JP2003034506A

JP2003034506A - 水素抽出装置

Info

Publication number: JP2003034506A
Application number: JP2001222079A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Sato; 博道佐藤; Satoru Iguchi; 哲井口; Satoshi Aoyama; 智青山; Naoki Ito; 直樹伊藤; Toshihide Nakada; 俊秀中田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-02-07
Anticipated expiration: 2021-07-23
Also published as: JP4806867B2

Abstract

(57)【要約】【課題】水素抽出装置のさらなる小型化を可能とする
ような、水素抽出装置を構成する部材間の接続に関わる
技術を提供する。【解決手段】水素抽出装置１０は、金属製の薄板状部
材である改質ガス流路プレート３０（３０ａ，３０ｂ）
と、水素分離プレート４０（４０ａ，４０ｂ）と、パー
ジガス流路プレート５０を備え、積層したこれらの薄板
状部材間を、拡散接合によって接合して構成される。改
質ガス流路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２
は、隣接する水素分離プレート４０と共に改質ガスの流
路を形成する。パージガス流路プレート５０が備えるパ
ージガス流路孔５４は、隣接する水素分離プレート４０
と共に、水素分離プレート４０によって改質ガスから抽
出された水素が混合されるパージガスの流路を形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、水素を含有する
水素含有気体から水素を抽出する水素抽出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、水素を含有するガスから水素を抽
出する装置としては、水素を選択的に透過させる性質を
有する金属（例えば、パラジウムあるいはパラジウム合
金など）を備える水素分離膜を利用する装置が知られて
いる。このような水素抽出装置は、例えば、燃料電池を
備える燃料電池システムにおいて用いられる。

【０００３】燃料電池は、水素を含有する燃料ガスを供
給されて電気化学反応によって起電力を得る装置であ
る。燃料電池システムに水素抽出装置を適用する方法と
しては、炭化水素系の燃料を改質して得られる改質ガス
（水素リッチガス）から、水素抽出装置によって水素を
抽出し、得られた水素を燃料ガスとして燃料電池に供給
する構成が知られている。このような水素抽出装置で
は、水素分離膜の一方の面側に上記改質ガスが通過する
流路を設ければ、改質ガス中の水素だけが水素分離膜を
透過するため、水素分離膜の他方の面側に設けた流路中
に水素を抽出することができる。

【０００４】水素分離膜を備える水素抽出装置として
は、上記改質ガスなどの水素含有気体が通過する流路の
層を形成する部材と、水素分離膜と、水素分離膜によっ
て抽出された水素が通過する流路の層を形成する部材と
を、複数積層したものが提案されている（例えば、特開
平６−３４５４０８号公報など）。このように、水素分
離膜と、水素分離膜を間に挟んで配設される２つの流路
形成部材とを積層することによって、水素分離膜の表面
積を装置全体でより広く確保して、水素抽出の効率を向
上させることが可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来は、
上記のように流路形成部材や水素分離膜を積層する際
の、各部材の接続方法については充分な検討はなされて
いなかった。積層された各部材の端部では、部材の積層
によって形成される流路同士を接続する構造や、流路の
気密性を確保するための構造が必要になる。

【０００６】また、このような水素抽出装置を、燃料電
池と共に車載し、燃料電池を車両の駆動用電源として用
いる場合のように、装置を設置可能となるスペースに制
限がある用途に用いる場合には、さらなる小型化が望ま
れる。複数の部材間を接続して気密性を確保する構成と
しては、部材間にガスケット等のシール部材を配設する
方法などが知られているが、より小型化可能な水素抽出
装置の具体的な構成が望まれていた。

【０００７】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、水素抽出装置のさらなる小
型化を可能とするような、水素抽出装置を構成する部材
間の接続に関わる技術を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的を達成するために、本発明は、水素を含有する水
素含有気体から水素の抽出を行なう水素抽出装置であっ
て、水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜
を備える金属製の薄板状部材である水素分離部材と、前
記水素分離部材の第１の面と第２の面とにそれぞれ隣接
して配設された金属製の薄板状部材であって、隣り合う
前記水素分離部材と共にガスの流路を形成する流路部材
とを備え、前記水素分離部材と前記流路部材との間は、
母材の溶融を伴わない接合法により接合されており、各
々の前記水素分離部材の前記第１の面側において該水素
分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路
は、前記水素含有気体が通過する水素含有気体流路であ
り、各々の前記水素分離部材の前記第２の面側において
該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記
流路は、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体か
ら抽出された水素が通過する水素流路であることを要旨
とする。

【０００９】以上のように構成された本発明の水素抽出
装置によれば、流路を形成するための板状部材を強度に
優れた金属によって形成するため、流路を形成する部材
をより薄くすることが可能となり、このような薄板状部
材を積層した装置全体を薄型化、小型化することができ
る。さらに、このような金属製の薄板状部材を積層する
際に、各部材間を、母材の溶融を伴わない接合方法によ
り接合するため、流路を形成する部材の厚さを、溶融す
ることを見込んで設定する必要が無く、装置全体をより
薄型化することが可能となる。

【００１０】上記本発明の水素抽出装置において、前記
母材の溶融を伴わない接合法は、拡散接合および／また
はろう付けであることとしても良い。

【００１１】本発明の水素抽出装置において、前記水素
分離部材は、水素を選択的に透過させる性質を有する金
属箔からなることとしても良い。このように、水素分離
部材を金属箔によって形成することで、水素分離部材を
より薄くすることができ、水素抽出装置全体をより薄型
化することが可能となる。

【００１２】あるいは、本発明の水素抽出装置におい
て、前記水素分離部材は、薄板状の金属製多孔質体上
に、水素を選択的に透過させる性質を有する金属を成膜
したものであることとしても良い。このような構成とす
れば、水素分離部材の強度を向上させることができる。

【００１３】本発明の水素抽出装置において、前記流路
部材は、前記流路を形成するための穴部であるガス流路
穴部を備え、前記流路は、前記流路部材の前記ガス流路
穴部の内側面と、該流路部材を挟持する２枚の前記水素
分離膜部材が備える前記水素分離膜の一部とを、壁面と
して備えることとしても良い。

【００１４】このような構成とすれば、流路部材の厚さ
としては、ガス流路断面の径に対応する厚さを確保すれ
ば良く、流路部材をより薄くすることが可能となる。

【００１５】このような本発明の水素抽出装置におい
て、前記ガス流路孔の内側面は、前記流路部材を、エッ
チング、放電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少な
くとも一つによって形成されたものであることとしても
良い。

【００１６】エッチング、放電加工、レーザ加工、電解
加工のうちの少なくとも一つによって加工を行なうこと
で、複雑な機械加工が不要となる。したがって、製造が
容易となり、製造工程を簡素化することができる。

【００１７】本発明の水素抽出装置において、前記水素
分離部材は、第１の穴部および第２の穴部を有し、前記
第１の穴部は、前記水素分離部材の前記第１の面側に形
成される前記水素含有気体流路と連通し、前記第２の穴
部は、前記水素分離部材の前記第２の面側に形成される
前記水素流路と連通しており、前記流路部材のうち、前
記水素分離部材と共に前記水素含有気体流路を形成する
第１の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する
前記第２の穴部に対応する位置に設けられた第３の穴部
を有すると共に、前記水素分離部材と共に前記水素流路
を形成する第２の流路部材は、隣接する前記水素分離部
材が有する前記第１の穴部に対応する位置に設けられた
第４の穴部を有し、前記水素抽出装置全体として、前記
水素分離部材が有する前記第１の穴部と前記第２の流路
部材が有する前記第４の穴部とによって、前記水素含有
気体流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記
水素含有気体流路を導く流路が形成され、前記水素分離
部材が有する前記第２の穴部と前記第１の流路部材が有
する前記第３の穴部とによって、前記水素流路を経由し
ながら前記流路部材の積層方向に前記水素を導く流路が
形成されていることとしても良い。

