(57)【要約】【課題】水素分離膜装置を流れるガス流量に応じて水素を分離し、コストを抑えた水素分離膜装置を提供する。【解決手段】水素分離膜装置１において、水素分離部２０から分離された水素を集積する空間１０をシール材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃに分離する。集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃにそれぞれバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを連結させ、ガス流量に応じてバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉を行い、集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃに集まる水素を主に分離する水素分離部２０ａ、２０ｂ、２０ｃでの水素分離を制御する。【選択図】        図１
2006159081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の貫通孔を有する多孔質体と、
前記貫通孔の内周面に形成され、前記貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、前記多孔質体へ前記水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、
前記多孔質体の外側に前記貫通孔を流れる前記ガスの流れ方向に沿って前記水素を集積し、
前記ガスの流れ方向に対して前記集積した水素を複数に分離し、
前記複数に分離された水素取り出しを、前記水素分離膜装置の運転状態に基づいて選択的に切り換えることにより、前記ガスの流れ方向の前記水素分離膜での水素分離を制御することを特徴とする水素分離膜装置。
【請求項２】
複数の貫通孔を有する多孔質体と、
前記貫通孔の内周面に形成され、前記貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、前記多孔質体へ前記水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、
前記多孔質体の外側に前記貫通孔を流れる前記ガスの流れ方向に沿って設けられ、前記水素を集積する集積部と、
前記ガスの流れ方向に対して前記集積部を複数に分離する分離手段と、
前記複数に分離された集積部からの水素取り出しをそれぞれ選択的に切り換える複数の切換手段と、
前記水素分離膜装置の運転状態に基づいて前記切換手段を選択的に切り換えることにより、前記ガスの流れ方向の前記水素分離膜での水素分離を制御する制御する制御手段と、を備えることを特徴とする水素分離膜装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記集積部から取り出した水素中の不純ガスを検出する不純ガス検出手段を備え、
前記不純ガスの濃度が所定濃度よりも高くなると、前記切換手段のいずれかを閉じて前記水素を取り出す前記集積部の数を減らすことを特徴とする請求項２に記載の水素分離膜装置。
【請求項４】
前記制御手段は、前記ガス流量が大きくなると、前記切換手段を開き前記水素を取り出す前記集積部の数を増やすことを特徴とする請求項２または３に記載の水素分離膜装置。
【請求項５】
前記分離手段が、前記多孔質体の外周部に設けたシール部材であることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。
【請求項６】
前記多孔質体を前記ガスの流れ方向と交差する方向に分割し、各多孔質体間で前記貫通孔からの前記ガスを拡散し、混合する攪拌室を備えることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。
【請求項７】
前記攪拌室によって分割された前記多孔質体の端面に水素分離膜を形成することを特徴とする請求項６に記載の水素分離膜装置。
【請求項８】
前記攪拌室は前記多孔質体であり、
