[go: up one dir, main page]

JP2002033113A - 燃料電池用燃料ガス生成装置および水素分離用複合材 - Google Patents

燃料電池用燃料ガス生成装置および水素分離用複合材

Info

Publication number
JP2002033113A
JP2002033113A JP2000237297A JP2000237297A JP2002033113A JP 2002033113 A JP2002033113 A JP 2002033113A JP 2000237297 A JP2000237297 A JP 2000237297A JP 2000237297 A JP2000237297 A JP 2000237297A JP 2002033113 A JP2002033113 A JP 2002033113A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen
hydrogen separation
porous support
separation
fuel gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000237297A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiromichi Sato
博道 佐藤
Toshihide Nakada
俊秀 中田
Satoshi Aoyama
智 青山
Satoru Iguchi
哲 井口
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2000237297A priority Critical patent/JP2002033113A/ja
Priority to EP00974892A priority patent/EP1258283B1/en
Priority to PCT/JP2000/007915 priority patent/WO2001036077A1/ja
Priority to DE60033571T priority patent/DE60033571T2/de
Priority to US10/130,063 priority patent/US7255721B1/en
Publication of JP2002033113A publication Critical patent/JP2002033113A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/14—Dynamic membranes
    • B01D69/141—Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes
    • B01D69/145—Heterogeneous membranes, e.g. containing dispersed material; Mixed matrix membranes containing embedded catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86—Catalytic processes
    • B01D53/864—Removing carbon monoxide or hydrocarbons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0039—Inorganic membrane manufacture
    • B01D67/0069—Inorganic membrane manufacture by deposition from the liquid phase, e.g. electrochemical deposition
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D67/00—Processes specially adapted for manufacturing semi-permeable membranes for separation processes or apparatus
    • B01D67/0039—Inorganic membrane manufacture
    • B01D67/0072—Inorganic membrane manufacture by deposition from the gaseous phase, e.g. sputtering, CVD, PVD
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D69/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10—Supported membranes; Membrane supports
    • B01D69/108—Inorganic support material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02—Inorganic material
    • B01D71/0215—Silicon carbide; Silicon nitride; Silicon oxycarbide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02—Inorganic material
    • B01D71/022—Metals
    • B01D71/0223—Group 8, 9 or 10 metals
    • B01D71/02231—Palladium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J12/00—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor
    • B01J12/007—Chemical processes in general for reacting gaseous media with gaseous media; Apparatus specially adapted therefor in the presence of catalytically active bodies, e.g. porous plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2415—Tubular reactors
    • B01J19/2425—Tubular reactors in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/2475—Membrane reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/2485—Monolithic reactors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/008—Details of the reactor or of the particulate material; Processes to increase or to retard the rate of reaction
    • B01J8/009—Membranes, e.g. feeding or removing reactants or products to or from the catalyst bed through a membrane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/40—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts characterised by the catalyst
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C01B3/505—Membranes containing palladium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/94—Non-porous diffusion electrodes, e.g. palladium membranes, ion exchange membranes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/06—Surface irregularities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2325/00—Details relating to properties of membranes
    • B01D2325/10—Catalysts being present on the surface of the membrane or in the pores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00796—Details of the reactor or of the particulate material
    • B01J2208/00823—Mixing elements
    • B01J2208/00831—Stationary elements
    • B01J2208/00849—Stationary elements outside the bed, e.g. baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00132—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2219/00137—Peltier cooling elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/19—Details relating to the geometry of the reactor
    • B01J2219/194—Details relating to the geometry of the reactor round
    • B01J2219/1941—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped
    • B01J2219/1944—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped spiral
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/19—Details relating to the geometry of the reactor
    • B01J2219/194—Details relating to the geometry of the reactor round
    • B01J2219/1941—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped
    • B01J2219/1945—Details relating to the geometry of the reactor round circular or disk-shaped toroidal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C01B2203/041—In-situ membrane purification during hydrogen production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0435—Catalytic purification
    • C01B2203/044—Selective oxidation of carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/047—Composition of the impurity the impurity being carbon monoxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0495—Composition of the impurity the impurity being water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/066—Integration with other chemical processes with fuel cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0888—Methods of cooling by evaporation of a fluid
    • C01B2203/0894—Generation of steam
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1011—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1023—Catalysts in the form of a monolith or honeycomb
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1052—Nickel or cobalt catalysts
    • C01B2203/1058—Nickel catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1047—Group VIII metal catalysts
    • C01B2203/1064—Platinum group metal catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1076—Copper or zinc-based catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1041—Composition of the catalyst
    • C01B2203/1082—Composition of support materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1276—Mixing of different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1288—Evaporation of one or more of the different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/146—At least two purification steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/141—Feedstock
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52—Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S55/00—Gas separation
    • Y10S55/05—Methods of making filter