【００１８】このような構成とすれば、前記水素含有気
体流路と、これに対して前記水素含有気体を分配する流
路とを接続するための構造、あるいは、前記水素流路
と、これを通過した水素が合流する流路とを接続するた
めの構造を、特別に設ける必要がない。そのため、製造
工程を簡素化すると共に、水素抽出装置の形状の複雑化
を抑えることができる。

【００１９】このような本発明の水素抽出装置におい
て、前記第１の流路部材が形成する前記水素含有気体流
路は、前記第１の流路部材の一端の近傍から対向する他
端の近傍まで延びる第１のガス流路穴部によって形成さ
れており、前記第２の流路部材が形成する前記水素流路
は、前記第２の流路部材の一端の近傍から対向する他端
の近傍まで延びる第２のガス流路穴部によって形成され
ており、前記第１のガス流路穴部の一方の端部は、前記
第１の流路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材
が備える前記第１の穴部と連通すると共に、前記第１の
ガス流路穴部の他方の端部は、前記第１の流路部材の他
方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の
穴部と連通し、前記第２のガス流路穴部の一方の端部
は、前記第２の流路部材の一方の面に隣接する前記水素
分離部材が備える前記第２の穴部と連通すると共に、前
記第２のガス流路穴部の他方の端部は、前記第２の流路
部材の他方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前
記第２の穴部と連通していることとしても良い。

【００２０】本発明の水素抽出装置において、前記水素
流路には、前記水素含有気体に比べて水素濃度が充分に
低いパージガスが供給されることとしても良い。

【００２１】パージガスを供給することによって、水素
含有気体から抽出された水素を直ちに水素抽出装置から
排出することができる。したがって、水素流路側の水素
濃度を常に充分に低く保ち、水素抽出の効率を高く維持
することができる。

【００２２】なお、本発明は、他にも種々の形態で実施
可能である。例えば、水素抽出装置の製造方法、あるい
は、水素抽出装置を備える燃料電池システムとして実施
することができる。本発明の燃料電池システムは、水素
を含有するガスと酸素を含有するガスの供給を受け、前
記ガスを利用した電気化学反応によって起電力を得る燃
料電池を備える燃料電池システムであって、以上の水素
抽出装置を備え、該水素抽出装置が抽出した水素を、前
記電気化学反応に利用することを要旨とする。以上のよ
うに構成された本発明の燃料電池システムによれば、本
発明の水素抽出装置を備えるため、燃料電池システム全
体をよりコンパクトにすることが可能となる。

【００２３】

【発明の実施の形態】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実施例の水素抽出装置１０の構成：Ｂ．水素抽出装置１０におけるガスの流れ：Ｃ．水素抽出装置１０の製造方法：Ｄ．燃料電池装置への適用：Ｅ．第２実施例の水素抽出装置１１０の構成：Ｆ．第３実施例の水素抽出装置２１０の構成：Ｇ．変形例：

【００２４】Ａ．第１実施例の水素抽出装置１０の構
成：本発明の好適な一実施例である水素抽出装置１０の
外観を表わす斜視図を図１に示す。本実施例の水素抽出
装置１０は、燃料電池システムに備えられ、炭化水素系
燃料を改質して得られる改質ガスから水素を抽出する。
水素抽出装置１０が抽出した水素は、燃料ガスとして、
上記燃料電池システムが備える燃料電池に供給される。
燃料電池システムの構成については後に説明する。図１
に示すように、水素抽出装置１０は、略同一形状の正方
形の薄板状部材を複数積層した構造を有している。図２
は、水素抽出装置１０を構成する板状部材のうち、水素
抽出装置１０の上端部（図１においてＡと表わした部
分）に配設された６枚の板状部材の様子を表わす分解斜
視図である。

【００２５】水素抽出装置１０は、その上端および下端
に配設される端部プレート２０と、改質ガスの流路を形
成する改質ガス流路プレート３０と、水素分離膜によっ
て形成される水素分離プレート４０と、抽出された水素
がパージガスと共に流れるパージガス流路を形成するパ
ージガス流路プレート５０とを備える。パージガスにつ
いては後に説明する。図２に示すように、端部プレート
２０に隣接して、改質ガス流路プレート３０ａ、水素分
離プレート４０ａ、パージガス流路プレート５０ａ、水
素分離プレート４０ｂ、改質ガス流路プレート３０ｂ、
の順に配設されている。なお、改質ガス流路プレート３
０ａと改質ガス流路プレート３０ｂとは同じものであ
り、水素分離プレート４０ａと水素分離プレート４０ｂ
とも同じものである。図２では、積層の順序を区別する
ためにａ、ｂの符号を付した。また、各板状部材は、そ
れぞれ所定の位置に所定の形状の穴部を備えているが、
各板状部材は、その積層される順序によって、各板状部
材が配設される際の向きが定まる。各板状部材を所定の
順序で所定の向きに配設することで、水素抽出装置１０
内では、改質ガスの流路とパージガスの流路とが所望の
形状に形成される。

【００２６】端部プレート２０は、穴部として、水素抽
出装置１０に対して供給される改質ガスを水素抽出装置
１０内に導くための改質ガス導入孔２２と、水素抽出装
置１０に対して供給されるパージガスを水素抽出装置１
０内に導くためのパージガス導入孔２４とを備えてい
る。後述するように、水素抽出装置１０を製造する際に
は、水素抽出装置１０を構成する各板状部材を所定の順
序で積層して、これらに押圧力を加える。端部プレート
２０は、このような押圧力が加えられたときに充分な強
度を確保するために、また、水素抽出装置１０に対して
改質ガスあるいはパージガスを給排する配管と接続する
ために、他の板状部材に比べて厚く形成されている。本
実施例では端部プレート２０は、ステンレス鋼によって
形成されている。

【００２７】図３は、改質ガス流路プレート３０の外観
を表わす説明図である。改質ガス流路プレート３０は、
穴部として、改質ガスの流路を形成する改質ガス流路孔
３２と、パージガスの流路を形成するパージガス通過孔
３４とを備えている。改質ガス流路孔３２は、改質ガス
流路プレート３０の中央部に、広く長方形型に形成され
た穴部である。水素抽出装置１０内では、改質ガス流路
孔３２は、隣接する水素分離プレート４０との間で、各
板状部材の積層方向に垂直な方向に改質ガスが流れる改
質ガス流路を形成する。パージガス通過孔３４は、改質
ガス流路プレート３０の一辺と、改質ガス流路孔３２と
の間に形成された細長い長方形状の穴部である。このパ
ージガス通過孔３４は、水素抽出装置１０内において、
各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスが流れ
るパージガス流路を形成する。本実施例では、改質ガス
流路プレート３０は、ステンレス鋼によって形成されて
いる。

【００２８】図４は、水素分離プレート４０の外観を表
わす説明図である。水素分離プレート４０は、穴部とし
て、ガスの流路を形成するガス通過孔４４，４６を備え
ている。ガス通過孔４４，４６は、水素分離プレート４
０の互いに隣接する２辺のそれぞれに沿って形成された
細長い長方形状の穴部である。これらのガス通過孔４
４，４６は、水素抽出装置１０内において、各板状部材
の積層方向に平行な方向にパージガスあるいは改質ガス
が流れるガス流路を形成する。また、本実施例の水素分
離プレート４０は、水素を選択的に透過させる性質を有
するパラジウム箔として形成されている。水素分離プレ
ート４０においては、隣接する改質ガス流路プレート３
０が備える改質ガス流路孔３２と、隣接するパージガス
流路プレート５０が備える後述するパージガス流路孔と
が、重なる領域において、水素分離が行なわれる。この
ように水素分離が行なわれる領域である水素分離部４１
を、図４に２点鎖線で囲んで示す。

