透氫膜、裝有該透氫膜的燃料電池和氫提取裝置、以及製造該透氫膜的方法
2023-06-05 16:23:16 1
專利名稱：透氫膜、裝有該透氫膜的燃料電池和氫提取裝置、以及製造該透氫膜的方法
技術領域：
本發明涉及選擇性允許氫透過的透氫膜，裝有該透氫膜的燃料電池和氫提取裝置，以及製造該透氫膜的方法。
背景技術：
為從含氫氣體中提取氫，現已使用帶有含透氫金屬的層的透氫膜。例如，已知具有如下五層結構的透氫膜藉助於由陶瓷材料等製成的透氫中間層，分別在由釩(V)等製成的透氫金屬基層的兩面上提供含鈀(Pd)等的透氫金屬被覆層(日本專利公報No.7-185277A)。在如此構造的透氫膜中，通過提供透氫中間層，防止了因金屬被覆層向金屬基層中擴散而致的透氫性變差。
但是，如上所述由陶瓷材料製成的透氫中間層允許分子態的氫透過。因此，當氫運動至透氫金屬基層和透氫中間層之間或透氫金屬被覆層和透氫中間層之間時，需要有氫的離解或複合反應。這就無法改進整個透氫膜的透氫性。
發明內容
本發明的目的在於在不發生氫的離解反應或複合反應的前提下防止金屬在透氫膜中擴散。
本發明的首要方面涉及選擇性允許氫透過的透氫膜。該透氫膜包括含釩(V)的金屬基層、含鈀(Pd)的金屬被覆層、和在金屬基層與金屬被覆層之間由比金屬基層和金屬被覆層熔點高且具有透氫性的金屬形成的中間層。
根據如上所述構造的透氫膜，通過在金屬基層和金屬被覆層之間提供中間層，可以抑制金屬在金屬被覆層和金屬基層之間擴散，而且可以防止透氫膜的性能因金屬擴散而變差。由於中間層是由具有透氫性的金屬製成的，因此當氫運動至金屬基層和中間層之間以及中間層和金屬被覆層之間時，不需要有氫的離解反應或複合反應。因此，中間層的提供可以限制整個透氫膜的透氫性變差。此外，由於中間層是由比金屬基層和金屬被覆層熔點高的金屬製成的，因此可進一步提高抑制金屬在金屬基層和金屬被覆層之間擴散的效果。
構成中間層的金屬可以是由單一金屬元素構成的。
在該構造中，可以通過簡單的結構獲得防止金屬在金屬基層和金屬被覆層之間擴散的效果。
構成中間層的金屬可以是合金。
在該構造中，由於中間層是由合金製成的，因此在氫固溶入透氫膜時可以抑制中間層的膨脹，從而提高整個透氫膜的耐久性並防止透氫膜變差。合金可以是固溶體，金屬互化物或它們的混合物。
中間層可由比金屬基層和金屬被覆層熔點高的基底金屬和添加金屬構成的合金製成。可使用第V族金屬作為比金屬基層和金屬被覆層熔點高的基底金屬。
添加金屬可以是釩(V)或鈀(Pd)。
如果使用釩作為添加金屬，可以防止因添加金屬擴散入金屬基層而導致的金屬基層透氫性變差。如果使用鈀作為添加金屬，可以防止因添加金屬擴散入金屬被覆層而導致的金屬被覆層透氫性變差。
中間層可以包括與金屬基層接觸的第一中間層和與金屬被覆層接觸的第二中間層。第一中間層可含有釩(V)作為添加金屬。第二中間層可含有鈀(Pd)作為添加金屬。
在該構造中，可以獲得防止因添加金屬擴散入金屬基層而導致的金屬基層透氫性變差，及防止因添加金屬擴散入金屬被覆層而導致的金屬被覆層透氫性變差的效果。
添加金屬可含有選自鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉬(Mo)和鈦(Ti)的至少一種金屬。
在該構造中，可以防止因添加金屬擴散入金屬基層而導致的金屬基層透氫性變差。
