JP2005279535A - 水素透過膜 - Google Patents

Abstract

【課題】 水素透過膜の金属拡散により、水素透過膜の水素透過特性が低下することを抑制する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】 水素透過膜２３４は、ＶＡ族元素を含む金属ベース層Ｌａと、金属ベース層Ｌａの２つの面の双方にそれぞれ形成され、金属間化合物Ｖ２Ｚｒを含む２つの中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２と、２つの中間層の金属ベース層が形成されていない面にそれぞれ形成され、Ｐｄを含む２つの被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２と、を備えている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素透過膜に関する。

燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に水素ガスを含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料電池に酸素ガスを含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備えている。燃料ガスの供給方法には、貯蔵された水素ガスを直接供給する方法と、メタノールなどの炭化水素系化合物から水素ガスを製造して供給する方法とがある。後者の方法を採用する場合には、燃料ガス供給部は、炭化水素系化合物を水素ガスに改質するための改質部を備えている。

改質部内では、通常、水素ガスとともに、他のガスも生成されている。このため、燃料ガス供給部では、改質部において生成された混合ガスから水素ガスを抽出するために、水素透過膜が用いられる場合がある。特許文献１では、Ｖ（バナジウム）ベース層の両面にＰｄ（パラジウム）被覆層が形成された水素透過膜が開示されている。特許文献２では、Ｖベース層とＰｄ被覆層との間に、ＳｉＯ₂ 中間層を介在させた水素透過膜が開示されている。

特開平１１−２７６８６６号公報 特開平７−１８５２７７号公報

しかしながら、特許文献１の水素透過膜は、例えば４００℃以上の高温で使用されると、ＶとＰｄとの金属拡散により、ＶとＰｄの界面にＰｄ−Ｖ合金層を形成する。形成されたＰｄ−Ｖ合金層は水素透過性能が極めて低いので、水素透過膜の水素透過性能も低下してしまう。Ｐｄ−Ｖ合金層は時間経過とともに厚くなる。

一方、特許文献２の水素透過膜のＳｉＯ２中間層は、ＶとＰｄとの金属拡散を抑制するために備えられているが、その抑制効果は低い。更に、ＳｉＯ２中間層は、水素透過性能自体も低い。よって、中間層としてＳｉＯ２などのセラミックを用いたとしても、水素透過膜の水素透過性能は低下するという問題があった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、水素透過膜の金属拡散により、水素透過膜の水素透過特性が低下することを抑制する技術を提供することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するための本発明の水素透過膜は、
水素を選択的に透過させる水素透過膜であって、
ＶＡ族元素を含む金属ベース層と、
Ｐｄ（パラジウム）を含む被膜層と、
前記金属ベース層と前記被膜層との間に形成された、金属間化合物を含む中間層と
を備えることを特徴とする。

ここで、前記中間層と前記被膜層は、前記金属ベース層の両面にそれぞれ形成されているようにしてもよい。

金属間化合物は特定の組成比とその結晶構造をとることから、金属ベース層と中間層，中間層と被覆層との間で金属拡散による固溶が起こりにくい。よって、本発明によれば、水素透過膜の金属間の拡散による水素透過特性の低下を抑制することが可能となる。

なお、「ＶＡ族」は「５族」とも呼ばれている。ＶＡ族元素にはＶ（バナジウム），Ｎｂ（ニオブ），Ｔａ（タンタル）がある。金属ベース層は、Ｖ合金などであっても良い。

ここで用いられる金属間化合物は、水素透過度が高いものであることが望ましい。例えば、Ｖ２Ｚｒ，ＬａＮｉ５，ＦｅＴｉ，ＮｉＴｉ，ＣａＮｉ，ＴｉＮｉ，ＬａＣｏ，ＭｇＮｉ２，ＩｒＮｉ，ＭｇＩｒＮｉ，ＴｉＦｅ，ＴｉＭｎ，ＴｉＶＭｎ，ＦｅＴｉ，Ｍｇ２Ｎｉ，ＺｒＮｉ，ＺｒＭｎ２，Ｚｒ３Ｒｈ，ＧｅＶ３，ＨｆＶ２，ＩｒＶ３，ＳｉＶ３などが挙げられる。

