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JP2008246314A - Hydrogen separator and fuel cell - Google Patents

Hydrogen separator and fuel cell Download PDF

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JP2008246314A
JP2008246314A JP2007088669A JP2007088669A JP2008246314A JP 2008246314 A JP2008246314 A JP 2008246314A JP 2007088669 A JP2007088669 A JP 2007088669A JP 2007088669 A JP2007088669 A JP 2007088669A JP 2008246314 A JP2008246314 A JP 2008246314A
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JP
Japan
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hydrogen
porous support
gas
seal member
permeable membrane
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Pending
Application number
JP2007088669A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masaru Nishi
優 西
Toru Shimamori
融 島森
Hidekazu Shigaki
秀和 志垣
Hiroyuki Tanaka
裕之 田中
Kohei Mitsuya
耕平 三矢
Tatsuya Tsuneki
達也 常木
Yoshinori Shirasaki
義則 白崎
Isamu Yasuda
勇 安田
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.)
Tokyo Gas Co Ltd
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Tokyo Gas Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd, Tokyo Gas Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP2007088669A priority Critical patent/JP2008246314A/en
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】水素を選択的に分離することのできる水素分離部において、取り付けられる部位が水素分離部の水素透過率を低下させることなく高い耐久性を実現することのできる水素分離装置及び燃料電池を提供すること。
【解決手段】両端若しくは一端を開口する筒状であり、又は板状である多孔質支持体とその内表面及び/又は外表面に形成された、水素ガスを選択的に透過させる水素透過膜とを備えて成る水素分離部と、この水素分離部をシール部材を介して結合する取り付け部とを備え、前記水素分離部は、前記シール部材に接触する部分の肉厚が、前記シール部材に非接触となる部分の肉厚よりも0.1〜30mm大きいことを特徴とする水素分離装置。
【選択図】図1
A hydrogen separation device and a fuel cell capable of realizing high durability in a hydrogen separation section capable of selectively separating hydrogen without reducing the hydrogen permeability of the hydrogen separation section at an attached site. To provide.
A cylindrical or plate-like porous support that opens at both ends or one end, and a hydrogen permeable membrane that selectively permeates hydrogen gas formed on the inner surface and / or outer surface of the porous support. And a hydrogen separation portion that is connected to the hydrogen separation portion via a seal member, and the hydrogen separation portion has a thickness that is not in contact with the seal member. A hydrogen separator characterized by being 0.1 to 30 mm larger than the thickness of the part to be contacted.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、水素分離装置及び燃料電池に関し、更に詳しくは、シール部材の耐久性が優れかつ水素を選択的に分離して高純度の水素を得ることのできる水素分離装置及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a hydrogen separation device and a fuel cell, and more particularly to a hydrogen separation device and a fuel cell in which the durability of a seal member is excellent and hydrogen can be selectively separated to obtain high-purity hydrogen.

特許文献1には、「パイプの外周に装着されるシールユニットであって、・・・膨張黒鉛製シール材と、・・・一対の連結材とを備えており、ここで前記シール材における前記一対の連結材のそれぞれとパイプ軸方向に当接する面の少なくとも一方は、パイプ外周面に近くなるほど張り出すように・・・形成されており、・・・当接面と向かい合う連結材側の該シール材と当接する面はパイプ外周面に近くなるほど凹むように・・・形成されている、シールユニット」(特許文献1の請求項1参照)が記載されており、またこのシールユニットを用いて水素を選択的に分離することのできる装置も記載されている(特許文献1の請求項7参照)。   In Patent Document 1, “a seal unit attached to the outer periphery of a pipe, comprising: an expanded graphite sealing material; and a pair of connecting materials, wherein the sealing material in the sealing material Each of the pair of connecting members and at least one of the surfaces in contact with the pipe axial direction are formed so as to protrude toward the outer peripheral surface of the pipe, and the ... on the side of the connecting member facing the contact surface. "Seal unit" (see claim 1 of Patent Document 1) is formed so that the surface that comes into contact with the seal material becomes recessed toward the outer peripheral surface of the pipe, and this seal unit is used. An apparatus capable of selectively separating hydrogen is also described (see claim 7 of Patent Document 1).

また、特許文献2には、「円筒状改質触媒兼支持体と、該改質触媒兼支持体の外周面に水素透過膜を配置してなり、円筒状改質触媒兼支持体の内側に原料ガスを通して円筒状改質触媒兼支持体で改質ガスを生成し、改質ガスを水素透過膜により精製して高純度水素を製造するようにしてなることを特徴とする水素製造装置」(特許文献2の請求項1参照)が記載されている。   Patent Document 2 states that “a cylindrical reforming catalyst / support and a hydrogen permeable membrane are arranged on the outer peripheral surface of the reforming catalyst / support, A hydrogen production apparatus characterized in that a reformed gas is generated by a cylindrical reforming catalyst / support through a raw material gas, and the reformed gas is purified by a hydrogen permeable membrane to produce high-purity hydrogen "( Patent Document 2 (see claim 1)).

ところで、水素透過膜を有するシールユニット及び円筒状改質触媒兼支持体を、水素製造装置に取付治具で取り付ける際、又は水素製造装置を使用中に、しばしば水素透過膜が破損するという問題が生じていた。   By the way, there is a problem that the hydrogen permeable membrane is often damaged when the seal unit having the hydrogen permeable membrane and the cylindrical reforming catalyst / support are attached to the hydrogen production apparatus with an attachment jig or during the use of the hydrogen production apparatus. It was happening.

特開2004−19879号Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-1987 特開2004−149332号JP 2004-149332 A

この発明が解決しようとする課題は、水素を選択的に分離することのできる水素分離部において、取り付けられる部位が水素分離部の水素透過率を低下させることなく高い耐久性を実現することのできる水素分離装置及び燃料電池を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is that, in a hydrogen separation part capable of selectively separating hydrogen, the attached portion can realize high durability without reducing the hydrogen permeability of the hydrogen separation part. It is to provide a hydrogen separator and a fuel cell.

また、この発明が解決しようとする課題は、効率よく水素を分離することができ、その分離された水素が供される燃料電池を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a fuel cell that can efficiently separate hydrogen and is provided with the separated hydrogen.

前記課題を解決するための手段として、
請求項1は、両端若しくは一端を開口する筒状であり、又は板状である多孔質支持体とその内表面及び/又は外表面に形成された、水素ガスを選択的に透過させる水素透過膜とを備えて成る水素分離部と、この水素分離部をシール部材を介して結合する取り付け部とを備え、前記水素分離部は、前記シール部材に接触する部分の肉厚が、前記シール部材に非接触となる部分の肉厚よりも0.1〜30mm大きいことを特徴とする水素分離装置であり、
請求項2は、前記シール部材が膨張黒鉛で形成されて成る前記請求項1に記載の水素分離装置であり、
請求項3は、前記水素透過膜は、その一部又は全部がパラジウム又はパラジウムを含有する合金である前記請求項1又は2に記載された水素分離装置であり、
請求項4は、前記請求項1〜3のいずれか1項に記載の前記水素分離装置で分離される水素を燃料として電力を取り出すことを特徴とする燃料電池である。
As means for solving the problems,
[Claim 1] A cylinder-shaped porous plate having both ends or one end opened, or a plate-shaped porous support, and a hydrogen-permeable membrane formed on the inner surface and / or outer surface thereof for selectively permeating hydrogen gas And a mounting part for connecting the hydrogen separation part via a seal member, and the hydrogen separation part has a thickness of a part in contact with the seal member in the seal member. A hydrogen separator characterized by being 0.1 to 30 mm larger than the thickness of the non-contacting part,
Claim 2 is the hydrogen separator according to claim 1, wherein the seal member is formed of expanded graphite.
Claim 3 is the hydrogen separator according to claim 1 or 2, wherein a part or all of the hydrogen permeable membrane is palladium or an alloy containing palladium.
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel cell characterized in that electric power is taken out using hydrogen separated by the hydrogen separator according to any one of the first to third aspects as a fuel.

この発明は、水素を選択的に分離することのできる水素分離部において、取り付け部に取り付けられる箇所の肉厚が、0.1mm以上大きく形成されて成るので、水素分離部の取り付けに際しての破損がなく、更に水素透過率を低下させずに高い耐久性を実現することのできる水素分離装置を提供することができる。   In the hydrogen separation part capable of selectively separating hydrogen, the thickness of the portion attached to the attachment part is formed to be larger by 0.1 mm or more. In addition, it is possible to provide a hydrogen separator that can achieve high durability without further reducing the hydrogen permeability.