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 改質装置における水素分離性能を向上し、装
置の小型化を図る。 【解決手段】 天然ガスなどの炭化水素化合物を分解し
た後、水素分離用複合材を用いて水素を選択的に透過さ
せ、燃料電池用の燃料ガスを生成する改質装置におい
て、次の構造を有する水素分離用複合材を用いる。セラ
ミックスなどで多孔質支持体を形成し、その細孔を支持
体内部で塞ぐようにして水素分離金属を担持させる。さ
らに、改質触媒をも担持させてもよい。こうすることに
より、水素分離金属がガスと接触する面積を増大するこ
とができ、水素透過性能が向上する。さらに、ピンホー
ルによる原料ガスのリークを防ぐため、水素抽出側に高
圧ガスを供給し、水素分圧を高めることなく、全圧を原
料ガス供給側の圧力よりも高くする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素、アルコ
ール、エーテル、アルデヒドなど水素原子を含有する所
定の原料から燃料電池に供給される水素リッチな燃料ガ
スを生成する燃料ガス生成装置、および該燃料ガス生成
装置において生成されたガスから水素を分離するために
使用される水素分離用の複合材に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素イオンを透過する電解質層を挟んで
水素極と酸素極とを備え、陰極（水素極）と陽極（酸素
極）でそれぞれ次の反応式で表される反応を生じさせる
ことによって、起電力を発生する燃料電池が提案されて
いる。 陰極（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+ ＋ ２ｅ- 陽極（酸素極）：（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- →
Ｈ2Ｏ
【０００３】こうした燃料電池を電源として利用するシ
ステムにおいては、水素極側に水素ガスを供給する必要
がある。水素ガスの供給には、水素吸蔵合金などを利用
して貯蔵された水素ガスを直接利用する方法と、燃料と
して用意されたメタノールおよび天然ガスなどの所定の
原料から改質反応等の化学反応により取り出された水素
を利用する方法とがある。天然ガスなどの燃料は、一般
に次式などの反応によって水素を含む混合ガスに分解さ
れる。 ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ →ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2； ＣnＨm＋２ｎＨ2Ｏ→ｎＣＯ2＋（２ｎ＋ｍ／２）Ｈ2； 混合ガスを燃料電池に直接供給することも可能ではある
が、電極における水素分圧が低下して電極での反応を阻
害する他、電極が一酸化炭素により被毒して安定した反
応が阻害されるという弊害が生じるおそれがあるため、
混合ガスは一酸化炭素濃度を低減するための処理、また
は水素のみを分離する処理を施された上で燃料電池に供
給されるのが通常である。
【０００４】これらの反応において、生成されたガスか
ら水素を分離するためには、水素のみを選択的に透過す
る性質を有する水素分離膜が用いられる。水素分離膜と
しては、パラジウムまたはパラジウム銀合金で形成され
た膜や、これらの金属をセラミックスのような多孔質支
持体にコーティングしたものが知られている。水素分離
膜は、その表側と裏側との水素分圧差によって、水素が
膜内を移動する性質を有しており、かかる性質を利用し
て混合ガスから水素を分離することができる。
【０００５】特に、多孔質支持体を用いた水素分離膜お
よびその製造方法に関する技術としては、例えば特開平
１−２６６８３３記載の技術や、特開昭６３−１７１６
１７記載の技術などがある。前者は、ピンホールの発生
を抑制した水素分離膜の製造方法に関する技術であり、
ステンレス金属粉の焼結体などで構成された通気性多孔
質基板に、水素分離性を有する金属ＬａＮｉ5をスパッ
タ法により薄膜を形成する。この際、スパッタリングの
放出方向を調整することで、多孔質基板の表層にピンホ
ールのない水素分離膜を形成する技術である。
【０００６】後者は、無機多孔質膜にパラジウムを担持
させて水素分離膜を形成することにより、透過性、耐熱
性、高温における分離性などの改良を図った技術であ
る。予めパラジウムで蒸着処理した無機多孔質膜に、減
圧脱気法によりパラジウムを添着させることにより、細
孔内にまでパラジウムを担持させた水素分離膜を形成す
る。より具体的には、多孔質膜の表面にパラジウム薄膜
が形成され一部が細孔内にアンカー状に入り込んだ態様
の薄膜、および細孔内壁に微粒状パラジウムが担持され
た薄膜などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
水素分離膜では、膜厚が厚く、水素透過速度が低いとい
う課題があった。また、水素分離膜にピンホールが生じ
やすく、パージ側に混合ガスがリークすることがあると
いう課題があった。
【０００８】例えば、上述の特開平１−２６６８３３記
載の技術では、多孔質基板の表層に水素分離膜が形成さ
れるため、必然的に水素分離部全体の厚さが増大してい
た。また、ピンホールを十分に防ごうとすれば、必然的
に水素分離膜の膜厚が厚くなっていた。特開昭６３−１
７１６１７記載の水素分離膜は、多孔質膜の細孔内にま
でパラジウムを担持させるものの、表面にパラジウム薄
膜が形成された上で一部が細孔内に入り込むか、又は細
孔内壁に微粒状パラジウムが担持される程度に過ぎず、
その効果は十分とはいえなかった。
【０００９】ところで、近年では、燃料電池を車両など
に搭載することも検討されており、燃料電池システムの
小型化に対する要求が特に厳しくなっている。水素分離
膜における透過速度は、分離膜の表面積に比例し、膜厚
に反比例することが知られており、従来の水素分離膜を
用いた場合には、膜厚が厚いことにより装置が大型化す
ることに加え、膜厚が厚い分を表面積で補償する必要が
生じるため、分離部の小型化を十分に図ることができな
かった。また、ピンホールによるガスのリークを回避す
るために、膜厚は更に厚くなる傾向にあり、分離部の小
型化の支障となっていた。なお、水素分離膜を用いずに
燃料ガス生成装置を構成する際には、混合ガスに含まれ
る一酸化炭素の濃度低減部などが必要となり、更に装置
の大型化を招くことになる。このように燃料電池システ
ムの小型化を図るためには、燃料ガス生成装置に水素分
離膜を用いることが必要であり、近年の厳しい小型化の
要求を満足するためには、水素の分離性能を更に向上
し、ピンホールによる弊害を確実に回避する必要があっ
た。
【００１０】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、燃料電池用の燃料ガス生成装置にお
いて、水素を分離する性能を向上し、燃料ガス生成装置
の小型化を図る技術を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明では
第１に水素を分離する性能に優れる水素分離用複合材を
適用する。第２に燃料ガス生成装置において、水素の分
離性能を向上する構成を適用する。これらの発明によっ
て、水素の分離速度が向上するとともにピンホールなど
の弊害を回避して、燃料ガス生成装置の小型化を図るこ
とができる。なお、本発明のうち、燃料ガス生成装置に
適用する構成は、必ずしも本発明の水素分離用複合材を
前提とするものではないが、本発明の水素分離用複合材
を適用すれば、燃料ガス生成装置をより小型化できる利
点があることはいうまでもない。以下、本発明につい
て、水素分離用複合材およびその製造方法、燃料ガス生
成装置に適用する構成の順に説明し、更に、かかる燃料
ガス生成装置を適用した燃料電池システムを説明する。
なお、これらの発明は、燃料電池に関する産業上の利用
分野において、水素を分離する性能を向上し、装置の小
型化を図るという課題が共通する関係にある。
【００１２】本発明の第１の水素分離用複合材は、多孔
質支持体に少なくとも水素分離金属を担持することで構
成され、気体中の水素を選択的に透過する水素分離用複
合材であって、前記水素分離金属は、前記多孔質支持体
の細孔の径よりも微細化されるとともに、該多孔質支持
体の細孔を該多孔質支持体内部で塞ぐ状態で、担持され
ることを特徴とする。この場合において、前記水素分離
金属は、前記細孔内部に膜状に担持されることが、より
望ましい。
【００１３】水素、一酸化炭素などを含有する混合ガス
を、かかる水素分離用複合材の一方の面から貫通させる
と、混合ガスは水素分離用複合材の細孔を通って他方の
面に抜けようとする。この際、本発明の水素分離用複合
材は、細孔が水素分離金属で塞がれているから、水素の
みを選択的に透過させることができる。一般に、水素分
離金属で構成された分離膜による水素透過速度は、金属
が混合ガスと接触する表面積に比例し、分離膜の膜厚に
比例することが知られている。本発明の水素分離用複合
材は、細孔内に水素分離金属を担持させることにより、
水素分離金属と水素との接触面積を飛躍的に増大させる
ことができる。従って、水素透過速度を向上することが
でき、水素分離金属が担持される層の厚さを低減するこ
ともできる。水素分離金属としてパラジウムまたはパラ
ジウム合金を用いた場合、層の厚さをおよそ１／１０程
度以下に薄くすることが可能である。このことにより、
燃料ガス生成装置の小型化に寄与することができるとと
もに、水素分離金属の量を低減することができ、水素分
離用複合材の製造コストを低減することができる利点も
ある。また、水素分離金属を細孔内で膜状に担持すれ
ば、それぞれの膜の厚さを薄くすることができるととも
に、水素分離金属と混合ガスとの接触面積をより増大さ
せることができるため、水素透過速度を更に向上するこ
とができる。
【００１４】本発明の水素分離用複合材は、細孔を塞ぐ
ようにして水素分離金属を担持するため、いわゆるピン
ホールを生じにくいという利点もある。一般に水素分離
金属の膜厚を薄くすれば、ピンホールが生じやすくなる
弊害が生じるが、本発明は多孔質の細孔内に水素分離金
属を担持するため、かかる弊害を招くことなく薄膜化を
図ることができる。
【００１５】ここで、本発明の水素分離用複合材の意義
を従来技術との比較でより明確に説明する。従来技術と
しては、先に説明した通り、特開平１−２６６８３３記
載の技術や、特開昭６３−１７１６１７記載の技術が挙
げられる。これらの技術と本発明とは、多孔質の支持体
に基づいて水素分離膜を形成する点で共通するが、従来
技術では結果として多孔質支持体の細孔に水素分離金属
の一部が担持されるに留まるのに対し、本発明は多孔質
支持体の内部で細孔を塞ぐ程度にまで水素分離金属が担
持されており、水素分離金属が主として多孔質支持体の
内部に担持されている点で相違する。
【００１６】特開平１−２６６８３３記載の水素分離膜
は、該公報の第２図（ｂ）に示される通り、多孔質支持
体の表層に水素分離金属が形成されている。また、特開
昭６３−１７１６１７記載の水素分離膜は、該公報の実
施例に記載されている通り、表面にパラジウム薄膜が形
成され、一部が細孔内にアンカー状に入り込んだもの、
および細孔内壁にパラジウムが担持されたものである。
いずれの場合も、水素分離金属が多孔質内部で細孔を塞
ぐまでには至っておらず、ピンホールは実質的に表層の
水素分離金属層で防いでいるとともに、水素の分離も実
質的に表層の水素分離金属層で行っているに過ぎない。
仮にこれらの従来技術で開示された水素分離膜では、表
層に形成された水素分離金属層を除去すれば、水素の分
離を十分に行うことができないことが伺われる。従来技
術においては、多孔質支持体は、主として薄膜化の過程
で機械的強度を確保するために用いられているに過ぎな
い。
【００１７】これに対し、本発明の水素分離用複合材
は、水素を分離する層が主として多孔質支持体内部に形
成されている点で従来技術と大きく相違する。つまり、
本発明は、細孔を塞ぐ程度に水素分離金属を担持させ、
主として多孔質支持体内部で水素を分離させるようにす
れば、水素分離金属と混合ガスとの接触面積を大きく増
大することができるという着眼に基づいてなされたもの
であり、この点において、あくまでも水素分離金属単体
で構成された表層部で水素の分離を行う従来技術と根本
的に異なるものである。本発明は、水素の分離性能を向
上するために単に機械的強度を保ちつつ薄膜化を図った
従来技術に対し、混合ガスと水素分離金属との接触面積
を増大するという別のアプローチを提供した点に大きな
技術的意義を有している。本発明の水素分離用複合材
は、かかるアプローチの具体的手段として、多孔質支持
体内部に水素分離金属を担持しており、このことによ
り、機械的強度も保ちつつ、さらにピンホールも防ぐこ
とができるという非常に優れた効果を奏する。
【００１８】なお、ここで「塞ぐ」とは、細孔に十分高
い密度で水素分離金属が担持されていることを意味す
る。水素分離金属は、細孔を完全に気密にする状態で担
持されていることが望ましいが、必ずしもかかる場合の
みに限定されるものではない。この意味で、本発明の水
素分離用複合材は、換言すれば、前記水素分離金属は、
前記多孔質支持体の細孔の径よりも微細化されるととも
に、主として該多孔質支持体内部の細孔に担持されるこ
とを特徴とすると言うこともできる。従来技術では、水
素分離金属の一部が細孔内に担持されるに過ぎないのに
対し、細孔内に主として担持されることによって上記効
果を得ることができるのである。
【００１９】本発明の第１の水素分離用複合材は、例え
ば、次の製造方法により製造することができる。第１の
製造方法は、いわゆる含浸担持法による製造方法であ
り、前記多孔質支持体を形成する工程と、前記細孔に担
持されるべき被担持物質を含有する溶液を生成する工程
と、前記多孔質支持体に前記溶液中に含浸させた上で、
主として該多孔質支持体の孔内に該被担持物質を析出さ
せる工程とを備える製造方法である。
【００２０】被担持物質には、少なくとも水素分離金属
が含まれるが、水素分離金属のみに限定されるものでは
ない。多孔質支持体は種々の材料で形成可能であり、例
えばセラミックスを用いることができる。溶液は水素分
離金属に応じて種々選択することができ、パラジウムを
水素分離金属として用いる場合には、例えば、硝酸パラ
ジウム水溶液を上記溶液として用いることができる。な
お、溶液を多孔質支持体に含浸させる工程では、溶液中
に多孔質支持体を単に浸すものとしてもよいし、一方の
面を溶液に浸しつつ他方の面から脱気するものとしても
よい。
【００２１】第２の製造方法は、前記多孔質支持体を形
成する工程と、前記細孔に担持されるべき被担持物質を
該多孔質支持体の細孔径と同等またはそれ未満にすると
ともに有機溶媒と混合して、該細孔中に浸透可能な粘度
のペーストを生成する工程と、前記多孔質支持体に前記
ペーストを塗布した後、焼成して、主として該多孔質支
持体の孔内に該被担持物質を担持させる工程とを備える
製造方法である。有機溶媒は、焼成する工程で焼失する
から、多孔質支持体に被担持物質を担持させることがで
きる。上記ペーストを塗布する工程においては、細孔中
への浸透を助けるよう、塗布する面に対向する面から脱
気するなどの処理を施すことも好適である。なお、有機
溶媒は、被担持物質の種類などに応じて多種多様の溶媒
を用いることができ、例えば、ポリマーを用いるものと
してもよい。
【００２２】第３の製造方法は、前記多孔質支持体を構
成する微粒子、前記担持されるべき被担持物質の微粒
子、および有機溶媒の混合物を生成する工程と、該混合
物を成形し、焼成することにより前記多孔質支持体の孔
内に前記被担持物質を担持させる工程とを備える製造方
法である。製造方法Ｂと同様、有機溶媒が焼失すること
により、本発明の水素分離用複合材を形成することがで
きる。
【００２３】第３の製造方法においては、前記多孔質支
持体を構成する微粒子に、被担持物質の微粒子を予め担
持させた上で、有機溶媒と混合するものとしてもよい。
予め担持させる方法としては、例えば、被担持物質の溶
液に多孔質支持体を構成する微粒子を浸した後、乾燥さ
せる方法などが挙げられる。前記多孔質支持体を構成す
る微粒子に、被担持物質の微粒子を予め担持させれば、
最終的に得られる水素分離用複合材における被担持物質
の担持態様を以下に示す通り、比較的容易に調整するこ
とが可能となる利点がある。第１に、被担持物質の担持
量を調整することができる。第２に、被担持物質が複数
存在する場合、各被担持物質ごとの担持量を調整するこ
とができる。また、各被担持物質を担持した多孔質支持
体の微粒子を遠心分離などで偏らせることにより、それ
ぞれを層状に担持した複合材を比較的容易に形成するこ
とが可能となる。第３に、被担持物質と多孔質支持体と
がそれぞれ複数種類存在する場合、担持される組み合わ
せを調整することができる。予めなじみやすい組み合わ
せや特別な作用を奏する組み合わせで多孔質支持体に被
担持物質を担持させておけばよい。
【００２４】上述の第１〜第３の製造方法などで、細孔
内に水素分離金属を担持した多孔質支持体を形成した
後、該多孔質支持体を、さらに焼成することにより、該
細孔内に前記水素分離金属の膜を形成する工程を設けて
も良い。こうすることにより、細孔内に微粒子として担
持されていた水素分離金属同士が結合して細孔内を塞ぐ
膜を形成することができる。この際の焼成温度は、水素
分離金属の種類、細孔の径などに応じて適宜設定する必
要がある。もっとも、水素分離金属は非常に微細化され
ているため、必ずしもその融点まで温度を高める必要は
ない。
【００２５】本発明の第２の水素分離用複合材は、上述
した第１の水素分離用複合材に対し、さらに、前記多孔
質支持体内部の細孔に、所定の原料から水素を生成する
改質反応に適用可能な触媒が担持されていることを特徴
とする。この場合には、前記水素分離金属と、前記触媒
とが前記多孔質支持体内部に層状に担持されることが、
より望ましい。
【００２６】第２の水素分離用複合材には、触媒も含ま
れているから、単体で改質反応と水素分離とを行うこと
ができ、燃料ガス生成装置の小型化を図ることができ
る。水素分離金属と触媒とが多孔質支持体の内部で混在
していれば、かかる効果は、一応得られるものの、両者
を層状に備えることにより、改質反応と水素の分離とを
順序立てて行うことができるため、水素分離金属をより
有効に活用できる。また、第２の水素分離用複合材で
は、触媒を混合ガスと広い面積で接触させることがで
き、改質反応を促進させることができる利点もある。
【００２７】前記水素分離金属と、前記触媒とが前記多
孔質支持体内部に層状に担持された第２の水素分離用複
合材においては、前記触媒は、前記多孔質支持体内部に
前記水素分離金属よりも疎な状態で担持されるものとし
てもよい。これは、換言すれば、触媒の分散性を水素分
離金属よりも高めることを意味する。こうすることによ
り、触媒と原料ガスとの接触面積をより増大させること
ができ、改質反応をより促進することができる。
【００２８】かかる態様で担持するためには、例えば、
前記水素分離金属が担持された層と、前記触媒が担持さ
れた層とで、前記多孔質支持体の物理的構造が異なるも
のとすることができる。物理的構造とは、例えば、多孔
質支持体の細孔の径や、単位体積当たりの細孔の占める
割合（以下、気孔率という）などが挙げられる。例え
ば、触媒を担持する側の細孔の径を大きくすれば、触媒
を高分散化することができる。触媒を担持する側の気孔
率を高くするものとしてもよい。
【００２９】前記水素分離金属と、前記触媒とが前記多
孔質支持体内部に層状に担持された第２の水素分離用複
合材においては、前記水素分離金属が担持された層と、
前記触媒が担持された層とを異なる組成の多孔質支持体
で形成することも好適である。
【００３０】一般に被担持物質と多孔質支持体の組成と
の組み合わせによって、被担持物質の特性が向上する場
合があることが知られている。従って、触媒を担持する
側では、その触媒活性の向上効果を奏する多孔質支持体
を用いることにより、改質反応を促進することができ
る。一例として、ロジウム貴金属を触媒として用いる場
合には、セリア粒子を多孔質支持体に適用することで触
媒活性を向上させることができる。一方、水素分離金属
を担持する側では、水素分離金属となじみやすい多孔質
支持体を用いることにより、細孔内に密に水素分離金属
を担持したり、水素分離金属を膜状に担持したりしやす
くなる。パラジウム貴金属を水素分離金属として用いる
場合には、アルミナ粒子を多孔質支持体に用いることに
より、水素分離金属を膜状に付け易くなる。
【００３１】第２の水素分離用複合材は、第１の水素分
離用複合材について先に説明した第１ないし第３の製造
方法において、水素分離金属と触媒とを被担持物質とす
ることによって製造することができる。さらに、両者を
層状に備える場合には、以下に示す第４ないし第６の製
造方法によって製造することができる。
【００３２】水素分離用複合材の第４の製造方法は、
（ａ） 前記水素分離金属を細孔内に担持した第１の多
孔質支持体を形成する工程と、（ｂ） 前記触媒を細孔
内に担持した第２の多孔質支持体を形成する工程と、
（ｃ） 該第１および第２の多孔質支持体を接合し一体
化する工程とを備える製造方法である。即ち、水素分離
金属を担持する層と、触媒を担持する層とを別工程で製
造し、両者を一体に接合する方法である。こうすれば、
水素分離金属と触媒とを容易に層状に担持することがで
きるのみならず、触媒を水素分離金属よりも疎な状態で
担持させたり、両者の担持量を変えたりすることも容易
に実現できる。当然、両者で多孔質支持体の組成を変え
たり、物理的構造を変えたりすることも容易に実現でき
る。従って、かかる製造方法によれば改質反応および水
素分離にそれぞれ適した性質を有する水素分離用複合材
を比較的容易に形成することが可能となる。
【００３３】かかる製造方法において、前記工程（ｃ）
に先立って、前記第１の多孔質支持体を焼成し、該多孔
質支持体の細孔内部に前記水素分離金属の膜を形成する
工程を備えるものとしてもよい。こうすれば、水素分離
金属を多孔質支持体の内部で膜状に担持することがで
き、水素の分離速度をより向上することができる。
【００３４】水素分離用複合材の第５の製造方法は、前
記多孔質支持体を構成する微粒子、前記水素分離金属の
微粒子、前記触媒の微粒子、および有機溶媒の混合物を
生成する工程と、遠心分離により前記混合物中の各微粒
子の分布を偏らせる工程と、該混合物を成形し、焼成す
る工程とを備える製造方法である。かかる製造方法にお
いて、前記多孔質支持体を構成する微粒子には、比重の
異なる少なくとも２種類の微粒子が含まれるものとして
もよい。
【００３５】かかる製造方法によれば、触媒を担持する
層と、水素分離金属を担持する層とを一の工程で同時に
形成することができ、製造工程を簡略化することができ
る。また、多孔質支持体として比重の異なる２種類の微
粒子を含めれば、触媒を担持する層と水素分離金属を担
持する層とで多孔質支持体の組成を変えることも可能で
ある。さらに、有機溶媒の比重を触媒と同程度に調整す
れば、触媒を担持する層に有機溶媒が偏る結果、かかる
層の気孔率を高めたり、細孔の径を大きくしたりするこ
とも可能である。かかる製造方法においては、先に第３
の製造方法で説明したのと同様、多孔質支持体を構成す
る微粒子に、予め水素分離金属の微粒子および触媒の微
粒子をそれぞれ担持させておくことも望ましい。こうす
ることにより、先に第３の製造方法で説明した種々の効
果を得ることができる。
【００３６】水素分離用複合材の第６の製造方法は、前
記多孔質支持体を形成する工程と、該多孔質支持体に前
記水素分離金属または触媒の一方を含有した溶液を含浸
させる工程と、該溶液が含浸した多孔質支持体を、厚み
方向の一面に作用する流体圧と他方の面に作用する流体
圧との間に格差がある条件、および厚み方向に遠心力が
作用する条件の少なくとも一方を満足する環境下におく
ことによって、前記溶液の厚み方向の分布を偏らせた
後、溶液に含有された成分を析出させる工程と、前記水
素分離金属および触媒の他方を含有した溶液を前記多孔
質支持体に含浸させた後、細孔内で析出させる工程とを
備える製造方法である。流体圧に格差がある条件は、例
えば、多孔質支持体の一面側に空気を吹き付けることに
よって実現できる。もちろん、空気圧は、細孔内部の溶
液を移動させることができる程度に高く、かつ、空気が
多孔質支持体の他面側に吹き抜けてしまわない程度に抑
えた範囲で吹き付ける必要がある。なお、吹き付ける流
体は、空気に限らず水素分離金属や触媒に影響を与えな
い不活性ガスを用いたり、種々の液体を用いるものとし
てもよい。流体の圧力差は、一面から吹き付ける方法の
他、他面側を減圧するものとしてもよい。
【００３７】本発明における第１および第２の水素分離