或者，添加金屬可含有選自銀(Ag)、釓(Gd)、釔(Y)和鉑(Pt)的至少一種金屬。
在該構造中，可以避免因添加金屬擴散進金屬被覆層而導致金屬被覆層的透氫性變差。
中間層可以包括與金屬基層接觸的第一中間層和與金屬被覆層接觸的第二中間層。第一中間層可含有選自鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錳(Mn)和鈦(Ti)的至少一種金屬作為添加金屬。第二中間層可含有選自銀(Ag)、釓(Gd)、釔(Y)和鉑(Pt)的至少一種金屬作為添加金屬。
在該構造中，可以獲得防止因添加金屬擴散入金屬基層而導致的金屬基層透氫性變差，及防止因添加金屬擴散入金屬被覆層而導致的金屬被覆層透氫性變差的效果。
除前述幾種外可以多種方式實現本發明。例如可以如下方式，即製造透氫膜的方法、利用透氫膜的氫分離系統、利用透氫膜的燃料電池等實現本發明。
由以下優選實施方案的描述並參照附圖可以更清楚地了解本發明的上述和其它目的、特徵和優點，其中相同的數字代表相同的元素，並且其中圖1是表示透氫膜10的構造輪廓的斷面示意圖；圖2是表示透氫膜10的製造方法的流程圖；圖3是表示觀察透氫係數隨時間變化的實驗結果的說明圖；圖4是表示透氫膜110的構造輪廓的斷面示意圖；圖5是表示氫提取裝置20的構造的斷面示意圖；圖6是表示利用透氫膜的燃料電池構造的斷面示意圖。
優選實施方案詳述下面，以如下順序對本發明的實施方案加以說明。
A.透氫膜的結構B.透氫膜的製造方法C.其它實施方案D.採用透氫膜的裝置E.變形例A.透氫膜的結構圖1是表示作為第一實施方案的透氫膜10的構造輪廓的斷面示意圖。透氫膜10具有如下五層結構金屬基層12、在金屬基層12的兩個表面上形成的中間層14和分別在中間層14上形成的金屬被覆層16。
金屬基層12是由釩(V)或含釩(V)金屬如含50％或更多釩作主要成分的釩合金製成的，並且具有優良的透氫性。
金屬被覆層16是由鈀(Pd)或含鈀(Pd)金屬如含50％或更多Pd作主要成分的鈀合金製成的。金屬被覆層16起到了催化劑層的作用，其活性足以促進透氫膜表面上氫分子的離解反應或複合反應。
中間層14是由具有透氫性且比構成金屬基層12的金屬和構成金屬被覆層16的金屬熔點高的金屬製成的。該實施方案的中間層14是由鉭(Ta)製成的。提供中間層14以防止金屬基層12和金屬被覆層16之間的金屬擴散。除鉭(Ta)外，中間層14還可以是由具有透氫性且比構成金屬基層12的金屬和構成金屬被覆層16的金屬熔點高的金屬鈮(Nb)製成的。鈮(Nb)和鉭(Ta)均屬於第V族金屬。
B.透氫膜的製造方法圖2是表示透氫膜10的製造方法的流程圖。在透氫膜10的製造過程中，首先製備含釩的金屬層作金屬基層12(步驟S100)。在步驟S100中，利用鹼性溶液腐蝕所製備的金屬基層12的表面以去除雜質，例如在表面上形成的氧化物膜。
在步驟S100之後，在所製備的金屬基層12的兩表面上形成由鉭製成的中間層14(步驟S110)。中間層14可以是通過鍍層處理如非電解鍍層或電鍍、PVD法或CVD法等形成的。然後，在兩中間層14上形成含鈀的金屬被覆層16(步驟S120)，從而製得透氫膜。金屬被覆層16可以是通過鍍層處理如非電解鍍層或電鍍、PVD法或CVD法等形成的。
