专利名称：：具有载体的氢分离膜、具有此膜的燃料电池和氢分离装置及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及具有载体的氢分离膜、具有此膜的燃料电池和氢分离装置及其制造方法。
背景技术：
：燃料电池是通常利用氢和氧作为燃料获得电能的装置。因为燃料电池具有环境优异性并且还可以实现高的能效，所以燃料电池正被广泛开发作为未来能量供应系统。在燃料电池中，使用固体电解质的燃料电池包括固体聚合物燃料电池、固体氧化物燃料电池以及氢分离膜电池等。术语"氢分离膜燃料电池"在此用于表示具有致密化氢分离膜的燃料电池。致密化氢分离膜是由透氢金属形成的层，并且还充当阳极。氢分离膜电池具有其中质子传导性电解质被层叠在氢分离膜上的结构。提供给氢分离膜的氢被转换为质子，质子在质子传导性电解质中迁移，在阴极处与氧结合，由此在氢分离膜电池中产生电力。用于氢分离膜电池的氢分离膜使用诸如钯的贵金属。因此，为了降低成本，有必要使得氢分离膜尽可能薄。在此情况下，有必要通过设置不锈钢等制成的载体片来强化氢分离膜，并使氢分离膜具有高的硬度。在日本专利申请公报No.JP-A-2003-95617中，公开了氢分离膜和载体片之间的扩散接合的技术。根据此技术，氢分离膜和载体片通过接合固定在一起。因为不存在基体材料的熔融，所以可以使得整个装置很薄。但是，当使用上述技术时，在进行扩散接合时必须加热氢分离膜和载体片。在此情况下，因为氢分离膜和载体片之间的热膨胀系数的差异，氢分离膜可能发生损伤。可以想到通过诸如覆层法等的冷接合方法来接合氢分离膜和载体片。但是，使得硬度高的氢分离膜变形是困难的。因此，在氢分离膜和载体片之间的接触粘附存在缺失。
发明内容本发明的目的是提供一种具有载体的氢分离膜，其中在氢分离膜和载体片之间具有高的粘附性，从而防止了对氢分离膜的损伤。本发明的还有一个目的是提供使用所述具有载体的氢分离膜的燃料电池以及制造该具有载体的氢分离膜和燃料电池的方法。根据本发明实施例的制造具有载体的氢分离膜的方法的特征在于包括在所述氢分离膜和支撑所述氢分离膜的所述载体之间设置低硬度金属膜，所述低硬度金属膜的硬度低于所述氢分离膜的硬度；以及通过冷接合方法接合所述氢分离膜、所述低硬度金属膜和所述载体。在此制造方法中，其硬度低于氢分离膜的硬度的低硬度金属膜被设置在氢分离膜和载体之间，并且氢分离膜、低硬度金属膜和载体通过冷接合方法接合。在此情况下，氢分离膜的、低硬度金属膜的和载体的温度低于使用热接合方法的情况下的温度。因此，施加到氢分离膜、低硬度金属膜和载体的热负荷变得很小。就是说，几乎不存在由各种膜之间的热膨胀系数的差异带来的影响。由此，可以抑制氢分离膜、低硬度金属膜和载体的变形，并且还可以抑制接合边界处的金属扩散。结果，可以防止对氢分离膜的损伤。因为其硬度低于氢分离膜并且容易变形的低硬度金属膜被夹在氢分离膜和载体之间，所以氢分离膜和载体之间的粘附性得到改善。因此，不需要提高冷接合条件的严格程度。就是说，除了能够将接合温度设为低的温度之外，还可以设置低的接合载荷。在上述的构造中，低硬度金属膜可以被形成在所述氢分离膜的接合表面和所述载体的接合表面中的至少之一上。在通过所述冷接合方法接合所述氢分离膜、所述低硬度金属膜和所述载体之前，可以对所述氢分离膜的、所述低硬度金属膜的和所述载体的接合表面进行活化处理。在此情况下，氢分离膜和载体之间的粘附性得到改善。所述低硬度金属膜可以具有透氢性。并且，所述氢分离膜可以包含钯或钯合金，所述低硬度金属膜可以包含其硬度低于所述氢分离膜的硬度的钯合金或金属。