JP4806867B2 - 水素抽出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素を含有する水素含有気体から水素を抽出する水素抽出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素を含有するガスから水素を抽出する装置としては、水素を選択的に透過させる性質を有する金属（例えば、パラジウムあるいはパラジウム合金など）を備える水素分離膜を利用する装置が知られている。このような水素抽出装置は、例えば、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて用いられる。
【０００３】
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスを供給されて電気化学反応によって起電力を得る装置である。燃料電池システムに水素抽出装置を適用する方法としては、炭化水素系の燃料を改質して得られる改質ガス（水素リッチガス）から、水素抽出装置によって水素を抽出し、得られた水素を燃料ガスとして燃料電池に供給する構成が知られている。このような水素抽出装置では、水素分離膜の一方の面側に上記改質ガスが通過する流路を設ければ、改質ガス中の水素だけが水素分離膜を透過するため、水素分離膜の他方の面側に設けた流路中に水素を抽出することができる。
【０００４】
水素分離膜を備える水素抽出装置としては、上記改質ガスなどの水素含有気体が通過する流路の層を形成する部材と、水素分離膜と、水素分離膜によって抽出された水素が通過する流路の層を形成する部材とを、複数積層したものが提案されている（例えば、特開平６−３４５４０８号公報など）。このように、水素分離膜と、水素分離膜を間に挟んで配設される２つの流路形成部材とを積層することによって、水素分離膜の表面積を装置全体でより広く確保して、水素抽出の効率を向上させることが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来は、上記のように流路形成部材や水素分離膜を積層する際の、各部材の接続方法については充分な検討はなされていなかった。積層された各部材の端部では、部材の積層によって形成される流路同士を接続する構造や、流路の気密性を確保するための構造が必要になる。
【０００６】
また、このような水素抽出装置を、燃料電池と共に車載し、燃料電池を車両の駆動用電源として用いる場合のように、装置を設置可能となるスペースに制限がある用途に用いる場合には、さらなる小型化が望まれる。複数の部材間を接続して気密性を確保する構成としては、部材間にガスケット等のシール部材を配設する方法などが知られているが、より小型化可能な水素抽出装置の具体的な構成が望まれていた。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素抽出装置のさらなる小型化を可能とするような、水素抽出装置を構成する部材間の接続に関わる技術を提供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】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を含有する水素含有気体から水素の抽出を行なう水素抽出装置であって、
水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜を備える金属製の薄板状部材である水素分離部材と、
前記水素分離部材の第１の面と第２の面とにそれぞれ隣接して配設された金属製の薄板状部材であって、隣り合う前記水素分離部材と共にガスの流路を形成する流路部材と
を備え、
前記水素分離部材と前記流路部材との間は、拡散接合またはろう付けにより接合されており、
各々の前記水素分離部材の前記第１の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素含有気体が通過する水素含有気体流路であり、
各々の前記水素分離部材の前記第２の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体から抽出された水素が通過する水素流路であり、
前記水素分離部材は、第１の穴部および第２の穴部を有し、
前記第１の穴部は、前記水素分離部材の前記第１の面側に形成される前記水素含有気体流路と連通し、前記第２の穴部は、前記水素分離部材の前記第２の面側に形成される前記水素流路と連通しており、
前記流路部材のうち、前記水素分離部材と共に前記水素含有気体流路を形成する第１の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第２の穴部に対応する位置に設けられた第３の穴部を有すると共に、前記水素分離部材と共に前記水素流路を形成する第２の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第１の穴部に対応する位置に設けられた第４の穴部を有し、
前記水素抽出装置全体として、前記水素分離部材が有する前記第１の穴部と前記第２の流路部材が有する前記第４の穴部とによって、前記水素含有気体流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素含有気体流路を導く流路が形成され、前記水素分離部材が有する前記第２の穴部と前記第１の流路部材が有する前記第３の穴部とによって、前記水素流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素を導く流路が形成されていることを要旨とする。
【０００９】
以上のように構成された本発明の水素抽出装置によれば、流路を形成するための板状部材を強度に優れた金属によって形成するため、流路を形成する部材をより薄くすることが可能となり、このような薄板状部材を積層した装置全体を薄型化、小型化することができる。さらに、このような金属製の薄板状部材を積層する際に、各部材間を、母材の溶融を伴わない接合方法により接合するため、流路を形成する部材の厚さを、溶融することを見込んで設定する必要が無く、装置全体をより薄型化することが可能となる。また、本発明の水素抽出装置によれば、前記水素含有気体流路と、これに対して前記水素含有気体を分配する流路とを接続するための構造、あるいは、前記水素流路と、これを通過した水素が合流する流路とを接続するための構造を、特別に設ける必要がない。そのため、製造工程を簡素化すると共に、水素抽出装置の形状の複雑化を抑えることができる。
【００１１】
本発明の水素抽出装置において、前記水素分離部材は、水素を選択的に透過させる性質を有する金属箔からなることとしても良い。このように、水素分離部材を金属箔によって形成することで、水素分離部材をより薄くすることができ、水素抽出装置全体をより薄型化することが可能となる。
【００１２】
あるいは、本発明の水素抽出装置において、前記水素分離部材は、薄板状の金属製多孔質体上に、水素を選択的に透過させる性質を有する金属を成膜したものであることとしても良い。このような構成とすれば、水素分離部材の強度を向上させることができる。
【００１３】
本発明の水素抽出装置において、
前記流路部材は、前記流路を形成するための穴部であるガス流路穴部を備え、前記流路は、前記流路部材の前記ガス流路穴部の内側面と、該流路部材を挟持する２枚の前記水素分離膜部材が備える前記水素分離膜の一部とを、壁面として備えることとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、流路部材の厚さとしては、ガス流路断面の径に対応する厚さを確保すれば良く、流路部材をより薄くすることが可能となる。
【００１５】
このような本発明の水素抽出装置において、前記ガス流路孔の内側面は、前記流路部材を、エッチング、放電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少なくとも一つによって形成されたものであることとしても良い。
【００１６】
エッチング、放電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少なくとも一つによって加工を行なうことで、複雑な機械加工が不要となる。したがって、製造が容易となり、製造工程を簡素化することができる。
【００１９】
このような本発明の水素抽出装置において、
前記第１の流路部材が形成する前記水素含有気体流路は、前記第１の流路部材の一端の近傍から対向する他端の近傍まで延びる第１のガス流路穴部によって形成されており、
前記第２の流路部材が形成する前記水素流路は、前記第２の流路部材の一端の近傍から対向する他端の近傍まで延びる第２のガス流路穴部によって形成されており、
前記第１のガス流路穴部の一方の端部は、前記第１の流路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の穴部と連通すると共に、前記第１のガス流路穴部の他方の端部は、前記第１の流路部材の他方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の穴部と連通し、
前記第２のガス流路穴部の一方の端部は、前記第２の流路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第２の穴部と連通すると共に、前記第２のガス流路穴部の他方の端部は、前記第２の流路部材の他方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第２の穴部と連通していることとしても良い。
【００２０】
本発明の水素抽出装置において、
前記水素流路には、前記水素含有気体に比べて水素濃度が充分に低いパージガスが供給されることとしても良い。
【００２１】
パージガスを供給することによって、水素含有気体から抽出された水素を直ちに水素抽出装置から排出することができる。したがって、水素流路側の水素濃度を常に充分に低く保ち、水素抽出の効率を高く維持することができる。
【００２２】
なお、本発明は、他にも種々の形態で実施可能である。例えば、水素抽出装置の製造方法、あるいは、水素抽出装置を備える燃料電池システムとして実施することができる。本発明の燃料電池システムは、水素を含有するガスと酸素を含有するガスの供給を受け、前記ガスを利用した電気化学反応によって起電力を得る燃料電池を備える燃料電池システムであって、以上の水素抽出装置を備え、該水素抽出装置が抽出した水素を、前記電気化学反応に利用することを要旨とする。以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、本発明の水素抽出装置を備えるため、燃料電池システム全体をよりコンパクトにすることが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例の水素抽出装置１０の構成：
Ｂ．水素抽出装置１０におけるガスの流れ：
Ｃ．水素抽出装置１０の製造方法：
Ｄ．燃料電池装置への適用：
Ｅ．第２実施例の水素抽出装置１１０の構成：
Ｆ．第３実施例の水素抽出装置２１０の構成：
Ｇ．変形例：
【００２４】
Ａ．第１実施例の水素抽出装置１０の構成：
本発明の好適な一実施例である水素抽出装置１０の外観を表わす斜視図を図１に示す。本実施例の水素抽出装置１０は、燃料電池システムに備えられ、炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスから水素を抽出する。水素抽出装置１０が抽出した水素は、燃料ガスとして、上記燃料電池システムが備える燃料電池に供給される。燃料電池システムの構成については後に説明する。図１に示すように、水素抽出装置１０は、略同一形状の正方形の薄板状部材を複数積層した構造を有している。図２は、水素抽出装置１０を構成する板状部材のうち、水素抽出装置１０の上端部（図１においてＡと表わした部分）に配設された６枚の板状部材の様子を表わす分解斜視図である。
【００２５】
水素抽出装置１０は、その上端および下端に配設される端部プレート２０と、改質ガスの流路を形成する改質ガス流路プレート３０と、水素分離膜によって形成される水素分離プレート４０と、抽出された水素がパージガスと共に流れるパージガス流路を形成するパージガス流路プレート５０とを備える。パージガスについては後に説明する。図２に示すように、端部プレート２０に隣接して、改質ガス流路プレート３０ａ、水素分離プレート４０ａ、パージガス流路プレート５０ａ、水素分離プレート４０ｂ、改質ガス流路プレート３０ｂ、の順に配設されている。なお、改質ガス流路プレート３０ａと改質ガス流路プレート３０ｂとは同じものであり、水素分離プレート４０ａと水素分離プレート４０ｂとも同じものである。図２では、積層の順序を区別するためにａ、ｂの符号を付した。また、各板状部材は、それぞれ所定の位置に所定の形状の穴部を備えているが、各板状部材は、その積層される順序によって、各板状部材が配設される際の向きが定まる。各板状部材を所定の順序で所定の向きに配設することで、水素抽出装置１０内では、改質ガスの流路とパージガスの流路とが所望の形状に形成される。
【００２６】
端部プレート２０は、穴部として、水素抽出装置１０に対して供給される改質ガスを水素抽出装置１０内に導くための改質ガス導入孔２２と、水素抽出装置１０に対して供給されるパージガスを水素抽出装置１０内に導くためのパージガス導入孔２４とを備えている。後述するように、水素抽出装置１０を製造する際には、水素抽出装置１０を構成する各板状部材を所定の順序で積層して、これらに押圧力を加える。端部プレート２０は、このような押圧力が加えられたときに充分な強度を確保するために、また、水素抽出装置１０に対して改質ガスあるいはパージガスを給排する配管と接続するために、他の板状部材に比べて厚く形成されている。本実施例では端部プレート２０は、ステンレス鋼によって形成されている。
【００２７】
図３は、改質ガス流路プレート３０の外観を表わす説明図である。改質ガス流路プレート３０は、穴部として、改質ガスの流路を形成する改質ガス流路孔３２と、パージガスの流路を形成するパージガス通過孔３４とを備えている。改質ガス流路孔３２は、改質ガス流路プレート３０の中央部に、広く長方形型に形成された穴部である。水素抽出装置１０内では、改質ガス流路孔３２は、隣接する水素分離プレート４０との間で、各板状部材の積層方向に垂直な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。パージガス通過孔３４は、改質ガス流路プレート３０の一辺と、改質ガス流路孔３２との間に形成された細長い長方形状の穴部である。このパージガス通過孔３４は、水素抽出装置１０内において、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。本実施例では、改質ガス流路プレート３０は、ステンレス鋼によって形成されている。
【００２８】