前記攪拌室の側面に前記水素分離膜を形成することを特徴とする請求項６または７に記載の水素分離膜装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記水素分離膜装置の温度が所定温度よりも低い低温起動時には前記複数に分離された集積部のうち、前記ガスの流れ方向の最上流に位置する前記集積部から前記水素を取り出すことを特徴とする請求項２から８のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、前記水素分離膜装置の作動時には、前記ガス流量が少なくなるにつれて、前記複数に分離された集積部のうち、前記ガスの流れ方向の下流に位置する前記集積部から優先的に前記水素を取り出すことを特徴とする請求項２から９のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水素分離膜装置に関するものであり、特にガス中の水素の分離に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素分離膜を有する細管に水素リッチガスを通し、水素リッチガスから水素分離膜によって水素を選択的に分離し、透過する水素分離膜装置が、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開平８−３８８６３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、例えば上記の発明では、流入する水素リッチガス（改質ガス）の流量とは無関係に、水素リッチガスが接触する水素透過膜面積のうち水素透過を行う面積は常に一定であるため、水素リッチガス流量が多い時に比べて水素リッチガス流量が少ない時には、透過ガス中に含まれる水素以外の不純ガスの濃度が高くなる。これは改質ガスの流れ方向下流となるに連れて、水素リッチガス中の水素濃度が低くなり不純ガス濃度が高くなり、水素分離膜を形成するパラジウムメッキ膜に存在するピンホールから不純ガスが透過するためである。
【０００４】
そのため、水素分離膜装置が想定する水素リッチガス流量範囲で最も水素リッチガス流量が少ない時であっても、透過ガス中に含まれる水素以外の不純ガスが許容レベル以下となるように水素分離膜の厚みを厚くする必要がある。これは、パラジウムなどの高価な水素分離膜材料を多量に必要とすることを意味しており、コストの上昇と装置の大型化を引き起こすことになるといった問題点がある。
【０００５】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、水素分離膜装置のコストを削減し、装置を小型にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、複数の貫通孔を有する多孔質体と、貫通孔の内周面に形成され、貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、多孔質体へ水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、多孔質体の外側に貫通孔を流れるガスの流れ方向に沿って水素を集積し、ガスの流れ方向に対して前記集積した水素を複数に分離し、複数に分離された水素取り出しを、水素分離膜装置の運転状態に基づいて選択的に切り換えることにより、ガスの流れ方向の水素分離膜での水素分離を制御することを特徴とする。
【０００７】
また、複数の貫通孔を有する多孔質体と、貫通孔の内周面に形成され、貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、多孔質体へ水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、多孔質体の外側に貫通孔を流れるガスの流れ方向に沿って設け、水素を集積する集積部と、ガスの流れ方向に対して集積部を複数に分離する分離手段と、複数に分離された集積部からの水素取り出しをそれぞれ選択的に切り換える切換手段と、ガス流量に基づいて切換手段を選択的に切り換えることにより、ガスの流れ方向の水素分離膜での水素分離を制御する制御する制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、改質ガスから分離された水素を集積する集積部を多孔質体の外側に設け、集積部を改質ガスの流れ方向に複数に分割する。分割された集積部にそれぞれ切換手段を設け、切換手段をガス流量に基づいて選択的に切り換える。例えば一酸化炭素濃度が高くなる集積部の切換手段を閉じることで一酸化炭素を多く透過する水素分離膜での一酸化炭素透過を抑制し、水素濃度の高い水素を例えば燃料電池に供給することができる。このため一酸化炭素を多く透過する箇所の水素分離膜を厚くする必要がなく、水素分離膜を薄くし、さらに貫通孔での改質ガスと水素分離膜との接触面積を広くすることができる。これによって水素分離膜装置のコストを削減することができ、水素分離膜装置を小型にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１実施形態の水素分離膜装置１の構成を図１の概略構成図を用いて説明する。図１は水素分離膜装置１の断面図である。この実施形態の水素分離膜装置１は、改質ガスから水素を分離する水素分離部２０と、水素分離部２０から分離した水素が集積する水素集合部２１とから構成される。
