JP4211434B2 - 水素分離装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含有する水素含有気体から水素を抽出する水素分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池に供給される水素は、例えば、メタノール等の炭化水素系の原料を改質して得られる改質ガスから、水素分離装置によって水素を抽出することによって得ることができる。
【０００３】
水素分離装置としては、例えば、パラジウムあるいはパラジウム合金など水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離部材を利用する装置が知られている。かかる装置では、水素分離部材の一方の面に改質ガスを供給すると、他方の面から水素が抽出される。
【０００４】
水素分離装置によって抽出された水素は、パージガスと呼ばれる水素運搬用のガスにより燃料電池の水素極（アノード）に供給される。パージガスとしては、例えば、水蒸気や、水素分離後の改質ガス（未透過ガス）、燃料電池の水素極から排出されたアノードオフガスなどを用いることができる。また、特許文献１には、燃料電池の酸素極（カソード）から排出されたカソードオフガスを利用可能であることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−８３６１７号公報
【特許文献３】
特開２００１−２２３０１７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カソードオフガスには燃料電池で消化し切れず、未反応となった酸素が残存している場合がある。そのため、水素分離装置内で、水素と酸素とが反応してしまい、その反応熱による影響で水素分離部材が十分な水素透過性能を発揮できない場合があった。また、このような反応によって水素分離部材が劣化してしまう場合もあった。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、パージガスとしてカソードオフガスを用いる水素分離装置において水素透過性能の低下、水素分離部材の劣化を抑制することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するため、本発明を次のような水素分離装置として構成した。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記供給部付近が他のいずれか一部よりも耐熱性に優れた構造を有することを要旨とする。
【０００９】
カソードオフガスを水素分離装置に供給する際には、主にその供給部付近で水素と酸素の反応が起こる。そのため、上記のような構成の水素分離装置であれば、水素分離部材のカソードオフガス供給部付近が耐熱性に優れるため、反応熱による水素分離部材の性能低下を抑制することができる。ここで、耐熱性に優れた構造とは、熱による劣化を抑制可能な構造や、熱による水素透過性能の低下を抑制可能な構造を含むものとする。
【００１０】
このような水素分離装置において、前記水素分離部材は、更に、前記供給部付近に酸化触媒が設けられているものとしてもよい。こうすることにより、供給部付近で水素と酸素の反応を促進し、供給部付近以外の部分に熱の影響が及ぶことを抑制することができる。
【００１１】
また、更に、前記水素分離部材の前記供給部付近に前記カソードオフガスを加熱するための熱源を備えるものとしてもよい。こうすることにより、燃料電池システムの起動時などの低温状態であっても、カソードオフガスを加熱することができ、水素と酸素の反応を促進することが可能となる。
【００１２】
また、更に、前記水素分離部材の前記供給部付近に放熱機構を備えるものとしてもよい。こうすることにより、余分な反応熱を放熱することができ、必要以上の加熱を抑制することができる。
【００１３】
ここで、前記水素分離部材は、前記供給部付近が、パラジウムまたはパラジウム合金により形成されたものとしてもよい。パラジウムやパラジウム合金は、高温下でも安定して水素を透過可能な金属だからである。
【００１４】
また、前記水素分離部材は、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その片面または両面にパラジウムまたはパラジウム合金を層状に積層した部材であり、
該水素分離部材の前記供給部付近が、他のいずれか一部よりもパラジウムまたはパラジウム合金の積層量が多くなるように形成されたものとしてもよい。
【００１５】
一般的に、２種類の金属を層構造とした水素分離部材は、加熱されると両金属間で拡散が生じ、水素透過性能が低下する場合がある。そこで、上記構成のようにカソードオフガスの供給部付近のパラジウム（またはパラジウム合金）の積層量を他の部分より多くすることにより、供給部付近の金属拡散を抑制し、水素透過性能の低下を抑制することが可能となる。なお、５族金属とは、例えば、バナジウムやニオブ、タンタル等の金属である。
【００１６】
また、前記水素分離部材は、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その片面または両面にパラジウムまたはパラジウム合金を層状に積層した部材であり、
該水素分離部材は、前記供給部付近の５族金属または５族金属を含む合金とパラジウムまたはパラジウム合金との間に、異種金属の拡散を抑制するための拡散抑制層が設けられたものとしてもよい。
【００１７】
こうすることにより、各層間の拡散を抑制し、水素透過性能の低下を抑制することができる。なお、拡散抑制層としては、例えば、ニッケルやコバルトなどを薄膜化した金属やセラミックスを用いることができる。