用複合材については、厚さ０．１ｍｍ〜５ｍｍ程度の平
坦な膜状に形成するものとしてもよいが、厚み方向に凹
凸を有する形状に成形することも望ましい。例えば、被
担持物質、多孔質支持体の微粒子、有機溶媒を混合し、
凹凸を有する状態に形成した後、焼成すれば、かかる形
状に成形することができる。また、予め凹凸形状に成形
された多孔質支持体に含浸担持法などによって被担持物
質を担持させるものとしてもよい。このように凹凸形状
をもたせれば、水素分離用複合材が、単位体積当たり
に、原料ガスまたは混合ガスと接触する面積を増大する
ことができるため、燃料ガス生成装置を小型化すること
が可能となる。
【００３８】本発明における第１および第２の水素分離
用複合材については、凹凸形状に成形するか否かに関わ
らず、厚み方向の少なくとも一方の面において、機械的
強度を確保可能な厚みを有する多孔質材料と接合しても
よい。この場合の多孔質材料は水素分離用複合材を形成
する多孔質支持体と同じ組成であっても異なる組成であ
ってもよい。両者の接合は水素分離用複合材への各種ガ
スの供給および抽出を妨げない種々の方法を適用するこ
とができる。
【００３９】次に、本発明の燃料ガス生成装置について
説明する。本発明は、所定の原料から水素リッチな燃料
ガスを生成する燃料ガス生成装置において、本発明の水
素分離用複合材と、該水素分離用複合材に、前記原料か
ら化学反応によって生成された水素を含む混合ガスを供
給する供給部と、該水素分離用複合材で分離された水素
が抽出される抽出部とを備えるものとした。かかる構成
により、水素分離用複合材で、抽出部に効率的に水素を
分離することができ、燃料ガスの生成効率を向上するこ
とができる。
【００４０】本発明の水素分離用複合材のうち、触媒と
水素分離金属とを層状に備える水素分離用複合材を用い
る場合には、前記触媒が担持された層が前記供給面側に
配置されているように配置することが望ましい。こうす
ることにより、供給面から供給された原料ガスを触媒が
担持された層で改質した後、水素分離金属が担持された
層で水素を分離するという生成過程を効率的に実現する
ことができる。
【００４１】本発明の燃料ガス生成装置においては、前
記供給面側に、該供給面に沿って前記混合ガスを供給す
る流路を、その断面積が下流ほど狭くなる構造で備え、
前記抽出面側に、該抽出面に沿って前記燃料ガスを運搬
する流路を、その断面積が下流ほど広くなる構造で備え
るものとすることも望ましい。
【００４２】流路の断面積が一定であるものとすれば、
水素が供給側から抽出側に移動する分だけ、供給側の圧
力は下流に行くにつれて低下し、抽出側の圧力は下流に
行くにつれて上昇する。一方、流体の圧力は流路の断面
積に反比例するから、上述の構造で構成された流路は、
供給側では下流ほど混合ガスの圧力が高くなる作用を奏
し、抽出側では燃料ガスの圧力を低下させる作用を奏す
る。この結果、供給側では圧力の低下を補償し、抽出側
では圧力の上昇を補償することができる。従って、上述
の構造で流路を備えることにより、燃料ガス生成装置は
供給面の圧力と抽出面の圧力との差違の変動を水素分離
用複合材全域に亘って抑制でき、断面形状の設計次第で
ほぼ均一にすることができる。一般に燃料ガス生成装置
では、原料ガスまたは混合ガスの圧力を制御することに
よって、燃料ガスの生成量を制御するため、水素分離用
複合材全域に亘ってほぼ均一の圧力が実現されれば、か
かる制御が容易になるという利点がある。また、圧力差
により水素分離用複合材に加えられる加重分布の偏りを
抑制でき、複合材の変形、破損を回避しやすいという利
点もある。
【００４３】また、本発明の燃料ガス生成装置において
は、水素を運搬する運搬ガスを前記抽出部に流す運搬ガ
ス供給部を備え、前記供給部における混合ガスの流れ方
向と対向する方向に運搬ガスの流すことも望ましい。
【００４４】水素の抽出に伴って、供給部の水素分圧は
下流ほど低くなる。逆に、抽出部の水素分圧は下流ほど
高くなる。両者の流れ方向を対向させれば、水素分圧が
低い部位同士および高い部位同士が、水素分離用複合材
を挟んで対面する。従って、水素分圧が低い供給部の下
流側でも、抽出部よりは高い水素分圧を維持できるた
め、水素分離用複合材の全領域で水素分離を行うことが
できる。結果として、水素分離効率を向上することがで
き、燃料ガス生成装置の小型化を図ることができる。
【００４５】供給部側で水素を生成する化学反応も同時
に行われる場合には、次の作用もある。この場合、化学
反応による混合ガスの生成により、供給面側の水素分圧
は下流側ほど高くなる。従って、供給面に沿って原料ガ
スを流す方向と対向するように抽出面側に運搬ガスを流
せば、供給面側の下流と抽出面側の上流とが水素分離用
複合材を挟んで対向するようになる。この結果、かかる
領域では大きな水素分圧差が生じる。一般に水素分離用
複合材における水素透過速度は対向する面の水素分圧に
比例するため、この領域では非常に効率的に水素の透過
が行われることになる。
【００４６】このように供給側と抽出側にガスを流す場
合、抽出側のガスは種々選択可能であり、一例として、
前記供給部は、原料ガスと水蒸気とを混合して前記混合
ガスを生成する機構とし、前記運搬ガスは水蒸気とする
ことができる。
【００４７】また、前記運搬ガスとして前記化学反応部
に供給されるべき原料ガスを直接用いるものとしてもよ
い。原料ガスは水素原子を含有する所定のガスであり、
燃料ガスに混在しても燃料電池の電極を被毒するおそれ
がないため、運搬ガスとして用いることが可能である。
水蒸気の場合と同様、抽出側から供給側に透過した原料
ガスを改質反応に利用できる利点もある。また、水蒸気
を利用する場合、運搬ガス用の水蒸気を生成するために
少なからぬ熱を要するが、原料ガスを用いる場合には、
かかる熱エネルギが不要であるため、水蒸気を用いる場
合に比較してエネルギ効率が高いという利点もある。
【００４８】本発明の燃料ガス生成装置において、供給
部および抽出部は、供給部の水素分圧が抽出部の水素分
圧よりも高く、かつ、供給面の全圧が抽出面の全圧より
も低くなるよう圧力を調整することが望ましい。
【００４９】供給面の全圧を抽出面の全圧よりも低くす
ることにより、水素分離用複合材にピンホールが存在し
た場合でも、供給面側から抽出面側に原料ガスまたは混
合ガスがリークすることを回避できる。全圧の差異は、
供給面側の水素分圧が抽出面側の水素分圧よりも高くな
る条件下で設けられているため、水素分離用複合材にお
ける水素透過は通常通り実現される。かかる圧力差は、
例えば、水素の抽出面側に水素を含まない高圧ガスを供
給することによって容易に実現することができる。かか
る圧力調整は、本発明の水素分離用複合材のみならず、
従来の水素分離用複合材を用いた燃料ガス生成装置に適
用しても有効である。
【００５０】上述のピンホールには、水素分離用複合材
の製造工程における一種の欠陥として生じるピンホール
と、水素分離用複合材の構造に基づき予め予定されてい
る隙間の双方が含まれる。例えば、本発明における水素
分離用複合材には、先に説明した通り、必ずしも細孔を
水素分離金属で気密に塞いだものには限られず、気体が
通過できる程度の隙間を持って水素分離金属が担持され
る態様も含まれる。かかる隙間も上述のピンホールに含
まれる。上記構成において、抽出面側の全圧を高めてお
けば、このように予め隙間を持った状態で水素分離金属
が担持されている場合でも、ガスのリークを防ぎつつ、
水素を分離することが可能となる。
【００５１】なお、水蒸気を運搬ガスとして生成された
燃料ガスを、低温型の燃料電池に供給する場合には、燃
料ガス中の水蒸気分圧を、所定の値以下に低減する湿度
低減部を介して供給することが望ましい。低温型の燃料
電池としては、固体高分子膜型燃料電池が挙げられる。
【００５２】低温型の燃料電池では、水蒸気を豊富に含
んだ燃料ガスを供給すると、アノード電極内で水が結露
し、発電効率を低下させる可能性がある。上述の通り、
燃料ガス生成装置と燃料電池との間に湿度低減部を設
け、水蒸気分圧を低下させれば、かかる弊害を回避する
ことができる。湿度低減部としては例えば、熱交換機を
利用して、燃料ガス中の水蒸気を凝縮水として回収する
装置を適用することができる。なお、低温型の燃料電池
として固体高分子膜型燃料電池を用いる場合には、電解
質膜の加湿が必要となるため、湿度低減部ではこの加湿
に必要となる湿度を保持できる程度に水蒸気分圧を低減
させることが望ましい。
【００５３】湿度低減部を設けることなく燃料電池シス
テムを構成する場合には、前記燃料電池は、高温型の燃
料電池とすることが望ましい。高温型の燃料電池とは、
運転温度が１５０℃程度以上となる燃料電池を意味し、
リン酸型や溶融炭酸塩型の燃料電池などが知られてい
る。これらの燃料電池を用いる場合には、燃料ガス中の
水蒸気が結露しないため、湿度低減部を設ける必要がな
く、装置構成を簡略化することができる。
【００５４】本発明の水素分離用複合材を用いて、所定
の原料から燃料電池用の燃料ガスを生成する燃料ガス生
成装置は、種々の構成が可能である。例えば、前記原料
から水素を含む混合ガスを生成する化学反応部と、所定
の運搬ガスを流すことにより、該混合ガスから分離され
た水素を運搬する運搬流路とを備え、前記化学反応部お
よび運搬流路の一方の要素は、本発明の水素分離用複合
材によって、他方の要素内に形成された管状流路とする
ことができる。
【００５５】管状流路は、第１の構成として、該化学反
応部および運搬流路の一方は、本発明の水素分離用複合
材で形成された管であるとともに、他方の内部に貫通す
る状態で設けられている構成とすることができる。管の
断面は円形には限られない。
【００５６】これは比較的簡易な構成であり、製造およ
び整備が容易となる利点がある。上記構成には、管の内
部を運搬流路とする構成と、化学反応部とする構成の２
通りがある。前者の構成では、管が貫通する化学反応部
は、略気密な容器で構成し、該容器内に化学反応を促進
する触媒を充填する構成とすることができる。この場
合、触媒は粒状にして充填するものとすれば、原料ガス
の拡散を図り、反応を促進できる利点がある。また、前
者の構成において、前記化学反応部は、触媒を担持する
とともに、前記運搬流路となる管を挿入する孔を設けた
多孔質材料のモノリスで構成するものとしてもよい。粒
状の触媒が充填されている場合には、触媒との接触によ
り管の表面に水素分離用複合材で形成された分離膜が摩
耗するおそれがあるが、触媒を担持した多孔質材料を用
いればかかる弊害を回避することができる利点がある。
なお、これらの構成において、強度を向上するために、
運搬ガスの流路自体を多孔質モノリスで構成し、その表
面に水素分離膜が形成された柱状の部材を管として用い
ても良い。かかる部材も運搬ガスの流路を構成する点で
管と同様の作用を奏するため、広義には本発明の管に相
当する。
【００５７】後者の構成、即ち、管の内部を化学反応部
とする構成は、前記管内に触媒を担持することにより構
成することができる。触媒は粒状にして管内に充填する
ことができる。また、触媒を担持した多孔質材料の周囲
に水素分離膜を形成することにより管を構成してもよ
い。粒状の触媒を充填する構成では、触媒の入れ替えに
よる化学反応部の整備が容易になる利点がある。また、
管の外表面に形成された水素分離膜と充填された触媒と
は接触しないから、水素分離膜を保護することができる
利点がある。触媒を担持した多孔質材料を用いる構成で
は、触媒の分布を均一に維持することができる利点、燃
料ガス生成装置の製造が容易になる利点、管の強度を確
保できる利点がある。
【００５８】本発明の燃料ガス生成装置において、前記
管は直管としてもよいが、管が貫通する他方の要素の内
部で湾曲部を有する形状をなすものとしてもよい。湾曲
部とは、ガスの流れ方向が変化する部分をいう。必ずし
も管自体が湾曲している必要はない。湾曲部を有するこ
とにより、他方の要素の内部に効率的に配管することが
でき、水素の透過量を向上することができる。また、湾
曲部は熱ひずみに対する自由度を有しているため、運転
時の熱による影響を回避できる利点もある。このように
湾曲部を有する管を用いる場合には、水素分離用複合材
は、金属の多孔質材料を前記多孔質支持体とする複合材
とすることが望ましい。金属は延性があるため、振動な
どの要因で水素分離用複合材が破壊することを抑制でき
る。
【００５９】管に湾曲部を設ける場合には、湾曲部を取
り外し可能な機構を備えることにより、整備性を向上で
きる。この構成は、特に管内を化学反応部として用いる
場合に有効であり、湾曲部を取り外し可能とすること
で、管内に充填または担持された触媒の取り替えが容易
になる利点がある。特に、湾曲部の上流側と下流側の２
カ所で取り外し可能とすれば、整備性がより向上する。
【００６０】本発明の燃料ガス生成装置において、前記
管は一端が開口した外管に、両端が開口した内管を挿入
した二重管とすることもできる。ガスは、内管から流入
し、外管の閉口した端部で折り返して、外管の開口部か
ら排出される。この逆の流れをとることもできる。かか
る構成によれば、外管、内管のそれぞれに熱ひずみに対
する自由度を持たせることができ、熱による影響をより
抑制しやすい利点がある。
【００６１】前記二重管を用いる場合には、前記内管に
改質反応用の触媒を備え、外管に一酸化炭素低減反応用
の触媒を備えて前記化学反応部を構成してもよい。こう
すれば、２種類の化学反応部を一体的に構成でき、装置
の小型化を図ることができる。一酸化炭素低減反応とし
ては、シフト反応や一酸化炭素を選択的に酸化させる反
応が挙げられる。触媒は粒状にして充填してもよいし、
多孔質材料に担持させてもよい。
【００６２】上記構成においては、特に、外管ではシフ
ト反応を行うものとすることが好ましい。一般に改質反
応の反応温度は非常に高温であり、シフト反応の反応温
度はそれに比して若干低い。燃料電池の運転温度はシフ
ト反応の反応温度により近い。外管でシフト反応を行う
ものとすれば、改質反応、シフト反応の反応温度を維持
しつつ、分離される水素の温度を燃料電池の運転温度に
近づけることができる。
【００６３】本発明の燃料ガス生成装置においては、前
記管が貫通する他方の内部には、その内部流れについ
て、該管内の流れ方向と同方向の速度成分を抑制する抑
制機構を備えるものとすることが望ましい。例えば、管
に直交する流れを実現する機構や、管内の流れに対向す
る流れを実現する機構を備えることが望ましい。抑制機
構は、仕切板、ベーンなどを適用できる。かかる構成を
とることにより、水素分離膜の水素分圧差を拡大するこ
とができ、水素の分離効率を向上することができる。
【００６４】本発明の燃料ガス生成装置においては、前
記管が貫通する他方の要素の内部のガスを撹拌する撹拌
機構を備えることが望ましい。ガスを撹拌すれば、水素
の分離効率を向上することができる。管の内部に運搬ガ
スを流す場合を例にとって説明する。他方の要素となる
化学反応部では、改質反応等が行われ、水素を含有した
混合ガスが生成される。撹拌機構がない場合、混合ガス
から管内に水素が抽出されるため、化学反応部内の水素
分布が、管の近傍で低くなるため、水素の分離効率が低
下する。これに対し、撹拌機構で化学反応部の混合ガス
を撹拌すれば、管内に水素が抽出された後でも管近傍の
水素分布が極端に低下することを回避でき、水素の分離
効率の低下を抑制できる。管内を化学反応部として使用
する場合も同様である。この場合は、水素が抽出される
ことにより管近傍で抽出側の水素分圧が高くなることを
回避でき、水素分離効率を向上することができる。
【００６５】第１の構成において、両端が開口した管を
用いる場合には、管の両端に、前記混合ガスと運搬ガス
とを隔離する隔離機構を備えるとともに、 少なくとも
一端には、該管の熱応力を抑制する抑制機構を備えるこ
とが望ましい。 運転時の熱により管に生じる熱応力を
抑制することにより、管の破損等を回避することができ
る。水素分離用複合材で形成された管の一部が抑制機構
として作用する構成であってもよいし、管に別途取り付
けられた部材が抑制機構として作用する構成であっても
よい。
【００６６】例えば、一端が前記隔離機構を貫通する自
由端となるよう管を支持すれば、その自由端が抑制機構
として作用する。自由端が隔離機構を貫通しているた
め、熱ひずみの有無で自由端の位置が変動しても、混合
ガスと運搬ガスとのリークを回避することができる。隔
離機構は、例えば、管の周囲をガスケットでシールする
ことができる。混合ガスおよび運搬ガスよりも高圧の不
活性ガスを両者間に供給する高圧ガス層としてもよい。
後者の態様では、不活性ガスの圧力を利用して、より確
実に混合ガスと運搬ガスのリークを回避することができ
る。不活性ガスとしては水蒸気を利用することができ
る。
【００６７】抑制機構は、他の構成として、管および該
抑制機構を含む全長が略一定となるよう、熱ひずみを吸
収する伸縮機構としてもよい。こうすれば、管の両端を
隔離機構に固定しても、熱応力を抑制することができ
る。かかる構成には、例えば、管の一端にベローズを連
接する構成が適用できる。スライド管を適用してもよ
い。つまり、管を外管、内管の組み合わせで構成し、外
管は一方の隔離機構に一端が固定され他端が自由端とな
っており、内管は、他方の隔離機構に一端が固定され他
端が自由端となっており、内管の自由端は外管の自由端
に挿入された構成としてもよい。外管、内管の自由端が
スライドすることによって、熱応力を抑制することがで
きる。内管と外管の隙間にはシールを施すことが望まし
い。
【００６８】管状流路は、水素分離用複合材で形成され
た管を用いる他、第２の構成として、貫通孔が形成され
た多孔質材料のモノリスを有し、該貫通孔の周囲の多孔
質内には前記水素分離金属が担持された水素分離層が形
成され、該多孔質内の前記水素分離層を除く部分には前
記化学反応に適用される触媒が担持された触媒担持部が
形成され、該触媒担持部が前記化学反応部、前記水素分
離層および貫通孔が前記運搬流路となる構成を採っても
良い。多孔質材料のモノリスとは、水素生成ユニットと
して活用できる程度の大きさの多孔質材料の固まり、即
ちブロック体を利用することができる。多孔質材料のモ
ノリスの表面に分離膜を形成することは、含浸担持、物
理蒸着、化学蒸着など種々の手法によって比較的容易に
実現できる。単一の部材表面の加工によってユニットを
形成することができるため、制作が比較的容易である利
点がある。また、モノリスを利用し、その表面に水素分
離膜を形成することにより、ユニットの強度を確保でき
る利点もある。水素分離膜は、従来から用いられてきた
パラジウム等の薄膜としてもよいが、本発明における水
素分離用複合材を用いることがより望ましい。
【００６９】本発明の燃料ガス生成装置においては、前
記化学反応部に前記原料を気化させた原料ガスを供給す
る原料供給機構と、前記運搬流路に前記運搬ガスを供給
する運搬ガス供給機構とを備え、前記原料供給機構およ
び運搬ガス供給機構の少なくとも一方には、該化学反応
部または前記運搬流路への流量分布の偏りを抑制する流
量平均化機構を備えることが望ましい。原料および運搬
ガスを原料ガス、運搬ガスを均一的に供給することによ
り、水素生成および水素分離の効率を向上することがで
きる。流量分布の偏りは、原料ガス、運搬ガスを供給す
る配管の断面積よりも、化学反応部、運搬流路の入口断
面積が広い場合に生じやすい。配管出口正面近傍では、
流量分布が高くなり、出口から離れるにつれて流量分布
が低くなることが多い。
【００７０】流量平均化機構としては、例えば、化学反
応部、運搬流路へのガスの供給口を分散させる機構が適
用できる。一例として、配管出口付近に、複数のオリフ
ィスを設けたバッフル板を配設した構成とすることがで
きる。出口正面付近で小径、正面から離れるほど大径と
なるよう、オリフィスの径を設定することにより、更に
均一化を図ることができる。
【００７１】また、供給されるガスの動圧を分散させる
機構を適用してもよい。例えば、配管出口正面に流れを
偏向させる偏向板を設ける構成とすることができる。偏
向板の作用により、出口正面にガスの動圧が集中してか
かることを回避できる。動圧の分散という観点から、偏
向板は流れを９０度偏向させる方向に設けることが効果
的である。また、偏向板は、１枚のみならず、多段階で
設置してもよい。化学反応部、運搬流路の入口に略平行
にガスを供給するよう、配管出口を設けてもよい。
【００７２】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について、実
施例に基づき以下の順序で説明する。 Ａ．燃料電池システムの構成： Ｂ．水素分離用複合材の構造および製造方法： Ｃ．燃料ガス生成装置の流路構成： Ｄ．水素分離用複合材の変形例： Ｆ．燃料電池システムの変形例： Ｇ．第２実施例： Ｈ．水素生成分離機構の構成例：
【００７３】Ａ．燃料電池システムの構成：図１は実施
例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図で
ある。燃料電池システムは、水素と酸素とを用いた電気
化学反応により起電力を得る燃料電池４、燃料電池４に
供給する燃料ガスを原料ガスから生成する燃料ガス生成
装置１０を主な要素として構成されている。
【００７４】燃料電池４は、固体高分子膜型の燃料電池
であり、電解質膜、カソード、アノード、およびセパレ
ータとから構成されるセルを複数積層して構成されてい
る。電解質膜は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料で
形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソ
ードおよびアノードは、共に炭素繊維を織成したカーボ
ンクロスにより形成されている。セパレータは、カーボ
ンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどガス
不透過の導電性部材により形成されている。カソードお
よびアノードとの間に燃料ガスおよび酸化ガスの流路を
形成する。酸化ガスは圧縮した空気が用いられ、燃料ガ
スは以下に示す装置構成により、燃料タンク１に貯蔵さ
れた原料から生成される。
【００７５】本実施例では、原料として天然ガスを用い
た。原料ガスは水および空気とともに燃料ガス生成装置
１０に供給される。燃料ガス生成装置１０は、まず、次
の反応により天然ガスを分解して一酸化炭素、二酸化炭
素および水素を含有する混合ガスを生成する。 ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ →ＣＯ＋３Ｈ2； ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋３Ｈ2；
【００７６】こうして生成された混合ガスを、燃料ガス
生成装置１０の内部に備えられた水素分離用複合材を通
過させることによって、燃料ガスとなる水素が分離され
る。この際、本実施例では、水素のみを安定して抽出
し、運搬する役割を果たすパージガスとして、蒸発部２
で水を蒸発させて得られた水蒸気を用いる。なお、蒸発
部２で水蒸気を得るための熱源は、混合ガスの残りに含
まれる水素及び一酸化炭素を燃焼することで得られる。
【００７７】燃料ガス生成装置１０からはかかる過程を
経て、パージガスとしての水蒸気と燃料ガスとしての水
素を含有したガスが排出される。このガスを直接燃料電
池４に供給するものとしても構わないが、本実施例で
は、熱交換機３により、ガスの温度を下げて、水蒸気を
凝縮水として取り出し、湿度を低減させた後、燃料電池
４に供給している。固体高分子膜型の燃料電池４は、運
転時の温度が比較的低いため、水蒸気を豊富に含んだガ
スを供給すると、燃料電池４のアノード部で水蒸気が結
露し、安定した運転を妨げるおそれがあるからである。
湿度を低減させることにより、かかる結露を抑制するこ
とができ、燃料電池４を安定して運転することが可能と
なる。なお、図示を省略したが、これらの各構成要素の
運転は、ＣＰＵを備える制御装置によって制御されてい
る。
【００７８】図２は燃料ガス生成装置１０の内部構成を
示す説明図である。原料ガスからの反応の様子に基づい
て示した。燃料ガス生成装置には、化学反応部１１と水
素分離用複合材１２とが備えられている。化学反応部１
１には、原料ガスに応じて、改質反応を促進する触媒が
担持されている。天然ガスを原料ガスとする場合には、
ロジウム貴金属を触媒として用いることができ、メタノ
ールを原料として用いる場合には、ＣｕＯ−ＺｎＯ系触
媒、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒などが有効であることが知られ
ている。
【００７９】原料ガスであるメタンと水蒸気とが化学反
応部１１に供給されると、先に説明した改質反応が生
