JP4192463B2 - Hydrogen separator - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素透過膜を備える水素分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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生成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、通常、炭化水素系化合物から水素ガスを含む混合ガス（改質ガス）を生成するための改質部と、改質ガスから水素ガスを分離するための水素分離部と、を備えている。
【０００３】
水素分離部には、水素を選択的に透過させるための水素透過膜が設けられている。水素透過膜の一方の面には、水素ガスを含む改質ガスが供給され、他方の面からは、水素ガスが抽出される。水素透過膜としては、例えば、金属製の自立膜が用いられる。
【０００４】
自立膜タイプの水素透過膜の厚みは、水素透過性能の向上とコストの低減との観点から小さくすることが望ましいが、厚みを小さくすると、それ自体で充分な強度を得ることが困難となる。従来では、水素透過膜の強度を補うために、補強板が用いられている（例えば、特開平９−２２５３０６号公報）。補強板としては、例えば、金属製のプレートに複数の貫通孔が形成されたものが用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の補強板は、水素透過膜の強度不足を補う機能を有するのみであった。このため、補強板に他の機能を付加させたいという要望があった。
【０００６】
なお、上記の要望は、燃料電池システムにおいて用いられる水素分離部に限らず、他のシステムにおいて用いられる水素分離部にも共通する。
【０００７】
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、水素透過膜と保持部とを備える水素分離装置において、保持部に、水素透過膜を補強する機能とともに他の機能を付加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】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の第１の装置は、水素分離装置であって、
水素を選択的に透過させる自立膜タイプの金属製の水素透過膜と、
前記水素透過膜に隣接して設けられた保持部と、
を備え、
前記保持部は、少なくとも前記水素透過膜に対向する面側に、前記水素透過膜に接触する接触面を含む接触部分と、接触せずにガス通路を形成する非接触部分と、を含み、
前記接触部分と前記非接触部分との界面である前記接触部分の壁面は、前記接触面の端部において、前記接触面に対する角度が鈍角になるように設定された鈍角面を含むことを特徴とする。
【０００９】
この装置では、保持部は、水素透過膜に隣接して設けられており、水素透過膜の強度を補う機能を有している。また、保持部の接触部分の壁面は、接触面の端部に鈍角面を含んでいる。したがって、水素透過膜が保持部側に押されて撓んだ場合に、水素透過膜が接触面の端部から受ける応力を比較的小さくすることができる。すなわち、この装置では、保持部は、水素透過膜の破損を低減させる機能も有している。
【００１０】
上記の装置において、前記保持部は、複数の貫通孔が形成されたプレートであってもよい。なお、この場合には、貫通孔が非接触部分に相当する。
【００１１】
あるいは、上記の装置において、前記保持部は、複数の溝が形成されたプレートであってもよい。なお、この場合には、溝が非接触部分に相当する。
【００１２】
このように、保持部は、種々の形状を採用し得る。
【００１３】
上記の装置において、前記鈍角面と、前記鈍角面の法線と前記水素透過膜の法線とを含む面と、の交線は、直線であってもよいし、曲線であってもよい。
【００１４】
交線を直線に設定する場合には、鈍角面の加工が比較的容易であるため、保持部を比較的容易に製造することができるという利点がある。また、交線を曲線に設定する場合には、水素透過膜が接触面の端部から受ける応力をより小さくすることができるため、水素透過膜の破損をより低減させることができるという利点がある。
【００１５】
本発明の第２の装置は、水素分離装置であって、
水素を選択的に透過させる自立膜タイプの金属製の水素透過膜と、
前記水素透過膜に隣接して設けられた金属製の保持部と、
を備え、
前記保持部は、少なくとも前記水素透過膜に対向する面側に、前記水素透過膜に接触する接触面を含む接触部分と、接触せずにガス通路を形成する非接触部分と、を含み、
前記接触面には、接触による前記水素透過膜の水素透過性能の低下を緩和させるための保護膜が形成されていることを特徴とする。
【００１６】
なお、保護膜は、例えば、以下のような材料で構成可能である。
（ａ）セラミック材料、
（ｂ）水素透過膜の表層を構成する金属材料と同種の金属材料、
（ｃ）水素透過膜の使用温度範囲において、水素透過膜の表層を構成する金属材料との間で互いに固溶限を有する金属材料。
【００１７】
この装置では、保持部は、水素透過膜に隣接して設けられており、水素透過膜の強度を補う機能を有している。ところで、水素透過膜を構成する金属と保持部を構成する金属とが直接接触する場合には、合金化する恐れがある。水素透過膜が合金化すると、水素透過膜の水素透過性能が低下することが多い。しかしながら、この装置では、保持部の接触面には、保護膜が形成されており、水素透過膜の合金化を防止または低減させることができる。すなわち、この装置では、保持部は、水素透過膜の水素透過性能の低下を緩和させる機能も有している。
【００１８】
本発明の第３の装置は、水素分離装置であって、
水素を選択的に透過させる自立膜タイプの金属製の水素透過膜であって、第１の面には、水素ガスを含む混合ガスが供給され、第２の面からは、前記水素ガスが抽出される、前記水素透過膜と、
前記水素透過膜の前記第１の面に隣接して設けられた保持部と、
を備え、
前記保持部は、ガスが流通可能な多孔質部材で形成されており、
前記多孔質部材は、触媒を担持することを特徴とする。
【００１９】
この装置では、保持部は、水素透過膜に隣接して設けられており、水素透過膜の強度を補う機能を有している。また、保持部は、触媒を担持している。すなわち、この装置では、保持部は、触媒に応じた反応を促進させる機能も有している。なお、触媒に応じた反応は、例えば、改質反応であってもよいし、シフト反応であってもよい。
【００２０】
【発明の他の態様】
なお、上記の第１ないし第３の装置のうちの少なくとも２つを組み合わせた装置も構成可能である。すなわち、本発明は、上記の第１ないし第３の装置を組み合わせた種々の態様で実現することができる。
【００２１】
また、本発明は、水素分離装置、水素分離装置を含む燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した移動体などの装置等の種々の態様で実現することができる。
【００２２】
【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き、以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム：
Ａ−２．水素分離部：
Ａ−３．水素分離部の変形例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．その他の変形例：
【００２３】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム：
図１は、第１実施例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。図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００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２００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。
【００２４】
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、改質部２３０と、水素分離部２４０と、燃焼部２５０と、凝縮器２６０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。
【００２５】
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）を改質部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、水蒸気を水素分離部２４０に供給する。
【００２６】
改質部２３０は、改質反応を促進させる触媒を担持しており、供給された原料ガスを改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する。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２３０では、次の式（１），式（２）に示す化学反応が順次進行し、水素ガスを含む改質ガスが生成される。そして、改質部全体では、式（３）に示す改質反応が進行する。なお、この改質反応は、水蒸気改質と呼ばれている。
【００２７】
ＣＨ3ＯＨ → ＣＯ ＋ ２Ｈ2 …（１）
ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ Ｈ2 …（２）
ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ３Ｈ2 …（３）
【００２８】
水素分離部２４０は、改質部２３０から供給された改質ガスから水素ガスを分離することにより、水素ガスを含む燃料ガスを生成する。水素分離部２４０は、水素透過膜４００と供給室４１０と抽出室４２０とを備えている。水素分離部２４０は、一体化されており、水素透過膜４００は、供給室４１０と抽出室４２０とに挟まれている。供給室４１０には、改質部２３０から改質ガスが供給されており、抽出室４２０には、第２の蒸発器２２４から水蒸気が供給されている。
【００２９】
水素透過膜４００は、供給室４１０に供給された改質ガス（原料ガスや、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガスなどを含む）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。
【００３０】
抽出室４２０に供給される水蒸気は、水素透過膜４００を透過した水素ガスを搬送する搬送ガスとして機能し、水素ガスの透過を促進させる。すなわち、供給室４１０に含まれる水素ガスは、供給室４１０と抽出室４２０との水素分圧差に応じて、水素透過膜を透過する。より具体的には、水素ガスは、供給室内の水素分圧の平方根と抽出室内の水素分圧の平方根との差に比例して、水素透過膜を透過する。そこで、本実施例では、抽出室４２０に搬送ガス（水蒸気）を順次供給することにより、抽出室４２０の水素分圧を、供給室４１０の水素分圧よりも低く設定している。
【００３１】
供給室４１０から排出される不透過ガス（すなわち、水素透過膜を透過しなかったガス）は、燃焼部２５０に供給される。燃焼部２５０は、不透過ガスを酸化する。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。
【００３２】
抽出室４２０から排出された燃料ガスは、凝縮器２６０に供給される。凝縮器２６０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２６０で得られる凝縮水は、水タンク２１４に戻される。
【００３３】
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。
【００３４】