【００１０】
水素分離部２０は多孔質型の多孔質体２と、多孔質体２に複数設けた貫通孔３と、貫通孔３の内周面に設けた水素分離膜４とから構成される。
【００１１】
多孔質体２は円柱形状をしており、円柱形状の中心軸と平行に、すなわち多孔質体２の長手方向と平行に複数の貫通孔３を有しており、図示しない改質装置から供給された改質ガスが貫通孔３内を流れる。なお、多孔質体２は円柱形状に限られることはなく、その他の形状でも良い。
【００１２】
水素分離膜４は貫通孔３の内周面に例えばパラジウムなどによって被膜されて構成する。水素分離膜４の厚さは一定の厚さとする。水素分離膜４は改質ガス中の水素を分離し、水素分離膜４によって分離された水素は水素分離膜４を透過し、多孔質体２の内へ拡散し、後述する空間１０(１０ａ、１０ｂ、１０ｃ)に集積する。
【００１３】
水素集合部２１は、多孔質体２との間に空間１０を構成し多孔質体２の外側を覆うケース１１と、円柱形状の中心軸方向に空間１０を複数の空間に分離するシール材（分離手段、シール部材）１２を備える。
【００１４】
ケース１１の一方の端部は図示しない改質装置と連通し、改質装置から改質ガスが導入する導入部１３を構成する。もう一方の端部は貫通孔３に設けた水素分離膜４によって水素を分離した残りの改質ガスが貫通孔３から排出される排出部１４を構成し、排出部１４は図示しないが、水素分離膜装置１から排出された改質ガスを燃焼する燃焼装置と連通する。なお、導入部１３は後述する集合部１０ａとシール材１２ａによって隔離され、排出部１４は後述する集合部１０ｃとシール材１２ｄによって隔離されている。
【００１５】
この実施形態では空間１０を３つの空間に分離するシール材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを備える。なお、シール材１２は改質ガスの流れ方向の上流側よりシール材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとし、シール材１２ａとシール材１２ｂによって画成される空間を集合部（集積部）１０ａとし、シール材１２ｂとシール材１２ｃによって画成される空間を集合部（集積部）１０ｂとし、シール材１２ｃとシール材１２ｄによって画成される空間を集合部（集積部）１０ｃとする。シール材１２ａは改質ガスの流れ方向の最上流に位置し、導入部１３に導入された改質ガスが集合部１０ａに混入しないようにする。つまり集合部１０ａに集積された水素と改質ガスとが混じり合うことを防止する。また、シール材１２ｄは改質ガスの流れ方向の最下流に位置し、排出部１４に排出された改質ガスが集合部１０ｃに混入しないようにする。
【００１６】
以下においてシール材１２ａとシール材１２ｂの間に位置する水素分離部２０を水素分離部２０ａ、シール材１２ｂとシール材１２ｃの間に位置する水素分離部２０を水素分離部２０ｂ、シール材１２ｃとシール材１２ｄの間に位置する水素分離部２０を水素分離部２０ｃとし、その箇所に対応する多孔質体２等にも各添え字ａ、ｂ、ｃを付して説明する。なお、水素分離部２０において導入部１３、または排出部１４と接する面、つまり改質ガス流れ方向の最上流となる水素分離部２０ａの端面、または最下流となる水素分離部２０ｃの端面に水素分離膜を形成する。
【００１７】
また、集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃには配管１５ａ、１５ｂ、１５ｃがそれぞれ連結し、配管１５ａ、１５ｂ、１５ｃはそれぞれ集積した水素を図示しない燃料電池に供給する水素供給路１６に連結する。配管１５ａ、１５ｂ、１５ｃはそれぞれバルブ（切換手段）１７ａ、１７ｂ、１７ｃを備え、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを開閉することで集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃから水素供給路１６への水素の供給を選択的に切り換える。
【００１８】
水素供給路１６には水素供給路１６内の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素濃度センサ（不純ガス検出手段）１８を設ける。なお、一酸化炭素濃度センサ１８に限られず、水素濃度センサなどを用いてもよい。また、一酸化炭素濃度以外の不純ガス濃度を検出しても良い。
【００１９】
またバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉動作を制御するコントローラ（制御手段）５０を備える。