図４は、水素分離プレート４０の外観を表わす説明図である。水素分離プレート４０は、穴部として、ガスの流路を形成するガス通過孔４４，４６を備えている。ガス通過孔４４，４６は、水素分離プレート４０の互いに隣接する２辺のそれぞれに沿って形成された細長い長方形状の穴部である。これらのガス通過孔４４，４６は、水素抽出装置１０内において、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスあるいは改質ガスが流れるガス流路を形成する。また、本実施例の水素分離プレート４０は、水素を選択的に透過させる性質を有するパラジウム箔として形成されている。水素分離プレート４０においては、隣接する改質ガス流路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２と、隣接するパージガス流路プレート５０が備える後述するパージガス流路孔とが、重なる領域において、水素分離が行なわれる。このように水素分離が行なわれる領域である水素分離部４１を、図４に２点鎖線で囲んで示す。
【００２９】
図５は、パージガス流路プレート５０の外観を表わす説明図である。パージガス流路プレート５０は、穴部として、パージガスの流路を形成するパージガス流路孔５４と、改質ガスの流路を形成する改質ガス通過孔５６とを備えている。パージガス流路孔５４は、パージガス流路プレート５０の中央部に、広く長方形型に形成された穴部である。水素抽出装置１０内では、パージガス流路孔５４は、隣接する水素分離プレート４０との間で、各板状部材の積層方向に垂直な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。改質ガス通過孔５６は、パージガス流路プレート５０の一辺とパージガス流路孔５４との間に形成された細長い長方形状の穴部である。この改質ガス通過孔５６は、水素抽出装置１０内において、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。本実施例では、パージガス流路プレート５０は、ステンレス鋼によって形成されている。
【００３０】
上記した各板状部材を積層する際に、端部プレート２０に隣接する改質ガス流路プレート３０ａは、パージガス通過孔３４が、端部プレート２０が備えるパージガス導入孔２４に重なるような向きに配設される（図２参照）。このとき、改質ガス流路プレート３０ａの改質ガス流路孔３２の一方の端部は、端部プレート２０が備える改質ガス導入孔２２と重なる（図３参照）。
【００３１】
上記改質ガス流路プレート３０ａに隣接する水素分離プレート４０ａは、ガス通過孔４４が、端部プレート２０のパージガス導入孔２４および、改質ガス流路プレート３０ａのパージガス通過孔３４に重なるような向きに、配設される（図２参照）。このとき、ガス通過孔４６は、上記改質ガス流路プレート３０ａの改質ガス流路孔３２の一方の端部と重なる（図３参照）。なお、ガス通過孔４６と改質ガス導入孔２２とは、改質ガス流路孔３２の対向する辺の位置にそれぞれ存在する。この水素分離プレート４０ａにおいては、ガス通過孔４４は、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。また、ガス通過孔４６は、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。
【００３２】
上記水素分離プレート４０ａに隣接するパージガス流路プレート５０は、改質ガス通過孔５６が、水素分離プレート４０ａが備えるガス通過孔４６に重なるような向きに配設されている。このとき、パージガス流路プレート５０のパージガス流路孔５４の一方の端部は、水素分離プレート４０ａが備えるガス通過孔４４と重なる（図５参照）。
【００３３】
第２の水素分離プレート４０ｂは、ガス通過孔４４が、パージガス流路プレート５０が備える改質ガス通過孔５６に重なるような向きに配設される。このとき、ガス通過孔４６は、上記パージガス流路プレート５０のパージガス流路孔５４の一方の端部と重なる（図５参照）。なお、水素分離プレート４０ｂのガス通過孔４６と水素分離プレート４０ａのガス通過孔４４とは、パージガス流路孔５４の対向する辺の位置にそれぞれ存在する。この第２の水素分離プレート４０ｂにおいては、ガス通過孔４４は、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。また、ガス通過孔４６は、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。
【００３４】
このように、水素抽出装置１０全体では、積層される各水素分離プレート４０間に、改質ガス流路プレート３０とパージガス流路プレート５０とが交互に配設される。このとき、改質ガス流路プレート３０あるいはパージガス流路プレート５０を間に配して隣り合う水素分離プレート４０同士は、図２に示した端部プレート２０側から順に、図２において時計回りで表わされる向きに、互いに９０度ずつ回転する位置関係となるように積層される。
【００３５】
また、改質ガス流路プレート３０は、２枚の水素分離プレート４０と１枚のパージガス流路プレート５０とを配設しつつ、互いに１８０度ずつ回転する位置関係となるように順次積層される（図２参照）。同様に、パージガス流路プレート５０は、２枚の水素分離プレート４０と１枚の改質ガス流路プレート３０とを配設しつつ、互いに１８０度ずつ回転する位置関係となるように順次積層される。
【００３６】
Ｂ．水素抽出装置１０におけるガスの流れ：
水素抽出装置１０における改質ガスおよびパージガスの流れの様子を、図２において矢印で示した。水素抽出装置１０に供給される改質ガスは、端部プレート２０が備える改質ガス導入孔２２を介して内部に導入される。水素抽出装置１０内では、改質ガスは、改質ガス流路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２が形成する改質ガス流路内を通過しつつ、改質ガス流路プレート３０に隣接する水素分離プレート４０による水素分離に供される。各々の改質ガス流路孔３２が形成する改質ガス流路間では、改質ガス流路プレート３０間に配設されるプレートが備える既述したガス通過孔４４，４６および改質ガス通過孔５６が形成する改質ガス流路によって、改質ガスが導かれる。このとき、改質ガス流路孔３２が形成する改質ガス流路を通過する際の改質ガスの向きは、隣り合う改質ガス流路プレート３０間では互いに対向する向きとなる（図２参照）。
【００３７】
同様に、水素抽出装置１０に供給されるパージガスは、端部プレート２０が備えるパージガス導入孔２４を介して内部に導入される。水素抽出装置１０内では、パージガスは、パージガス流路プレート５０が備えるパージガス流路孔５４が形成するパージガス流路内を通過しつつ、パージガス流路プレート５０に隣接する水素分離プレート４０によって抽出された水素が導入される。各々のパージガス流路孔５４が形成するパージガス流路間では、パージガス流路プレート５０間に配設されるプレートが備える既述したガス通過孔４４，４６およびパージガス通過孔３４が形成するパージガス流路によって、パージガスが導かれる。このとき、パージガス流路孔５４が形成するパージガス流路を通過する際のパージガスの向きは、隣り合うパージガス流路プレート５０間では互いに対向する向きとなる。
【００３８】
図２では、改質ガスおよびパージガスが導入される側に配設された端部プレート２０を示したが、水素抽出装置１０におけるもう一方の端部にも、同様の端部プレート２０が配設されている。このもう一方の端部に設けられた端部プレート２０にも、改質ガス導入孔２２およびパージガス導入孔２４と同様の２つの穴部が設けられている。これら２つの穴部のうち、一方の穴部は、水素抽出装置１０内の改質ガス流路を通過しつつ水素が分離された改質ガスを外部に導く。そしてもう一つの穴部は、水素抽出装置１０内のパージガス流路を通過しつつ分離された水素が混合されたパージガスを外部に導く。
【００３９】
なお、パージガスとは、水素分離膜による水素抽出の効率を向上させるために、抽出された水素が流入する側の流路に供給するガスを指す。すなわち、水素抽出装置１０では、パージガス流路にパージガスを流して、水素分離膜を透過して改質ガスから抽出された水素をパージガスによって運び去ることによって、パージガス流路側における水素濃度を常に低く抑え、水素抽出の効率の確保を図っている。パージガスとしては、水素抽出装置１０から取り出した水素を用いる後の工程で不都合を生じない気体であって、充分に水素濃度が低い気体を、目的に応じて適宜選択すればよい。
【００４０】
Ｃ．水素抽出装置１０の製造方法：
図６は、水素抽出装置１０の製造工程の概略を表わす説明図である。水素抽出装置１０を製造する際には、まず、水素抽出装置１０を構成する既述した各板状部材を用意する（工程Ｓ１００）。すなわち、ステンレス板あるいはパラジウム箔においてそれぞれ所定の形状の穴部を形成すると共に、略同一形状の四角形に成形して、端部プレート２０、改質ガス流路プレート３０、パージガス流路プレート５０および水素分離プレート４０として用意する。ここで、各板状部材に対して所定の形状の穴部を形成する動作は、本実施例では、エッチングによって行なった。エッチングとは、金属表面に耐食性を有する所定の形状のマスキングを施した上で、マスキングしていない部分を腐食液によって溶解させることで所望の形状を得る加工方法である。
【００４１】
次にこれらの板状部材を、既述した所定の順序、所定の向きとなるように積層する（工程Ｓ１１０）。その後、積層したこれらの板状部材に対して、加熱および加圧を行なって、隣接する板状部材間を拡散接合によって接合し（工程Ｓ１２０）、水素抽出装置１０を完成する。この水素抽出装置１０を実際に動作させる際には、さらに、水素抽出装置１０に対して改質ガスおよびパージガスを給排するための配管との接続を行なう。
【００４２】
拡散接合とは、接合したい金属部材同士を、融点よりも低い温度で加熱・加圧し、原子の拡散を利用して接合する方法である。接触面では、接合しようとする双方の金属が相互に拡散し合い、両者が一体化する。また、この拡散接合によれば、異種金属間の接合も、容易に行なうことができる。本実施例では、板状部材を積層した後に加熱および加圧を行なって、隣接する板状部材間の接触面を、拡散接合により接合している。
【００４３】
以上のように構成された本実施例の水素抽出装置１０によれば、金属製の薄板状部材を積層することによって構成されているため、装置全体を薄型化、小型化することができる。すなわち、ガス流路を形成するための部材として、強度に優れた金属板を用いることで、流路を形成するための部材をより薄くすることが可能となる。したがって、積層型の水素抽出装置において、これが備える水素分離膜の総面積（水素分離プレートの枚数）を一定としたときに、装置全体をより薄型化することができる。
【００４４】
さらに、このような金属製の薄板状部材を積層する際に、各部材間の接合を、拡散接合によって行なうため、装置全体をより薄型化することが可能となる。拡散接合は、溶接のような接合方法とは異なり、母材の溶融を伴わない接合方法であるため、母材が溶融することを見込んで母材の厚さを設定する必要がない。したがって、接合の母材である薄板状部材を、接合のために厚くする必要が無く、装置全体を充分に薄型化することが可能となる。ここで、拡散接合は、接合のために、母材間に母材以外の部材を介在させることがないため、接合によって装置全体の厚さが増すこともない。
【００４５】
水素抽出装置１０内のガス流路を形成する金属製の薄板状部材、すなわち改質ガス流路プレート３０およびパージガス流路プレート５０を、より薄く形成することによって、水素抽出装置１０内に形成されるガス流路の流路断面積を、より小さくすることができる。このように、流路断面積が小さくなるほど、水素抽出装置１０に供給されるガス流量が一定のときには、流路内でのガスの流速が速くなる。水素抽出装置１０が備える水素分離膜の総面積が一定であれば、水素分離膜に接して設けられたガス流路におけるガスの流速が速いほど、水素分離膜を水素が透過して抽出される速度は速くなる。したがって、ガス流路を形成する薄板上部材をより薄くすることによって、水素抽出装置１０全体での水素抽出の効率を向上させることができる。
【００４６】
なお、ガス流路を形成する薄板状部材をより薄くしてガス流路断面積をより小さくすると、それに伴って、ガス流路内をガスが通過する際の圧損も増大する。したがって、ガス流路を形成する薄板状部材の厚さは、流路断面積が小さくなって流速が速まることによる効果、および装置全体が小型化できる効果と、圧損が大きくなることによる影響とを考慮して、適宜設定すればよい。改質ガス流路プレート３０およびパージガス流路プレート５０の厚さとしては、これらのバランスを考慮して、例えば１００μｍ〜１ｍｍ、好ましくは２００μｍ〜５００μｍの範囲に設定することができる。
【００４７】
水素分離プレート４０は、本実施例ではパラジウム箔、すなわち金属製の自立膜（その金属のみで形成されている膜）によって形成したため、水素分離プレート４０をより薄くすることができ、水素抽出装置１０全体をより小型化することができる。このような水素分離プレート４０の厚さは、積層部材としての強度や、水素透過の効率などを考慮して適宜設定すればよい。例えば、水素分離プレート４０の厚さは、２０〜２５μｍとすることができる。あるいは、パラジウム箔における水素透過性をより充分に確保するために、より薄く、例えば１μｍ程度とすることとしても良いが、水素分離プレート４０を自立膜である金属箔によって形成する場合には、１０μｍ以上の厚さとすることが強度上望ましい。この説明からも理解できるように、本明細書において「薄板状部材」とは、１μｍ〜数１０μｍの厚さの箔状の部材も含んでいる。また、水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜として、パラジウム以外の金属箔を用いることもできる。例えば、バナジウム、ニオブ、タンタル等、より水素の選択透過性に優れた金属によって水素分離プレート４０を構成することができる。水素の選択透過性が充分に高ければ、水素分離プレート４０の厚さを上記した数値以上に厚くして、より充分な強度を確保することとしても良い。また、金属箔によって形成される水素分離プレート４０を、水素の選択透過性を有する複数種の金属によって構成することとしても良い。
【００４８】
また、本実施例では、ガス流路を形成する金属製の薄板状部材（改質ガス流路プレート３０およびパージガス流路プレート５０、さらに端部プレート２０）を、ステンレス鋼によって形成することとしたが、他種の金属によって形成することとしても良い。充分な強度を有し、エッチングなどの方法によって充分な精度で成形可能であって、拡散接合によって水素分離プレート４０と接合可能であればよい。例えば、バナジウムのように、水素分離プレート４０を構成する金属と熱膨張率がより近い金属によって上記薄板状部材を構成すれば、水素抽出装置１０の強度および耐久性をより向上させることができる。
【００４９】
