JP2003320226A - 水素透過膜および水素抽出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素透過膜を水素が透過する際に、膜強度が
不十分となるのを防止する技術を提供する。 【解決手段】 水素抽出装置１０は、水素透過膜２０
と、補強部材３４，３６と、流路部材３０，３２とを備
える。水素透過膜２０と流路部材３０との間には、水素
を含有する改質ガスの流路が形成される。水素透過膜２
０と流路部材３２との間には、水素透過膜２０によって
改質ガスから抽出された水素が混入するパージガスの流
路が形成される。水素透過膜２０は、複数の触媒層２４
を備え、水素抽出の動作は、主としてこの触媒層２４が
形成される領域において行なわれる。また、触媒層２４
を形成しない領域では、水素透過膜２０内に水素原子が
固溶する程度が抑えられるため、膜強度が充分に確保さ
れる。

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、水素を選択的に
透過させる水素透過膜および水素抽出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水素を含有する気体から水素を抽
出する装置としては、水素を選択的に透過させる性質を
有する金属を備える水素透過膜を利用する装置が知られ
ている。このような装置では、水素透過膜の一方の面
に、水素を含有する混合気体を接触させると、上記混合
気体中の水素が水素透過膜を透過して、水素透過膜の他
方の面において純度の高い水素を得ることができる。

【０００３】このような水素透過膜のとして、バナジウ
ム（Ｖ）等の水素透過性能の高い金属膜の両側に、パラ
ジウム（Ｐｄ）膜を形成する構成が提案されている（例
えば、特開平１１−２７６８６６号公報など）。パラジ
ウムは、水素透過に関わる触媒機能を有しているが、水
素透過性能ではＶ等に及ばない。そのため、上記構成と
することで、水素透過膜の性能を向上させることができ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水素透
過膜には、従来、水素を透過する際に膜強度が低下して
しまうという問題があった。すなわち、水素原子が水素
透過膜内を透過する際には、水素透過膜を構成する金属
結晶内に水素原子が固溶するが、これによって金属格子
間の結合力が弱まり、膜強度が低下してしまう。そのた
め、水素透過膜の強度の向上が望まれていた。さらに、
水素抽出装置においては、水素透過効率を向上させるた
めに水素透過膜の薄型化が図られている。水素透過膜の
薄型化は、膜強度の低下を引き起こすため、水素透過膜
の強度を向上させる要請は、さらに強まっている。

【０００５】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、水素透過膜を水素が透過す
る際に、膜強度が不十分となるのを防止する技術を提供
することを目的とする。

【０００６】

【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、水素を選択的に透
過させる水素透過膜であって、水素を透過させる機能を
有する金属層で構成された膜基材と、水素透過能が相対
的に高い第１の領域と水素透過能が相対的に低い第２の
領域とが前記膜基材の中に形成されるように、前記膜基
材に設けられた水素透過能調整部とを備えることを要旨
とする。

【０００７】このような水素透過膜によれば、水素を透
過させる際に、上記第２の領域においては膜内部に水素
原子が固溶する程度が抑えられる。そのため、このよう
な領域では膜強度の低下が抑えられ、水素透過膜全体の
強度を向上させることができる。上記水素透過能調整部
は、前記膜基材の表面近傍に設けられていることとして
も良い。

【０００８】このような本発明の水素透過膜において、
前記金属層は、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タ
ンタル（Ｔａ）から選択される元素を含んでいることと
すればよい。上記した各元素は、５族元素である。これ
らの元素は、水素透過性能が極めて高く、これらの元素
を膜基材に含有させることで、水素透過膜における水素
透過性能をより向上させることができる。

【０００９】本発明の水素透過膜において、前記水素透
過能調整部は、前記膜基材の一方の面の近傍に形成さ
れ、前記水素透過膜上に存在する水素を前記膜基材内に
固溶させる第１の触媒部と、前記膜基材の他方の面の近
傍に形成され、前記膜基材を透過した水素を該水素透過
膜外に放出させる第２の触媒部と、を備え、前記第１の
領域は、前記膜基材のそれぞれの面において、前記第１
の触媒部と前記第２の触媒部とが形成される領域を含
み、前記第２の領域は、前記膜基材の両方の面におい
て、前記第１の触媒部と前記第２の触媒部とのいずれも
形成されない領域を含むこととしても良い。

【００１０】上記第１の領域では、水素透過膜の一方の
面上に存在する水素を膜内部に透過させて他方の面側に
放出する反応が活発に進行するため、このような領域に
おいて、水素を透過させる反応を所望の程度に充分に行
なうことが可能となる。また、上記第２の領域では、上
記第１の触媒部を介して膜内部に固溶した水素が透過す
る現象に関与することが少ないため、膜強度が損なわれ
ることがなく、水素透過膜全体の強度を維持するために
働くことができる。

【００１１】このような水素透過膜において、前記第１
の触媒部と前記第２の触媒部の内の少なくとも一方は、
前記水素透過膜表面において複数に分離された形状を有
しており、前記水素透過膜表面において、前記複数に分
離された触媒部以外の領域は互いに連続していることと
しても良い。

【００１２】このような構成とすることで、水素を透過
させる反応が抑制される第２の領域が、膜内で互いに連
続した形状に形成されるため、水素透過膜全体の強度を
さらに向上させることができる。

【００１３】上記水素透過膜において、前記第１の触媒
部と前記第２の触媒部とは、前記膜基材を間に挟んで対
向する位置にあることとしても良い。このような構成と
すれば、第１の触媒部と第２の触媒部とが重なって形成
される領域では、水素を透過させる動作がより活発に進
行する。このような場合に、第１の触媒部と第２の触媒
部とを、ほぼ同じ大きさに形成しても良い。

【００１４】また、このとき、前記第１の触媒部は、前
記第２の触媒部よりも大きな面積を有することとしても
良い。通常は、水素透過の動作を律速するのは、第２の
触媒部において水素分子を放出する反応ではなく、第１
の触媒部において水素原子を膜内部に固溶する反応であ
る。そのため、このような構成とすることで、水素透過
の動作を損なうことなく膜強度を高めることができ、ま
た、第２の触媒部を形成するために要する材料を削減す
ることが可能となる。

【００１５】上記した本実施例の水素透過膜において、
前記第１および第２の触媒部は、パラジウム（Ｐｄ）、
白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒ
ｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、
レニウム（Ｒｅ）、ニッケル（Ｎｉ）から成る群より選
択される少なくとも１種類の金属元素を含有することと
しても良い。水素を透過させる性質を有する膜基材上
に、これらの元素を含有する触媒部を形成することで、
この触媒部において水素透過に関わる反応を進行させる
ことができる。

【００１６】本発明の水素透過膜において、前記水素透
過能調整部は、前記第１の触媒部と前記膜基材との間、
および、前記第２の触媒部と前記膜基材との間の、少な
くとも一方において形成され、水素原子が透過するのを
抑制する阻害層を備えることとしても良い。