【００２９】図５は、パージガス流路プレート５０の外
観を表わす説明図である。パージガス流路プレート５０
は、穴部として、パージガスの流路を形成するパージガ
ス流路孔５４と、改質ガスの流路を形成する改質ガス通
過孔５６とを備えている。パージガス流路孔５４は、パ
ージガス流路プレート５０の中央部に、広く長方形型に
形成された穴部である。水素抽出装置１０内では、パー
ジガス流路孔５４は、隣接する水素分離プレート４０と
の間で、各板状部材の積層方向に垂直な方向にパージガ
スが流れるパージガス流路を形成する。改質ガス通過孔
５６は、パージガス流路プレート５０の一辺とパージガ
ス流路孔５４との間に形成された細長い長方形状の穴部
である。この改質ガス通過孔５６は、水素抽出装置１０
内において、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質
ガスが流れる改質ガス流路を形成する。本実施例では、
パージガス流路プレート５０は、ステンレス鋼によって
形成されている。

【００３０】上記した各板状部材を積層する際に、端部
プレート２０に隣接する改質ガス流路プレート３０ａ
は、パージガス通過孔３４が、端部プレート２０が備え
るパージガス導入孔２４に重なるような向きに配設され
る（図２参照）。このとき、改質ガス流路プレート３０
ａの改質ガス流路孔３２の一方の端部は、端部プレート
２０が備える改質ガス導入孔２２と重なる（図３参
照）。

【００３１】上記改質ガス流路プレート３０ａに隣接す
る水素分離プレート４０ａは、ガス通過孔４４が、端部
プレート２０のパージガス導入孔２４および、改質ガス
流路プレート３０ａのパージガス通過孔３４に重なるよ
うな向きに、配設される（図２参照）。このとき、ガス
通過孔４６は、上記改質ガス流路プレート３０ａの改質
ガス流路孔３２の一方の端部と重なる（図３参照）。な
お、ガス通過孔４６と改質ガス導入孔２２とは、改質ガ
ス流路孔３２の対向する辺の位置にそれぞれ存在する。
この水素分離プレート４０ａにおいては、ガス通過孔４
４は、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガス
が流れるパージガス流路を形成する。また、ガス通過孔
４６は、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質ガス
が流れる改質ガス流路を形成する。

【００３２】上記水素分離プレート４０ａに隣接するパ
ージガス流路プレート５０は、改質ガス通過孔５６が、
水素分離プレート４０ａが備えるガス通過孔４６に重な
るような向きに配設されている。このとき、パージガス
流路プレート５０のパージガス流路孔５４の一方の端部
は、水素分離プレート４０ａが備えるガス通過孔４４と
重なる（図５参照）。

【００３３】第２の水素分離プレート４０ｂは、ガス通
過孔４４が、パージガス流路プレート５０が備える改質
ガス通過孔５６に重なるような向きに配設される。この
とき、ガス通過孔４６は、上記パージガス流路プレート
５０のパージガス流路孔５４の一方の端部と重なる（図
５参照）。なお、水素分離プレート４０ｂのガス通過孔
４６と水素分離プレート４０ａのガス通過孔４４とは、
パージガス流路孔５４の対向する辺の位置にそれぞれ存
在する。この第２の水素分離プレート４０ｂにおいて
は、ガス通過孔４４は、各板状部材の積層方向に平行な
方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。ま
た、ガス通過孔４６は、各板状部材の積層方向に平行な
方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。

【００３４】このように、水素抽出装置１０全体では、
積層される各水素分離プレート４０間に、改質ガス流路
プレート３０とパージガス流路プレート５０とが交互に
配設される。このとき、改質ガス流路プレート３０ある
いはパージガス流路プレート５０を間に配して隣り合う
水素分離プレート４０同士は、図２に示した端部プレー
ト２０側から順に、図２において時計回りで表わされる
向きに、互いに９０度ずつ回転する位置関係となるよう
に積層される。

【００３５】また、改質ガス流路プレート３０は、２枚
の水素分離プレート４０と１枚のパージガス流路プレー
ト５０とを配設しつつ、互いに１８０度ずつ回転する位
置関係となるように順次積層される（図２参照）。同様
に、パージガス流路プレート５０は、２枚の水素分離プ
レート４０と１枚の改質ガス流路プレート３０とを配設
しつつ、互いに１８０度ずつ回転する位置関係となるよ
うに順次積層される。

【００３６】Ｂ．水素抽出装置１０におけるガスの流
れ：水素抽出装置１０における改質ガスおよびパージガ
スの流れの様子を、図２において矢印で示した。水素抽
出装置１０に供給される改質ガスは、端部プレート２０
が備える改質ガス導入孔２２を介して内部に導入され
る。水素抽出装置１０内では、改質ガスは、改質ガス流
路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２が形成する
改質ガス流路内を通過しつつ、改質ガス流路プレート３
０に隣接する水素分離プレート４０による水素分離に供
される。各々の改質ガス流路孔３２が形成する改質ガス
流路間では、改質ガス流路プレート３０間に配設される
プレートが備える既述したガス通過孔４４，４６および
改質ガス通過孔５６が形成する改質ガス流路によって、
改質ガスが導かれる。このとき、改質ガス流路孔３２が
形成する改質ガス流路を通過する際の改質ガスの向き
は、隣り合う改質ガス流路プレート３０間では互いに対
向する向きとなる（図２参照）。

【００３７】同様に、水素抽出装置１０に供給されるパ
ージガスは、端部プレート２０が備えるパージガス導入
孔２４を介して内部に導入される。水素抽出装置１０内
では、パージガスは、パージガス流路プレート５０が備
えるパージガス流路孔５４が形成するパージガス流路内
を通過しつつ、パージガス流路プレート５０に隣接する
水素分離プレート４０によって抽出された水素が導入さ
れる。各々のパージガス流路孔５４が形成するパージガ
ス流路間では、パージガス流路プレート５０間に配設さ
れるプレートが備える既述したガス通過孔４４，４６お
よびパージガス通過孔３４が形成するパージガス流路に
よって、パージガスが導かれる。このとき、パージガス
流路孔５４が形成するパージガス流路を通過する際のパ
ージガスの向きは、隣り合うパージガス流路プレート５
０間では互いに対向する向きとなる。

【００３８】図２では、改質ガスおよびパージガスが導
入される側に配設された端部プレート２０を示したが、
水素抽出装置１０におけるもう一方の端部にも、同様の
端部プレート２０が配設されている。このもう一方の端
部に設けられた端部プレート２０にも、改質ガス導入孔
２２およびパージガス導入孔２４と同様の２つの穴部が
設けられている。これら２つの穴部のうち、一方の穴部
は、水素抽出装置１０内の改質ガス流路を通過しつつ水
素が分離された改質ガスを外部に導く。そしてもう一つ
の穴部は、水素抽出装置１０内のパージガス流路を通過
しつつ分離された水素が混合されたパージガスを外部に
導く。

【００３９】なお、パージガスとは、水素分離膜による
水素抽出の効率を向上させるために、抽出された水素が
流入する側の流路に供給するガスを指す。すなわち、水
素抽出装置１０では、パージガス流路にパージガスを流
して、水素分離膜を透過して改質ガスから抽出された水
素をパージガスによって運び去ることによって、パージ
ガス流路側における水素濃度を常に低く抑え、水素抽出
の効率の確保を図っている。パージガスとしては、水素
抽出装置１０から取り出した水素を用いる後の工程で不
都合を生じない気体であって、充分に水素濃度が低い気
体を、目的に応じて適宜選択すればよい。