燃料電池１００（図１）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。
【００３５】
Ａ−２．水素分離部：
図２は、図１の水素分離部２４０の内部構成を模式的に示す説明図である。図示するように、水素分離部２４０は、水素透過膜４００と供給室４１０と抽出室４２０と２つの保持部５１０，５２０とを備えている。水素透過膜４００の一方の面側には、供給室４１０が形成されており、他方の面側には、抽出室４２０が形成されている。水素透過膜４００は、隣接する２つの保持部５１０，５２０によって保持されている。
【００３６】
なお、図２に示すように、本実施例では、供給室４１０および抽出室４２０内で、改質ガスと搬送ガスとが対向して流れるように設定されているが、これに代えて、平行して流れるように設定してもよいし、直交して流れるように設定してもよい。ただし、図２に示すように、改質ガスと搬送ガスとが対向流を形成する場合には、改質ガス中の水素ガスを比較的効率よく分離することができる。
【００３７】
図３は、図２の水素透過膜４００と保持部５１０，５２０とを示す説明図である。
【００３８】
水素透過膜４００は、シート状の金属製の自立膜である。水素透過膜としては、Ｐｄ（パラジウム）膜や、Ｖ（バナジウム）ベース層の両面にＰｄ被覆層が形成された膜などを用いることができる。ここで、自立膜とは、単独での取り扱いが可能な状態の膜を意味し、支持体上に蒸着などによって形成された状態の膜（支持膜）とは異なる。
【００３９】
２つの保持部５１０，５２０は、それぞれ略円形の開口を有する複数の貫通孔がマトリクス状に形成されたプレートである。各貫通孔は、水素透過膜の法線方向に沿って形成されている。本実施例において、保持部５１０，５２０は、金属材料で構成されている。金属材料としては、例えば、ステンレス鋼を用いることができる。特に、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）は、熱膨張率が水素透過膜とほぼ等しく、比較的廉価であるため、好適である。なお、保持部５１０，５２０は、金属材料に代えて、セラミック材料で構成されていてもよい。
【００４０】
なお、図３では、比較的少数の貫通孔が図示されているが、実際には、多数の貫通孔が形成されている。そして、各貫通孔は、略円形の開口を有しているが、略矩形などの他の形状の開口を有していてもよい。また、複数の貫通孔は、マトリクス状に配列されているが、ハニカム状に配列するようにしてもよい。こうすれば、保持部の開口率を高めることができ、この結果、複数の貫通孔を介して、ガスを効率よく流通させることができる。
【００４１】
ところで、水素透過膜４００が２つの保持部５１０，５２０によって保持されているのは、水素透過膜の厚みが小さいためである。また、近年、水素透過性能の向上と貴金属使用量の低減との観点から、水素透過膜の薄膜化がさらに進められている。しかしながら、膜厚が小さいと、充分な強度が得られない。そこで、本実施例では、水素透過膜４００の強度を補うために、水素透過膜に隣接して２つの保持部５１０，５２０を設けている。
【００４２】
水素透過膜４００と各保持部５１０，５２０とは、周知の拡散接合によって、互いに接合される。なお、拡散接合に代えて、ろう接によって接合するようにしてもよい。このように水素透過膜と保持部とを接合することにより、水素透過膜の取り扱いが容易となる。
【００４３】
図４は、水素透過膜４００と保持部５１０，５２０との接合体の断面を拡大して示す説明図である。図示するように、各保持部５１０，５２０は、水素透過膜４００に接触する接触面ＣＳを含む接触部分ＣＰと、水素透過膜に接触しない非接触部分ＮＰと、を含んでいる。なお、非接触部分ＮＰは、貫通孔に相当する。第１の保持部５１０の非接触部分ＮＰは、水素透過膜４００の第１の面Ｓ１に供給される改質ガスが通る通路を形成し、第２の保持部５２０の非接触部分ＮＰは、水素透過膜４００の第２の面Ｓ２から抽出された水素ガスが通る通路を形成する。接触部分ＣＰと非接触部分ＮＰとの界面である接触部分ＣＰの壁面ＷＳは、接触面ＣＳの端部において、接触面ＣＳに対する角度が鈍角になるように設定された鈍角面ＷＳａを含んでいる。なお、鈍角面ＷＳａは、円錐台の側面と同じ形状を有しており、鈍角面ＷＳａと、鈍角面ＷＳａの法線と水素透過膜４００の法線とを含む面（例えば、図４の紙面に平行な面）と、の交線は、直線となっている。換言すれば、接触部分ＣＰは、水素透過膜４００と接する面側において、面取りされている。
【００４４】
なお、図示するように、第１の保持部５１０と第２の保持部５２０とは、それぞれの貫通孔が水素透過膜を介して連続するように接合されている。
【００４５】
図５は、水素透過膜４００と保持部５１０，５２０との具体的な寸法の一例を示す説明図である。水素透過膜４００の厚みは、約２０μｍである。各保持部５１０，５２０の厚みは、それぞれ約２ｍｍである。各貫通孔の直径は、約１ｍｍであり、隣接する２つの貫通孔の間の距離が最短となる接触部分ＣＰの寸法は、約０．３〜約０．５ｍｍである。鈍角面ＷＳａの接触面ＣＳに対する角度は、約１３５°であり、鈍角面ＷＳａが形成される領域の寸法は、約０．１ｍｍである。換言すれば、各貫通孔の面取り角は、約４５°であり、面取り寸法は、約０．１ｍｍである。
【００４６】
図４に示すような保持部５１０，５２０を用いれば、水素透過膜の破損を低減させることが可能となる。すなわち、図４に示すように、供給室側の圧力が抽出室側の圧力よりも高い場合には、圧力差によって、水素透過膜４００が第２の保持部５２０側に押されて撓む。しかしながら、本実施例では、第２の保持部５２０の接触部分ＣＰは、接触面ＣＳの端部において、鈍角面ＷＳａを含んでいる。このため、従来のように、直角面が形成されている場合と比べて、水素透過膜４００が第２の保持部５２０の接触面ＣＳの端部から受ける応力を小さくすることができ、この結果、水素透過膜の破損を低減させることが可能となる。
【００４７】
なお、水素透過膜４００が破損すると、供給室４１０内の改質ガスに含まれる一酸化炭素ガス（式（１））が、水素透過膜を介して、抽出室４２０に侵入する。そして、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Ｐｔなどの貴金属触媒が一酸化炭素ガスによって被毒し、この結果、燃料電池の出力が低下してしまう。しかしながら、本実施例の保持部５１０，５２０を用いれば、水素透過膜４００の破損を低減させることができるため、燃料電池の出力低下を防止することが可能となる。
【００４８】
図６は、水素透過膜４００と鈍角面が変更された保持部５１０’，５２０’との接合体の断面を拡大して示す端面図であり、図４に対応する。図６では、各保持部５１０’，５２０’の接触部分ＣＰは、接触面ＣＳの端部において、鈍角面ＷＳａ’を含んでおり、鈍角面ＷＳａ’と、鈍角面の法線と水素透過膜の法線とを含む面と、の交線は、曲線となっている。このような保持部を用いれば、水素透過膜４００が接触面ＣＳの端部から受ける応力をより小さくすることができるため、水素透過膜の破損をより低減させることが可能となる。ただし、図４に示すように、直線状の交線を有する鈍角面ＷＳａを採用する場合には、鈍角面の加工が比較的容易であるため、保持部を比較的容易に製造することができるという利点がある。
【００４９】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムは、水素分離部２４０を備えており、水素分離部は、水素透過膜４００と、水素透過膜に隣接して設けられた２つの保持部５１０，５２０と、を備えている。各保持部は、水素透過膜に対向する面側に、水素透過膜に接触する接触面ＣＳを含む接触部分ＣＰと、水素透過膜に接触せずにガス通路を形成する非接触部分（貫通孔）ＮＰと、を含んでいる。そして、接触部分と非接触部分との界面である接触部分の壁面ＷＳは、接触面の端部において、接触面に対する角度が鈍角になるように設定された鈍角面ＷＳａを含んでいる。これにより、保持部は、水素透過膜の強度を補う機能を有するとともに、水素透過膜の破損を低減させる機能を有することが可能となる。
【００５０】
なお、本実施例では、水素透過膜４００の双方の面に隣接して２つの保持部が設けられているが、いずれか一方の保持部は、省略可能である。ただし、水素透過膜の供給室側の圧力が抽出室側の圧力よりも高い場合には、供給室側の面に隣接して設けられた第１の保持部５１０を省略することが好ましい。
【００５１】
Ａ−３．水素分離部の変形例：
図１の水素分離部２４０は、図３に示すように、複数の貫通孔が形成された保持部５１０，５２０を備えているが、水素分離部は、他の形状を有する保持部を備えていてもよい。
【００５２】
図７は、水素分離部の第１の変形例を示す説明図である。この水素分離部２４１は、図１の水素分離部２４０と同様に、水素透過膜４００と２つの保持部５１１，５２１とを備えている。２つの保持部５１１，５２１は、それぞれ、水素透過膜４００に対向する一方の面側に等間隔に複数の溝が形成されたプレートである。
【００５３】
各保持部５１１，５２１は、水素透過膜４００に接触する接触部分と、接触しない非接触部分（溝に相当）と、を含んでいる。そして、第１の保持部５１１の非接触部分は、改質ガスが通る通路（供給室４１０（図１））を形成し、第２の保持部５２１の非接触部分は、水素ガスが通る通路（抽出室４２０（図１））を形成する。
【００５４】
図８は、水素分離部の第２の変形例を示す説明図である。この水素分離部２４２は、２つの水素透過膜４０１，４０２を備えている。第１の水素透過膜４０１は、第１の供給室４１１と第１の抽出室４２１とに挟まれており、第２の水素透過膜４０２は、第２の供給室４１２と第２の抽出室４２２とに挟まれている。すなわち、この水素分離部２４２は、図１の水素分離部２４０を２つ積層したものに相当する。
【００５５】
図９は、図８に示す２つの水素透過膜４０１，４０２と、２つの水素透過膜を保持する１つの保持部５３０と、を示す説明図である。保持部５３０は、第１の水素透過膜４０１に対向する第１の面Ｓａ側、および、第２の水素透過膜４０２に対向する第２の面Ｓｂ側に、それぞれ複数の溝が形成されたプレートである。
【００５６】
保持部５３０は、第１の面Ｓａ側に、第１の水素透過膜４０１に接触する接触部分と、接触しない非接触部分（溝に相当）と、を含んでいる。また、保持部５３０は、第２の面Ｓｂ側に、第２の水素透過膜４０２に接触する接触部分と、接触しない非接触部分（溝に相当）と、を含んでいる。そして、保持部５３０の第１の面Ｓａ側の非接触部分は、水素ガスが通る通路（抽出室４２１（図８））を形成し、第２の面Ｓｂ側の非接触部分は、改質ガスが通る通路（供給室４１２（図８））を形成する。なお、この説明から分かるように、保持部５３０は、第１の抽出室４２１と第２の供給室４１２とを分離するセパレータとして機能している。
【００５７】
図１０は、水素分離部の第３の変形例を示す説明図である。この水素分離部２４３は、４つの水素透過膜４０６〜４０９を備えている。そして、各水素透過膜を挟んで、３つの供給室４１６〜４１８と２つの抽出室４２６，４２７とが交互に設けられている。具体的には、第１の水素透過膜４０６は、第１の供給室４１６と第１の抽出室４２６とに挟まれている。第２の水素透過膜４０７は、第２の供給室４１７と第１の抽出室４２６とに挟まれている。同様に、第３の水素透過膜４０８は、第２の供給室４１７と第２の抽出室４２７とに挟まれており、第４の水素透過膜４０９は、第３の供給室４１８と第２の抽出室４２７とに挟まれている。第１および第２の水素透過膜４０６，４０７を透過した水素ガスは、第１の抽出室４２６に集合し、第３および第４の水素透過膜４０８，４０９を透過した水素ガスは、第２の抽出室４２７に集合する。
【００５８】
図１１は、図１０に示す２つの水素透過膜４０６，４０７と、２つの水素透過膜を保持する１つの保持部５４０と、を示す説明図である。保持部５４０は、第１の水素透過膜４０６に対向する第１の面Ｓａ側に複数の溝が形成されるとともに、第２の水素透過膜４０７に対向する第２の面Ｓｂ側に複数の長孔が形成されたプレートである。複数の長孔は、複数の溝に対応して形成されており、各長孔と各溝とは連通している。