じ、水素と二酸化炭素、一酸化炭素を含有する混合ガス
が生成される。こうして生成された混合ガスが水素分離
用複合材１２に供給されると、混合ガス中の水素のみが
選択的に透過される。この際、水素が抽出される側に
は、パージガスとして水蒸気が供給される。こうして、
燃料ガスとしての水素はパージガスとともに燃料ガス生
成装置１０から排出される。
【００８０】Ｂ．水素分離用複合材の構造および製造方
法：次に、燃料ガス生成装置１０に備えられる水素分離
用複合材１２について詳細に説明する。図３は実施例と
しての水素分離用複合材１２の断面図である。図２中の
Ａ−Ａ断面に相当する。本実施例の水素分離用複合材１
２は水素分離金属が担持された厚さ０．１ｍｍ〜５ｍｍ
の多孔質支持体である。図示する通り、水素分離用複合
材１２の内部では多孔質支持体を構成するセラミック微
粒子１３が数百Å程度の間隔を空けて存在しており、細
孔を形成している。この細孔内部に水素分離金属である
パラジウム微粒子１４が担持されている。図示の都合
上、パラジウム微粒子１４は散在するように示されてい
るが、実際には、多孔質支持体の細孔を内部で塞ぐ程度
に密に担持されている。但し、必ずしも全ての細孔を塞
いでいるとは限らない。一方から供給された混合ガス
が、セラミック微粒子１３の隙間を通過する際に、パラ
ジウム微粒子１４で塞がれたいずれかの細孔を必然的に
通過する程度に、パラジウム微粒子１４が担持されてい
ればよい。なお、以下に説明する種々の態様に共通する
事項であるが、担持する金属は、水素を選択的に透過す
る性質を有する種々の物質を適用でき、パラジウムと銀
の合金や、ランタンとニッケルの合金などを用いること
ができる。また、セラミック微粒子としては、アルミ
ナ、窒化珪素、シリカ等を用いることができる。
【００８１】本実施例の水素分離用複合材１２は、次に
示す３通りの製造方法によって製造することができる。
図４は水素分離用複合材１２の製造方法Ａにおける製造
工程を示す工程図である。製造方法Ａは、いわゆる含浸
担持法と呼ばれる製造方法である。図示する通り、この
製造工程では、まず、水素分離用複合材に用いられる多
孔質支持体を形成する（ステップＳ１０）。本実施例で
は、セラミック微粒子を有機溶媒と混合し、成形したも
のを焼成して形成した。次に、形成された多孔質支持体
に含浸させるための硝酸パラジウム溶液を生成する（ス
テップＳ１２）。本実施例では、パラジウムを水素分離
金属として用いるため硝酸パラジウム水溶液を用いてい
るが、溶液の種類は、担持する水素分離金属の種類に応
じて適宜選択すればよい。また、その濃度は、パラジウ
ムが細孔に十分担持される程度に含有されている必要が
あり、含浸させる多孔質支持体の体積、気孔率、細孔の
径などに応じて調整する。
【００８２】こうして生成された水溶液を多孔質支持体
に含浸させ（ステップＳ１４）、その後、多孔質支持体
を乾燥させると、溶液中に溶けていたパラジウムが析出
し、細孔内に担持される（ステップＳ１６）。なお、細
孔内に十分に水溶液を含浸させるため、併せて脱気処理
を施すものとしてもよい。
【００８３】図５は水素分離用複合材１２の製造方法Ｂ
における製造工程を示す工程図である。まず、製造方法
Ａと同様の方法で多孔質支持体を形成する（ステップＳ
２０）。次に、パラジウムと有機溶媒を混合してペース
トを生成する（ステップＳ２２）。パラジウムは多孔質
支持体の細孔に担持される程度に予め微細化しておく。
有機溶媒には特に制限はなく、種々の樹脂を用いること
ができるが、パラジウムと混合した状態で、多孔質支持
体の細孔内部に十分浸透できる程度の粘性となる材質を
選択することが望ましい。こうして生成された有機溶媒
を多孔質支持体の表面に塗布する（ステップＳ２４）
と、表面に有機溶媒の層が形成されるとともに、細孔内
部にも有機溶媒が充填される。この場合も、有機溶媒を
より確実に充填するために、有機溶媒を塗布した面から
ガスを吹き付けたり、塗布したのと逆の面から脱気した
りすることが好ましい。こうして細孔内部にまで有機溶
媒が十分に充填された後、多孔質支持体を焼成すると
（ステップＳ２６）、有機溶媒が焼失するため、細孔内
にパラジウムが担持された多孔質支持体が形成される。
【００８４】図６は水素分離用複合材１２の製造方法Ｃ
における製造工程を示す工程図である。製造方法Ａおよ
び製造方法Ｂでは、多孔質支持体を最初に形成した後、
水素分離金属を担持する場合を例示した。製造方法Ｃ
は、両者を一度に製造する方法である。この製造方法で
は、まず、セラミックス微粒子、パラジウム微粒子、有
機溶媒の混合物を生成する（ステップＳ３０）。有機溶
媒には特に制限はなく、後の成形が容易になる程度の粘
度のものを選択すればよい。例えば、ポリマーを用いる
ことも可能である。
【００８５】次に、この混合物を成形し（ステップＳ３
２）、焼成する（ステップＳ３４）。有機溶媒は焼失
し、セラミックスの細孔にパラジウム微粒子が担持され
た多孔質支持体を形成することができる。製造方法Ｃ
は、多孔質支持体の形成とパラジウムの担持とを同一の
製造工程で完了することができるため、多孔質支持体の
製造コストを低減することができる利点がある。なお、
製造方法Ｃでは、ステップ３０における混合物の生成に
先立って、セラミックス微粒子にパラジウム微粒子を担
持させる工程を設けるものとしてもよい。例えば、パラ
ジウム溶液にセラミックス微粒子を浸し、乾燥させるこ
とで担持させることができる。
【００８６】本実施例の水素分離用複合材１２では、細
孔内にパラジウムを担持させることによって、混合ガス
のうち水素のみを透過する透過速度を向上することがで
きる。一般に、水素透過速度は、パラジウムが混合ガス
と接触する表面積に比例し、その膜圧に反比例すること
が知られており、本実施例では、細孔内にパラジウムを
担持することによって混合ガスとパラジウムとの接触面
積を大きく増大することができるため、水素透過速度を
飛躍的に向上することができるのである。また、本実施
例の水素分離用複合材１２は、細孔内部にパラジウムを
担持するためピンホールを生じにくい利点がある、水素
分離用複合材１２の薄膜化を図ることができる。かかる
作用により、本実施例の水素分離用複合材１２を用いて
燃料ガス生成装置を構成すれば、装置の小型化を図るこ
とが可能となる。
【００８７】Ｃ．燃料ガス生成装置の流路構成：図７は
燃料ガス生成装置１０の流路構成を示す説明図である。
図２では、ガスの反応を中心に模式的に燃料ガス生成装
置１０の構成を示したが、実際には、化学反応部１１
は、水素分離用複合材２２に接触するように設けられて
いる。図示する通り、一方の入り口から原料ガスが流入
し、化学反応部１１内で改質反応が生じて水素が発生す
ると、その水素は水素分離用複合材１２を通ってパージ
側に抽出されるようになっている。
【００８８】ここで、本実施例の燃料ガス生成装置１０
では、原料ガスが流れる方向と対向する方向にパージガ
スが流れるように流路が構成されている。かかる理由に
ついて説明する。図８は化学反応部側とパージ側の水素
分圧を示す説明図である。横軸には図７に示す方向、即
ち、原料ガスが流れる方向にｘ軸を取り、原料ガスの入
り口部を原点Ｏ、出口部を点Ｌとして示した。図８は、
ｘ軸の各位置における水素分圧を示したものである。図
８（ａ）は化学反応部側とパージ側とでガスの流れを対
向させた場合の水素分圧である。図８（ｂ）には比較例
として、両者のガスを同一方向に流した場合の水素分圧
を示した。
【００８９】化学反応部側では、下流に向かうにつれ
て、改質反応が進むため、水素の割合が増え、水素分圧
が高くなる。一般に原料ガスの入り口付近では急激に改
質反応が進み、その後は混合ガス中の水素が抽出されて
化学平衡が崩れることに呼応するようにして徐々に反応
が進む傾向を示すことが知られている。これに対し、パ
ージ側は、下流に向かうにつれて、抽出された水素の量
が増えるため、水素分圧が徐々に上昇する。
【００９０】従って、図８（ａ）に示す通り、化学反応
部側とパージ側とでガスの流れを対向させた場合には、
化学反応部側の出口側、即ちｘ軸の点Ｌ付近で、化学反
応部側とパージ側の水素分圧が非常に大きくなる。これ
に対し、図８（ｂ）に示す通り、両者の流れを同一方向
にした場合には、点Ｌに向かうにつれて、化学反応部、
パージ側ともに水素分圧が増大するから、両者の水素分
圧差は比較的小さいままである。一般に水素分離用複合
材１２を水素が透過する速度は、水素分圧差が大きいほ
ど速くなることが知られている。従って、本実施例の燃
料ガス生成装置１０のように、化学反応部側とパージ側
とのガスの流れを対向させれば、水素の透過速度を向上
することができる。これは、水素を効率的に分離でき、
水素ガスを効率的に生成することができることを意味し
ているため、本実施例の流路構成を適用すれば、燃料ガ
ス生成装置１０の小型化を図ることができる。
【００９１】また、本実施例の燃料ガス生成装置１０で
は、化学反応部１１の流路が、上流から下流に向かうに
連れて断面積が狭くなるように構成されている。図７で
は、断面積が直線的に変化する状態を例示したが、かな
らずしも直線的である必要はない。一方、パージ側の流
路は、上流から下流に向かうに連れて断面積が広くなる
ように構成されている。一般にガスの圧力は流路の断面
積に反比例する。従って、本実施例の燃料ガス生成装置
では、化学反応部の圧力は下流に行くほど高くなり、パ
ージ側の圧力は下流に行くほど低くなるように流路が構
成されていることになる。一方、化学反応部では、下流
に行くほど水素が抽出されるから、その分、圧力が低下
する。パージ側では下流に行くほど抽出した水素が増え
るから、その分、圧力が上昇する。本実施例では、これ
らが相殺して、化学反応部側、パージ側ともに全域に亘
って全圧がほぼ一定に保たれるように流路が構成されて
いる。燃料ガス生成装置１０での燃料ガスの生成量は、
原料ガスやパージガスの圧力に基づいて制御されること
が多いため、このように燃料ガス生成装置１０の全域で
全圧をほぼ一定に保つことによって、制御が比較的容易
になる利点がある。
【００９２】本実施例の燃料ガス生成装置１０では、上
述の通り、パージガスを用いて水素を抽出している。水
素分離用複合材１２を用いて水素を分離する場合、パー
ジガスは必ずしも必要ではないが、本実施例では、パー
ジガスを次に示す条件で用いることにより、効率的かつ
安定した水素の抽出を実現している。図９は改質側とパ
ージ側の圧力に関する条件を示す説明図である。図示す
る通り、本実施例では、改質側の全圧がパージ側の全圧
よりも低い条件、および改質側の水素分圧がパージ側の
水素分圧よりも高い条件を同時に満たすようにパージガ
スを供給している。かかる条件は、改質側の全圧を越え
る程度に、図９中にハッチングで示した水素分圧を補う
だけの量の水蒸気をパージガスとして供給することによ
り満足することができる。
【００９３】水素分離用複合材１２は、水素分圧が高い
側から低い側に水素を選択的に透過する作用を奏するも
のであるから、パージ側の水素分圧が改質側よりも低い
という条件は、水素を分離するために必須の条件であ
る。一方、パージ側の全圧が改質側の全圧よりも高いと
いう条件は、混合ガスがパージ側にリークすることを防
ぐ作用を奏する。例えば、水素分離用複合材１２にピン
ホールが存在する場合であっても、かかる圧力条件にし
ておけば、混合ガスがパージ側にリークすることを回避
できる。従って、燃料ガス中に一酸化炭素が混入して燃
料電池４の電極が被毒することを回避でき、燃料電池４
を安定して運転できるようになる。
【００９４】パージガスをかかる圧力条件で供給しない
場合には、一酸化炭素が燃料ガス中に混入した場合に備
え、一酸化炭素低減部を設けたり、またはピンホールが
確実に防げる程度に水素分離用複合材１２を厚くする必
要がある。これに対し、本実施例では、上述の圧力条件
でパージガスを供給することにより、ピンホールが存在
してもガスのリークを防止することができるため、一酸
化炭素低減部を設けるなどの対策が不要となり、燃料ガ
ス生成装置１０を小型化することが可能となる。なお、
本実施例の場合、化学反応部側よりも高圧で供給された
パージガスの一部は、その圧力差に起因して図７に示す
通り、化学反応部側に透過されるため、原料ガスの改質
に供することもできる。
【００９５】以上で説明した本実施例の水素分離用複合
材１２およびそれを利用した燃料ガス生成装置１０によ
れば、装置の小型化を図りつつ、効率的に燃料ガスを生
成することができる。なお、実施例では、多孔質支持体
にパラジウムを担持した水素分離用複合材を用いた場合
を例示したが、図７〜図９で示した流路構成、ガスの流
通方向、圧力条件については、水素分離用複合材１２の
種類に関わらず個別に適用可能であるため、いわゆるパ
ラジウムのみで形成される従来の水素分離膜を用いるこ
とも可能である。
【００９６】Ｄ．水素分離用複合材の変形例：図１０は
第１の変形例としての水素分離用複合材１２Ａの断面図
である。多孔質支持体にパラジウムが担持されて構成さ
れている点では実施例の水素分離用複合材１２と同じで
あるが、担持される態様が実施例と相違する。実施例で
は、図３に示した通り、パラジウムは細孔内に微粒子の
状態で担持されていた。これに対し、変形例の水素分離
用複合材１２Ａは、パラジウム１４Ａがセラミック微粒
子１３の細孔内で膜状に担持される。
【００９７】図１１は水素分離用複合材１２Ａの製造方
法を示す工程図である。変形例の水素分離用複合材１２
Ａは、パラジウムを担持した多孔質支持体を形成した後
（ステップＳ４０）、その多孔質支持体を焼成すること
によって形成される（ステップＳ４２）。ステップＳ４
０で形成される多孔質支持体は、実施例で示した製造方
法Ａ〜製造方法Ｃのいずれかにより製造すればよい（図
４〜図６参照）。こうして製造された多孔質支持体を焼
成すると、担持されたパラジウム微粒子が部分的に溶融
し、細孔内に膜を形成する。当初、パラジウムは非常に
微細な粒子で担持されているため、焼成の際、必ずしも
その融点まで温度を上昇させなくても膜が形成されるこ
とが確認されている。
【００９８】変形例の水素分離用複合材１２Ａによれ
ば、多孔質支持体を焼成する工程が新たに必要となるも
のの、細孔内に膜状にパラジウムを担持することによ
り、ピンホールを更に抑制することができるとともに、
水素の透過速度を向上することができる。
【００９９】図１２は第２の変形例としての水素分離用
複合材１２Ｂの断面図である。実施例では、平板上に成
形された水素分離用複合材を例示した。これに対し、水
素分離用複合材１２Ｂは厚み方向に凹凸を有する形状に
成形されている点で相違する。かかる水素分離用複合材
１２Ｂは、実施例で示した製造方法Ａおよび製造方法Ｂ
（図４および図５参照）において、予め凹凸を有する状
態に成形された多孔質支持体を用いることで形成するこ
とができる。また、実施例で示した製造方法Ｃにおいて
（図６参照）、セラミック微粒子、パラジウム微粒子、
有機溶媒の混合物を凹凸を有する形状に成形した後、焼
成することによっても形成可能である。
【０１００】第２の変形例では、凹凸形状とすることに
より、幅Ｗ当たりに水素分離用複合材１２Ｂが混合ガス
と接触する面積を増大することができる。水素分離用複
合材が水素を透過する速度は、混合ガスとの接触面積に
比例することが知られているから、第２の変形例によれ
ば、単位幅当たりの透過効率を向上することができる。
従って、この水素分離用複合材１２Ｂを用れば、燃料ガ
ス生成装置１０を小型化することが可能となる。なお、
凹凸は図１２に示す波状に限られるものではない。
【０１０１】図１３は第３の変形例としての水素分離用
複合材の断面図である。第３の変形例では、実施例の水
素分離用複合材１２の一方の面に多孔質支持体１７が接
合される。多孔質支持体１７は、水素分離用複合材１２
を構成する多孔質支持体と同じ組成のセラミックスを用
いており、水素分離用複合材１２と同じセラミック微粒
子１３が細孔を形成している。多孔質支持体１７は水素
分離用複合材１２とは異なる素材を用いることも可能で
あるが、同じ素材を用いるものとしておけば、製造工程
を減らすことができる利点がある。
【０１０２】先に説明した通り、実施例の水素分離用複
合材１２は気孔率が高いため、機械的強度が不十分であ
る場合がある。第３の変形例では、多孔質支持体１７を
接合することにより、機械的強度を向上することができ
る。多孔質支持体１７は、水素分離用複合材に要求され
る機械的強度を確保可能な厚さを備える必要がある。
【０１０３】水素分離用複合材１２と多孔質支持体１７
との接合は、両者間でガスがやりとり可能な態様で行う
必要がある。例えば、セラミック微粒子と有機溶媒とを
混合したペーストを両者間に塗布し、焼成すればよい。
また、焼成前の多孔質支持体１７を水素分離用複合材１
２の上に成形してから、全体を焼成するものとしてもよ
い。ここでは、実施例の水素分離用複合材１２に多孔質
支持体１７を接合する場合を例示したが、第１および第
２の変形例の水素分離用複合材を用いるものとしても構
わない。また、多孔質支持体は、水素分離用複合材の両
面に接合するものとしてもよい。
【０１０４】Ｅ．ガス流路の変形例：図１４は第１の変
形例としてのパージガスの流路を示す説明図である。図
７と異なり、パージガスが水素分離用複合材１２の上面
を流れる状態で示した。第１の変形例では、パージガス
は水素分離用複合材１２に沿って、葛折状に流れる。図
中にハッチングで示した領域ａなど、部分的にパージガ
スの流れと混合ガスの流れとは対向する。パージガスと
混合ガスとは、水素分離用複合材１２の全域に亘って対
向するように流す必要はなく、このように部分的に対向
するように流しても構わない。
【０１０５】図１５は第２の変形例としてのパージガス
の流路を示す説明図である。第２の変形例では、水素分
離用複合材１２Ｄを筒状に形成し、その内部を混合ガス
が通過する。パージガスは、水素分離用複合材１２Ｄの
周囲を取り巻くようにして通過する。図中の領域ｂ１，
ｂ２において、パージガスと混合ガスとは対向する方向
に流れる。このように一方の流路を３次元的に構成する
ことも可能である。パージガスをらせん状に通過させる
ものとしてもよい。また、図１５中に一点鎖線で示す通
り、混合ガスの流れと交差する方向にパージガスを流出
させるものとしてもよい。
【０１０６】上述した変形例では、いずれも実施例と同
様、水素分圧差を大きく確保することができる。水素分
圧差を確保するためには、一部、特に混合ガスの出口近
傍で、混合ガスとパージガスとが対向する種々の流路構
成を適用可能である。
【０１０７】Ｆ．燃料電池システムの変形例：図１６は
変形例としての燃料電池システムを示す説明図である。
実施例の燃料電池システム（図１参照）は、燃料電池４
として固体高分子膜型を適用しており、アノード部での
結露を防止するため、熱交換機３を備える構成を例示し
た。これに対し、変形例の燃料電池システムでは、燃料
電池４Ａとして運転時の温度が１５０℃以上となる高温
型の燃料電池を用いる。例えば、リン酸型や溶融炭酸塩
型の燃料電池がこれに該当する。
【０１０８】このような高温型の燃料電池を用いる場
合、アノード部で水滴が結露する可能性は低い。従っ
て、変形例に示す通り、熱交換機を省略し、燃料ガス生
成装置１０で得られた燃料ガスと水蒸気の混合ガスを直
接、燃料電池４Ａに供給することができる。このように
変形例の燃料電池システムによれば、高温型の燃料電池
を用いることにより、システム構成を簡略化することが
できる利点がある。
【０１０９】Ｇ．第２実施例：図１７は第２実施例とし
ての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
第１実施例では、燃料ガス生成装置１０におけるパージ
ガスとして水蒸気を用いた場合を例示した。第２実施例
では、パージガスとして原料ガスを用いる。これに伴
い、水蒸気を発生するための蒸発部２、燃料電池４への
供給ガスの水蒸気を凝縮させる熱交換機３など、第１実
施例で備えられていた要素が不要となり（図１参照）、
システムの全体構成が簡略化される。
【０１１０】第２実施例では、また、燃料ガス生成装置
１０Ａの構成も第１実施例と相違する。第１実施例で
は、化学反応部１１で混合ガスを生成し、水素分離用複
合材１２でその中の水素のみを抽出する場合を例示し
た。即ち、第１実施例では、燃料ガス生成装置１０が主
として２つの構成要素から成る場合を例示した。これに
対し、第２実施例では、水素分離用複合材内部で改質反
応および水素分離の双方の作用を行う場合を例示する。
なお、パージガスとして原料ガスを用いる構成は、第２
実施例の燃料ガス生成装置１０Ａに固有のものではな
く、第１実施例で適用することも可能である。逆に、第
２実施例においても第１実施例と同様、パージガスとし
て水蒸気を用いるものとしてもよい。
【０１１１】図１８は燃料ガス生成装置１０Ａの概略構
成を示す説明図である。燃料ガス生成装置１０Ａは、単
一の構成要素である水素分離用複合材２２で構成され
る。第２実施例の水素分離用複合材２２は、図示する通
り、内部に改質層と水素分離層の２つが接合された状態
で構成されている。この水素分離用複合材２２に原料ガ
スと水蒸気が供給されると、改質層で改質反応が起き、
水素および一酸化炭素、二酸化炭素が生成される。こう
して生成された混合ガスはそのまま水素分離層に供給さ
れ水素のみが抽出される。第２実施例では、水素を抽出
するためのパージガスとして原料ガスを用いているた
め、燃料ガス生成装置１０Ａからは、燃料ガスと原料ガ
スを含有するガスが排出される。このように単体として
構成された水素分離用複合材２２の内部で原料ガスに対
して、改質反応と水素分離という２つの作用を施して燃
料ガスを生成する点が第２実施例の燃料ガス生成装置１
０Ａの特徴である。
【０１１２】図１９は水素分離用複合材２２の断面図で
ある。上述の通り、水素分離用複合材２２は、改質層と
水素分離層とから構成されている。水素分離層は、第１
実施例の水素分離用複合材と同じ構造であり、セラミッ
ク微粒子１３で構成された多孔質支持体の細孔に水素分
離金属であるパラジウム微粒子１４が担持されている。
図示の都合上、パラジウム微粒子１４は隙間を空けて示
されているが、実際には、第１実施例と同様、多孔質支
持体の細孔を塞ぐ程度の密度で担持されている。
【０１１３】改質層は、同じくセラミック微粒子１５で
構成された多孔質支持体の細孔に触媒であるロジウム微
粒子１６が担持されている。改質層は、セラミック微粒
子１５の大きさを水素分離層よりも小さくして、細孔の
径および気孔率が水素分離層よりも多く構成されてい
る。また、ロジウム微粒子１６は、細孔を完全に塞ぐ
程、高い密度で担持されている訳ではなく、水素分離層
よりも疎な状態で担持されている。このように改質層で
は、細孔の径、気孔率、およびロジウム微粒子１６の密
度を調整して、原料ガスが改質層の内部に十分に拡散で
きるように図っている。このようにロジウム微粒子１６
の分散性を高め、原料ガスが十分に拡散できるように構
成することで、原料ガスとロジウム微粒子との接触機会
が増え、改質反応を促進することができる。ここでは、
改質層と水素分離層とで細孔の径および気孔率が異なる
場合を例示したが、水素分離用複合材２２はかかる態様
に限らず、双方の層で同じ構造の多孔質支持体を用いて
形成しても差し支えないことはいうまでもない。
【０１１４】さらに、水素分離用複合材２２では、改質
層と水素分離層とでセラミック微粒子の組成をも変えて
いる。水素分離層では、パラジウム微粒子１４を細孔を
塞ぐ状態で確実に担持するため、パラジウム微粒子１４
と非常になじみやすい性質を有するアルミナ粒子をセラ
ミック微粒子１３として用いている。一方、改質層で
は、ロジウム微粒子の触媒活性を向上し、改質反応を促
進する性質を有するセリア粒子をセラミック微粒子１５
として用いている。こうすることで、各層の改質作用、
水素分離作用がより効果的に働くようになる。ここに挙
げたのは、一例に過ぎず、各層ごとに、上述の効果を有
するセラミック微粒子を担持する物質の種類に応じて選
択することができる。なお、改質層と水素分離層とで同
じ組成のセラミック微粒子を用いて構成しても差し支え
ない。
【０１１５】水素分離用複合材２２は、以下に示す３通
りの製造方法により製造することができる。図２０は水
素分離用複合材２２の製造方法Ｄの工程図である。この
製造方法では、水素分離金属を担持した多孔質支持体と
触媒を担持した多孔質支持体とを別個に製造し（ステッ
プＳ５０、Ｓ５２）、両者を接合して一体化する（ステ
ップＳ５４）。接合は、２種類の多孔質支持体を合わせ
て焼成すればよい。水素分離金属を担持した多孔質支持
体および触媒を担持した多孔質支持体の製造方法は、第
１実施例で説明した製造方法Ａ〜製造方法Ｃ（図４〜図
６参照）をそれぞれ用いることができる。かかる製造方
法によれば、水素分離層と改質層とを別個に製造するた