【００１７】このような構成とすれば、阻害層において
水素原子の透過が妨げられることで、前記第２の領域が
形成され、この阻害層の近傍においては水素原子が固溶
する程度を抑えることができる。

【００１８】また、本発明の水素透過膜において、前記
第２の領域は、前記水素を透過させる金属とは異なる元
素を含み、これによって前記膜基材が水素を透過させる
働きを低下させていることとしても良い。すなわち、水
素透過能調整部が、水素を透過させる金属とは異なる元
素を含むことで、前記第２の領域が形成されることとし
ても良い。このような領域では、膜基材に水素原子が固
溶する程度が抑えられ、膜強度が確保される。

【００１９】また、本発明の水素透過膜において、前記
金属層は、複数種の金属元素を含み、前記第２の領域
は、前記複数種の金属元素の内、水素を透過させる働き
が比較的小さい元素を、前記第１の領域に比べてより大
きい割合で含有していることとしても良い。すなわち、
水素透過能調整部において、水素を透過させる働きがよ
り小さい元素をより大きな割合で含有することで、前記
第２の領域が形成されることとしても良い。ここで、水
素を透過させる働きが比較的小さい元素とは、この元素
の混入される量が増すほど上記金属層における水素透過
能が低下する元素であれば良く、実質的には水素透過能
を有しない元素であっても良い。

【００２０】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、水素透過膜の製造方法や、水素透過
膜を備える水素抽出装置などの形態で実現することが可
能である。

【００２１】

【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．システムの全体構成： Ｂ．水素抽出装置１０の構成： Ｃ．水素透過膜２０の構成： Ｄ．水素透過膜２０の製造方法： Ｅ．第２〜７実施例： Ｆ．変形例：

【００２２】Ａ．システムの構成：図１は、実施例とし
ての水素抽出装置を備える燃料電池システム５０の概略
構成を示す説明図である。燃料電池システム５０は、改
質燃料を貯蔵する燃料タンク５２、水を貯蔵する水タン
ク５４、改質燃料および水の昇温と混合を行なう蒸発・
混合部５６、改質反応を促進する改質触媒を備える改質
器５８、水素抽出装置１０、燃料電池６０、ブロワ６２
を主な構成要素としている。

【００２３】燃料タンク５２が貯蔵する改質燃料は、改
質器５８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５６は、燃料タンク５２から供給される改質燃料およ
び水タンク５４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。

【００２４】蒸発・混合部５６から排出された改質燃料
と水との混合ガスは、改質器５８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５８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５８の内部温度が制御され
る。また、改質器５８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５８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。

【００２５】改質器５８で生成された改質ガスは、水素
抽出装置１０内の改質ガス流路に供給されて、改質器５
８内におい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６０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６０の
カソード側に対しては、ブロワ６２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６０では電気化学反応によって起
電力が生じる。なお、本実施例の水素抽出装置１０で
は、改質ガスから水素を抽出する際に、パージガスを用
いることとしたが、パージガスについては後述する。

【００２６】また、図１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５０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５６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。あるいは、改質
器５８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。

【００２７】Ｂ．水素抽出装置１０の構成：図２は、水
素抽出装置１０の構成を示す分解斜視図である。水素抽
出装置１０は、水素透過膜２０と、補強部材３４，３６
と、流路形成部材３０，３２とを備えている。

【００２８】水素透過膜２０は、水素を透過させる金属
からなる薄膜状の膜基材と、この膜基材の両方の面上に
それぞれ複数個ずつ形成される触媒層２４（図２では、
補強部材３４と接する面上に形成される触媒層２４だけ
を示した）とを備えている。上記複数の触媒層２４は、
いずれも略同一の大きさの長方形状に形成されており、
縦横に規則的に配置されている。この触媒層２４におい
て、水素抽出に関わる反応が実際に進行する。水素透過
膜２０の詳しい構成については後述する。

【００２９】補強部材３４，３６は、水素透過膜２０が
損傷するのを防止して水素抽出装置１０の耐久性を高め
るために、水素透過膜２０を両側から挟持するように配
設する金属製の薄板状部材である。補強部材３４，３６
は、水素抽出装置１０の内部環境において安定である金
属によって構成されている。この補強部材３４，３６の
厚みは、水素抽出装置１０に給排されるガス圧や、水素
抽出装置１０に要求される強度、あるいは水素抽出装置
１０に対する小型化・軽量化の要求等を考慮して、適宜
設定すればよい。本実施例では、補強部材３４，３６の
厚みは、いずれも１００μｍとした。補強部材３４，３
６は、それぞれ、複数の穴部３５，３７を備えている。
補強部材３４が備える穴部３５は、この補強部材３４と
接する水素透過膜の面上に形成される触媒層２４に対応
する位置に設けられ、これらと略同一形状に形成されて
いる。また、補強部材３６が備える穴部３７は、この補
強部材３６と接する水素透過膜の面上に形成される触媒
層２４に対応する位置に設けられ、これらと略同一形状
に形成されている。

【００３０】流路形成部材３０，３２は、水素透過膜２
０との間に、ガス流路を形成するために、上記補強部材
３４，３６のさらに外側に配設する部材である。流路形
成部材３０，３２を構成する材料としては、チタン（熱
膨張係数が５族金属に近い）、銅（熱伝導率が高い）、
アルミニウム（軽量）を始めとする種々の金属を選択す
ることができる。特に、補強部材３４，３６と同種の金
属によって構成することとすれば、後述する拡散接合を
より容易に行なうことが可能になる。また、流路形成部
材３０は、その表面に、凸部３１を備える凹凸形状を有
し、この凹凸形状によって水素透過膜２０との間に、水
素含有気体である改質ガスが通過する改質ガス流路を形
成する。同様に、流路形成部材３２は、その表面に、凸
部３３を備える凹凸形状を有する。そして、この凹凸形
状によって水素透過膜２０との間に、水素透過膜２０を
透過した水素が流入するパージガスが流れるパージガス
流路を形成する。なお、凸部３１，３３において、隣り
合う凸部間の距離は、水素透過膜２０上に設けられた触
媒層２４の一辺の長さに略等しくなっている。そして、
流路形成部材３０，３２は、後述するように、凸部３
１，３３が触媒層２４に重ならないように配設される

【００３１】ここで、パージガスとは、水素透過膜によ
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、水素透過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。本実施例で
は、既述したように、パージガスとして水蒸気を用いて
いる。なお、本実施例のようにパージガスとして水蒸気
を用いる場合には、燃料電池６０に先立って凝縮器を設
け、燃料ガスとして燃料電池６０に供給する水素ガス中
の過剰な水蒸気を取り除くこととしても良い。