水素抽出装置１０を構成する板状部材をより薄い金属板によって形成すると共に、これらの板状部材を拡散接合によって接合して、水素抽出装置１０全体をより小型化することによって、水素抽出装置１０の熱容量をより小さくすることができる。水素抽出装置１０の熱容量がより小さくなることで、水素抽出装置１０の起動時に、暖機に要するエネルギを削減することができる。
【００５０】
また、本実施例では、施す加工が穴開けのみであるため、複雑な機械加工が不要となり、製造工程を簡素化して、精度良く、所望の形状の加工を行なうことができる。本実施例では、このような穴開け加工をエッチングにより行なっている。エッチングは、形成される切断面の状態が良好な加工方法であり、また加工時に加わる熱によって変形が生じたり、加工に伴って切断面が酸化するおそれがなく、薄い金属板を用いる際に高精度な加工が可能となる優れた方法である。さらに、エッチングは、加工のための高価な金型が不要であり、製造コストを抑えることができる。
【００５１】
さらに、本実施例では、各薄板状部材を接合するのに拡散接合を用いているため、薄板状部材を積層した後に、拡散接合を行ないつつ全体を一体化することができる。したがって、製造工程をより簡素化することができる。なお、水素抽出装置１０において、すべての部材を拡散接合によって接合する必要はない。少なくともその一部において拡散接合によって接合することとすれば、水素抽出装置１０を小型化する効果を得ることができる。
【００５２】
また、本実施例の水素抽出装置１０によれば、改質ガス流路孔３２が形成する流路に対して改質ガスを給排する流路、あるいはパージガス流路孔５４が形成する流路に対してパージガスを給排する流路を、各板状部材に設けた穴部によって形成している。したがって、水素分離膜に接するように設ける流路に対してガスを給排するために、これらの流路とマニホールドとの間を接続するための特別な構造を設ける必要が無く、水素抽出装置１０全体をコンパクト化することができる。
【００５３】
Ｄ．燃料電池装置への適用：
既述したように、本実施例の水素抽出装置１０は、燃料電池システムにおいて用いられる。以下に、本実施例の水素抽出装置１０を備える燃料電池システムの構成について説明する。図７は、上記実施例の水素抽出装置１０を備える燃料電池システムの一例である燃料電池システム８０の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム８０は、改質燃料を貯蔵する燃料タンク８２、水を貯蔵する水タンク８４、改質燃料および水の昇温と混合を行なう蒸発・混合部８６、改質反応を促進する改質触媒を備える改質器８８、水素抽出装置１０、燃料電池９０、ブロワ９２を主な構成要素としている。
【００５４】
燃料タンク８２が貯蔵する改質燃料は、改質器８８で進行する改質反応に供されるものであり、この改質燃料としては、ガソリンなどの液体炭化水素や、メタノールなどのアルコールやアルデヒド類、あるいは天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を選択することができる。蒸発・混合部８６は、燃料タンク８２から供給される改質燃料および水タンク８４から供給される水を気化・昇温させると共に両者を混合するための構造である。
【００５５】
蒸発・混合部８６から排出された改質燃料と水との混合ガスは、改質器８８において改質反応に供されて改質ガス（水素リッチガス）を生成する。ここで、改質器８８には、用いる改質燃料に応じた改質触媒が備えられており、この改質燃料を改質する反応に適した温度となるように、改質器８８の内部温度が制御される。また、改質器８８で進行する改質反応は、水蒸気改質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたものなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、このように改質器８８内で進行させる改質反応に応じたものを選択すればよい。
【００５６】
改質器８８で生成された改質ガスは、既述した水素抽出装置１０の端部プレート２０が備える改質ガス導入孔２２を介して、水素抽出装置１０内の改質ガス流路に供給されて、この改質ガスから水素が分離・抽出される。抽出された水素は、水素抽出装置１０内のパージガス流路から排出されて、燃料電池９０のアノード側に対して燃料ガスとして供給される。また、燃料電池９０のカソード側に対しては、ブロワ９２から圧縮空気が酸化ガスとして供給される。これら燃料ガスおよび酸化ガスを利用して、燃料電池９０では電気化学反応によって起電力が生じる。
【００５７】
なお、図７では、燃料電池システムとしての主要な構成要素を示したが、上記したように改質燃料としては種々のものが選択可能であり、用いる改質燃料に応じて燃料電池システム８０の構成は適宜変更すればよい。例えば、用いる改質燃料が硫黄分を含有する場合には、蒸発・混合部８６に先立って脱硫器を設けて改質燃料の脱硫を行なうこととすればよい。また、改質器８８と水素抽出装置１０との間にさらに、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置を設けることとしても良い。改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置としては、例えば、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素を生じるシフト反応を促進するシフト触媒を備えるシフト部や、改質ガス中の一酸化炭素を優先的に酸化する一酸化炭素選択酸化反応を促進するＣＯ選択酸化触媒を備えるＣＯ選択酸化部などを挙げることができる。
【００５８】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム８０によれば、水素抽出装置１０において、改質器８８で生成した改質ガスから水素を抽出して、これを燃料電池９０に対して燃料ガスとして供給するため、一酸化炭素などの不純物の含有量が極めて低い燃料ガスを燃料電池９０に供給することができ、燃料電池９０における発電性能を安定して維持することができる。また、水素抽出装置１０は、既述したように、改質ガスからの水素の抽出に関わる水素分離膜の面積を充分に確保しつつ、全体をコンパクトに構成することが可能であるため、燃料電池システム８０全体をよりコンパクトにすることが可能となる。
【００５９】
なお、既述した実施例では、水素を抽出する際にパージガスを用いて水素抽出の効率の向上を図ったが、燃料電池システム８０が備える水素抽出装置１０においては、燃料電池９０に供給したときに電気化学反応に不都合を生じないガスをパージガスとして選択すればよい。例えば、所定の蒸発器を用いて水を気化して水蒸気を生成し、これをパージガスとしてパージガス流路に供給することとしてもよい。あるいは、燃料電池システム８０を構成する種々の部材から排出されるガスをパージガスとして用いる構成も可能である。例えば、電気化学反応に供された後に燃料電池９０のアノード側から排出されるアノードオフガスをパージガスとして用いることが可能である。あるいは、水素抽出装置１０において水素の抽出が行なわれた後に水素抽出装置１０から排出される残余の改質ガスについてさらに一酸化炭素濃度の低減を行なったガスを、パージガスとして用いることとしても良い。
【００６０】
Ｅ．第２実施例の水素抽出装置１１０の構成：
図８は、第２実施例の水素抽出装置１１０の構成を表わす説明図である。第２実施例の水素抽出装置１１０は、第１実施例の水素抽出装置１０と同様に、略同一形状の四角形の金属製板状部材を積層することによって構成され、図１に示した水素抽出装置１０と同様の外観を有している。図８は、図２と同様に、水素抽出装置１１０を構成する板状部材のうち、一方の端部側に配設された６枚の板状部材の様子を表わす分解斜視図である。既述したように、第１実施例の水素抽出装置１０では、水素分離プレート４０に平行な層状に形成される改質ガスの流路あるいはパージガスの流路は、各流路が順次直列に接続されている。これに対して、第２実施例の水素抽出装置１１０では、水素分離プレート４０に平行な層状に形成される改質ガスの流路あるいはパージガスの流路は、各流路が互いに並列に接続されている。
【００６１】
水素抽出装置１１０は、端部プレート２０、改質ガス流路プレート３０，１７０、水素分離プレート１４０，１６０、パージガス流路プレート１５０を備えている。各プレートは、第１実施例の水素抽出装置１０と同様の金属材料によって形成されている。また、各プレートは、所定の位置に所定の形状の穴部を備えるが、これらの穴部は、第１実施例と同様にエッチングによって形成されている。
【００６２】
端部プレート２０および改質ガス流路プレート３０は、第１実施例と同様の形状を有している。水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚のパージガス流路プレートとを挟んで、改質ガス流路プレートが配設されている。改質ガス流路プレートとしては、端部プレート２０に隣接して改質ガス流路プレート３０が配設される以外は、改質ガス流路プレート１７０が用いられている。改質ガス流路プレート１７０は、改質ガス流路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２と同様の改質ガス流路孔１７２と、パージガス通過孔３４と同様のパージガス通過孔１７４とを備えている。さらに、上記改質ガス流路孔１７２を間に挟んで、パージガス通過孔１７４と対向する位置に、パージガス通過孔１７５を備えている。
【００６３】
水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に改質ガス流路プレートあるいはパージガス流路プレートを挟んで、水素分離プレートが配設されている。水素分離プレートとしては、端部プレート２０に最も近い位置に水素分離プレート１４０が配設される以外は、水素分離プレート１６０が用いられている。水素分離プレート１４０は、水素分離プレート４０が備えるガス通過孔４４，４６と同様に、ガス通過孔１４４，１４６を備えると共に、さらに他の一辺に沿ってガス通過孔１４２を備えている。水素分離プレート１６０は、４辺のそれぞれに沿って、ガス通過孔１６２，１６４，１６６，１６８を備えている。
【００６４】
水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚の改質ガス流路プレートとを挟んで、パージガス流路プレート１５０が配設されている。パージガス流路プレート１５０は、パージガス流路プレート５０が備えるパージガス流路孔５４と同様のパージガス流路孔１５４と、改質ガス通過孔５６と同様の改質ガス通過孔１５６とを備えている。さらに、上記パージガス流路孔１５４を間に挟んで、改質ガス通過孔１５６と対向する位置に、改質ガス通過孔１５２を備えている。
【００６５】
これらの板状部材を積層した水素抽出装置１１０では、改質ガス導入孔２２を介して水素抽出装置１１０内に導入された改質ガスは、改質ガス流路孔３２，ガス通過孔１４２，改質ガス通過孔１５２，ガス通過孔１６２，改質ガス流路孔１７２が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れる。また、このような積層方向に平行な流路から分岐して、改質ガス流路孔３２および改質ガス流路孔１７２が形成する流路内を、積層方向に垂直な方向に流れつつ、水素抽出の動作に供される。水素抽出されずに残ったガスは、これら積層方向に垂直な流路から合流して、改質ガス流路孔３２，ガス通過孔１４６，改質ガス通過孔１５６，ガス通過孔１６６，改質ガス流路孔１７２が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れ、外部に排出される。
【００６６】
同様に、パージガス導入孔２４を介して水素抽出装置１１０内に導入されたパージガスは、パージガス通過孔３４，ガス通過孔１４４，パージガス流路孔１５４，ガス通過孔１６４，パージガス通過孔１７４が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れる。また、このような積層方向に平行な流路から分岐して、各パージガス流路孔１５４形成する流路内を、積層方向に垂直な方向に流れつつ、抽出された水素と混合される。水素が混合されたパージガスは、これら積層方向に垂直な流路から合流して、パージガス流路孔１５４，ガス通過孔１６８，パージガス通過孔１７５が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れ、外部に排出される。
【００６７】
水素抽出装置１１０を組み立てる際には、上記各板状部材を、その内部で上記したガス流路を形成するように、所定の向きおよび順序で積層し、拡散接合によって隣接する部材同士を接合して全体を一体化する。このような水素抽出装置１１０に対して、改質ガスおよびパージガスを給排するための配管を接続して、水素抽出装置１１０を完成する。
【００６８】
以上のように構成された第２実施例の水素抽出装置１１０によれば、第１実施例の水素抽出装置１０と同様の効果を奏することができる。すなわち、金属製の薄板状部材を積層し、拡散接合によって部材間を接合することにより、装置全体を小型化することができる。また、ガス流路の流路断面積を小さくして、ガスの流速を速めることにより、水素抽出の効率を向上させることができる。また、エッチングによって穴部を形成することにより、さらに、拡散接合によって全体を一体化することにより、製造工程を簡素化することができる。さらに、装置を小型化することで、水素抽出装置１１０の熱容量を小さくする効果を得ることができる。また、水素分離膜に接するように設ける流路に対してガスを給排するための流路を、各板状部材に設けた穴部によって形成しているため、装置全体をよりコンパクト化することができる。本実施例の水素抽出装置１１０は、第１実施例と同様に、燃料電池システム８０のように水素を利用するシステムに適用することができる。
【００６９】
Ｆ．第３実施例の水素抽出装置２１０の構成：
図９は、第３実施例の水素抽出装置２１０の製造工程を表わす説明図である。第３実施例の水素抽出装置２１０は、既述した実施例と同様に、略同一形状の四角形の金属製板状部材を積層することによって製造する。水素抽出装置２１０は、端部プレート２２０、改質ガス流路プレート２３０、水素分離プレート２４０、パージガス流路プレート２５０を備えている。各プレートは、既述した実施例と同様の金属材料によって形成されている。また、改質ガス流路プレート２３０およびパージガス流路プレート２５０は、所定の位置に所定の形状の穴部を備えるが、これらの穴部は、第１実施例と同様にエッチングによって形成されている。
【００７０】
端部プレート２２０は、穴部を有しない薄板状部材である。改質ガス流路プレート２３０は、その中央部に、広く長方形型に形成された穴部である改質ガス流路孔２３２を有している。水素抽出装置２１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚のパージガス流路プレートとを挟んで、改質ガス流路プレート２３０が配設されている。