め、各層の構造をその作用効果に適した状態にしやすい
利点がある。
【０１１６】図２１は水素分離用複合材２２の製造方法
Ｅの工程図である。この製造方法では、水素分離層およ
び改質層をまとめて製造する点で製造方法Ｄと相違す
る。即ち、製造方法Ｅでは、まず、水素分離金属、触
媒、セラミック微粒子および有機溶媒の混合物を生成す
る（ステップＳ６０）。水素分離層と改質層とでセラミ
ック微粒子の組成を変える場合には、それぞれに用いら
れる２種類のセラミック微粒子を混合する。この際、２
種類のセラミック微粒子は比重が異なることが望まし
い。
【０１１７】なお、この工程に先だって、セラミック微
粒子に予め水素分離金属、触媒を担持させておくことも
好ましい。水素分離層にパラジウムおよびアルミナ粒
子、改質層にロジウムおよびセリア粒子を用いて多孔質
支持体を構成する場合など、各層の組成を変える場合に
は、この組み合わせでパラジウム、ロジウムを予め担持
させた上で有機溶媒と混合すれば、両者を比較的容易に
層状に形成することが可能となる利点がある。
【０１１８】こうして生成された混合物を遠心分離によ
り、水素分離金属、触媒を分離した後（ステップＳ６
２）、成形して焼成する（ステップＳ６４）。混合物に
比重の異なる２種類のセラミック微粒子が含まれている
場合は、これらの微粒子も水素分離金属、触媒に併せて
分離される。当然のことながら、水素分離金属の比重が
触媒の比重よりも大きい場合には、水素分離層のセラミ
ック微粒子の比重を改質層のセラミック微粒子の比重よ
りも大きくしておく必要があり、水素分離金属と触媒の
比重の大小関係が逆の場合には各層のセラミック微粒子
の比重の大小関係もこれに併せておく必要がある。製造
方法Ｅによれば、水素分離層と改質層とを一度に製造で
きるため、水素分離用複合材２２の製造工程を簡略化す
ることができ、製造コストを低減することができる利点
がある。
【０１１９】図２２は水素分離用複合材２２の製造方法
Ｆの工程図である。多孔質支持体に水素分離金属と触媒
とを順次含浸させる製造方法である。まず、多孔質支持
体を製造し（ステップＳ７０）、水素分離金属の溶液を
含浸させる（ステップＳ７２）。次に、流体圧を利用し
て水素分離金属を多孔質支持体内部で移動させる（ステ
ップＳ７４）。本実施例では、多孔質支持体の一面から
ガスを吹き付けるものとした。ガスを吹き付けると、そ
の圧力によって含浸された溶液は多孔質支持体の細孔内
を移動し、ガスが吹き付けられた面と逆側の面に集めら
れる。この状態で多孔質支持体を乾燥させ、水素分離金
属を析出させることにより水素分離層が形成される（ス
テップＳ７６）。
【０１２０】ステップＳ７４は含浸された溶液を多孔質
支持体の内部で偏らせる目的で行う処理であるため、ガ
スを吹き付ける場合には、溶液を移動させるのに足る圧
力、かつガスが他方に吹き抜けない程度の圧力で吹き付
ける必要がある。ステップＳ７４の処理は、この他、一
方の面から脱気するものとしてもよいし、多孔質支持体
の両面に圧力差がある環境に置くことによっても実現で
きる。
【０１２１】こうして水素分離層が形成された後、多孔
質支持体に触媒の溶液を含浸させ（ステップＳ７８）、
乾燥させて触媒を析出させれば改質層を形成することが
できる（ステップＳ８０）。なお、改質層を形成する際
には、流体圧により溶液を移動させる処理を施す必要は
ない。
【０１２２】こうして製造された水素分離用複合材２２
を用いた燃料ガス生成装置１０Ａについては、ガス流路
を第１実施例と同様の構成で設けることが望ましい。こ
の場合、原料ガスが供給される側に改質層が接触するよ
うに水素分離用複合材２２を配置することが好ましいこ
とはいうまでもない。
【０１２３】以上で説明した第２実施例の燃料電池シス
テムによれば、水素分離用複合材２２の内部で改質反応
と水素分離とを行うことができるため、燃料ガス生成装
置１０Ａの構造を簡素化することができ、装置の小型化
を図ることができる。また、水素分離用複合材２２は、
第１実施例と同様に高い水素分離性能を有しており、か
かる効果は第２実施例でも同様に得られる。
【０１２４】なお、第２実施例には、第１実施例におけ
る種々の変形例を適用することも可能である。例えば、
水素分離層を第１の変形例で示した構造とすることもで
きる（図１０参照）。かかる水素分離用複合材は、例え
ば、製造方法Ｄにおいて、水素分離金属を担持した多孔
質触媒を形成した後、この多孔質触媒を焼成して水素分
離金属を膜状に担持させてから、改質層を接合すること
によって製造することができる。また、第２実施例の水
素分離用複合材２２を、図１２に示したように凹凸を有
する形状に成形したり、図１３に示したように機械的強
度を確保可能な多孔質支持体と接合することも好適であ
る。
【０１２５】第２実施例では、水素分離金属と触媒とが
層状に担持されている水素分離用複合材２２を例示し
た。一つの多孔質支持体内部で改質反応と水素分離とを
同時に行わせるためには、水素分離金属と触媒とを必ず
しも層状に備える必要はなく、両者を多孔質支持体内部
にランダムに混在させる態様で水素分離用複合材を形成
するものとしてもよい。これは、製造方法Ｅにおいて、
遠心分離による工程を省略すれば容易に実現することが
できる。
【０１２６】Ｈ．水素生成分離機構の構成例：以上の実
施例において、改質装置として説明したユニットの内部
構成について更に詳細に説明する。図２では、改質装置
１０の内部構成として、改質部１１と分離用複合材１２
とから構成される例を模式的に示した。以下の説明で
は、原料ガスから改質反応等によって水素を含む混合ガ
スを生成する部分と、混合ガスから水素を分離する部分
とを一体的に構成した例を示す（以下、「水素生成分離
機構」と呼ぶ）。改質装置は、生成分離機構を中心とし
て、それぞれ原料ガス、パージガスの供給、反応後の混
合ガスや燃料ガスの排出機構、化学反応に必要な温度を
保つ機構などを備えることにより構成される。
【０１２７】図２３は水素生成分離機構の分類を示す説
明図である。上段には、流路構成、流路を流れるガスの
種類などによる分類を示した。下段には、付加的な機構
の種類による分類を示した。図示する通り、流路構成と
しては、単管、二重構造を有する二重管、および多孔質
モノリスの内部に形成された流路を用いる場合に大きく
分類でき、それぞれについて、湾曲部のない直管として
流路を構成する場合と、湾曲部を有する屈曲管として流
路を構成する場合とに分類できる。さらに、各流路構成
について、流路内にパージガスを流す場合と、原料ガス
を流す場合とに分類できる。前者は流路内にパージガス
を流すことにより、流路外から流路内に水素を抽出する
構成である。後者は流路内で改質反応等の水素生成反応
を行わせ、流路外にパージガスを流して水素を抽出する
構成である。以下の実施例では、上述した分類について
代表的なものに対し、具体的な構成例を示す。例示する
構成と分類との対応を図２３中に示した。図２３中にお
いて空白の分類は、具体的に例示する構成から類推可能
な構成であるため、例示を省略したものである。実現不
可能な分類を意味するものではない。
【０１２８】付加的な機構としては、流れを制御する仕
切り板、攪拌機、取り外し部が挙げられる。また、これ
らの各機構が設けられている部位に流れるガスの種類が
パージガスである場合と原料ガスである場合とに分類さ
れる。以下の実施例では、図２３に示す対応関係でこれ
らの分類中の代表的な構成を例示する。
【０１２９】Ｈ１．構成１（湾曲部を有しない単管を用
いた構成１）：図２４は構成１としての水素生成分離機
構１００の構成を示す説明図である。図２４（ａ）は、
機構の外観斜視図である。図２４（ｂ）は対称面で切断
した断面図である。図示する通り、水素生成分離機構１
００は、本体１０１と複数の分離管１１０から構成され
る。本体１０１は、多孔質材料のモノリスで円柱状に形
成されている。多孔質材料には、改質触媒が担持されて
いる。本体１０１には、原料ガス供給口１０２が接合さ
れており、多孔質の細孔に炭化水素等の原料ガスが供給
される。この原料ガスは、多孔質材料に担持された改質
触媒の作用により、改質反応を生じ、水素を含有した混
合ガスを生成する。
【０１３０】本体１０１には、端面１０４から軸方向に
モノリスを貫通する孔１０５が複数設けられている。こ
の孔１０５は、分離管１１０の径に対し若干余裕のある
径となっている。分離管１１０は、この孔１０５に挿入
されている。図２５は分離管１１０の構成を示す説明図
である。分離管１１０は先に第１実施例、第２実施例で
説明した水素分離用複合材を用いて形成されている。即
ち、図２５（ａ）に示す通り、分離管１１０は円管状の
多孔質支持体１１１の表面にパラジウムを担持した分離
膜１１２が設けられている。分離膜１１２の形成方法
は、先に実施例で説明した種々の方法を適用できる。分
離膜１１０の内部はパージガスとしての水蒸気が流通す
る。構成１では、図２５（ａ）に示す通り、中空の分離
管１１０を用いたが、図２５（ｂ）に示すように管内部
を多孔質材料で形成してもよい。図示する通り、変形例
としての分離管１１０Ａは、円柱状に形成された多孔質
支持体１１１Ａの表面に分離膜１１２を設けることによ
り構成されている。変形例によれば、分離管１１０Ａの
形成が容易になるとともに、強度を向上することができ
る利点がある。構成１では、分離管１１０、１１０Ａの
いずれを用いても構わない。
【０１３１】本体１０１で生成された混合ガス中の水素
は、図２４（ｂ）に示す通り、孔１０５内で、分離管１
１０内に抽出される。この水素は、パージガスとともに
燃料ガスとして下流に運ばれる。本体１０１内に残った
ガス、即ち、混合ガスから水素が分離された後のガス
は、排出口１０３から排出される。
【０１３２】図２４では、図示を省略したが、上述の流
れを実現するため、第１の構成では、混合ガスが流出し
ないように本体１０１の表面がシールされている。ま
た、原料ガス供給口１０２の接合部（図中の領域Ａ）、
排出口１０３の接合部、分離管１１０を挿入する孔と分
離管１１０の隙間（図中の領域Ｂ）も、それぞれガスの
漏洩を回避するようシールされている。水素生成分離機
構１００を気密性のケーシングで覆うものとしてもよ
い。
【０１３３】構成１は、湾曲部を有しない単管の分離管
１１０を挿入することにより構成されるため、製造が容
易である利点がある。本体１０１で改質しつつ、分離管
１１０で水素を抽出できるため、装置の小型化を図るこ
とができる利点もある。第１実施例等で説明した通り、
パージガスを用いることにより、水素分離効率が高い利
点もある。
【０１３４】構成１では、改質反応を行う本体１０１を
多孔質材料のモノリスで形成した場合を例示した。本体
１０１は種々の構成が適用可能である。例えば、気密性
の容器内に触媒を充填して構成してもよい。構成１で
は、円柱形状の構成を例示したが、直方体など種々の形
状を適用可能である。分離管１１０についても、円管に
限らず、種々の断面形状を適用可能である。分離管１１
０の数および配置も図２４に示した例に拘束されるもの
ではない。
【０１３５】Ｈ２．構成２（湾曲部を有しない単管を用
いた構成２）：図２６は構成２としての水素生成分離機
構１５０の構成を示す説明図である。対称面での断面図
を示した。外観は構成１と同じである。構成２は、パー
ジガスと原料ガスの流れる部位が構成１と逆になる。装
置の構成自体は、構成１と同様であり、多孔質材料のモ
ノリスで形成された本体１５１に設けられた孔１５５に
分離管１６０が挿入されている。本体１５１に接合され
た供給口１５２からパージガスとしての水蒸気が供給さ
れ、分離管１６０から水素を抽出した後、燃料ガスとし
て排出口１５３から排出される。本体１５１では、化学
反応は生じないため、何ら触媒は担持されていない。
【０１３６】図２７は分離管１６０の構成を示す説明図
である。構成２では、分離管１６０の内部に原料ガスを
供給し、改質反応を行うため、触媒が用意されている点
で構成１と相違する。分離管１６０は、第１実施例等で
説明した水素分離用複合材を用いて構成されている。図
２７（ａ）に示す通り、多孔質支持体１６１の表面に分
離膜１６２が設けられている。分離管１６０の内部に
は、ペレット状の改質触媒１６３が充填されている。多
孔質支持体１６１があるため、改質触媒１６３は分離膜
１６２に直接触れることはない。従って、運転時の振動
などによって改質触媒１６３の粒が分離膜１６２に損傷
を与えるおそれがないという利点がある。また、ペレッ
ト状の改質触媒１６３は、容易に詰め替え可能であるた
め、水素生成分離機構の整備が容易となる利点もある。
【０１３７】分離管１６０の触媒は多孔質支持体に担持
してもよい。図２７（ｂ）は変形例としての分離管１６
０Ａの構成である。図示する通り、変形例の分離管１６
０Ａは、円柱状に形成された多孔質支持体の表面に分離
膜１６２Ａが形成される。多孔質支持体１６１Ａには、
改質触媒が担持されている。かかる構成を用いれば、改
質触媒を均一に担持することが容易であるとともに、分
離管１６０Ａの強度を確保できる利点がある。
【０１３８】構成２の水素生成分離装置１５０によれ
ば、構成１と同様の利点がある。構成２についても、構
成１と同様の変形例を実現することが可能である。
【０１３９】Ｈ３．構成３（湾曲部を有する単管を用い
た構成１）：図２８は構成３としての水素生成分離機構
２００の構成を示す説明図である。対称面で切断した状
態の斜視図を示した。構成３の水素生成分離機構２００
は、本体２０１内にＵ字形状の分離管２１０が貫通して
いる。分離管２１０の構造は、構成１の分離管１１０
（図２５参照）と同じである。本体２０１には、原料ガ
スの供給口２０２と排出口２０３が接合されている。本
体２０１は、気密性の容器であり、内部（図中のハッチ
ングの部分）に改質触媒が充填されている。供給口２０
２から供給された原料ガスは、本体２０１内部で改質さ
れる。分離管２１０内には、パージガスが流れており、
本体２０１で生成された水素は、分離管２１０内に抽出
される。
【０１４０】構成３の水素生成分離機構２００は、比較
的製造が容易であるなど、構成１と同様の利点を有して
いる。分離管２１０がＵ字形に湾曲しているため、熱ひ
ずみに強い利点もある。一般に改質反応は高温下で行わ
れるため、水素生成分離機構２００は運転時と休止時の
温度差が激しい。これらの温度差は、分離管２１０の伸
縮を招く。構成３では、分離管２１０の湾曲部は本体２
０１に固定されていない自由端となっているため、分離
管２１０は熱によって軸方向に比較的自由に伸縮可能と
なる。従って、構成３は、熱応力による分離管２１０の
損傷が生じる可能性を抑制できる利点がある。湾曲部を
有する分離管２１０は、容積効率を向上することができ
る利点もある。つまり、湾曲部を有することにより、分
離管２１０は本体２０１に効率的に収納することができ
る。この結果、分離管２１０が混合ガスに接触する面積
を向上することができ、水素の分離効率を向上すること
ができる。
【０１４１】構成３では、本体２０１を気密性の容器と
して構成した場合を例示した。本体２０１は、改質触媒
が担持された多孔質材料で形成するものとしてもよい。
【０１４２】Ｈ４．構成４（湾曲部を有する単管を用い
た構成２）：図２９は構成４としての水素生成分離機構
２５０の構成を示す説明図である。対称面で切断した状
態の斜視図を示した。構成４の水素生成分離機構２５０
は、本体２５１内にパージガスを流し、分離管２６０内
で原料ガスからの改質を行う点で構成３と相違する。本
体２５１内は、何の触媒も担持されていない。分離管２
６０の構造は、構成２の分離管１６０（図２７参照）と
同じである。構成４でも、製造容易という利点、熱ひず
みに強い利点、容積効率および水素分離効率に優れる利
点などを有している。また、構成２と同様、触媒と水素
分離膜の接触を回避でき、水素分離膜を保護できる利点
もある。
【０１４３】Ｈ５．構成５（湾曲部を有する単管を用い
た構成３）：分離管に湾曲部を持たせて容積効率および
水素分離効率を向上させる構成は、種々の態様で実現可
能である。図３０は構成５としての水素生成分離機構３
００の構成を示す説明図である。対称面で切断した状態
の斜視図を示した。構成５の機構では、本体３０１内に
複数の湾曲部を有する分離管３１０が貫通されている。
分離管３１０の構造は、構成２の分離管１６０（図２７
参照）と同様である。本体３０１には、供給口３０２、
排出口３０３が接合されている。供給口３０２から供給
されたパージガスによって分離管３１０内で生成された
水素が本体３０１内に抽出される。このように、複数の
湾曲部を有する構造とすれば、分離管３１０の容積効率
をより向上させることができ、装置の薄型化を図ること
もできる。なお、分離管３１０内にパージガスを流し、
本体３０１内で改質する構成も可能である。また、分離
管３１０の湾曲部の数および形状は、図示したものに限
定されない。
【０１４４】Ｈ６．構成６（湾曲部を有する単管を用い
た構成４）：図３１は構成６としての水素生成分離機構
３５０の構成を示す説明図である。上面から見た断面図
を示した。本体３５１は円形の容器であり、供給口３５
２、排出口３５３が接合されている。本体３５１は、供
給口３５２から供給された原料ガスを改質するための改
質触媒が担持されている。分離管３６０はスパイラル状
に形成されており、内部にパージガスが供給される。分
離管３６０の構造は、構成１（図２５参照）と同じであ
る。
【０１４５】このように、連続的な湾曲部を有する構造
とすれば、分離管３６０の容積効率をより向上させるこ
とができ、装置の薄型化を図ることもできる。なお、分
離管３６０内で改質し、本体３５１内にパージガスを供
給する構成も可能である。
【０１４６】Ｈ７．構成７（湾曲部を有する単管を用い
た構成５）：図３２は構成７としての水素生成分離機構
４００の構成を示す説明図である。本体４０１は気密性
の容器であり、供給口４０２、排出口４０３が接合され
ている。本体４０１は、供給口４０２から供給された原
料ガスを改質するための改質触媒が担持されている。分
離管４１０は螺旋状に形成されており、内部にパージガ
スが供給される。分離管４１０の構造は、構成１（図２
５参照）と同じである。
【０１４７】このように分離管４１０を立体的に配置す
るものとすれば、分離管４１０の容積効率をより向上す
ることができ、水素の分離効率を向上することができ
る。なお、多くの湾曲部を有する分離管４１０を形成す
る場合には、多孔質支持体として、金属の多孔質材料を
用いることが望ましい。金属の延性により、分離管４１
０の形成が容易になるとともに、運転中の振動による損
傷を回避しやすくなる利点がある。金属の多孔質材料の
適用は、構成７に限らず、分離管に湾曲部を設ける場合
に有効である。
【０１４８】Ｈ８．構成８（湾曲部を有しない二重管を
用いた構成１）：図３３は構成８としての水素生成分離
機構４５０の構成を示す説明図である。構成８の機構
は、本体４５１に二重管として構成された分離管４６０
が挿入されて構成されている。本体４５１には供給口４
５２、排出口４５３が接合されている。本体４５１は、
改質触媒が充填された気密性の容器であり、供給口４５
２から原料を改質する。改質触媒を担持した多孔質材料
で本体４５１を形成してもよい。
【０１４９】分離管４６０は、一端のみが開口している
外管４６２に両端が開口している内管４６１が挿入され
た構造となっている。外管４６２、内管４６１は、それ
ぞれ構成１の分離管１１０（図２５参照）と同様の構成
である。外管４６２、内管４６１は、それぞれ図中の右
方で固定されている。内管４６１には、パージガスが供
給され、外管４６２からは、本体４５１で生成された水
素を抽出した燃料ガスが排出される。内管４６１、外管
４６２の流れは逆であってもよい。
【０１５０】構成８の機構によれば、内管４６１、外管
４６２がそれぞれ熱によって自由に伸縮可能な二重管と
して分離管４６０が構成されているため、熱ひずみによ
る影響をより低減することができる利点がある。また、
改質反応によって生成された高温の水素を、燃料電池の
運転に適した温度にまで下げつつ抽出することができる
利点もある。例えば、水蒸気をパージガスとして用いる
場合に、内管４６１には水蒸気でなく水を噴霧する。本
体４５１で改質を行う場合、分離管４６０は高温雰囲気
中に晒されているから、その熱によって噴霧された水が
気化する。水は、外管４６２中の燃料ガスから熱を吸収
して気化するから、燃料ガスの温度は気化熱に応じて低
下する。構成８では、かかる作用により、燃料ガスの温
度を燃料電池の運転温度により近づけることが可能とな
る。
【０１５１】Ｈ９．構成９（湾曲部を有しない二重管を
用いた構成２）：図３４は構成９としての水素生成分離
機構５００の構成を示す説明図である。本体５０１内に
パージガスを流し、二重管として構成された分離管５１
０で改質反応等を行う点で構成８と相違する。本体５０
１は何ら触媒が担持されない気密性の容器である。本体
５０１は、多孔質材料で形成してもよい。パージガスは
供給口５０２から供給され、分離管５１０で生成された
水素を抽出して排出口５０３から排出される。
【０１５２】分離管５１０は、構成８と同様、内管５１
１と外管５１２の二重構造をなしている。原料ガスは、
内管５１１に供給され、外管５１２から排出される。内
管５１１、外管５１２は、それぞれ構成２の分離管１６
０（図２７参照）と同様の構造である。内管５１１、外
管５１２には、それぞれ原料ガスから水素を生成するた
めの触媒が充填されている。構成９では、内管５１１に
は改質反応用の触媒を担持し、外管５１２にはシフト反
応用の触媒を担持した。原料ガスは、改質反応、シフト
反応の双方を経て排出される。
【０１５３】構成９によれば、改質反応、シフト反応と
いう２種類の化学反応を行うユニットを単一の構成で実
現することができ、装置の小型化を図ることができる。
また、反応熱の観点からの利点もある。一般に改質反応
は６００〜８００℃程度の高温で行われ、シフト反応は
２００〜４００℃程度の温度で行われる。燃料電池の運
転温度はシフト反応の温度よりも若干低い。構成９によ
れば、パージガスと接触するのは、シフト反応を行う外
管５１２であり、改質反応を行う内管５１１はその内側
に設けられている。つまり、内管５１１，外管５１２、
本体５０１の順にガスの温度が低くなる構成となってい
る。従って、構成９は、改質、シフトの各反応を進行さ
せる観点、および抽出される水素の温度を燃料電池の運
転温度に近づける観点の双方にとって利点がある。な
お、構成９においては、改質反応、シフト反応の組み合
わせの他、外管５１２で一酸化炭素の選択酸化反応を行
わせるものとしてもよい。
【０１５４】Ｈ１０．構成１０（湾曲部を有しない二重
管を用いた構成３）：図３５は構成１０としての水素生
成分離機構５５０の構成を示す説明図である。構成１０
の機構では、分離管５６０内で単一の化学反応を行う点
で構成９と相違する。本体５５１、供給口５５２，排出
口５５３はそれぞれ構成９と同じ構造である。分離管５
６０は、内管５６１、外管５６２から構成され、両者と
もに改質触媒が担持されている点で構成９と相違する。
かかる構成によっても、製造容易である利点、改質部と
水素分離部を一体的に構成でき装置の小型化を図ること
ができる利点、熱ひずみの影響を受けにくい利点があ
る。
【０１５５】Ｈ１１．構成１１（多孔質モノリス内の流
路を用いた構成）：図３６は構成１１としての水素生成
分離機構６００の構成を示す説明図である。対称面での
断面における斜視図を示した。構成１１は、多孔質材料
のモノリスで構成された生成分離管６１０が気密性のケ
ーシング６０１に取り付けられた構造となっている。
【０１５６】図３７は生成分離管６１０の構成を示す説
明図である。図示する通り、生成分離管６１０の本体６
１１は、多孔質モノリスで円柱状に構成されている。そ
の細孔には、改質触媒が担持されている。本体６１１内
部には、パージガスの流路となる孔６１３が複数設けら
れている。図３６に示す通り、孔６１３は湾曲部のない
状態で形成されているが、湾曲部をもたせても構わな
い。
【０１５７】本体６１１の孔６１３および端面６１２に
は、先に第１実施例等で説明した水素分離用複合材によ
って水素分離膜が形成されている。図３６中に太線で示
した部分が水素分離膜である。図示する通り、孔６１３
の内周および端面６１２を覆うように水素分離膜は形成
される。分離膜は、含浸担持法、物理蒸着法、化学蒸着
法など種々の方法によって形成可能である。図３７にお
いてハッチングを付した部分は、水素分離膜が形成され
ず、多孔質材料が見えている部分を意味している。
【０１５８】構成１１のケーシング６０１には、生成分
離管６１０にガスを供給するための管が設けられてい
る。図３６に示す通り、生成分離管６１０の側面に原料
ガスを供給し、排出する供給口６０２、排出口６０３で
ある。ケーシング６０１は、供給口６０２から供給され
た原料ガスが生成分離管６１０の端面６１２に漏れない