【００３２】水素抽出装置１０を組み立てる際には、上
記各部材を図２に示した順序で積層して、隣接する部材
同士を接合させる。なお、積層の際には、流路形成部材
３０，３２が備える凸部３１，３３の端面が、補強部材
３４，３６が備える穴部３５，３７や、水素透過膜２０
が備える触媒層２４とは重ならないように、各部材を配
設している。また、各部材の接合は、拡散接合によって
行なった。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
して接合する周知の接合方法である。なお、各部材の接
合方法としては、上記した拡散接合の他、ろう付けや溶
接など、他の方法を用いることとしても良い。

【００３３】上記のように組み立てた水素抽出装置１０
は、改質器５８から改質ガスが排出される流路５７（図
１参照）、および、燃料電池６０に燃料ガスを供給する
流路５９（図１参照）に対して接続される。これによっ
て、改質器５８から排出された改質ガスは、流路形成部
材３０と水素透過膜２０との間に形成される改質ガス流
路内に供給される。この改質ガスは、補強部材３４の穴
部３５を介して、水素透過膜２０の面のうちの補強部材
３４と接する側の面上の触媒層２４に到達する。そし
て、改質ガス中の水素は、水素透過膜２０のもう一方の
面上に形成された触媒層２４上に透過して、補強部材３
６の穴部３７を介して、流路形成部材３２と水素透過膜
２０との間に形成されるパージガス流路内のパージガス
に混入する。その後、上記水素は、パージガスと共に燃
料電池６０側に排出される。

【００３４】Ｃ．水素透過膜２０の構成：図３は、水素
透過膜２０の構成を表わす断面図である。既述したよう
に、水素透過膜２０は、膜基材２２と、この膜基材２２
の両面にそれぞれ複数個形成される触媒層２４とを備え
ている。図３に示すように、本実施例の水素透過膜２０
では、膜基材２２の一方の面上に形成される触媒層２４
と、他方の面上に形成される触媒層２４とは、膜基材２
２を間に挟んで互いに一致する位置に設けられている。
なお、図３では、補強部材３４，３６および流路形成部
材３０，３２の記載は省略しており、改質ガスとパージ
ガスとが、水素透過膜２０のそれぞれの面上を対向する
向きに流れる様子を矢印で示した。

【００３５】このような水素透過膜２０において、水素
分子は、図４に示すような工程で、この水素透過膜２０
を透過すると考えられている。すなわち、水素分子は、
まず、改質ガス流路側の触媒層２４において２つの水素
原子に解離する。解離した水素原子は、この触媒層２４
および膜基材２２内を順次透過して、対向する面上の触
媒層２４へと到達する。なお、このように水素原子が水
素透過膜２０内を透過する際には、水素原子は、水素透
過膜２０を構成する金属結晶内に固溶した状態となって
いると考えられる。そして、対向する面上の触媒層２４
において、水素原子は再結合し、水素分子となる。

【００３６】改質ガス流路側の触媒層２４は、上記した
ように、改質ガス流路を流れる改質ガス中に含まれて水
素透過膜２０上に存在する水素を、膜基材２２内に固溶
させる働きを有する。また、パージガス流路側の触媒層
２４は、膜基材２２を透過した水素を、パージガス流路
内に放出させる働きを有する。このような反応を促進す
る活性を有する金属としては、パラジウム（Ｐｄ）、白
金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、
イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）等の貴金
属や、レニウム（Ｒｅ）、ニッケル（Ｎｉ）およびこれ
らの合金を挙げることができる。触媒層２４は、上記し
た金属の中から選択される１種以上の金属を備える。

【００３７】膜基材２２は、上記したように、触媒層２
４において取り込まれた水素原子を、内部に固溶した状
態で、対向する面側の触媒層２４へと透過させる。この
ような水素透過性を有する金属としては、バナジウム
（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｔａ（タンタル）といった５
族の金属およびこれらの合金を挙げることができる。膜
基材２２は、上記した金属の中から選択される１種以上
の金属を備える。

【００３８】なお、図４では、本実施例の水素透過膜２
０として、膜基材２２はバナジウム（Ｖ）で構成し、触
媒層２４はパラジウム（Ｐｄ）で構成する様子を示し
た。上記したように、Ｐｄは、水素の解離・再結合を促
進する触媒としての機能と、水素を透過させる機能とを
有しているが、水素透過性能は、Ｐｄに比べるとＶのほ
うがかなり優れている。

【００３９】Ｄ．水素透過膜２０の製造方法：図５は、
水素透過膜２０の製造工程を示す説明図である。水素透
過膜２０を製造する際には、まず、膜基材２２として用
いる薄板状金属部材を用意する（ステップＳ１００）。
この薄板状金属部材の厚さは、他の部材と共に積層して
水素抽出装置１０を構成したときの強度や、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、この
薄板状金属部材は、１〜数１０μｍの厚さの箔状の部材
とすることができる。

【００４０】その後、上記薄板状金属部の両面それぞれ
に、所定の形状の複数の触媒層２４を形成して（ステッ
プＳ１１０）、水素透過膜２０を完成する。本実施例で
は、上記膜基材２２としてのバナジウム箔の表面をエッ
チングによって清浄して、酸化物などの不純物を表面か
ら除去した後に、触媒層２４であるパラジウム（Ｐｄ）
層を形成した。このような触媒層２４は、触媒層２４の
形状に応じたマスキングを膜基材２２上に施してから、
電解めっきや無電解めっき、スパッタ法、イオンプレー
ティング法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶ
Ｄ）などによって形成する。触媒層２４は、既述した水
素透過に関わる触媒機能を有していれば良く、例えば
０．１〜１μｍ、好ましくは０．２〜０．５μｍの厚さ
に形成する。触媒層２４を構成する金属の有する水素透
過能が、膜基材２２を構成する金属の有する水素透過能
に比べて不十分である場合には、触媒層２４をより薄く
形成することが望ましい。

【００４１】以上のように構成された本実施例の水素透
過膜２０を備える水素抽出装置１０によれば、水素透過
膜２０において水素の給排に関わる気体（改質ガスある
いはパージガス）と接触する領域のうち、限られた領域
に触媒層２４を設けているため、水素透過膜２０の強度
を高めて水素抽出装置１０の耐久性を向上させることが
できる。このような効果は、水素透過膜２０において、
水素透過が起こる程度が部位によって異なることによっ
て得られる。

【００４２】水素透過膜２０を水素が透過するときに
は、改質ガス流路側に設けられた触媒層２４から水素原
子が膜内に入り込み、パージガス流路側に設けられた触
媒層２４から水素が放出される。そして、触媒層２４が
形成されない膜表面においてはこのような反応が起こら
ない。そのため、水素透過膜２０表面の限られた領域に
触媒層２４を設けることで、水素透過膜２０内におい
て、水素が活発に透過する膜内領域と、水素透過に関わ
る程度が低い膜内領域とが形成される。

