(57)【要約】【課題】  水素分離膜基材の水素透過性能の劣化を抑制することができる支持体付水素分離膜およびそれを備える燃料電池を提供する。【解決手段】  支持体付水素分離膜（１００）は、水素分離膜（３０）と、水素分離膜（３０）を補強する支持体（１０）と、水素分離膜（３０）と支持体（１０）との間に設けられ、水素分離膜（３０）と支持体（１０）との間の金属拡散を抑制する拡散抑制層（２０）とを備えることを特徴とする。水素分離膜（３０）と支持体（１０）との間の金属拡散が拡散抑制層（２０）によって抑制される。この場合、水素分離膜（３０）の水素透過性能の劣化を抑制することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素分離膜と、
前記水素分離膜を補強する支持体と、
前記水素分離膜と前記支持体との間に設けられ、前記水素分離膜と前記支持体との間の金属拡散を抑制する拡散抑制層とを備えることを特徴とする支持体付水素分離膜。
【請求項２】
前記水素分離膜を構成する金属と前記拡散抑制層を構成する金属との合金の水素透過性能劣化は、前記水素分離膜を構成する金属と前記支持体を構成する金属との合金の水素透過性能劣化よりも小さいことを特徴とする請求項１記載の支持体付水素分離膜。
【請求項３】
前記水素分離膜の前記拡散抑制層側の面の少なくとも一部はパラジウムから構成され、
前記拡散抑制層は、銀、イットリウムまたはガドリニウムから構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の支持体付水素分離膜。
【請求項４】
前記請求項１〜３のいずれかに記載の支持体付水素分離膜と、
前記支持体付水素分離膜上に形成されたプロトン導電性電解質膜と、
前記プロトン導電性電解質膜上に形成されたカソードとを備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持体付水素分離膜およびそれを備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー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導電性を有する電解質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、プロトン導電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】
この水素分離膜電池に用いられる水素分離膜には、パラジウム等の貴金属が用いられる。そのため、コスト低減のためには水素分離膜をできるだけ薄くする必要がある。この場合、支持体を用いて水素分離膜を補強する必要がある。支持体によって水素分離膜を補強するためには、支持体と水素分離膜とが接合されていることが好ましい。
【０００５】
そこで、水素分離膜基材と流路プレートとを積層接合する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、母材の溶融を伴わないため、装置全体を薄型化することができる。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−９５６１７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、特許文献１の技術では、流路プレートと水素分離膜基材との間で金属拡散が起こる。それにより、水素分離膜基材の水素透過性能が劣化してしまうおそれがある。
【０００８】
本発明は、水素分離膜基材の水素透過性能の劣化を抑制することができる支持体付水素分離膜およびそれを備える燃料電池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】
【０００９】
本発明に係る支持体付水素分離膜は、水素分離膜と、水素分離膜を補強する支持体と、水素分離膜と支持体との間に設けられ、水素分離膜と支持体との間の金属拡散を抑制する拡散抑制層とを備えることを特徴とするものである。本発明に係る支持体付水素分離膜においては、水素分離膜と支持体との間の金属拡散が拡散抑制層によって抑制される。この場合、水素分離膜の水素透過性能の劣化を抑制することができる。
【００１０】
水素分離膜を構成する金属と拡散抑制層を構成する金属との合金の水素透過性能劣化は、水素分離膜を構成する金属と支持体を構成する金属との合金の水素透過性能劣化よりも小さくてもよい。この場合、水素分離膜の水素透過性の劣化を抑制することができる。
【００１１】
水素分離膜の拡散抑制層側の面の少なくとも一部はパラジウムから構成され、拡散抑制層は、銀、イットリウムまたはガドリニウムから構成されていてもよい。この場合、水素分離膜と拡散抑制層との間における金属拡散が起こっても水素分離膜の水素透過性能は向上する。また、パラジウム合金中の不純物率がさらに大きくなって水素分離膜の水素透過性能が低下しても、水素分離膜と支持体との間における金属拡散が起こる場合に比較して水素分離膜の水素透過性能の劣化が小さくなる。以上のことから、水素分離膜の水素透過性能の劣化を抑制することができる。
【００１２】
本発明に係る燃料電池は、請求項１〜３のいずれかに記載の支持体付水素分離膜と、支持体付水素分離膜上に形成されたプロトン導電性電解質膜と、プロトン導電性電解質膜上に形成さ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、水素分離膜と支持体との間の金属拡散が拡散抑制層によって抑制される。したがって、発電反応による熱が発生しても、水素分離膜の水素透過性能の劣化を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水素分離膜の水素透過性能の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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】