【００５９】
保持部５４０は、第１の面Ｓａ側に、第１の水素透過膜４０６に接触する接触部分と、接触しない非接触部分（溝に相当）と、を含んでいる。また、保持部５４０は、第２の面Ｓｂ側に、第２の水素透過膜４０７に接触する接触部分と、接触しない非接触部分（長孔に相当）と、を含んでいる。そして、保持部５４０の非接触部分は、水素ガスが通る通路（抽出室４２６（図１０））を形成する。
【００６０】
なお、他の２つの水素透過膜４０３，４０４を保持する保持部についても同様である。
【００６１】
図７〜図１１で説明したように、保持部は、水素分離部の構成に応じて、種々の形状を採用し得る。そして、各保持部５１１，５２１，５３０，５４０の接触部分の壁面は、図４〜図６において説明したように、接触面に対する角度が鈍角になるように設定された鈍角面を含んでいる。すなわち、これらの保持部も、水素透過膜の強度を補う機能を有するとともに、水素透過膜の破損を低減させる機能を有している。
【００６２】
なお、図７〜図１１では、各保持部５１１，５２１，５３０，５４０は、水素透過膜を保持するとともに、供給室および／または抽出室を形成している。しかしながら、供給室および／または抽出室は、他の部材を用いて構成するようにしてもよい。例えば、水素透過膜に隣接する保持部として、略長方形の開口を有する複数の貫通孔が形成されたプレートを用い、この保持部上に、供給室および／または抽出室を形成する部材を設けるようにしてもよい。
【００６３】
Ｂ．第２実施例：
図１２は、第２実施例における水素透過膜４００と保持部５１０Ｂ，５２０Ｂとの接合体の断面を拡大して示す説明図である。本実施例の保持部５１０Ｂ，５２０Ｂは、第１実施例（図４）の保持部５１０，５２０と同様に、略円形の開口を有する複数の貫通孔が形成されたプレートである。ただし、各保持部５１０Ｂ，５２０Ｂの接触面ＣＳには、水素透過膜の水素透過性能の低下を緩和させるための保護膜ＰＦが形成されている。
【００６４】
すなわち、図４に示すように、水素透過膜４００と保持部５１０，５２０とが直接接触する場合には、水素透過膜４００の表層を構成する金属（Ｐｄ）と保持部５１０，５２０の表層を構成する金属（ステンレス鋼）とが、相互拡散によって合金化する。なお、この合金化は、水素存在下において、さらに加速する。このように、水素透過膜を構成する金属が他の金属と合金化する場合には、水素透過膜の水素透過性能が低下することが多い。そこで、本実施例では、水素透過膜４００の表層を構成する金属と保持部５１０，５２０の表層を構成する金属との合金化を低減させるために、保持部５１０，５２０の接触面ＣＳに保護膜ＰＦが形成された保持部５１０Ｂ，５２０Ｂを用いている。保護膜ＰＦとしては、以下のような膜を用いることができる。
【００６５】
第１に、セラミック膜を用いることができる。セラミック材料としては、例えば、アルミナや、窒化珪素、シリカなどを用いることができる。
【００６６】
第２に、水素透過膜の表層を構成する金属材料と同種の材料で構成された金属膜を用いることができる。ここで、同種の材料とは、水素透過膜の表層を構成する特定の金属材料と同じ材料、または、その特定の金属材料を主として含有する材料を意味する。したがって、水素透過膜の表層を構成する金属材料がＰｄである場合には、ＰｄやＰｄ合金を用いることができる。
【００６７】
第３に、水素透過膜の使用温度範囲において、水素透過膜の表層を構成する金属材料との間で互いに固溶限を有する金属材料で構成された金属膜を用いることができる。ここで、「固溶限」とは、ある温度において、第１の元素で構成される固体中に添加可能な第２の元素の最大濃度を意味し、固溶限は、温度と２つの元素の種類とに応じて異なる。この金属膜を用いることにより、水素透過膜の表層中に侵入する他の元素の濃度を、比較的小さな所定濃度以下に抑制することができる。水素透過膜の表層を構成する金属がＰｄやＰｄ合金である場合には、例えば、Ａｌ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｓｎ，Ｎｉ，Ｃｏなどを用いることができる。なお、ＮｉやＣｏは、Ｐｄと同様に、水素を透過させる機能を有しているため、好適である。
【００６８】
以上説明したように、本実施例の保持部５１０Ｂ，５２０Ｂは、水素透過膜４００に接触する接触面ＣＳを含む接触部分ＣＰと、水素透過膜に接触せずにガス通路を形成する非接触部分（貫通孔）ＮＰと、を含んでいる。そして、接触面ＣＳには、水素透過膜の合金化を防止または低減させることが可能な保護膜ＰＦが形成されている。これにより、保持部は、水素透過膜の強度を補う機能を有するとともに、水素透過膜の水素透過性能の低下を緩和させる機能を有することが可能となる。
【００６９】
本実施例の保持部５１０Ｂ，５２０Ｂでは、図４の保持部５１０，５２０と同様に、接触部分ＣＰの壁面ＷＳは、接触面ＣＳの端部において、鈍角面ＷＳａを含んでいるが、鈍角面を含んでいなくてもよい。ただし、本実施例のように、壁面ＷＳが鈍角面を含む場合には、保持部５１０Ｂ，５２０Ｂは、水素透過膜の破損を低減させる機能も有することができる。
【００７０】
なお、図７〜図１１に示す種々の形状を有する保持部５１１，５２１，５３０，５４０の接触面に保護膜ＰＦを形成するようにしてもよい。
【００７１】
Ｃ．第３実施例：
図１３は、第３実施例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。本実施例の燃料電池システムは、第１実施例（図１）の燃料電池システムとほぼ同じであるが、燃料ガス供給部２００Ｃの水素分離部２４０Ｃが変更されている。具体的には、本実施例の水素分離部２４０Ｃでは、供給室４１０Ｃは、改質部２３０（図１）の機能を有している。このため、供給室４１０Ｃには、原料ガスが供給されている。
【００７２】
図１４は、図１３の水素分離部２４０Ｃの内部構成を模式的に示す説明図である。第１実施例（図２）と同様に、水素透過膜４００の一方の面側には、供給室４１０Ｃが形成されており、他方の面側には、抽出室４２０が形成されている。水素透過膜４００は、隣接する２つの保持部５１０Ｃ，５２０Ｃによって保持されている。なお、第２の保持部５２０Ｃは、第１実施例（図３）の第２の保持部５２０と同じである。
【００７３】
第１の保持部５１０Ｃは、ガスが流通可能な多孔質部材で形成されており、供給室４１０Ｃ内で、改質ガスが通る通路を形成する。また、第１の保持部５１０Ｃは、改質反応を促進させる触媒を担持している。したがって、供給室４１０Ｃに原料ガスが供給されると、原料ガスが第１の保持部５１０Ｃを通過するに連れて改質ガスが生成される。その後、水素分離膜４００の第１の面Ｓ１には、水素ガスを含む改質ガスが供給され、第２の面Ｓ２からは、水素ガスが抽出される。このような水素分離部２４０Ｃを用いることにより、燃料ガスを効率よく生成することができる。
【００７４】
第１の保持部５１０Ｃを形成する多孔質部材としては、例えば、アルミナや、窒化珪素、シリカなどのセラミック部材や、焼結金属部材などを用いることができる。また、触媒としては、前述したように、例えば、ＣｕＯ−ＺｎＯ系触媒や、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒を用いることができる。
【００７５】
なお、第１の保持部５１０Ｃは、多孔質部材に金属微粒子（触媒）を含む溶液を含浸させて焼成することによって、あるいは、多孔質部材を構成する微粒子と金属微粒子（触媒）との混合物を焼成することによって、製造可能である。
【００７６】
以上説明したように、本実施例の水素分離部２４０Ｃは、水素透過膜４００と、水素透過膜に隣接して設けられた２つの保持部５１０Ｃ，５２０Ｃと、を備えている。水素透過膜の第１の面Ｓ１に隣接して設けられた第１の保持部５１０Ｃは、ガスが流通可能な多孔質部材で形成されている。そして、多孔質部材は、触媒を担持している。これにより、第１の保持部は、水素透過膜の強度を補う機能を有するとともに、触媒に応じた反応（改質反応）を促進させる機能を有することが可能となる。
【００７７】
なお、本実施例では、水素分離部２４０Ｃ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２５０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。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。この場合には、第１の保持部５１０Ｃは、改質反応を促進させる触媒に代えて、シフト反応を促進させる触媒を担持していてもよい。シフト反応を促進させる触媒としては、例えば、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒を用いることができる。こうすれば、第１の保持部５１０Ｃは、供給室４１０Ｃに供給された改質ガスを水素透過膜の第１の面に供給することができるとともに、供給室４１０Ｃに供給された改質ガスに含まれる一酸化炭素ガスを低減させることができる。このように、第１の保持部４１０Ｃが改質部やシフト部などの他の機能を有していれば、燃料電池システムを小型化することができるという利点がある。
【００７８】
Ｄ．その他の変形例：
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】
（１）上記実施例では、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、本発明を水素精製システムに適用することも可能である。
【００８０】
（２）上記実施例では、燃料電池システムは、メタノールを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部２００，２００Ｃ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。
【００８１】
（３）上記実施例では、搬送ガスとして水蒸気が用いられているが、これに代えて、窒素ガスなどの他のガスを用いるようにしてもよい。また、燃料電池１００から排出される燃料オフガスを搬送ガスとして用いるようにしてもよい。
【００８２】
（４）上記実施例では、水素透過膜はシート状に形成されているが、ロール状に形成されていてもよい。なお、この場合には、保持部は、中空円筒状または円筒状の形状を有していればよい。
【００８３】
（５）上記実施例では、搬送ガスを用いることによって、供給室と抽出室との水素分圧差を大きく設定しているが、改質ガスを加圧することによって、供給室と抽出室との水素分圧差を大きく設定するようにしてもよい。ただし、上記実施例のように、搬送ガスを用いる場合には、水素透過膜がその双方の面から受ける圧力差を比較的小さくすることができ、この結果、水素透過膜の損傷を低減させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例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２】図１の水素分離部２４０の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図３】図２の水素透過膜４００と保持部５１０，５２０とを示す説明図である。
【図４】水素透過膜４００と保持部５１０，５２０との接合体の断面を拡大して示す説明図である。
【図５】水素透過膜４００と保持部５１０，５２０との具体的な寸法の一例を示す説明図である。
【図６】水素透過膜４００と鈍角面が変更された保持部５１０’，５２０’との接合体の断面を拡大して示す端面図であり、図４に対応する。
【図７】水素分離部の第１の変形例を示す説明図である。
【図８】水素分離部の第２の変形例を示す説明図である。
【図９】図８に示す２つの水素透過膜４０１，４０２と、２つの水素透過膜を保持する１つの保持部５３０と、を示す説明図である。
【図１０】水素分離部の第３の変形例を示す説明図である。
【図１１】図１０に示す２つの水素透過膜４０６，４０７と、２つの水素透過膜を保持する１つの保持部５４０と、を示す説明図である。