在透氫膜10的製造過程中，各層的厚度可以根據基於預定目的確定的所需透氫性和所需強度來設定。例如，金屬基層12可以具有10至100μm的厚度。金屬被覆層16可以具有0.1至10μm的厚度。由於如上所述金屬被覆層16起到催化劑層的作用，因此其可以比金屬基層12更薄。由於中間層僅是置於金屬基層12和金屬被覆層16之間以避免它們之間的金屬擴散，因此中間層可以比金屬被覆層16更薄。例如，中間層可以是0.01至10μm厚。
根據該實施方案的透氫膜10，通過提供由具有透氫性的金屬製成的中間層14，可以抑制金屬基層12和金屬被覆層16之間的金屬擴散並防止透氫膜的性能因金屬擴散而降低。在具有金屬基層12或金屬被覆層16的情況下，中間層14是由允許氫以氫原子(或質子)透過的金屬製成的。因此，當氫運動至金屬基層12和中間層14之間以及中間層14和金屬被覆層16之間時，氫分子的離解反應或複合反應就不是必需的。因此，中間層14的提供可以防止整個透氫膜的透氫性能變差。由於中間層14是由比金屬基層12和金屬被覆層16熔點高的金屬製成的，因此可進一步提高抑制金屬在金屬基層12和金屬被覆層16之間擴散的效果。通常，金屬的熔點越高，金屬就越不易於擴散。因此，通過使用熔點比金屬基層12和金屬被覆層16高的合金形成中間層，可進一步提高抑制金屬擴散的效果。
下面對觀察該實施方案的透氫膜10性能的實驗結果加以說明。在該實驗中，將該實施方案的透氫膜10的性能與作為對比例的無中間層14的透氫膜的性能進行比較。下文將對實驗結果中透氫膜10和作為對比例的透氫膜的具體條件加以說明。透氫膜10具有圖1所示的五層結構，而作為對比例的透氫膜具有三層結構，即在金屬基層12的兩面上覆蓋金屬被覆層16。在該實驗的實施例中，中間層14是通過作為PVD法的電子束蒸發形成的。
透氫膜10；金屬基層12(100μm厚的釩層)，中間層14(0.03μm厚的鉭層)，金屬被覆層16(0.1μm厚的鈀層)對比例；金屬基層12(100μm厚的釩層)，中間層14(無)，金屬被覆層16(0.1μm厚的鈀層)
對於上述兩種類型的透氫膜，在500℃下使0.2MPa的氫氣沿一面流動並使0.1MPa的氫氣沿另一面流動時，計算透氫係數並觀察透氫係數隨時間的變化。實驗結果如圖3所示。如圖3所示，與無中間層14的作為對比例的透氫膜相比，具有中間層14的透氫膜10具有更高的透氫係數，與消耗時間(透氫膜暴露於氫流的操作時間)無關。換言之，作為在上述條件下將各透氫膜暴露於氫流中並每隔20分鐘計算透氫係數的結果，透氫膜10具有約75(Nm3/m2/hr/MPa0.5)的穩定透氫係數。而作為對比例的透氫膜10具有約25(Nm3/m2/hr/MPa0.5)的透氫係數。從而表明中間層14的提供可以在透氫膜中保持更高的透氫係數。
C.其它實施方案在第一實施方案中，中間層14是由單一金屬元素製成的。但中間層14可由具有透氫性並比金屬基層12和金屬被覆層16熔點高的合金製成。下文將對作為第二至第七實施方案的上述構造加以說明。