【００１８】
また、本発明は、次のような水素分離装置としても構成することができる。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記供給部付近が他のいずれか一部よりも耐水素脆性に優れた構造を有する、水素分離装置である。
【００１９】
一般的に、金属はある濃度以上の水素を含むと、温度が低い程水素脆性が生じやすくなり劣化してしまう。そのため、従来は、パージガスを予熱することにより吸蔵された水素を放出する必要があった。しかし、上記構成の水素分離装置では、カソードオフガスの供給部付近を耐水素脆性に優れた構造としたため、パージガスの予熱が不要となり、簡易な構成の水素分離装置を提供することが可能となる。このような構造の水素分離部材としては、例えば、前記供給部付近が、パラジウム合金または、５族金属の含有量が他の部位より低いバナジウム合金により形成されたものとすることができる。
【００２０】
また、更に、本発明は、次のような水素分離装置としても構成することができる。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記供給部付近が他のいずれか一部よりも水素透過性能の低い構造を有する、水素分離装置である。
【００２１】
このような構成であれば、水素分離部材のカソードオフガス供給部付近は他の部分に比べて透過する水素量が低減し、水素と酸素とが緩やか反応する。従って、局所的な発熱による水素分離部材の劣化を抑制することができる。
【００２２】
その他、本発明は、次のような水素分離装置としても構成することができる。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記供給部が、前記運搬用ガス流路に対して複数箇所設けられた、水素分離装置である。
【００２３】
こうすることにより、水素分離部材の第２の面に対してカソードオフガスを分散して供給することができるため、局所的な水素と酸素の反応を抑制することができる。
【００２４】
なお、本発明において、上述した種々の構成は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
Ｂ．水素分離装置：
Ｃ．水素分離膜：
Ｄ．水素分離装置の他の態様：
Ｅ．変形例：
【００２６】
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
図１は、実施例としての水素分離装置５０を備える燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、水素の生成源となる原料を貯蔵する原料タンク１０と、水を貯蔵する水タンク２０と、原料と水とを蒸発・混合し、混合ガスを発生する蒸発器３０と、混合ガスを改質し、改質ガスを発生する改質器４０と、改質ガスから水素を抽出・分離する水素分離装置５０と、水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池６０とを主な構成要素としている。
【００２７】
原料タンク１０に貯蔵される原料は、改質器４０で進行する改質反応に供されるものであり、この原料としては、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原料を選択することができる。蒸発器３０は、原料タンク１０から供給される原料および水タンク２０から供給される水を気化、昇温させるとともに両者の混合を行う。
【００２８】
蒸発器３０から排出された原料と水との混合ガスは、改質器４０において改質反応に供されて水素を含有する改質ガスが生成される。改質器４０には、用いる原料に応じた触媒が備えられている。改質器４０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る。
【００２９】
水素分離装置５０は、改質器４０から改質ガスの供給を受け、水素を分離・抽出する。抽出した水素は、燃料電池６０のアノード側に燃料ガスとして供給する。燃料電池６０のカソード側には、ブロワ等により圧縮空気が酸化ガスとして供給される。燃料電池６０は、このように供給された燃料ガスおよび酸化ガスを利用して電気化学反応によって発電を行う。
【００３０】
図１では、燃料電池システム１００として主要な構成要素を示したが、水素の原料としては、上述したように種々のものが選択可能であるため、用いる原料に応じて燃料電池システム１００の構成は適宜変更すればよい。例えば、用いる原料が硫黄分を含有する場合には、蒸発器３０に先立って脱硫器を設けて原料の脱硫を行うこととすればよい。また、改質器４０と水素分離装置５０との間に、改質ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応等により低減する装置を設けることとしてもよい。
【００３１】
Ｂ．水素分離装置：
図２は、水素分離装置５０の概略構成を示す説明図である。水素分離装置５０は、改質ガス流路５１と、パージガス流路５２と、水素分離膜５３とを備えている。
【００３２】
改質ガス流路５１には、改質器４０から改質ガスが供給される。改質ガスには、水素や炭酸ガス等が含まれ、水素分離膜５３の働きにより、このうち水素がパージガス流路５２に選択的に透過する。残りの炭酸ガス等は、排気ガスとして外部へ排出される。
【００３３】
