JP2005154199A - 水素精製装置および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素精製装置において、装置構成の簡素化、装置の小型化を図る。
【解決手段】 水素を含む混合ガスを精製する水素精製装置を、流路プレート１０１、１０４、補強板１０５、水素分離膜１０６、エンドプレート１０９の積層構造とする。流路プレート１０１、１０４は、改質ガス用の流路と水素用の流路とを交互に形成する。補強板１０５は、改質ガス用の流路プレート１０４の底面には設けられておらず、水素用の流路プレート１０４の底面にのみ設けられる。水素用の流路プレート１０４［１］、１０４［３］の底面は大きく開口している訳ではなく連通孔が設けられている程度であるため、補強板に代えて水素分離膜を支持することが可能である。かかる構造を適用することにより、補強板の一部を省略でき、構造の簡素化、装置の小型化を図ることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素を含有する混合ガスの精製を行う水素精製装置および水素精製機能を備えた燃料電池に関する。

燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池に供給される水素は、例えば、炭化水素系原料の改質反応によって生成される。改質反応では、水素の他、一酸化炭素、二酸化炭素などの不純物を含有した改質ガスが生成される。燃料電池を効率的、安定的に運転するために、改質ガスから不純物を除去し、水素の精製を行うことが望まれる。

特許文献１は、水素を精製するための水素回収装置を開示している。この水素回収装置は、膜保持体、水素透過膜、金属多孔板、スぺーサの積層構造を成す。

特開２００２−１２４０９号公報

上述の構造については、更なる簡素化、および小型化という観点で改善の余地が残されていた。本発明は、水素精製装置の構造の簡素化、小型化を図ることを目的とする。

本発明の水素精製装置は、第１流路プレート、第２流路プレート、および両流路プレートの間に介在する水素分離膜とを備える。第１流路プレートは、水素を含有した混合ガスを供給するための流路を形成する。第２流路プレートは、混合ガスから精製された水素を抽出するための流路を形成する。水素分離膜は、水素を選択的に透過する膜であり、例えば、パラジウムなどの貴金属、バナジウムなどのＶＢ族元素、およびこれらの合金によって構成することができる。第１流路プレートおよび第２流路プレート（以下、両者を「流路プレート」と総称する）の少なくとも一方は、水素分離膜との接触部において、水素分離膜を支持可能な間隔で、水素を通過させる連通孔を有している。

このような構造を適用することにより、流路プレートによって水素分離膜を支持することが可能となる。従って、水素分離膜を支持するための補強板の少なくとも一部が不要となるため、構造の簡素化、装置の小型化を図ることができる。

本発明においては、水素分離膜上に電解質膜を形成してもよい。第２流路プレートは酸化ガスを供給するための流路を形成することになる。電解質膜は、水素分離膜よりも酸化ガス側に配置する。こうすることにより、混合ガス中の水素を精製しつつ、酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池を構成することができる。このような燃料電池も、水素精製作用を奏するため、以下の説明では、特に断らない限り、広義の水素精製装置に含めるものとする。

燃料電池として構成する場合、水素分離膜、電解質膜は種々の材料で形成することが可能である。例えば、水素分離膜として、バナジウム、ニオブ、タンタルなどのＶＢ族元素、パラジウム、およびこれらの少なくとも一部を含む合金を用いることができ、電解質膜としては、例えば、ＢａＣｅＯ_３、ＳｒＣｅＯ_３系のセラミックスプロトン伝導体などの無機質を利用することができる。電解質層を水素分離膜上に形成することにより、０．１〜１μｍ程度にまで薄くすることが可能であり、電解質層における内部抵抗の低減を図ることもできる。

燃料電池として構成する場合には、第１流路プレートおよび第２流路プレートは、導電性材料で形成するとともに、流路プレート間を絶縁することで、電極を兼用する構造としてもよい。こうすることで、更に、構造の簡素化を図ることができる。