C-1.第二實施方案與第一實施方案的情況相似，第二實施方案的透氫膜具有圖1所示的五層結構。在第二實施方案的透氫膜中，中間層14是由含基底金屬鉭(Ta)和添加金屬釩(V)的合金(Ta-V合金)製成的。鉭本身具有透氫性並具有比釩和鈀高的熔點。通過使用釩作為添加金屬對鉭合金化，得到的合金也具有透氫性，具有比釩和鈀高的熔點，並具有比構成金屬基層12和金屬被覆層16的金屬高的熔點。第二實施方案的透氫膜和下述第三至第七實施方案的透氫膜也可以用與第一實施方案的透氫膜相同的方法製造。例如，為製造第二實施方案的透氫膜，可以通過如圖2所示製造方法的步驟S110中的鍍層處理如非電解鍍層或電鍍、PVD法或CVD法等適當地形成Ta-V合金層。
根據如此構造的第二實施方案的透氫膜10，除獲得與第一實施方案類似的效果外還獲得以下效果。換言之，根據第二實施方案的透氫膜10，由於中間層14是由合金製成的，因此可以抑制中間層14中的氫致膨脹，提高整個透氫膜10的耐久性，並防止透氫膜10的性能變差。具有透氫性的金屬在氫的固溶時通常具有膨脹的性質(下文稱為氫致膨脹)，但合金比單一金屬具有更低的氫致膨脹度。因此，根據第二實施方案，可以防止透氫膜的耐久性因中間層14的氫致膨脹而變差。
鉭比含釩的金屬基層12和含鈀的金屬被覆層16具有更大的氫致膨脹度，但鉭-釩合金具有比鉭更低的氫致膨脹度。因此，根據第二實施方案，中間層14和與其鄰近的金屬基層12或金屬被覆層16之間的氫致膨脹度之差小於第一實施方案的上述氫致膨脹度之差，並因此可以抑制因相鄰層之間的氫致膨脹係數之差而導致的透氫膜耐久性變差。因此，第二實施方案的透氫膜與第一實施方案的透氫膜相比可進一步提高耐久性。
根據該實施方案的透氫膜10，作為構成中間層14的合金，可使用與構成金屬基層12相同類型的釩作為加入到基底金屬鉭中的添加金屬。因此可進一步提高防止透氫膜性能因金屬擴散而變差的效果。金屬的擴散通常是由高濃度一側向低濃度一側進行。因此，中間層中低濃度的釩幾乎不會向具有高濃度釩的金屬基層12擴散。這樣，通過使用構成金屬基層12的釩作為添加金屬，可以防止金屬基層12的透氫性因構成中間層14的添加金屬向金屬基層12擴散而變差。即使釩由中間層向金屬基層12擴散，由於釩與構成金屬基層12的金屬類型相同，因此金屬基層12的透氫性也不會變差。
C-2.第三實施方案儘管在第二實施方案中使用釩作為構成中間層14的合金中所含的添加金屬，但可以用鈀代替釩。換言之，在圖1所示的透氫膜10中，中間層14還可以是由含鉭作基底金屬和鈀作為添加金屬的合金製成的。
如上所述的第三實施方案的透氫膜也可獲得與第二實施方案的透氫膜相似的效果。換言之，通過提供中間層可以防止金屬基層和金屬被覆層之間的金屬擴散。由於當氫運動至各層之間時無需氫分子的離解反應或複合反應，因此通過提供中間層可以抑制整個透氫膜的透氫性能變差。通過使用比金屬基層12和金屬被覆層16熔點高的金屬構成中間層，可以提高防止金屬擴散的效果。此外，通過使用合金構成中間層，可以抑制中間層中的氫致膨脹，防止透氫膜的透氫性變差並提高透氫膜的耐久性。
此外，通過使用鈀作為中間層14中所含的添加金屬，可進一步提高防止透氫膜性能因金屬擴散而變差的效果。換言之，由於不可能發生金屬由具有低濃度鈀的中間層向具有高濃度鈀的金屬被覆層16擴散，因此可以防止金屬被覆層16的透氫性因構成中間層的添加金屬向金屬被覆層16擴散而變差。即使鈀由中間層向金屬被覆層16擴散，由於鈀與構成金屬被覆層16的金屬類型相同，因此金屬被覆層16的透氫性也不會變差。