パージガス流路５２には、水素分離膜５３から透過した水素を燃料電池６０のアノードに運搬するための運搬用ガス（パージガス）が供給される。図中では、改質ガスとパージガスの供給方向が一致している例を示したが、対向させて供給してもよい。本実施例では、図１にも示したように、パージガスとして燃料電池６０のカソードから排出されるカソードオフガスを供給するものとした。水素分離膜５３から透過された水素は、このカソードオフガスにより燃料電池６０のアノードに運搬され、燃料ガスとして用いられる。
【００３４】
水素分離膜５３は、カソードオフガス供給部付近（図中のＡ部。以下Ａ部と記載）の耐熱性を高めるために、Ａ部とその他の部分（図中のＢ部。以下Ｂ部と記載）とを異なる構造を採るものとした。カソードオフガスには燃料電池６０で使用されず未反応となった酸素が残存している場合があり、水素分離膜５３から透過した水素とこの酸素とがＡ部付近で反応して燃焼し、局所的に高温となる場合があるからである。以下では、水素分離膜５３および水素分離装置５０の種々の構造例を挙げる。
【００３５】
Ｃ．水素分離膜：
図３は、Ａ部をパラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金とした水素分離膜５３の概略構造図である。一般的に水素分離膜は、バナジウム（Ｖ）やＶ合金などの５族金属を基材とし、その両面をＰｄやＰｄ合金で皮膜するサンドイッチ構造が採用されている。図３で示すＢ部もこのような構造である。しかし、このような水素分離膜は、高温下にさらされるとＰｄとＶとの拡散現象が生じ、著しく水素透過性能が低下する。そこで、図３で示す水素分離膜５３は、Ａ部にサンドイッチ構造を採用せず、単に、ＰｄまたはＰｄ合金を用いるものとした。これらの金属は、高温下でも安定して水素を透過することができるためである。特に、Ａ部をＰｄ合金とした場合は、低温時の水素脆性にも優れるため、燃料電池６０の起動時など、カソードオフガスの温度が低い場合にも効果的である。また、Ｂ部のＶ基材よりもＶ含有量が低いＶ合金をＡ部に用いることによっても水素脆性に優れた特性を得ることができる。
【００３６】
図４は、Ａ部のＰｄ皮膜をＢ部より厚くした水素分離膜５３の概略構造図である。ここでは、Ｂ部のＰｄ皮膜が０．１μｍであるのに対してＡ部のＰｄ皮膜を３μｍ程度にするものとした。この程度の厚みがあると、高温時の拡散の問題が生じにくいためである。
【００３７】
図５は、Ａ部とＢ部とで連続的にＰｄの厚みが変化する水素分離膜５３の概略構造図である。このような構成とすることによっても、図４で説明した構造と同様に、高温化での拡散の問題を低減することができる。また、水素は、ＰｄよりもＶの方が透過しやすい為、図５で示した構造であれば、Ａ部付近よりもＢ部付近の方が水素の透過する量が多くなり、Ａ部付近における局所的な燃焼反応を抑制し、温度分布を緩やかにすることもできる。
【００３８】
図６は、Ａ部のＰｄ膜とＶ基材との間に拡散抑制層５４を設けた水素分離膜５３の概略構造図である。拡散抑制層５４には、例えば、ニッケルやコバルトを薄膜化した金属やセラミックスを用いることができる。こうすることにより、ＰｄとＶとの拡散を抑制することが可能となる。
【００３９】
水素分離膜５３は、以上で示した種々の構造以外にも、例えば、セラミックス多孔質基材にＰｄを皮膜する構成をＡ部に採ってもよい。このような構成であれば、金属の拡散が生じないため好適である。
【００４０】
以上で挙げた種々の構造を採ることにより、水素分離膜５３のカソードオフガス供給部付近における耐熱性を向上させることができる。
【００４１】
Ｄ．水素分離装置の他の態様：
ところで、水素分離膜５３に上述した種々の耐熱構造を採った場合においては、Ａ部付近で積極的に酸素と水素を反応させたほうがよい。Ｂ部の耐熱性については十分とはいえないからである。そのため、図７と図８では、Ａ部付近において積極的に水素の酸化の反応を促進させるための水素分離装置５０の構成を示した。
【００４２】
図７は、Ａ部付近に酸化触媒５５を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。酸化触媒としては、例えば、白金を用いることができる。水素分離装置５０をこのような構造とすることにより、Ａ部付近において積極的に水素と酸素とを反応させることができる。図８は、Ａ部付近に熱源５６を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。このような構造によってもカソードオフガスを予め加熱し、水素と酸素の反応を促進することが可能となる。
【００４３】
図９は、Ａ部付近に放熱機構５７を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。このような構造とすることにより、Ａ部付近において必要以上の発熱を抑制して放熱を図ることが可能となる。放熱機構としては、例えば、図示するような多数のフィンや柱をパージガス流路５２内に設けることにより構成することができる。フィンや柱は、例えば、アルミニウムや銅など、伝熱製に優れた金属によって構成することができる。なお、図９では、Ｂ部付近にも放熱機構を設けた場合を示したが、Ａ部付近にのみ放熱機構を設けるものとしてもよい。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について種々の実施例に基づき説明したが、本発明は上記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。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４５】
Ｅ．変形例：
