が同一の厚さになるようにしておくことにより、水素分離体の装置への組み付けを容易にすることができる。
【００４９】
（実施形態１４）
図２１は、本発明の水素分離体の実施形態１４を示す。図２１に示すように、本例の水素分離体１０は、水素透過膜１の支持板２ｍ，２ｎとしてセラミック製のものを用い、このセラミック製の支持板２ｍ，２ｎを更に支持する第２の支持板として、一対の金属製のサポート部材７ａ，７ｂを用いている。
図２１に示すように、水素分離体１０は、第２の支持板である金属製のサポート部材７ａ，７ｂの縁部の一部又は全周に、水素透過膜１、支持板２ｍ，２ｎ、第２の支持板であるサポート部材７ａ，７ｂを積層方向にカシメて固定する多孔質体から成る接合部材２２を設け、この接合部材２２の外周に、更に金属製の多孔質体からなる保持枠２３を設け、接合部材２２と保持枠２３を溶接し、強固な構造としている。
【００５０】
図２１に示す水素分離体１０は、水素透過膜１の外縁が、支持板２ｍ，２ｎ及びサポート部材７ａ，７ｂからはみ出すようにし、はみ出した水素透過膜１を、接合部材２２の内面に接するように折り曲げて（折曲部１ｂ）組み立てることが好ましい。水素分離体１０は、水素透過膜１が折り曲げられた（折曲部１ｂ）側が、供給側となるように配置することにより、供給側（改質側）で改質された水素以外の成分が透過側に漏れることがないという利点を有する。
【００５１】
次に、本発明の水素分離体を用いた水素分離装置及びその製造方法を図面に基づき説明する。図２２は、本発明の水素分離体を用いた水素分離装置の実施形態の例（実施形態１５）を説明する分解斜視図であり、図２３は、本発明の水素分離体を用いた水素分離装置の実施形態の他の例（実施形態１６）を説明する断面図である。なお、本発明の水素分離装置は、図２２及び２３に示す実施形態に限られるものではない。
【００５２】
（実施形態１５）
図２２に示すように、水素分離装置１００は、水素透過膜１と、一対の支持板２ａ，２ｂとを備えた水素分離体１０と、該水素分離体１０を間に挟んで、水素分離体１０の両側にガス室を形成する一対の金属製の筐体部材３０，３０を備え、水素分離体１０の接合部又は接合部材（図示略）と、一対の金属製の筐体部材３０，３０とを接合している。水素分離体１０の接合部又は接合部材と筐体部材３０，３０との接合は、合金化してもよく、溶接してもよい。なお、図２２中、６は合金化阻止部を示す。
水素分離装置１００は、水素分離体１０の接合部又は接合部材と、一対の筐体部材３０，３０の枠部縁部とを合金化又は溶接して接合していることにより、良好な気密性を有する。
【００５３】
また、図２２に示すように、水素分離装置１００は、一方の筐体部材３０の枠部内側に水素分離体１０の厚さに対応した段差部３１を形成し、この段差部３１に水素分離体１０を嵌合させ、この筐体部材３０の枠部内側に水素分離体１０を溶接した後、他方の筐体部材３０を一方の筐体部材３０と合金化又は溶接して形成してもよい。
【００５４】
（実施形態１６）
また、図２３に示すように、水素分離装置１００は、水素分離体１０と、一対の筐体部材３０，３０との間に触媒部材４０，４０を設けてもよい。
図２３に示す水素分離装置１００は、２つの水素分離体１０，１０と、この２つの水素分離体１０，１０を間に挟んで、一方側と他方側に、混合ガスの改質を行う改質触媒加熱部４１と改質触媒部４２を備えた一対の改質触媒部材４０，４０を備え、更にこの改質触媒部材４０，４０を挟んで、一対の筐体部材３０，３０を備えている。
本例において、水素分離装置１００は、水素分離体１０の接合部材２２と、改質触媒部材４０，４０の縁部全周に位置する固定部４３，４３が合金化又は溶接により接合され、更に、改質触媒部材４０，４０の固定部４３，４３と、筐体部材３０，３０の縁部全周が合金化又は溶接により接合されて成るものである。
【００５５】
以上のように、本発明の範囲に属する上記実施形態の水素分離体及び水素分離装置は、水素透過膜の大きな変形を防いで、水素透過膜の損傷を防止できるので、厚さの薄い自立膜タイプの水素透過膜を使用することができ、小型化（薄型化）することができる。よって、これらの実施形態の水素分離体及び水素分離装置は、燃料電池又は内燃機関に好適に用いることができる。
また、上記実施形態の水素分離体及び水素分離装置は、小型化（薄型化）することができるので、起動時に必要な熱量を減らすことができ、例えば、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】水素透過膜の供給側と透過側のうち、透過側の面を支持板で支持した場合に、水素透過膜に変形（皺）が生じる前の状態を説明する断面図である。
【図２】図１に示す水素透過膜に変形（皺）が生じた状態を説明する断面図である。
【図３】図２に示す変形（皺）が生じた水素透過膜に更に変形が生じた状態を説明する断面図である。
【図４】大きな変形（皺）が生じた水素透過膜を説明する写真（平面図）である。
【図５】大きな変形（皺）から損傷が生じた水素透過膜を説明する写真（平面図）である。
【図６】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する断面図である。
【図７】本発明の水素分離体によって、水素透過に形成された変形（皺）の状態を示す写真（平面図）である。
【図８】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する断面図である。
【図９】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する分解斜視図である。
【図１０】図９に示す水素分離体の水素透過膜に皺ができる前（ａ）と、後（ｂ）の状態を説明する断面図である。
【図１１】（ａ）は本発明の水素分離体の実施形態の例を示す断面図であり、（ｂ）は、水素分離体の支持体の一部を示す拡大断面図である。
【図１２】本発明の水素分離体の実施形態の例を示し、水素分離体を構成する支持体の一部を示す拡大断面図である。
【図１３】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する断面図である。
【図１４】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する断面図である。
【図１５】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する分解断面図である。
【図１６】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する断面図である。
【図１７】本発明の水素分離体の実施形態の例を説明する断面図である。
【図１８】本発明の水素分離体の製造方法の例を説明する一部断面図である。
【図１９】本発明の水素分離体の製造方法の例を説明する一部断面図である。
【図２０】本発明の水素分離体の製造方法の例を説明する一部断面図である。
【図２１】本発明の水素分離体の製造方法の例を説明する一部断面図である。
【図２２】本発明の水素分離装置の実施形態の例を示す分解斜視図である。
【図２３】本発明の水素分離装置の実施形態の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１      水素透過膜
１ａ    変形部
１ａ’  皺
１ｂ    折曲部
２ａ〜２ｐ    支持体
３ａ，３ｂ    連通孔
４      選択機能層
５      触媒層
６      合金化阻止部
７ａ〜７ｃ    サポート部材
８      通孔
１０    水素分離体
２０    接合部
２０’  合金化促進部
２１，２２    接合部材
２３    保持枠
３０    筐体部材
３１    段差部
４０    触媒部材
４１    改質触媒加熱部
４２    改質触媒層
４３    固定部
１００  水素分離装置
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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