よう、生成分離管６１０との接合部がシールされてい
る。また、供給口６０２から供給された原料ガスが生成
分離管６１０の周囲を通って排出口６０３にリークする
のを防ぐ機構も設けられている。ケーシング６０１の軸
方向には、パージガスの供給および排出を行うためのマ
ニホールド６０４，６０５が設けられている。マニホー
ルド６０４から供給されたパージガスは、図３６中に矢
印で示す通り、生成分離管６１０の孔６１３を通り抜
け、本体６１１での改質により生成された水素を抽出し
つつ、マニホールド６０５から排出される。
【０１５９】構成１１の機構によれば、生成分離管６１
０が単体のユニットで水素の生成および分離を実現する
ため、装置の小型化を図ることができる。多孔質モノリ
スの孔に水素分離膜を形成すれば済むため、製造が容易
という利点もある。本体６１１を多孔質モノリスで形成
するため、強度に優れる利点もある。なお、構成１１に
おいては、本体６１１にパージガスを供給し、孔６１３
内で改質を行うものとしてもよい。この場合には、構成
２と同様、孔６１３内に改質触媒と充填等すればよい。
【０１６０】Ｈ１２．構成１２（仕切り板を用いた構成
１）：図３８は構成１２としての水素生成分離機構６５
０の構成を示す説明図である。主要な構成は、構成４と
同様である。本体６５１にパージガスの流れを制御する
ための仕切板６５４が設けられている点で構成４と相違
する。
【０１６１】構成１２においては、図中に白抜きの矢印
で示す通り、パージガスは供給口６５３から供給され、
仕切板６５４に沿って流れた後、排出口６５２から排出
される。一方、原料ガスは図中に塗りつぶしの矢印で示
す方向に分離管６６０内を流れる。仕切板６５４に沿っ
てパージガスが流れる部分では、分離管内の混合ガスと
パージガスが対向流となる。先に図７で説明した通り、
混合ガスとパージガスの流れを対向流にすれば、両者の
水素分圧を拡大することができ、水素分離効率を向上す
ることができる。構成１２は、かかる作用により、水素
を効率的に分離することができる利点がある。なお、構
成１２において、分離管６６０にパージガスを流し、本
体６５１に原料ガスを供給するものとしても構わない。
【０１６２】Ｈ１３．構成１３（仕切り板を用いた構成
２）：図３９は構成１３としての水素生成分離機構７０
０の構成を示す説明図である。主要な構成は、構成８と
同様である。本体７０１にパージガスの流れを制御する
ための仕切板７０４が設けられている点で構成８と相違
する。
【０１６３】パージガスは、二重管として構成された分
離管７１０を図中に白抜きの矢印で示す通り、内管から
外管に向けて流れる。外管から内管に向けて流しても良
い。原料ガスは、図中に矢印で示す通り、供給口７０２
から供給され、仕切板７０４によって複数回流れ方向を
折り返された後、排出口７０３から排出される。仕切板
７０４の数および形状は、図示した例に限定されない。
【０１６４】構成１３によれば、原料ガスが分離管７１
０に直交する方向に流れる。かかる方向に流すことによ
り、水素の分離効率が向上することが実験的に確認され
ている。なお、構成１３においては、分離管７１０内で
改質し、本体７０１にパージガスを供給するものとして
もよい。原料ガスは分離管７１０に厳密に直交する方向
に流す態様に限定されるものではなく、分離管７１０に
対して傾きを持った方向に流しても良い。原料ガスの流
れを制御する機構としては、仕切板７０４の他、ベーン
を適用してもよい。
【０１６５】Ｈ１４．構成１４（攪拌機を用いた構
成）：図４０は構成１４としての水素生成分離機構７５
０の構成を示す説明図である。対称面で切断した場合の
断面における斜視図を示した。主要な構成は構成３と同
様である。本体７５１内のガスを撹拌するファン７５５
が設けられている点で構成３と相違する。
【０１６６】本体７５１には改質触媒が充填または担持
されており、供給口７５２から供給された原料ガスは、
本体７５１内で改質され、水素が抽出された後、排出口
７５３から排出される。分離管７６０には、パージガス
が供給され、本体７５１から水素を抽出する。
【０１６７】本体７５１に充填された改質触媒がファン
７５５の回転を阻害するのを回避するため、ファン７５
５の前面には、ゲージ７５４が設けられている。ファン
７５５は本体７５１の外部に備えられたモータ７５６で
駆動される。ここでは燃料電池４の運転時に生じる廃熱
をペルチェ素子７５７で電力に変換してモータ７５６を
駆動する例を示した。モータ７５６は、かかる構成に限
らずバッテリ、燃料電池からの出力で駆動するものとし
てもよい。
【０１６８】構成１４の効果について説明する。図４１
はファン７５５による撹拌効果を示す説明図である。分
離管７６０近傍の水素分圧の時間変化を示した。実線は
ファン７５５を運転した場合の変化、破線はファン７５
５を使用しない場合の変化を示している。
【０１６９】運転当初（図中の状態Ａ）において、本体
７５１内で原料が改質されて水素および一酸化炭素が生
成されたものとする。この時点では、分離管７６０近傍
の水素分圧は比較的高い。分離管７６０の内外の水素分
圧差によって水素は徐々に分離管７６０内に抽出され
る。一定時間経過後の水素および一酸化炭素の分布を状
態Ｂ，Ｃに示した。水素は分離管７６０近傍から徐々に
抽出されるため、ファン７５５を使用しない場合（状態
Ｂ）では、分離管７６０近傍には一酸化炭素が主として
存在するようになる。つまり、分離管７６０近傍の水素
分圧は、図中に破線で示す通り、時間とともに徐々に低
下する。一方、ファン７５５によって本体７５１内の混
合ガスを撹拌すれば、一定時間経過後も、分離管７６０
近傍には、運転当初と同等の水素が存在し（状態Ｃ）、
水素分圧は低減しない。構成１４によれば、このように
本体７５１内の混合ガスを撹拌することにより、分離管
７６０近傍の水素分圧の低下を抑制でき、水素の分離効
率を維持することができる。
【０１７０】構成１４においては、分離管７６０に原料
ガスを供給し、本体７５１にパージガスを供給するもの
としてもよい。本体７５１は触媒が充填等されないた
め、ゲージ７５４は省略しても差し支えない。かかる構
成によれば、ファン７５５は分離管７６０近傍の水素分
圧を常に低い状態に維持する作用を奏するため、水素分
離効率を維持することができる。
【０１７１】Ｈ１５．構成１５（取り外し部を有する構
成）：図４２は構成１５としての水素生成分離機構８０
０の構成を示す説明図である。対称面で切断した状態の
斜視図を示した。主要な構成は、構成４と同様である。
本体８０１には供給口８０２から排出口８０３にパージ
ガスが流される。分離管８１０には、改質触媒が充填さ
れており、原料ガスを改質する。但し、構成１５は、分
離管８１０に整備用の取り外し部８１１が設けられてい
る点で構成４と相違する。図示する通り、分離管８１０
の湾曲部は、直管部分との接合部から軸方向に引き抜き
可能となっている。取り外し部８１１を引き抜くことに
より、この部分に充填された触媒の交換などの整備を容
易に行うことができる。取り外し部８１１を引き抜け
ば、分離管８１０の直管部分内の触媒の交換も容易とな
る。
【０１７２】本体８０１は、かかる整備を可能にするた
めに、取り外し部８１１を引き抜く側に蓋体８０４が設
けられている。整備時には、蓋体８０４をはずして取り
外し部８１１を引き抜く。気密性を保つように蓋体８０
４と本体８０１の間はシールされている。
【０１７３】構成１５の機構によれば、水素分離効率の
向上など構成４と同様の利点がある他、整備性に優れる
利点がある。分離管８１０に触媒が充填または担持され
ている構成に適用するときに有効である。分離管８１０
にパージガスを流し、本体８０１で改質を行う構成に適
用することも可能である。なお、構成１５においては、
湾曲部の上下流で取り外しが可能な種々の構成を適用可
能である。図４２では、軸方向に引き抜く構成を例示し
たが、これに限られるものではない。
【０１７４】Ｈ１６．構成１６（熱応力抑制機構を用い
た構成）：図４３は構成１６としての水素生成分離機構
９００の構成を示す説明図である。対称面で切断した断
面図を示した。運転時の熱によって水素分離管が破損す
ることを回避する熱応力抑制機構として、ベローズを用
いた場合を例示した。
【０１７５】水素生成分離機構９００は、多孔質モノリ
ス９５０と水素分離管９１０とが、ケースに組み込まれ
て構成される。多孔質モノリス９５０は、改質触媒が担
持されている。水素分離管９１０は、水素分離金属を担
持した多孔質支持体で形成された管である。これらの構
成は、構成１（図２４参照）と同じである。
【０１７６】ケースは、両端が開口した本体９０１の両
端にカバー９０１Ａ、９０１Ｂがボルト９０１Ｃで締結
されて構成される。本体９０１とカバー９０１Ａ，９０
１Ｂとの間には、パージガスと混合ガスのリークを防ぐ
隔離板９３０、９３１が挿入される。水素分離管９１０
は、両端の開口部にＳＵＳ管９１１がとりつけられ、そ
れぞれ隔離板９３０，９３１に設けられた孔に連接され
る。パージガスが供給される側の隔離板９３０には、ベ
ローズ９２０を介して連接される。
【０１７７】隔離板９３０，９３１で仕切られた内側の
部分は、原料ガスの流路となる。図示する通り、供給口
９０２Ｍから供給された原料ガスは、ベローズ９２０の
周囲を通って、多孔質モノリス９５０に供給される。多
孔質モノリス９５０の入口付近には、流量分布の偏りを
抑制するため、複数のオリフィスを有するバッフル板９
０６が設けられている。多孔質モノリス９５０を通った
原料ガスは、排出口９０３Ｍから排出される。バッフル
板９０６は、ＳＵＳ管９１１の動きを所定範囲に規制す
るガイドの機能も果たしている。これにより、振動に対
する強度を向上することができる。
【０１７８】隔離板９３０，９３１で仕切られた外側の
部分は、パージガスの流路となる。図示する通り、供給
口９０２Ｐから供給されたパージガスは、ベローズ９２
０を通って水素分離管９１０に供給され、排出口９０３
Ｐから排出される。ベローズ９２０の入口近傍には、パ
ージガスの流量分布の偏りを抑制するため、複数のオリ
フィスを有するバッフル板９０５が設けられている。な
お、バッフル板９０５，９０６の各オリフィスの径は、
ほぼ均一な流量分布が得られるよう、各部位ごとに実験
等により設定される。オリフィスの径は、一定である必
要はない。
【０１７９】構成１６の水素生成分離機構９００によれ
ば、ベローズ９２０により、熱応力を抑制することがで
きる。運転時には、この機構は高温となるから、水素分
離管９１０には熱ひずみが生じる。水素分離管９１０の
両端が拘束されている場合には、この熱ひずみによって
熱応力が生じる。これに対し、構成１６では、ベローズ
９２０が熱ひずみに応じて伸縮するため、熱応力を抑制
できる。従って、熱応力による水素分離管９１０の破損
等を回避することができる。
【０１８０】構成１６の水素生成分離機構９００では、
バッフル板９０５，９０６の作用により、パージガスお
よび原料ガスを偏りなく供給することができる。パージ
ガス、原料ガスの配管断面積よりも、多孔質モノリス９
５０、水素分離管９１０の断面積が大きい場合には、部
位によってガスの流れ易さに差違が生じることが多い。
かかる差違は、流量分布の偏りを招く。バッフル板９０
５，９０６を設けることによって、かかる偏りを抑制す
ることができる。ほぼ均一にガスを供給することによ
り、化学反応および水素分離の効率を向上することがで
きる。
【０１８１】構成１６のベローズ９２０およびバッフル
板９０５，９０６は、必要に応じて選択的に適用可能で
ある。ベローズ９２０を省略した構成としてもよいし、
バッフル板９０５，９０６を省略した構成としてもよ
い。構成１６では、ベローズ９２０に代えて、その他の
伸縮機構を適用してもよい。
【０１８２】Ｈ１７．構成１７（熱応力抑制機構の変形
例）：図４４は構成１７としての水素生成分離機構９０
０Ａの構成を示す説明図である。熱応力抑制機構とし
て、構成１６のベローズに代えて、高圧水蒸気層を備え
る場合を例示した。
【０１８３】水素生成分離機構９００Ａは、ガスの供給
側に２枚の隔離板９３０Ａ、９３０Ｂが設けられてい
る。本体９０１と連結部９０１Ｄとが隔離板９３０Ｂを
挟んで連結されている。連結部９０１Ｄはカバー９０１
Ａと隔離板９３０Ａを挟んで連結されている。連結部９
０１Ｄには、水蒸気が供給される。この水蒸気の圧力
は、パージガスおよび原料ガスの圧力よりも高く設定さ
れている。
【０１８４】水素分離管９１０は、排出側の隔離板９３
１によって方持ち支持されている。他端は自由端であ
り、隔離板９３０Ａ、９３０Ｂを貫通して開口してい
る。供給口９０２Ｐから供給されたパージガスは、図示
する通り、水素分離管９１０の各開口部から管内に流れ
込む。その他の部分の構成は構成１６と同じである。
【０１８５】連結部９０１Ｄの水蒸気層は、隔離板９３
０Ａ、９３０Ｂとともに、パージガスと原料ガスとがリ
ークするのを防止する隔離機構として作用する。水素分
離管９１０と隔離壁９３０Ａ，９３０Ｂとの間に隙間が
存在したとしても、水蒸気の圧力がパージガス、原料ガ
スよりも高いため、これらのガスは水蒸気層に流れ込ま
ない。
【０１８６】構成１７の水素生成は、水素分離管９１０
の一端が自由端となっているため、熱応力が生じない。
また、水蒸気層の作用により、水素分離管９１０の一端
を自由端としつつ、パージガスと原料ガスのリークを容
易に防止することができる。
【０１８７】構成１７では、水素分離管９１０に他の材
質による管を連結して、隔離壁９３０Ｂ，９３０Ａを貫
通可能な長さとしてもよい。連結部９０１Ｄには、水蒸
気意外の不活性ガスを種々適用できる。連結部９０１Ｄ
に代えて、ガスケット等によるシールを施すものとして
もよい。
【０１８８】構成１７では、バッフル板を省略した構成
を例示した。流量分布の均一化を図るため、必要に応じ
てバッフル板を設けることもできる。
【０１８９】Ｈ１８．構成１８（熱応力抑制機構の変形
例）：図４５は構成１８としての水素生成分離機構９０
０Ｂの構成を示す説明図である。熱応力抑制機構とし
て、構成１６のベローズに代えて、スライド管を用いる
場合を例示した。
【０１９０】図示する通り、本体９０１とカバー９０１
Ａの間に挿入される隔離板９３０には、水素分離管９１
０Ｂよりも若干径の大きい外管９１０Ｃが連接される。
水素分離管９１０Ｂは、この外管９１０Ｃに一端が挿入
され、他端は排出側の隔離板９３１に連接される。外管
９１０Ｃと水素分離管９１０Ｂとの間はシールされてい
る。外管９１０Ｃの材料は水素分離管９１０Ｂと同じ材
料でも異なる材料でもよい。供給口９０２Ｐから供給さ
れたパージガスは、隔離板９３０から外管９１０Ｃを通
って、水素分離管９１０Ｂに供給される。その他の部位
の構成は、構成１６と同じである。
【０１９１】構成１８の水素生成分離機構９００Ｂは、
水素分離管９１０Ｂの自由端が外管９１０Ｃ内でスライ
ド可能である。従って、水素分離管９１０Ｂに熱ひずみ
が生じても、熱応力を生じない。
【０１９２】構成１８では、バッフル板を省略した構成
を示した。流量分布の均一化を図るため、必要に応じて
バッフル板を設けることも可能である。
【０１９３】Ｈ１９．構成１９（流量平均化機構の変形
例）：図４６は構成１９としての水素生成分離機構の構
成を示す説明図である。パージガスの供給口近傍のみを
示した。その他の部分は、構成１６と同じである。
【０１９４】供給されるガスの流量分布を平均化する機
構として、構成１６のバッフル板に代えて、構成１９
は、偏向板９０５Ａを備える。供給口９０２Ｐから供給
されたパージガスは、偏向板９０５Ａで流れの方向が軸
方向から周方向に約９０度偏向される。偏向板９０５Ａ
は多段階に設けられており、パージガスは、これらの偏
向板９０５Ａによって、流量分布の平均化が図られる。
従って、各水素分離管にはほぼ同等のパージガスが供給
される。
【０１９５】構成１９では、３カ所に偏向板９０５Ａを
設けた場合を例示した。偏向板９０５Ａの数および位置
は流量分布の平均化の観点から、種々設定可能である。
構成１９では、パージガスの供給側に偏向板を設けた
が、原料ガスの供給側に設けることも可能である。
【０１９６】構成１９では、軸方向にパージガスが供給
される場合を例示した。構成１６のように周方向から供
給される場合に適用してもよい。逆に、構成１６におい
て、図４６に示したような軸方向の供給口を設けるもの
としてもよい。流量の平均化機構と、熱応力抑制機構と
は、構成１６〜１９に示した種々の機構を適宜組み合わ
せて適用可能である。
【０１９７】以上、本発明の種々の実施例について説明
したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣
旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができるこ
とはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例としての燃料電池システムの概略構成を
示す説明図である。
【図２】燃料ガス生成装置１０の内部構成を示す説明図
である。
【図３】実施例としての水素分離用複合材１２の断面図
である。
【図４】水素分離用複合材１２の製造方法Ａにおける製
造工程を示す工程図である。
【図５】水素分離用複合材１２の製造方法Ｂにおける製
造工程を示す工程図である。
【図６】水素分離用複合材１２の製造方法Ｃにおける製
造工程を示す工程図である。
【図７】燃料ガス生成装置１０の流路構成を示す説明図
である。
【図８】化学反応部側とパージ側の水素分圧を示す説明
図である。
【図９】改質側とパージ側の圧力に関する条件を示す説
明図である。
【図１０】第１の変形例としての水素分離用複合材１２
Ａの断面図である。
【図１１】水素分離用複合材１２Ａの製造方法を示す工
程図である。
【図１２】第２の変形例としての水素分離用複合材１２
Ｂの断面図である。
【図１３】第３の変形例としての水素分離用複合材の断
面図である。
【図１４】第１の変形例としてのパージガスの流路を示
す説明図である。
【図１５】第２の変形例としてのパージガスの流路を示
す説明図である。
【図１６】変形例としての燃料電池システムを示す説明
図である。
【図１７】第２実施例としての燃料電池システムの概略
構成を示す説明図である。
【図１８】燃料ガス生成装置１０Ａの概略構成を示す説
明図である。
【図１９】水素分離用複合材２２の断面図である。
【図２０】水素分離用複合材２２の製造方法Ｄの工程図
である。
【図２１】水素分離用複合材２２の製造方法Ｅの工程図
である。
【図２２】水素分離用複合材２２の製造方法Ｆの工程図
である。
【図２３】水素生成分離機構の分類を示す説明図であ
る。
【図２４】構成１としての水素生成分離機構１００の構
成を示す説明図である。
【図２５】分離管１１０の構成を示す説明図である。
【図２６】構成２としての水素生成分離機構１５０の構
成を示す説明図である。
【図２７】分離管１６０の構成を示す説明図である。
【図２８】構成３としての水素生成分離機構２００の構
成を示す説明図である。
【図２９】構成４としての水素生成分離機構２５０の構
成を示す説明図である。
【図３０】構成５としての水素生成分離機構３００の構
成を示す説明図である。
【図３１】構成６としての水素生成分離機構３５０の構
成を示す説明図である。
【図３２】構成７としての水素生成分離機構４００の構
成を示す説明図である。
【図３３】構成８としての水素生成分離機構４５０の構
成を示す説明図である。
【図３４】構成９としての水素生成分離機構５００の構
成を示す説明図である。
【図３５】構成１０としての水素生成分離機構５５０の
構成を示す説明図である。
【図３６】構成１１としての水素生成分離機構６００の
構成を示す説明図である。
【図３７】生成分離管６１０の構成を示す説明図であ
る。
【図３８】構成１２としての水素生成分離機構６５０の
構成を示す説明図である。
【図３９】構成１３としての水素生成分離機構７００の
構成を示す説明図である。
【図４０】構成１４としての水素生成分離機構７５０の
構成を示す説明図である。
【図４１】ファン７５５による撹拌効果を示す説明図で
ある。
【図４２】構成１５としての水素生成分離機構８００の
構成を示す説明図である。
【図４３】構成１６としての水素生成分離機構９００の
構成を示す説明図である。
【図４４】構成１７としての水素生成分離機構９００Ａ
の構成を示す説明図である。
【図４５】構成１８としての水素生成分離機構９００Ｂ
の構成を示す説明図である。
【図４６】構成１９としての水素生成分離機構の構成を
示す説明図である。
【符号の説明】
２…蒸発部 ３…熱交換機 ４、４Ａ…燃料電池 １０、１０Ａ…燃料ガス生成装置 １１…化学反応部 １２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｄ…水素分離用複合材 １３…セラミック微粒子 １４，１４Ａ…パラジウム微粒子 １５…セラミック微粒子 １６…ロジウム微粒子 １７…多孔質支持体 ２２…水素分離用複合材 １００…水素生成分離機構 １０１…本体 １０２…原料ガス供給口 １０３…排出口 １０４…端面 １０５…孔 １１０，１１０Ａ…分離管 １１１，１１１Ａ…多孔質支持体 １１２…分離膜 １５０…水素生成分離機構 １５１…本体 １５２…供給口 １５３…排出口 １５５…孔 １６０，１６０Ａ…分離管 １６１，１６１Ａ…多孔質支持体 １６２，１６２Ａ…分離膜 １６３…改質触媒 ２００…水素生成分離機構 ２０１…本体 ２０２…供給口 ２０３…排出口 ２１０…分離管 ２５０…水素生成分離機構 ２５１…本体 ２６０…分離管 ３００…水素生成分離機構 ３０１…本体 ３０２…供給口 ３０３…排出口 ３１０…分離管 ３５０…水素生成分離機構 ３５１…本体 ３５２…供給口 ３５３…排出口 ３６０…分離管 ４００…水素生成分離機構 ４０１…本体 ４０２…供給口 ４０３…排出口 ４１０…分離管 ４５０…水素生成分離機構 ４５１…本体 ４５２…供給口 ４５３…排出口 ４６０…分離管 ４６１…内管 ４６２…外管 ５００…水素生成分離機構 ５０１…本体 ５０２…供給口 ５０３…排出口 ５１０…分離管 ５１１…内管 ５１２…外管 ５５０…水素生成分離機構 ５５１…本体 ５５２…供給口 ５５３…排出口 ５６０…分離管 ５６１…内管 ５６２…外管 ６００…水素生成分離機構 ６０１…ケーシング ６０２…供給口 ６０３…排出口 ６０４，６０５…マニホールド ６１０…生成分離管 ６１１…本体 ６１２…端面 ６１３…孔 ６５０…水素生成分離機構 ６５１…本体 ６５２…排出口 ６５３…供給口 ６５４…仕切板 ６６０…分離管 ７００…水素生成分離機構 ７０１…本体 ７０２…供給口 ７０３…排出口 ７０４…仕切板 ７１０…分離管 ７５０…水素生成分離機構 ７５１…本体 ７５２…供給口 ７５３…排出口 ７５４…ゲージ ７５５…ファン ７５６…モータ ７５７…ペルチェ素子 ７６０…分離管 ８００…水素生成分離機構 ８０１…本体 ８０２…供給口 ８０３…排出口 ８０４…蓋体 ８１０…分離管 ８１１…取り外し部 ９００、９００Ａ、９００Ｂ…水素生成分離機構 ９０１…本体 ９０１Ｄ…連結部 ９０１Ｃ…ボルト ９０２Ｐ、９０２Ｍ…供給口 ９０３Ｐ、９０３Ｍ…排出口 ９０５，９０６…バッフル板 ９０５Ａ…偏向板 ９１０、９１０Ｂ…水素分離管 ９１０Ｃ…外管 ９２０…ベローズ ９３０Ａ，９３０Ｂ…隔離壁 ９３０，９３１…隔離板 ９５０…多孔質モノリス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 37/02 １０１ Ｂ０１Ｊ 37/02 １０１Ｃ １０１Ｅ ３０１ ３０１Ｍ 37/04 １０２ 37/04 １０２ Ｃ０１Ｂ 3/38 Ｃ０１Ｂ 3/38 3/56 3/56 Ｚ Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 8/12 8/12 8/14 8/14 (72)発明者 青山 智 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 井口 哲 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 JA02C JA70A MA40 MB04 MC02 MC02X MC03X PB18 PB66 PC80 4G040 EA03 EA06 EB32 EB33 FA06 FC01 FC07 FE01 FE04 4G069 AA03 AA08 BA13B BB02A BB02B BC71A BC71B CC17 CC25 CC32 EA06 EA14 EC28 EC29 FA02 FA03 FB06 FB14 FB15 FB17 FB18 FB20 FB23 FB30 FB71 5H026 AA04 AA05 AA06 5H027 AA04 AA05 AA06 BA01 BA09 BA16