本発明の水素精製装置において、燃料電池として構成するか否かに関わらず、水素分離膜のうち、第２流路プレートの底面によって支持されない部分については、水素を通過させる連通孔を有する補強板で支持するようにしてもよい。水素精製装置では、混合ガスの一部が水素抽出用の流路に透過するから、透過した水素よりも混合ガスの圧力の方が高く、第２流路プレートの底面によって支持されない部分では、この圧力差によって、水素分離膜が撓む可能性がある。上記補強板を設けることにより、このような撓みに起因する水素分離膜の損傷を抑制することが可能となる。

本発明において、流路プレートは厚板材のエッチング加工など種々の方法で形成可能であり、複数の流路を形成するよう、流路の右側壁、底面、左側壁が連続的に現れる形状に薄板を曲げ加工して形成してもよい。この場合、連通孔は少なくとも底面に設けられる。薄板の利用には、連通孔を設けやすく、加工しやすいという利点がある。右側壁、左側壁（以下、両者を「側壁」と総称する）に、孔を設けることにより、複数の流路間でのガスの混合・拡散を図っても良い。

薄板の曲げ加工で流路プレートを形成する場合、複数の流路間に間隙を設けるよう、右側壁と左側壁との間に上面が現れる形状、換言すれば連続的な矩形波断面形状に形成してもよい。この場合、上面にも、所定間隔で孔を設けてもよい。こうすることで、流路プレートの熱容量を下げることができ、水素精製装置の暖機の容易化を図ることができる。併せて、熱膨張率を低減することができ、流路プレートと水素分離膜の熱膨張率の差違に起因する剥離を抑制することができる。

本発明において、第１流路プレートおよび第２流路プレートは共に同一形状の部材を適用してもよい。この場合、例えば、水素を通過させる連通孔を有する補強板を用いて、第１流路プレート、第１の水素分離膜、第２流路プレート、補強板、第２の水素分離膜を単位とする積層構造を採っても良い。このような積層構造を採ることにより、比較的簡易な構造で、小型の水素精製装置を実現することができる。

Ａ．装置構成：
図１は実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池１０は、水素と、空気中の酸素との電気化学反応によって発電する。本実施例においては、燃料電池１０は、水素精製機能を有さなくても構わない。燃料電池１０は、固体酸化物型、固体高分子型など種々のタイプを利用可能である。本システムでは、燃料電池１０に供給される水素は、炭化水素系の原料を改質して生成される。改質器２０は水素を生成するための装置であり、例えば、水蒸気改質、部分酸化反応、シフト反応などを行うための触媒を担持した反応器である。原料としては、炭化水素、アルコール、アルデヒドなどを利用することができる。

改質で生成されたガス（以下、「改質ガス」と称する）は、水素の他、二酸化炭素、一酸化炭素などの不純物が含まれている。水素精製装置１００は、水素を選択的に透過する水素分離膜１０６を用いて、水素の精製を行う。水素分離膜１０６としては、パラジウムなどの貴金属、バナジウムなどのＶＢ族元素、およびこれらの合金の薄膜を用いることができる。水素分離膜１０６は、約３００〜５００℃の範囲で作動する。本実施例の水素精製装置１００は、このように改質ガスの精製を行う装置としての利用例を示すが、改質ガスに関わらず水素を含有する種々の混合ガスの精製に利用可能である。

図２は水素精製装置１００の分解斜視図である。また、図１の下方に、水素精製装置１００の断面構造を模式的に示した。水素精製装置１００は、種々の部材を積層した積層構造を成している。最下層には、改質ガスＧｒ用の流路を形成する流路プレート１０１が設けられている。その上には、水素分離膜１０６［０］が積層される。

水素分離膜１０６［０］の上には、分離された水素用の流路を形成するための流路プレート１０４［１］、補強板１０５［１］、水素分離膜１０６［１］が積層される。補強板１０５［１］は、水素分離膜１０６［１］を支持するためＳＵＳ材で構成された金属板であり、ガスを通過させるための連通孔が設けられている。流路プレート１０４［１］には、下面の水素分離膜１０６［０］で分離された水素を通過させるための連通孔１０４Ｈが設けられている。以下、同様にして、「改質ガス用の流路プレート１０４、水素分離膜１０６、水素用の流路プレート１０４、補強板１０５、水素分離膜１０６」を単位として積層されている。最上層には、流路プレート１０４［ｎ］とエンドプレート１０９によって改質ガスＧｒ用の流路が形成される。流路プレート１０４は、改質ガス用の流路と水素用の流路とを交互に形成している。改質ガスＧｒ中の水素は、その上下に隣接するいずれかの水素用流路に透過することになる。本実施例では、改質ガス用の流路と水素用の流路とが直交するように流路プレートが配置されているが、両者が同一方向となるように配置してもよい。