【図１２】第２実施例における水素透過膜４００と保持部５１０Ｂ，５２０Ｂとの接合体の断面を拡大して示す説明図である。
【図１３】第３実施例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１４】図１３の水素分離部２４０Ｃの内部構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１００…燃料電池
２００，２００Ｃ…燃料ガス供給部
２１２…原料タンク
２１４…水タンク
２２２，２２４…蒸発器
２３０…改質部
２４０，２４１，２４２，２４３，２４０Ｃ…水素分離部
２５０…燃焼部
２６０…凝縮器
３００…酸化ガス供給部
３１０…ブロワ
４００〜４０４，４０６〜４０９…水素透過膜
４１０〜４１２，４１６〜４１８，４１０Ｃ…供給室
４２０〜４２２，４２６，４２７…抽出室
５１０，５２０…保持部
５１１，５２１，５３０，５４０…保持部
５１０Ｂ，５２０Ｂ…保持部
５１０Ｃ，５２０Ｃ…保持部
ＣＰ…接触部分
ＣＳ…接触面
ＮＰ…非接触部分
ＰＦ…保護膜
ＷＳ…壁面
ＷＳａ，ＷＳａ’…鈍角面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hydrogen separator provided with a hydrogen permeable membrane.
[0002]
[Prior art]
The fuel cell system includes a fuel cell, a fuel gas supply unit that supplies a fuel gas containing hydrogen gas to the fuel cell, and an oxidizing gas supply unit that supplies an oxidizing gas containing oxygen gas to the fuel cell. The fuel gas supply method includes a method of directly supplying stored hydrogen gas and a method of generating and supplying hydrogen gas from a hydrocarbon-based compound such as methanol. When the latter method is adopted, the fuel gas supply unit usually includes a reforming unit for generating a mixed gas (reformed gas) containing hydrogen gas from a hydrocarbon compound, and a hydrogen gas from the reformed gas. And a hydrogen separator for separating the water.
[0003]
The hydrogen separator is provided with a hydrogen permeable membrane for selectively allowing hydrogen to permeate. A reformed gas containing hydrogen gas is supplied to one surface of the hydrogen permeable membrane, and hydrogen gas is extracted from the other surface. As the hydrogen permeable membrane, for example, a metal self-supporting membrane is used.
[0004]
The thickness of the self-supporting membrane-type hydrogen permeable membrane is desirably small from the viewpoint of improving the hydrogen permeation performance and reducing the cost. However, if the thickness is small, it becomes difficult to obtain sufficient strength by itself. Conventionally, a reinforcing plate has been used to supplement the strength of the hydrogen permeable membrane (for example, JP-A-9-225306). As the reinforcing plate, for example, a metal plate in which a plurality of through holes are formed is used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional reinforcing plate only has a function to compensate for the insufficient strength of the hydrogen permeable membrane. For this reason, there has been a demand to add another function to the reinforcing plate.
[0006]
In addition, said request is common not only to the hydrogen separation part used in a fuel cell system but to the hydrogen separation part used in another system.
[0007]
The present invention has been made to solve the above-described problem, and in a hydrogen separation apparatus including a hydrogen permeable membrane and a holding portion, the holding portion is added with other functions in addition to the function of reinforcing the hydrogen permeable membrane. For the purpose.
[0008]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
In order to solve at least a part of the problems described above, a first apparatus of the present invention is a hydrogen separation apparatus,
A metal-made hydrogen permeable membrane of a free-standing membrane type that selectively permeates hydrogen;
A holding part provided adjacent to the hydrogen permeable membrane;
With
The holding part includes at least a contact part including a contact surface in contact with the hydrogen permeable film on a surface side facing the hydrogen permeable film, and a non-contact part that forms a gas passage without contacting.
The wall surface of the contact portion which is an interface between the contact portion and the non-contact portion includes an obtuse angle surface set so that an angle with respect to the contact surface becomes an obtuse angle at an end portion of the contact surface. To do.
[0009]
In this apparatus, the holding unit is provided adjacent to the hydrogen permeable membrane and has a function of supplementing the strength of the hydrogen permeable membrane. In addition, the wall surface of the contact portion of the holding portion includes an obtuse angle surface at the end of the contact surface. Therefore, when the hydrogen permeable membrane is bent by being pushed toward the holding portion, the stress that the hydrogen permeable membrane receives from the end of the contact surface can be made relatively small. That is, in this apparatus, the holding part also has a function of reducing breakage of the hydrogen permeable membrane.
[0010]
In the above apparatus, the holding portion may be a plate in which a plurality of through holes are formed. In this case, the through hole corresponds to a non-contact portion.
[0011]
Alternatively, in the above apparatus, the holding portion may be a plate in which a plurality of grooves are formed. In this case, the groove corresponds to a non-contact portion.
[0012]
Thus, various shapes can be employed for the holding portion.
[0013]
In the above apparatus, an intersecting line of the obtuse angle surface and a surface including the normal line of the obtuse angle surface and the normal line of the hydrogen permeable membrane may be a straight line or a curve.
