[发明专利]氢渗透膜和使用该氢渗透膜的燃料电池

说明书

技术领域

本发明涉及氢渗透膜(hydrogen permeable film)和使用该氢渗透膜的燃料电池，所述氢渗透膜具有高的氢渗透性和氢选择性，其中氢渗透性随时间的下降小。

背景技术

氢渗透膜具有从氢气和其它气体的混合气体中仅选择性渗透氢的氢渗透性和氢选择性，并广泛用于从含氢气体中提取氢以及用于燃料电池。

作为氢渗透膜，提出了含有第5族元素如钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)等或钯(Pd)的具有优异氢渗透性的各种膜。其中，Pd在氢渗透性方面劣于第5族元素如V、Nb、Ta等，然而，Pd对外界空气中的氧气等具有优异的抗性并且在膜表面上生成原子氢的能力优异，这种能力是用于燃料电池所必需的。同时，Pd是非常昂贵的。在第5族元素中，由于可利用的Ta储量少，所以Ta也是昂贵的。另外，与V相比，Nb的氢诱导膨胀(hydrogen-inducedexpansion)量大并且坚硬，从而易于断裂。

因而，提出了一种具有Pd薄膜(覆盖层)的氢渗透膜，所述Pd薄膜通过气相沉积、溅射、镀覆(plating)等形成在主要由V或V合金组成的氢渗透性基材的表面上(例如，见特开平07-185277号公报(专利文献1)和特开2004-344731号公报(专利文献2))。

V或Pd的氢渗透性在300～600℃时最高并且在所述温度范围内使用氢渗透膜在工业上是有利的。如果在所述温度范围内使用如上所述的具有Pd膜(作为覆盖层形成在主要由V或V合金组成的氢渗透性基材表面上)的氢渗透膜，那么存在的问题是覆盖层中的Pd与包含在氢渗透性基材中的V或V合金之间发生相互扩散并且氢渗透性随时间下降。从而，例如在专利文献1等中提出了一种氢渗透膜，其具有插在覆盖层和氢渗透性基材之间的中间层。

专利文献1：特开平07-185277号公报

专利文献2：特开第2004-344731号公报

发明内容

本发明所解决的问题

如专利文献1所披露的，通过在覆盖层和氢渗透性基材之间形成中间层，抑制了氢渗透性基材和覆盖层之间的相互扩散。然而，在这种构形中，作为覆盖层的Pd膜与中间层之间发生相互扩散。特别是，难以防止覆盖层中的Pd扩散到中间层中。也难以将氢渗透性随时间的下降减小到令人满意的程度。另外，存在的问题是如果Ni等用于中间层则氢渗透性劣化。

为解决上述问题而实现了本发明。本发明的一个目的是提供包括中间层的氢渗透膜，所述中间层位于包含V或V合金的氢渗透性基材与Pd膜之间，其可抑制氢渗透性基材、中间层与Pd层之间的相互扩散，并改善氢渗透性随时间下降的问题。本发明的另一个目的是提供随时间劣化的问题得以改善的燃料电池，该燃料电池使用上述氢渗透膜。

解决问题的方法

经过充分的研究后，本发明的发明人发现，可通过在中间层的Pd膜一侧设置包含选自第8族、第9族或第10族的元素的层，来解决上述问题，从而完成本发明。本发明如下所述。

本发明的氢渗透膜包括包含V或V合金的氢渗透性基材、包含Pd并具有氢渗透性的Pd膜以及位于氢渗透性基材与Pd膜之间的中间层，所述中间层包括与氢渗透性基材接触的第一中间层以及与Pd膜接触的第二中间层，其中第一中间层包括选自Ta、Nb和它们的合金中的至少一种，第二中间层包括选自第8族元素、第9族元素、第10族元素和它们的合金中的至少一种并具有1nm～100nm的厚度。

在本发明的氢渗透膜中，优选地，第一中间层厚10nm～500nm。

另外，本发明还提供燃料电池，其包括如上所述的本发明的氢渗透膜以及设置在所述氢渗透膜的Pd膜上的质子导电膜。

本发明的效果

采用本发明的氢渗透膜，在包括氢渗透性基材、中间层和Pd膜的常规氢渗透膜中所发生的氢渗透性基材、中间层和Pd层之间的相互渗透得到抑制，并且即使是在300～600℃使用该氢渗透膜，氢渗透性随时间的下降也得以降低。因而，本发明的氢渗透性高且随时间劣化小的氢渗透膜可适当地用于从含氢气体中提取氢的氢提取器(hydrogen extractor)(氢分离膜)、氢传感器、燃料电池等。

采用本发明的在所述氢渗透膜的Pd膜上设置有质子导电膜的燃料电池，可得到优异的电动势并可降低电动势随时间的下降。

附图说明

图1是本发明优选实例的氢渗透膜1的截面示意图。

图2是本发明优选实例的燃料电池11的截面示意图。