【００２０】
以上の構成によって、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉制御によって集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃの圧力を制御し、水素分離膜４ａ、４ｂ、４ｃにおける水素分離を制御することができる。
【００２１】
水素分離膜装置１は、改質装置から改質ガスが導入され、貫通孔３内を改質ガスが流れる。この時、貫通孔３の改質ガスの流れ方向上流から下流にかけて貫通孔３の内周面に設けた水素分離膜４によって改質ガス中の水素を分離し、分離された水素は多孔質体２を通り、空間１０に蓄積される。
【００２２】
ここで燃料電池の運転負荷、つまり改質ガスの流量を変えた場合の改質ガス流れ方向に対する貫通孔３内における改質ガス中の水素分圧を図２を用いて説明する。ここでは燃料電池の運転負荷を高負荷、中負荷、小負荷の３つのパターンとする。貫通孔３を流れる改質ガス中の水素分圧は改質ガス中の水素が水素分離膜４によって分離され、水素分離膜４を透過して多孔質体２に拡散するので、上流から下流となるに連れて低くなる。また、燃料電池の運転負荷が小さい、つまり改質ガス流量が少なくなるに連れて水素分圧の低下は早く生じることになる。
【００２３】
次に燃料電池の運転負荷を変化させた場合の改質ガス流れ方向に対する水素分離膜４を透過する透過ガス中の水素量と水素以外の一酸化炭素量を図３を用いて説明する。ここでも燃料電池の運転負荷を高負荷、中負荷、低負荷の３つのパターンとする。燃料電池の運転負荷が小さい、つまり改質ガス流量が少なくなるに連れて水素透過膜４を透過する水素量は減少する。また、改質ガス中の水素量は改質ガスの流れ方向の上流から下流にかけて減少するが、不純ガス量は水素量とは逆に上流から下流にかけて増加する。
【００２４】
以上より、燃料電池の運転負荷が小さい、すなわち水素分離膜装置１を流れる改質ガス流量が少ない場合には、改質ガスの流れ方向下流側において水素分離膜４を透過する透過ガス中の水素量が少なくなり、一酸化炭素量が多くなる。つまり、改質ガス流量が少ない場合に、改質ガスの流れ方向上流に位置する水素分離部２０ａに比べ、改質ガスの流れ方向下流に位置する水素分離部２０ｂまたは水素分離部２０ｃによって改質ガスから分離する水素中には一酸化炭素が多く含まれる。そこで、この実施形態では燃料電池の運転負荷が小さい場合に、水素分離部２０ｂまたは水素分離部２０ｃによる水素分離を抑制し、一酸化炭素濃度の低い水素を水素分離膜装置１から供給する。
【００２５】
空間１０はシール材１２ｂ、１２ｃによって集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃに分離されており、各集合部の圧力はバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃによって調整される。なお、集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃは多孔質体２を介しては連通するが、多孔質体２の細孔は非常に小さいためバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉による圧力変化が支配的となる。
【００２６】
例えばバルブ１７ｃを閉じると、水素分離部４ｃから水素が分離された水素が集積し、集合部１０ｃの水素分圧が高くなり、その結果水素分離部２０ｃの多孔質体２ｃ内の水素分圧も高くなる。多孔質体２ｃ内の水素分圧が高くなると、貫通孔３ｃを流れる改質ガス中の水素分圧との分圧差が小さくなる、または多孔質体２ｃの圧力が高くなり、水素透過膜４ｃからの水素、または一酸化炭素の透過を抑制することができる。
【００２７】
そのため、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの全てが開いており、改質ガス流量が少ない場合には、改質ガスの流れ方向下流において透過ガス中の一酸化炭素量が多くなるので、バルブ１７ｂ、１７ｃを閉じることで、改質ガスの流れ方向下流にあたる水素透過膜４ｂ、４ｃからの透過ガス量を少なくする。これによって、燃料電池に一酸化炭素濃度の低い水素を供給することができる。
【００２８】
ここで実施形態のバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉状態に対して燃料電池の運転負荷を変化させた場合の透過ガス中の一酸化炭素濃度の変化を図４を用いて説明する。図４はバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを全て開いた場合の一酸化炭素濃度（図４中、実線）、バルブ１７ａ、１７ｂ、を開いた場合の一酸化炭素濃度（図４中、破線）、バルブ１７ａのみを開いた場合の一酸化炭素濃度（図４中、一点鎖線）を示す。