此外，所述氢分离膜可以包含其硬度高于基本纯的钯的硬度的钯合金，并且所述低硬度金属膜可以由基本纯的钯制成。在此情况下，可以抑制氢分离膜的透氢性的降低。在上述制造方法中，所述载体还可以具有沿膜厚度方向的通孔。根据本发明实施例的制造燃料电池的方法的特征在于包括在由上述的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜的氢分离膜上形成质子传导电解质膜和阴极。在此制造方法中，其硬度低于氢分离膜的硬度的低硬度金属膜被设置在氢分离膜和载体之间，氢分离膜、低硬度金属膜和载体通过冷接合方法接合，并且质子传导电解质膜和阴极被形成在氢分离膜上。在此情况下，氢分离膜的、低硬度金属膜的和载体的温度低于使用热接合方法的情况下的温度。因此，施加到氢分离膜、低硬度金属膜和载体的热负荷变得很小。就是说，几乎不存在由各种膜之间的热膨胀系数的差异带来的影响。由此，可以抑制氢分离膜、低硬度金属膜和载体的变形。结果，可以防止对氢分离膜的损伤。并且，因为其硬度低于氢分离膜并且容易变形的低硬度金属膜被夹在氢分离膜和载体之间，所以氢分离膜和载体之间的粘附性得到改善。因此，不需要提高冷接合条件的严格程度。就是说，除了能够将接合温度设为低的温度之外，还可以设置低的接合载荷。根据本发明实施例的制造氢分离装置的方法的特征在于包括在由上述的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜的所述氢分离膜上方以及在所述具有载体的氢分离膜的所述载体下方设置气体流动通道。在此制造方法中，其硬度低于氢分离膜的硬度的低硬度金属膜被设置在氢分离膜和载体之间，氢分离膜、低硬度金属膜和载体通过冷接合方法接合，并且气体流动通道被设置在氢分离膜上方和载体下方。在此情况下，氢分离膜的、低硬度金属膜的和载体的温度低于使用热接合方法的情况下的温度。因此，施加到氢分离膜、低硬度金属膜和载体的热负荷变得很小。就是说，几乎不存在由各种膜之间的热膨胀系数的差异带来的影响。由此，可以抑制氢分离膜、低硬度金属膜和载体的变形。结果，可以防止对氢分离膜的损伤。并且，因为其硬度低于氢分离膜并且容易变形的低硬度金属膜被夹在氢分离膜和载体之间，所以氢分离膜和载体之间的粘附性得到改善。因此，不需要提高冷接合条件的严格程度。就是说，除了能够将接合温度设为低的温度之外，还可以设置低的接合载荷。根据本发明实施例的具有载体的氢分离膜的特征在于具有氢分离膜；载体，其支撑所述氢分离膜；以及低硬度金属膜，其层叠在所述载体上并且其硬度低于所述氢分离膜的硬度，其中，所述载体、所述低硬度金属膜以及所述氢分离膜通过冷接合方法接合。在此构造中，其硬度低于氢分离膜的硬度并且容易变形的低硬度金属膜被夹在氢分离膜和载体之间。因此，氢分离膜和载体之间的接触紧密性得到改善。所述低硬度金属膜可以具有透氢性。所述氢分离膜可以包含钯或钯合金，并且所述低硬度金属膜可以包含其硬度低于所述氢分离膜的硬度的钯合金或金属。此外，所述氢分离膜可以包含其硬度高于基本纯的钯的硬度的钯合金，并且所述低硬度金属膜可以由基本纯的钯制成。在此情况下，可以抑制氢分离膜的透氢性的损失。在上述的具有载体的氢分离膜中，所述载体可以具有沿膜厚方向的通孔。根据本发明实施例的燃料电池的特征在于具有上述的具有载体的氢分离膜；质子传导电解质膜，其形成在所述具有载体的氢分离膜的所述氢分离膜上；以及阴极，其形成在所述质子传导电解质膜上。在根据本发明的燃料电池中，其硬度低于氢分离膜的硬度并且容易变形的低硬度金属膜被夹在氢分离膜和载体之间。因此，氢分离膜和载体之间的接触紧密性得到改善。