【００４３】ここで、水素透過膜２０内を水素が透過す
る際には、既述したように水素透過膜２０を構成する金
属内に水素原子が固溶する状態となる。このような固溶
体はいわゆる侵入型固溶体といわれるものであり、金属
結晶の格子点の隙間に水素が入り込んでおり、このよう
な状態となるとき水素透過性金属の強度は低下する。上
記した水素透過に関わる程度が低い膜内領域は、水素原
子との固溶に起因して膜強度が低下するのが抑えられる
ため、このような膜内領域を形成することによって、水
素透過膜２０の強度を高めることができる。また、水素
が固溶するときには、水素透過膜２０が膨張する。上記
した水素透過に関わる程度が低い膜内領域は、このよう
な膜膨張が抑えられることにより、水素透過膜２０に歪
みが生じるのが抑えられ、膜の耐久性をさらに向上させ
ることができる。

【００４４】また、本実施例の水素透過膜２０は、膜表
面において触媒層２４を島状に形成されており、触媒層
２４が形成されていない領域が互いに連続する状態とな
る。そのため、上記水素透過に関わる程度が低い膜内領
域も互いに連続して形成され、膜全体の膨張が効果的に
抑えられて、水素透過膜２０の強度を高める効果がさら
に向上する。特に、本実施例の水素透過膜２０では、触
媒層２４は、膜を挟んで互いに一致する位置に形成され
ているため、水素原子が固溶する程度の小さい膜内領域
が確実に形成され、膜強度を容易に確保することができ
る。さらに、本実施例の水素抽出装置１０では、穴部３
５，３７を備える補強部材３４，３６を配設しているた
め、水素抽出の効率を低下させることなく、水素透過膜
２０の耐久性をさらに高めることができる。

【００４５】Ｅ．第２〜７実施例： （Ｅ−１）第２実施例：図６は、第２実施例の水素透過
膜１２０の構成を表わす断面図である。第２実施例の水
素透過膜１２０は、第１実施例と同様の水素抽出装置に
おいて用いられるものであり、ここでは膜の構成につい
て説明する。なお、第１実施例の水素透過膜２０と共通
する部分には同じ参照番号を付し、詳しい説明を省略す
る。水素透過膜１２０は、膜基材２２と、その表面に形
成される複数の触媒層２４，１２４とを備えている。触
媒層２４，１２４，は、第１実施例の触媒層２４と同様
に長方形状に形成されており、膜基材２２上において、
縦横に規則的に配置されている。ここで、第２実施例の
水素透過膜１２０では、改質ガス流路側に形成される触
媒層２４と、パージガス流路側に形成される触媒層１２
４とは、膜を挟んで互いに対応する位置に形成されてい
るが、触媒層２４は、触媒層１２４に比べて小さく形成
されている。また、このような水素透過膜１２０を備え
る水素抽出装置では、補強部材３４，３６が備える穴部
３５，３７は、それぞれ、触媒層２４、１２４に対応す
る大きさおよび位置に形成すれば良い（図示せず）。

【００４６】このような水素透過膜１２０によれば、膜
強度を向上する効果をさらに効果的に得ることができ
る。触媒層２４をより広く形成すると、水素が活発に透
過する膜内領域が、改質ガス側の表面近くでより広く形
成され、このような膜内領域は水素原子が固溶すること
で膨張する。ここで、改質ガスから水素を抽出する際に
は、改質ガス側の水素分圧を高めて水素抽出効率を向上
させるために、通常は、パージガスに比べて改質ガスの
圧力を高くする。そのため、改質ガス側の触媒層２４を
より広く形成することによって、膜が膨張しようとする
ことで水素透過膜１２０から改質ガスに対向して働く応
力を強めることができ、膜強度を維持する上で有利とな
る。

【００４７】なお、水素が透過する際には、パージガス
流路側における触媒層で進行する反応の方が、改質ガス
流路側における触媒層で進行する反応に比べて活発に進
行する。そのため、パージガス流路側の触媒層１２４を
より小さくしても、水素透過の効率が損なわれるおそれ
がない。また、このような構成とすることで、水素透過
の効率を損なうことなく、パージガス側の触媒層を形成
するために用いる金属量を削減することができる。

【００４８】（Ｅ−２）第３実施例：図７は、第３実施
例の水素透過膜２２０の構成を表わす断面図である。こ
の水素透過膜２２０は、第２実施例の水素透過膜１２０
とほぼ同様の構成を有しているが、改質ガスと接する面
には、全面に触媒層２２４が設けられている。

【００４９】このような水素透過膜２２０を用いて水素
抽出の動作を行なうと、水素透過膜２２０では、改質ガ
ス流路側の表面付近では、膜の全面にわたって、水素が
活発に透過する膜内領域が形成される。また、パージガ
ス流路側の表面付近では、触媒層２４が形成されない膜
表面の近傍において、水素を透過させる反応がより抑制
された膜内領域が形成される。そのため、水素透過膜２
２０によれば、第２実施例の水素透過膜１２０と同様の
効果を得ることができる。また、触媒層２２４は、水素
透過膜２２０の一方の面の全面を覆うように形成される
ため、これを形成するための動作をより簡素化し、より
容易に形成することが可能となる。

【００５０】なお、水素透過膜２２０を備える水素抽出
装置では、図２の水素抽出装置１０において水素透過膜
２０と流路形成部材３０との間に配設した補強部材３４
に対応する部材は、設けないこととしても良い。

【００５１】（Ｅ−３）第４実施例：図８は、第４実施
例の水素透過膜３２０の構成を表わす断面図である。こ
の水素透過膜３２０は、第１実施例の水素透過膜２０と
類似する構成を有しており、両方の表面のそれぞれにお
いて、膜基材２２を間に挟んで互いに一致する位置に、
複数の触媒層３２４を備えている。さらに、水素透過膜
３２０では、膜表面に形成されて互いに隣接する触媒層
３２４間の距離が、膜全体で不均一となっている。すな
わち、水素透過膜３２０表面において、上流の改質ガス
と接する領域では、隣接する触媒層３２４間の距離がよ
り広く形成されており、下流の改質ガスと接する領域で
は、隣接する触媒層３２４間の距離がより狭く形成され
ている。

【００５２】このように、改質ガスの上流側と接する領
域ほど、水素が活発に透過する膜内領域が形成される割
合を低くすることで、膜強度を向上させる効果を高める
ことができる。改質ガスの上流側ほど気体中の水素濃度
が高く、水素が透過する動作が活発に起こって（水素の
固溶量が増えて）膜強度が低下し易いため、水素が活発
に透過する膜内領域が形成される割合を抑えることで、
膜強度を確保することができるのである。また、改質ガ
スの下流側は水素濃度が低いため、水素透過膜３２０に
おいてこのような下流側改質ガスと接触する領域では、
水素固溶による膜強度の低下が比較的少なくなる。その
ため、下流側改質ガスと接触する領域では、触媒層３２
４の形成される割合を増やして、水素透過量を確保して
も、膜強度が低下してしまうことが少ない。