（１）図１０は、カソードオフガスをパージガス流路に対して分割して供給する水素分離装置５０の概略構造図である。パージガス流路５２には複数の孔が設けられており、この孔からカソードオフガスを供給するものとした。こうすることにより、パージガス流路５２内における燃焼反応を分散させることができるため、局所的に高温になることを抑制することができる。なお、この場合、水素分離膜５３は、図示するようにカソードオフガスが流入する孔に対応する部位（Ａ部）に上述した種々の耐熱構造をもたせてもよい。
【００４６】
（２）図１１は、カソードオフガスを分割してパージガス流路に供給する水素分離装置５０の他の概略構造図である。かかる構造では、水素分離膜５３を直列的に分割し、それぞれの水素分離膜にカソードオフガスが供給されるものとした。このような構成では、各供給部でのカソードオフガスの供給量が低減されるため、局所的に高温となることを抑制することができる。なお、かかる構成においても、分割された水素分離膜５３のそれぞれのカソードオフガス供給部付近に上述のような各種耐熱構造を持たせることが好ましい。
【００４７】
（３）図１２は、水素分離膜５３を並列に分割して層構造とした水素分離装置５０の概略構造図である。こうすることによっても、それぞれの層間にカソードオフガスを分割して供給することにより、各供給部でのカソードオフガスの供給量が低減され、局所的な発熱を抑制することができる。かかる場合にも、図示するように、各水素分離膜５３のカソードオフガス供給部付近に耐熱構造を持たせることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例としての水素分離装置を備え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】 水素分離装置５０の概略構成を示す説明図である。
【図３】 カソードオフガス供給部付近をパラジウムまたはＰｄ合金とした水素分離膜５３の概略構造図である。
【図４】 カソードオフガス供給部付近のＰｄ皮膜を他の部分より厚くした水素分離膜５３の概略構造図である。
【図５】 カソードオフガス供給部付近とそれ以外の部分とで連続的にＰｄの厚みが変化する水素分離膜５３の概略構造図である。
【図６】 カソードオフガス供給部付近のＰｄ膜とＶ基材との間に拡散抑制層５４を設けた水素分離膜５３の概略構造図である。
【図７】 カソードオフガス供給部付近に更に酸化触媒５５を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。
【図８】 カソードオフガス供給部付近に熱源５６を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。
【図９】 カソードオフガス供給部付近に放熱機構５７を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。
【図１０】 カソードオフガスをパージガス流路に分割して供給する水素分離装置５０の概略構造図である。
【図１１】 カソードオフガスを分割してパージガス流路に供給する水素分離装置５０の他の概略構造図である。
【図１２】 水素分離膜５３を並列に層構造とした水素分離装置５０の概略構造図である。
【符号の説明】
１０…原料タンク
２０…水タンク
３０…蒸発器
４０…改質器
５０…水素分離装置
５１…改質ガス流路
５２…パージガス流路
５３…水素分離膜
５４…拡散抑制層
５５…酸化触媒
５６…熱源
５７…放熱機構
６０…燃料電池
１００…燃料電池システム
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を含有する水素含有気体から水素を抽出する水素分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池に供給される水素は、例えば、メタノール等の炭化水素系の原料を改質して得られる改質ガスから、水素分離装置によって水素を抽出することによって得ることができる。
【０００３】
水素分離装置としては、例えば、パラジウムあるいはパラジウム合金など水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離部材を利用する装置が知られている。かかる装置では、水素分離部材の一方の面に改質ガスを供給すると、他方の面から水素が抽出される。
【０００４】
水素分離装置によって抽出された水素は、パージガスと呼ばれる水素運搬用のガスにより燃料電池の水素極（アノード）に供給される。パージガスとしては、例えば、水蒸気や、水素分離後の改質ガス（未透過ガス）、燃料電池の水素極から排出されたアノードオフガスなどを用いることができる。また、特許文献１には、燃料電池の酸素極（カソード）から排出されたカソードオフガスを利用可能であることが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２８３８８５号公報
【特許文献２】
特開２００２−８３６１７号公報
【特許文献３】
特開２００１−２２３０１７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カソードオフガスには燃料電池で消化し切れず、未反応となった酸素が残存している場合がある。そのため、水素分離装置内で、水素と酸素とが反応してしまい、その反応熱による影響で水素分離部材が十分な水素透過性能を発揮できない場合があった。また、このような反応によって水素分離部材が劣化してしまう場合もあった。