根据本发明实施例的氢分离装置的特征在于具有上述的具有载体的氢分离膜；以及气体流动通道，其设置在所述具有载体的氢分离膜的所述氢分离膜上方以及所述具有载体的氢分离膜的所述载体下方。在此构造中，其硬度低于氢分离膜的硬度并且容易变形的低硬度金属膜被夹在氢分离膜和载体之间。因此，氢分离膜和载体之间的接触紧密性得到改善。根据本发明，可以防止对氢分离膜的损伤，且氢分离膜和载体之间的粘附性得到改善。结果，可以制造拥有优异耐久性的具有载体的氢分离膜。参照附图，从以下对优选实施例的描述中，本发明的前述和/或者其它目的、特征和优点将变得更加明显，其中类似的标号用来表示类似的元件，其中-图1A到图1F是用于描述根据本发明第一实施例的制造具有载体的氢分离膜的方法的制造流程图2A到图2G是用于描述根据本发明第二实施例的制造具有载体的氢分离膜的方法的制造流程图3A到图3B是用于描述根据本发明第三实施例的燃料电池的视以及图4A和图4B是用于描述根据本发明第四实施例的氢分离装置的视图。具体实施例方式下面将通过示例性实施例更详细地描述本发明。图1A到图1F是用于描述根据本发明第一实施例的制造具有载体的氢分离膜40的方法的制造流程图。如图1A所示，首先预备氢分离膜IO。氢分离膜10由透氢金属制成。可以使用例如钯合金等作为透氢金属。氢分离膜10的膜厚度为例如10Aim到200/mi，更优选地是50/mi到100ym。接着，如图1B所示，通过镀覆、气相沉积等方法在氢分离膜10的一个表面上形成具有透氢性的低硬度金属膜20。透氢低硬度金属膜20可以通过冷接合方法层叠在氢分离膜10的一个表面上。低硬度金属膜20的厚度为例如5)tmi到30/rni，更优选地是10/mi到20/mi。低硬度金属膜20的硬度(维氏硬度，以下同)低于氢分离膜10的硬度。在本实施例中，低硬度金属膜20由基本纯的钯制成。在此情况下，术语"基本纯的钯"意指纯度约为99.9%的钯。基本纯的钯和可以用作氢分离膜10的钯合金的硬度的示例被示于表l中。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>接着，如图1C所示，制备载体30。载体30例如由诸如不锈钢等的金属制成。载体30的厚度为例如50jum到300/mi。在本实施例中，多个通孔31被形成在载体30中，用于将氢提供到氢分离膜10。接着，如图1D所示，对载体30的接合表面32(载体30的一个表面)和低硬度金属膜20的接合表面21(低硬度金属膜20的与氢分离膜10相反的表面)进行活化处理。活化处理在诸如氩等的惰性气体的气氛中通过利用惰性气体的离子照射处理来完成。在此情况下，接合表面32和接合表面21的表面部分被去除，使得主要存在于表面部分中的氧化物被消除。可以使用氦、氖或氩等作为惰性气体，并且从经济的角度考虑，尤其优选使用氩气。结果，载体30和低硬度金属膜20的几乎没有氧化物的活化表面被露出。当利用氩离子照射进行活化处理时由氩离子的碰撞所导致的氢分离膜10、低硬度金属膜20和载体30的温度约为200°C。接着，如图1E所示，氢分离膜10和低硬度金属膜20被置于载体30上，使得接合表面21和接合表面32彼此相对，并且使用冷接合方法来接合氢分离膜10、低硬度金属膜20和载体30。通过此工艺，如图1F所示，完成了具有载体的氢分离膜40。在本实施例中，氢分离膜IO、低硬度金属膜20和载体30的温度低于使用热接合方法的情形。在此情况下，施加到氢分离膜10、低硬度金属膜20和载体30的热负荷变得更小。就是说，几乎不存在由各种膜之间的热膨胀系数的差异带来的影响。