上述した水素透過膜において、
前記金属間化合物は、前記ＶＡ族元素及び前記Ｐｄ（パラジウム）との固溶可能量が所定値以下の元素で形成され、かつ少なくとも前記水素透過膜の使用温度以下で安定であるものとしても良い。

これによれば、金属ベース層や被覆層と固溶しにくい元素で形成された金属間化合物を中間層に用いるため、単なる金属間化合物を中間層に用いることに比べ、水素透過膜の金属拡散による水素透過特性の低下を更に抑制することができる。

ＶＡ族元素であるＶとＰｄのいずれにも固溶しにくい元素としては、Ｂｅ（ベリリウム），Ｅｒ（エルビウム），Ｅｕ（ユウロピウム），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｈｏ（ホルミウム），Ｎｄ（ネオジム），Ｓｉ（ケイ素）などが存在する。これらの元素で形成され、少なくとも水素透過膜の使用温度以下で安定である金属間化合物としては、Ｅｒ５Ｇｅ３（融点１９５０℃），Ｅｒ５Ｓｉ３（融点１９４８℃），Ｅｕ３Ｇｅ（融点１２１５℃），Ｇｅ３Ｈｏ５（融点１９５０℃），Ｇｅ３Ｎｄ５（融点１５８０℃），Ｈｏ５Ｓｉ３（融点１９２０℃），ＮｄＳｉ（融点１６７７℃）などが挙げられる。

本発明の方法は、水素を選択的に透過させる水素透過膜を製造する方法であって、
（ａ）ＶＡ族元素を含む金属ベース層を準備する工程と、
（ｂ）前記金属ベース層の２つの面のうちの少なくとも一方に、金属間化合物を含む中間層を形成する工程と、
（ｃ）前記中間層の２つの面のうち、前記金属ベース層が形成されていない面に、Ｐｄ（パラジウム）を含む被膜層を形成する工程と
を備えることを特徴とする。

この方法を採用すれば、本発明の装置である水素透過膜を製造することができる。

ここで、前記工程（ｂ）は、
（ｄ）所定の温度で前記金属ベース層と反応することにより金属間化合物を形成する物質の層を、前記金属ベース層の２つの面のうちの少なくとも一方に形成する工程と、
（ｅ）前記工程（ｄ）により形成された層群を、前記所定の温度に加熱する工程と
を備えることを特徴とするものとしても良い。

こうすれば、中間層に用いる金属間化合物を予め別に用意することなく、本発明の装置である水素透過膜を製造することができる。上記物質としては、Ｚｒ（ジルコニウム）や、Ｔｉ（チタン）及びＭｎ（マンガン）が挙げられる。物質としてＺｒ（ジルコニウム）を用いた場合は、金属間化合物Ｖ２Ｚｒを含んだ中間層が形成される。一方、物質としてＴｉ（チタン）及びＭｎ（マンガン）を用いた場合は、金属間化合物ＴｉＶＭｎを含んだ中間層が形成される。加熱はレーザにより行なっても良い。

この発明は、水素透過膜を用いた燃料電池システムや、該燃料電池システムを搭載した移動体などの装置、水素透過膜を用いた水素精製装置、等の種々の態様で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、以下の項目に分けて説明する。
Ａ．燃料電池システム：
Ｂ．水素透過膜：
Ｂ−１．水素透過膜の構造：
Ｂ−２．水素透過膜の製造方法：
Ｂ−３．効果：
Ｃ．変形例：

Ａ．燃料電池システム：
次に、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池１００に水素ガスを含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部２００と、燃料電池１００に酸素ガスを含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給部３００と、を備えている。なお、燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型の燃料電池である。