[0014]
When the intersecting line is set to a straight line, the obtuse angle surface is relatively easy to process, and thus there is an advantage that the holding part can be manufactured relatively easily. Further, when the intersection line is set to a curved line, the stress that the hydrogen permeable membrane receives from the end of the contact surface can be further reduced, so that there is an advantage that damage to the hydrogen permeable membrane can be further reduced. .
[0015]
The second apparatus of the present invention is a hydrogen separator,
A metal-made hydrogen permeable membrane of a free-standing membrane type that selectively permeates hydrogen;
A metal holding portion provided adjacent to the hydrogen permeable membrane;
With
The holding part includes at least a contact part including a contact surface in contact with the hydrogen permeable film on a surface side facing the hydrogen permeable film, and a non-contact part that forms a gas passage without contacting.
A protective film is formed on the contact surface to mitigate a decrease in hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable film due to contact.
[0016]
In addition, the protective film can be comprised with the following materials, for example.
(A) ceramic material,
(B) the same metal material as the metal material constituting the surface layer of the hydrogen permeable membrane,
(C) A metal material having a solid solubility limit with the metal material constituting the surface layer of the hydrogen permeable membrane in the operating temperature range of the hydrogen permeable membrane.
[0017]
In this apparatus, the holding unit is provided adjacent to the hydrogen permeable membrane and has a function of supplementing the strength of the hydrogen permeable membrane. By the way, when the metal which comprises a hydrogen permeable film and the metal which comprises a holding part contact directly, there exists a possibility that it may alloy. When the hydrogen permeable membrane is alloyed, the hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable membrane often decreases. However, in this apparatus, a protective film is formed on the contact surface of the holding part, and alloying of the hydrogen permeable film can be prevented or reduced. That is, in this apparatus, the holding unit also has a function of alleviating a decrease in hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable membrane.
[0018]
The third apparatus of the present invention is a hydrogen separator,
A hydrogen-permeable membrane made of metal of a self-supporting membrane type that selectively permeates hydrogen, wherein a mixed gas containing hydrogen gas is supplied to a first surface, and the hydrogen gas is extracted from a second surface The hydrogen permeable membrane,
A holding portion provided adjacent to the first surface of the hydrogen permeable membrane;
With
The holding part is formed of a porous member through which gas can flow,
The porous member carries a catalyst.
[0019]
In this apparatus, the holding unit is provided adjacent to the hydrogen permeable membrane and has a function of supplementing the strength of the hydrogen permeable membrane. The holding part carries a catalyst. That is, in this apparatus, the holding part also has a function of promoting the reaction according to the catalyst. The reaction according to the catalyst may be, for example, a reforming reaction or a shift reaction.
[0020]
Other aspects of the invention
An apparatus that combines at least two of the first to third apparatuses described above can also be configured. That is, the present invention can be realized in various modes in which the above first to third devices are combined.
[0021]
Further, the present invention can be realized in various modes such as a hydrogen separator, a fuel cell system including the hydrogen separator, and a device such as a moving body equipped with the fuel cell system.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described based on examples in the following order.
A. First embodiment:
A-1. Fuel cell system:
A-2. Hydrogen separator:
A-3. Variations of the hydrogen separator:
B. Second embodiment:
C. Third embodiment:
D. Other variations:
[0023]
A. First embodiment:
A-1. Fuel cell system:
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system in the first embodiment. As illustrated, the fuel cell system includes a fuel cell 100, a fuel gas supply unit 200 that supplies a fuel gas containing hydrogen gas to the fuel cell, and an oxidizing gas supply unit that supplies an oxidizing gas containing oxygen gas to the fuel cell. 300. The fuel cell 100 is a polymer electrolyte fuel cell that is relatively small and excellent in power generation efficiency.
[0024]
The fuel gas supply unit 200 (FIG. 1) generates a fuel gas containing hydrogen gas and supplies it to the fuel cell 100. The fuel gas supply unit 200 includes a raw material tank 212, a water tank 214, two evaporators 222 and 224, a reforming unit 230, a hydrogen separation unit 240, a combustion unit 250, and a condenser 260. Yes. The raw material tank 212 stores methanol.
[0025]
The first evaporator 222 vaporizes the mixed liquid introduced from the raw material tank 212 and the water tank 214 and supplies a mixed gas of raw material and water (hereinafter referred to as “raw material gas”) to the reforming unit 230. . The second evaporator 224 vaporizes the water introduced from the water tank 214 and supplies water vapor to the hydrogen separator 240.
[0026]
The reforming unit 230 carries a catalyst for promoting the reforming reaction, and reforms the supplied raw material gas to generate a reformed gas containing hydrogen gas. As the catalyst, for example, a CuO—ZnO-based catalyst or a Cu—ZnO-based catalyst can be used. In the reforming unit 230, chemical reactions represented by the following formulas (1) and (2) proceed in sequence, and a reformed gas containing hydrogen gas is generated. And in the whole reforming part, the reforming reaction shown in Formula (3) proceeds. This reforming reaction is called steam reforming.
[0027]
CHThreeOH → CO + 2H2                  ... (1)
CO + H2O → CO2+ H2              ... (2)
CHThreeOH + H2O → CO2+ 3H2        ... (3)
[0028]
The hydrogen separation unit 240 generates a fuel gas containing hydrogen gas by separating the hydrogen gas from the reformed gas supplied from the reforming unit 230. The hydrogen separation unit 240 includes a hydrogen permeable membrane 400, a supply chamber 410, and an extraction chamber 420. The hydrogen separator 240 is integrated, and the hydrogen permeable membrane 400 is sandwiched between the supply chamber 410 and the extraction chamber 420. A reformed gas is supplied from the reforming unit 230 to the supply chamber 410, and water vapor is supplied from the second evaporator 224 to the extraction chamber 420.
[0029]
The hydrogen permeable membrane 400 selectively transmits hydrogen gas from the reformed gas (including raw material gas, carbon monoxide gas, carbon dioxide gas, hydrogen gas, etc.) supplied to the supply chamber 410, thereby providing hydrogen gas. Isolate.
[0030]
The water vapor supplied to the extraction chamber 420 functions as a carrier gas that carries the hydrogen gas that has passed through the hydrogen permeable membrane 400 and promotes the permeation of the hydrogen gas. That is, the hydrogen gas contained in the supply chamber 410 permeates the hydrogen permeable membrane in accordance with the hydrogen partial pressure difference between the supply chamber 410 and the extraction chamber 420. More specifically, hydrogen gas permeates through the hydrogen permeable membrane in proportion to the difference between the square root of the hydrogen partial pressure in the supply chamber and the square root of the hydrogen partial pressure in the extraction chamber. Therefore, in this embodiment, the hydrogen partial pressure in the extraction chamber 420 is set lower than the hydrogen partial pressure in the supply chamber 410 by sequentially supplying the carrier gas (water vapor) to the extraction chamber 420.
[0031]
The impervious gas discharged from the supply chamber 410 (that is, the gas that has not permeated the hydrogen permeable membrane) is supplied to the combustion unit 250. The combustion unit 250 oxidizes the impermeable gas. Specifically, carbon monoxide gas is oxidized to carbon dioxide gas, and hydrogen gas is oxidized to water vapor. Thereby, discharge | release to the air | atmosphere of the carbon monoxide gas contained in impermeable gas can be prevented.
[0032]
The fuel gas discharged from the extraction chamber 420 is supplied to the condenser 260. The condenser 260 condenses and removes the water vapor contained in the fuel gas, and then supplies the fuel gas to the fuel cell 100. The condensed water obtained by the condenser 260 is returned to the water tank 214.
[0033]
The oxidizing gas supply unit 300 (FIG. 1) includes a blower 310 and supplies an oxidizing gas (air) containing oxygen gas to the fuel cell 100.
[0034]
The fuel cell 100 (FIG. 1) generates power using the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 200 and the oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply unit 300.
[0035]
A-2. Hydrogen separator:
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the internal configuration of the hydrogen separator 240 of FIG. As shown in the figure, the hydrogen separation unit 240 includes a hydrogen permeable membrane 400, a supply chamber 410, an extraction chamber 420, and two holding units 510 and 520. A supply chamber 410 is formed on one surface side of the hydrogen permeable membrane 400, and an extraction chamber 420 is formed on the other surface side. The hydrogen permeable membrane 400 is held by two adjacent holding portions 510 and 520.
[0036]
As shown in FIG. 2, in this embodiment, the reformed gas and the carrier gas are set to flow in the supply chamber 410 and the extraction chamber 420, but instead of this, they are parallel. It may be set so as to flow, or it may be set so as to flow orthogonally. However, as shown in FIG. 2, when the reformed gas and the carrier gas form a counter flow, the hydrogen gas in the reformed gas can be separated relatively efficiently.
[0037]
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 and 520 of FIG.
[0038]
The hydrogen permeable membrane 400 is a sheet-like metal self-supporting membrane. As the hydrogen permeable film, a Pd (palladium) film, a film in which a Pd coating layer is formed on both surfaces of a V (vanadium) base layer, or the like can be used. Here, the self-supporting film means a film that can be handled alone, and is different from a film (support film) that is formed on the support by vapor deposition or the like.
[0039]
The two holding portions 510 and 520 are plates in which a plurality of through holes each having a substantially circular opening are formed in a matrix. Each through hole is formed along the normal direction of the hydrogen permeable membrane. In the present embodiment, the holding portions 510 and 520 are made of a metal material. As the metal material, for example, stainless steel can be used. In particular, ferritic stainless steel (SUS430) is suitable because it has a thermal expansion coefficient substantially equal to that of the hydrogen permeable membrane and is relatively inexpensive. The holding portions 510 and 520 may be made of a ceramic material instead of the metal material.