また、この発明は、効率よく水素を分離することができ、その分離された水素が供される燃料電池を提供することができる。   In addition, the present invention can provide a fuel cell that can efficiently separate hydrogen and is provided with the separated hydrogen.

この発明の水素分離装置に設けられる水素分離部は、水素分離装置に供給される気体(以下、「原料ガス」と称することがある。)から水素を選択的に分離でき、又は原料ガスが水素分離部内で反応若しくは分解することにより水素を生成し、その水素を選択的に収集することができる。この水素分離装置に供給される気体は、水素ガス、炭酸ガス、一酸化炭素、メタン及び水蒸気等を挙げることができる。もっとも、これらの気体が混合された状態で供給されてもよい。   The hydrogen separator provided in the hydrogen separator of the present invention can selectively separate hydrogen from a gas (hereinafter sometimes referred to as “source gas”) supplied to the hydrogen separator, or the source gas is hydrogen. Hydrogen can be generated by reacting or decomposing in the separation section, and the hydrogen can be selectively collected. Examples of the gas supplied to the hydrogen separator include hydrogen gas, carbon dioxide gas, carbon monoxide, methane, and water vapor. However, these gases may be supplied in a mixed state.

この水素分離装置に用いることのできる多孔質支持体は、その内外において気体が流通することができ、原料ガスと反応せず、原料ガスにより変質せず、かつ水素透過膜を支持することができ、種々の材料で形成される。例えば、前記材料として、無機酸化物、カーボン、無機窒化物等が挙げられる。前記材料の内、無機酸化物としては、例えば、酸化アルミニウム、シリカ、シリカ−アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、安定化ジルコニア、多孔質ガラス等が挙げられる。更に、前記材料を単一で用いることもでき、混合し、又は複合して用いることもできる。   The porous support that can be used in this hydrogen separation device allows gas to flow inside and outside, does not react with the source gas, does not change with the source gas, and can support the hydrogen permeable membrane. , Formed of various materials. For example, examples of the material include inorganic oxide, carbon, and inorganic nitride. Among the materials, examples of the inorganic oxide include aluminum oxide, silica, silica-alumina, mullite, cordierite, zirconia, stabilized zirconia, and porous glass. Further, the materials can be used singly, mixed or combined.

多孔質支持体は、水素分離部に供給される気体が接触することで反応し、分解され又は水蒸気改質によって水素を生成することができる機能(以下、「触媒機能」と称することがある。)を有して成る。前記多孔質支持体は、上述の材料と触媒機能を有する材料とを混合し、又は複合して形成することができる。触媒機能を有する多孔質支持体が形成される場合は、例えば、炭化水素の水蒸気改質に利用されるニッケルを付加した多孔質支持体、具体例として、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物を主成分とする多孔質焼結体(「Ni−YSZサーメット」と称することがある。)、ニッケルを付加した多孔質セラミックス、ニッケルを付加した多孔質ガラス等を用いることができる。供給される気体に合成ガス又は水性ガスを用いる場合は、多孔質支持体に鉄及び/又はクロム成分等を含有させて触媒機能を付加することもできる。触媒機能を付加する成分は、供給される気体の種類等によって適宜選択すればよい。もっとも、供給される気体が該触媒機能により水素を生成させる必要がある場合に、単に供給される気体を通過させる多孔質支持体と、水素を生成することのできる触媒機能を有する触媒層とを分けて形成することもできる。触媒層も多孔質支持体と同様に多孔質であるのが好ましい。   The porous support reacts when the gas supplied to the hydrogen separator comes into contact, is decomposed, or is sometimes referred to as a “catalytic function” that can generate hydrogen by steam reforming. ). The porous support can be formed by mixing or combining the above materials and a material having a catalytic function. When a porous support having a catalytic function is formed, for example, a porous support to which nickel used for steam reforming of hydrocarbons is added, for example, a mixture of nickel and yttria stabilized zirconia is used. A porous sintered body having a main component (sometimes referred to as “Ni-YSZ cermet”), porous ceramic added with nickel, porous glass added with nickel, or the like can be used. When a synthetic gas or a water gas is used as the gas to be supplied, a catalytic function can be added by adding an iron and / or chromium component or the like to the porous support. What is necessary is just to select suitably the component which adds a catalyst function with the kind etc. of the gas supplied. However, when the supplied gas needs to generate hydrogen by the catalytic function, a porous support that simply allows the supplied gas to pass therethrough and a catalyst layer having a catalytic function capable of generating hydrogen are provided. It can also be formed separately. It is preferable that the catalyst layer is also porous like the porous support.

この発明の水素分離装置の多孔質支持体、触媒層及び後述の補強部は、多孔質であり、それぞれが形成される際に、例えば造孔剤として用いることのできる黒鉛粉又はコーンスターチ等を混合して焼結することにより、多孔質である多孔質支持体、触媒層及び補強部を得ることができる。   The porous support, the catalyst layer, and the reinforcing portion described later of the hydrogen separator of the present invention are porous, and when formed, for example, graphite powder or corn starch that can be used as a pore-forming agent is mixed. By sintering, a porous support, a catalyst layer, and a reinforcing part that are porous can be obtained.

また、多孔質支持体、触媒層及び補強部の気孔率及び気孔径を制御することにより、それらの強度及び気体透過性等を調節することができる。   Further, by controlling the porosity and pore diameter of the porous support, the catalyst layer, and the reinforcing portion, their strength, gas permeability and the like can be adjusted.

多孔質支持体、触媒層及び補強部の気孔率は、10〜85%であることが好ましい。気孔率が10%未満であると、多孔質支持体及び触媒層中を原料ガスが速やかに流れず、圧力損失が大きくなることがあり、特に炭化水素の水蒸気改質をすることのできる触媒機能を備えた多孔質支持管を用いる場合又は触媒層を形成する場合には、炭化水素を十分に改質できないことがある。一方、気孔率が85%を超えると、多孔質支持管、触媒層及び補強部の強度が低下することがある。この発明において気孔率とは、アルキメデス法によって測定したときの値である。多孔質支持管、触媒層及び補強部の気孔率は、それぞれの部材の強度、供給される気体が与える多孔質支持管、触媒層及び補強部に対しての圧力等に基づいて適宜に決定される。   The porosity of the porous support, the catalyst layer, and the reinforcing portion is preferably 10 to 85%. When the porosity is less than 10%, the raw material gas does not flow quickly through the porous support and the catalyst layer, and the pressure loss may increase, and in particular, the catalytic function capable of steam reforming of hydrocarbons In the case of using a porous support tube provided with or forming a catalyst layer, the hydrocarbon may not be sufficiently reformed. On the other hand, when the porosity exceeds 85%, the strength of the porous support tube, the catalyst layer, and the reinforcing portion may be lowered. In the present invention, the porosity is a value measured by the Archimedes method. The porosity of the porous support tube, the catalyst layer, and the reinforcing portion is appropriately determined based on the strength of each member, the pressure applied to the porous support tube, the catalyst layer, and the reinforcing portion provided by the supplied gas, and the like. The

多孔質支持管、触媒層及び補強部の平均気孔径は0.05〜30μmであることが好ましい。平均気孔径が0.05μm未満であると、多孔質支持管及び触媒層中を原料ガスが速やかに流れず、圧力損失が大きくなることがある。特に炭化水素の水蒸気改質をすることのできる触媒機能を備えた多孔質支持体を用いる場合又は触媒層を形成する場合には、原料ガスを十分に改質できないことがある。一方、平均気孔径が30μmを超えると、多孔質支持体、触媒層及び補強部の十分な強度が保てない恐れがある。また、多孔質支持体により支持される水素透過膜に空隙等の欠陥が生じ、水素透過膜の水素の透過能が低下することがある。この発明において平均気孔径とは、その表面を電子顕微鏡、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)等により観察して、気孔の開口を円に近似して求められる開口径を、算術平均して算出した値である。   The average pore diameter of the porous support tube, the catalyst layer, and the reinforcing portion is preferably 0.05 to 30 μm. When the average pore diameter is less than 0.05 μm, the raw material gas does not flow quickly through the porous support tube and the catalyst layer, and the pressure loss may increase. In particular, when a porous support having a catalytic function capable of steam reforming hydrocarbons is used or when a catalyst layer is formed, the raw material gas may not be sufficiently reformed. On the other hand, if the average pore diameter exceeds 30 μm, there is a risk that sufficient strength of the porous support, the catalyst layer, and the reinforcing portion cannot be maintained. In addition, defects such as voids may occur in the hydrogen permeable membrane supported by the porous support, and the hydrogen permeability of the hydrogen permeable membrane may decrease. In this invention, the average pore diameter was calculated by observing the surface with an electron microscope, for example, a scanning electron microscope (SEM) and the like, by arithmetically averaging the opening diameter obtained by approximating the opening of the pore to a circle. Value.