補強板１０５は、次に示す理由から、改質ガス用の流路プレート１０４の底面には設けられておらず、水素用の流路プレート１０４の底面にのみ設けられている。水素精製装置１００では、改質ガス中に含まれる水素が水素透過膜を透過するため、改質ガス用の流路内の方が、水素用の流路内よりも圧力が高い状態となっている。従って、この圧力差により、改質ガス用の流路プレート１０１、１０４［２］の底面に設けられた水素分離膜１０６［０］、１０６［２］は、水素用の流路プレート１０４［１］、１０４［３］側に押しつけられる。本実施例では、水素用の流路プレート１０４［１］、１０４［３］の底面は大きく開口している訳ではなく連通孔が設けられている程度であるため、水素分離膜を支持することが可能である。従って、補強板１０５を省略することができる。逆に、水素用の流路プレート１０４［１］、１０４［３］の底面については、流路プレートで水素分離膜１０６を支持することができないため、補強板１０５が必要となる。

Ｂ．製造工程：
図３は水素精製装置の製造方法を示す工程図である。まず、流路プレートを形成するための材料として金属の板材１０４を用意する（ステップＳ１０）。本実施例では、ＳＵＳ材の板材を用いるものとしたが、例えば、連通孔が設けられた底面部分と、流路の側壁を構成する部材とが、異なる材質となるよう熱伝導率や熱膨張率の異なる異種金属を貼り合わせたクラッド材を用いても良い。一例として、側壁には、ＳＵＳ材に比較して、熱伝導率が十分に高い高熱伝導率材料を適用することができる。こうすることで、改質ガスの熱を効率的に水素分離膜に伝達し、効率的な暖機を実現することができる。高熱伝導率材料としては、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌおよびこれらの合金を用いることができる。底面部分には、側壁よりも熱膨張率が低い低熱膨張率材料を適用することができる。但し、熱伝導率は十分に高い方が好ましい。かかる観点から、底面部分には、例えば、ＳＵＳ材自体の他、ＳＵＳ材に上記の高熱伝導率材料を含めた合金などを用いることができる。こうすることで、流路プレートと水素分離膜との間で、熱膨張率の差違に起因する剥離を抑制することができる。

次に、板材の一部をエッチング加工し、流路を形成する（ステップＳ１２）。エッチングの他、機械的な切削を用いても良い。その後、図中、破線で示すように、連通孔を形成して（ステップＳ１４）、流路プレート１０４が完成する。本実施例では、流路プレートの底面は、水素分離膜１０６を支持する作用を有するため、連通孔は、水素分離膜１０６の剛性と、改質ガスおよび水素の圧力差を考慮して、かかる作用に適した大きさ、間隔で設けることが好ましい。改質ガス用の流路プレート１０１を形成する場合には、連通孔の形成を省略すればよい。こうして形成された流路プレートに、図１および図２で示した順序で、補強板１０５、水素分離膜１０６、エンドプレート１０９を積層することにより、水素精製装置を構成することができる（ステップＳ１６）。

以上で説明した水素精製装置では、流路プレート１０４の底面に連通孔を設けることにより、底面で水素分離膜を支持することが可能となり、補強板の一部を省略することができる。この結果、水素精製装置の構造の簡素化、および装置の小型化を図ることができる。