【００７１】
水素分離プレート２４０は、穴部を有しない薄板状部材である。水素抽出装置２１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に改質ガス流路プレートあるいはパージガス流路プレートを挟んで、水素分離プレート２４０が配設されている。
【００７２】
パージガス流路プレート２５０は、その中央部に、広く長方形型に形成された穴部であるパージガス流路孔２５２を有している。水素抽出装置２１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚の改質ガス流路プレートとを挟んで、パージガス流路プレート２５０が配設されている。
【００７３】
水素抽出装置２１０を組み立てる際には、上記各板状部材を所定の順序で積層し、拡散接合によって隣接する部材同士を接合して全体を一体化する。このとき、改質ガス流路プレート２３０とパージガス流路プレート２５０とは、改質ガス流路孔２３２の長手方向と、パージガス流路孔２５２の長手方向とが直交する向きとなるように、配設する。本実施例では、上記板状部材を積層して拡散接合によって全体を一体化して積層体を形成した後に、この積層体を、図９中、点線で示した位置でさらに切断する。
【００７４】
図１０および図１１は、上記積層体を切断する位置を、改質ガス流路プレート２３０とパージガス流路プレート２５０のそれぞれの平面図において表わした説明図である。また、図１２は、上記した点線に示した位置で切断した後の積層体２８５の様子を表わす説明図である。このように、上記した点線に示した位置で切断した後の積層体２８５は、その４つの側面において、改質ガス流路あるいはパージガス流路が開口している。
【００７５】
本実施例では、図１２に示した積層体２８５を、ケーシング２８０内に収納して、水素抽出装置２１０を完成した。積層体２８５をケーシング２８０内に収納した水素抽出装置２１０の外観を図１３に示す。ケーシング２８０には、改質ガス流路あるいはパージガス流路が開口する積層体２８５の４つの側面に対応して、４つのマニホールドが設けられている。図１３に示す前面には、パージガスを供給するためのマニホールド２９２が設けられている。左側面には、改質ガスを供給するためのマニホールド２９４が設けられている。右側面には、水素分離が行なわれた残余の改質ガスを排出するためのマニホールド２９６が設けられている。また、図１３では死角となる背面には、パージガスと共に抽出された水素が排出されるマニホールドが設けられている。
【００７６】
積層体２８５と、これを収納するケーシング２８０との間は、給排されるガス同士が混合しないように、シーリングされている。すなわち、積層体２８５の上面および下面とケーシングの内壁とが接する面、および、積層体２８５の側面の角部とケーシング内壁とが接する部位において、所定のシール部材を排することで気密性を確保している。これによって、上記各マニホールドを介して所定のガスを給排することによって、装置内部でガスが混合することなく、改質ガスからの水素の分離を行なうことができる。
【００７７】
以上のように構成された第３実施例の水素抽出装置２１０によれば、上記実施例の水素抽出装置１０と同様の効果を奏することができる。すなわち、金属製の薄板状部材を積層し、拡散接合によって部材間を接合することにより、装置全体を小型化することができる。また、ガス流路の流路断面積を小さくして、ガスの流速を速めることにより、水素抽出の効率を向上させることができる。また、エッチングによって穴部を形成することにより、さらに、拡散接合によって全体を一体化することにより、製造工程を簡素化することができる。さらに、装置を小型化することで、水素抽出装置２１０の熱容量を小さくする効果を得ることができる。本実施例の水素抽出装置２１０は、第１実施例と同様に、燃料電池システム８０のように水素を利用するシステムに適用することができる。また、本実施例の水素抽出装置２１０は、板状部材を積層して形成した積層体２８５をケーシング２８０内に収納しているため、改質ガスおよびパージガスの配管に関わる構造を簡素化することができる。
【００７８】
Ｅ．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】
Ｅ１．変形例１：
既述した実施例では、金属製の板状部材は、拡散接合によって互いに接合することとしたが、ろう付けによって接合することとしても良い。ろう付けも、拡散接合と同様に、母材の溶融を伴わない接合法である。したがって、母材である改質ガス流路プレート、パージガス流路プレートおよび水素分離プレートを、接合のためにより厚く形成する必要が無く、母材間にはろうを充分に薄く配設することによって、水素抽出装置全体をより小型化することが可能となる。
【００８０】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、金属製の板状部材が備える穴部は、エッチングによって形成することとしたが、放電加工（例えばワイヤカット）、レーザ加工、プレス加工によって形成することとしても良い。許容できる精度で加工が可能であればよい。
【００８１】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、水素分離プレートは、水素分離機能を有する金属箔からなる自立膜としたが、薄板状の多孔質基材上に水素分離機能を有する金属を成膜して水素分離プレートを形成することとしても良い。金属製の多孔質基材上に水素分離金属を成膜することで、水素分離プレートの強度を向上させることができる。このような場合にも、金属製の薄板状部材を、母材の溶融を伴わない接合方法によって接合することによる、装置の小型化の効果を奏することができる。
【００８２】
ここで、多孔質基材上に水素分離金属を成膜する方法としては、種々の方法が適用可能である。例えば、上記多孔質基材上を、めっきや、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）等により水素分離金属でコーティングすればよい。あるいは、多孔質基材の細孔に上記水素分離金属を担持させることとしてもよい。このような水素分離金属の担持法としては、例えば、水素分離金属を含有した溶液に多孔質基材を浸漬する含浸担持法を挙げることができる。
【００８３】
金属製の多孔質基材上に水素分離金属を成膜した水素分離プレートを用いる場合には、既述した実施例と同様に拡散接合を行なうと、接合時に加えられる加重によって多孔質基材がつぶれて、積層体の側面において充分なシール性を得ることが可能となる。あるいは、多孔質基材の周辺部におけるシール性を確保するために、実質的に水素分離機能を有しない金属を用いて、多孔質基材周辺をコートすることとしても良い。
【００８４】
Ｅ４．変形例４：
また、上記実施例では、改質ガス流路プレートおよびパージガス流路プレートが備える穴部（ガス流路孔）によって、水素分離膜に接するガス流路を形成したが、ガス流路を形成するための構造（ガス流路形成部）を、異なる構成とすることも可能である。上記ガス流路プレートにおいて、穴部に代えて、その表面に所定の凹凸構造を設けて、この凹凸構造と水素分離膜との間にガス流路を形成することとしても良い。このような場合にも、エッチングによって、高い精度で所望の凹凸構造を金属板上に形成することができる。
【００８５】
Ｅ５．変形例５：
図２に示した水素抽出装置１０では、改質ガスおよびパージガスは、水素抽出装置の同じ側の端部から水素抽出装置内に導入したが、それぞれ異なる側の端部から導入する構成も好ましい。水素抽出装置内において、改質ガス流路内では、水素の抽出が行なわれるために下流側ほど水素濃度が薄くなる。また、パージガス流路内では、水素の抽出が行なわれるために下流側ほど水素濃度が濃くなる。水素分離膜によって水素が抽出される効率は、改質ガスとパージガスとの間で水素濃度差が大きいほど高くなる。従って、改質ガスとパージガスとをそれぞれ異なる側の端部から導入することによって、水素抽出装置全体で、改質ガスとパージガスとの間の水素濃度差を確保し、水素抽出効率を高めることができる
【００８６】
Ｅ６．変形例６：
また、上記実施例では、水素分離膜を間に挟んで改質ガス流路と対向して設けたガス流路にパージガスを流すこととしたが、パージガスを用いない構成も可能である。積極的にパージガスを流さない場合にも、水素分離膜を間に挟んで設けられた両側の流路間の水素濃度差に従って、改質ガスから水素を抽出してこれを回収することができる。
【００８７】
Ｅ７．変形例７：
また、改質ガス流路プレートが有する改質ガス流路孔内に多孔質体を配設し、この多孔質体上に改質触媒を担持させて、改質ガス流路内で改質反応を進行させる構成も可能である。すなわち、水素抽出装置と改質器を一体で形成することも可能である。また、既述したシフト触媒、あるいはＣＯ選択酸化触媒のような一酸化炭素濃度の低減に関わる触媒を担持させることとしても良い。このような場合にも、穴部に多孔質体を配設した金属製の薄板状部材を、母材の溶融を伴わない接合方法で接合することにより、装置全体を薄型化する効果を得ることができる。
【００８８】
Ｅ８．変形例８：
既述した説明では、水素抽出装置は、改質ガスから水素を抽出することとしたが、改質ガス以外の水素含有ガスから水素を抽出するために、本発明の水素抽出装置を用いることとしても良い。また、水素分離膜を用いて水素含有ガスから抽出されて、水素抽出装置から排出される水素を、燃料電池以外の水素を消費する装置に対して供給することとしてもよい。あるいは、このような水素を消費する装置に直接供給するのではなく、一旦貯蔵することとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素抽出装置１０の外観を表わす斜視図である。
【図２】水素抽出装置１０を構成する板状部材の様子を表わす分解斜視図である。
【図３】改質ガス流路プレート３０の外観を表わす説明図である。
【図４】水素分離プレート４０の外観を表わす説明図である。
【図５】パージガス流路プレート５０の外観を表わす説明図である。
【図６】水素抽出装置１０の製造工程の概略を表わす説明図である。
【図７】水素抽出装置１０を備える燃料電池システム８０の構成を表わす説明図である。
【図８】第２実施例の水素抽出装置１１０の構成を表わす説明図である。
【図９】第３実施例の水素抽出装置２１０の製造工程を表わす説明図である。
【図１０】積層体を切断する位置を、改質ガス流路プレート２３０の平面図において表わした説明図である。
【図１１】積層体を切断する位置を、パージガス流路プレート２５０の平面図において表わした説明図である。
【図１２】点線に示した位置で切断した後の積層体の様子を表わす説明図である。
【図１３】積層体をケーシング内に収納した水素抽出装置２１０の外観を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０…水素抽出装置
２０，２２０…端部プレート
２２…改質ガス導入孔
２４…パージガス導入孔
３０，１７０，２３０…改質ガス流路プレート
３２，２３２…改質ガス流路孔
３４…パージガス通過孔
４０，１４０，１６０，２４０…水素分離プレート
４１…水素分離部
４４，４６…ガス通過孔
５０，１５０，２５０…パージガス流路プレート
５４，１５４…パージガス流路孔
５６，１５６…改質ガス通過孔
８０…燃料電池システム
８２…燃料タンク
８４…水タンク
８６…混合部
８８…改質器
９０…燃料電池
９２…ブロワ
１４２…ガス通過孔
１４４，１４６…ガス通過孔
１５２…改質ガス通過孔
１６２，１６４，１６６，１６８…ガス通過孔
１７２…改質ガス流路孔
１７４，１７５…パージガス通過孔
２５２…パージガス流路孔
２８０…ケーシング
２８５…積層体
２９２，２９４，２９６…マニホールド
【発明の属する技術分野】
この発明は、水素を含有する水素含有気体から水素を抽出する水素抽出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素を含有するガスから水素を抽出する装置としては、水素を選択的に透過させる性質を有する金属（例えば、パラジウムあるいはパラジウム合金など）を備える水素分離膜を利用する装置が知られている。このような水素抽出装置は、例えば、燃料電池を備える燃料電池システムにおいて用いられる。
【０００３】
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスを供給されて電気化学反応によって起電力を得る装置である。燃料電池システムに水素抽出装置を適用する方法としては、炭化水素系の燃料を改質して得られる改質ガス（水素リッチガス）から、水素抽出装置によって水素を抽出し、得られた水素を燃料ガスとして燃料電池に供給する構成が知られている。このような水素抽出装置では、水素分離膜の一方の面側に上記改質ガスが通過する流路を設ければ、改質ガス中の水素だけが水素分離膜を透過するため、水素分離膜の他方の面側に設けた流路中に水素を抽出することができる。
【０００４】
水素分離膜を備える水素抽出装置としては、上記改質ガスなどの水素含有気体が通過する流路の層を形成する部材と、水素分離膜と、水素分離膜によって抽出された水素が通過する流路の層を形成する部材とを、複数積層したものが提案されている（例えば、特開平６−３４５４０８号公報など）。このように、水素分離膜と、水素分離膜を間に挟んで配設される２つの流路形成部材とを積層することによって、水素分離膜の表面積を装置全体でより広く確保して、水素抽出の効率を向上させることが可能となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来は、上記のように流路形成部材や水素分離膜を積層する際の、各部材の接続方法については充分な検討はなされていなかった。積層された各部材の端部では、部材の積層によって形成される流路同士を接続する構造や、流路の気密性を確保するための構造が必要になる。
【０００６】
また、このような水素抽出装置を、燃料電池と共に車載し、燃料電池を車両の駆動用電源として用いる場合のように、装置を設置可能となるスペースに制限がある用途に用いる場合には、さらなる小型化が望まれる。複数の部材間を接続して気密性を確保する構成としては、部材間にガスケット等のシール部材を配設する方法などが知られているが、より小型化可能な水素抽出装置の具体的な構成が望まれていた。
【０００７】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素抽出装置のさらなる小型化を可能とするような、水素抽出装置を構成する部材間の接続に関わる技術を提供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】
上記目的を達成するために、本発明は、水素を含有する水素含有気体から水素の抽出を行なう水素抽出装置であって、
水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜を備える金属製の薄板状部材である水素分離部材と、