多孔質支持体、触媒層及び補強部の気孔率及び平均気孔径を前記範囲に制御するには、それらを形成する材料として用いられる粉末の粒径、粒径分布及び/又は焼成温度を適宜調整すればよい。   In order to control the porosity and average pore diameter of the porous support, catalyst layer and reinforcing part within the above ranges, the particle size, particle size distribution and / or calcination temperature of the powder used as the material forming them are appropriately adjusted. do it.

この発明の水素分離装置に用いられる水素透過膜は、水素を選択的に透過させることができる。水素透過膜は、多孔質支持体の表面に形成され、前記多孔質支持体が筒状である場合には、多孔質支持体の内表面及び/又は外表面に形成される。前記多孔質支持体の内表面に水素透過膜が形成される場合は、原料ガスが触媒機能により反応し、分解され又は改質される等の工程を経る必要のない気体、例えば水素ガス、又は水素ガスと他の気体との混合ガス等であるのが好ましい。   The hydrogen permeable membrane used in the hydrogen separator according to the present invention can selectively permeate hydrogen. The hydrogen permeable membrane is formed on the surface of the porous support, and when the porous support is cylindrical, it is formed on the inner surface and / or the outer surface of the porous support. When a hydrogen permeable membrane is formed on the inner surface of the porous support, a gas that does not need to go through steps such as reaction, decomposition or modification of the raw material gas by a catalytic function, such as hydrogen gas, or A mixed gas of hydrogen gas and other gas is preferable.

この発明に用いられる多孔質支持体は、その表面全体が水素透過膜で被覆されていることが好ましい。なぜならば、多孔質支持体の表面が水素透過膜で十分に被覆されおらず、多孔質支持体が露出し状態であると、その露出部分から水素ガス以外の成分が漏出し、水素ガスとして収集した気体中の水素純度を結果的に下げてしまうからである。この発明の水素分離装置に採用することのできる水素透過膜の材料としては、気体中の水素ガスを選択的に透過する膜であれば制限はなく、パラジウム、パラジウム合金、「無機化学命名法 IUPAC 1990年勧告」(1993年3月26日発行 訳・著者 山崎一雄)に記載の周期律表第5族元素、この元素を含む合金等の金属が好適に用いられる。前記第5族元素としては、例えば、V、Nb、Ta等が挙げられる。パラジウム合金及び前記第5族元素を含む合金に含まれるパラジウム及び前記第5族元素以外の金属としては、例えば、「無機化学命名法 IUPAC 1990年勧告」(1993年3月26日発行 訳・著者 山崎一雄)に記載の周期律表第3族元素(ランタノイド元素を含む)、第8族元素、第9族元素、第10族元素、第11族元素又はこれらの2種以上の組み合わせ等が挙げられる。周期律表第3族元素としてはY等を挙げることができ、ランタノイド元素としてはCe、Sm、Gd、Dy、Ho、Er、Yb等を挙げることができ、第8族元素としてはRu等、第9族元素としてはRh、Ir等が挙げられ、第10族元素としてはPt等を挙げることができ、更に第11族元素としてはCu、Ag、Au等を挙げることができる。   The entire surface of the porous support used in the present invention is preferably covered with a hydrogen permeable membrane. This is because if the surface of the porous support is not sufficiently covered with the hydrogen permeable membrane and the porous support is exposed, components other than hydrogen gas leak from the exposed portion and are collected as hydrogen gas. As a result, the purity of hydrogen in the gas is lowered. The material of the hydrogen permeable membrane that can be employed in the hydrogen separation apparatus of the present invention is not limited as long as it is a membrane that selectively permeates hydrogen gas in a gas. Palladium, palladium alloys, “inorganic chemical nomenclature IUPAC Metals such as Group 5 elements of the periodic table described in “1990 Recommendation” (translated on March 26, 1993, Author Kazuo Yamazaki) and alloys containing these elements are preferably used. Examples of the Group 5 element include V, Nb, and Ta. Examples of the palladium alloy and the metals other than the Group 5 element contained in the alloy containing the Group 5 element include, for example, “Inorganic Chemical Nomenclature IUPAC 1990 Recommendation” (published on March 26, 1993) Group 3 elements (including lanthanoid elements), group 8 elements, group 9 elements, group 10 elements, group 11 elements or combinations of two or more of these in the periodic table described in Kazuo Yamazaki) It is done. The group 3 element of the periodic table can include Y, the lanthanoid element can include Ce, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb, and the like, the group 8 element can include Ru, Examples of the Group 9 element include Rh and Ir, examples of the Group 10 element include Pt, and examples of the Group 11 element include Cu, Ag, and Au.

水素透過膜は、多孔質支持体の外表面又は内表面に、例えば、真空蒸着法、無電解めっき法、スパッタリング法等によって形成される。水素透過膜の厚さは、要求される水素分離性能、例えば水素ガスの透過速度及びガスの選択性並びに水素透過膜の機械的強度等によって決定され、例えば1〜30μmに調整することが好ましい。   The hydrogen permeable membrane is formed on the outer surface or inner surface of the porous support by, for example, a vacuum deposition method, an electroless plating method, a sputtering method, or the like. The thickness of the hydrogen permeable membrane is determined by the required hydrogen separation performance, for example, the hydrogen gas permeation rate and gas selectivity, and the mechanical strength of the hydrogen permeable membrane, and is preferably adjusted to 1 to 30 μm, for example.

前記取り付け部は、前記水素分離部が取り付けられる。前記取り付け部の形状は、水素分離部及び取り付け部以外の適宜に用いられる部材、例えば分離した水素ガスを導出する水素ガス導出部及び原料ガスから水素ガスを分離した後のガスを導出する残留ガス導出部等の構造、形状等に応じて、適宜選択される。取り付け部の形状としては、例えば板状、円盤状、フランジ状及び円筒状等が挙げられる。また、取り付け部の大きさは、水素ガス導出部等の大きさに応じて決定される。なお、取り付け部は多孔質ではなく、緻密で気体の透過性がないことが好ましい。   The attachment part is attached with the hydrogen separation part. The shape of the attachment part is a hydrogen separation part and a member used appropriately other than the attachment part, for example, a hydrogen gas deriving part for deriving the separated hydrogen gas, and a residual gas for deriving the gas after separating the hydrogen gas from the source gas It is appropriately selected according to the structure, shape, etc. of the lead-out part. Examples of the shape of the attachment portion include a plate shape, a disk shape, a flange shape, and a cylindrical shape. Further, the size of the attachment portion is determined according to the size of the hydrogen gas lead-out portion or the like. In addition, it is preferable that an attachment part is not porous, and is dense and does not have gas permeability.

この発明の水素分離装置において、水素分離部と取り付け部とはシール部材を介して接合される。   In the hydrogen separator according to the present invention, the hydrogen separator and the attachment are joined via a seal member.

通常の場合、水素分離装置においては多孔質支持体が所定の部位に固定されるので、その所定の部位に固定するためにシール部材が用いられる。このシール部材は、前記所定の部位に多孔質支持体を固定する際に加えられる圧力が多孔質支持体に直接に加えられることがなく、前記圧力を吸収することのできる材料で形成されることが要求される。この要求に応えることのできる前記シール部材を形成することのできる材料の物性としては、圧縮率(JIS−R3453に準拠。)が10〜90%であり、復元率(JIS−R3453に準拠。)が3〜70%であり、酸化開始温度(空気中での加熱によって重量が1%減少したときの温度とする。)が400℃以上であること等が挙げられる。具体的には、例えば膨張黒鉛がシール部材として用いられる。膨張黒鉛は黒鉛本来の高い耐熱性に加えて、高いシール性能を備えている。前記膨張黒鉛は、天然の黒鉛を濃硫酸、硝酸等の酸化剤により酸化処理することによって膨張させて得られる。膨張黒鉛を圧縮することによってこの発明の水素分離装置に用いられるシール部材として好ましい膨張黒鉛を得ることができる。   In a normal case, in the hydrogen separator, the porous support is fixed to a predetermined part, and therefore a seal member is used to fix the porous support to the predetermined part. The seal member is formed of a material that can absorb the pressure without the pressure applied when the porous support is fixed to the predetermined portion being directly applied to the porous support. Is required. As physical properties of the material that can form the seal member that can meet this requirement, the compression rate (based on JIS-R3453) is 10 to 90%, and the restoration rate (based on JIS-R3453). The oxidation start temperature (the temperature when the weight is reduced by 1% by heating in air) is 400 ° C. or higher. Specifically, for example, expanded graphite is used as the seal member. Expanded graphite has high sealing performance in addition to the high heat resistance inherent in graphite. The expanded graphite is obtained by expanding natural graphite by oxidizing it with an oxidizing agent such as concentrated sulfuric acid or nitric acid. By compressing the expanded graphite, it is possible to obtain expanded graphite that is preferable as a seal member used in the hydrogen separator of the present invention.