[0040]
In FIG. 3, a relatively small number of through holes are illustrated, but in practice, a large number of through holes are formed. Each through hole has a substantially circular opening, but may have an opening of another shape such as a substantially rectangular shape. Further, the plurality of through holes are arranged in a matrix shape, but may be arranged in a honeycomb shape. If it carries out like this, the opening rate of a holding | maintenance part can be raised, As a result, gas can be distribute | circulated efficiently through a some through-hole.
[0041]
By the way, the reason why the hydrogen permeable membrane 400 is held by the two holding portions 510 and 520 is that the thickness of the hydrogen permeable membrane is small. In recent years, the hydrogen permeable membrane has been further reduced in thickness from the viewpoint of improving the hydrogen permeation performance and reducing the amount of noble metal used. However, when the film thickness is small, sufficient strength cannot be obtained. Therefore, in this embodiment, in order to supplement the strength of the hydrogen permeable membrane 400, two holding portions 510 and 520 are provided adjacent to the hydrogen permeable membrane.
[0042]
The hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 and 520 are bonded to each other by a well-known diffusion bonding. In place of diffusion bonding, bonding may be performed by brazing. Thus, by handling the hydrogen permeable membrane and the holding portion, handling of the hydrogen permeable membrane is facilitated.
[0043]
FIG. 4 is an explanatory view showing an enlarged cross section of the joined body of the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 and 520. As shown in the figure, each of the holding portions 510 and 520 includes a contact portion CP including a contact surface CS that contacts the hydrogen permeable membrane 400 and a non-contact portion NP that does not contact the hydrogen permeable membrane. The non-contact part NP corresponds to a through hole. The non-contact part NP of the first holding part 510 forms a passage through which the reformed gas supplied to the first surface S1 of the hydrogen permeable membrane 400 passes, and the non-contact part NP of the second holding part 520 is A passage through which hydrogen gas extracted from the second surface S2 of the hydrogen permeable membrane 400 passes is formed. The wall surface WS of the contact portion CP that is an interface between the contact portion CP and the non-contact portion NP includes an obtuse angle surface WSa that is set so that the angle with respect to the contact surface CS becomes an obtuse angle at the end of the contact surface CS. . The obtuse angle surface WSa has the same shape as the side surface of the truncated cone, and includes an obtuse angle surface WSa, a surface including the normal line of the obtuse angle surface WSa and the normal line of the hydrogen permeable membrane 400 (for example, the paper surface of FIG. 4). The line of intersection with the surface is a straight line. In other words, the contact portion CP is chamfered on the side in contact with the hydrogen permeable membrane 400.
[0044]
As shown in the figure, the first holding part 510 and the second holding part 520 are joined so that the respective through holes are continuous through the hydrogen permeable membrane.
[0045]
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of specific dimensions of the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 and 520. The thickness of the hydrogen permeable membrane 400 is about 20 μm. Each holding part 510, 520 has a thickness of about 2 mm. The diameter of each through hole is about 1 mm, and the dimension of the contact portion CP that minimizes the distance between two adjacent through holes is about 0.3 to about 0.5 mm. The angle of the obtuse angle surface WSa with respect to the contact surface CS is about 135 °, and the dimension of the region where the obtuse angle surface WSa is formed is about 0.1 mm. In other words, the chamfering angle of each through hole is about 45 °, and the chamfering dimension is about 0.1 mm.
[0046]
If the holding parts 510 and 520 as shown in FIG. 4 are used, it is possible to reduce the breakage of the hydrogen permeable membrane. That is, as shown in FIG. 4, when the pressure on the supply chamber side is higher than the pressure on the extraction chamber side, the hydrogen permeable membrane 400 is pushed toward the second holding portion 520 side and bends due to the pressure difference. However, in this embodiment, the contact portion CP of the second holding portion 520 includes an obtuse angle surface WSa at the end portion of the contact surface CS. For this reason, compared with the conventional case where the right-angled surface is formed, the stress that the hydrogen permeable membrane 400 receives from the end of the contact surface CS of the second holding part 520 can be reduced, and as a result, It becomes possible to reduce the breakage of the hydrogen permeable membrane.
[0047]
When the hydrogen permeable membrane 400 is damaged, carbon monoxide gas (formula (1)) contained in the reformed gas in the supply chamber 410 enters the extraction chamber 420 through the hydrogen permeable membrane. If carbon monoxide gas is mixed in the fuel gas, the noble metal catalyst such as Pt in the fuel cell 100 is poisoned by the carbon monoxide gas, and as a result, the output of the fuel cell is lowered. However, if the holding parts 510 and 520 of the present embodiment are used, it is possible to reduce the damage of the hydrogen permeable membrane 400, and thus it is possible to prevent a decrease in the output of the fuel cell.
[0048]
FIG. 6 is an end view showing an enlarged cross section of the joined body of the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 ′ and 520 ′ whose obtuse angle surfaces are changed, and corresponds to FIG. 4. In FIG. 6, the contact portion CP of each holding portion 510 ′, 520 ′ includes an obtuse angle surface WSa ′ at the end of the contact surface CS, and the obtuse angle surface WSa ′, the normal line of the obtuse angle surface, and the hydrogen permeable film The intersecting line with the surface including the normal line is a curved line. If such a holding portion is used, the stress that the hydrogen permeable membrane 400 receives from the end portion of the contact surface CS can be further reduced, so that the damage to the hydrogen permeable membrane can be further reduced. However, as shown in FIG. 4, when the obtuse angle surface WSa having a straight intersection line is employed, since the obtuse angle surface is relatively easy to process, the holding portion can be manufactured relatively easily. There is an advantage.
[0049]
As described above, the fuel cell system according to the present embodiment includes the hydrogen separation unit 240, and the hydrogen separation unit includes the hydrogen permeable membrane 400 and the two holding units 510 provided adjacent to the hydrogen permeable membrane. , 520. Each holding portion includes a contact portion CP including a contact surface CS in contact with the hydrogen permeable membrane on a surface facing the hydrogen permeable membrane, and a non-contact portion (through-hole) that forms a gas passage without contacting the hydrogen permeable membrane. ) NP. And the wall surface WS of the contact part which is an interface of a contact part and a non-contact part contains the obtuse angle surface WSa set so that the angle with respect to a contact surface may become an obtuse angle in the edge part of a contact surface. Thereby, the holding part can have a function of compensating the strength of the hydrogen permeable membrane and a function of reducing breakage of the hydrogen permeable membrane.
[0050]
In the present embodiment, two holding portions are provided adjacent to both surfaces of the hydrogen permeable membrane 400, but either one of the holding portions can be omitted. However, when the pressure on the supply chamber side of the hydrogen permeable membrane is higher than the pressure on the extraction chamber side, it is preferable to omit the first holding unit 510 provided adjacent to the surface on the supply chamber side.
[0051]
A-3. Variations of the hydrogen separator:
As shown in FIG. 3, the hydrogen separation unit 240 in FIG. 1 includes holding units 510 and 520 in which a plurality of through holes are formed. However, the hydrogen separation unit includes a holding unit having another shape. May be.
[0052]
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a first modification of the hydrogen separator. This hydrogen separation unit 241 includes a hydrogen permeable membrane 400 and two holding units 511 and 521, similarly to the hydrogen separation unit 240 of FIG. 1. Each of the two holding portions 511 and 521 is a plate in which a plurality of grooves are formed at equal intervals on one surface side facing the hydrogen permeable membrane 400.
[0053]
Each holding portion 511, 521 includes a contact portion that contacts the hydrogen permeable membrane 400 and a non-contact portion (corresponding to a groove) that does not contact. The non-contact portion of the first holding portion 511 forms a passage (supply chamber 410 (FIG. 1)) through which the reformed gas passes, and the non-contact portion of the second holding portion 521 is a passage through which hydrogen gas passes. (Extraction chamber 420 (FIG. 1)) is formed.
[0054]
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a second modification of the hydrogen separator. This hydrogen separator 242 includes two hydrogen permeable membranes 401 and 402. The first hydrogen permeable membrane 401 is sandwiched between the first supply chamber 411 and the first extraction chamber 421, and the second hydrogen permeable membrane 402 is connected to the second supply chamber 412 and the second extraction chamber. 422. That is, the hydrogen separator 242 corresponds to a stack of two hydrogen separators 240 in FIG.
[0055]
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the two hydrogen permeable membranes 401 and 402 shown in FIG. 8 and one holding unit 530 that holds the two hydrogen permeable membranes. The holding unit 530 has a plurality of grooves formed on the first surface Sa side facing the first hydrogen permeable film 401 and on the second surface Sb side facing the second hydrogen permeable film 402, respectively. It is a plate.
[0056]
The holding part 530 includes a contact part that contacts the first hydrogen permeable membrane 401 and a non-contact part (corresponding to a groove) that does not contact the first surface Sa. Moreover, the holding part 530 includes a contact part that contacts the second hydrogen permeable membrane 402 and a non-contact part (corresponding to a groove) that does not contact the second surface Sb. The non-contact portion on the first surface Sa side of the holding portion 530 forms a passage (extraction chamber 421 (FIG. 8)) through which hydrogen gas passes, and the non-contact portion on the second surface Sb side is reformed. A passage through which gas passes (supply chamber 412 (FIG. 8)) is formed. As can be seen from this description, the holding unit 530 functions as a separator that separates the first extraction chamber 421 and the second supply chamber 412.