【００２９】
燃料電池の運転負荷が大きい場合と比較すると燃料電池の運転負荷が小さい場合には、改質ガスの流れ方向下流において水素透過膜４を透過する一酸化炭素の量が多くなるので、バルブを閉じる数を増やす、例えばバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの全てを開くと一酸化炭素濃度を多く含んだ水素を燃料電池に供給することになる。そこで、燃料電池に供給する水素中に含まれる一酸化炭素濃度の上限濃度（所定濃度）ｄ１（図４中、点線）を設定し、燃料電池の負荷に応じて燃料電池に供給する水素に含まれる一酸化炭素濃度が上限濃度ｄ１を超えないようにバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉を制御する。なお、燃料電池の運転負荷が一番小さい負荷であり、バルブ１７ａのみを開いた場合の一酸化炭素濃度を上限濃度ｄ１とする。そして、バルブ１７ａ、１７ｂを開いた場合の一酸化炭素濃度が上限濃度ｄ１となる燃料電池の運転負荷α１と、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを開いた場合の一酸化炭素濃度が上限濃度ｄ１となる燃料電池の運転負荷α２を設定する。
【００３０】
次にコントローラ５０によるバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉動作について図５のフローチャートを用いて説明する。なお、この制御動作は所定時間毎に行う。
【００３１】
ステップＳ１００では、現在の燃料電池の運転負荷αを読み取り、前回の運転負荷α’と比較し、負荷が増加した場合にはステップＳ１０１へ進み、負荷が減少した場合にはステップＳ１０２へ進む。
【００３２】
ここでステップＳ１０１の運転負荷増加制御について図６のフローチャートを用いて説明する。
【００３３】
ステップＳ２００では、燃料電池の運転負荷αが予め設定された運転負荷α１よりも小さいかどうか判断する。そして運転負荷αが運転負荷α１よりも小さい場合にはステップＳ２０１へ進み、運転負荷αが運転負荷α１よりも大きい場合にはステップＳ２０２へ進む。
【００３４】
ステップＳ２０１では燃料電池の運転負荷αが運転負荷α１よりも小さいので、バルブ１７ａのみを開き、バルブ１７ｂ、１７ｃを閉じて集合部１０ａから水素分離部２０ａで分離した水素を燃料電池へ供給する。これによって改質ガス流れ方向下流に位置する水素分離部２０ｂ、２０ｃからの水素分離を抑制し、燃料電池に一酸化炭素濃度に低い水素を供給することができる。改質ガス流量が少ない場合に、比較的一酸化炭素濃度の高い箇所となる水素分離部２０ｂ、２０ｃによる水素分離を抑制することで、水素分離膜４ｂ、４ｃにおける一酸化炭素の透過を抑制することができる。
【００３５】
ステップＳ２０２では、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α２よりも小さいかどうか判断する。そして燃料電池の運転負荷αが運転負荷α２よりも小さい、つまり燃料電池の運転負荷αが運転負荷α１よりも大きく、運転負荷α２よりも小さい場合にはステップＳ２０３へ進み、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α２よりも大きい場合にはステップＳ２０４へ進む。
【００３６】
ステップＳ２０３では、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α１よりも大きく、運転負荷α２よりも小さいので、バルブ１７ａ、１７ｂを開き、バルブ１７ｃを閉じて集合部１０ａ、１０ｂから水素分離部２０ａ、２０ｂで分離した水素を燃料電池へ供給する。これによって改質ガス流れ方向下流に位置する水素分離部２０ｃから一酸化炭素の透過を抑制することができる。そのため燃料電池に一酸化炭素濃度に低い水素を供給することができる。
【００３７】
ステップ２０４では、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α２よりも大きいので、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを開き、集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃから水素分離部２０ａ、２０ｂ、２０ｃで分離した水素を燃料電池へ供給する。
【００３８】