この発明の水素分離装置の特筆すべき点の一つとして、前記水素分離部において、前記シール部材に接触する部分の肉厚が、前記シール部材に非接触となる部分の肉厚よりも0.1〜30mm大きく、更に好ましくは、0.3〜10mm大きく、特に好ましくは、0.3〜5mm大きいことが挙げられる。前記シール部材に接触する部分の肉厚と前記シール部材に非接触となる部分の肉厚との差が、0.1mm未満であると、耐久性が改善しない可能性があり、30mmを超えると水素分離部が大きくなり、装置小型化の観点から好ましくない。   In one aspect of the hydrogen separator according to the present invention, the thickness of a portion of the hydrogen separator that contacts the seal member is less than the thickness of a portion that does not contact the seal member. 1 to 30 mm larger, more preferably 0.3 to 10 mm larger, and particularly preferably 0.3 to 5 mm larger. If the difference between the thickness of the portion that contacts the seal member and the thickness of the portion that does not contact the seal member is less than 0.1 mm, durability may not be improved, and if it exceeds 30 mm The hydrogen separation part becomes large, which is not preferable from the viewpoint of apparatus miniaturization.

水素分離部とシール部材とが接触する箇所は、熱等で水素分離部の体積変化が生じることにより、水素分離部とシール部材とが非接触となる箇所に比べて負荷がかかり易い。この体積変化に起因する負荷が水素分離部、特に水素透過膜を破壊しないように水素分離部の厚みを大きく形成して強度を上げることができる。一方、水素分離部の厚みを大きくすると、その厚みに応じて気体透過量が減少する可能性がある。そこで、この発明の水素分離装置の水素分離部においては、シール部材に接触する部分の肉厚が、シール部材に非接触となる部分の肉厚よりも大きく形成されて成るのである。この厚みが増している部分を、以下「補強部」と称することがある。補強部は前記多孔質支持体と同一の材料から形成されていれば、多孔質支持体とは異なる材料を用意して製造する必要がなく、効率的である。多孔質支持体が筒状である場合には、補強部を多孔質支持体の外側又は内側に形成することができる。補強部と多孔質支持体とは分離して形成されてもよく、水素分離部の形成工程中で補強部と多孔質支持体とが接着される。可能であるならば、補強部と多孔質支持体とは分離して形成せずに、一体となって形成されてもよい。   A portion where the hydrogen separation portion and the seal member are in contact with each other is more likely to be loaded than a portion where the hydrogen separation portion and the seal member are not in contact with each other due to a volume change of the hydrogen separation portion caused by heat or the like. The strength can be increased by increasing the thickness of the hydrogen separator so that the load caused by this volume change does not destroy the hydrogen separator, particularly the hydrogen permeable membrane. On the other hand, when the thickness of the hydrogen separation part is increased, the gas permeation amount may be reduced depending on the thickness. Therefore, in the hydrogen separation part of the hydrogen separator according to the present invention, the thickness of the portion that contacts the seal member is formed larger than the thickness of the portion that does not contact the seal member. The portion where the thickness is increased may be hereinafter referred to as “reinforcing portion”. If the reinforcing part is made of the same material as the porous support, it is not necessary to prepare and manufacture a material different from the porous support, which is efficient. When the porous support is cylindrical, the reinforcing portion can be formed outside or inside the porous support. The reinforcing part and the porous support may be formed separately, and the reinforcing part and the porous support are bonded in the process of forming the hydrogen separation part. If possible, the reinforcing portion and the porous support may not be formed separately but may be formed integrally.

したがって、この発明の水素分離装置は、水素分離部がシール部材を介して取り付けられ、かつ補強部が0.1〜30mm大きく形成されていることにより、熱等で水素分離部が体積変化を起しても、シール部材のシール性能及び補強部の強度が、水素分離部にかかる負荷から生じる水素分離部の破壊を防ぐことができる。   Therefore, in the hydrogen separation device of the present invention, the hydrogen separation part is attached via the seal member, and the reinforcement part is formed to be larger by 0.1 to 30 mm, so that the volume of the hydrogen separation part changes due to heat or the like. Even so, the sealing performance of the sealing member and the strength of the reinforcing portion can prevent the hydrogen separating portion from being broken due to the load applied to the hydrogen separating portion.

多孔質支持管が金属を含有している場合に、多孔質支持管の外表面又は内表面に水素透過膜が接触して形成されると、この発明の水素分離装置の使用環境によっては、多孔質支持管に含有されている金属成分が水素透過膜中に浸入し、水素透過膜の透過能を低下させてしまう状態、又は逆に水素透過膜に使用したパラジウムが多孔質支持体中のニッケルに固溶しながら多孔質体中に拡散してしまい、水素透過膜の水素の透過能を低下させてしまう状態を生じることが考えられる。こうした状態を生じる可能性のある環境下で、この発明の水素分離装置を用いるときは、多孔質支持管と水素透過膜との間に多孔質のバリア層を設けることにより、前記状態を防ぐことができる。もっとも、前記状態が生じない環境下、例えば触媒層を多孔質支持管とは別に設ける態様では、バリア層を設ける必要はない。   When the porous support tube contains a metal and the hydrogen permeable membrane is formed in contact with the outer surface or the inner surface of the porous support tube, depending on the use environment of the hydrogen separator of the present invention, the porous support tube may be porous. The metal component contained in the porous support tube penetrates into the hydrogen permeable membrane and reduces the permeability of the hydrogen permeable membrane, or conversely, the palladium used in the hydrogen permeable membrane is nickel in the porous support. It is conceivable that the hydrogen permeable membrane diffuses into the porous body while being dissolved in the solution, thereby reducing the hydrogen permeability of the hydrogen permeable membrane. When using the hydrogen separation device of the present invention in an environment where such a state may occur, the state is prevented by providing a porous barrier layer between the porous support tube and the hydrogen permeable membrane. Can do. However, in an environment where the above state does not occur, for example, in a mode in which the catalyst layer is provided separately from the porous support tube, it is not necessary to provide a barrier layer.

前記バリア層は、多孔質支持管を形成する材料の金属成分と水素透過膜を形成する材料の金属成分との相互拡散を防ぎ、かつ、気体が流通することのできる多孔質材料で形成されていればよく、例えば、無機酸化物等によって形成される。無機酸化物としては、例えば、ジルコニア、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、ランタンカルシウム、ランタンクロマイト、ランタンストロンチウム、又はこれらの混合物若しくは化合物等が挙げられる。バリア層は、触媒機能を有する多孔質支持管の触媒成分、例えば上述のニッケル等を除いた多孔質管として形成する場合が多い。なお、バリア層は、この発明の水素分離装置が使用されるときに多孔質状態であればよく、必ずしもバリア層の形成時に多孔質状態でなくてもよい。   The barrier layer is formed of a porous material that prevents mutual diffusion between the metal component of the material forming the porous support tube and the metal component of the material forming the hydrogen permeable membrane and allows gas to flow therethrough. For example, it is formed of an inorganic oxide or the like. Examples of the inorganic oxide include zirconia, stabilized zirconia, partially stabilized zirconia, aluminum oxide, magnesium oxide, lanthanum calcium, lanthanum chromite, lanthanum strontium, and mixtures or compounds thereof. In many cases, the barrier layer is formed as a porous tube excluding the catalyst component of the porous support tube having a catalytic function, such as nickel described above. The barrier layer may be in a porous state when the hydrogen separation device of the present invention is used, and may not necessarily be in a porous state when the barrier layer is formed.