【００５３】なお、水素透過膜３２０では、改質ガスと
パージガスとは対向する向きに流れるため、パージガス
と接触する面では、パージガスの上流側ほど、触媒層３
２４の形成される割合が大きくなっている。これに対し
て、図８の水素透過膜３２０において、改質ガスとパー
ジガスとを同じ向きに流すこととしても良い。このよう
な場合には、パージガス流路側の面において、下流側の
パージガスと接触する領域ほど、触媒層３２４が形成さ
れる割合が高くなる。ここで、改質ガスは下流側ほど水
素濃度が低く、パージガスは下流側ほど水素濃度が高く
なる。そのため、改質ガスとパージガスとを同じ向きに
流す場合には、膜を間に介した改質ガスとパージガスと
の間の水素濃度差は、下流側ほど小さくなり、下流側で
の水素透過の効率は低下する。上記のように、下流側の
ガスと接触する領域ほど触媒層３２４が形成される割合
を高めることで、膜強度を確保しつつ、水素濃度差が小
さい下流側での水素透過を促進することができる。

【００５４】上記第４実施例では、各触媒層３２４の大
きさは略同一で、隣り合う触媒層３２４間の距離を異な
らせることとした。これに対して、個々の触媒層３２４
の大きさを、改質ガスの上流側に対応する領域と下流側
に対応する領域とで異ならせることによって、触媒層が
形成される割合を異ならせることとしても良い。

【００５５】（Ｅ−４）第５実施例：図９は、第５実施
例の水素透過膜４２０の構成を表わす断面図である。こ
の水素透過膜４２０は、膜基材２２と、膜基材２２上に
形成される触媒層４２４と、膜表面の所定の領域におい
て膜基材２２と触媒層４２４との間に形成される阻害層
２６とを備えている。膜基材２２および触媒層４２４
は、既述した実施例と同様の材料によって形成されてい
る。阻害層２６は、触媒層４２４と膜基材２２との間の
水素透過を阻害する層であり、膜基材２２および触媒層
４２４を構成する金属に応じて、これらの金属に比べて
水素を透過する機能が充分に低い金属を選択して形成さ
れる。阻害層２６を構成する金属としては、例えば、鉄
（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、アル
ミニウム（Ａｌ）等から選択することができる。

【００５６】図１０は、水素透過膜４２０の製造工程を
表わす説明図である。水素透過膜４２０を製造する際に
は、まず、膜基材２２として用いる薄板状金属部材を用
意する（ステップＳ２００）。この工程は、図５におけ
るステップＳ１００と同様の工程である。次に、上記薄
板状金属部材の両面の所定の場所に、阻害層２６を形成
する（ステップＳ２１０）。ここで、阻害層２６を形成
する領域は、図２に示した水素抽出装置においてこの水
素透過膜４２０を用いたときに、補強部材３４，３６と
接触する領域に対応する領域である。既述した水素透過
を妨げる金属によって阻害層２６を形成する方法として
は、電解めっきや無電解めっき、スパッタ法、イオンプ
レーティング法、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法
（ＰＶＤ）、ろう付けなど、種々の方法を用いることが
できる。

【００５７】阻害層２６を形成した後は、この阻害層２
６を備える上記薄板状金属部材の両面全面に、触媒層４
２４を形成して（ステップＳ２２０）、水素透過膜４２
０を完成する。これにより、水素透過膜４２０は、第１
実施例の水素透過膜２０において触媒層２４が形成され
る領域と対応する領域では、膜基材２２上に触媒層４２
４だけが形成される状態となる。また、水素透過膜２０
において触媒層２４が形成されていない領域と対応する
領域では、膜基材上に阻害層２６と触媒層４２４とが形
成される状態となる。水素透過膜４２０を用いて水素の
抽出を行なう際には、阻害層２６が形成されない領域に
おいては水素透過が活発に行なわれる。しかしながら、
阻害層２６が形成される領域では、触媒層４２４から膜
基材２２への水素透過が妨げられることにより、水素透
過の動作が抑制される。

【００５８】このような第５実施例の水素透過膜４２０
によれば、既述した実施例と同様に、水素が活発に透過
する膜内領域と、水素透過に関わる程度が低い膜内領域
とが形成されることにより、膜強度を向上させる効果を
得ることができる。

【００５９】なお、水素透過を妨げる阻害層２６は、上
記したような金属材料以外の材料、例えば樹脂、セラミ
ックス、または水素透過性を有する金属をその領域のみ
酸化、窒化、炭化させたもの、によって形成しても良
い。水素抽出装置に組み込んだときに、充分安定な材料
であればよい。また、ステップＳ２２０とステップＳ２
１０の順序を逆にして、触媒層４２４上の所定の領域
に、阻害層２６を形成することとしても良い。

【００６０】さらに、ステップＳ２１０において阻害層
２６を形成した後に、触媒層４２４を形成するのに先立
って、熱処理を施し、膜基材２２を構成する金属中に、
阻害層２６を構成する金属を拡散させることとしても良
い。阻害層２６を構成する金属を、膜基材２２中に拡散
させる様子を、図１１に示す。阻害層２６を形成した後
に、このような部材を所定の高温に曝すと、膜基材２２
において、阻害層２６との接触部を中心にして、阻害層
２６を構成する金属が拡散する。図１１では、このよう
な拡散が主として起こっている拡散領域２７の様子を示
している。このように異なる金属が内部に拡散すると、
膜基材２２における水素透過能が低下する。そのため、
上記熱処理を行なえば、水素透過膜４２０のように阻害
層２６によって膜基材２２との間の水素透過が妨げられ
るだけでなく、膜基材２２内部の所定の領域において、
水素透過が積極的に抑えられ、膜強度が確保される。ま
た、熱処理により異種金属を拡散させる場合には、図１
１に示すように、水素透過が抑えられる拡散領域２７
は、膜基材２２の膜厚方向に対して傾斜して形成され
る。そのため、水素透過膜を水素抽出装置に組み込んで
水素の抽出を行なう際には、水素透過膜において膜膨張
による応力集中が緩和され、膜強度がさらに向上する。

【００６１】なお、通常は、上記熱処理の温度を高くす
るほど、異種金属が内部に拡散する程度が増す。そのた
め、熱処理の温度は、水素抽出装置の使用温度よりも高
い温度に設定することとすればよい。例えば、水素抽出
装置の使用温度が３００〜５００℃であれば、５００〜
７００℃で熱処理することとすればよい。あるいは、水
素抽出装置の使用中に、拡散領域２７がある程度拡散す
ることを許容するなら、上記熱処理温度を水素抽出装置
の使用温度以下に設定することも可能である。

【００６２】（Ｅ−５）第６実施例：膜基材２２に異種
物質を混入させて、膜基材２２の特定領域における水素
透過性を抑える他の構成を、第６実施例として以下に説
明する。図１２は、第６実施例の水素透過膜５２０の製
造工程を表わす説明図である。また、図１３は、図１２
の製造工程に従って水素透過膜５２０を製造する様子を
模式的に表わす説明図である。