燃料ガス供給部２００（図１）は、水素ガスを含む燃料ガスを生成して燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給部２００は、原料タンク２１２と、水タンク２１４と、２つの蒸発器２２２，２２４と、燃料ガス生成部２３０と、燃焼部２４０と、凝縮器２５０とを備えている。なお、原料タンク２１２には、メタノールが貯蔵されている。

第１の蒸発器２２２は、原料タンク２１２および水タンク２１４から導入された混合液を気化して、原料および水の混合ガス（以下、「原料ガス」と呼ぶ）を燃料ガス生成部２３０に供給する。第２の蒸発器２２４は、水タンク２１４から導入された水を気化して、水蒸気を燃料ガス生成部２３０に供給する。

燃料ガス生成部２３０は、改質部２３２と、水素透過膜２３４と、抽出部２３６とを備えている。図示するように、燃料ガス生成部２３０は、一体化されており、水素透過膜２３４は、改質部２３２と抽出部２３６とに挟まれている。改質部２３２には、第１の蒸発器２２２から原料ガスが供給されており、抽出部２３６には、第２の蒸発器２２４から水蒸気が供給されている。

改質部２３２は、改質反応を進行させる触媒を担持している。触媒としては、例えば、ＣｕＯ−ＺｎＯ系触媒や、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒を用いることができる。改質部２３２では、次の式（１），式（２）に示す化学反応（改質反応）が順次進行し、水素ガスを含む混合ガスが生成される。そして、改質部全体では、式（３）に示す改質反応が進行する。

ＣＨ₃ＯＨ → ＣＯ ＋ ２Ｈ₂ ...（１）
ＣＯ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ Ｈ₂ ...（２）
ＣＨ₃ＯＨ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋ ３Ｈ₂ ...（３）

水素透過膜２３４は、改質部２３２内部に含まれる混合ガス（すなわち、原料ガスや、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガスなど）から水素ガスを選択的に透過させることにより、水素ガスを分離する。なお、水素透過膜２３４については、さらに、後述する。

抽出部２３６は、供給された水蒸気を用いて、水素透過膜２３４における水素ガスの透過を促進させる。すなわち、改質部２３２において生成された水素ガスは、改質部２３２と抽出部２３６との水素分圧差に応じて、水素透過膜２３４を透過する。そこで、本実施形態では、抽出部２３６に水蒸気を順次供給することにより、抽出部２３６の水素分圧を、改質部２３２の水素分圧よりも低く設定している。

また、本実施形態では、抽出部２３６の全圧は、改質部２３２の全圧よりも高く設定されている。これは、抽出部２３６で得られる燃料ガス中に一酸化炭素ガスが混入しないようにするためである。すなわち、燃料ガス中に一酸化炭素ガスが混入していると、燃料電池１００内の触媒が一酸化炭素ガスにより被毒して、安定した電気化学反応が阻害される。しかしながら、抽出部２３６と改質部２３２との全圧を上記のように設定すれば、水素透過膜２３４にピンホールが存在する場合でも、改質部２３２内部の一酸化炭素ガスが抽出部２３６にリークするのを抑制することができる。また、水素透過膜２３４のピンホールを介して、抽出部２３６から改質部２３２に水蒸気がリークすれば、リークした水蒸気を改質反応（式（３））に用いることができる。なお、水素透過膜２３４にピンホールが存在しない場合には、改質部２３２の全圧を抽出部２３６の全圧よりも高く設定して、水素ガスの分離効率を向上させることが好ましい。

改質部２３２から排出される不透過ガス（すなわち、水素透過膜２３４を透過しなかったガス）は、燃焼部２４０（図１）において酸化される。具体的には、一酸化炭素ガスは酸化されて二酸化炭素ガスになり、水素ガスは酸化されて水蒸気になる。これにより、不透過ガスに含まれる一酸化炭素ガスの大気への放出を防止することができる。

抽出部２３６から排出された燃料ガスは、凝縮器２５０に供給される。凝縮器２５０は、燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮して除去した後、燃料ガスを燃料電池１００に供給する。なお、凝縮器２５０で得られる凝縮水は、水タンク２１４に戻される。