バリア層は、上述のジルコニア等の材料を用いて、触媒機能を有する多孔質支持管上に、例えば、ディップコート法、スプレー吹き付け法、印刷法等によって形成される。また、触媒機能を有する多孔質支持管中の触媒金属を溶解除去法によって除去してもよい。触媒金属の溶解除去法とは、多孔質支持管のバリア層の形成予定部分から触媒機能を有する多孔質支持管中に含まれる金属を溶媒や反応剤を用いて溶出させる方法である。このとき用いられる溶媒や反応剤としては、金属を溶出できれば、特に限定されない。例えば、触媒機能を有する多孔質支持管が前記Ni−YSZサーメットで形成されている場合には、多孔質支持管の表面近傍に存在するNiを硫酸や塩酸等の酸を用いて溶出させることができる。バリア層は、多孔質支持管と水素透過膜とを形成する材料成分が相互に拡散しない程度であれば、その層厚は特に限定されず、例えば、5〜100μmに調整される。バリア層の層厚が5μm未満であると、多孔質支持管と水素透過膜とを形成する材料成分の相互拡散を防ぐことができないことがあり、一方、100μmを越えると、水素透過部材のスムーズな水素透過を妨げたり、多孔質支持管の水素製造機能を低下させることがある。   The barrier layer is formed on the porous support tube having a catalytic function by using a material such as zirconia as described above, for example, by a dip coating method, a spray spraying method, a printing method, or the like. Moreover, you may remove the catalyst metal in the porous support tube which has a catalyst function by a dissolution removal method. The catalyst metal dissolution and removal method is a method in which a metal contained in a porous support tube having a catalytic function is eluted from a portion where a barrier layer of the porous support tube is to be formed using a solvent or a reactant. The solvent and the reactant used at this time are not particularly limited as long as the metal can be eluted. For example, when a porous support tube having a catalytic function is formed of the Ni-YSZ cermet, Ni present in the vicinity of the surface of the porous support tube can be eluted using an acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid. it can. The thickness of the barrier layer is not particularly limited as long as the material components that form the porous support tube and the hydrogen permeable membrane do not diffuse with each other. For example, the barrier layer is adjusted to 5 to 100 μm. If the thickness of the barrier layer is less than 5 μm, mutual diffusion of the material components forming the porous support tube and the hydrogen permeable membrane may not be prevented. On the other hand, if the thickness exceeds 100 μm, the smoothness of the hydrogen permeable member May impede proper hydrogen permeation or reduce the hydrogen production function of the porous support tube.

以上の説明では、水素分離部は、その形状が円筒状として説明されているが、この発明の目的を達成することができる限り水素分離部の形状は、例えば多角筒状、湾曲若しくは屈曲した筒状に形成されてもよく、又は板状に形成される態様を採用してもよい。   In the above description, the hydrogen separation part is described as a cylindrical shape. However, the shape of the hydrogen separation part is, for example, a polygonal cylinder, a curved or bent cylinder as long as the object of the present invention can be achieved. It may be formed in a shape, or a form formed in a plate shape may be adopted.

この発明の水素分離装置を図面を参照しつつ以下に説明する。図1〜6は、この発明の水素分離装置の一実施例を示しているが、この発明の構成を有する限り、この発明の水素分離装置は図に示される実施例に限定されない。また、図1〜5においては、多孔質支持体が筒状に形成されているので、多孔質支持管と称することがある。   The hydrogen separator according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Although FIGS. 1-6 has shown one Example of the hydrogen separator of this invention, as long as it has the structure of this invention, the hydrogen separator of this invention is not limited to the Example shown by a figure. Moreover, in FIGS. 1-5, since the porous support body is formed in the cylinder shape, it may be called a porous support tube.

図1に示されたこの発明の一例である水素分離装置1は、水素分離部2と取り付け部3とを備えている。前記水素分離部2は、多孔質支持管4とその外表面に形成された水素透過膜5を備えて成る。図1に示される多孔質支持管4は、有底円筒形状を有しており、多孔質であるので、例えば気体が多孔質支持管4の内側から外側に流通することができ、かつ水素透過膜5を支持している。   A hydrogen separator 1 that is an example of the present invention shown in FIG. 1 includes a hydrogen separator 2 and an attachment 3. The hydrogen separator 2 includes a porous support tube 4 and a hydrogen permeable membrane 5 formed on the outer surface thereof. Since the porous support tube 4 shown in FIG. 1 has a bottomed cylindrical shape and is porous, for example, gas can flow from the inside to the outside of the porous support tube 4, and hydrogen permeation can be performed. The membrane 5 is supported.

図1に示されるこの発明の水素分離装置に設けられる補強部7は、取り付け部3とシール部材10とが水素分離部2に接触する端面で形成される端縁線11から突出しないように形成されている。これは、補強部7が形成される部位は水素分離部2の肉厚が大きく、補強部7が形成されずに肉厚が小さい部位に比べて気体透過量が小さくなるので、水素分離装置に要求される気体透過量に満たなくなる状態を防ぐことができることとなり、好ましい。   The reinforcing portion 7 provided in the hydrogen separation apparatus of the present invention shown in FIG. 1 is formed so that the attachment portion 3 and the seal member 10 do not protrude from the edge line 11 formed at the end surface in contact with the hydrogen separation portion 2. Has been. This is because the portion where the reinforcing portion 7 is formed has a large thickness of the hydrogen separation portion 2 and the gas permeation amount is smaller than the portion where the reinforcing portion 7 is not formed and the thickness is small. This is preferable because a state where the required gas permeation amount is not satisfied can be prevented.

前記水素分離部2の内部には、原料ガスを水素分離部2に供給することができるように原料ガス導入部12が挿入されている。また、図1に示される水素分離装置には、適宜に設けられる部材として、分離した水素ガスを導出する水素ガス導出部(図2〜5には図示せず。)及び原料ガスから水素ガスを分離した後のガスを導出する残留ガス導出部(図2〜5には図示せず。)を設けている。   A source gas introduction unit 12 is inserted inside the hydrogen separation unit 2 so that the source gas can be supplied to the hydrogen separation unit 2. In addition, in the hydrogen separation apparatus shown in FIG. 1, as a member provided as appropriate, a hydrogen gas deriving unit (not shown in FIGS. 2 to 5) for deriving the separated hydrogen gas and hydrogen gas from the source gas are used. A residual gas deriving section (not shown in FIGS. 2 to 5) for deriving the gas after separation is provided.

図2に示される水素分離装置においては、単に原料ガスを通過させる多孔質支持管4と、水素を生成することのできる触媒機能を有した触媒層6とを分けて形成した点が、図1に示される水素分離装置との相違点であり、この相違点以外は図1と同様の実施態様である。   In the hydrogen separator shown in FIG. 2, the porous support tube 4 that simply passes the raw material gas and the catalyst layer 6 that has a catalytic function capable of generating hydrogen are separately formed. 1 is the same as the embodiment shown in FIG. 1 except for this difference.

図3に示される水素分離装置においては、多孔質支持管4の内表面に水素透過膜5が形成されている点が、図1に示される水素分離装置との相違点であり、この相違点以外は図1と同様の実施態様である。図3に示される水素分離装置1における原料ガスは、反応し、分解され又は改質される等の工程を経る必要のない気体、例えば水素ガス又は単に水素ガスと他の気体との混合ガスであるのが好ましい。   In the hydrogen separation apparatus shown in FIG. 3, the hydrogen permeable membrane 5 is formed on the inner surface of the porous support tube 4, which is a difference from the hydrogen separation apparatus shown in FIG. Otherwise, the embodiment is the same as in FIG. The raw material gas in the hydrogen separator 1 shown in FIG. 3 is a gas that does not need to undergo a process such as reaction, decomposition, or reforming, such as hydrogen gas or simply a mixed gas of hydrogen gas and another gas. Preferably there is.

図4に示される水素分離装置においては、補強部7が多孔質支持管4の内側に形成されて成る点が、図1に示される水素分離装置との相違点であり、この相違点以外は図1と同様の実施態様である。   In the hydrogen separator shown in FIG. 4, the point that the reinforcing portion 7 is formed inside the porous support tube 4 is different from the hydrogen separator shown in FIG. 1, except for this difference. It is an embodiment similar to FIG.