【００６３】水素透過膜５２０を製造する際には、ま
ず、膜基材２２として用いる薄板状金属部材を用意する
（ステップＳ３００）。この工程は、図５におけるステ
ップＳ１００と同様の工程である。次に、上記薄板状金
属部材に対して、イオン注入を行なう（ステップＳ３１
０）。イオン注入とは、放電などにより原子をイオン化
し、高電圧を用いて上記イオンを加速することによっ
て、固体中にイオンを注入する操作をいう。このイオン
注入の動作は、膜基材２２に対して、予めマスキングを
施した上で行なう（図１３（Ａ）参照）。膜基材２２上
に配設したマスク５２１は、所定の形状の穴部を有して
いる。本実施例では、マスク５２１は、図２に示した補
強部材３４と同様の形状を有することとした。このマス
ク５２１を介してイオン注入を行なうことで、膜基材２
２におけるマスク５２１の穴部に対応する領域に対し
て、膜基材２２を構成するのとは異なる元素が打ち込ま
れる。注入する元素としては、酸素（Ｏ）、窒素
（Ｎ）、炭素（Ｃ）あるいは、膜基材２２を構成するの
とは異なる金属元素を用いることができる。イオン注入
が行なわれて、膜基材２２において注入領域５２３が形
成される様子を、図１３（Ｂ）に示す。

【００６４】その後、マスク５２１を除去して、膜基材
２２上に触媒層５２４を形成して（ステップＳ３２
０）、水素透過膜５２０を完成する。完成した水素透過
膜５２０の様子を図１３（Ｃ）に示す。なお、触媒層５
２４は、既述した実施例の触媒層と同様のものである。
このような水素透過膜５２０によれば、イオン注入によ
って異種元素を膜基材２２に注入することで、限られた
領域で水素透過が抑えられるため、既述した実施例と同
様に膜強度を向上させることができる。

【００６５】上記のように、第６実施例では、膜基材２
２として用いる薄板状金属部材に対して、膜基材２２を
構成するのとは異なる元素を打ち込んで、水素透過能を
抑えることとした。これに対して、膜基材２２が複数種
の金属元素を含有する場合に、膜基材２２を構成する金
属元素の内で比較的水素を透過する働きが小さい元素
を、所定の領域にさらに打ち込んで、水素透過能を抑え
ることとしても良い。例えば、上記第６実施例と同様の
方法で水素透過膜を製造する際に、図１２に示したステ
ップＳ３００ではバナジウム−ニッケル（Ｖ−Ｎｉ）合
金から成る薄板状金属部材を用意し、ステップＳ３１０
では、注入領域５２３を形成するために、イオン注入に
よってニッケルを注入することとしても良い。

【００６６】なお、図１２において、ステップＳ３１０
とステップＳ３２０との順序を逆にして、膜基材２２上
に触媒層５２４を形成した後に、イオン注入を行なうこ
ととしても良い。注入の際の電圧を制御することによっ
て、固体内にイオンを注入する深さを調節することがで
きるため、触媒層５２４を先に形成することも可能であ
る。

【００６７】また、図１２のステップＳ３１０におい
て、イオン注入に代えてレーザ照射を行なうこととして
も良い。このようにして水素透過膜６２０を製造する様
子を、図１４に模式的に表わす。既述した実施例と同様
の膜基材２２に対してレーザ照射を行なうと（図１４
（Ａ））、照射された領域が高温となることによって酸
化される。レーザ照射によって膜基材２２の所定の領域
が酸化されて、酸化領域６２３が形成された様子を図１
４（Ｂ）に示す。ここで、レーザ照射は、実施例１の水
素透過膜２０において触媒層２４が形成されていない領
域に対応する領域に対して行なうこととする。レーザ照
射の後、上記第６実施例の触媒層５２４と同様の触媒層
５２４を形成した様子を図１４（Ｃ）に示す。

【００６８】このように、レーザ照射によって膜基材２
２の所定の領域を酸化させることによっても、この領域
において膜基材２２の水素透過性を抑えることができ、
既述した実施例と同様に、水素抽出を行なう際の膜強度
を向上させる効果を得ることができる。

【００６９】（Ｅ−６）第７実施例：また、水素透過膜
と補強部材とを一体化させることによって、水素透過膜
の所定の領域における水素透過性を制限することとして
も良い。このような構成を第７実施例として以下に説明
する。図１５は、第７実施例の水素透過膜７２０の製造
工程を表わす説明図であり、図１６は、水素透過膜７２
０を製造する様子を模式的に表わした説明図である。水
素透過膜７２０を製造する際には、まず、膜基材２２と
して用いる薄板状金属部材を用意する（ステップＳ４０
０）。この工程は、図５におけるステップＳ１００と同
様の工程である。次に、上記膜基材２２上に、図２に示
したのと同様の（水素分離に関わる触媒機能を有しない
金属から成る）補強部材３４を接合する（ステップＳ４
１０）。この様子を図１６（Ａ）、（Ｂ）に示す。接合
の方法としては、拡散接合や、レーザ照射による溶接が
挙げられる。

【００７０】その後、触媒層２４を形成して（ステップ
Ｓ４２０）、水素透過膜７２０を完成する。触媒層２４
を形成する際には、まず、膜基材２２上に接合した補強
部材３４の表面を、マスク７２１で覆う（図１６（Ｃ）
参照）。そして、既述した実施例と同様にして、触媒層
２４を形成する。触媒層２４を形成した後にマスク７２
１を除去して、水素透過膜７２０を完成した様子を、図
１６（Ｄ）に示す。これによって、第１実施例と同様の
形状の触媒層２４が、膜基材２２上に形成される。な
お、図１６では、水素透過膜７２０の一方の面だけを示
したが、もう一方の面においても、補強部材３６を接合
して同様の処理を並行して行なっている。

【００７１】このような水素透過膜７２０によれば、膜
基材２２上に触媒機能を有しない補強部材を接合するこ
とで、限られた領域で水素分離に関わる反応が抑えられ
るため、既述した実施例と同様に膜強度を向上させるこ
とができる。特に、接合の際に拡散接合を行なう場合に
は、補強部材を構成する金属が膜基材２２内に拡散し
て、膜基材２２内において水素透過が抑えられる領域が
形成されるため、このような領域における水素の固溶が
確実に抑えられる。

【００７２】なお、上記実施例では、膜基材２２上に補
強部材を接合した後に、触媒層２４を形成することとし
たが、触媒層２４を先に形成した後に、補強部材を接合
する構成も可能である。例えば、膜基材２２上の全面
に、あるいは、触媒層２４として機能することになる所
定の領域に触媒層２４を形成し、その後、補強部材をレ
ーザ照射により接合すればよい。