酸化ガス供給部３００（図１）は、ブロワ３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を燃料電池１００に供給する。

燃料電池１００は、燃料ガス供給部２００から供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部３００から供給された酸化ガスと、を用いて発電する。

Ｂ．水素透過膜：
Ｂ−１．水素透過膜の構造：
図２は、図１に示す水素透過膜２３４の断面を模式的に示す説明図である。図示するように、水素透過膜２３４は、５層構造を有している。具体的には、水素透過膜は、１つの金属ベース層Ｌａと、金属ベース層の両面に形成された２つの中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２と、各中間層の外面に形成された２つの被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２と、を備えている。なお、金属ベース層と中間層と被覆層とは、例えば、約２０μｍ、約０．１μｍ、約０．３μｍの厚みでそれぞれ形成される。

金属ベース層Ｌａは、ＶＡ族元素を含んでいる。ＶＡ族元素としては、Ｖ（バナジウム）や、Ｎｂ（ニオブ）、Ｔａ（タンタル）を利用できる。中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２は、金属間化合物を含んでいる。被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２は、Ｐｄ（パラジウム）を含んでいる。

以下では、金属ベース層ＬａがＶで構成され、中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２が金属間化合物Ｖ２Ｚｒで構成され、被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２がＰｄで構成される場合を例に説明する。

水素分子は、図２に示すような過程で、水素透過膜２３４を透過すると考えられている。すなわち、水素分子は、まず、第１のＰｄ被覆層Ｌｃ１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、各層Ｌｃ１，Ｌｂ１，Ｌａ，Ｌｂ２，Ｌｃ２を順次透過する。そして、透過した２つの水素原子は、第２のＰｄ被覆層Ｌｃ２において再結合し、水素分子となる。

この説明から分かるように、被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２を構成するＰｄは、水素の解離・再結合を促進させる触媒機能を有するとともに、水素を透過させる機能を有している。また、中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２を構成するＶ２Ｚｒと金属ベース層Ｌａを構成するＶとは、水素を透過させる機能を有している。なお、Ｖの水素透過性能は、Ｐｄの水素透過性能よりもかなり優れている。

ところで、前述のように、従来の水素透過膜、すなわち、Ｖベース層の両面にＰｄ被覆層が形成された水素透過膜を用いる場合には、ＶとＰｄとが次第に相互に拡散することにより、水素透過膜の水素透過性能が経時的に低下してしまうという問題がある。また、Ｖベース層とＰｄ被覆層との間にセラミック中間層が形成された水素透過膜を用いる場合には、ＶとＰｄとの間の拡散を低減させることができるが、水素透過膜の水素透過性能が低くなるという問題がある。これは、セラミック中間層は、分子状態の水素のみを透過させるためである。すなわち、水素がセラミック中間層を透過する前には、一旦再結合し、透過した後には、再度解離する必要がある。さらに、セラミックと金属とを接合する場合には、製造が比較的困難であるとともに、熱膨張率の相違により水素透過膜に割れ等が発生し易いという問題もある。

そこで、本実施形態では、図２に示すように、Ｖベース層ＬａとＰｄ被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２との間にＶ２Ｚｒ中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２を介在させている。以下、中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２に金属間化合物であるＶ２Ｚｒを用いる理由を説明する。

図３は、水素透過性能試験の結果を示す説明図である。●印で示されているグラフが、純Ｖの両面にＰｄを真空蒸着法により被覆し、２５０℃〜４００℃で２〜３時間水素透過を行なった場合の水素透過度を示している。一方、★印で示されているグラフが、Ｖ２Ｚｒ金属間化合物をアーク溶解し、更に機械研磨し、その両面にＰｄを真空蒸着法により被覆したものに、２５０℃〜４００℃で２〜３時間水素透過を行なった場合の水素透過度を示している。それぞれ純Ｖの厚みが１ｍｍのものと、Ｖ２Ｚｒの厚みが３ｍｍのものに対して試験を行なったが、グラフの水素透過度は、厚み補正をした値であり、厚みには依存しない。また、両者ともＰｄの厚みは１００ｎｍである。