C-3.第四實施方案在圖1所示的透氫膜10中，中間層14是由添加金屬和基底金屬鉭構成的。添加金屬可含有選自鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉬(Mo)和鈦(Ti)的至少一種金屬。該構造也可以使其獲得與第二實施方案類似的效果。此外，即使作為添加金屬的上列金屬已擴散至釩中，它們也不可能使釩的透氫性變差。因此，通過使用上述金屬作為添加金屬，可以防止整個透氫膜的透氫性因添加金屬擴散到金屬基層12中而變差。
C-4.第四實施方案在圖1所示的透氫膜10中，中間層14是由添加金屬和基底金屬鉭構成的。中間層14可含有選自銀(Ag)、釓(Gd)、釔(Y)和鉑(Pt)的至少一種金屬。該構造也可以獲得與第二實施方案類似的效果。此外，作為添加金屬的上列金屬與鈀合金化後，具有提高鈀的透氫性的性質。因此，通過使用上述金屬作為添加金屬，可以防止整個透氫膜的透氫性因添加金屬擴散到金屬被覆層16中而變差。
C-5.第六實施方案圖4是表示第六實施方案的透氫膜110的構造輪廓的斷面示意圖；透氫膜110具有七層結構，其中將第一中間層114和第二中間層115分別置於金屬基層12和金屬被覆層16之間，這與第二實施方案的透氫膜10的構造類似。在金屬基層12的兩表面上形成的第一中間層是由作為基底金屬的鉭和作為添加金屬的釩的合金製成的，這與第二實施方案的透氫膜10所提供的中間層14的情況相同。分別在第一中間層114和金屬被覆層16之間形成的第二中間層115是由作為基底金屬的鉭和作為添加金屬的鈀的合金製成的，這與第三實施方案的透氫膜所提供的中間層的情況相同。
在該構造中，也可以獲得因使用由具有透氫性的高熔點合金製成的中間層而得到的上述效果。此外，通過提供含釩作為添加金屬的第一中間層114，可以防止因添加金屬擴散到金屬基層12中而導致的透氫性變差，這與第二實施方案的情況相同。此外，通過提供含鈀作為添加金屬的第二中間層115，可以防止因添加金屬擴散到金屬被覆層16中而導致的透氫性變差，這與第三實施方案的情況相同。
C-6.第七實施方案在圖4所示的透氫膜110中，與第四實施方案的情況相同可使用選自Co、Ni、Cu、Mo和Ti的至少一種金屬作為第一中間層114所含的添加金屬，並且與第五實施方案的情況相同可使用選自Ag、Gd、Y和Pt的至少一種金屬作為第二中間層所含的添加金屬。該構造也可以獲得因使用由具有透氫性的高熔點合金製成的中間層而得到的上述效果。此外，通過提供含有選自Co、Ni、Cu、Mo和Ti的至少一種金屬作為添加金屬的中間層114，可以抑制因添加金屬擴散到金屬基層12中而導致的透氫性變差，這與第四實施方案的情況相同。此外，通過提供含有選自Ag、Gd、Y和Pt的至少一種金屬作為添加金屬的第二中間層115，可以防止因添加金屬擴散到金屬被覆層16中而導致透氫性變差，這與第五實施方案的情況相同。
還可以採用如下構造，其中將第六實施方案中的第一和第二中間層的組合與第七實施方案中的第一和第二中間層的組合交換。換言之，透氫膜可包含第六實施方案中使用釩作為添加金屬的第一中間層114，和第七實施方案中使用選自Ag、Gd、Y和Pt的至少一種金屬作為添加金屬的第二中間層。或者，透氫膜可包含第七實施方案中使用選自Co、Ni、Cu、Mo和Ti的至少一種金屬作為添加金屬的第一中間層，和第六實施方案中使用鈀作為添加金屬的第二中間層115。上述情況也可以分別獲得與所用添加金屬相應的上述效果。