図5に示される水素分離装置においては、多孔質支持管4が両端が開口した円筒形状を有している点が、図1に示される水素分離装置との相違点であり、この相違点以外は図1と同様の実施態様である。図5に示されるように両端が開口した円筒形状を有していることにより、図1で原料ガス導入部12として示される部材を設ける必要がなく、多孔質支持管4自体が原料ガスの導入部材となる。   In the hydrogen separator shown in FIG. 5, the point that the porous support tube 4 has a cylindrical shape with both ends opened is the difference from the hydrogen separator shown in FIG. Is an embodiment similar to FIG. Since it has a cylindrical shape with both ends opened as shown in FIG. 5, it is not necessary to provide a member shown as the source gas introduction part 12 in FIG. 1, and the porous support tube 4 itself introduces the source gas. It becomes a member.

多孔質支持体が板状に形成される態様を図6に示す。図6においては、水素分離部2が板状に形成されており、詳しくは、板状の多孔質支持体4の縁に補強部7が設けられ、かつ水素透過膜5が多孔質支持体4の表面に形成されている。更に、水素分離部2の外側に一対の枠体13が設けられ、該枠体13において、多孔質支持体4に面している側に原料ガス導入部12、及び水素透過膜5に面している側に水素ガス導出部8が設けられている。枠体13は、適宜の方法、例えば圧着、接着又は螺接等により一体となっている。図6では、枠体13と補強部7及び水素透過膜5との間にシール部材10が配設されており、該シール部材10は、その断面が矩形ではなく台形である。図6に示されるような形状のシール部材10を用いることにより、補強部7及び枠体13をシール部材10に押し付けると、図6における縦方向及び横方向にシール部材10を押し付ける力が作用することとなり、枠体13が密着していない場合にもシール部材10がガスの漏出を防ぐことのできる水素分離装置1が得られる。この発明の水素分離装置の多孔質支持体が板形状を有している場合に、該多孔質支持体は例えば円板状であってもよく、矩形板状であってもよい。また、多孔質支持体の形状に合わせてシール部材の形状を変更して、多孔質支持体の縁辺部に沿うようにシール部材を設けることにより、ガスの漏出を防ぐことができるので好ましい。   An embodiment in which the porous support is formed in a plate shape is shown in FIG. In FIG. 6, the hydrogen separation part 2 is formed in a plate shape. Specifically, the reinforcing part 7 is provided at the edge of the plate-like porous support body 4, and the hydrogen permeable membrane 5 is provided in the porous support body 4. Is formed on the surface. Further, a pair of frames 13 are provided outside the hydrogen separator 2, and the frame 13 faces the raw material gas inlet 12 and the hydrogen permeable membrane 5 on the side facing the porous support 4. A hydrogen gas lead-out portion 8 is provided on the side where the head is located. The frame 13 is integrated by an appropriate method such as pressure bonding, adhesion, or screw contact. In FIG. 6, a seal member 10 is disposed between the frame body 13, the reinforcing portion 7, and the hydrogen permeable membrane 5, and the seal member 10 has a trapezoidal cross section instead of a rectangle. When the reinforcing member 7 and the frame 13 are pressed against the seal member 10 by using the seal member 10 having a shape as shown in FIG. 6, a force for pressing the seal member 10 in the vertical direction and the horizontal direction in FIG. 6 acts. In other words, even when the frame 13 is not in close contact, the hydrogen separation device 1 is obtained in which the sealing member 10 can prevent gas leakage. When the porous support of the hydrogen separator according to the present invention has a plate shape, the porous support may be, for example, a disk shape or a rectangular plate shape. In addition, it is preferable to change the shape of the seal member in accordance with the shape of the porous support and to provide the seal member along the edge of the porous support, so that gas leakage can be prevented.

更なるこの発明の実施態様の一つとして、この発明の水素分離装置を備えた燃料電池の一例を図7〜9に示す。   As another embodiment of the present invention, an example of a fuel cell equipped with the hydrogen separator of the present invention is shown in FIGS.

この発明の前記燃料電池の好適例は、この発明の水素分離装置と電力発生装置とが一体に形成されて成り、前記水素分離装置に加えて、アノード層、電解質層及びカソード層を有する電力発生装置とを有して成る。このような燃料電池を一体型燃料電池と称することができる。水素分離装置と電力発生装置とが一体となった装置構成においては、上述の水素透過膜を電力発生装置におけるアノードとするのが、部品点数削減の見地から、好ましい。一体型燃料電池の多孔質支持体が、筒状に形成される一態様を図7に示し、また板状に形成される一態様を図8に示す。   A preferred embodiment of the fuel cell according to the present invention is formed by integrally forming the hydrogen separator and the power generator of the present invention. In addition to the hydrogen separator, the fuel cell has an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer. Device. Such a fuel cell can be referred to as an integrated fuel cell. In an apparatus configuration in which a hydrogen separator and an electric power generation apparatus are integrated, it is preferable from the viewpoint of reducing the number of parts that the hydrogen permeable membrane described above is an anode in the electric power generation apparatus. An embodiment in which the porous support of the integrated fuel cell is formed in a cylindrical shape is shown in FIG. 7, and an embodiment in which the porous support is formed in a plate shape is shown in FIG.

図7及び8に示される燃料電池14としては、上述の水素分離部2の水素透過膜5が燃料電池14のアノードとしての機能を有するように形成されるのが好ましい。なお、上述した水素透過膜を形成するのに用いることができる金属は、アノードとしての機能も有する水素透過膜を形成することができる。   The fuel cell 14 shown in FIGS. 7 and 8 is preferably formed so that the hydrogen permeable membrane 5 of the hydrogen separator 2 described above has a function as an anode of the fuel cell 14. Note that the metal that can be used to form the hydrogen permeable film described above can form a hydrogen permeable film that also functions as an anode.

次に、水素透過膜の表面に電解質層が設けられる。この電解質層は水素透過膜のアノードとしての機能によりイオン化した水素イオンを伝導し、通過させることができる。電解質層を形成することのできる材料は、水素イオンを通過させることができる限り制限はないが、例えばBa、Sr、Ca、Ce及びZrより成る群から選ばれる少なくとも1種を含有するペロブスカイト型の化合物を挙げることができる。電解質層は、前記ペロブスカイト型の化合物をバインダ及び分散剤と共に溶媒に添加してスラリーとし、水素透過膜の表面にスクリーン印刷等により塗布した後、熱処理して形成することができる。   Next, an electrolyte layer is provided on the surface of the hydrogen permeable membrane. This electrolyte layer can conduct and pass ionized hydrogen ions by the function of the anode of the hydrogen permeable membrane. The material that can form the electrolyte layer is not limited as long as hydrogen ions can pass therethrough. For example, a perovskite type material containing at least one selected from the group consisting of Ba, Sr, Ca, Ce, and Zr. A compound can be mentioned. The electrolyte layer can be formed by adding the perovskite compound together with a binder and a dispersant to a solvent to form a slurry, applying the slurry to the surface of the hydrogen permeable membrane by screen printing or the like, and then performing a heat treatment.

次いで、電解質層の表面にカソード層を形成する。このカソード層は燃料電池のカソードとしての機能を有する。カソード層を形成することのできる材料は、Ag、Pt、Ph又は式A1−XCO(式中のAは希土類元素であり、BはBa、Sr及びCaの1種以上を含む元素であり、CはCo、Fe及びMnの1種以上を含む元素である)等を採用することができる。カソード層は、電解質層と同様に、材料を含むスラリーを調整して、電解質層の表面にスクリーン印刷等により塗布した後、熱処理して形成することができる。 Next, a cathode layer is formed on the surface of the electrolyte layer. This cathode layer functions as a cathode of the fuel cell. The material that can form the cathode layer is Ag, Pt, Ph, or the formula A 1-X B X CO 3 (wherein A is a rare earth element and B includes one or more of Ba, Sr, and Ca). And C is an element including one or more of Co, Fe and Mn). Similarly to the electrolyte layer, the cathode layer can be formed by preparing a slurry containing a material and applying the slurry to the surface of the electrolyte layer by screen printing or the like, followed by heat treatment.

なお、電解質層及びカソード層はゾルゲル法又は蒸着法によっても形成することができる。   The electrolyte layer and the cathode layer can also be formed by a sol-gel method or a vapor deposition method.

このようにして形成された、アノードとしての機能を有する水素分離部、電解質層及びカソード層から成る積層体において、図7及び8に示されるようにアノード層としての機能を有する水素透過膜5とカソード層16との間に閉回路を設けて負荷をかけることにより電力を取り出す燃料電池14を形成することができる。更に、図7及び8に示されるように、燃料電池14のアノードとしての機能を有する水素透過膜5には、端子を接続し易いように接続端子20が設けられている。   In the laminated body composed of the hydrogen separator having the function as an anode, the electrolyte layer, and the cathode layer formed as described above, the hydrogen permeable membrane 5 having the function as the anode layer as shown in FIGS. By providing a closed circuit between the cathode layer 16 and applying a load, it is possible to form the fuel cell 14 that extracts power. Further, as shown in FIGS. 7 and 8, the hydrogen permeable membrane 5 having a function as an anode of the fuel cell 14 is provided with a connection terminal 20 so that the terminal can be easily connected.