前記水素分離部材の第１の面と第２の面とにそれぞれ隣接して配設された金属製の薄板状部材であって、隣り合う前記水素分離部材と共にガスの流路を形成する流路部材と
を備え、
前記水素分離部材と前記流路部材との間は、拡散接合またはろう付けにより接合されており、
各々の前記水素分離部材の前記第１の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素含有気体が通過する水素含有気体流路であり、
各々の前記水素分離部材の前記第２の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体から抽出された水素が通過する水素流路であり、
前記水素分離部材は、第１の穴部および第２の穴部を有し、
前記第１の穴部は、前記水素分離部材の前記第１の面側に形成される前記水素含有気体流路と連通し、前記第２の穴部は、前記水素分離部材の前記第２の面側に形成される前記水素流路と連通しており、
前記流路部材のうち、前記水素分離部材と共に前記水素含有気体流路を形成する第１の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第２の穴部に対応する位置に設けられた第３の穴部を有すると共に、前記水素分離部材と共に前記水素流路を形成する第２の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第１の穴部に対応する位置に設けられた第４の穴部を有し、
前記水素抽出装置全体として、前記水素分離部材が有する前記第１の穴部と前記第２の流路部材が有する前記第４の穴部とによって、前記水素含有気体流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素含有気体流路を導く流路が形成され、前記水素分離部材が有する前記第２の穴部と前記第１の流路部材が有する前記第３の穴部とによって、前記水素流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素を導く流路が形成されていることを要旨とする。
【０００９】
以上のように構成された本発明の水素抽出装置によれば、流路を形成するための板状部材を強度に優れた金属によって形成するため、流路を形成する部材をより薄くすることが可能となり、このような薄板状部材を積層した装置全体を薄型化、小型化することができる。さらに、このような金属製の薄板状部材を積層する際に、各部材間を、母材の溶融を伴わない接合方法により接合するため、流路を形成する部材の厚さを、溶融することを見込んで設定する必要が無く、装置全体をより薄型化することが可能となる。また、本発明の水素抽出装置によれば、前記水素含有気体流路と、これに対して前記水素含有気体を分配する流路とを接続するための構造、あるいは、前記水素流路と、これを通過した水素が合流する流路とを接続するための構造を、特別に設ける必要がない。そのため、製造工程を簡素化すると共に、水素抽出装置の形状の複雑化を抑えることができる。
【００１１】
本発明の水素抽出装置において、前記水素分離部材は、水素を選択的に透過させる性質を有する金属箔からなることとしても良い。このように、水素分離部材を金属箔によって形成することで、水素分離部材をより薄くすることができ、水素抽出装置全体をより薄型化することが可能となる。
【００１２】
あるいは、本発明の水素抽出装置において、前記水素分離部材は、薄板状の金属製多孔質体上に、水素を選択的に透過させる性質を有する金属を成膜したものであることとしても良い。このような構成とすれば、水素分離部材の強度を向上させることができる。
【００１３】
本発明の水素抽出装置において、
前記流路部材は、前記流路を形成するための穴部であるガス流路穴部を備え、前記流路は、前記流路部材の前記ガス流路穴部の内側面と、該流路部材を挟持する２枚の前記水素分離膜部材が備える前記水素分離膜の一部とを、壁面として備えることとしても良い。
【００１４】
このような構成とすれば、流路部材の厚さとしては、ガス流路断面の径に対応する厚さを確保すれば良く、流路部材をより薄くすることが可能となる。
【００１５】
このような本発明の水素抽出装置において、前記ガス流路孔の内側面は、前記流路部材を、エッチング、放電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少なくとも一つによって形成されたものであることとしても良い。
【００１６】
エッチング、放電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少なくとも一つによって加工を行なうことで、複雑な機械加工が不要となる。したがって、製造が容易となり、製造工程を簡素化することができる。
【００１９】
このような本発明の水素抽出装置において、
前記第１の流路部材が形成する前記水素含有気体流路は、前記第１の流路部材の一端の近傍から対向する他端の近傍まで延びる第１のガス流路穴部によって形成されており、
前記第２の流路部材が形成する前記水素流路は、前記第２の流路部材の一端の近傍から対向する他端の近傍まで延びる第２のガス流路穴部によって形成されており、
前記第１のガス流路穴部の一方の端部は、前記第１の流路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の穴部と連通すると共に、前記第１のガス流路穴部の他方の端部は、前記第１の流路部材の他方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の穴部と連通し、
前記第２のガス流路穴部の一方の端部は、前記第２の流路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第２の穴部と連通すると共に、前記第２のガス流路穴部の他方の端部は、前記第２の流路部材の他方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第２の穴部と連通していることとしても良い。
【００２０】
本発明の水素抽出装置において、
前記水素流路には、前記水素含有気体に比べて水素濃度が充分に低いパージガスが供給されることとしても良い。
【００２１】
パージガスを供給することによって、水素含有気体から抽出された水素を直ちに水素抽出装置から排出することができる。したがって、水素流路側の水素濃度を常に充分に低く保ち、水素抽出の効率を高く維持することができる。
【００２２】
なお、本発明は、他にも種々の形態で実施可能である。例えば、水素抽出装置の製造方法、あるいは、水素抽出装置を備える燃料電池システムとして実施することができる。本発明の燃料電池システムは、水素を含有するガスと酸素を含有するガスの供給を受け、前記ガスを利用した電気化学反応によって起電力を得る燃料電池を備える燃料電池システムであって、以上の水素抽出装置を備え、該水素抽出装置が抽出した水素を、前記電気化学反応に利用することを要旨とする。以上のように構成された本発明の燃料電池システムによれば、本発明の水素抽出装置を備えるため、燃料電池システム全体をよりコンパクトにすることが可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例の水素抽出装置１０の構成：
Ｂ．水素抽出装置１０におけるガスの流れ：
Ｃ．水素抽出装置１０の製造方法：
Ｄ．燃料電池装置への適用：
Ｅ．第２実施例の水素抽出装置１１０の構成：
Ｆ．第３実施例の水素抽出装置２１０の構成：
Ｇ．変形例：
【００２４】
Ａ．第１実施例の水素抽出装置１０の構成：
本発明の好適な一実施例である水素抽出装置１０の外観を表わす斜視図を図１に示す。本実施例の水素抽出装置１０は、燃料電池システムに備えられ、炭化水素系燃料を改質して得られる改質ガスから水素を抽出する。水素抽出装置１０が抽出した水素は、燃料ガスとして、上記燃料電池システムが備える燃料電池に供給される。燃料電池システムの構成については後に説明する。図１に示すように、水素抽出装置１０は、略同一形状の正方形の薄板状部材を複数積層した構造を有している。図２は、水素抽出装置１０を構成する板状部材のうち、水素抽出装置１０の上端部（図１においてＡと表わした部分）に配設された６枚の板状部材の様子を表わす分解斜視図である。
【００２５】
水素抽出装置１０は、その上端および下端に配設される端部プレート２０と、改質ガスの流路を形成する改質ガス流路プレート３０と、水素分離膜によって形成される水素分離プレート４０と、抽出された水素がパージガスと共に流れるパージガス流路を形成するパージガス流路プレート５０とを備える。パージガスについては後に説明する。図２に示すように、端部プレート２０に隣接して、改質ガス流路プレート３０ａ、水素分離プレート４０ａ、パージガス流路プレート５０ａ、水素分離プレート４０ｂ、改質ガス流路プレート３０ｂ、の順に配設されている。なお、改質ガス流路プレート３０ａと改質ガス流路プレート３０ｂとは同じものであり、水素分離プレート４０ａと水素分離プレート４０ｂとも同じものである。図２では、積層の順序を区別するためにａ、ｂの符号を付した。また、各板状部材は、それぞれ所定の位置に所定の形状の穴部を備えているが、各板状部材は、その積層される順序によって、各板状部材が配設される際の向きが定まる。各板状部材を所定の順序で所定の向きに配設することで、水素抽出装置１０内では、改質ガスの流路とパージガスの流路とが所望の形状に形成される。
【００２６】
端部プレート２０は、穴部として、水素抽出装置１０に対して供給される改質ガスを水素抽出装置１０内に導くための改質ガス導入孔２２と、水素抽出装置１０に対して供給されるパージガスを水素抽出装置１０内に導くためのパージガス導入孔２４とを備えている。後述するように、水素抽出装置１０を製造する際には、水素抽出装置１０を構成する各板状部材を所定の順序で積層して、これらに押圧力を加える。端部プレート２０は、このような押圧力が加えられたときに充分な強度を確保するために、また、水素抽出装置１０に対して改質ガスあるいはパージガスを給排する配管と接続するために、他の板状部材に比べて厚く形成されている。本実施例では端部プレート２０は、ステンレス鋼によって形成されている。
【００２７】
図３は、改質ガス流路プレート３０の外観を表わす説明図である。改質ガス流路プレート３０は、穴部として、改質ガスの流路を形成する改質ガス流路孔３２と、パージガスの流路を形成するパージガス通過孔３４とを備えている。改質ガス流路孔３２は、改質ガス流路プレート３０の中央部に、広く長方形型に形成された穴部である。水素抽出装置１０内では、改質ガス流路孔３２は、隣接する水素分離プレート４０との間で、各板状部材の積層方向に垂直な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。パージガス通過孔３４は、改質ガス流路プレート３０の一辺と、改質ガス流路孔３２との間に形成された細長い長方形状の穴部である。このパージガス通過孔３４は、水素抽出装置１０内において、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。本実施例では、改質ガス流路プレート３０は、ステンレス鋼によって形成されている。
【００２８】
図４は、水素分離プレート４０の外観を表わす説明図である。水素分離プレート４０は、穴部として、ガスの流路を形成するガス通過孔４４，４６を備えている。ガス通過孔４４，４６は、水素分離プレート４０の互いに隣接する２辺のそれぞれに沿って形成された細長い長方形状の穴部である。これらのガス通過孔４４，４６は、水素抽出装置１０内において、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスあるいは改質ガスが流れるガス流路を形成する。また、本実施例の水素分離プレート４０は、水素を選択的に透過させる性質を有するパラジウム箔として形成されている。水素分離プレート４０においては、隣接する改質ガス流路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２と、隣接するパージガス流路プレート５０が備える後述するパージガス流路孔とが、重なる領域において、水素分離が行なわれる。このように水素分離が行なわれる領域である水素分離部４１を、図４に２点鎖線で囲んで示す。
【００２９】
図５は、パージガス流路プレート５０の外観を表わす説明図である。パージガス流路プレート５０は、穴部として、パージガスの流路を形成するパージガス流路孔５４と、改質ガスの流路を形成する改質ガス通過孔５６とを備えている。パージガス流路孔５４は、パージガス流路プレート５０の中央部に、広く長方形型に形成された穴部である。水素抽出装置１０内では、パージガス流路孔５４は、隣接する水素分離プレート４０との間で、各板状部材の積層方向に垂直な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。改質ガス通過孔５６は、パージガス流路プレート５０の一辺とパージガス流路孔５４との間に形成された細長い長方形状の穴部である。この改質ガス通過孔５６は、水素抽出装置１０内において、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。本実施例では、パージガス流路プレート５０は、ステンレス鋼によって形成されている。
【００３０】
上記した各板状部材を積層する際に、端部プレート２０に隣接する改質ガス流路プレート３０ａは、パージガス通過孔３４が、端部プレート２０が備えるパージガス導入孔２４に重なるような向きに配設される（図２参照）。このとき、改質ガス流路プレート３０ａの改質ガス流路孔３２の一方の端部は、端部プレート２０が備える改質ガス導入孔２２と重なる（図３参照）。
【００３１】
上記改質ガス流路プレート３０ａに隣接する水素分離プレート４０ａは、ガス通過孔４４が、端部プレート２０のパージガス導入孔２４および、改質ガス流路プレート３０ａのパージガス通過孔３４に重なるような向きに、配設される（図２参照）。このとき、ガス通過孔４６は、上記改質ガス流路プレート３０ａの改質ガス流路孔３２の一方の端部と重なる（図３参照）。なお、ガス通過孔４６と改質ガス導入孔２２とは、改質ガス流路孔３２の対向する辺の位置にそれぞれ存在する。この水素分離プレート４０ａにおいては、ガス通過孔４４は、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。また、ガス通過孔４６は、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。
【００３２】
上記水素分離プレート４０ａに隣接するパージガス流路プレート５０は、改質ガス通過孔５６が、水素分離プレート４０ａが備えるガス通過孔４６に重なるような向きに配設されている。このとき、パージガス流路プレート５０のパージガス流路孔５４の一方の端部は、水素分離プレート４０ａが備えるガス通過孔４４と重なる（図５参照）。