【００４０】Ｃ．水素抽出装置１０の製造方法：図６
は、水素抽出装置１０の製造工程の概略を表わす説明図
である。水素抽出装置１０を製造する際には、まず、水
素抽出装置１０を構成する既述した各板状部材を用意す
る（工程Ｓ１００）。すなわち、ステンレス板あるいは
パラジウム箔においてそれぞれ所定の形状の穴部を形成
すると共に、略同一形状の四角形に成形して、端部プレ
ート２０、改質ガス流路プレート３０、パージガス流路
プレート５０および水素分離プレート４０として用意す
る。ここで、各板状部材に対して所定の形状の穴部を形
成する動作は、本実施例では、エッチングによって行な
った。エッチングとは、金属表面に耐食性を有する所定
の形状のマスキングを施した上で、マスキングしていな
い部分を腐食液によって溶解させることで所望の形状を
得る加工方法である。

【００４１】次にこれらの板状部材を、既述した所定の
順序、所定の向きとなるように積層する（工程Ｓ１１
０）。その後、積層したこれらの板状部材に対して、加
熱および加圧を行なって、隣接する板状部材間を拡散接
合によって接合し（工程Ｓ１２０）、水素抽出装置１０
を完成する。この水素抽出装置１０を実際に動作させる
際には、さらに、水素抽出装置１０に対して改質ガスお
よびパージガスを給排するための配管との接続を行な
う。

【００４２】拡散接合とは、接合したい金属部材同士
を、融点よりも低い温度で加熱・加圧し、原子の拡散を
利用して接合する方法である。接触面では、接合しよう
とする双方の金属が相互に拡散し合い、両者が一体化す
る。また、この拡散接合によれば、異種金属間の接合
も、容易に行なうことができる。本実施例では、板状部
材を積層した後に加熱および加圧を行なって、隣接する
板状部材間の接触面を、拡散接合により接合している。

【００４３】以上のように構成された本実施例の水素抽
出装置１０によれば、金属製の薄板状部材を積層するこ
とによって構成されているため、装置全体を薄型化、小
型化することができる。すなわち、ガス流路を形成する
ための部材として、強度に優れた金属板を用いること
で、流路を形成するための部材をより薄くすることが可
能となる。したがって、積層型の水素抽出装置におい
て、これが備える水素分離膜の総面積（水素分離プレー
トの枚数）を一定としたときに、装置全体をより薄型化
することができる。

【００４４】さらに、このような金属製の薄板状部材を
積層する際に、各部材間の接合を、拡散接合によって行
なうため、装置全体をより薄型化することが可能とな
る。拡散接合は、溶接のような接合方法とは異なり、母
材の溶融を伴わない接合方法であるため、母材が溶融す
ることを見込んで母材の厚さを設定する必要がない。し
たがって、接合の母材である薄板状部材を、接合のため
に厚くする必要が無く、装置全体を充分に薄型化するこ
とが可能となる。ここで、拡散接合は、接合のために、
母材間に母材以外の部材を介在させることがないため、
接合によって装置全体の厚さが増すこともない。

【００４５】水素抽出装置１０内のガス流路を形成する
金属製の薄板状部材、すなわち改質ガス流路プレート３
０およびパージガス流路プレート５０を、より薄く形成
することによって、水素抽出装置１０内に形成されるガ
ス流路の流路断面積を、より小さくすることができる。
このように、流路断面積が小さくなるほど、水素抽出装
置１０に供給されるガス流量が一定のときには、流路内
でのガスの流速が速くなる。水素抽出装置１０が備える
水素分離膜の総面積が一定であれば、水素分離膜に接し
て設けられたガス流路におけるガスの流速が速いほど、
水素分離膜を水素が透過して抽出される速度は速くな
る。したがって、ガス流路を形成する薄板上部材をより
薄くすることによって、水素抽出装置１０全体での水素
抽出の効率を向上させることができる。

【００４６】なお、ガス流路を形成する薄板状部材をよ
り薄くしてガス流路断面積をより小さくすると、それに
伴って、ガス流路内をガスが通過する際の圧損も増大す
る。したがって、ガス流路を形成する薄板状部材の厚さ
は、流路断面積が小さくなって流速が速まることによる
効果、および装置全体が小型化できる効果と、圧損が大
きくなることによる影響とを考慮して、適宜設定すれば
よい。改質ガス流路プレート３０およびパージガス流路
プレート５０の厚さとしては、これらのバランスを考慮
して、例えば１００μｍ〜１ｍｍ、好ましくは２００μ
ｍ〜５００μｍの範囲に設定することができる。

【００４７】水素分離プレート４０は、本実施例ではパ
ラジウム箔、すなわち金属製の自立膜（その金属のみで
形成されている膜）によって形成したため、水素分離プ
レート４０をより薄くすることができ、水素抽出装置１
０全体をより小型化することができる。このような水素
分離プレート４０の厚さは、積層部材としての強度や、
水素透過の効率などを考慮して適宜設定すればよい。例
えば、水素分離プレート４０の厚さは、２０〜２５μｍ
とすることができる。あるいは、パラジウム箔における
水素透過性をより充分に確保するために、より薄く、例
えば１μｍ程度とすることとしても良いが、水素分離プ
レート４０を自立膜である金属箔によって形成する場合
には、１０μｍ以上の厚さとすることが強度上望まし
い。この説明からも理解できるように、本明細書におい
て「薄板状部材」とは、１μｍ〜数１０μｍの厚さの箔
状の部材も含んでいる。また、水素を選択的に透過させ
る性質を有する水素分離膜として、パラジウム以外の金
属箔を用いることもできる。例えば、バナジウム、ニオ
ブ、タンタル等、より水素の選択透過性に優れた金属に
よって水素分離プレート４０を構成することができる。
水素の選択透過性が充分に高ければ、水素分離プレート
４０の厚さを上記した数値以上に厚くして、より充分な
強度を確保することとしても良い。また、金属箔によっ
て形成される水素分離プレート４０を、水素の選択透過
性を有する複数種の金属によって構成することとしても
良い。

【００４８】また、本実施例では、ガス流路を形成する
金属製の薄板状部材（改質ガス流路プレート３０および
パージガス流路プレート５０、さらに端部プレート２
０）を、ステンレス鋼によって形成することとしたが、
他種の金属によって形成することとしても良い。充分な
強度を有し、エッチングなどの方法によって充分な精度
で成形可能であって、拡散接合によって水素分離プレー
ト４０と接合可能であればよい。例えば、バナジウムの
ように、水素分離プレート４０を構成する金属と熱膨張
率がより近い金属によって上記薄板状部材を構成すれ
ば、水素抽出装置１０の強度および耐久性をより向上さ
せることができる。

【００４９】水素抽出装置１０を構成する板状部材をよ
り薄い金属板によって形成すると共に、これらの板状部
材を拡散接合によって接合して、水素抽出装置１０全体
をより小型化することによって、水素抽出装置１０の熱
容量をより小さくすることができる。水素抽出装置１０
の熱容量がより小さくなることで、水素抽出装置１０の
起動時に、暖機に要するエネルギを削減することができ
る。

【００５０】また、本実施例では、施す加工が穴開けの
みであるため、複雑な機械加工が不要となり、製造工程
を簡素化して、精度良く、所望の形状の加工を行なうこ
とができる。本実施例では、このような穴開け加工をエ
ッチングにより行なっている。エッチングは、形成され
る切断面の状態が良好な加工方法であり、また加工時に
加わる熱によって変形が生じたり、加工に伴って切断面
が酸化するおそれがなく、薄い金属板を用いる際に高精
度な加工が可能となる優れた方法である。さらに、エッ
チングは、加工のための高価な金型が不要であり、製造
コストを抑えることができる。