【００７３】また、水素透過性と触媒機能の両方を有す
る金属によって水素透過膜全体を形成する、すなわち膜
基材と触媒層とを同一の金属で形成する場合にも、上記
実施例と同様の構成を適用することができる。例えば、
パラジウムによって、膜基材と触媒層とが一体である水
素透過膜を製造し、その両面に上記補強部材３４，３６
を拡散接合すれば、補強部材３４，３６の穴部に対応す
る領域においてだけ水素分離に関わる反応が進行する。
また、補強部材を構成する金属分子が膜内に拡散するこ
とで、補強部材の接合部の近傍の膜内においては、水素
透過能が抑えられる領域が形成される。これによって、
水素抽出の動作の際に膜強度を確保できるという同様の
効果を得ることができる。

【００７４】Ｆ．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。

【００７５】Ｆ１．変形例１：既述した実施例の水素抽
出装置では、補強部材３４，３６は、薄板状部材によっ
て形成し、触媒層を形成していない領域に対応する形状
を有することとしたが、異なる構成としても良い。例え
ば、補強部材を、金属メッシュによって構成することと
しても良い。改質ガスなどの水素含有気体が、改質ガス
流路側の触媒部に到達可能であれば、あるいは、水素透
過膜を透過して膜表面に到達した水素が、パージガス内
に流入可能であればよい。水素透過膜のいずれか一方の
面側にだけ、補強部材を配設することとしても良い。

【００７６】また、補強部材を設けないこととしても良
い。このような場合にも、水素透過膜において、水素透
過が活発に進行する領域と水素透過が抑えられた領域と
を有することで、膜強度を向上する効果を得ることがで
きる。このように、補強部材等の支持体を設けずに自立
膜として水素透過膜を用いる場合には、膜強度を確保す
るために、水素透過膜の膜基材の厚みは１０μｍ以上と
することが望ましい。

【００７７】Ｆ２．変形例２：既述した実施例の水素抽
出装置では、装置内でガス流路を形成するために流路形
成部材３０，３２が備える凹凸形状は、凸部３１，３３
によって形成される溝状構造としたが、異なる形状とし
ても良い。例えば、流路形成部材上には、ガス流路を形
成するための凸部を設けず、流路形成部材全体と全体を
凹構造として、触媒部も触媒部を有しない領域も、同様
にガスと接触することとしても良い。

【００７８】Ｆ３．変形例３：また、流路形成部材と水
素透過膜との間に形成される改質ガス流路内に多孔質体
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。

【００７９】Ｆ４．変形例４：また、上記実施例では、
水素透過膜を間に挟んで改質ガス流路と反対側に設けら
れる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、水素透過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。

【００８０】Ｆ５．変形例５：図２に示した水素抽出装
置では、水素透過膜２０の面上に、それぞれ改質ガス流
路とパージガス流路とを形成する様子を示したが、この
ような構造を複数積層して、水素抽出装置を構成するこ
ととしても良い。例えば、各流路形成部材を、１００μ
ｍ〜１ｍｍ程度の薄板状金属部材によって形成し、図２
に示した構造を多数積層すれば、水素抽出装置の小型化
と水素抽出効率の向上を実現することができる。その
際、ガス流路を形成するために流路形成部材上に設ける
凹凸形状や、水素抽出装置に対して改質ガスを給排する
ガス流路との接続の状態によって、ガスの流れは、種々
に設定可能である。例えば、実施例のように改質ガスと
パージガスの流れを対向流とする他、両方のガスを同じ
向きに流したり、ガスの流れの向きを直交させることと
しても良い。

【００８１】Ｆ６．変形例６：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、水素透過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】燃料電池システム５０の概略構成を示す説明図
である。

【図２】水素抽出装置１０の構成を示す分解斜視図であ
る。

【図３】水素透過膜２０の構成を表わす断面図である。

【図４】水素透過膜２０において改質ガスから水素が抽
出される様子を表わす説明図である。

【図５】水素透過膜２０の製造工程を示す説明図であ
る。

【図６】第２実施例の水素透過膜１２０の構成を表わす
断面図である。

【図７】第３実施例の水素透過膜２２０の構成を表わす
断面図である。

【図８】第４実施例の水素透過膜３２０の構成を表わす
断面図である。

【図９】第５実施例の水素透過膜４２０の構成を表わす
断面図である。

【図１０】水素透過膜４２０の製造工程を表わす説明図
である。

【図１１】阻害層２６を構成する金属を、膜基材２２中
に拡散させる様子を示す説明図である。

【図１２】第６実施例の水素透過膜５２０の製造工程を
表わす説明図である。

【図１３】水素透過膜５２０を製造する様子を模式的に
表わす説明図である。

【図１４】水素透過膜６２０を製造する様子を模式的に
表わす説明図である。

【図１５】第７実施例の水素透過膜７２０の製造工程を
表わす説明図である。

【図１６】水素透過膜７２０を製造する様子を模式的に
表わす説明図である。

【符号の説明】

１０…水素抽出装置 ２０…水素透過膜 ２２…膜基材 ２４，１２４，２２４，３２４，４２４，５２４…触媒
層 ２６…阻害層 ２７…拡散領域 ３０，３２…流路形成部材 ３１，３３…凸部 ３４，３６…補強部材 ３５，３７…穴部 ５０…燃料電池システム ５２…燃料タンク ５４…水タンク ５６…混合部 ５７…流路 ５８…改質器 ５９…流路 ６０…燃料電池 ６２…ブロワ １２０…水素透過膜 ２２０…水素透過膜 ３２０…水素透過膜 ４２０…水素透過膜 ５２０…水素透過膜 ５２１，７２１…マスク ５２３…注入領域 ６２０…水素透過膜 ７２０…水素透過膜