【００３３】
第２の水素分離プレート４０ｂは、ガス通過孔４４が、パージガス流路プレート５０が備える改質ガス通過孔５６に重なるような向きに配設される。このとき、ガス通過孔４６は、上記パージガス流路プレート５０のパージガス流路孔５４の一方の端部と重なる（図５参照）。なお、水素分離プレート４０ｂのガス通過孔４６と水素分離プレート４０ａのガス通過孔４４とは、パージガス流路孔５４の対向する辺の位置にそれぞれ存在する。この第２の水素分離プレート４０ｂにおいては、ガス通過孔４４は、各板状部材の積層方向に平行な方向に改質ガスが流れる改質ガス流路を形成する。また、ガス通過孔４６は、各板状部材の積層方向に平行な方向にパージガスが流れるパージガス流路を形成する。
【００３４】
このように、水素抽出装置１０全体では、積層される各水素分離プレート４０間に、改質ガス流路プレート３０とパージガス流路プレート５０とが交互に配設される。このとき、改質ガス流路プレート３０あるいはパージガス流路プレート５０を間に配して隣り合う水素分離プレート４０同士は、図２に示した端部プレート２０側から順に、図２において時計回りで表わされる向きに、互いに９０度ずつ回転する位置関係となるように積層される。
【００３５】
また、改質ガス流路プレート３０は、２枚の水素分離プレート４０と１枚のパージガス流路プレート５０とを配設しつつ、互いに１８０度ずつ回転する位置関係となるように順次積層される（図２参照）。同様に、パージガス流路プレート５０は、２枚の水素分離プレート４０と１枚の改質ガス流路プレート３０とを配設しつつ、互いに１８０度ずつ回転する位置関係となるように順次積層される。
【００３６】
Ｂ．水素抽出装置１０におけるガスの流れ：
水素抽出装置１０における改質ガスおよびパージガスの流れの様子を、図２において矢印で示した。水素抽出装置１０に供給される改質ガスは、端部プレート２０が備える改質ガス導入孔２２を介して内部に導入される。水素抽出装置１０内では、改質ガスは、改質ガス流路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２が形成する改質ガス流路内を通過しつつ、改質ガス流路プレート３０に隣接する水素分離プレート４０による水素分離に供される。各々の改質ガス流路孔３２が形成する改質ガス流路間では、改質ガス流路プレート３０間に配設されるプレートが備える既述したガス通過孔４４，４６および改質ガス通過孔５６が形成する改質ガス流路によって、改質ガスが導かれる。このとき、改質ガス流路孔３２が形成する改質ガス流路を通過する際の改質ガスの向きは、隣り合う改質ガス流路プレート３０間では互いに対向する向きとなる（図２参照）。
【００３７】
同様に、水素抽出装置１０に供給されるパージガスは、端部プレート２０が備えるパージガス導入孔２４を介して内部に導入される。水素抽出装置１０内では、パージガスは、パージガス流路プレート５０が備えるパージガス流路孔５４が形成するパージガス流路内を通過しつつ、パージガス流路プレート５０に隣接する水素分離プレート４０によって抽出された水素が導入される。各々のパージガス流路孔５４が形成するパージガス流路間では、パージガス流路プレート５０間に配設されるプレートが備える既述したガス通過孔４４，４６およびパージガス通過孔３４が形成するパージガス流路によって、パージガスが導かれる。このとき、パージガス流路孔５４が形成するパージガス流路を通過する際のパージガスの向きは、隣り合うパージガス流路プレート５０間では互いに対向する向きとなる。
【００３８】
図２では、改質ガスおよびパージガスが導入される側に配設された端部プレート２０を示したが、水素抽出装置１０におけるもう一方の端部にも、同様の端部プレート２０が配設されている。このもう一方の端部に設けられた端部プレート２０にも、改質ガス導入孔２２およびパージガス導入孔２４と同様の２つの穴部が設けられている。これら２つの穴部のうち、一方の穴部は、水素抽出装置１０内の改質ガス流路を通過しつつ水素が分離された改質ガスを外部に導く。そしてもう一つの穴部は、水素抽出装置１０内のパージガス流路を通過しつつ分離された水素が混合されたパージガスを外部に導く。
【００３９】
なお、パージガスとは、水素分離膜による水素抽出の効率を向上させるために、抽出された水素が流入する側の流路に供給するガスを指す。すなわち、水素抽出装置１０では、パージガス流路にパージガスを流して、水素分離膜を透過して改質ガスから抽出された水素をパージガスによって運び去ることによって、パージガス流路側における水素濃度を常に低く抑え、水素抽出の効率の確保を図っている。パージガスとしては、水素抽出装置１０から取り出した水素を用いる後の工程で不都合を生じない気体であって、充分に水素濃度が低い気体を、目的に応じて適宜選択すればよい。
【００４０】
Ｃ．水素抽出装置１０の製造方法：
図６は、水素抽出装置１０の製造工程の概略を表わす説明図である。水素抽出装置１０を製造する際には、まず、水素抽出装置１０を構成する既述した各板状部材を用意する（工程Ｓ１００）。すなわち、ステンレス板あるいはパラジウム箔においてそれぞれ所定の形状の穴部を形成すると共に、略同一形状の四角形に成形して、端部プレート２０、改質ガス流路プレート３０、パージガス流路プレート５０および水素分離プレート４０として用意する。ここで、各板状部材に対して所定の形状の穴部を形成する動作は、本実施例では、エッチングによって行なった。エッチングとは、金属表面に耐食性を有する所定の形状のマスキングを施した上で、マスキングしていない部分を腐食液によって溶解させることで所望の形状を得る加工方法である。
【００４１】
次にこれらの板状部材を、既述した所定の順序、所定の向きとなるように積層する（工程Ｓ１１０）。その後、積層したこれらの板状部材に対して、加熱および加圧を行なって、隣接する板状部材間を拡散接合によって接合し（工程Ｓ１２０）、水素抽出装置１０を完成する。この水素抽出装置１０を実際に動作させる際には、さらに、水素抽出装置１０に対して改質ガスおよびパージガスを給排するための配管との接続を行なう。
【００４２】
拡散接合とは、接合したい金属部材同士を、融点よりも低い温度で加熱・加圧し、原子の拡散を利用して接合する方法である。接触面では、接合しようとする双方の金属が相互に拡散し合い、両者が一体化する。また、この拡散接合によれば、異種金属間の接合も、容易に行なうことができる。本実施例では、板状部材を積層した後に加熱および加圧を行なって、隣接する板状部材間の接触面を、拡散接合により接合している。
【００４３】
以上のように構成された本実施例の水素抽出装置１０によれば、金属製の薄板状部材を積層することによって構成されているため、装置全体を薄型化、小型化することができる。すなわち、ガス流路を形成するための部材として、強度に優れた金属板を用いることで、流路を形成するための部材をより薄くすることが可能となる。したがって、積層型の水素抽出装置において、これが備える水素分離膜の総面積（水素分離プレートの枚数）を一定としたときに、装置全体をより薄型化することができる。
【００４４】
さらに、このような金属製の薄板状部材を積層する際に、各部材間の接合を、拡散接合によって行なうため、装置全体をより薄型化することが可能となる。拡散接合は、溶接のような接合方法とは異なり、母材の溶融を伴わない接合方法であるため、母材が溶融することを見込んで母材の厚さを設定する必要がない。したがって、接合の母材である薄板状部材を、接合のために厚くする必要が無く、装置全体を充分に薄型化することが可能となる。ここで、拡散接合は、接合のために、母材間に母材以外の部材を介在させることがないため、接合によって装置全体の厚さが増すこともない。
【００４５】
水素抽出装置１０内のガス流路を形成する金属製の薄板状部材、すなわち改質ガス流路プレート３０およびパージガス流路プレート５０を、より薄く形成することによって、水素抽出装置１０内に形成されるガス流路の流路断面積を、より小さくすることができる。このように、流路断面積が小さくなるほど、水素抽出装置１０に供給されるガス流量が一定のときには、流路内でのガスの流速が速くなる。水素抽出装置１０が備える水素分離膜の総面積が一定であれば、水素分離膜に接して設けられたガス流路におけるガスの流速が速いほど、水素分離膜を水素が透過して抽出される速度は速くなる。したがって、ガス流路を形成する薄板上部材をより薄くすることによって、水素抽出装置１０全体での水素抽出の効率を向上させることができる。
【００４６】
なお、ガス流路を形成する薄板状部材をより薄くしてガス流路断面積をより小さくすると、それに伴って、ガス流路内をガスが通過する際の圧損も増大する。したがって、ガス流路を形成する薄板状部材の厚さは、流路断面積が小さくなって流速が速まることによる効果、および装置全体が小型化できる効果と、圧損が大きくなることによる影響とを考慮して、適宜設定すればよい。改質ガス流路プレート３０およびパージガス流路プレート５０の厚さとしては、これらのバランスを考慮して、例えば１００μｍ〜１ｍｍ、好ましくは２００μｍ〜５００μｍの範囲に設定することができる。
【００４７】
水素分離プレート４０は、本実施例ではパラジウム箔、すなわち金属製の自立膜（その金属のみで形成されている膜）によって形成したため、水素分離プレート４０をより薄くすることができ、水素抽出装置１０全体をより小型化することができる。このような水素分離プレート４０の厚さは、積層部材としての強度や、水素透過の効率などを考慮して適宜設定すればよい。例えば、水素分離プレート４０の厚さは、２０〜２５μｍとすることができる。あるいは、パラジウム箔における水素透過性をより充分に確保するために、より薄く、例えば１μｍ程度とすることとしても良いが、水素分離プレート４０を自立膜である金属箔によって形成する場合には、１０μｍ以上の厚さとすることが強度上望ましい。この説明からも理解できるように、本明細書において「薄板状部材」とは、１μｍ〜数１０μｍの厚さの箔状の部材も含んでいる。また、水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜として、パラジウム以外の金属箔を用いることもできる。例えば、バナジウム、ニオブ、タンタル等、より水素の選択透過性に優れた金属によって水素分離プレート４０を構成することができる。水素の選択透過性が充分に高ければ、水素分離プレート４０の厚さを上記した数値以上に厚くして、より充分な強度を確保することとしても良い。また、金属箔によって形成される水素分離プレート４０を、水素の選択透過性を有する複数種の金属によって構成することとしても良い。
【００４８】
また、本実施例では、ガス流路を形成する金属製の薄板状部材（改質ガス流路プレート３０およびパージガス流路プレート５０、さらに端部プレート２０）を、ステンレス鋼によって形成することとしたが、他種の金属によって形成することとしても良い。充分な強度を有し、エッチングなどの方法によって充分な精度で成形可能であって、拡散接合によって水素分離プレート４０と接合可能であればよい。例えば、バナジウムのように、水素分離プレート４０を構成する金属と熱膨張率がより近い金属によって上記薄板状部材を構成すれば、水素抽出装置１０の強度および耐久性をより向上させることができる。
【００４９】
水素抽出装置１０を構成する板状部材をより薄い金属板によって形成すると共に、これらの板状部材を拡散接合によって接合して、水素抽出装置１０全体をより小型化することによって、水素抽出装置１０の熱容量をより小さくすることができる。水素抽出装置１０の熱容量がより小さくなることで、水素抽出装置１０の起動時に、暖機に要するエネルギを削減することができる。
【００５０】
また、本実施例では、施す加工が穴開けのみであるため、複雑な機械加工が不要となり、製造工程を簡素化して、精度良く、所望の形状の加工を行なうことができる。本実施例では、このような穴開け加工をエッチングにより行なっている。エッチングは、形成される切断面の状態が良好な加工方法であり、また加工時に加わる熱によって変形が生じたり、加工に伴って切断面が酸化するおそれがなく、薄い金属板を用いる際に高精度な加工が可能となる優れた方法である。さらに、エッチングは、加工のための高価な金型が不要であり、製造コストを抑えることができる。
【００５１】
さらに、本実施例では、各薄板状部材を接合するのに拡散接合を用いているため、薄板状部材を積層した後に、拡散接合を行ないつつ全体を一体化することができる。したがって、製造工程をより簡素化することができる。なお、水素抽出装置１０において、すべての部材を拡散接合によって接合する必要はない。少なくともその一部において拡散接合によって接合することとすれば、水素抽出装置１０を小型化する効果を得ることができる。
【００５２】
また、本実施例の水素抽出装置１０によれば、改質ガス流路孔３２が形成する流路に対して改質ガスを給排する流路、あるいはパージガス流路孔５４が形成する流路に対してパージガスを給排する流路を、各板状部材に設けた穴部によって形成している。したがって、水素分離膜に接するように設ける流路に対してガスを給排するために、これらの流路とマニホールドとの間を接続するための特別な構造を設ける必要が無く、水素抽出装置１０全体をコンパクト化することができる。
【００５３】
Ｄ．燃料電池装置への適用：
既述したように、本実施例の水素抽出装置１０は、燃料電池システムにおいて用いられる。以下に、本実施例の水素抽出装置１０を備える燃料電池システムの構成について説明する。図７は、上記実施例の水素抽出装置１０を備える燃料電池システムの一例である燃料電池システム８０の構成の概略を表わす説明図である。燃料電池システム８０は、改質燃料を貯蔵する燃料タンク８２、水を貯蔵する水タンク８４、改質燃料および水の昇温と混合を行なう蒸発・混合部８６、改質反応を促進する改質触媒を備える改質器８８、水素抽出装置１０、燃料電池９０、ブロワ９２を主な構成要素としている。
【００５４】
燃料タンク８２が貯蔵する改質燃料は、改質器８８で進行する改質反応に供されるものであり、この改質燃料としては、ガソリンなどの液体炭化水素や、メタノールなどのアルコールやアルデヒド類、あるいは天然ガスなど、改質反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を選択することができる。蒸発・混合部８６は、燃料タンク８２から供給される改質燃料および水タンク８４から供給される水を気化・昇温させると共に両者を混合するための構造である。
【００５５】
蒸発・混合部８６から排出された改質燃料と水との混合ガスは、改質器８８において改質反応に供されて改質ガス（水素リッチガス）を生成する。ここで、改質器８８には、用いる改質燃料に応じた改質触媒が備えられており、この改質燃料を改質する反応に適した温度となるように、改質器８８の内部温度が制御される。また、改質器８８で進行する改質反応は、水蒸気改質反応や部分酸化反応、あるいは両者を組み合わせたものなど種々の態様を選択することができ、改質触媒は、このように改質器８８内で進行させる改質反応に応じたものを選択すればよい。