【００５１】さらに、本実施例では、各薄板状部材を接
合するのに拡散接合を用いているため、薄板状部材を積
層した後に、拡散接合を行ないつつ全体を一体化するこ
とができる。したがって、製造工程をより簡素化するこ
とができる。なお、水素抽出装置１０において、すべて
の部材を拡散接合によって接合する必要はない。少なく
ともその一部において拡散接合によって接合することと
すれば、水素抽出装置１０を小型化する効果を得ること
ができる。

【００５２】また、本実施例の水素抽出装置１０によれ
ば、改質ガス流路孔３２が形成する流路に対して改質ガ
スを給排する流路、あるいはパージガス流路孔５４が形
成する流路に対してパージガスを給排する流路を、各板
状部材に設けた穴部によって形成している。したがっ
て、水素分離膜に接するように設ける流路に対してガス
を給排するために、これらの流路とマニホールドとの間
を接続するための特別な構造を設ける必要が無く、水素
抽出装置１０全体をコンパクト化することができる。

【００５３】Ｄ．燃料電池装置への適用：既述したよう
に、本実施例の水素抽出装置１０は、燃料電池システム
において用いられる。以下に、本実施例の水素抽出装置
１０を備える燃料電池システムの構成について説明す
る。図７は、上記実施例の水素抽出装置１０を備える燃
料電池システムの一例である燃料電池システム８０の構
成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム８０
は、改質燃料を貯蔵する燃料タンク８２、水を貯蔵する
水タンク８４、改質燃料および水の昇温と混合を行なう
蒸発・混合部８６、改質反応を促進する改質触媒を備え
る改質器８８、水素抽出装置１０、燃料電池９０、ブロ
ワ９２を主な構成要素としている。

【００５４】燃料タンク８２が貯蔵する改質燃料は、改
質器８８で進行する改質反応に供されるものであり、こ
の改質燃料としては、ガソリンなどの液体炭化水素や、
メタノールなどのアルコールやアルデヒド類、あるいは
天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々
の炭化水素系燃料を選択することができる。蒸発・混合
部８６は、燃料タンク８２から供給される改質燃料およ
び水タンク８４から供給される水を気化・昇温させると
共に両者を混合するための構造である。

【００５５】蒸発・混合部８６から排出された改質燃料
と水との混合ガスは、改質器８８において改質反応に供
されて改質ガス（水素リッチガス）を生成する。ここ
で、改質器８８には、用いる改質燃料に応じた改質触媒
が備えられており、この改質燃料を改質する反応に適し
た温度となるように、改質器８８の内部温度が制御され
る。また、改質器８８で進行する改質反応は、水蒸気改
質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたも
のなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、
このように改質器８８内で進行させる改質反応に応じた
ものを選択すればよい。

【００５６】改質器８８で生成された改質ガスは、既述
した水素抽出装置１０の端部プレート２０が備える改質
ガス導入孔２２を介して、水素抽出装置１０内の改質ガ
ス流路に供給されて、この改質ガスから水素が分離・抽
出される。抽出された水素は、水素抽出装置１０内のパ
ージガス流路から排出されて、燃料電池９０のアノード
側に対して燃料ガスとして供給される。また、燃料電池
９０のカソード側に対しては、ブロワ９２から圧縮空気
が酸化ガスとして供給される。これら燃料ガスおよび酸
化ガスを利用して、燃料電池９０では電気化学反応によ
って起電力が生じる。

【００５７】なお、図７では、燃料電池システムとして
の主要な構成要素を示したが、上記したように改質燃料
としては種々のものが選択可能であり、用いる改質燃料
に応じて燃料電池システム８０の構成は適宜変更すれば
よい。例えば、用いる改質燃料が硫黄分を含有する場合
には、蒸発・混合部８６に先立って脱硫器を設けて改質
燃料の脱硫を行なうこととすればよい。また、改質器８
８と水素抽出装置１０との間にさらに、改質ガス中の一
酸化炭素濃度を低減する装置を設けることとしても良
い。改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置として
は、例えば、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水
素を生じるシフト反応を促進するシフト触媒を備えるシ
フト部や、改質ガス中の一酸化炭素を優先的に酸化する
一酸化炭素選択酸化反応を促進するＣＯ選択酸化触媒を
備えるＣＯ選択酸化部などを挙げることができる。

【００５８】以上のように構成された本実施例の燃料電
池システム８０によれば、水素抽出装置１０において、
改質器８８で生成した改質ガスから水素を抽出して、こ
れを燃料電池９０に対して燃料ガスとして供給するた
め、一酸化炭素などの不純物の含有量が極めて低い燃料
ガスを燃料電池９０に供給することができ、燃料電池９
０における発電性能を安定して維持することができる。
また、水素抽出装置１０は、既述したように、改質ガス
からの水素の抽出に関わる水素分離膜の面積を充分に確
保しつつ、全体をコンパクトに構成することが可能であ
るため、燃料電池システム８０全体をよりコンパクトに
することが可能となる。

【００５９】なお、既述した実施例では、水素を抽出す
る際にパージガスを用いて水素抽出の効率の向上を図っ
たが、燃料電池システム８０が備える水素抽出装置１０
においては、燃料電池９０に供給したときに電気化学反
応に不都合を生じないガスをパージガスとして選択すれ
ばよい。例えば、所定の蒸発器を用いて水を気化して水
蒸気を生成し、これをパージガスとしてパージガス流路
に供給することとしてもよい。あるいは、燃料電池シス
テム８０を構成する種々の部材から排出されるガスをパ
ージガスとして用いる構成も可能である。例えば、電気
化学反応に供された後に燃料電池９０のアノード側から
排出されるアノードオフガスをパージガスとして用いる
ことが可能である。あるいは、水素抽出装置１０におい
て水素の抽出が行なわれた後に水素抽出装置１０から排
出される残余の改質ガスについてさらに一酸化炭素濃度
の低減を行なったガスを、パージガスとして用いること
としても良い。

【００６０】Ｅ．第２実施例の水素抽出装置１１０の構
成：図８は、第２実施例の水素抽出装置１１０の構成を
表わす説明図である。第２実施例の水素抽出装置１１０
は、第１実施例の水素抽出装置１０と同様に、略同一形
状の四角形の金属製板状部材を積層することによって構
成され、図１に示した水素抽出装置１０と同様の外観を
有している。図８は、図２と同様に、水素抽出装置１１
０を構成する板状部材のうち、一方の端部側に配設され
た６枚の板状部材の様子を表わす分解斜視図である。既
述したように、第１実施例の水素抽出装置１０では、水
素分離プレート４０に平行な層状に形成される改質ガス
の流路あるいはパージガスの流路は、各流路が順次直列
に接続されている。これに対して、第２実施例の水素抽
出装置１１０では、水素分離プレート４０に平行な層状
に形成される改質ガスの流路あるいはパージガスの流路
は、各流路が互いに並列に接続されている。

【００６１】水素抽出装置１１０は、端部プレート２
０、改質ガス流路プレート３０，１７０、水素分離プレ
ート１４０，１６０、パージガス流路プレート１５０を
備えている。各プレートは、第１実施例の水素抽出装置
１０と同様の金属材料によって形成されている。また、
各プレートは、所定の位置に所定の形状の穴部を備える
が、これらの穴部は、第１実施例と同様にエッチングに
よって形成されている。

【００６２】端部プレート２０および改質ガス流路プレ
ート３０は、第１実施例と同様の形状を有している。水
素抽出装置１１０では、水素抽出装置１０と同様に、間
に２枚の水素分離プレートと１枚のパージガス流路プレ
ートとを挟んで、改質ガス流路プレートが配設されてい
る。改質ガス流路プレートとしては、端部プレート２０
に隣接して改質ガス流路プレート３０が配設される以外
は、改質ガス流路プレート１７０が用いられている。改
質ガス流路プレート１７０は、改質ガス流路プレート３
０が備える改質ガス流路孔３２と同様の改質ガス流路孔
１７２と、パージガス通過孔３４と同様のパージガス通
過孔１７４とを備えている。さらに、上記改質ガス流路
孔１７２を間に挟んで、パージガス通過孔１７４と対向
する位置に、パージガス通過孔１７５を備えている。