燃料電池が筒状に形成される場合、図7に示されるような、筒の内側に多孔質支持管4を配置して外側に向って適宜に設けられるバリア層、水素透過膜5、電解質層15及びカソード層16の順に配置され、多孔質支持管4の内側に原料ガスを流通させ、かつカソード層16の外側に例えば空気等のカソードガスを流通させることにより、電気を取り出すことができる。更に、配置する層の順を逆にして、多孔質支持管の外側に原料ガスを流通させ、かつカソード層の内側にカソードガスを流通させることもできる。   When the fuel cell is formed in a cylindrical shape, a barrier layer, a hydrogen permeable membrane 5 and an electrolyte layer, which are appropriately provided outwardly by disposing a porous support tube 4 inside the tube as shown in FIG. 15 and the cathode layer 16 are arranged in this order, and electricity can be taken out by flowing a source gas inside the porous support tube 4 and a cathode gas such as air outside the cathode layer 16. Furthermore, the order of the layers to be arranged can be reversed, and the source gas can be circulated outside the porous support tube and the cathode gas can be circulated inside the cathode layer.

この発明に係る燃料電池は、前記一体型燃料電池に限らず、たとえばこの発明に係る水素分離装置と、この水素分離装置とは別体に形成されたところの、アノード層、電解質層及びカソード層を積層して成る積層体を具えた電力発生装置と、前記水素分離装置により取り出された水素ガスを前記電力発生装置に供給するガス供給ラインとを有してなる別体型燃料電池をも含む。該別体型燃料電池の一例が図9に示されている。図9では、水素ガス導出部8が電力発生装置17に接続され、かつカソードガスを導入するカソードガス導入部18も電力発生装置17に接続され、該電力発生装置17には水素ガス及びカソードガスから電力を取り出すことのできるアノード層19、電解質層15及びカソード層16を備えて成る。電力発生装置15は、供給されたガスから電力を取り出すことのできる電池としての機能を有する。図9に示される燃料電池14は、次のように作用する。先ず、水素分離部2で分離された水素が、通風機等を適宜に備えて成る水素ガス導出部8により電力発生装置17のアノード層19側に供給される。次いで、カソードガス導入部18では、例えば空気等のカソードガスが電力発生装置17のカソード層16側に供給される。次に、水素及びカソードガスが供給された電力発生装置17は、接続された回路で電力を取り出すことができる。   The fuel cell according to the present invention is not limited to the integrated fuel cell. For example, the hydrogen separator according to the present invention and an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer formed separately from the hydrogen separator. And a separate fuel cell having a power generation device including a laminate formed by stacking a gas supply line for supplying hydrogen gas extracted by the hydrogen separation device to the power generation device. An example of the separate fuel cell is shown in FIG. In FIG. 9, the hydrogen gas outlet 8 is connected to the power generator 17, and the cathode gas inlet 18 for introducing the cathode gas is also connected to the power generator 17, and the power generator 17 includes hydrogen gas and cathode gas. The anode layer 19, the electrolyte layer 15, and the cathode layer 16 that can extract electric power from the cathode are provided. The power generation device 15 has a function as a battery that can extract power from the supplied gas. The fuel cell 14 shown in FIG. 9 operates as follows. First, the hydrogen separated in the hydrogen separation unit 2 is supplied to the anode layer 19 side of the power generation device 17 by the hydrogen gas lead-out unit 8 appropriately provided with a ventilator or the like. Next, in the cathode gas introduction unit 18, for example, a cathode gas such as air is supplied to the cathode layer 16 side of the power generation device 17. Next, the power generation device 17 to which hydrogen and cathode gas are supplied can take out power with a connected circuit.

この発明の水素分離装置の水素分離部について、強度試験を行った。その強度試験の実施例及び比較例を以下に示す。   A strength test was performed on the hydrogen separator of the hydrogen separator according to the present invention. Examples and comparative examples of the strength test are shown below.

(実施例1)
酸化ニッケル60質量部と、イットリア8モル%を固溶させたジルコニア(以下、イットリアを固溶させたジルコニアを「YSZ」、8モル%固溶させた場合は「8YSZ」と称することがある。)40質量部とを混合した。更に造孔剤として黒鉛粉を混合して混合物を得た。この混合物を押出成形によって、有底円筒管(多孔質支持管と称されることになる)と、有底円筒管より外形及び内径が大きく、かつ両端が開口した円筒管(補強部と称されることになる)とを成形した。混合物をペースト状に調整して、有底円筒管の開口部近傍に円筒管を被せるようにペースト中の混合物で張り合わせ、1400℃で1時間焼成してNiO−YSZサーメットで形成された多孔質支持管を得た。このとき、補強部の厚みは0.1mmであった。
Example 1
Zirconia in which 60 parts by mass of nickel oxide and 8 mol% of yttria are dissolved (hereinafter, zirconia in which yttria is dissolved) is sometimes referred to as “YSZ”, and in the case of 8 mol% being dissolved as “8YSZ”. ) 40 parts by mass were mixed. Further, graphite powder was mixed as a pore forming agent to obtain a mixture. This mixture is extruded to form a bottomed cylindrical tube (which will be referred to as a porous support tube) and a cylindrical tube having a larger outer shape and inner diameter than the bottomed cylindrical tube and open at both ends (referred to as a reinforcing portion). Will be molded). Porous support formed with NiO-YSZ cermet by adjusting the mixture into a paste and pasting together with the mixture in the paste so that the cylindrical tube is covered in the vicinity of the opening of the bottomed cylindrical tube and firing at 1400 ° C for 1 hour Got the tube. At this time, the thickness of the reinforcing part was 0.1 mm.

得られた多孔質支持管を水素雰囲気下600℃で3時間還元処理を施すことにより、Ni−YSZサーメットで形成された触媒機能を有する多孔質支持管を得た。その後、多孔質支持管の気孔率、平均気孔径を測定した。測定した気孔率は10〜85%の範囲内であり、平均気孔径は0.4μmであった。   The obtained porous support tube was subjected to reduction treatment at 600 ° C. for 3 hours in a hydrogen atmosphere to obtain a porous support tube having a catalytic function formed of Ni—YSZ cermet. Thereafter, the porosity and average pore diameter of the porous support tube were measured. The measured porosity was in the range of 10 to 85%, and the average pore diameter was 0.4 μm.

8YSZとバインダとをエタノールに添加して、スラリーを調整した。このスラリーに多孔質支持管の外表面をディップコート法により、バリア層を被覆させた。バリア層の層厚は20μmであった。バリア層が被覆している多孔質支持管を乾燥させた。   8YSZ and a binder were added to ethanol to prepare a slurry. This slurry was coated with a barrier layer on the outer surface of the porous support tube by dip coating. The thickness of the barrier layer was 20 μm. The porous support tube covered with the barrier layer was dried.

次いで、バリア層を覆うように水素透過膜を無電解めっき法により形成した。この際、多孔質支持管の開口部は栓で封止してめっきを施した。ここで行った無電解めっき法は、先ず塩化錫二水和物の塩酸水溶液に多孔質支持管を浸漬し、洗浄した後、塩化パラジウムの塩酸水溶液に浸漬し、洗浄する操作を3回繰り返した。その後、アンモニア水及びヒドラジン水溶液を含むめっき液に多孔質支持管を浸漬して水素透過膜を形成させた。水素透過膜の膜厚は9μmであった。   Next, a hydrogen permeable film was formed by an electroless plating method so as to cover the barrier layer. At this time, the opening of the porous support tube was sealed with a stopper and plated. In the electroless plating method performed here, first, the porous support tube was immersed in an aqueous hydrochloric acid solution of tin chloride dihydrate, washed, and then immersed in an aqueous hydrochloric acid solution of palladium chloride and washed three times. . Thereafter, the porous support tube was immersed in a plating solution containing ammonia water and an aqueous hydrazine solution to form a hydrogen permeable membrane. The film thickness of the hydrogen permeable membrane was 9 μm.