【００５６】
改質器８８で生成された改質ガスは、既述した水素抽出装置１０の端部プレート２０が備える改質ガス導入孔２２を介して、水素抽出装置１０内の改質ガス流路に供給されて、この改質ガスから水素が分離・抽出される。抽出された水素は、水素抽出装置１０内のパージガス流路から排出されて、燃料電池９０のアノード側に対して燃料ガスとして供給される。また、燃料電池９０のカソード側に対しては、ブロワ９２から圧縮空気が酸化ガスとして供給される。これら燃料ガスおよび酸化ガスを利用して、燃料電池９０では電気化学反応によって起電力が生じる。
【００５７】
なお、図７では、燃料電池システムとしての主要な構成要素を示したが、上記したように改質燃料としては種々のものが選択可能であり、用いる改質燃料に応じて燃料電池システム８０の構成は適宜変更すればよい。例えば、用いる改質燃料が硫黄分を含有する場合には、蒸発・混合部８６に先立って脱硫器を設けて改質燃料の脱硫を行なうこととすればよい。また、改質器８８と水素抽出装置１０との間にさらに、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置を設けることとしても良い。改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減する装置としては、例えば、一酸化炭素と水蒸気とから二酸化炭素と水素を生じるシフト反応を促進するシフト触媒を備えるシフト部や、改質ガス中の一酸化炭素を優先的に酸化する一酸化炭素選択酸化反応を促進するＣＯ選択酸化触媒を備えるＣＯ選択酸化部などを挙げることができる。
【００５８】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム８０によれば、水素抽出装置１０において、改質器８８で生成した改質ガスから水素を抽出して、これを燃料電池９０に対して燃料ガスとして供給するため、一酸化炭素などの不純物の含有量が極めて低い燃料ガスを燃料電池９０に供給することができ、燃料電池９０における発電性能を安定して維持することができる。また、水素抽出装置１０は、既述したように、改質ガスからの水素の抽出に関わる水素分離膜の面積を充分に確保しつつ、全体をコンパクトに構成することが可能であるため、燃料電池システム８０全体をよりコンパクトにすることが可能となる。
【００５９】
なお、既述した実施例では、水素を抽出する際にパージガスを用いて水素抽出の効率の向上を図ったが、燃料電池システム８０が備える水素抽出装置１０においては、燃料電池９０に供給したときに電気化学反応に不都合を生じないガスをパージガスとして選択すればよい。例えば、所定の蒸発器を用いて水を気化して水蒸気を生成し、これをパージガスとしてパージガス流路に供給することとしてもよい。あるいは、燃料電池システム８０を構成する種々の部材から排出されるガスをパージガスとして用いる構成も可能である。例えば、電気化学反応に供された後に燃料電池９０のアノード側から排出されるアノードオフガスをパージガスとして用いることが可能である。あるいは、水素抽出装置１０において水素の抽出が行なわれた後に水素抽出装置１０から排出される残余の改質ガスについてさらに一酸化炭素濃度の低減を行なったガスを、パージガスとして用いることとしても良い。
【００６０】
Ｅ．第２実施例の水素抽出装置１１０の構成：
図８は、第２実施例の水素抽出装置１１０の構成を表わす説明図である。第２実施例の水素抽出装置１１０は、第１実施例の水素抽出装置１０と同様に、略同一形状の四角形の金属製板状部材を積層することによって構成され、図１に示した水素抽出装置１０と同様の外観を有している。図８は、図２と同様に、水素抽出装置１１０を構成する板状部材のうち、一方の端部側に配設された６枚の板状部材の様子を表わす分解斜視図である。既述したように、第１実施例の水素抽出装置１０では、水素分離プレート４０に平行な層状に形成される改質ガスの流路あるいはパージガスの流路は、各流路が順次直列に接続されている。これに対して、第２実施例の水素抽出装置１１０では、水素分離プレート４０に平行な層状に形成される改質ガスの流路あるいはパージガスの流路は、各流路が互いに並列に接続されている。
【００６１】
水素抽出装置１１０は、端部プレート２０、改質ガス流路プレート３０，１７０、水素分離プレート１４０，１６０、パージガス流路プレート１５０を備えている。各プレートは、第１実施例の水素抽出装置１０と同様の金属材料によって形成されている。また、各プレートは、所定の位置に所定の形状の穴部を備えるが、これらの穴部は、第１実施例と同様にエッチングによって形成されている。
【００６２】
端部プレート２０および改質ガス流路プレート３０は、第１実施例と同様の形状を有している。水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚のパージガス流路プレートとを挟んで、改質ガス流路プレートが配設されている。改質ガス流路プレートとしては、端部プレート２０に隣接して改質ガス流路プレート３０が配設される以外は、改質ガス流路プレート１７０が用いられている。改質ガス流路プレート１７０は、改質ガス流路プレート３０が備える改質ガス流路孔３２と同様の改質ガス流路孔１７２と、パージガス通過孔３４と同様のパージガス通過孔１７４とを備えている。さらに、上記改質ガス流路孔１７２を間に挟んで、パージガス通過孔１７４と対向する位置に、パージガス通過孔１７５を備えている。
【００６３】
水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に改質ガス流路プレートあるいはパージガス流路プレートを挟んで、水素分離プレートが配設されている。水素分離プレートとしては、端部プレート２０に最も近い位置に水素分離プレート１４０が配設される以外は、水素分離プレート１６０が用いられている。水素分離プレート１４０は、水素分離プレート４０が備えるガス通過孔４４，４６と同様に、ガス通過孔１４４，１４６を備えると共に、さらに他の一辺に沿ってガス通過孔１４２を備えている。水素分離プレート１６０は、４辺のそれぞれに沿って、ガス通過孔１６２，１６４，１６６，１６８を備えている。
【００６４】
水素抽出装置１１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚の改質ガス流路プレートとを挟んで、パージガス流路プレート１５０が配設されている。パージガス流路プレート１５０は、パージガス流路プレート５０が備えるパージガス流路孔５４と同様のパージガス流路孔１５４と、改質ガス通過孔５６と同様の改質ガス通過孔１５６とを備えている。さらに、上記パージガス流路孔１５４を間に挟んで、改質ガス通過孔１５６と対向する位置に、改質ガス通過孔１５２を備えている。
【００６５】
これらの板状部材を積層した水素抽出装置１１０では、改質ガス導入孔２２を介して水素抽出装置１１０内に導入された改質ガスは、改質ガス流路孔３２，ガス通過孔１４２，改質ガス通過孔１５２，ガス通過孔１６２，改質ガス流路孔１７２が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れる。また、このような積層方向に平行な流路から分岐して、改質ガス流路孔３２および改質ガス流路孔１７２が形成する流路内を、積層方向に垂直な方向に流れつつ、水素抽出の動作に供される。水素抽出されずに残ったガスは、これら積層方向に垂直な流路から合流して、改質ガス流路孔３２，ガス通過孔１４６，改質ガス通過孔１５６，ガス通過孔１６６，改質ガス流路孔１７２が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れ、外部に排出される。
【００６６】
同様に、パージガス導入孔２４を介して水素抽出装置１１０内に導入されたパージガスは、パージガス通過孔３４，ガス通過孔１４４，パージガス流路孔１５４，ガス通過孔１６４，パージガス通過孔１７４が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れる。また、このような積層方向に平行な流路から分岐して、各パージガス流路孔１５４形成する流路内を、積層方向に垂直な方向に流れつつ、抽出された水素と混合される。水素が混合されたパージガスは、これら積層方向に垂直な流路から合流して、パージガス流路孔１５４，ガス通過孔１６８，パージガス通過孔１７５が形成する流路内を、板状部材の積層方向に平行な方向に流れ、外部に排出される。
【００６７】
水素抽出装置１１０を組み立てる際には、上記各板状部材を、その内部で上記したガス流路を形成するように、所定の向きおよび順序で積層し、拡散接合によって隣接する部材同士を接合して全体を一体化する。このような水素抽出装置１１０に対して、改質ガスおよびパージガスを給排するための配管を接続して、水素抽出装置１１０を完成する。
【００６８】
以上のように構成された第２実施例の水素抽出装置１１０によれば、第１実施例の水素抽出装置１０と同様の効果を奏することができる。すなわち、金属製の薄板状部材を積層し、拡散接合によって部材間を接合することにより、装置全体を小型化することができる。また、ガス流路の流路断面積を小さくして、ガスの流速を速めることにより、水素抽出の効率を向上させることができる。また、エッチングによって穴部を形成することにより、さらに、拡散接合によって全体を一体化することにより、製造工程を簡素化することができる。さらに、装置を小型化することで、水素抽出装置１１０の熱容量を小さくする効果を得ることができる。また、水素分離膜に接するように設ける流路に対してガスを給排するための流路を、各板状部材に設けた穴部によって形成しているため、装置全体をよりコンパクト化することができる。本実施例の水素抽出装置１１０は、第１実施例と同様に、燃料電池システム８０のように水素を利用するシステムに適用することができる。
【００６９】
Ｆ．第３実施例の水素抽出装置２１０の構成：
図９は、第３実施例の水素抽出装置２１０の製造工程を表わす説明図である。第３実施例の水素抽出装置２１０は、既述した実施例と同様に、略同一形状の四角形の金属製板状部材を積層することによって製造する。水素抽出装置２１０は、端部プレート２２０、改質ガス流路プレート２３０、水素分離プレート２４０、パージガス流路プレート２５０を備えている。各プレートは、既述した実施例と同様の金属材料によって形成されている。また、改質ガス流路プレート２３０およびパージガス流路プレート２５０は、所定の位置に所定の形状の穴部を備えるが、これらの穴部は、第１実施例と同様にエッチングによって形成されている。
【００７０】
端部プレート２２０は、穴部を有しない薄板状部材である。改質ガス流路プレート２３０は、その中央部に、広く長方形型に形成された穴部である改質ガス流路孔２３２を有している。水素抽出装置２１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚のパージガス流路プレートとを挟んで、改質ガス流路プレート２３０が配設されている。
【００７１】
水素分離プレート２４０は、穴部を有しない薄板状部材である。水素抽出装置２１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に改質ガス流路プレートあるいはパージガス流路プレートを挟んで、水素分離プレート２４０が配設されている。
【００７２】
パージガス流路プレート２５０は、その中央部に、広く長方形型に形成された穴部であるパージガス流路孔２５２を有している。水素抽出装置２１０では、水素抽出装置１０と同様に、間に２枚の水素分離プレートと１枚の改質ガス流路プレートとを挟んで、パージガス流路プレート２５０が配設されている。
【００７３】
水素抽出装置２１０を組み立てる際には、上記各板状部材を所定の順序で積層し、拡散接合によって隣接する部材同士を接合して全体を一体化する。このとき、改質ガス流路プレート２３０とパージガス流路プレート２５０とは、改質ガス流路孔２３２の長手方向と、パージガス流路孔２５２の長手方向とが直交する向きとなるように、配設する。本実施例では、上記板状部材を積層して拡散接合によって全体を一体化して積層体を形成した後に、この積層体を、図９中、点線で示した位置でさらに切断する。
【００７４】
図１０および図１１は、上記積層体を切断する位置を、改質ガス流路プレート２３０とパージガス流路プレート２５０のそれぞれの平面図において表わした説明図である。また、図１２は、上記した点線に示した位置で切断した後の積層体２８５の様子を表わす説明図である。このように、上記した点線に示した位置で切断した後の積層体２８５は、その４つの側面において、改質ガス流路あるいはパージガス流路が開口している。
【００７５】
本実施例では、図１２に示した積層体２８５を、ケーシング２８０内に収納して、水素抽出装置２１０を完成した。積層体２８５をケーシング２８０内に収納した水素抽出装置２１０の外観を図１３に示す。ケーシング２８０には、改質ガス流路あるいはパージガス流路が開口する積層体２８５の４つの側面に対応して、４つのマニホールドが設けられている。図１３に示す前面には、パージガスを供給するためのマニホールド２９２が設けられている。左側面には、改質ガスを供給するためのマニホールド２９４が設けられている。右側面には、水素分離が行なわれた残余の改質ガスを排出するためのマニホールド２９６が設けられている。また、図１３では死角となる背面には、パージガスと共に抽出された水素が排出されるマニホールドが設けられている。
【００７６】
積層体２８５と、これを収納するケーシング２８０との間は、給排されるガス同士が混合しないように、シーリングされている。すなわち、積層体２８５の上面および下面とケーシングの内壁とが接する面、および、積層体２８５の側面の角部とケーシング内壁とが接する部位において、所定のシール部材を排することで気密性を確保している。これによって、上記各マニホールドを介して所定のガスを給排することによって、装置内部でガスが混合することなく、改質ガスからの水素の分離を行なうことができる。
【００７７】
以上のように構成された第３実施例の水素抽出装置２１０によれば、上記実施例の水素抽出装置１０と同様の効果を奏することができる。すなわち、金属製の薄板状部材を積層し、拡散接合によって部材間を接合することにより、装置全体を小型化することができる。また、ガス流路の流路断面積を小さくして、ガスの流速を速めることにより、水素抽出の効率を向上させることができる。また、エッチングによって穴部を形成することにより、さらに、拡散接合によって全体を一体化することにより、製造工程を簡素化することができる。さらに、装置を小型化することで、水素抽出装置２１０の熱容量を小さくする効果を得ることができる。本実施例の水素抽出装置２１０は、第１実施例と同様に、燃料電池システム８０のように水素を利用するシステムに適用することができる。また、本実施例の水素抽出装置２１０は、板状部材を積層して形成した積層体２８５をケーシング２８０内に収納しているため、改質ガスおよびパージガスの配管に関わる構造を簡素化することができる。