D.使用透氫膜的裝置D-1.氫提取裝置圖5是表示利用第一實施方案的透氫膜10的氫提取裝置20構造的斷面示意圖。氫提取裝置20具有層疊多個透氫膜10的結構。圖5僅示出了與層疊的透氫膜10有關的構造。在氫提取裝置20中，將與透氫膜10外周部分相連的支撐部分22置於層疊的透氫膜10之間。通過透氫膜10之間的支撐部分22限定預定空間。合適的是支撐部分22可與透氫膜10連接並具有足夠的硬度。例如，如果支撐部分22是由金屬材料如不鏽鋼(SUS)製成的，則易於與作為金屬層的透氫膜10連接。
在各透氫膜10之間形成的上述預定空間交替形成含氫氣體通道24和吹掃氣體通道26。待提氫的含氫氣體是由含氫氣體供應部(沒有表示)供應給各含氫氣體通道24。含足夠低濃度氫的吹掃氣體是由吹掃氣體供應部(未表示)供應給各吹掃氣體通道26。在供應給含氫氣體通道26的氣體中的氫根據濃度差通過透氫膜10向吹掃氣體通道26滲透，由此從含氫氣體中提取氫。
通過提供具有第一實施方案的透氫膜10的、如上構造的氫提取裝置20，可以防止透氫性能因金屬擴散而變差並防止氫提取裝置20的性能變差。用於氫提取裝置20的透氫膜可以是其它實施方案的任一種透氫膜。在這種情況下，通過利用合金形成各實施方案的透氫膜的中間層，可以防止耐久性和透氫性因氫致膨脹而變差，而且可以獲得與中間層中所含添加金屬相應的上述效果。
D-2.燃料電池圖6表示利用第一實施方案的透氫膜10的燃料電池構造的斷面示意圖。儘管圖6表示單電池30，但燃料電池是通過堆積多個單電池30形成的。
單電池30具有MEA(膜電極組件)31，該MEA是由透氫膜10、在透氫膜10的一面上形成的電解質層32和在電解質層32上形成的陰極34構成的。單電池30還具有從兩側將MEA31夾在中間的兩個氣體分離器36和37。在透氫膜10和與其相鄰的氣體分離器36之間形成通過含氫燃料氣體的單電池燃料氣流道38。在陰極34和與其相鄰的氣體分離器37之間形成通過含氧氧化氣體的單電池氧化氣流道39。
電解質層32是由具有質子傳導性的固體電解質製成的層。例如，可使用BaCeO3或SrCeO3型的陶瓷質子導體作為構成電解質層32的固體電解質。電解質層32可通過上述固體氧化物的產生在透氫膜10上形成。例如，可使用各種方法如PVD和CVD作為形成電解質層32的方法。通過在透氫膜10上形成作為緻密金屬膜的電解質層32，可減少電解質層32的厚度並進一步降低膜電阻。因此，可在約200至600℃進行發電，這低於相關技術中固體-氧化物燃料電池的工作溫度。
陰極34是對促進電化學反應具有催化活性的層。在該實施方案中，提供由貴金屬鉑製成的多孔鉑層作陰極34。在單電池30中，在陰極34和氣體分離器37之間或透氫膜10和氣體分離器36之間進一步提供了具有電導性和透氣性的集電極部分。集電極部分可以是由板材如多孔泡沫金屬或金屬網、碳布、碳紙、陶瓷材料等製成的。