【００１５】
図１は、本発明の第１実施例に係る支持体付水素分離膜１００の模式的断面図である。図１に示すように、支持体付水素分離膜１００は、支持体１０上に拡散抑制層２０および水素分離膜３０が順に形成された構造を有する。支持体１０は、例えば、ステンレス等の金属から構成される。支持体１０の膜厚は、例えば、２００μｍ程度である。拡散抑制層２０は、例えば、銀から構成される。拡散抑制層２０の膜厚は、例えば、１μｍ程度である。本実施例においては、支持体１０および拡散抑制層２０に、水素分離膜３０に水素を供給するための複数の貫通孔１１が形成されている。水素分離膜３０は、例えば、パラジウムから構成される。水素分離膜３０の膜厚は、例えば、５μｍ程度である。
【００１６】
本実施例においては、支持体１０と水素分離膜３０との間に拡散抑制層２０が形成されていることから、支持体１０と水素分離膜３０との間における金属拡散が抑制される。また、拡散抑制層２０が銀から構成されていることから、拡散抑制層２０と水素分離膜３０との間における金属拡散が起こっても水素分離膜３０の水素透過性能の劣化が抑制される。以下、水素分離膜３０を構成する金属としてパラジウムを用いる場合における水素分離膜３０の水素透過性能について詳細を説明する。
【００１７】
図２は、パラジウム合金の合金比率とパラジウム合金の水素透過性能との関係を示す図である。図２の縦軸はパラジウム合金の水素透過性能を示し、図２の横軸はパラジウム合金の合金比率を示す。図２の破線に示すように、パラジウム合金の水素透過性能は、パラジウム合金中の鉄比率が増大するにつれて著しく劣化する。一方、図２の実線に示すように、パラジウム合金の水素透過性能は、パラジウム合金中の銀比率が増大するにつれて向上し、所定の銀比率を境界にして劣化する。
【００１８】
このように、水素分離膜３０としてパラジウムを用いかつ拡散抑制層２０として銀を用いた場合、水素分離膜３０と拡散抑制層２０との間における金属拡散が起こっても水素分離膜３０の水素透過性能は向上する。また、パラジウム合金中の銀比率がさらに大きくなって水素分離膜３０の水素透過性能が低下しても、水素分離膜３０と支持体１０との間における金属拡散が起こる場合に比較して水素分離膜３０の水素透過性能の劣化が小さくなる。以上のことから、支持体１０と水素分離膜３０との間に拡散抑制層２０を設けることによって、水素分離膜３０の水素透過性能の劣化を抑制することができる。
【００１９】
なお、水素分離膜３０を構成する金属がセリウム、ガドリニウムまたはイットリウムであっても、水素分離膜３０の水素透過性能は図２のように変化する。したがって、水素分離膜３０としてセリウム、ガドリニウムまたはイットリウムを用いてもよい。一例として、純パラジウムの水素透過性能に対するパラジウム合金の水素透過性能を表１に示す。表１に示すように、パラジウム中にセリウム、ガドリニウムまたはイットリウムが拡散した場合、水素透過性能は向上している。なお、表１においては、純パラジウムの水素透過係数を１００とした場合におけるパラジウム合金の水素透過係数の比率を示している。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
また、水素分離膜３０を構成する金属と合金化することによって水素分離膜３０の水素透過性能を低下させる金属であっても、支持体１０を構成する金属に比較して水素透過性能の劣化が小さい金属であれば拡散抑制層２０として用いることができる。例えば、拡散抑制層２０を構成する金属として、金、銅、白金、バナジウム、ニッケル、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等を用いることができる。以下、拡散抑制層２０を構成する金属が銅であると仮定して、水素分離膜３０の水素透過性能について詳細を説明する。
【００２２】
図３は、パラジウム合金の合金比率とパラジウム合金の水素透過性能との関係を示す図である。図３の縦軸はパラジウム合金の水素透過性能を示し、図３の横軸はパラジウム合金の合金比率を示す。図３の実線に示すように、パラジウム合金の水素透過性能は、パラジウム合金中の銅比率が増大するにつれて低下する。しかしながら、パラジウム−銅合金の水素透過性能の劣化は、パラジウム−鉄合金の水素透過性能の劣化に比較して小さくなっている。
【００２３】
以上のことから、水素分離膜３０としてパラジウムを用いかつ拡散抑制層２０として銅を用いた場合、水素分離膜３０と支持体１０との間における金属拡散が起こる場合に比較して水素分離膜３０の水素透過性能の劣化が小さくなる。水素分離膜３０を構成する金属が金、銅、白金、バナジウム、ニッケル、ロジウム、ルテニウム、イリジウム等であっても、水素分離膜３０の水素透過性能は図３のように変化する。一例として、純パラジウムの水素透過性能に対するパラジウム合金の水素透過性能を表２に示す。表２に示すように、パラジウム−鉄合金の水素透過性能の劣化に比較して、上記金属とパラジウムとの合金の水素透過性能の劣化は小さくなっている。なお、表２においては、純パラジウムの水素透過係数を１００とした場合におけるパラジウム合金の水素透過係数の比率を示している。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