【００７８】
Ｅ．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】
Ｅ１．変形例１：
既述した実施例では、金属製の板状部材は、拡散接合によって互いに接合することとしたが、ろう付けによって接合することとしても良い。ろう付けも、拡散接合と同様に、母材の溶融を伴わない接合法である。したがって、母材である改質ガス流路プレート、パージガス流路プレートおよび水素分離プレートを、接合のためにより厚く形成する必要が無く、母材間にはろうを充分に薄く配設することによって、水素抽出装置全体をより小型化することが可能となる。
【００８０】
Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、金属製の板状部材が備える穴部は、エッチングによって形成することとしたが、放電加工（例えばワイヤカット）、レーザ加工、プレス加工によって形成することとしても良い。許容できる精度で加工が可能であればよい。
【００８１】
Ｅ３．変形例３：
上記実施例では、水素分離プレートは、水素分離機能を有する金属箔からなる自立膜としたが、薄板状の多孔質基材上に水素分離機能を有する金属を成膜して水素分離プレートを形成することとしても良い。金属製の多孔質基材上に水素分離金属を成膜することで、水素分離プレートの強度を向上させることができる。このような場合にも、金属製の薄板状部材を、母材の溶融を伴わない接合方法によって接合することによる、装置の小型化の効果を奏することができる。
【００８２】
ここで、多孔質基材上に水素分離金属を成膜する方法としては、種々の方法が適用可能である。例えば、上記多孔質基材上を、めっきや、化学蒸着法（ＣＶＤ）、物理蒸着法（ＰＶＤ）等により水素分離金属でコーティングすればよい。あるいは、多孔質基材の細孔に上記水素分離金属を担持させることとしてもよい。このような水素分離金属の担持法としては、例えば、水素分離金属を含有した溶液に多孔質基材を浸漬する含浸担持法を挙げることができる。
【００８３】
金属製の多孔質基材上に水素分離金属を成膜した水素分離プレートを用いる場合には、既述した実施例と同様に拡散接合を行なうと、接合時に加えられる加重によって多孔質基材がつぶれて、積層体の側面において充分なシール性を得ることが可能となる。あるいは、多孔質基材の周辺部におけるシール性を確保するために、実質的に水素分離機能を有しない金属を用いて、多孔質基材周辺をコートすることとしても良い。
【００８４】
Ｅ４．変形例４：
また、上記実施例では、改質ガス流路プレートおよびパージガス流路プレートが備える穴部（ガス流路孔）によって、水素分離膜に接するガス流路を形成したが、ガス流路を形成するための構造（ガス流路形成部）を、異なる構成とすることも可能である。上記ガス流路プレートにおいて、穴部に代えて、その表面に所定の凹凸構造を設けて、この凹凸構造と水素分離膜との間にガス流路を形成することとしても良い。このような場合にも、エッチングによって、高い精度で所望の凹凸構造を金属板上に形成することができる。
【００８５】
Ｅ５．変形例５：
図２に示した水素抽出装置１０では、改質ガスおよびパージガスは、水素抽出装置の同じ側の端部から水素抽出装置内に導入したが、それぞれ異なる側の端部から導入する構成も好ましい。水素抽出装置内において、改質ガス流路内では、水素の抽出が行なわれるために下流側ほど水素濃度が薄くなる。また、パージガス流路内では、水素の抽出が行なわれるために下流側ほど水素濃度が濃くなる。水素分離膜によって水素が抽出される効率は、改質ガスとパージガスとの間で水素濃度差が大きいほど高くなる。従って、改質ガスとパージガスとをそれぞれ異なる側の端部から導入することによって、水素抽出装置全体で、改質ガスとパージガスとの間の水素濃度差を確保し、水素抽出効率を高めることができる
【００８６】
Ｅ６．変形例６：
また、上記実施例では、水素分離膜を間に挟んで改質ガス流路と対向して設けたガス流路にパージガスを流すこととしたが、パージガスを用いない構成も可能である。積極的にパージガスを流さない場合にも、水素分離膜を間に挟んで設けられた両側の流路間の水素濃度差に従って、改質ガスから水素を抽出してこれを回収することができる。
【００８７】
Ｅ７．変形例７：
また、改質ガス流路プレートが有する改質ガス流路孔内に多孔質体を配設し、この多孔質体上に改質触媒を担持させて、改質ガス流路内で改質反応を進行させる構成も可能である。すなわち、水素抽出装置と改質器を一体で形成することも可能である。また、既述したシフト触媒、あるいはＣＯ選択酸化触媒のような一酸化炭素濃度の低減に関わる触媒を担持させることとしても良い。このような場合にも、穴部に多孔質体を配設した金属製の薄板状部材を、母材の溶融を伴わない接合方法で接合することにより、装置全体を薄型化する効果を得ることができる。
【００８８】
Ｅ８．変形例８：
既述した説明では、水素抽出装置は、改質ガスから水素を抽出することとしたが、改質ガス以外の水素含有ガスから水素を抽出するために、本発明の水素抽出装置を用いることとしても良い。また、水素分離膜を用いて水素含有ガスから抽出されて、水素抽出装置から排出される水素を、燃料電池以外の水素を消費する装置に対して供給することとしてもよい。あるいは、このような水素を消費する装置に直接供給するのではなく、一旦貯蔵することとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素抽出装置１０の外観を表わす斜視図である。
【図２】水素抽出装置１０を構成する板状部材の様子を表わす分解斜視図である。
【図３】改質ガス流路プレート３０の外観を表わす説明図である。
【図４】水素分離プレート４０の外観を表わす説明図である。
【図５】パージガス流路プレート５０の外観を表わす説明図である。
【図６】水素抽出装置１０の製造工程の概略を表わす説明図である。
【図７】水素抽出装置１０を備える燃料電池システム８０の構成を表わす説明図である。
【図８】第２実施例の水素抽出装置１１０の構成を表わす説明図である。
【図９】第３実施例の水素抽出装置２１０の製造工程を表わす説明図である。
【図１０】積層体を切断する位置を、改質ガス流路プレート２３０の平面図において表わした説明図である。
【図１１】積層体を切断する位置を、パージガス流路プレート２５０の平面図において表わした説明図である。
【図１２】点線に示した位置で切断した後の積層体の様子を表わす説明図である。
【図１３】積層体をケーシング内に収納した水素抽出装置２１０の外観を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０，２１０…水素抽出装置
２０，２２０…端部プレート
２２…改質ガス導入孔
２４…パージガス導入孔
３０，１７０，２３０…改質ガス流路プレート
３２，２３２…改質ガス流路孔
３４…パージガス通過孔
４０，１４０，１６０，２４０…水素分離プレート
４１…水素分離部
４４，４６…ガス通過孔
５０，１５０，２５０…パージガス流路プレート
５４，１５４…パージガス流路孔
５６，１５６…改質ガス通過孔
８０…燃料電池システム
８２…燃料タンク
８４…水タンク
８６…混合部
８８…改質器
９０…燃料電池
９２…ブロワ
１４２…ガス通過孔
１４４，１４６…ガス通過孔
１５２…改質ガス通過孔
１６２，１６４，１６６，１６８…ガス通過孔
１７２…改質ガス流路孔
１７４，１７５…パージガス通過孔
２５２…パージガス流路孔
２８０…ケーシング
２８５…積層体
２９２，２９４，２９６…マニホールド
Claims (9)
- 水素を含有する水素含有気体から水素の抽出を行なう水素抽出装置であって、
水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜を備える金属製の薄板状部材である水素分離部材と、
前記水素分離部材の第１の面と第２の面とにそれぞれ隣接して配設された金属製の薄板状部材であって、隣り合う前記水素分離部材と共にガスの流路を形成する流路部材と
を備え、
前記水素分離部材と前記流路部材との間は、拡散接合により接合されており、
各々の前記水素分離部材の前記第１の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素含有気体が通過する水素含有気体流路であり、
各々の前記水素分離部材の前記第２の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体から抽出された水素が通過する水素流路であり、
前記水素分離部材は、第１の穴部および第２の穴部を有し、
前記第１の穴部は、前記水素分離部材の前記第１の面側に形成される前記水素含有気体流路と連通し、前記第２の穴部は、前記水素分離部材の前記第２の面側に形成される前記水素流路と連通しており、
前記流路部材のうち、前記水素分離部材と共に前記水素含有気体流路を形成する第１の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第２の穴部に対応する位置に設けられた第３の穴部を有すると共に、前記水素分離部材と共に前記水素流路を形成する第２の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第１の穴部に対応する位置に設けられた第４の穴部を有し、
前記水素抽出装置全体として、前記水素分離部材が有する前記第１の穴部と前記第２の流路部材が有する前記第４の穴部とによって、前記水素含有気体流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素含有気体流路を導く流路が形成され、前記水素分離部材が有する前記第２の穴部と前記第１の流路部材が有する前記第３の穴部とによって、前記水素流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素を導く流路が形成されている
水素抽出装置。 - 請求項１記載の水素抽出装置であって、
前記第１の流路部材が形成する前記水素含有気体流路は、前記第１の流路部材の一端の近傍から対向する他端の近傍まで延びる第１のガス流路穴部によって形成されており、
前記第２の流路部材が形成する前記水素流路は、前記第２の流路部材の一端の近傍から対向する他端の近傍まで延びる第２のガス流路穴部によって形成されており、
前記第１のガス流路穴部の一方の端部は、前記第１の流路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の穴部と連通すると共に、前記第１のガス流路穴部の他方の端部は、前記第１の流路部材の他方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第１の穴部と連通し、
前記第２のガス流路穴部の一方の端部は、前記第２の流路部材の一方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第２の穴部と連通すると共に、前記第２のガス流路穴部の他方の端部は、前記第２の流路部材の他方の面に隣接する前記水素分離部材が備える前記第２の穴部と連通している
水素抽出装置。 - 請求項１または２記載の水素抽出装置であって、
前記水素分離部材は、水素を選択的に透過させる性質を有する金属箔からなる
水素抽出装置。 - 請求項１または２記載の水素抽出装置であって、
前記水素分離部材は、薄板状の金属製多孔質体上に、水素を選択的に透過させる性質を有する金属を成膜したものである
水素抽出装置。 - 請求項１ないし４いずれか記載の水素抽出装置であって、
前記流路部材は、前記流路を形成するための穴部であるガス流路穴部を備え、
前記流路は、前記流路部材の前記ガス流路穴部の内側面と、該流路部材を挟持する２枚の前記水素分離膜部材が備える前記水素分離膜の一部とを、壁面として備える
水素抽出装置。 - 請求項５記載の水素抽出装置であって、
前記ガス流路穴部の内側面は、前記流路部材を、エッチング、放電加工、レーザ加工、電解加工のうちの少なくとも一つによって形成されたものである
水素抽出装置。 - 請求項１ないし６いずれか記載の水素抽出装置であって、
前記水素流路には、前記水素含有気体に比べて水素濃度が充分に低いパージガスが供給される
水素抽出装置。 - 水素を含有する水素含有気体から水素の抽出を行なう水素抽出装置であって、
水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜を備える金属製の薄板状部材である水素分離部材と、
前記水素分離部材の第１の面と第２の面とにそれぞれ隣接して配設された金属製の薄板状部材であって、隣り合う前記水素分離部材と共にガスの流路を形成する流路部材と
を備え、
前記水素分離部材は、薄板状の金属製多孔質体上に、水素を選択的に透過させる性質を有する金属を成膜したものであり、
前記水素分離部材と前記流路部材との間は、拡散接合またはろう付けにより接合されており、
各々の前記水素分離部材の前記第１の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素含有気体が通過する水素含有気体流路であり、
各々の前記水素分離部材の前記第２の面側において該水素分離部材と前記流路部材との間に形成された前記流路は、前記水素分離膜を透過して前記水素含有気体から抽出された水素が通過する水素流路であり、
前記水素分離部材は、第１の穴部および第２の穴部を有し、
前記第１の穴部は、前記水素分離部材の前記第１の面側に形成される前記水素含有気体流路と連通し、前記第２の穴部は、前記水素分離部材の前記第２の面側に形成される前記水素流路と連通しており、
前記流路部材のうち、前記水素分離部材と共に前記水素含有気体流路を形成する第１の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第２の穴部に対応する位置に設けられた第３の穴部を有すると共に、前記水素分離部材と共に前記水素流路を形成する第２の流路部材は、隣接する前記水素分離部材が有する前記第１の穴部に対応する位置に設けられた第４の穴部を有し、
前記水素抽出装置全体として、前記水素分離部材が有する前記第１の穴部と前記第２の流路部材が有する前記第４の穴部とによって、前記水素含有気体流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素含有気体流路を導く流路が形成され、前記水素分離部材が有する前記第２の穴部と前記第１の流路部材が有する前記第３の穴部とによって、前記水素流路を経由しながら前記流路部材の積層方向に前記水素を導く流路が形成されている
水素抽出装置。 - 水素を含有するガスと酸素を含有するガスの供給を受け、前記ガスを利用した電気化学反応によって起電力を得る燃料電池を備える燃料電池システムであって、
請求項１ないし８いずれか記載の水素抽出装置を備え、該水素抽出装置が抽出した水素を、前記電気化学反応に利用する燃料電池システム。
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