氣體分離器36和37是由導電材料如碳或金屬形成的可透氣的部件。在氣體分離器36或37的表面上形成構成單電池燃料氣流道38或單電池氧化氣流道39的預定凹口和凸面。在實際的燃料電池中，氣體分離器36和37並不是作為不同種類的部件而構造的。預定的單電池30的單電池燃料氣流道38是在氣體分離器36和37之一的面上形成的，並且與上述預定的單電池30相鄰的單電池30的單電池氧化氣流道39是在另一分離器的面上形成的。或者，在相鄰的單電池30之間，在其中一單電池的氣體分離器36和另一單電池的氣體分離器37之間提供冷卻介質流道。
通過提供如上所述具有第一實施方案的透氫膜10的燃料電池，可以防止透氫性因金屬擴散而變差，並防止燃料電池的性能變差。可將其它任一實施方案的透氫膜用於燃料電池。在這種情況下，通過使用合金形成各實施方案的透氫膜的中間層，可以抑制耐久性和透氫性因氫致膨脹而變差，並且可以獲得與中間層所含添加金屬相應的上述效果。
與圖1所示的透氫膜10不同，在圖6所示燃料電池中的透氫膜還可以如此構造，即與電解質層32接觸的表面上沒有金屬被覆層或中間層。
E.變形例本發明可以多種方式實施而不限於上述實施方案，只要不脫離本發明的主旨即可。例如，以下變更也是可以的。
E1.變形例1儘管在上述第二至第七實施方案中構成中間層的基底金屬是鉭，但也可以使用其它金屬作基底金屬。例如，屬於第V族金屬的鈮(Nb)與鉭一樣具有透氫性並具有比釩和鈀高的熔點，因此可以代替鉭作基底金屬使用。在將第V族金屬釩和預定的添加金屬合金化而形成比金屬基層12和金屬被覆層16具有更高熔點並具有透氫性的中間層時，釩和預定的添加金屬可一起作為構成中間層的基底金屬使用。基底金屬並不限於第V族金屬如鈮和鉭。任意金屬均可通過與添加金屬合金化而使用，只要所得合金具有比含釩的金屬基層和含鈀的金屬被覆層高的熔點並具有透氫性即可。由此也可以取得與上述實施方案類似的效果。基底金屬佔構成中間層的全部合金的比例可以在大於50％的範圍內適當地設定，從而根據與基底金屬待結合的添加金屬充分提高所得合金的透氫性和熔點。
E2.變形例2構成中間層的添加金屬可以不是各實施方案所述及的那些。通過與基底金屬合金化，可使用任意的添加金屬，只要所得合金具有比金屬基層和金屬被覆層高的熔點並具有透氫性即可。由此也可以取得與上述實施方案類似的效果。除了在實施方案中述及的金屬外，例如可使用鎢(W)作為添加金屬。或者，例如在使用鉭作基底金屬時可使用鈮，或在使用鈮作基底金屬時可使用鉭作為添加金屬。
通過使用多種金屬作為構成中間層的添加金屬，也可以獲得與相互組合的金屬相應的效果。例如，可將在第四實施方案中用作為添加金屬的選自Co、Ni、Cu、Mo和Ti的金屬與在第五實施方案中用作為添加金屬的選自Ag、Gd、Y和Pt的金屬相互組合用作為添加金屬。在這種情況下，可以獲得抑制透氫性因添加金屬向金屬基層12擴散而變差的效果，以及抑制透氫性因添加金屬向金屬被覆層16擴散而變差的效果。如果將用作為添加金屬的多種金屬組合得到的合金是具有透氫性的高熔點合金，則任何組合都是可以的。
E3.變形例3
儘管在上述第一至第七實施方案中的各透氫膜作為薄金屬膜是具有透氫性的自支撐膜，但透氫膜還可以是用透氫金屬在具有透氣性的多孔襯底上形成的。換言之，為形成以金屬被覆層、中間層、金屬基層、中間層、金屬被覆層的順序層疊的金屬層，可使用在多孔層上順序形成各金屬層而獲得的透氫膜。如此在多孔襯底上得到的透氫膜可代替實施方案中的透氫膜10用於圖5所示的氫提取裝置。
權利要求