図３より、Ｖ２Ｚｒは、純Ｖと同等の高い水素透過度を示すことがわかる。更に、金属間化合物は、金属原子同士の結合が固溶体合金よりも強いため、金属原子の熱による相互拡散が遅いことが一般に知られている。よって、Ｖ２Ｚｒを中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２として用いれば、Ｖ２Ｚｒ自体の水素透過度が高いため、水素透過膜全体として水素透過性能が低くなることを防ぎつつ、水素透過性能劣化の原因となるＶとＰｄの相互拡散を抑制し、水素透過膜の寿命を延ばすことができる。ここでは、金属間化合物としてＶ２Ｚｒについて説明したが、高い水素透過度を持つ金属間化合物については同じことが言える。例えば、Ｖ２Ｚｒ，ＬａＮｉ５，ＦｅＴｉ，ＮｉＴｉ，ＣａＮｉ，ＴｉＮｉ，ＬａＣｏ，ＭｇＮｉ２，ＩｒＮｉ，ＭｇＩｒＮｉ，ＴｉＦｅ，ＴｉＭｎ，ＴｉＶＭｎ，ＦｅＴｉ，Ｍｇ２Ｎｉ，ＺｒＮｉ，ＺｒＭｎ２，Ｚｒ３Ｒｈ，ＧｅＶ３，ＨｆＶ２，ＩｒＶ３，ＳｉＶ３などが挙げられる。

なお、中間層Ｌｂ１，Ｌｂ２に用いられる金属間化合物は、二元合金状態図に基づいたＶベースＬａ及びＰｄ被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２との固溶可能量が所定値以下の元素で形成されることが、更に望ましい。ＶベースＬａ及びＰｄ被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２と固溶しにくいことにより、水素透過膜の金属間の拡散による水素透過特性の低下を更に抑制することができるからである。

図４は、二元合金状態図を簡略的に示した説明図である。横軸はＰｄの原子比であり、縦軸は温度である。Ｐｄの原子比が０％の場合、Ｅｒの原子比は１００％である。本来の二元合金状態図では、図４の斜線部分にも詳細な状態図が示されるが、図４では簡単のために省略した。図４のα，βは、水素透過膜の動作温度における最大の固溶可能量を示しており、Ｐｄに対しＥｒがα％固溶可能であり、Ｅｒに対しＰｄがβ％固溶可能であることを示している。先述したように、元素ＥｒのＰｄ被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２との固溶可能量が所定値以下ということは、図４のようなＥｒとＰｄの二元合金状態図のα，βがともに所定値以下ということである。所定値は、例えば２０％である。

つまり、任意の元素についてＶやＰｄとの二元合金状態図を調べれば、ＶベースＬａ及びＰｄ被覆層Ｌｃ１，Ｌｃ２との固溶可能量が分かるので、固有可能量が所定値以下の元素で構成される金属間化合物を選択することができる。ＶとＰｄのいずれにも固溶しにくい元素としては、Ｂｅ（ベリリウム），Ｅｒ（エルビウム），Ｅｕ（ユウロピウム），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｈｏ（ホルミウム），Ｎｄ（ネオジム），Ｓｉ（ケイ素）などが存在する。これらの元素で形成され、少なくとも水素透過膜の使用温度以下で安定である金属間化合物としては、Ｅｒ５Ｇｅ３（融点１９５０℃），Ｅｒ５Ｓｉ３（融点１９４８℃），Ｅｕ３Ｇｅ（融点１２１５℃），Ｇｅ３Ｈｏ５（融点１９５０℃），Ｇｅ３Ｎｄ５（融点１５８０℃），Ｈｏ５Ｓｉ３（融点１９２０℃），ＮｄＳｉ（融点１６７７℃）などが挙げられる。