Ｃ．第１変形例：
図４は第１変形例としての水素精製装置１００Ａの断面構成を示す説明図である。水素精製装置１００Ａは、エンドプレート１０９、１０９Ａ、流路プレート１０１Ａ、１０４Ａ、補強板１０５、水素分離膜１０６を積層して構成されている。変形例の流路プレート１０１Ａ、１０４Ａは、連続した矩形波状の断面となるよう薄板を曲げ加工して形成した。流路プレート１０１Ａの下面には剛性を確保するためエンドプレート１０９Ａを設けた。流路プレート１０１Ａとエンドプレート１０９Ａの間の空隙は、流路としては使用されず、流路プレート１０１Ａの５つの凹部がそれぞれ流路を形成する。流路プレート１０１Ａの上面には、熱容量を抑制するための調整孔１０１Ｈが設けられている。この調整孔１０１Ｈによって、流路プレート１０１Ａの熱容量を抑えることにより流路プレートを高熱伝導率材料で形成したのと同様の効果が得られる。

流路プレート１０４Ａ［１］も、同様に薄板の曲げ加工によって形成される。側壁Ｓ１、Ｓ２と底面Ｐ１で囲まれた部分が流路となる。底面Ｐ１は、その下面に位置する水素分離膜１０６［０］を支持する。上面Ｐ２は、補強板１０５［１］にろう付けされる。底面Ｐ１には、水素を通過させるための連通孔Ｈａが設けられ、上面Ｐ２には、熱容量を低減するための調整孔Ｈｂが設けられている。他の流路プレートも同様の構成を有している。

図では、改質ガス用の流路と水素用の流路が交差するように配置されているが、両者が同一方向となるように配置してもよい。

第１変形例によれば、実施例で説明した効果に加えて、薄板を用いることにより、流路プレート１０１、１０４を比較的容易に形成することができる利点がある。また、流路プレート１０１、１０４の軽量化を図ることもできる。

Ｄ．第２変形例：
図５は第２変形例としての水素精製装置１００Ｂの断面構成を示す説明図である。水素精製装置１００Ｂは、実施例と同様の順序で、流路プレート１０１Ｂ、１０４Ｂ、補強板１０５Ｂ、水素分離膜１０６、エンドプレート１０９、１０９Ａを積層して構成されている。流路プレート１０１Ｂ、１０４Ｂは、第１変形例と同様に薄板の曲げ加工によって形成されている。

第２変形例では、流路プレート１０４Ｂは、二つの側壁Ｓ３、Ｓ４が間隔を開けずに密着した構造となっている。各側壁と、底面Ｐ３に囲まれた部分が流路を構成する。底面Ｐ３には、水素を通過させるための連通孔が設けられている。補強板１０５Ｂにも、流路に対応した連通孔が設けられている。

第２変形例によれば、実施例および第１変形例で説明した効果に加え、流路の断面積を確保することができ、装置の更なる小型化を図ることが可能となる利点がある。

Ｅ．第２実施例：
図６は第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第２実施例では、改質器２０で生成された改質ガスは、水素精製装置を経ることなく、直接、燃料電池２００に供給される。

図の下方に、燃料電池２００の断面構造を模式的に示した。第２実施例では、燃料電池２００が図示の構造を備えることにより、水素精製装置としての機能を兼用する。

燃料電池２００は、改質ガス用の流路を形成する流路プレート２０１の上面に、水素分離膜２０６［０］および電解質膜２０５［０］が積層される。その上面には、空気用の流路を形成する流路プレート２０４［１］、電解質膜２０５［１］、水素分離膜２０６［１］が積層される。その上面にも同様の順序で流路プレート２０４、水素分離膜２０６、電解質膜２０５が積層される。流路プレート２０４は、改質ガス用の流路と空気用の流路を交互に形成する。最上面には、改質ガス用の流路プレート２０４［ｎ］とエンドプレート２０９が積層される。

各流路プレート２０４は、第１実施例の流路プレート１０４と同様の形状を成しており、底面には、連通孔が設けられている。流路プレート２０１、２０４は電子伝導性の材料で形成されており、各流路プレート間は、絶縁材２０７によって絶縁されている。改質ガス用の流路プレート２０１、２０４［２］、２０４［ｎ］はアノード電極として機能し、空気用の流路プレート２０４［１］、２０４［３］はカソード電極として機能する。流路プレート２０４には、第１実施例および変形例で示した種々の構造を適用可能である。