【００６３】水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１
０と同様に、間に改質ガス流路プレートあるいはパージ
ガス流路プレートを挟んで、水素分離プレートが配設さ
れている。水素分離プレートとしては、端部プレート２
０に最も近い位置に水素分離プレート１４０が配設され
る以外は、水素分離プレート１６０が用いられている。
水素分離プレート１４０は、水素分離プレート４０が備
えるガス通過孔４４，４６と同様に、ガス通過孔１４
４，１４６を備えると共に、さらに他の一辺に沿ってガ
ス通過孔１４２を備えている。水素分離プレート１６０
は、４辺のそれぞれに沿って、ガス通過孔１６２，１６
４，１６６，１６８を備えている。

【００６４】水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１
０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚の改質
ガス流路プレートとを挟んで、パージガス流路プレート
１５０が配設されている。パージガス流路プレート１５
０は、パージガス流路プレート５０が備えるパージガス
流路孔５４と同様のパージガス流路孔１５４と、改質ガ
ス通過孔５６と同様の改質ガス通過孔１５６とを備えて
いる。さらに、上記パージガス流路孔１５４を間に挟ん
で、改質ガス通過孔１５６と対向する位置に、改質ガス
通過孔１５２を備えている。

【００６５】これらの板状部材を積層した水素抽出装置
１１０では、改質ガス導入孔２２を介して水素抽出装置
１１０内に導入された改質ガスは、改質ガス流路孔３
２，ガス通過孔１４２，改質ガス通過孔１５２，ガス通
過孔１６２，改質ガス流路孔１７２が形成する流路内
を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れる。また、
このような積層方向に平行な流路から分岐して、改質ガ
ス流路孔３２および改質ガス流路孔１７２が形成する流
路内を、積層方向に垂直な方向に流れつつ、水素抽出の
動作に供される。水素抽出されずに残ったガスは、これ
ら積層方向に垂直な流路から合流して、改質ガス流路孔
３２，ガス通過孔１４６，改質ガス通過孔１５６，ガス
通過孔１６６，改質ガス流路孔１７２が形成する流路内
を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れ、外部に排
出される。

【００６６】同様に、パージガス導入孔２４を介して水
素抽出装置１１０内に導入されたパージガスは、パージ
ガス通過孔３４，ガス通過孔１４４，パージガス流路孔
１５４，ガス通過孔１６４，パージガス通過孔１７４が
形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に
流れる。また、このような積層方向に平行な流路から分
岐して、各パージガス流路孔１５４形成する流路内を、
積層方向に垂直な方向に流れつつ、抽出された水素と混
合される。水素が混合されたパージガスは、これら積層
方向に垂直な流路から合流して、パージガス流路孔１５
４，ガス通過孔１６８，パージガス通過孔１７５が形成
する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流
れ、外部に排出される。

【００６７】水素抽出装置１１０を組み立てる際には、
上記各板状部材を、その内部で上記したガス流路を形成
するように、所定の向きおよび順序で積層し、拡散接合
によって隣接する部材同士を接合して全体を一体化す
る。このような水素抽出装置１１０に対して、改質ガス
およびパージガスを給排するための配管を接続して、水
素抽出装置１１０を完成する。

【００６８】以上のように構成された第２実施例の水素
抽出装置１１０によれば、第１実施例の水素抽出装置１
０と同様の効果を奏することができる。すなわち、金属
製の薄板状部材を積層し、拡散接合によって部材間を接
合することにより、装置全体を小型化することができ
る。また、ガス流路の流路断面積を小さくして、ガスの
流速を速めることにより、水素抽出の効率を向上させる
ことができる。また、エッチングによって穴部を形成す
ることにより、さらに、拡散接合によって全体を一体化
することにより、製造工程を簡素化することができる。
さらに、装置を小型化することで、水素抽出装置１１０
の熱容量を小さくする効果を得ることができる。また、
水素分離膜に接するように設ける流路に対してガスを給
排するための流路を、各板状部材に設けた穴部によって
形成しているため、装置全体をよりコンパクト化するこ
とができる。本実施例の水素抽出装置１１０は、第１実
施例と同様に、燃料電池システム８０のように水素を利
用するシステムに適用することができる。

【００６９】Ｆ．第３実施例の水素抽出装置２１０の構
成：図９は、第３実施例の水素抽出装置２１０の製造工
程を表わす説明図である。第３実施例の水素抽出装置２
１０は、既述した実施例と同様に、略同一形状の四角形
の金属製板状部材を積層することによって製造する。水
素抽出装置２１０は、端部プレート２２０、改質ガス流
路プレート２３０、水素分離プレート２４０、パージガ
ス流路プレート２５０を備えている。各プレートは、既
述した実施例と同様の金属材料によって形成されてい
る。また、改質ガス流路プレート２３０およびパージガ
ス流路プレート２５０は、所定の位置に所定の形状の穴
部を備えるが、これらの穴部は、第１実施例と同様にエ
ッチングによって形成されている。

【００７０】端部プレート２２０は、穴部を有しない薄
板状部材である。改質ガス流路プレート２３０は、その
中央部に、広く長方形型に形成された穴部である改質ガ
ス流路孔２３２を有している。水素抽出装置２１０で
は、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プ
レートと１枚のパージガス流路プレートとを挟んで、改
質ガス流路プレート２３０が配設されている。

【００７１】水素分離プレート２４０は、穴部を有しな
い薄板状部材である。水素抽出装置２１０では、水素抽
出装置１０と同様に、間に改質ガス流路プレートあるい
はパージガス流路プレートを挟んで、水素分離プレート
２４０が配設されている。

【００７２】パージガス流路プレート２５０は、その中
央部に、広く長方形型に形成された穴部であるパージガ
ス流路孔２５２を有している。水素抽出装置２１０で
は、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プ
レートと１枚の改質ガス流路プレートとを挟んで、パー
ジガス流路プレート２５０が配設されている。

【００７３】水素抽出装置２１０を組み立てる際には、
上記各板状部材を所定の順序で積層し、拡散接合によっ
て隣接する部材同士を接合して全体を一体化する。この
とき、改質ガス流路プレート２３０とパージガス流路プ
レート２５０とは、改質ガス流路孔２３２の長手方向
と、パージガス流路孔２５２の長手方向とが直交する向
きとなるように、配設する。本実施例では、上記板状部
材を積層して拡散接合によって全体を一体化して積層体
を形成した後に、この積層体を、図９中、点線で示した
位置でさらに切断する。

【００７４】図１０および図１１は、上記積層体を切断
する位置を、改質ガス流路プレート２３０とパージガス
流路プレート２５０のそれぞれの平面図において表わし
た説明図である。また、図１２は、上記した点線に示し
た位置で切断した後の積層体２８５の様子を表わす説明
図である。このように、上記した点線に示した位置で切
断した後の積層体２８５は、その４つの側面において、
改質ガス流路あるいはパージガス流路が開口している。

【００７５】本実施例では、図１２に示した積層体２８
５を、ケーシング２８０内に収納して、水素抽出装置２
１０を完成した。積層体２８５をケーシング２８０内に
収納した水素抽出装置２１０の外観を図１３に示す。ケ
ーシング２８０には、改質ガス流路あるいはパージガス
流路が開口する積層体２８５の４つの側面に対応して、
４つのマニホールドが設けられている。図１３に示す前
面には、パージガスを供給するためのマニホールド２９
２が設けられている。左側面には、改質ガスを供給する
ためのマニホールド２９４が設けられている。右側面に
は、水素分離が行なわれた残余の改質ガスを排出するた
めのマニホールド２９６が設けられている。また、図１
３では死角となる背面には、パージガスと共に抽出され
た水素が排出されるマニホールドが設けられている。