【０００７】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、パージガスとしてカソードオフガスを用いる水素分離装置において水素透過性能の低下、水素分離部材の劣化を抑制することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記課題を解決するため、本発明を次のような水素分離装置として構成した。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記供給部付近が他のいずれか一部よりも耐熱性に優れた構造を有することを要旨とする。
【０００９】
カソードオフガスを水素分離装置に供給する際には、主にその供給部付近で水素と酸素の反応が起こる。そのため、上記のような構成の水素分離装置であれば、水素分離部材のカソードオフガス供給部付近が耐熱性に優れるため、反応熱による水素分離部材の性能低下を抑制することができる。ここで、耐熱性に優れた構造とは、熱による劣化を抑制可能な構造や、熱による水素透過性能の低下を抑制可能な構造を含むものとする。
【００１０】
このような水素分離装置において、前記水素分離部材は、更に、前記供給部付近に酸化触媒が設けられているものとしてもよい。こうすることにより、供給部付近で水素と酸素の反応を促進し、供給部付近以外の部分に熱の影響が及ぶことを抑制することができる。
【００１１】
また、更に、前記水素分離部材の前記供給部付近に前記カソードオフガスを加熱するための熱源を備えるものとしてもよい。こうすることにより、燃料電池システムの起動時などの低温状態であっても、カソードオフガスを加熱することができ、水素と酸素の反応を促進することが可能となる。
【００１２】
また、更に、前記水素分離部材の前記供給部付近に放熱機構を備えるものとしてもよい。こうすることにより、余分な反応熱を放熱することができ、必要以上の加熱を抑制することができる。
【００１３】
ここで、前記水素分離部材は、前記供給部付近が、パラジウムまたはパラジウム合金により形成されたものとしてもよい。パラジウムやパラジウム合金は、高温下でも安定して水素を透過可能な金属だからである。
【００１４】
また、前記水素分離部材は、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その片面または両面にパラジウムまたはパラジウム合金を層状に積層した部材であり、
該水素分離部材の前記供給部付近が、他のいずれか一部よりもパラジウムまたはパラジウム合金の積層量が多くなるように形成されたものとしてもよい。
【００１５】
一般的に、２種類の金属を層構造とした水素分離部材は、加熱されると両金属間で拡散が生じ、水素透過性能が低下する場合がある。そこで、上記構成のようにカソードオフガスの供給部付近のパラジウム（またはパラジウム合金）の積層量を他の部分より多くすることにより、供給部付近の金属拡散を抑制し、水素透過性能の低下を抑制することが可能となる。なお、５族金属とは、例えば、バナジウムやニオブ、タンタル等の金属である。
【００１６】
また、前記水素分離部材は、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その片面または両面にパラジウムまたはパラジウム合金を層状に積層した部材であり、
該水素分離部材は、前記供給部付近の５族金属または５族金属を含む合金とパラジウムまたはパラジウム合金との間に、異種金属の拡散を抑制するための拡散抑制層が設けられたものとしてもよい。
【００１７】
こうすることにより、各層間の拡散を抑制し、水素透過性能の低下を抑制することができる。なお、拡散抑制層としては、例えば、ニッケルやコバルトなどを薄膜化した金属やセラミックスを用いることができる。
【００１８】
また、本発明は、次のような水素分離装置としても構成することができる。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記供給部付近が他のいずれか一部よりも耐水素脆性に優れた構造を有する、水素分離装置である。
【００１９】
一般的に、金属はある濃度以上の水素を含むと、温度が低い程水素脆性が生じやすくなり劣化してしまう。そのため、従来は、パージガスを予熱することにより吸蔵された水素を放出する必要があった。しかし、上記構成の水素分離装置では、カソードオフガスの供給部付近を耐水素脆性に優れた構造としたため、パージガスの予熱が不要となり、簡易な構成の水素分離装置を提供することが可能となる。このような構造の水素分離部材としては、例えば、前記供給部付近が、パラジウム合金または、５族金属の含有量が他の部位より低いバナジウム合金により形成されたものとすることができる。
【００２０】
また、更に、本発明は、次のような水素分離装置としても構成することができる。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記供給部付近が他のいずれか一部よりも水素透過性能の低い構造を有する、水素分離装置である。
【００２１】
このような構成であれば、水素分離部材のカソードオフガス供給部付近は他の部分に比べて透過する水素量が低減し、水素と酸素とが緩やか反応する。従って、局所的な発熱による水素分離部材の劣化を抑制することができる。
【００２２】
その他、本発明は、次のような水素分離装置としても構成することができる。すなわち、アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給する供給部と、
を備えており、
前記供給部が、前記運搬用ガス流路に対して複数箇所設けられた、水素分離装置である。
【００２３】
こうすることにより、水素分離部材の第２の面に対してカソードオフガスを分散して供給することができるため、局所的な水素と酸素の反応を抑制することができる。
【００２４】