1.一種選擇性允許氫透過的透氫膜，其包括含釩(V)的金屬基層；含鈀(Pd)的金屬被覆層；和在所述金屬基層與所述金屬被覆層之間形成的中間層，其由熔點比所述金屬基層和所述金屬被覆層高且具有透氫性的金屬製成。
2.根據權利要求1的透氫膜，其中構成所述中間層的金屬由單一金屬元素構成。
3.根據權利要求2的透氫膜，其中所述金屬元素是鉭(Ta)或鈮(Nb)。
4.根據權利要求1的透氫膜，其中構成所述中間層的金屬是合金。
5.根據權利要求4的透氫膜，其中所述中間層由合金製成，所述合金由熔點比所述金屬基層和所述金屬被覆層高的基底金屬和添加金屬構成。
6.根據權利要求5的透氫膜，其中所述基底金屬是V族金屬。
7.根據權利要求5或6的透氫膜，其中所述添加金屬是釩(V)或鈀(Pd)。
8.根據權利要求5或6的透氫膜，其中所述中間層包括與所述金屬基層接觸的第一中間層和與所述金屬被覆層接觸的第二中間層，其中所述第一中間層包括釩(V)作為所述添加金屬，及其中所述第二中間層包括鈀(Pd)作為所述添加金屬。
9.根據權利要求5或6的透氫膜，其中所述添加金屬含有選自鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、鉬(Mo)和鈦(Ti)的至少一種金屬。
10.根據權利要求5或6的透氫膜，其中所述添加金屬含有選自銀(Ag)、釓(Gd)、釔(Y)和鉑(Pt)的至少一種金屬。
11.根據權利要求5或6的透氫膜，其中所述中間層包括與所述金屬基層接觸的第一中間層和與所述金屬被覆層接觸的第二中間層，其中所述第一中間層包括選自鈷(Co)、鎳(Ni)、銅(Cu)、錳(Mn)和鈦(Ti)的至少一種金屬作為所述添加金屬，及其中所述第二中間層包括選自銀(Ag)、釓(Gd)、釔(Y)和鉑(Pt)的至少一種金屬作為所述添加金屬。
12.一種燃料電池，其包括電解質膜，包括具有質子傳導性的電解質層和在該電解質層的一面上形成的透氫膜；向所述電解質膜的一面供應含氧氧化氣體的氧化氣體供應部；和向所述電解質膜的另一面供應含氫燃料氣體的燃料氣體供應部，其中所述透氫膜是根據權利要求1至11任一項的透氫膜。
13.一種用於從含氫氣體中提取氫的氫提取裝置，其包括根據權利要求1至11任一項的透氫膜；在所述透氫膜的第一面上形成的、所述含氫氣體通過的含氫氣體流道；和在所述透氫膜的第二面上形成的、透過所述透氫膜並且從所述含氫氣體中提取的氫通過的提取氫流道。
14.一種選擇性允許氫透過的透氫膜的製造方法，其包括製備含釩(V)的金屬基層；在所述金屬基層上形成由合金製成的中間層；和在所述中間層上形成含鈀(Pd)的金屬被覆層，其中所述合金具有比所述金屬基層和所述金屬被覆層高的熔點並具有透氫性。
全文摘要
本發明所述為選擇性允許氫透過的透氫膜(10)，其包括含釩(V)的金屬基層(12)、含鈀(Pd)的金屬被覆層(16)、和在金屬基層(12)與金屬被覆層(16)之間形成的中間層(14)，所述中間層(14)由比金屬基層(12)和金屬被覆層(16)熔點高且具有透氫性的金屬製成。
文檔編號C01B3/50GK1946469SQ200580012945
公開日2007年4月11日 申請日期2005年7月21日 優先權日2004年7月26日
發明者青山智, 佐藤博道, 上村卓, 水野修, 吉田健太郎, 井原寬彥 申請人:豐田自動車株式會社, 住友電氣工業株式會社