Claims (49)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 気体中の水素を選択的に透過する水素分
    離用複合材であって、 多孔質支持体と該多孔質支持体に担持された水素分離金
    属とを有し、 該水素分離金属は、前記多孔質支持体の細孔の径よりも
    微細化されるとともに、該多孔質支持体の細孔を該多孔
    質支持体内部で塞ぐ状態で、担持されることを特徴とす
    る水素分離用複合材。
  2. 【請求項２】 前記水素分離金属が、前記細孔内部に膜
    状に担持されることを特徴とする請求項１記載の水素分
    離用複合材。
  3. 【請求項３】 さらに、前記多孔質支持体内部の細孔
    に、所定の原料から水素を生成する化学反応に適用可能
    な触媒が担持されていることを特徴とする請求項１記載
    の水素分離用複合材。
  4. 【請求項４】 前記水素分離金属と、前記触媒とが前記
    多孔質支持体内部に層状に担持されることを特徴とする
    請求項３記載の水素分離用複合材。
  5. 【請求項５】 前記触媒は、前記多孔質支持体内部に前
    記水素分離金属よりも疎な状態で担持されることを特徴
    とする請求項４記載の水素分離用複合材。
  6. 【請求項６】 前記水素分離金属が担持された層と、前
    記触媒が担持された層とで、前記多孔質支持体の物理的
    構造が異なることを特徴とする請求項５記載の水素分離
    用複合材。
  7. 【請求項７】 前記水素分離金属が担持された層と、前
    記触媒が担持された層とが異なる組成の多孔質支持体で
    形成されることを特徴とする請求項４記載の水素分離用
    複合材。
  8. 【請求項８】 厚み方向に凹凸を有する形状をなしてい
    ることを特徴とする請求項１記載の水素分離用複合材。
  9. 【請求項９】 さらに、厚み方向の少なくとも一方の面
    において、機械的強度を確保可能な厚みを有する多孔質
    材料と接合されたことを特徴とする請求項１記載の水素
    分離用複合材。
  10. 【請求項１０】 気体中の水素を選択的に透過する水素
    分離用複合材であって、 多孔質支持体と該多孔質支持体に担持された水素分離金
    属とを有し、 該水素分離金属は、前記多孔質支持体の細孔の径よりも
    微細化されるとともに、主として該多孔質支持体内部の
    細孔に担持されることを特徴とする水素分離用複合材。
  11. 【請求項１１】 前記水素分離金属が、前記細孔内部に
    膜状に担持されることを特徴とする請求項１０記載の水
    素分離用複合材。
  12. 【請求項１２】 さらに、前記多孔質支持体内部の細孔
    に、所定の原料から水素を生成する化学反応に適用可能
    な触媒が担持されていることを特徴とする請求項１０記
    載の水素分離用複合材。
  13. 【請求項１３】 前記水素分離金属と、前記触媒とが前
    記多孔質支持体内部に層状に担持されることを特徴とす
    る請求項１２記載の水素分離用複合材。
  14. 【請求項１４】 気体中の水素を選択的に透過する水素
    分離用複合材の製造方法であって、 多孔質支持体を形成する工程と、 前記多孔質支持体の細孔に担持されるべき被担持物質を
    含有する溶液を生成する工程と、 前記多孔質支持体を前記溶液中に含浸させた上で、主と
    して該多孔質支持体の細孔内に該被担持物質を析出させ
    る工程とを備える製造方法。
  15. 【請求項１５】 気体中の水素を選択的に透過する水素
    分離用複合材の製造方法であって、 多孔質支持体を形成する工程と、 前記多孔質支持体の細孔に担持されるべき被担持物質を
    該多孔質支持体の細孔径と同等またはそれ未満に微細化
    するとともに有機溶媒と混合して、該細孔中に浸透可能
    な粘度のペーストを生成する工程と、 前記多孔質支持体に前記ペーストを塗布した後、焼成し
    て主として該多孔質支持体の孔内に該被担持物質を担持
    させる工程とを備える製造方法。
  16. 【請求項１６】 気体中の水素を選択的に透過する水素
    分離用複合材の製造方法であって、 多孔質支持体を構成する微粒子、担持されるべき被担持
    物質の微粒子、および有機溶媒の混合物を生成する工程
    と、 該混合物を成形し、焼成して、主として前記多孔質支持
    体の孔内に前記被担持物質を担持させる工程とを備える
    製造方法。
  17. 【請求項１７】 前記混合物を生成する工程に先立っ
    て、前記被担持物質の微粒子を前記多孔質支持体を構成
    する微粒子に担持せしめる工程を備える請求項１６記載
    の製造方法。
  18. 【請求項１８】 気体中の水素を選択的に透過する水素
    分離用複合材の製造方法であって、 水素分離金属を細孔内に担持した多孔質支持体を形成す
    る工程と、 該多孔質支持体を、さらに焼成することにより、該細孔
    内に前記水素分離金属の膜を形成する工程とを備える製
    造方法。
  19. 【請求項１９】 所定の原料から化学反応によって水素
    を含む混合ガスを生成しつつ、該混合ガス中の水素を選
    択的に透過する水素分離用複合材の製造方法であって、
    （ａ） 水素分離金属を細孔内に担持した第１の多孔質
    支持体を形成する工程と、（ｂ） 前記化学反応に適用
    される触媒を細孔内に担持した第２の多孔質支持体を形
    成する工程と、（ｃ） 該第１および第２の多孔質支持
    体を接合し一体化する工程とを備える製造方法。
  20. 【請求項２０】 請求項１９記載の製造方法であって、
    前記工程（ｃ）に先立って、前記第１の多孔質支持体を
    焼成し、該多孔質支持体の細孔内部に前記水素分離金属
    の膜を形成する工程を備える製造方法。
  21. 【請求項２１】 所定の原料から化学反応によって水素
    を含む混合ガスを生成しつつ、該混合ガス中の水素を選
    択的に透過する水素分離用複合材の製造方法であって、 多孔質支持体を構成する微粒子、水素分離金属の微粒
    子、前記化学反応に適用される触媒の微粒子、および有
    機溶媒の混合物を生成する工程と、 遠心分離により前記混合物中の各微粒子の分布を偏らせ
    る工程と、 該混合物を成形し、焼成する工程とを備える製造方法。
  22. 【請求項２２】 前記多孔質支持体を構成する微粒子に
    は、比重の異なる少なくとも２種類の微粒子が含まれる
    ことを特徴とする請求項２１の製造方法。
  23. 【請求項２３】 所定の原料から化学反応によって水素
    を含む混合ガスを生成しつつ、該混合ガス中の水素を選
    択的に透過する水素分離用複合材の製造方法であって、 多孔質支持体を形成する工程と、 該多孔質支持体に水素分離金属または前記化学反応に適
    用される触媒の一方を含有した溶液を含浸させる工程
    と、 該溶液が含浸した多孔質支持体を、厚み方向の一面に作
    用する流体圧と他方の面に作用する流体圧との間に格差
    がある条件、および厚み方向に遠心力が作用する条件の
    少なくとも一方を満足する環境下におくことによって、
    前記溶液の厚み方向の分布を偏らせた後、溶液に含有さ
    れた成分を析出させる工程と、 前記水素分離金属および触媒の他方を含有した溶液を前
    記多孔質支持体に含浸させた後、細孔内で析出させる工
    程とを備える製造方法。
  24. 【請求項２４】 所定の原料から水素リッチな燃料ガス
    を生成する燃料ガス生成装置であって、 気体中の水素を選択的に透過する水素分離用複合材と、 該水素分離用複合材に、前記原料から化学反応によって
    生成された水素を含む混合ガスを供給する供給部と、 該水素分離用複合材で分離された水素が抽出される抽出
    部とを備え、 前記水素分離用複合材は、 多孔質支持体と、該多孔質支持体の細孔の径よりも微細
    化されて該多孔質支持体内部の細孔に担持された水素分
    離金属とを有する燃料ガス生成装置。
  25. 【請求項２５】 請求項２４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記水素分離用複合材は、更に、所定の原料から水素を
    生成する化学反応に適用される触媒を担持した触媒層を
    備え、 該水素分離用複合材は、前記触媒が担持された層が前記
    供給部側に接する状態で配置されている燃料ガス生成装
    置。
  26. 【請求項２６】 請求項２４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記供給部は、前記混合ガスを供給する流路の断面積が
    下流ほど狭くなる構造をなし、 前記抽出部は、前記燃料ガスを運搬する流路の断面積が
    下流ほど広くなる構造をなしている燃料ガス生成装置。
  27. 【請求項２７】 請求項２４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 水素を運搬する運搬ガスを前記抽出部に流す運搬ガス供
    給部を備え、 該運搬ガスの流れ方向が、前記供給部における混合ガス
    の流れ方向と対向する燃料ガス生成装置。
  28. 【請求項２８】 請求項２７記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記供給部は、原料と水蒸気とを混合して前記混合ガス
    を生成する機構であり、 前記運搬ガスは水蒸気である燃料ガス生成装置。
  29. 【請求項２９】 請求項２７記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記供給部は、原料から前記混合ガスを生成する機構で
    あり、 前記運搬ガスは該原料を気化させたガスである燃料ガス
    生成装置。
  30. 【請求項３０】 所定の原料から水素リッチな燃料ガス
    を生成する燃料ガス生成装置であって、 気体中の水素を選択的に透過する水素分離用複合材と、 該水素分離用複合材に、前記原料から化学反応によって
    生成された水素を含む混合ガスを供給する供給部と、 該水素分離用複合材で分離された水素が抽出される抽出
    部とを備え、 前記供給部および抽出部は、供給部の水素分圧が抽出部
    の水素分圧よりも高く、かつ、供給面の全圧が抽出面の
    全圧よりも低くなるよう圧力が調整されている燃料ガス
    生成装置。
  31. 【請求項３１】 所定の原料を燃料ガス生成装置で分解
    して生成された水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う
    燃料電池システムであって、 請求項２４記載の燃料ガス生成装置と、 低温型の燃料電池と、 該燃料ガス生成装置で生成された燃料ガス中の水蒸気分
    圧を、所定の値以下に低減して前記燃料電池に供給する
    湿度低減部を備える燃料電池システム。
  32. 【請求項３２】 所定の原料を燃料ガス生成装置で分解
    して生成された水素を含む燃料ガスを用いて発電を行う
    燃料電池システムであって、 請求項２４記載の燃料ガス生成装置と、 高温型の燃料電池とを備える燃料電池システム。
  33. 【請求項３３】 所定の原料から燃料電池用の燃料ガス
    を生成する燃料ガス生成装置であって、 前記原料から水素を含む混合ガスを生成する化学反応部
    と、 所定の運搬ガスを流すことにより、該混合ガスから分離
    された水素を運搬する運搬流路とを備え、 前記化学反応部および運搬流路の一方の要素は、気体中
    の水素を選択的に透過する水素分離用複合材によって、
    他方の要素内に形成された管状流路であり、 該水素分離用複合材は、 多孔質支持体と、該多孔質支持体の細孔の径よりも微細
    化されて該多孔質支持体内部の細孔に担持された水素分
    離金属とを有する燃料ガス生成装置。
  34. 【請求項３４】 請求項３３記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記一方の要素は、前記水素分離用複合材で形成された
    管であり、該管が他方の要素の内部に貫通する状態で設
    けられた燃料ガス生成装置。
  35. 【請求項３５】 請求項３４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記運搬流路は前記管で構成され、 前記化学反応部は、触媒を担持するとともに、前記運搬
    流路となる管を挿入する孔を設けた多孔質材料のモノリ
    スで構成された燃料ガス生成装置。
  36. 【請求項３６】 前記化学反応部は、前記管内に触媒
    を担持して構成されている請求項３４記載の燃料ガス生
    成装置。
  37. 【請求項３７】 前記管は、前記他方の要素の内部で湾
    曲部を有する形状をなす請求項３４記載の燃料ガス生成
    装置。
  38. 【請求項３８】 前記管を構成する水素分離用複合材
    は、金属の多孔質材料を前記多孔質支持体とする複合材
    である請求項３７記載の燃料ガス生成装置。
  39. 【請求項３９】 前記管は、該湾曲部を取り外し可能な
    機構を備える請求項３７記載の燃料ガス生成装置。
  40. 【請求項４０】 前記管は一端が開口した外管に、両端
    が開口した内管を挿入した二重管である請求項３４記載
    の燃料ガス生成装置。
  41. 【請求項４１】 請求項４０記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記化学反応部は、前記二重管において、前記内管に改
    質反応用の改質触媒を備え、外管に一酸化炭素低減反応
    用の触媒を備えた構成である燃料ガス生成装置。
  42. 【請求項４２】 請求項３４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記管が貫通する前記他方の要素の内部には、その内部
    流れについて、該管内の流れ方向と同方向の速度成分を
    抑制する抑制機構を備える燃料ガス生成装置。
  43. 【請求項４３】 前記管が貫通する前記他方の要素の内
    部のガスを撹拌する撹拌機構を備える請求項３４記載の
    燃料ガス生成装置。
  44. 【請求項４４】 請求項３４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記管の両端には、前記混合ガスと運搬ガスとを隔離す
    る隔離機構が備えられ、 前記管の少なくとも一端には、該管の熱応力を抑制する
    抑制機構が備えられる燃料ガス生成装置。
  45. 【請求項４５】 請求項４４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記管は、一端が前記隔離機構を貫通し、前記抑制機構
    として作用する自由端となるよう支持されている燃料ガ
    ス生成装置。
  46. 【請求項４６】 請求項４５記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記抑制機構が設けられている側の隔離機構は、前記混
    合ガスおよび運搬ガスよりも高圧の不活性ガスを両者間
    に供給する高圧ガス層である燃料ガス生成装置。
  47. 【請求項４７】 請求項４４記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記抑制機構は、前記管および該抑制機構を含む全長が
    略一定となるよう、熱ひずみを吸収する伸縮機構である
    燃料ガス生成装置。
  48. 【請求項４８】 請求項３３記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 貫通孔が形成された多孔質材料のモノリスを有し、 該貫通孔の周囲の多孔質内には前記水素分離金属が担持
    された水素分離層が形成され、 該多孔質内の前記水素分離層を除く部分には前記化学反
    応に適用される触媒が担持された触媒担持部が形成さ
    れ、 該触媒担持部が前記化学反応部、前記水素分離層および
    貫通孔が前記運搬流路となる燃料ガス生成装置。
  49. 【請求項４９】 請求項３３記載の燃料ガス生成装置で
    あって、 前記化学反応部に前記原料を気化させた原料ガスを供給
    する原料供給機構と、 前記運搬流路に前記運搬ガスを供給する運搬ガス供給機
    構とを備え、 前記原料供給機構および運搬ガス供給機構の少なくとも
    一方には、該化学反応部または前記運搬流路への流量分
    布の偏りを抑制する流量平均化機構を備える燃料ガス生
    成装置。
JP2000237297A 1999-11-18 2000-08-04 燃料電池用燃料ガス生成装置および水素分離用複合材 Pending JP2002033113A (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000237297A JP2002033113A (ja) 1999-11-18 2000-08-04 燃料電池用燃料ガス生成装置および水素分離用複合材
EP00974892A EP1258283B1 (en) 1999-11-18 2000-11-09 Composite material for fuel gas formation for a fuel cell and method of its production
PCT/JP2000/007915 WO2001036077A1 (fr) 1999-11-18 2000-11-09 Dispositif generateur de gaz combustible pour pile a combustible et matiere composite pour la separation de l'hydrogene
DE60033571T DE60033571T2 (de) 1999-11-18 2000-11-09 Verbundmaterial zur erzeugung von brennstoff für eine brennstoffzelle sowie herstellungsverfahren hierfür
US10/130,063 US7255721B1 (en) 1999-11-18 2000-11-09 Device forming fuel gas for fuel cell and composite material for hydrogen separation