由此，可以抑制氢分离膜10、低硬度金属膜20和载体30的变形，从而可以防止对氢分离膜10的损伤。低硬度金属膜20的硬度低于氢分离膜10。低硬度金属膜20还容易变形，并被夹在氢分离膜IO和载体30之间。因此，氢分离膜10和载体30之间的粘附性得到改善，并且不需要提高冷接合条件的严格程度。就是说，除了能够将接合温度设为低的温度之外，还可以设置低的接合载荷。在本实施例中，低硬度金属膜20具有透氢性。因此，可以抑制氢分离膜10的透氢性损失。低硬度金属膜20还可以被形成在载体30的通孔31内，在此情况下，低硬度金属膜20的强度得到提高。因此，可以进一步减小氢分离膜10的厚度。虽然在本实施例中，纯钯被用作低硬度金属膜20，并且钯合金被用作氢分离膜10，但是对此并没有特别的限制。只要是具有透氢性并且其硬度低于氢分离膜10的硬度的金属，其就可以用作低硬度金属膜20。例如，可以应用其硬度小于用于氢分离膜10的钯合金的硬度的钯合金。并且，只要是具有透氢性的金属，其就可以用作氢分离膜10。下面将描述根据本发明第二实施例的制造具有载体的氢分离膜40a的方法。图2A到图2F是用于描述制造具有载体的氢分离膜40a的方法的制造流程图。标号与第一实施例所示的相同的组成元件由与第一实施例相似的材料制成。首先，如图2A所示，制备氢分离膜10。接着，如图2B所示，通过镀覆、气相沉积等方法在氢分离膜10的一个表面上形成具有透氢性的低硬度金属膜20a。低硬度金属膜20a的硬度低于氢分离膜IO的硬度。可以使用例如铜、镍、锡、锌或铝作为低硬度金属膜20a。在本实施例中，低硬度金属膜20a由铜制成。低硬度金属膜20a的厚度例如约为10/mi。接着，如图2C所示，制备载体30。接着，如图2D所示，对载体30的接合表面32和低硬度金属膜20a的接合表面21a(低硬度金属膜20a的与氢分离膜10相反的表面)进行活化处理。活化处理在诸如氩等的惰性气体气氛中通过利用惰性气体的离子照射处理来完成。在此情况下，接合表面32和接合表面21的表面部分被去除，使得主要存在于表面部分中的氧化物被消除。可以使用氦、氖或氩等作为惰性气体，并且从经济的角度考虑，尤其优选使用氩气。接着，如图2E所示，氢分离膜10和低硬度金属膜20a被置于载体30上，使得经过活化的接合表面32和接合表面21a彼此相对。然后使用冷接合方法来接合氢分离膜10、低硬度金属膜20a和载体30。接着，如图2F所示，对低硬度金属膜20a的经由通孔31暴露的暴露部分进行刻蚀处理。通过此工艺，用于将氢供应到氢分离膜10的多个通孔22被形成在低硬度金属膜20a中。通过上述工艺步骤，如图2G所示，完成了具有载体的氢分离膜40a。在本实施例中，不需要使用高成本的透氢金属作为低硬度金属膜20a。因此，可以降低具有载体的氢分离膜40a的成本。并且，任何硬度低于氢分离膜10的硬度的金属可以被用作低硬度金属膜20a。虽然第一实施例的低硬度金属膜20和第二实施例的低硬度金属膜20a在形成在氢分离膜10上之后再被接合到载体30，但是它们也可以在形成在载体30上之后再被接合到氢分离膜10。此外，低硬度金属膜20和20a可以被形成在氢分离膜10和载体30两者上。在此情况下，氢分离膜10和载体30之间的粘附性同样得到改善。下面将描述根据本发明第三实施例的燃料电池100。图3A和图3B是用于描述燃料电池100的视图。图3A是燃料电池100的示意性剖视图，图3B是用于描述制造燃料电池100的方法的视图。标号与第一和第二实施例所示相同的组成元件由与第一和第二实施例相似的材料制成。