[0057]
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a third modification of the hydrogen separator. This hydrogen separator 243 includes four hydrogen permeable membranes 406 to 409. Three supply chambers 416 to 418 and two extraction chambers 426 and 427 are alternately provided with each hydrogen permeable membrane interposed therebetween. Specifically, the first hydrogen permeable membrane 406 is sandwiched between the first supply chamber 416 and the first extraction chamber 426. The second hydrogen permeable membrane 407 is sandwiched between the second supply chamber 417 and the first extraction chamber 426. Similarly, the third hydrogen permeable membrane 408 is sandwiched between the second supply chamber 417 and the second extraction chamber 427, and the fourth hydrogen permeable membrane 409 is connected to the third supply chamber 418 and the second supply chamber 418. Between the two extraction chambers 427. The hydrogen gas that has passed through the first and second hydrogen permeable membranes 406 and 407 gathers in the first extraction chamber 426, and the hydrogen gas that has passed through the third and fourth hydrogen permeable membranes 408 and 409 Gather in the extraction chamber 427.
[0058]
FIG. 11 is an explanatory diagram showing the two hydrogen permeable membranes 406 and 407 shown in FIG. 10 and one holding unit 540 that holds the two hydrogen permeable membranes. The holding unit 540 has a plurality of grooves formed on the first surface Sa side facing the first hydrogen permeable film 406 and a plurality of grooves formed on the second surface Sb side facing the second hydrogen permeable film 407. It is a plate in which long holes are formed. The plurality of long holes are formed corresponding to the plurality of grooves, and the respective long holes and the respective grooves communicate with each other.
[0059]
The holding portion 540 includes a contact portion that contacts the first hydrogen permeable film 406 and a non-contact portion (corresponding to a groove) that does not contact the first surface Sa. In addition, the holding unit 540 includes a contact portion that contacts the second hydrogen permeable film 407 and a non-contact portion (corresponding to a long hole) that does not contact the second surface Sb. And the non-contact part of the holding | maintenance part 540 forms the channel | path (extraction chamber 426 (FIG. 10)) through which hydrogen gas passes.
[0060]
The same applies to the holding unit that holds the other two hydrogen permeable membranes 403 and 404.
[0061]
As described with reference to FIGS. 7 to 11, the holding unit can adopt various shapes depending on the configuration of the hydrogen separation unit. And the wall surface of the contact part of each holding | maintenance part 511,521,530,540 includes the obtuse angle | corner surface set so that the angle with respect to a contact surface might become an obtuse angle, as demonstrated in FIGS. That is, these holding parts also have a function of supplementing the strength of the hydrogen permeable membrane and a function of reducing breakage of the hydrogen permeable membrane.
[0062]
7 to 11, the holding units 511, 521, 530, and 540 hold a hydrogen permeable membrane and form a supply chamber and / or an extraction chamber. However, you may make it comprise a supply chamber and / or an extraction chamber using another member. For example, a plate in which a plurality of through holes having a substantially rectangular opening is formed as a holding portion adjacent to the hydrogen permeable membrane, and a member that forms a supply chamber and / or an extraction chamber is provided on the holding portion. It may be.
[0063]
B. Second embodiment:
FIG. 12 is an explanatory view showing, in an enlarged manner, a cross section of a joined body of the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510B and 520B in the second embodiment. The holding portions 510B and 520B of the present embodiment are plates in which a plurality of through holes having substantially circular openings are formed, similarly to the holding portions 510 and 520 of the first embodiment (FIG. 4). However, a protective film PF is formed on the contact surface CS of each of the holding portions 510B and 520B in order to alleviate a decrease in hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable film.
[0064]
That is, as shown in FIG. 4, when the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 and 520 are in direct contact, the metal (Pd) constituting the surface layer of the hydrogen permeable membrane 400 and the surface layer of the holding portions 510 and 520 are changed. The constituent metal (stainless steel) is alloyed by mutual diffusion. This alloying is further accelerated in the presence of hydrogen. As described above, when the metal constituting the hydrogen permeable membrane is alloyed with another metal, the hydrogen permeable performance of the hydrogen permeable membrane is often lowered. Therefore, in this embodiment, in order to reduce alloying between the metal constituting the surface layer of the hydrogen permeable membrane 400 and the metal constituting the surface layer of the holding portions 510 and 520, the contact surface CS of the holding portions 510 and 520 is protected. The holding portions 510B and 520B on which the film PF is formed are used. The following films can be used as the protective film PF.
[0065]
First, a ceramic film can be used. As the ceramic material, for example, alumina, silicon nitride, silica, or the like can be used.
[0066]
Second, a metal film made of the same material as the metal material constituting the surface layer of the hydrogen permeable film can be used. Here, the same kind of material means the same material as the specific metal material constituting the surface layer of the hydrogen permeable membrane, or a material mainly containing the specific metal material. Therefore, when the metal material constituting the surface layer of the hydrogen permeable membrane is Pd, Pd or a Pd alloy can be used.
[0067]
Thirdly, a metal film made of a metal material having a solid solubility limit with a metal material constituting the surface layer of the hydrogen permeable film can be used in the operating temperature range of the hydrogen permeable film. Here, the “solid solubility limit” means the maximum concentration of the second element that can be added to the solid composed of the first element at a certain temperature, and the solid solubility limit includes the temperature and two elements. Depending on the type. By using this metal film, the concentration of other elements entering the surface layer of the hydrogen permeable film can be suppressed to a relatively small predetermined concentration or less. When the metal constituting the surface layer of the hydrogen permeable film is Pd or Pd alloy, for example, Al, Fe, Ga, In, Pb, Sn, Ni, Co, or the like can be used. Ni and Co are preferable because they have a function of allowing hydrogen to permeate in the same manner as Pd.
[0068]
As described above, the holding portions 510B and 520B of the present embodiment include the contact portion CP including the contact surface CS that contacts the hydrogen permeable membrane 400 and the non-contact portion that forms the gas passage without contacting the hydrogen permeable membrane. (Through hole) NP. A protective film PF capable of preventing or reducing alloying of the hydrogen permeable film is formed on the contact surface CS. Thereby, the holding part can have a function of compensating the strength of the hydrogen permeable film and a function of alleviating a decrease in the hydrogen permeable performance of the hydrogen permeable film.
[0069]
In the holding portions 510B and 520B of the present embodiment, the wall surface WS of the contact portion CP includes the obtuse angle surface WSa at the end portion of the contact surface CS, as in the holding portions 510 and 520 of FIG. May not be included. However, when the wall surface WS includes an obtuse angle surface as in this embodiment, the holding portions 510B and 520B can also have a function of reducing breakage of the hydrogen permeable membrane.
[0070]
In addition, you may make it form the protective film PF in the contact surface of the holding parts 511,521,530,540 which have various shapes shown in FIGS.
[0071]
C. Third embodiment:
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system in the third embodiment. The fuel cell system of the present embodiment is substantially the same as the fuel cell system of the first embodiment (FIG. 1), but the hydrogen separation section 240C of the fuel gas supply section 200C is changed. Specifically, in the hydrogen separator 240C of the present embodiment, the supply chamber 410C has the function of the reforming unit 230 (FIG. 1). For this reason, the source gas is supplied to the supply chamber 410C.
[0072]
FIG. 14 is an explanatory diagram schematically showing the internal configuration of the hydrogen separator 240C of FIG. As in the first embodiment (FIG. 2), a supply chamber 410C is formed on one surface side of the hydrogen permeable membrane 400, and an extraction chamber 420 is formed on the other surface side. The hydrogen permeable membrane 400 is held by two adjacent holding portions 510C and 520C. The second holding unit 520C is the same as the second holding unit 520 of the first embodiment (FIG. 3).
[0073]
The first holding unit 510C is formed of a porous member through which gas can flow, and forms a passage through which the reformed gas passes in the supply chamber 410C. In addition, the first holding unit 510C carries a catalyst that promotes the reforming reaction. Therefore, when the source gas is supplied to the supply chamber 410C, the reformed gas is generated as the source gas passes through the first holding unit 510C. Thereafter, the reformed gas containing hydrogen gas is supplied to the first surface S1 of the hydrogen separation membrane 400, and the hydrogen gas is extracted from the second surface S2. By using such a hydrogen separator 240C, fuel gas can be generated efficiently.
[0074]
As the porous member forming the first holding portion 510C, for example, a ceramic member such as alumina, silicon nitride, or silica, a sintered metal member, or the like can be used. In addition, as described above, for example, a CuO—ZnO-based catalyst or a Cu—ZnO-based catalyst can be used as the catalyst.
[0075]
The first holding unit 510C is formed by impregnating a porous member with a solution containing metal fine particles (catalyst) and firing, or by mixing a mixture of fine particles and metal fine particles (catalyst) constituting the porous member. It can be manufactured by firing.
[0076]
As described above, the hydrogen separator 240C of the present embodiment includes the hydrogen permeable membrane 400 and the two holding portions 510C and 520C provided adjacent to the hydrogen permeable membrane. The first holding portion 510C provided adjacent to the first surface S1 of the hydrogen permeable membrane is formed of a porous member through which gas can flow. The porous member carries a catalyst. Thereby, the first holding unit can have a function of supplementing the strength of the hydrogen permeable membrane and a function of promoting a reaction (reforming reaction) according to the catalyst.