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Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素を選択的に透過させる水素透過膜で
   あって、 水素を透過させる機能を有する金属層で構成された膜基
   材と、 水素透過能が相対的に高い第１の領域と水素透過能が相
   対的に低い第２の領域とが前記膜基材の中に形成される
   ように、前記膜基材に設けられた水素透過能調整部とを
   備える水素透過膜。
2. 【請求項２】 請求項１記載の水素透過膜であって、 前記水素透過能調整部は、前記膜基材の表面近傍に設け
   られている水素透過膜。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の水素透過膜であ
   って、 前記金属層は、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タ
   ンタル（Ｔａ）から選択される元素を含んでいる水素透
   過膜。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３いずれか記載の水素透
   過膜であって、 前記水素透過能調整部は、前記膜基材の一方の面の近傍
   に形成され、前記水素透過膜上に存在する水素を前記膜
   基材内に固溶させる第１の触媒部と、前記膜基材の他方
   の面の近傍に形成され、前記膜基材を透過した水素を該
   水素透過膜外に放出させる第２の触媒部と、を備え、 前記第１の領域は、前記膜基材のそれぞれの面におい
   て、前記第１の触媒部と前記第２の触媒部とが形成され
   る領域を含み、 前記第２の領域は、前記膜基材の両方の面において、前
   記第１の触媒部と前記第２の触媒部とのいずれも形成さ
   れない領域を含む水素透過膜。
5. 【請求項５】 請求項４記載の水素透過膜であって、 前記第１の触媒部と前記第２の触媒部の内の少なくとも
   一方は、前記水素透過膜表面において複数に分離された
   形状を有しており、 前記水素透過膜表面において、前記複数に分離された触
   媒部以外の領域は互いに連続している水素透過膜。
6. 【請求項６】 請求項４または５記載の水素透過膜であ
   って、 前記第１の触媒部と前記第２の触媒部とは、前記膜基材
   を間に挟んで対向する位置にある水素透過膜。
7. 【請求項７】 請求項６記載の水素透過膜であって、 前記第１の触媒部は、前記第２の触媒部よりも大きな面
   積を有する水素透過膜。
8. 【請求項８】 請求項４ないし７いずれか記載の水素透
   過膜であって、 前記第１および第２の触媒部は、パラジウム（Ｐｄ）、
   白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒ
   ｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、
   レニウム（Ｒｅ）、ニッケル（Ｎｉ）から成る群より選
   択される少なくとも１種類の金属元素を含有する水素透
   過膜。
9. 【請求項９】 請求項４ないし８いずれか記載の水素透
   過膜であって、 前記水素透過能調整部は、前記第１の触媒部と前記膜基
   材との間、および、前記第２の触媒部と前記膜基材との
   間の、少なくとも一方において形成され、水素原子が透
   過するのを抑制する阻害層を備える水素透過膜。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし３いずれか記載の水素
    透過膜であって、 前記第２の領域は、前記水素を透過させる金属とは異な
    る元素を含み、これによって前記膜基材が水素を透過さ
    せる働きを低下させている水素透過膜。
11. 【請求項１１】 請求項１ないし３いずれか記載の水素
    透過膜であって、 前記金属層は、複数種の金属元素を含み、 前記第２の領域は、前記複数種の金属元素の内、水素を
    透過させる働きが比較的小さい元素を、前記第１の領域
    に比べてより大きい割合で含有している水素透過膜。
12. 【請求項１２】 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であって、 請求項１ないし１１いずれか記載の水素透過膜と、 前記水素透過膜の第１の面上に形成され、前記水素含有
    気体が通過する水素含有気体流路と、 前記水素透過膜の第２の面上に形成され、前記水素透過
    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
    過する水素流路とを備える水素抽出装置。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の水素抽出装置であっ
    て、 前記水素透過膜は、該水素透過膜において前記水素含有
    気体と接触する領域の内、ガスの流れの上流側に対応す
    る領域ほど、前記第１の領域が形成される割合が低くな
    るように形成されている水素抽出装置。
14. 【請求項１４】 請求項１２または１３記載の水素抽出
    装置であって、 前記水素含有気体流路と前記水素流路とは、それぞれの
    流路におけるガスの流れの方向が、互いに対向する向き
    となるように形成されている水素抽出装置。
15. 【請求項１５】 請求項１２ないし１４いずれか記載の
    水素抽出装置であって、 前記水素透過膜の第１の面に隣接して配設され、前記水
    素透過膜との間で前記水素含有気体流路を形成する第１
    の流路部材と、 前記水素透過膜の第２の面に隣接して配設され、前記水
    素透過膜との間で前記水素流路を形成する第２の流路部
    材と、 前記第１の流路部材と前記水素透過膜との間、および、
    前記第２の流路部材と前記水素透過膜との間の内、少な
    くとも一方に設けられる補強部材とをさらに備える水素
    抽出装置。
16. 【請求項１６】 請求項１５記載の水素抽出装置であっ
    て、 前記補強部材は、前記第２の領域の形状に対応する形状
    に形成され、前記第２の領域に重なるように配設される
    水素抽出装置。
17. 【請求項１７】 水素を選択的に透過させる水素透過膜
    の製造方法であって、（ａ）水素を透過させる機能を有
    する金属層で構成された膜基材を用意する工程と、
    （ｂ）前記膜基材の一方の面上に、前記水素透過膜上に
    存在する水素を前記膜基材内に固溶させる第１の触媒部
    を形成する工程と、（ｃ）前記膜基材の他方の面上に、
    前記膜基材を透過した水素を該水素透過膜外に放出させ
    る第２の触媒部を形成する工程とを備え、 前記第１および第２の触媒部のうちの少なくとも一方
    を、前記膜基材上の限られた領域に形成することによっ
    て、水素を給排するための気体と接触し得る前記水素透
    過膜面において、水素透過能が相対的に高い第１の領域
    と、水素透過能が相対的に低い第２の領域と、を形成す
    る水素透過膜の製造方法。
18. 【請求項１８】 水素を選択的に透過させる水素透過膜
    の製造方法であって、（ａ）水素を透過させる機能を有
    する金属層で構成された膜基材を用意する工程と、
    （ｂ）前記膜基材の一方の面上に、前記水素透過膜上に
    存在する水素を前記膜基材内に固溶させる第１の触媒部
    を形成する工程と、（ｃ）前記膜基材の他方の面上に、
    前記膜基材を透過した水素を該水素透過膜外に放出させ
    る第２の触媒部を形成する工程と、（ｄ）前記（ｂ）工
    程と前記（ｃ）工程の少なくとも一方に先立って行なわ
    れ、前記膜基材上に、水素原子が透過するのを抑制する
    阻害層を形成する工程とを備える水素透過膜の製造方
    法。
19. 【請求項１９】 水素を選択的に透過させる水素透過膜
    の製造方法であって、（ａ）水素を透過させる機能を有
    する金属層で構成された膜基材を用意する工程と、
    （ｂ）前記膜基材の一方の面上に、前記水素透過膜上に
    存在する水素を前記膜基材内に固溶させる第１の触媒部
    を形成する工程と、（ｃ）前記膜基材の他方の面上に、
    前記膜基材を透過した水素を該水素透過膜外に放出させ
    る第２の触媒部を形成する工程と、（ｅ）前記膜基材が
    備える前記水素を透過させる金属に対して、該金属とは
    異なる元素を混入させることによって、異なる元素を混
    入させた領域において水素を透過させる働きを低下させ
    る工程とを備える水素透過膜の製造方法。
20. 【請求項２０】 水素を選択的に透過させる水素透過膜
    の製造方法であって、（ａ）複数種の金属を含有して、
    水素を透過させる機能を有する金属層で構成された膜基
    材を用意する工程と、（ｂ）前記膜基材の一方の面上
    に、前記水素透過膜上に存在する水素を前記膜基材内に
    固溶させる第１の触媒部を形成する工程と、（ｃ）前記
    膜基材の他方の面上に、前記膜基材を透過した水素を該
    水素透過膜外に放出させる第２の触媒部を形成する工程
    と、（ｅ）前記金属層の所定の領域に対して、該金属層
    を構成する金属のうち比較的水素を透過させる働きが低
    い元素をさらに混入させることによって、前記所定の領
    域において水素を透過させる働きを低下させる工程とを
    備える水素透過膜の製造方法。