如图3A所示，质子传导电解质膜50和阴极60被依次形成在由第一实施例的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜40的氢分离膜10上。如图3B所示，质子传导电解质膜50和阴极60通过溅射等依次形成在氢分离膜10上，从而能够制造燃料电池100。下面将描述燃料电池100的操作。首先，含氢的燃料气体经由载体30中的多个通孔31被供应到低硬度金属膜20。燃料气体中的氢穿过低硬度金属膜20和氢分离膜10，并到达质子传导电解质膜50。到达质子传导电解质膜50的氢被分离为质子和电子。质子通过质子传导电解质膜50传导，并到达阴极60。含氧的氧化气体被供应到阴极60。在阴极60处，到达阴极60的质子和氧化气体中的氧合成水并且产生电力。所产生的电力由没有示出的分离器收集。通过上述操作，燃料电池IOO产生电力。由根据第二实施例的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜40a可以用于代替具有载体的氢分离膜40。在此情况下，燃料气体经由多个通孔31并经由低硬度金属膜20a的多个通孔22a供应到氢分离膜10。下面将描述根据本发明第四实施例的氢分离装置200。图4A和图4B是用于描述氢分离装置200的视图。图4A是氢分离装置200的示意性剖视图，图4B是用于描述制造氢分离装置200的方法的视图。标号与对于第一和第二实施例所示相同的组成元件由与第一和第二实施例相似的材料制成。如图4A所示，流动通道板80被形成在由根据第一实施例的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜40的氢分离膜10侧，并且流动通道板70被形成在由根据第一实施例的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜40的载体30侧。流动通道板70是在其中形成有用于将含氢的气体供应到具有载体的氢分离膜40的流动通道的板，流动通道板80是在其中形成有用于收集在具有载体的氢分离膜40处被分离的氢的流动通道的板。如图4B所示，流动通道板70被接合到载体30的与低硬度金属膜20相反一侧的表面，流动通道板80被接合到氢分离膜10的与低硬度金属膜20相反一侧的表面，从而能够制造氢分离装置200。下面将描述燃料电池200的操作。首先，含氢的燃料气体从流动通道板70内的流动通道经由载体30中的多个通孔31供应到低硬度金属膜20。燃料气体中的氢穿过低硬度金属膜20和氢分离膜10，并到达流动通道板80。已到达流动通道板80的氢经由流动通道板80的流动通道收集。通过此操作，可以分离燃料气体中包含的氢。由根据第二实施例的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜40a可以用于代替具有载体的氢分离膜40。在此情况下，燃料气体经由多个通孔31并经由低硬度金属膜20a的多个通孔22供应到氢分离膜10。虽然参考本发明的示例性实施例描述了本发明，但是应该理解本发明不限于这些示例性实施例或结构。相反，本发明旨在覆盖各种修改和等同布置。此外，虽然示例性实施例的各种元件以示例性的各种组合和构造示出，但是包括更多、更少或者仅仅一个元件的其它组合和构造也落入本发明的精神和范围中。权利要求1.一种制造具有载体的氢分离膜的方法，其特征在于包括在所述氢分离膜和支撑所述氢分离膜的所述载体之间设置低硬度金属膜，所述低硬度金属膜的硬度低于所述氢分离膜的硬度；以及通过冷接合方法接合所述氢分离膜、所述低硬度金属膜和所述载体。2.