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP32848099 1999-11-18
JP2000137637 2000-05-10
JP11-328480 2000-05-10
JP2000-137637 2000-05-10
JP2000237297A JP2002033113A (ja) 1999-11-18 2000-08-04 燃料電池用燃料ガス生成装置および水素分離用複合材

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002033113A true JP2002033113A (ja) 2002-01-31

Family

ID=27340295

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000237297A Pending JP2002033113A (ja) 1999-11-18 2000-08-04 燃料電池用燃料ガス生成装置および水素分離用複合材

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7255721B1 (ja)
EP (1) EP1258283B1 (ja)
JP (1) JP2002033113A (ja)
DE (1) DE60033571T2 (ja)
WO (1) WO2001036077A1 (ja)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003099711A1 (en) * 2002-05-27 2003-12-04 Sony Corporation Fuel reformer and method of manufacturing the fuel reformer, electrode for electrochemical device, and electrochemical device
JP2005126286A (ja) * 2003-10-24 2005-05-19 Dainippon Printing Co Ltd 水素製造用のメンブレンリアクター
JP2007117992A (ja) * 2005-09-30 2007-05-17 Nippon Seisen Co Ltd 水素分離用の複合膜材料、及びそれを用いた水素分離用エレメント
JP2007246333A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Ngk Insulators Ltd 選択透過膜型反応器及びそれを用いた水素製造方法
JP2007269600A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素分離装置および水素製造装置
JP2007269595A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素製造装置
JP2008021596A (ja) * 2006-07-14 2008-01-31 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質形燃料電池モジュール
JP2009095749A (ja) * 2007-10-16 2009-05-07 Dainippon Printing Co Ltd 水素透過膜、燃料電池セルおよび水素改質器
JP2011116577A (ja) * 2009-12-01 2011-06-16 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素製造装置
JP2011116576A (ja) * 2009-12-01 2011-06-16 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素製造装置
JP2011526237A (ja) * 2008-07-01 2011-10-06 リンデ アクチエンゲゼルシヤフト 水素生成方法及び装置
JP2014515693A (ja) * 2011-02-18 2014-07-03 シュティヒティン・エネルギーオンデルツォイク・セントラム・ネーデルランド 膜反応器及びこのような反応器によるガス状物体の製造の為のプロセス
WO2016129153A1 (ja) * 2015-02-12 2016-08-18 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 触媒構造体、触媒構造体の製造方法および製造装置

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3801061B2 (ja) 2002-02-04 2006-07-26 トヨタ自動車株式会社 水素透過膜
JP4186810B2 (ja) 2003-12-08 2008-11-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池の製造方法および燃料電池
US7393392B2 (en) 2004-02-27 2008-07-01 Mikuni Corporation Hydrogen-permeable membrane and process for production thereof
US7465336B2 (en) * 2005-06-09 2008-12-16 United Technologies Corporation Fuel deoxygenation system with non-planar plate members
CN101534929B (zh) * 2006-11-06 2014-02-19 日本碍子株式会社 分离膜-多孔材料复合物及用于制造所述复合物的方法
US20090020013A1 (en) * 2007-07-20 2009-01-22 Sloan Michael A Membrane based deoxygenator for processing fluids
US20100059434A1 (en) * 2008-09-05 2010-03-11 Hpd, Llc Abrasion Resistant Membrane Structure and Method of Forming the Same
FR2948295B1 (fr) * 2009-07-24 2012-07-13 Technologies Avancees & Membranes Ind Membrane de filtration, presentant une resistance a l'abrasion amelioree
WO2011056418A2 (en) * 2009-10-28 2011-05-12 University Of Florida Research Foundation, Inc. Fabrication of dual structure ceramics by a single step process
KR20140123218A (ko) * 2013-04-12 2014-10-22 삼성전자주식회사 수소 분리막 및 상기 수소 분리막을 포함하는 수소 분리 장치
US20200075962A1 (en) * 2018-09-04 2020-03-05 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Manufacturing method and manufacturing apparatus for gas diffusion layer
DE102023206019A1 (de) * 2023-06-27 2025-01-02 Forschungszentrum Jülich GmbH Strukturierte Membraneinheit, Herstellungsverfahren und Rüstverfahren

Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS3817806B1 (ja) * 1961-08-11 1963-09-11
JPS425642B1 (ja) * 1964-07-23 1967-03-08
JPS62143801A (ja) * 1985-12-18 1987-06-27 Agency Of Ind Science & Technol 水素吸蔵用合金による水素ガスの精製方法
JPS63295402A (ja) * 1987-05-27 1988-12-01 Ise Kagaku Kogyo Kk 水素の製造方法
JPH02271901A (ja) * 1989-04-12 1990-11-06 Agency Of Ind Science & Technol 水素分離媒体の製造方法
JPH02311301A (ja) * 1989-05-25 1990-12-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池用水素製造方法
JPH04325402A (ja) * 1991-04-25 1992-11-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池用水素製造方法及び装置並びに供給方法
JPH05105407A (ja) * 1991-10-14 1993-04-27 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 水素製造装置
JPH06277472A (ja) * 1993-03-31 1994-10-04 Ngk Insulators Ltd ガス分離体及びその製造方法
JPH078766A (ja) * 1993-06-24 1995-01-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素分離装置
JPH0840703A (ja) * 1994-05-23 1996-02-13 Ngk Insulators Ltd 水素製造装置
JPH0838863A (ja) * 1994-05-23 1996-02-13 Ngk Insulators Ltd 水素分離体とそれを用いた水素分離装置及び水素分離体の製造方法
JPH08215547A (ja) * 1994-12-19 1996-08-27 Bend Res Inc 複合水素分離エレメントおよびモジュール
JPH0924233A (ja) * 1995-07-07 1997-01-28 Ngk Insulators Ltd 気体分離体、気体分離部材およびその製造方法
JPH09248416A (ja) * 1996-01-11 1997-09-22 Bend Res Inc 複合水素分離エレメントおよびモジュール
JPH10113544A (ja) * 1996-07-08 1998-05-06 Ngk Insulators Ltd ガス分離体
JPH10310403A (ja) * 1997-05-08 1998-11-24 Tonen Corp 水素分離部材、反応管及び水素の製造方法

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60190570A (ja) 1984-03-09 1985-09-28 Agency Of Ind Science & Technol 水素吸蔵合金材料の製造方法
JPH0753561B2 (ja) * 1986-09-19 1995-06-07 松下電器産業株式会社 水素吸蔵合金を用いた成形体の動作方法
JPS63171617A (ja) 1987-01-09 1988-07-15 Shozaburo Saito 水素選択透過性に優れた複合膜およびその製造法
CH675843A5 (ja) * 1987-11-07 1990-11-15 Thomas Allmendinger
JPH01266833A (ja) 1988-04-20 1989-10-24 Sanyo Electric Co Ltd 水素分離膜の製造方法
JP3035038B2 (ja) 1991-11-25 2000-04-17 三菱重工業株式会社 水素製造方法
JPH0640701A (ja) 1992-05-15 1994-02-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素分離型水蒸気改質反応器
JP3406021B2 (ja) 1993-06-11 2003-05-12 東京瓦斯株式会社 水素製造装置
KR0158431B1 (ko) * 1995-06-23 1998-11-16 윤덕용 수소분리용 무기재료막의 제조방법
GB9611491D0 (en) * 1996-06-01 1996-08-07 Johnson Matthey Plc Gas separation devices

Patent Citations (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS3817806B1 (ja) * 1961-08-11 1963-09-11
JPS425642B1 (ja) * 1964-07-23 1967-03-08
JPS62143801A (ja) * 1985-12-18 1987-06-27 Agency Of Ind Science & Technol 水素吸蔵用合金による水素ガスの精製方法
JPS63295402A (ja) * 1987-05-27 1988-12-01 Ise Kagaku Kogyo Kk 水素の製造方法
JPH02271901A (ja) * 1989-04-12 1990-11-06 Agency Of Ind Science & Technol 水素分離媒体の製造方法
JPH02311301A (ja) * 1989-05-25 1990-12-26 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池用水素製造方法
JPH04325402A (ja) * 1991-04-25 1992-11-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池用水素製造方法及び装置並びに供給方法
JPH05105407A (ja) * 1991-10-14 1993-04-27 Mitsui Eng & Shipbuild Co Ltd 水素製造装置
JPH06277472A (ja) * 1993-03-31 1994-10-04 Ngk Insulators Ltd ガス分離体及びその製造方法
JPH078766A (ja) * 1993-06-24 1995-01-13 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 水素分離装置
JPH0840703A (ja) * 1994-05-23 1996-02-13 Ngk Insulators Ltd 水素製造装置
JPH0838863A (ja) * 1994-05-23 1996-02-13 Ngk Insulators Ltd 水素分離体とそれを用いた水素分離装置及び水素分離体の製造方法
JPH08215547A (ja) * 1994-12-19 1996-08-27 Bend Res Inc 複合水素分離エレメントおよびモジュール
JPH0924233A (ja) * 1995-07-07 1997-01-28 Ngk Insulators Ltd 気体分離体、気体分離部材およびその製造方法
JPH09248416A (ja) * 1996-01-11 1997-09-22 Bend Res Inc 複合水素分離エレメントおよびモジュール
JPH10113544A (ja) * 1996-07-08 1998-05-06 Ngk Insulators Ltd ガス分離体
JPH10310403A (ja) * 1997-05-08 1998-11-24 Tonen Corp 水素分離部材、反応管及び水素の製造方法

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7942944B2 (en) 2002-05-27 2011-05-17 Sony Corporation Fuel reformer and method for producing the same, electrode for use in electrochemical device, and electrochemical device
WO2003099711A1 (en) * 2002-05-27 2003-12-04 Sony Corporation Fuel reformer and method of manufacturing the fuel reformer, electrode for electrochemical device, and electrochemical device
US8882864B2 (en) 2002-05-27 2014-11-11 Sony Corporation Fuel reformer including a two layer integrated article
JP2005126286A (ja) * 2003-10-24 2005-05-19 Dainippon Printing Co Ltd 水素製造用のメンブレンリアクター
JP2007117992A (ja) * 2005-09-30 2007-05-17 Nippon Seisen Co Ltd 水素分離用の複合膜材料、及びそれを用いた水素分離用エレメント
JP2007246333A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Ngk Insulators Ltd 選択透過膜型反応器及びそれを用いた水素製造方法
JP2007269600A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素分離装置および水素製造装置
JP2007269595A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素製造装置
JP2008021596A (ja) * 2006-07-14 2008-01-31 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質形燃料電池モジュール
JP2009095749A (ja) * 2007-10-16 2009-05-07 Dainippon Printing Co Ltd 水素透過膜、燃料電池セルおよび水素改質器
JP2011526237A (ja) * 2008-07-01 2011-10-06 リンデ アクチエンゲゼルシヤフト 水素生成方法及び装置
JP2011116577A (ja) * 2009-12-01 2011-06-16 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素製造装置
JP2011116576A (ja) * 2009-12-01 2011-06-16 Ngk Spark Plug Co Ltd 水素製造装置
JP2014515693A (ja) * 2011-02-18 2014-07-03 シュティヒティン・エネルギーオンデルツォイク・セントラム・ネーデルランド 膜反応器及びこのような反応器によるガス状物体の製造の為のプロセス
WO2016129153A1 (ja) * 2015-02-12 2016-08-18 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 触媒構造体、触媒構造体の製造方法および製造装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP1258283A4 (en) 2003-07-02
DE60033571T2 (de) 2007-10-31
DE60033571D1 (de) 2007-04-05
US7255721B1 (en) 2007-08-14
EP1258283A1 (en) 2002-11-20
EP1258283B1 (en) 2007-02-21
WO2001036077A1 (fr) 2001-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2002033113A (ja) 燃料電池用燃料ガス生成装置および水素分離用複合材
JP3599370B2 (ja) 水素製造装置
US6896709B1 (en) Miniature fuel reformer and system using metal thin film
US6660069B2 (en) Hydrogen extraction unit
JP3402515B2 (ja) 水素分離体とそれを用いた水素分離装置及び水素分離体の製造方法
US7323148B2 (en) Hydrogen generator
JP4563344B2 (ja) 直接液体燃料電池の気液分離装置
JP5588581B2 (ja) 水素製造装置
JP2004149332A (ja) 水素製造装置
CN1784803A (zh) 燃料电池系统
JP2002128506A (ja) 水素生成装置
KR100924950B1 (ko) 셀룰로우스 섬유를 열처리하여 얻어진 마이크로튜블 하니컴탄소체 및 그 제조방법, 이 마이크로튜블 하니컴 탄소체를이용한 마이크로튜블 반응기 모듈 및 그 제조방법, 이마이크로튜블 반응기 모듈을 이용한 마이크로 촉매반응장치
CN103946153B (zh) 使用集成的反应/分离方法的氢生产模块及使用该模块的氢生产反应器
JP4604332B2 (ja) 改質用複合材とそれを備える水素生成用構造体
JP2014114179A (ja) 成形触媒及び水素製造装置
Shubnikova et al. Hydrogen permeability of nickel capillaries: mathematical modeling and experimental verification
JP6358839B2 (ja) 水素製造装置及びその製造方法
JP4443968B2 (ja) 水素製造装置
JP2002201004A (ja) 水素抽出装置
KR101030045B1 (ko) 연료전지용 개질기 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템
JP2011195349A (ja) 水素製造装置
JPH0924233A (ja) 気体分離体、気体分離部材およびその製造方法
CN120380623A (en) Cartridge for fuel cell humidifier and fuel cell humidifier
JP2025516020A (ja) 燃料電池用加湿器のミッド－ケース及び燃料電池用加湿器
JP5592680B2 (ja) 水素製造装置

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070420

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20101221

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110208

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20111213