なお、本発明において、上述した種々の構成は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
Ｂ．水素分離装置：
Ｃ．水素分離膜：
Ｄ．水素分離装置の他の態様：
Ｅ．変形例：
【００２６】
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
図１は、実施例としての水素分離装置５０を備える燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、水素の生成源となる原料を貯蔵する原料タンク１０と、水を貯蔵する水タンク２０と、原料と水とを蒸発・混合し、混合ガスを発生する蒸発器３０と、混合ガスを改質し、改質ガスを発生する改質器４０と、改質ガスから水素を抽出・分離する水素分離装置５０と、水素と酸素の電気化学反応により発電を行う燃料電池６０とを主な構成要素としている。
【００２７】
原料タンク１０に貯蔵される原料は、改質器４０で進行する改質反応に供されるものであり、この原料としては、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原料を選択することができる。蒸発器３０は、原料タンク１０から供給される原料および水タンク２０から供給される水を気化、昇温させるとともに両者の混合を行う。
【００２８】
蒸発器３０から排出された原料と水との混合ガスは、改質器４０において改質反応に供されて水素を含有する改質ガスが生成される。改質器４０には、用いる原料に応じた触媒が備えられている。改質器４０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る。
【００２９】
水素分離装置５０は、改質器４０から改質ガスの供給を受け、水素を分離・抽出する。抽出した水素は、燃料電池６０のアノード側に燃料ガスとして供給する。燃料電池６０のカソード側には、ブロワ等により圧縮空気が酸化ガスとして供給される。燃料電池６０は、このように供給された燃料ガスおよび酸化ガスを利用して電気化学反応によって発電を行う。
【００３０】
図１では、燃料電池システム１００として主要な構成要素を示したが、水素の原料としては、上述したように種々のものが選択可能であるため、用いる原料に応じて燃料電池システム１００の構成は適宜変更すればよい。例えば、用いる原料が硫黄分を含有する場合には、蒸発器３０に先立って脱硫器を設けて原料の脱硫を行うこととすればよい。また、改質器４０と水素分離装置５０との間に、改質ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応等により低減する装置を設けることとしてもよい。
【００３１】
Ｂ．水素分離装置：
図２は、水素分離装置５０の概略構成を示す説明図である。水素分離装置５０は、改質ガス流路５１と、パージガス流路５２と、水素分離膜５３とを備えている。
【００３２】
改質ガス流路５１には、改質器４０から改質ガスが供給される。改質ガスには、水素や炭酸ガス等が含まれ、水素分離膜５３の働きにより、このうち水素がパージガス流路５２に選択的に透過する。残りの炭酸ガス等は、排気ガスとして外部へ排出される。
【００３３】
パージガス流路５２には、水素分離膜５３から透過した水素を燃料電池６０のアノードに運搬するための運搬用ガス（パージガス）が供給される。図中では、改質ガスとパージガスの供給方向が一致している例を示したが、対向させて供給してもよい。本実施例では、図１にも示したように、パージガスとして燃料電池６０のカソードから排出されるカソードオフガスを供給するものとした。水素分離膜５３から透過された水素は、このカソードオフガスにより燃料電池６０のアノードに運搬され、燃料ガスとして用いられる。
【００３４】
水素分離膜５３は、カソードオフガス供給部付近（図中のＡ部。以下Ａ部と記載）の耐熱性を高めるために、Ａ部とその他の部分（図中のＢ部。以下Ｂ部と記載）とを異なる構造を採るものとした。カソードオフガスには燃料電池６０で使用されず未反応となった酸素が残存している場合があり、水素分離膜５３から透過した水素とこの酸素とがＡ部付近で反応して燃焼し、局所的に高温となる場合があるからである。以下では、水素分離膜５３および水素分離装置５０の種々の構造例を挙げる。
【００３５】
Ｃ．水素分離膜：
図３は、Ａ部をパラジウム（Ｐｄ）またはＰｄ合金とした水素分離膜５３の概略構造図である。一般的に水素分離膜は、バナジウム（Ｖ）やＶ合金などの５族金属を基材とし、その両面をＰｄやＰｄ合金で皮膜するサンドイッチ構造が採用されている。図３で示すＢ部もこのような構造である。しかし、このような水素分離膜は、高温下にさらされるとＰｄとＶとの拡散現象が生じ、著しく水素透過性能が低下する。そこで、図３で示す水素分離膜５３は、Ａ部にサンドイッチ構造を採用せず、単に、ＰｄまたはＰｄ合金を用いるものとした。これらの金属は、高温下でも安定して水素を透過することができるためである。特に、Ａ部をＰｄ合金とした場合は、低温時の水素脆性にも優れるため、燃料電池６０の起動時など、カソードオフガスの温度が低い場合にも効果的である。また、Ｂ部のＶ基材よりもＶ含有量が低いＶ合金をＡ部に用いることによっても水素脆性に優れた特性を得ることができる。
【００３６】
図４は、Ａ部のＰｄ皮膜をＢ部より厚くした水素分離膜５３の概略構造図である。ここでは、Ｂ部のＰｄ皮膜が０．１μｍであるのに対してＡ部のＰｄ皮膜を３μｍ程度にするものとした。この程度の厚みがあると、高温時の拡散の問題が生じにくいためである。
【００３７】