如权利要求1所述的制造具有载体的氢分离膜的方法，其中所述低硬度金属膜被形成在所述氢分离膜的接合表面和所述载体的接合表面中的至少之一上。3.如权利要求1或2所述的制造具有载体的氢分离膜的方法，其中在通过所述冷接合方法接合所述氢分离膜、所述低硬度金属膜和所述载体之前，对所述氢分离膜的、所述低硬度金属膜的和所述载体的接合表面进行活化处理。4.如权利要求1-3中任意一项所述的制造具有载体的氢分离膜的方法，其中所述低硬度金属膜具有透氢性。5.如权利要求1-4中任意一项所述的制造具有载体的氢分离膜的方法，其中所述氢分离膜包含钯或钯合金；以及所述低硬度金属膜包含其硬度低于所述氢分离膜的硬度的钯合金或金属。6.如权利要求1-5中任意一项所述的制造具有载体的氢分离膜的方法，其中所述氢分离膜包含其硬度高于基本纯的钯的硬度的钯合金，所述低硬度金属膜由基本纯的钯制成。7.如权利要求1-6中任意一项所述的制造具有载体的氢分离膜的方法，其特征在于还包括在所述载体中沿其厚度方向形成通孔。8.—种制造燃料电池的方法，其特征在于包括在由权利要求1-7中任意一项所述的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜的所述氢分离膜上形成质子传导电解质膜和阴极。9.一种制造氢分离装置的方法，其特征在于包括在由权利要求1-7中任意一项所述的制造方法所制造的具有载体的氢分离膜的所述氢分离膜上方以及在所述具有载体的氢分离膜的所述载体下方设置气体流动通道。10.—种具有载体的氢分离膜，其特征在于包括氢分离膜；载体，其支撑所述氢分离膜；以及低硬度金属膜，其层叠在所述载体上并且其硬度低于所述氢分离膜的硬度，其中，所述载体、所述低硬度金属膜以及所述氢分离膜通过冷接合方法接合。11.如权利要求10所述的具有载体的氢分离膜，其中所述低硬度金属膜具有透氢性。12.如权利要求10或11所述的具有载体的氢分离膜，其中所述氢分离膜包含钯或钯合金；以及所述低硬度金属膜包含其硬度低于所述氢分离膜的硬度的钯合金或金属。13.如权利要求10-12中任意一项所述的具有载体的氢分离膜，其中所述氢分离膜包含其硬度高于基本纯的钯的硬度的钯合金；以及所述低硬度金属膜由基本纯的钯制成。14.如权利要求10-13中任意一项所述的具有载体的氢分离膜，其中所述载体具有沿其膜厚方向的通孔。15.—种燃料电池，其特征在于包括根据权利要求10-13任意一项所述的具有载体的氢分离膜；质子传导电解质膜，其形成在所述具有载体的氢分离膜的所述氢分离膜上；以及阴极，其形成在所述质子传导电解质膜上。16.—种氢分离装置，其特征在于包括根据权利要求10-13任意一项所述的具有载体的氢分离膜；以及气体流动通道，其设置在所述具有载体的氢分离膜的所述氢分离膜上方以及所述具有载体的氢分离膜的所述载体下方。全文摘要本发明公开了一种制造具有载体的氢分离膜的方法，其特征在于包括在氢分离膜和支撑氢分离膜的载体之间设置低硬度金属膜的第一步骤，所述低硬度金属膜的硬度低于所述氢分离膜的硬度；以及通过冷接合方法接合氢分离膜、低硬度金属膜和载体的第二步骤。在此情况下，可以抑制氢分离膜、低硬度金属膜和载体的变形，因此可以防止对氢分离膜的损伤。氢分离膜和载体之间的接触粘附也得到改善。结果，不必增加冷接合条件的严格程度。文档编号C01B3/00GK101297429SQ200680040138公开日2008年10月29日申请日期2006年10月25日优先权日2005年10月28日发明者伊泽康浩,南部光司,吉田一雄,大泽真司,木村宪治,青山智申请人:丰田自动车株式会社;东洋钢板株式会社