続いて、支持体付水素分離膜１００の製造方法について説明する。図４は、支持体付水素分離膜１００の製造方法を説明するための製造フロー図である。図４（ａ）に示すように、まず、支持体１０を準備する。次に、図４（ｂ）に示すように、支持体１０上に拡散抑制層２０を成膜する。この場合、スパッタリング、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等により拡散抑制層２０を成膜することができる。次いで、図４（ｃ）に示すように、拡散抑制層２０上に水素分離膜３０をクラッド法等の冷間接合法により接合する。このように、冷間接合法を用いて水素分離膜３０を接合することから、水素分離膜３０と拡散抑制層２０との間の熱拡散を抑制することができる。
【実施例２】
【００２６】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池２００について説明する。図５は、燃料電池２００について説明するための図である。図５（ａ）は燃料電池２００の模式的断面図であり、図５（ｂ）は燃料電池２００の製造方法を説明するための図である。なお、前述した第１実施例と同一符号を付した構成要素は、第１実施例の材料と同様の材料から構成される。
【００２７】
図５（ａ）に示すように、第１実施例に係る支持体付水素分離膜１００の水素分離膜３０上にプロトン導電性電解質膜４０およびカソード５０が順に形成されている。図５（ｂ）に示すように、水素分離膜３０上に、スパッタリング等によりプロトン導電性電解質膜４０およびカソード５０を順に形成することによって、燃料電池２００を製造することができる。
【００２８】
続いて、燃料電池２００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが支持体１０および拡散抑制層２０の複数の貫通孔１１を介して水素分離膜３０に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜３０を透過してプロトン導電性電解質膜４０に到達する。プロトン導電性電解質膜４０に到達した水素は、プロトンと電子とに分離する。プロトンは、プロトン導電性電解質膜４０を伝導し、カソード５０に到達する。
【００２９】
一方、カソード５０には酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。カソード５０においては、酸化剤ガス中の酸素とカソード５０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。発生した電力は、図示しないセパレータを介して回収される。以上の動作により、燃料電池２００による発電が行われる。
【００３０】
発電反応が起こる際には熱が発生する。しかしながら、水素分離膜３０と支持体１０との間には拡散抑制層２０が形成されている。したがって、燃料電池２００においては水素分離膜３０の水素透過性能の劣化が抑制される。その結果、燃料電池２００の発電性能低下を抑制することができる。
【実施例３】
【００３１】
続いて、本発明の第３実施例に係る水素分離装置３００について説明する。図６は、水素分離装置３００について説明するための図である。図６（ａ）は水素分離装置３００の模式的断面図であり、図６（ｂ）は水素分離装置３００の製造方法を説明するための図である。なお、前述した第１実施例と同一符号を付した構成要素は、第１実施例の材料と同様の材料から構成される。
【００３２】
図６（ａ）に示すように、第１実施例に係る支持体付水素分離膜１００の支持体１０側に流路プレート６０が形成され、支持体付水素分離膜１００の水素分離膜３０側に流路プレート７０が形成されている。流路プレート６０は、支持体付水素分離膜１００に水素含有ガスを供給するための流路が形成されたプレートである。流路プレート７０は、支持体付水素分離膜１００によって分離された水素を回収するための流路が形成されたプレートである。図６（ｂ）に示すように、支持体１０の水素分離膜３０と反対側の面に流路プレート６０を接合し、水素分離膜３０の支持体１０と反対側の面に流路プレート７０を接合することによって水素分離装置３００を製造することができる。
【００３３】
続いて、水素分離装置３００の動作について説明する。まず、水素を含有する燃料ガスが流路プレート６０内の流路から支持体１０および拡散抑制層２０の複数の貫通孔１１を介して水素分離膜３０に供給される。燃料ガス中の水素は、水素分離膜３０を透過して流路プレート７０に到達する。流路プレート７０に到達した水素は、流路プレート７０の流路から回収される。以上の動作により、燃料ガス中の水素を分離することができる。
【００３４】
本実施例に係る水素分離装置３００においては、水素分離膜３０と支持体１０との間には拡散抑制層２０が形成されている。したがって、水素分離装置３００を長時間使用しても、水素分離膜３０の水素透過性能の劣化が抑制される。その結果、水素分離装置３００の水素透過性能低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施例に係る支持体付水素分離膜の模式的断面図である。
【図２】パラジウム合金の合金比率とパラジウム合金の水素透過性能との関係を示す図である。
【図３】パラジウム合金の合金比率とパラジウム合金の水素透過性能との関係を示す図である。
【図４】支持体付水素分離膜の製造方法を説明するための製造フロー図である。
【図５】本発明の第２実施例に係る燃料電池について説明するための図である。
【図６】本発明の第３実施例に係る水素分離装置について説明するための図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  支持体
１１  貫通孔
２０  拡散抑制層
３０  水素分離膜
４０  プロトン導電性電解質膜
５０  カソード
１００  支持体付水素分離膜
２００  燃料電池
３００  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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