図５は、Ａ部とＢ部とで連続的にＰｄの厚みが変化する水素分離膜５３の概略構造図である。このような構成とすることによっても、図４で説明した構造と同様に、高温化での拡散の問題を低減することができる。また、水素は、ＰｄよりもＶの方が透過しやすい為、図５で示した構造であれば、Ａ部付近よりもＢ部付近の方が水素の透過する量が多くなり、Ａ部付近における局所的な燃焼反応を抑制し、温度分布を緩やかにすることもできる。
【００３８】
図６は、Ａ部のＰｄ膜とＶ基材との間に拡散抑制層５４を設けた水素分離膜５３の概略構造図である。拡散抑制層５４には、例えば、ニッケルやコバルトを薄膜化した金属やセラミックスを用いることができる。こうすることにより、ＰｄとＶとの拡散を抑制することが可能となる。
【００３９】
水素分離膜５３は、以上で示した種々の構造以外にも、例えば、セラミックス多孔質基材にＰｄを皮膜する構成をＡ部に採ってもよい。このような構成であれば、金属の拡散が生じないため好適である。
【００４０】
以上で挙げた種々の構造を採ることにより、水素分離膜５３のカソードオフガス供給部付近における耐熱性を向上させることができる。
【００４１】
Ｄ．水素分離装置の他の態様：
ところで、水素分離膜５３に上述した種々の耐熱構造を採った場合においては、Ａ部付近で積極的に酸素と水素を反応させたほうがよい。Ｂ部の耐熱性については十分とはいえないからである。そのため、図７と図８では、Ａ部付近において積極的に水素の酸化の反応を促進させるための水素分離装置５０の構成を示した。
【００４２】
図７は、Ａ部付近に酸化触媒５５を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。酸化触媒としては、例えば、白金を用いることができる。水素分離装置５０をこのような構造とすることにより、Ａ部付近において積極的に水素と酸素とを反応させることができる。図８は、Ａ部付近に熱源５６を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。このような構造によってもカソードオフガスを予め加熱し、水素と酸素の反応を促進することが可能となる。
【００４３】
図９は、Ａ部付近に放熱機構５７を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。このような構造とすることにより、Ａ部付近において必要以上の発熱を抑制して放熱を図ることが可能となる。放熱機構としては、例えば、図示するような多数のフィンや柱をパージガス流路５２内に設けることにより構成することができる。フィンや柱は、例えば、アルミニウムや銅など、伝熱製に優れた金属によって構成することができる。なお、図９では、Ｂ部付近にも放熱機構を設けた場合を示したが、Ａ部付近にのみ放熱機構を設けるものとしてもよい。
【００４４】
以上、本発明の実施の形態について種々の実施例に基づき説明したが、本発明は上記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。例えば、以下のような変形が可能である。
【００４５】
Ｅ．変形例：
（１）図１０は、カソードオフガスをパージガス流路に対して分割して供給する水素分離装置５０の概略構造図である。パージガス流路５２には複数の孔が設けられており、この孔からカソードオフガスを供給するものとした。こうすることにより、パージガス流路５２内における燃焼反応を分散させることができるため、局所的に高温になることを抑制することができる。なお、この場合、水素分離膜５３は、図示するようにカソードオフガスが流入する孔に対応する部位（Ａ部）に上述した種々の耐熱構造をもたせてもよい。
【００４６】
（２）図１１は、カソードオフガスを分割してパージガス流路に供給する水素分離装置５０の他の概略構造図である。かかる構造では、水素分離膜５３を直列的に分割し、それぞれの水素分離膜にカソードオフガスが供給されるものとした。このような構成では、各供給部でのカソードオフガスの供給量が低減されるため、局所的に高温となることを抑制することができる。なお、かかる構成においても、分割された水素分離膜５３のそれぞれのカソードオフガス供給部付近に上述のような各種耐熱構造を持たせることが好ましい。
【００４７】
（３）図１２は、水素分離膜５３を並列に分割して層構造とした水素分離装置５０の概略構造図である。こうすることによっても、それぞれの層間にカソードオフガスを分割して供給することにより、各供給部でのカソードオフガスの供給量が低減され、局所的な発熱を抑制することができる。かかる場合にも、図示するように、各水素分離膜５３のカソードオフガス供給部付近に耐熱構造を持たせることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例としての水素分離装置を備え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】 水素分離装置５０の概略構成を示す説明図である。
【図３】 カソードオフガス供給部付近をパラジウムまたはＰｄ合金とした水素分離膜５３の概略構造図である。
【図４】 カソードオフガス供給部付近のＰｄ皮膜を他の部分より厚くした水素分離膜５３の概略構造図である。
【図５】 カソードオフガス供給部付近とそれ以外の部分とで連続的にＰｄの厚みが変化する水素分離膜５３の概略構造図である。
【図６】 カソードオフガス供給部付近のＰｄ膜とＶ基材との間に拡散抑制層５４を設けた水素分離膜５３の概略構造図である。
【図７】 カソードオフガス供給部付近に更に酸化触媒５５を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。
【図８】 カソードオフガス供給部付近に熱源５６を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。