[0077]
In the present embodiment, a combustion unit 250 for processing the carbon monoxide gas generated by the reforming reaction is provided on the downstream side of the hydrogen separation unit 240C. Instead of this, a shift unit is provided. And a CO oxidation unit may be provided. The shift unit generates hydrogen gas and carbon dioxide gas from carbon monoxide gas and water vapor. The CO oxidation unit oxidizes carbon monoxide gas that is not processed by the shift unit to generate carbon dioxide gas. In this case, the first holding unit 510C may carry a catalyst for promoting the shift reaction instead of the catalyst for promoting the reforming reaction. As the catalyst for promoting the shift reaction, for example, a Cu—Zn-based catalyst can be used. In this way, the first holding unit 510C can supply the reformed gas supplied to the supply chamber 410C to the first surface of the hydrogen permeable membrane, and the reformed gas supplied to the supply chamber 410C. The contained carbon monoxide gas can be reduced. Thus, if the first holding unit 410C has other functions such as a reforming unit and a shift unit, there is an advantage that the fuel cell system can be reduced in size.
[0078]
D. Other variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0079]
(1) In the above embodiment, the case where the present invention is applied to a fuel cell system using a solid polymer type fuel cell has been described. However, the present invention can also be applied to a fuel cell system using another type of fuel cell. It is also possible to apply the present invention to a hydrogen purification system.
[0080]
(2) In the above embodiment, the fuel cell system includes the fuel gas supply units 200 and 200C that generate hydrogen gas using methanol, but instead of this, other alcohols, natural gas, gasoline, You may make it provide the fuel gas supply part which produces | generates hydrogen gas using ether, an aldehyde, etc. In general, various hydrocarbon compounds containing hydrogen atoms can be used as raw materials.
[0081]
(3) In the above embodiment, water vapor is used as the carrier gas, but other gas such as nitrogen gas may be used instead. Further, the fuel off gas discharged from the fuel cell 100 may be used as the carrier gas.
[0082]
(4) In the above embodiment, the hydrogen permeable membrane is formed in a sheet shape, but may be formed in a roll shape. In this case, the holding part only needs to have a hollow cylindrical shape or a cylindrical shape.
[0083]
(5) In the above embodiment, the carrier gas is used to set a large hydrogen partial pressure difference between the supply chamber and the extraction chamber. However, by pressurizing the reformed gas, hydrogen between the supply chamber and the extraction chamber is set. The partial pressure difference may be set large. However, when a carrier gas is used as in the above embodiment, the pressure difference received by the hydrogen permeable membrane from both sides can be made relatively small, and as a result, damage to the hydrogen permeable membrane can be reduced. There is an advantage that can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a first embodiment.
FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an internal configuration of a hydrogen separator 240 in FIG.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 and 520 of FIG. 2;
4 is an explanatory view showing an enlarged cross section of a joined body of a hydrogen permeable membrane 400 and holding portions 510 and 520. FIG.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of specific dimensions of the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 and 520;
6 is an enlarged end view showing a cross-section of a joined body of the hydrogen permeable membrane 400 and the holding portions 510 'and 520' whose obtuse angle surfaces are changed, and corresponds to FIG.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a first modification of the hydrogen separator.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a second modification of the hydrogen separator.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing the two hydrogen permeable membranes 401 and 402 shown in FIG. 8 and one holding unit 530 that holds the two hydrogen permeable membranes.
FIG. 10 is an explanatory diagram showing a third modification of the hydrogen separator.
11 is an explanatory diagram showing two hydrogen permeable membranes 406 and 407 shown in FIG. 10 and one holding portion 540 that holds the two hydrogen permeable membranes.
FIG. 12 is an explanatory view showing an enlarged cross section of a joined body of a hydrogen permeable membrane 400 and holding portions 510B and 520B in a second embodiment.
FIG. 13 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to a third embodiment.
14 is an explanatory view schematically showing an internal configuration of a hydrogen separator 240C in FIG.
[Explanation of symbols]
100: Fuel cell
200, 200C ... Fuel gas supply unit
212 ... Raw material tank
214 ... Water tank
222, 224 ... evaporator
230 ... reforming section
240, 241, 242, 243, 240C ... Hydrogen separation part
250 ... Combustion section
260 ... Condenser
300 ... oxidizing gas supply section
310 ... Blower
400-404, 406-409 ... hydrogen permeable membrane
410-412, 416-418, 410C ... supply chamber
420-422, 426, 427 ... Extraction chamber
510, 520 ... holding part
511, 521, 530, 540 ... holding part
510B, 520B ... Holding part
510C, 520C ... holding part
CP ... Contact part
CS ... Contact surface
NP ... Non-contact part
PF ... Protective film
WS ... Wall
WSa, WSa '... obtuse angle plane

Claims (10)

水素分離装置であって、
水素を選択的に透過させる自立膜タイプの金属製の水素透過膜と、
前記水素透過膜に隣接して設けられた保持部と、
を備え、
前記保持部は、少なくとも前記水素透過膜に対向する面側に、前記水素透過膜に接触する接触面を含む接触部分と、接触せずにガス通路を形成する非接触部分と、を含み、
前記接触部分と前記非接触部分との界面である前記接触部分の壁面は、前記接触面の端部において、前記接触面に対する角度が鈍角になるように設定された鈍角面を含むことを特徴とする水素分離装置。A hydrogen separator,
A metal-made hydrogen permeable membrane of a free-standing membrane type that selectively permeates hydrogen;
A holding part provided adjacent to the hydrogen permeable membrane;
With
The holding part includes at least a contact part including a contact surface in contact with the hydrogen permeable film on a surface side facing the hydrogen permeable film, and a non-contact part that forms a gas passage without contacting.
The wall surface of the contact portion which is an interface between the contact portion and the non-contact portion includes an obtuse angle surface set so that an angle with respect to the contact surface becomes an obtuse angle at an end portion of the contact surface. Hydrogen separation device. 請求項１記載の水素分離装置であって、
前記保持部は、複数の貫通孔が形成されたプレートである、水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 1,
The said holding | maintenance part is a hydrogen separator which is a plate in which the several through-hole was formed. 請求項１記載の水素分離装置であって、
前記保持部は、複数の溝が形成されたプレートである、水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 1,
The holding unit is a hydrogen separator, which is a plate in which a plurality of grooves are formed. 請求項１記載の水素分離装置であって、
前記鈍角面と、前記鈍角面の法線と前記水素透過膜の法線とを含む面と、の交線は、直線である、水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 1,
The hydrogen separator is an intersection of the obtuse angle plane and a plane including a normal line of the obtuse angle plane and a normal line of the hydrogen permeable membrane. 請求項１記載の水素分離装置であって、
前記鈍角面と、前記鈍角面の法線と前記水素透過膜の法線とを含む面と、の交線は、曲線である、水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 1,
The hydrogen separation apparatus, wherein an intersection line of the obtuse angle surface and a surface including the normal line of the obtuse angle surface and the normal line of the hydrogen permeable membrane is a curve. 請求項１記載の水素分離装置であって、
前記保持部は、金属製であると共に、
前記接触面には、接触による前記水素透過膜の水素透過性能の低下を緩和させるための保護膜が形成されていることを特徴とする水素分離装置。 The hydrogen separator according to claim 1,
The holding part is made of metal,
The hydrogen separation device according to claim 1, wherein a protective film is formed on the contact surface to alleviate a decrease in hydrogen permeation performance of the hydrogen permeable membrane due to contact. 請求項６記載の水素分離装置であって、
前記保護膜は、セラミック材料で構成されている、水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 6,
The protective film is a hydrogen separator made of a ceramic material. 請求項６記載の水素分離装置であって、
前記保護膜は、前記水素透過膜の表層を構成する金属材料と同種の金属材料で構成されている、水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 6,
The said protective film is a hydrogen separation apparatus comprised with the metal material of the same kind as the metal material which comprises the surface layer of the said hydrogen permeable film. 請求項６記載の水素分離装置であって、
前記保護膜は、前記水素透過膜の使用温度範囲において、前記水素透過膜の表層を構成する金属材料との間で互いに固溶限を有する金属材料で構成されている、水素分離装置。The hydrogen separator according to claim 6,
The hydrogen separation apparatus, wherein the protective film is made of a metal material having a solid solubility limit with a metal material constituting a surface layer of the hydrogen permeable film in a use temperature range of the hydrogen permeable film. 請求項１記載の水素分離装置であって、
前記水素透過膜は、第１の面には、水素ガスを含む混合ガスが供給され、第２の面からは、前記水素ガスが抽出され、
前記保持部は、前記水素透過膜の前記第１の面に隣接して設けられると共に、ガスが流通可能な多孔質部材で形成されており、
前記多孔質部材は、触媒を担持することを特徴とする水素分離装置。 The hydrogen separator according to claim 1,
The hydrogen permeable membrane is supplied with a mixed gas containing hydrogen gas on the first surface, and the hydrogen gas is extracted from the second surface ,
The holding portion, the hydrogen permeable membrane of the first surface disposed adjacent to the Rutotomoni is formed of a porous member can flow the gas,
The hydrogen separator is characterized in that the porous member carries a catalyst.
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