補強部が形成された部位を以下のように切り出して破壊強度を測定した。水素分離部の補強部が形成されている部位を半径方向に5mm幅になるように切り出し、測定に影響を及ぼすことのないように、切り出した切断面に精密研磨を施した。これによって得られた環状体に対して、株式会社島津製作所製のオートグラフAGS−5kNDを用いて荷重をかけることにより、環状体の破壊強度を測定した。なお、荷重に偏りを生じることのないように、オートグラフに円柱の治具を取り付け、かつ該治具を環状体の一軸方向に均等に荷重がかかるように当接させて測定を行った。測定した破壊強度は、環状体の軸線方向の長さで除して単位長さあたりの破壊荷重を算出した。測定は、10個の環状体について行い、算出した破壊荷重の最大値及び最小値を除いた8点で平均値を算出した。   The site | part in which the reinforcement part was formed was cut out as follows, and the fracture strength was measured. The part where the reinforcing part of the hydrogen separation part was formed was cut out to have a width of 5 mm in the radial direction, and the cut surface was precisely polished so as not to affect the measurement. The fracture strength of the annular body was measured by applying a load to the obtained annular body using an autograph AGS-5kND manufactured by Shimadzu Corporation. The measurement was performed by attaching a cylindrical jig to the autograph so that the load was not biased, and contacting the jig so that the load was evenly applied in one axial direction of the annular body. The measured breaking strength was divided by the length of the annular body in the axial direction to calculate the breaking load per unit length. The measurement was performed on 10 annular bodies, and the average value was calculated at 8 points excluding the calculated maximum and minimum values of the fracture load.

(実施例2)
補強部の厚みを0.3mmとした以外は、実施例1と同様に水素分離部を形成させ、破壊強度を測定した。
(Example 2)
A hydrogen separation part was formed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the reinforcing part was 0.3 mm, and the fracture strength was measured.

(実施例3)
補強部の厚みを0.6mmとした以外は、実施例1と同様に水素分離部を形成させ、破壊強度を測定した。
(Example 3)
A hydrogen separation part was formed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the reinforcing part was 0.6 mm, and the fracture strength was measured.

(実施例4)
補強部の厚みを0.9mmとした以外は、実施例1と同様に水素分離部を形成させ、破壊強度を測定した。
Example 4
A hydrogen separation part was formed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the reinforcing part was 0.9 mm, and the fracture strength was measured.

(比較例1)
補強部を設けない、すなわち補強部の厚みを0mmとした以外は、実施例1と同様に水素分離部を形成させ、破壊強度を測定した。
(Comparative Example 1)
A hydrogen separation part was formed in the same manner as in Example 1 except that the reinforcing part was not provided, that is, the thickness of the reinforcing part was set to 0 mm, and the fracture strength was measured.

(比較例2)
補強部の厚みを0.05mmとした以外は、実施例1と同様に水素分離部を形成させ、破壊強度を測定した。
(Comparative Example 2)
A hydrogen separation part was formed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the reinforcing part was 0.05 mm, and the fracture strength was measured.

破壊荷重に加えて、補強部の厚みが0mmである比較例1に対する強度比も算出した。結果を表1に示す。   In addition to the breaking load, the strength ratio with respect to Comparative Example 1 in which the thickness of the reinforcing portion was 0 mm was also calculated. The results are shown in Table 1.

Figure 2008246314
Figure 2008246314

よって、この発明の水素分離装置は、補強部が形成されていることにより、水素分離部がシール部材に接触する部位の強度が高く、かつ水素分離部がシール部材に接触しない部位の水素透過性能を低下させることなく保持することができる。   Therefore, in the hydrogen separator according to the present invention, since the reinforcing portion is formed, the strength of the portion where the hydrogen separation portion contacts the seal member is high, and the hydrogen permeation performance of the portion where the hydrogen separation portion does not contact the seal member Can be held without lowering.

また、取り付け部にシール部材を介して水素分離部が取り付けられることにより、水素分離部が熱等により体積変化を生じた場合に気体の漏出が生じない。   In addition, since the hydrogen separation part is attached to the attachment part via a seal member, no gas leakage occurs when the hydrogen separation part undergoes a volume change due to heat or the like.

図1は、この発明の水素分離装置の一実施例を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an embodiment of the hydrogen separator according to the present invention. 図2は、この発明の水素分離装置の他の実施例を示し、水素分離部、取り付け部及び原料ガス導入部を表す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the hydrogen separator according to the present invention and showing a hydrogen separator, an attachment part, and a raw material gas introduction part. 図3は、この発明の水素分離装置の他の実施例を示し、水素分離部、取り付け部及び原料ガス導入部を表す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the hydrogen separator according to the present invention and showing a hydrogen separator, an attachment part, and a raw material gas introduction part. 図4は、この発明の水素分離装置の他の実施例を示し、水素分離部、取り付け部及び原料ガス導入部を表す断面図である。FIG. 4 shows another embodiment of the hydrogen separator according to the present invention, and is a cross-sectional view showing a hydrogen separator, an attachment part, and a raw material gas introduction part. 図5は、この発明の水素分離装置の他の実施例を示し、水素分離部、取り付け部及び原料ガス導入部を表す断面図である。FIG. 5 shows another embodiment of the hydrogen separator according to the present invention, and is a cross-sectional view showing a hydrogen separator, an attachment part, and a raw material gas introduction part. 図6は、この発明の水素分離装置の他の実施例を示す断面図である。FIG. 6 is a sectional view showing another embodiment of the hydrogen separator according to the present invention. 図7は、この発明の水素分離装置を備えた燃料電池の一実施例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing an embodiment of a fuel cell equipped with the hydrogen separator of the present invention. 図8は、この発明の水素分離装置を備えた燃料電池の他の実施例を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing another embodiment of a fuel cell equipped with the hydrogen separator of the present invention. 図9は、この発明の水素分離装置を備えた燃料電池の他の実施例を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing another embodiment of a fuel cell equipped with the hydrogen separator of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 水素分離装置
2 水素分離部
3 取り付け部
4 多孔質支持体(多孔質支持管)
5 水素透過膜
6 触媒層
7 補強部
8 水素ガス導出部
9 残留ガス導出部
10 シール部材
11 端縁線
12 原料ガス導入部
13 枠体
14 燃料電池
15 電解質層
16 カソード層
17 電力発生装置
18 カソードガス導入部
19 アノード層
20 接続端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hydrogen separator 2 Hydrogen separation part 3 Attachment part 4 Porous support body (porous support tube)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Hydrogen permeable film 6 Catalyst layer 7 Reinforcement part 8 Hydrogen gas derivation part 9 Residual gas derivation part 10 Seal member 11 Edge line 12 Raw material gas introduction part 13 Frame 14 Fuel cell 15 Electrolyte layer 16 Cathode layer 17 Electric power generation device 18 Cathode Gas introduction part 19 Anode layer 20 Connection terminal

Claims (4)

両端若しくは一端を開口する筒状であり、又は板状である多孔質支持体とその内表面及び/又は外表面に形成された、水素ガスを選択的に透過させる水素透過膜とを備えて成る水素分離部と、この水素分離部をシール部材を介して結合する取り付け部とを備え、前記水素分離部は、前記シール部材に接触する部分の肉厚が、前記シール部材に非接触となる部分の肉厚よりも0.1〜30mm大きいことを特徴とする水素分離装置。   It is provided with a porous support having a cylindrical shape that opens at both ends or one end, or a plate shape, and a hydrogen permeable membrane that is selectively formed on the inner surface and / or outer surface of the porous support to allow hydrogen gas to permeate therethrough. A hydrogen separation part, and an attachment part that couples the hydrogen separation part via a seal member, wherein the hydrogen separation part is a part in which the thickness of the part in contact with the seal member is not in contact with the seal member A hydrogen separator characterized by being 0.1 to 30 mm larger than the wall thickness. 前記シール部材が膨張黒鉛で形成されて成る前記請求項1に記載の水素分離装置。   The hydrogen separator according to claim 1, wherein the seal member is made of expanded graphite. 前記水素透過膜は、その一部又は全部がパラジウム又はパラジウムを含有する合金である前記請求項1又は2に記載された水素分離装置。   The hydrogen separator according to claim 1 or 2, wherein a part or all of the hydrogen permeable membrane is palladium or an alloy containing palladium. 前記請求項1〜3のいずれか1項に記載の前記水素分離装置で分離される水素を燃料として電力を取り出すことを特徴とする燃料電池。   The fuel cell which takes out electric power by making into use the hydrogen isolate | separated by the said hydrogen separation apparatus of any one of the said Claims 1-3 as a fuel.
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