Ｂ−２．水素透過膜の製造方法：
図５は、水素透過膜の第１の作製手順を示すフローチャートである。ステップＳ１０１では、Ｖで構成されるベース層（箔）が準備される。Ｖベース層は、アルカリ溶液でエッチングされ、表面に形成された酸化膜等の不純物が除去される。このようにすれば、不純物が残存することに起因する水素透過膜の水素透過性能の低下を低減させることができる。ステップＳ１０２では、Ｖベース層の両面に、Ｖ２Ｚｒで構成される２つの中間層が形成される。Ｖ２Ｚｒ中間層は、例えば、無電界めっきや、電気めっき，ＰＶＤ，ＣＶＤによって形成可能である。ステップＳ１０３では、各Ｖ２Ｚｒ中間層の外面に、Ｐｄで構成される２つの被覆層が形成される。Ｐｄ被覆層は、例えば、無電界めっきや、電気めっき，ＰＶＤ，ＣＶＤによって形成可能である。このようにすれば、図２に示すような水素透過膜が形成される。

図６は、水素透過膜の第２の作製手順を示すフローチャートである。なお、図６のステップＳ２０１，Ｓ２０４は、図５のステップＳ１０１，Ｓ１０３と同じである。ステップＳ２０２では、Ｖベース層の両面に、Ｚｒで構成される２つの層が形成される。Ｚｒの層は、例えば、無電界めっきや、電気めっき，ＰＶＤ，ＣＶＤによって形成可能である。ステップＳ２０３では、Ｖベース層の両面にＺｒの層が形成された状態で、加熱処理が施される。加熱処理は、所定の温度で所定時間加熱することにより、Ｚｒの層がＶ２Ｚｒの層になるよう行なわれる。ステップＳ２０１〜ステップＳ２０４により、図２に示すような水素透過膜が形成される。ステップＳ２０２で、Ｖベース層の両面に形成する層を構成する物質としてＴｉ（チタン）及びＭｎ（マンガン）を用いても良い。その場合、ステップＳ２０３の加熱処理は、Ｔｉ及びＭｎの層がＴｉＶＭｎの層になるまで行なわれる。

以上、本実施形態では、ＶとＶ２ＺｒとＰｄとを用いる場合について説明したが、Ｖに代えて、これと同様の性質を有するＮｂやＴａを用いるようにしてもよい。この場合にも、上記の説明を同様に適用可能であるため、詳細な説明は省略する。

また、本実施形態では、水素透過膜は、Ｐｄ−Ｖ２Ｚｒ−Ｖ−Ｖ２Ｚｒ−Ｐｄの５層構造を有しているが、例えば、Ｐｄ−Ｖ２Ｚｒ−Ｖの３層構造を有していてもよい。すなわち、一般に、水素透過膜は、ＶＡ族元素を含む金属ベース層と、Ｐｄを含む被膜層と、前記金属ベース層と前記被膜層との間に形成された、金属間化合物を含む中間層とを備えていればよい。

Ｂ−３．効果：
以上説明したように、本実施形態の水素透過膜によれば、水素透過膜全体として水素透過性能が低くなることを防ぎつつ、水素透過性能劣化の原因となる金属ベース層と被覆層の相互拡散を抑制し、水素透過膜の寿命を延ばすことができる。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の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。

（１）上記実施形態（図１）では、改質部２３２の下流側には、改質反応で生成された一酸化炭素ガスを処理するための燃焼部２４０が設けられているが、これに代えて、シフト部とＣＯ酸化部とを設けるようにしてもよい。なお、シフト部は、一酸化炭素ガスと水蒸気とから水素ガスと二酸化炭素ガスを生成する。ＣＯ酸化部は、シフト部で処理されない一酸化炭素ガスを酸化して、二酸化炭素ガスを生成する。このようにシフト部を設ける場合には、シフト部に水素透過膜を設けるようにしてもよい。なお、シフト部で得られる水素ガスを抽出部２３６から排出される燃料ガスと合流させて、燃料電池１００に供給すれば、水素ガスの利用効率を向上させることが可能となる。