【００７６】積層体２８５と、これを収納するケーシン
グ２８０との間は、給排されるガス同士が混合しないよ
うに、シーリングされている。すなわち、積層体２８５
の上面および下面とケーシングの内壁とが接する面、お
よび、積層体２８５の側面の角部とケーシング内壁とが
接する部位において、所定のシール部材を排することで
気密性を確保している。これによって、上記各マニホー
ルドを介して所定のガスを給排することによって、装置
内部でガスが混合することなく、改質ガスからの水素の
分離を行なうことができる。

【００７７】以上のように構成された第３実施例の水素
抽出装置２１０によれば、上記実施例の水素抽出装置１
０と同様の効果を奏することができる。すなわち、金属
製の薄板状部材を積層し、拡散接合によって部材間を接
合することにより、装置全体を小型化することができ
る。また、ガス流路の流路断面積を小さくして、ガスの
流速を速めることにより、水素抽出の効率を向上させる
ことができる。また、エッチングによって穴部を形成す
ることにより、さらに、拡散接合によって全体を一体化
することにより、製造工程を簡素化することができる。
さらに、装置を小型化することで、水素抽出装置２１０
の熱容量を小さくする効果を得ることができる。本実施
例の水素抽出装置２１０は、第１実施例と同様に、燃料
電池システム８０のように水素を利用するシステムに適
用することができる。また、本実施例の水素抽出装置２
１０は、板状部材を積層して形成した積層体２８５をケ
ーシング２８０内に収納しているため、改質ガスおよび
パージガスの配管に関わる構造を簡素化することができ
る。

【００７８】Ｅ．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。

【００７９】Ｅ１．変形例１：既述した実施例では、金
属製の板状部材は、拡散接合によって互いに接合するこ
ととしたが、ろう付けによって接合することとしても良
い。ろう付けも、拡散接合と同様に、母材の溶融を伴わ
ない接合法である。したがって、母材である改質ガス流
路プレート、パージガス流路プレートおよび水素分離プ
レートを、接合のためにより厚く形成する必要が無く、
母材間にはろうを充分に薄く配設することによって、水
素抽出装置全体をより小型化することが可能となる。

【００８０】Ｅ２．変形例２：上記実施例では、金属製
の板状部材が備える穴部は、エッチングによって形成す
ることとしたが、放電加工（例えばワイヤカット）、レ
ーザ加工、プレス加工によって形成することとしても良
い。許容できる精度で加工が可能であればよい。

【００８１】Ｅ３．変形例３：上記実施例では、水素分
離プレートは、水素分離機能を有する金属箔からなる自
立膜としたが、薄板状の多孔質基材上に水素分離機能を
有する金属を成膜して水素分離プレートを形成すること
としても良い。金属製の多孔質基材上に水素分離金属を
成膜することで、水素分離プレートの強度を向上させる
ことができる。このような場合にも、金属製の薄板状部
材を、母材の溶融を伴わない接合方法によって接合する
ことによる、装置の小型化の効果を奏することができ
る。

【００８２】ここで、多孔質基材上に水素分離金属を成
膜する方法としては、種々の方法が適用可能である。例
えば、上記多孔質基材上を、めっきや、化学蒸着法（Ｃ
ＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）等により水素分離金属で
コーティングすればよい。あるいは、多孔質基材の細孔
に上記水素分離金属を担持させることとしてもよい。こ
のような水素分離金属の担持法としては、例えば、水素
分離金属を含有した溶液に多孔質基材を浸漬する含浸担
持法を挙げることができる。

【００８３】金属製の多孔質基材上に水素分離金属を成
膜した水素分離プレートを用いる場合には、既述した実
施例と同様に拡散接合を行なうと、接合時に加えられる
加重によって多孔質基材がつぶれて、積層体の側面にお
いて充分なシール性を得ることが可能となる。あるい
は、多孔質基材の周辺部におけるシール性を確保するた
めに、実質的に水素分離機能を有しない金属を用いて、
多孔質基材周辺をコートすることとしても良い。

【００８４】Ｅ４．変形例４：また、上記実施例では、
改質ガス流路プレートおよびパージガス流路プレートが
備える穴部（ガス流路孔）によって、水素分離膜に接す
るガス流路を形成したが、ガス流路を形成するための構
造（ガス流路形成部）を、異なる構成とすることも可能
である。上記ガス流路プレートにおいて、穴部に代え
て、その表面に所定の凹凸構造を設けて、この凹凸構造
と水素分離膜との間にガス流路を形成することとしても
良い。このような場合にも、エッチングによって、高い
精度で所望の凹凸構造を金属板上に形成することができ
る。

【００８５】Ｅ５．変形例５：図２に示した水素抽出装
置１０では、改質ガスおよびパージガスは、水素抽出装
置の同じ側の端部から水素抽出装置内に導入したが、そ
れぞれ異なる側の端部から導入する構成も好ましい。水
素抽出装置内において、改質ガス流路内では、水素の抽
出が行なわれるために下流側ほど水素濃度が薄くなる。
また、パージガス流路内では、水素の抽出が行なわれる
ために下流側ほど水素濃度が濃くなる。水素分離膜によ
って水素が抽出される効率は、改質ガスとパージガスと
の間で水素濃度差が大きいほど高くなる。従って、改質
ガスとパージガスとをそれぞれ異なる側の端部から導入
することによって、水素抽出装置全体で、改質ガスとパ
ージガスとの間の水素濃度差を確保し、水素抽出効率を
高めることができる

【００８６】Ｅ６．変形例６：また、上記実施例では、
水素分離膜を間に挟んで改質ガス流路と対向して設けた
ガス流路にパージガスを流すこととしたが、パージガス
を用いない構成も可能である。積極的にパージガスを流
さない場合にも、水素分離膜を間に挟んで設けられた両
側の流路間の水素濃度差に従って、改質ガスから水素を
抽出してこれを回収することができる。

【００８７】Ｅ７．変形例７：また、改質ガス流路プレ
ートが有する改質ガス流路孔内に多孔質体を配設し、こ
の多孔質体上に改質触媒を担持させて、改質ガス流路内
で改質反応を進行させる構成も可能である。すなわち、
水素抽出装置と改質器を一体で形成することも可能であ
る。また、既述したシフト触媒、あるいはＣＯ選択酸化
触媒のような一酸化炭素濃度の低減に関わる触媒を担持
させることとしても良い。このような場合にも、穴部に
多孔質体を配設した金属製の薄板状部材を、母材の溶融
を伴わない接合方法で接合することにより、装置全体を
薄型化する効果を得ることができる。

【００８８】Ｅ８．変形例８：既述した説明では、水素
抽出装置は、改質ガスから水素を抽出することとした
が、改質ガス以外の水素含有ガスから水素を抽出するた
めに、本発明の水素抽出装置を用いることとしても良
い。また、水素分離膜を用いて水素含有ガスから抽出さ
れて、水素抽出装置から排出される水素を、燃料電池以
外の水素を消費する装置に対して供給することとしても
よい。あるいは、このような水素を消費する装置に直接
供給するのではなく、一旦貯蔵することとしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】水素抽出装置１０の外観を表わす斜視図であ
る。