水素分離膜２０６は、例えば、バナジウム、ニオブ、タンタルなどのＶＢ族元素、パラジウム、およびこれらの少なくとも一部を含む合金を用いることができる。電解質膜２０５は、例えば、ＢａＣｅＯ_３、ＳｒＣｅＯ_３系のセラミックスプロトン伝導体などの無機質を利用することができる。電解質膜２０５は水素分離膜２０６上に０．１〜１μｍ程度の厚さで形成されている。第２実施例では、水素分離膜２０６は流路プレート２０４の底面で支持できる程度の十分な剛性を有する厚さとし、補強板を省略した例を示したが、適宜、補強板を介在させてもよい。電解質膜２０５は、水素分離膜２０６と空気用の流路プレート２０４との間に配置される。

第２実施例の燃料電池２００では、水素分離膜２０６によって改質ガス中の水素を抽出しつつ、電解質膜２０５によって発電を行わせることができる。従って、水素精製装置を省略することができ、燃料電池システムの構造の簡素化を図ることができる。また、流路プレート２０４によって水素分離膜２０６を支持することにより、燃料電池２００自体の構造の簡素化、装置の小型化を図ることもできる。

以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。

実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 水素精製装置１００の分解斜視図である。 水素精製装置の製造方法を示す工程図である。 第１変形例としての水素精製装置１００Ａの断面構成を示す説明図である。 第２変形例としての水素精製装置１００Ｂの断面構成を示す説明図である。 第２実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。

符号の説明

１０...燃料電池
２０...改質器
１００、１００Ａ、１００Ｂ...水素精製装置
１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ...流路プレート
１０１Ｈ...調整孔
１０４Ｈ...連通孔
１０４...流路プレート（板材）
１０４Ａ、１０４Ｂ...流路プレート
１０５、１０５Ｂ...補強板
１０６...水素分離膜
１０９、１０９Ａ...エンドプレート
２００...燃料電池
２０１、２０４...流路プレート
２０５...電解質膜
２０６...水素分離膜
２０７...絶縁材

Claims (7)

1. 水素精製装置であって、
   水素を含有した混合ガスを供給するための流路を形成する第１流路プレートと、
   前記混合ガスから精製された水素を抽出するための流路または該水素と反応させるための酸化ガスを供給するための流路を形成する第２流路プレートと、
   前記第１流路プレートと第２流路プレートの間に介在し、水素を選択的に透過する水素分離膜とを備え、
   前記第１流路プレートおよび第２流路プレートの少なくとも一方は、前記水素分離膜との接触部において、前記水素分離膜を支持可能な間隔で、水素を通過させる連通孔を有する水素精製装置。
2. 請求項１記載の水素精製装置であって、
   更に、前記水素分離膜上に形成された電解質膜を備える水素精製装置。
3. 請求項２記載の水素精製装置であって、
   前記第１流路プレートおよび第２流路プレートは、導電性材料で形成され、該流路プレート間は絶縁されている水素精製装置。
4. 請求項１記載の水素精製装置であって、
   水素を通過させる連通孔を有するとともに、前記水素分離膜のうち、前記第２流路プレートの底面によって支持されない部分を支持するための補強板を有する水素精製装置。
5. 請求項１記載の水素精製装置であって、
   前記第１流路プレートおよび第２流路プレートの少なくとも一方は、
   複数の流路を形成するよう、流路の右側壁、底面、左側壁が連続的に現れる形状に薄板を曲げ加工して形成されており、
   前記連通孔は前記底面に設けられている水素精製装置。
6. 請求項５記載の水素精製装置であって、
   前記第１流路プレートおよび第２流路プレートの少なくとも一方は、
   前記複数の流路間に間隙を設けるよう、前記右側壁と左側壁との間に上面が現れる形状に形成されており、
   前記上面には、所定間隔で孔が設けられている水素精製装置。
7. 請求項５または６記載の水素精製装置であって、
   前記第１流路プレートおよび第２流路プレートは共に同一形状の部材であり、
   水素を通過させる連通孔を有する補強板を有し、
   第１流路プレート、第１の水素分離膜、第２流路プレート、補強板、第２の水素分離膜を単位とする積層構造となっている水素精製装置。

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