（２）上記実施形態では、燃料電池システムは、メタノールを用いて水素ガスを含む燃料ガスを生成する燃料ガス供給部２００を備えているが、これに代えて、他のアルコールや、天然ガス、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを用いて水素ガスを含む燃料ガスを生成する燃料ガス供給部を備えるようにしてもよい。一般に、原料としては、水素原子が含有された種々の炭化水素系化合物を用いることができる。このような場合にも、水素透過膜を用いれば、水素の純度を向上させることが可能となる。

また、上記実施形態では、燃料電池システムは、メタノールを改質することにより水素ガスを生成する燃料ガス供給部２００を備えているが、これに代えて、水素吸蔵合金や水素ボンベなどから水素ガスを得る燃料ガス供給部を備えるようにしてもよい。このような場合にも、水素の純度を向上させるために、水素透過膜を適用可能である。

（３）上記実施形態では、水素透過膜２３４は、自立膜であるが、基材上に形成されていてもよい。基材としては、水素ガスが透過可能なアルミナや焼結金属などの多孔質部材を用いることができる。

（４）上記実施形態では、固体高分子型の燃料電池を用いる燃料電池システムに本発明の水素透過膜を適用する場合について説明したが、他のタイプの燃料電池を用いる燃料電池システムにも適用可能である。また、水素透過膜を水素精製装置に適用することも可能である。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 図１に示す水素透過膜２３４の断面を模式的に示す説明図である。 水素透過性能試験の結果を示す説明図である。 二元合金状態図を簡略的に示した説明図である。 水素透過膜の第１の作製手順を示すフローチャートである。 水素透過膜の第２の作製手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１００...燃料電池
２００...燃料ガス供給部
２１２...原料タンク
２１４...水タンク
２２２，２２４...蒸発器
２３０...燃料ガス生成部
２３２...改質部
２３４...水素透過膜
２３６...抽出部
２４０...燃焼部
２５０...凝縮器
３００...酸化ガス供給部
３１０...ブロワ
Ｌａ...ベース層
Ｌｂ１，Ｌｂ２...中間層
Ｌｃ１，Ｌｃ２...被覆層

Claims (5)

1. 水素を選択的に透過させる水素透過膜であって、
   ＶＡ族元素を含む金属ベース層と、
   Ｐｄ（パラジウム）を含む被膜層と、
   前記金属ベース層と前記被膜層との間に形成された、金属間化合物を含む中間層と
   を備えることを特徴とする水素透過膜。
2. 請求項１記載の水素透過膜であって、
   前記中間層と前記被膜層は、前記金属ベース層の両面にそれぞれ形成されている
   水素透過膜。
3. 請求項１記載の水素透過膜であって、
   前記金属間化合物は、前記ＶＡ族元素及び前記Ｐｄ（パラジウム）との固溶可能量が所定値以下の元素で形成され、かつ少なくとも前記水素透過膜の使用温度以下で安定である
   水素透過膜。
4. 水素を選択的に透過させる水素透過膜を製造する方法であって、
   （ａ）ＶＡ族元素を含む金属ベース層を準備する工程と、
   （ｂ）前記金属ベース層の２つの面のうちの少なくとも一方に、金属間化合物を含む中間層を形成する工程と、
   （ｃ）前記中間層の２つの面のうち、前記金属ベース層が形成されていない面に、Ｐｄ（パラジウム）を含む被膜層を形成する工程と
   を備えることを特徴とする製造方法。
5. 請求項４記載の製造方法であって、
   前記工程（ｂ）は、
   （ｄ）所定の温度で前記金属ベース層と反応することにより金属間化合物を形成する物質の層を、前記金属ベース層の２つの面のうちの少なくとも一方に形成する工程と、
   （ｅ）前記工程（ｄ）により形成された層群を、前記所定の温度に加熱する工程と
   を備えることを特徴とする製造方法。

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