【図２】水素抽出装置１０を構成する板状部材の様子を
表わす分解斜視図である。

【図３】改質ガス流路プレート３０の外観を表わす説明
図である。

【図４】水素分離プレート４０の外観を表わす説明図で
ある。

【図５】パージガス流路プレート５０の外観を表わす説
明図である。

【図６】水素抽出装置１０の製造工程の概略を表わす説
明図である。

【図７】水素抽出装置１０を備える燃料電池システム８
０の構成を表わす説明図である。

【図８】第２実施例の水素抽出装置１１０の構成を表わ
す説明図である。

【図９】第３実施例の水素抽出装置２１０の製造工程を
表わす説明図である。

【図１０】積層体を切断する位置を、改質ガス流路プレ
ート２３０の平面図において表わした説明図である。

【図１１】積層体を切断する位置を、パージガス流路プ
レート２５０の平面図において表わした説明図である。

【図１２】点線に示した位置で切断した後の積層体の様
子を表わす説明図である。

【図１３】積層体をケーシング内に収納した水素抽出装
置２１０の外観を示す説明図である。

【符号の説明】

１０，１１０，２１０…水素抽出装置２０，２２０…端部プレート２２…改質ガス導入孔２４…パージガス導入孔３０，１７０，２３０…改質ガス流路プレート３２，２３２…改質ガス流路孔３４…パージガス通過孔４０，１４０，１６０，２４０…水素分離プレート４１…水素分離部４４，４６…ガス通過孔５０，１５０，２５０…パージガス流路プレート５４，１５４…パージガス流路孔５６，１５６…改質ガス通過孔８０…燃料電池システム８２…燃料タンク８４…水タンク８６…混合部８８…改質器９０…燃料電池９２…ブロワ１４２…ガス通過孔１４４，１４６…ガス通過孔１５２…改質ガス通過孔１６２，１６４，１６６，１６８…ガス通過孔１７２…改質ガス流路孔１７４，１７５…パージガス通過孔２５２…パージガス流路孔２８０…ケーシング２８５…積層体２９２，２９４，２９６…マニホールド

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｒ (72)発明者青山智愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者伊藤直樹愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者中田俊秀愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA42 JA05A JA05C JA06A JA06C JA22A JB04 MA03 MA06 MC02 PA02 PB18 PB66 PC80 4G040 FA06 FC01 FD04 FE01 5H027 AA02 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素を含有する水素含有気体から水素の
抽出を行なう水素抽出装置であって、水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜を備
える金属製の薄板状部材である水素分離部材と、前記水素分離部材の第１の面と第２の面とにそれぞれ隣
接して配設された金属製の薄板状部材であって、隣り合
う前記水素分離部材と共にガスの流路を形成する流路部
材とを備え、前記水素分離部材と前記流路部材との間は、母材の溶融
を伴わない接合法により接合されており、各々の前記水素分離部材の前記第１の面側において該水
素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路
は、前記水素含有気体が通過する水素含有気体流路であ
り、各々の前記水素分離部材の前記第２の面側において該水
素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路
は、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体から抽
出された水素が通過する水素流路である水素抽出装置。
【請求項２】請求項１記載の水素抽出装置であって、前記母材の溶融を伴わない接合法は、拡散接合および／
またはろう付けである水素抽出装置。
【請求項３】請求項１または２記載の水素抽出装置で
あって、前記水素分離部材は、水素を選択的に透過させる性質を
有する金属箔からなる水素抽出装置。
【請求項４】請求項１または２記載の水素抽出装置で
あって、前記水素分離部材は、薄板状の金属製多孔質体上に、水
素を選択的に透過させる性質を有する金属を成膜したも
のである水素抽出装置。
【請求項５】請求項１ないし４いずれか記載の水素抽
出装置であって、前記流路部材は、前記流路を形成するための穴部である
ガス流路穴部を備え、前記流路は、前記流路部材の前記ガス流路穴部の内側面
と、該流路部材を挟持する２枚の前記水素分離膜部材が
備える前記水素分離膜の一部とを、壁面として備える水
素抽出装置。
【請求項６】請求項５記載の水素抽出装置であって、前記ガス流路穴部の内側面は、前記流路部材を、エッチ
ング、放電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少なく
とも一つによって形成されたものである水素抽出装置。
【請求項７】請求項１ないし６いずれか記載の水素抽
出装置であって、前記水素分離部材は、第１の穴部および第２の穴部を有
し、前記第１の穴部は、前記水素分離部材の前記第１の面側
に形成される前記水素含有気体流路と連通し、前記第２
の穴部は、前記水素分離部材の前記第２の面側に形成さ
れる前記水素流路と連通しており、前記流路部材のうち、前記水素分離部材と共に前記水素
含有気体流路を形成する第１の流路部材は、隣接する前
記水素分離部材が有する前記第２の穴部に対応する位置
に設けられた第３の穴部を有すると共に、前記水素分離
部材と共に前記水素流路を形成する第２の流路部材は、
隣接する前記水素分離部材が有する前記第１の穴部に対
応する位置に設けられた第４の穴部を有し、前記水素抽出装置全体として、前記水素分離部材が有す
る前記第１の穴部と前記第２の流路部材が有する前記第
４の穴部とによって、前記水素含有気体流路を経由しな
がら前記流路部材の積層方向に前記水素含有気体流路を
導く流路が形成され、前記水素分離部材が有する前記第
２の穴部と前記第１の流路部材が有する前記第３の穴部
とによって、前記水素流路を経由しながら前記流路部材
の積層方向に前記水素を導く流路が形成されている水素
抽出装置。
【請求項８】請求項７記載の水素抽出装置であって、前記第１の流路部材が形成する前記水素含有気体流路
は、前記第１の流路部材の一端の近傍から対向する他端
の近傍まで延びる第１のガス流路穴部によって形成され
ており、前記第２の流路部材が形成する前記水素流路は、前記第
２の流路部材の一端の近傍から対向する他端の近傍まで
延びる第２のガス流路穴部によって形成されており、前記第１のガス流路穴部の一方の端部は、前記第１の流
路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える
前記第１の穴部と連通すると共に、前記第１のガス流路
穴部の他方の端部は、前記第１の流路部材の他方の面に
隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の穴部と連
通し、前記第２のガス流路穴部の一方の端部は、前記第２の流
路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える
前記第２の穴部と連通すると共に、前記第２のガス流路
穴部の他方の端部は、前記第２の流路部材の他方の面に
隣接する前記水素分離部材が備える前記第２の穴部と連
通している水素抽出装置。
【請求項９】請求項１ないし８いずれか記載の水素抽
出装置であって、前記水素流路には、前記水素含有気体に比べて水素濃度
が充分に低いパージガスが供給される水素抽出装置。
【請求項１０】水素を含有する水素含有気体から水素
の抽出を行なう水素抽出装置の製造方法であって、
（ａ）水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離
膜を備える金属製の薄板状部材である水素分離部材を用
意する工程と、（ｂ）金属製の薄板状部材であって、前
記水素抽出装置を組み立てたときに隣接する前記水素分
離部材との間でガスの流路を形成する流路形成部を備え
る流路部材を用意する工程と、（ｃ）前記水素分離部材
と前記流路部材とを含む複数の部材を所定の順序で積層
する工程と、（ｄ）前記水素分離部材と前記流路部材と
の間を、母材の溶融を伴わない接合法によって接合する
工程とを備える水素抽出装置の製造方法。
【請求項１１】請求項１０記載の水素抽出装置の製造
方法であって、前記母材の溶融を伴わない接合法は、拡散接合および／
またはろう付けである水素抽出装置の製造方法。
【請求項１２】請求項１０または１１記載の水素抽出
装置の製造方法であって、前記（ｂ）工程は、前記流路形成部を、エッチング、放
電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少なくとも一つ
によって形成する工程を備える水素抽出装置の製造方
法。
【請求項１３】水素を含有するガスと酸素を含有する
ガスの供給を受け、前記ガスを利用した電気化学反応に
よって起電力を得る燃料電池を備える燃料電池システム
であって、請求項１ないし９いずれか記載の水素抽出装置を備え、
該水素抽出装置が抽出した水素を、前記電気化学反応に
利用する燃料電池システム。