【図９】 カソードオフガス供給部付近に放熱機構５７を設けた水素分離装置５０の概略構造図である。
【図１０】 カソードオフガスをパージガス流路に分割して供給する水素分離装置５０の概略構造図である。
【図１１】 カソードオフガスを分割してパージガス流路に供給する水素分離装置５０の他の概略構造図である。
【図１２】 水素分離膜５３を並列に層構造とした水素分離装置５０の概略構造図である。
【符号の説明】
１０…原料タンク
２０…水タンク
３０…蒸発器
４０…改質器
５０…水素分離装置
５１…改質ガス流路
５２…パージガス流路
５３…水素分離膜
５４…拡散抑制層
５５…酸化触媒
５６…熱源
５７…放熱機構
６０…燃料電池
１００…燃料電池システム
Claims (11)
- アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給するカソードオフガス供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記カソードオフガス供給部付近が他のいずれか一部よりも耐熱性に優れた構造を有する、水素分離装置。 - 請求項１に記載の水素分離装置であって、
前記水素分離部材は、更に、前記カソードオフガス供給部付近に酸化触媒が設けられた、水素分離装置。 - 請求項１に記載の水素分離装置であって、
更に、前記水素分離部材の前記カソードオフガス供給部付近に前記カソードオフガスを加熱するための熱源を備える、水素分離装置。 - 請求項１に記載の水素分離装置であって、
更に、前記水素分離部材の前記カソードオフガス供給部付近に放熱機構を備える、水素分離装置。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の水素分離装置であって、
前記水素分離部材は、前記カソードオフガス供給部付近が、パラジウムまたはパラジウム合金により形成されており、前記他のいずれか一部が、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その両面にパラジウムまたはパラジウム合金が積層されて形成されている、水素分離装置。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の水素分離装置であって、
前記水素分離部材は、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その片面または両面にパラジウムまたはパラジウム合金を層状に積層した部材であり、
該水素分離部材の前記カソードオフガス供給部付近が、他のいずれか一部よりもパラジウムまたはパラジウム合金の積層量が多くなるように形成された、水素分離装置。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の水素分離装置であって、
前記水素分離部材は、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その片面または両面にパラジウムまたはパラジウム合金を層状に積層した部材であり、
該水素分離部材は、前記カソードオフガス供給部付近の５族金属または５族金属を含む合金とパラジウムまたはパラジウム合金との間に、異種金属の拡散を抑制するための拡散抑制層が設けられた、水素分離装置。 - アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給するカソードオフガス供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記カソードオフガス供給部付近が他のいずれか一部よりも耐水素脆性に優れた構造を有する、水素分離装置。 - 請求項８に記載の水素分離装置であって、
前記水素分離部材は、前記カソードオフガス供給部付近が、パラジウム合金により形成されており、前記他のいずれか一部が、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その両面にパラジウムまたはパラジウム合金が積層されて形成されている、水素分離装置。 - 請求項８に記載の水素分離装置であって、
前記水素分離部材は、前記他のいずれか一部が、５族金属または５族金属を含む合金を基材とし、その両面にパラジウムまたはパラジウム合金が積層されて形成されており、前記カソードオフガス供給部付近が、前記他のいずれか一部の基材に含まれる５族金属よりも５族金属の含有量が低い５族金属を含む合金によって形成されている、水素分離装置。 - アノードに供給される水素とカソードに供給される酸素を用いて発電する燃料電池に供給するために、水素を含有する水素含有ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
第１の面に供給された水素含有ガスから選択的に水素を第２の面に透過する水素分離部材と、
前記第１の面に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給部と、
前記第２の面から透過した水素を当該水素分離装置の外部へ運搬するための運搬用ガスを前記第２の面に接するように流す運搬用ガス流路と、
該運搬用ガス流路に前記カソードから排出されるカソードオフガスを供給するカソードオフガス供給部と、
を備えており、
前記水素分離部材は、前記カソードオフガス供給部付近が他のいずれか一部よりも水素透過性能の低い構造を有する、水素分離装置。
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