以上の制御によって、燃料電池の運転負荷αによってバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開き動作を制御することで、水素分離膜４からの一酸化炭素の透過を抑制し、一酸化炭素濃度に低い水素を燃料電池に供給することができる。また、設定された燃料電池の運転負荷α１、α２に基づいてバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開き動作を制御することで、燃料電池の運転負荷増加に応じて水素の供給量を増加することができ、燃料電池の運転負荷変化に対する水素供給の追従性をよくすることができる。
【００３９】
次に、ステップＳ１０２の運転負荷減少制御について図７のフローチャートを用いて説明する。
【００４０】
ステップＳ３００では、現在のバルブ１７ｃの開閉状態を確認する。そして、バルブ１７ｃが開いている場合にはステップＳ３０１へ進み、バルブ１７ｃが閉じている場合にはステップＳ３０５へ進む。この実施形態では燃料電池の運転負荷αが減少すると改質ガス流れ下流に位置する集合部１０ｃ、１０ｂの順番で水素供給を停止するので、まずバルブ１７ｃの開閉を確認する。
【００４１】
ステップＳ３０１では、一酸化炭素濃度センサ１８によって燃料電池へ供給する水素中の一酸化炭素濃度ｄを検出し、予め設定した上限濃度ｄ１と比較する。そして、一酸化炭素濃度ｄが上限濃度ｄ１よりも高い場合にはステップＳ３０２へ進む。
【００４２】
ステップＳ３０２では、バルブ１７ｃを閉じて水素分離部２０ｃでの改質ガスからの水素分離を終了し、水素分離膜４ｃにおける一酸化炭素の透過を抑制する。水素供給路１６を流れる水素中の一酸化炭素濃度ｄが高くなることは、燃料電池の運転負荷が減少し、改質ガス流量が少なくなることで、水素分離部２０ｃにおいて水素分離膜４ｃを透過する一酸化炭素量が増加したことを示している。そこで、ステップＳ３０２においてバルブ１７ｃを閉じて、水素分離部２０ｃでの水素分離を抑制し、集合部１０ｃからの水素供給を終了する。これによって一酸化炭素濃度の低い水素を燃料電池に供給することができる。
【００４３】
ステップＳ３０３では、一酸化炭素濃度センサ１８によって燃料電池へ供給する水素中の一酸化炭素濃度ｄを検出し、予め設定した上限濃度ｄ１と比較する。そして、一酸化炭素濃度ｄが上限濃度ｄ１よりも高い場合にはステップＳ３０４へ進む。
【００４４】
ステップＳ３０４では、バルブ１７ｂを閉じて水素分離部２０ｂでの改質ガスからの水素分離を終了し、水素分離膜４ｂにおける一酸化炭素の透過を抑制する。これによってバルブ１７ｃに加えてバルブ１７ｂを閉じて、集合部１０ｂ、１０ｃからの水素供給を終了し、一酸化炭素濃度の低い水素を燃料電池に供給することができる。
【００４５】
一方、ステップＳ３００でバルブ１７ｃが閉じていると判断されると、ステップＳ３０５へ進み、バルブ１７ｂが開いているかどうか判断する。そして、バルブ１７ｂが開いている場合にはステップＳ３０３へ進み、上記制御を行う。
【００４６】
以上の制御によって、燃料電池の運転負荷αが減少した場合には、一酸化炭素濃度センサ１８によって検出した一酸化炭素濃度ｄに基づいてバルブ１７ｂ、１７ｃを閉じることで、水素分離膜４からの一酸化炭素の透過を抑制し、一酸化炭素濃度に低い水素を燃料電池に供給することができる。また燃料電池に供給する水素中の一酸化炭素濃度の上限濃度ｄ１までは多くの水素を改質ガスから正確に分離することができる。すなわち、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを一酸化炭素濃度に応じて閉じることで、改質ガスの流れ方向下流である水素分離膜４ｂ、４ｃからの水素分離を正確に制御することができる。
【００４７】
この実施形態では、燃料電池の運転負荷が小さい場合には、バルブ１７ｃ、１７ｂを閉じることで改質ガス流れ方向下流に位置する集合部１０ｃ、１０ｂからの水素供給を終了したが、改質ガス流れ方向の下流にあたる水素分離部２０ｃから水素を供給してもよい。すなわち、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを閉じる場合にバルブ１７ａ、１７ｂの順番に閉じ、バルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを開く場合にバルブ１７ｃ、１７ｂ、１７ａの順番に開く。この場合にはバルブ１７ａ、１７ｂを閉じることで、水素分離部２０ａ、２０ｂでは改質ガスから水素分離が抑制されるので、水素分離部２０ｃにおいて改質ガス中の水素濃度が高くなる。そして水素分離部２０ｃにおいて一酸化炭素濃度の低い水素を分離し、集合部１０ｃから一酸化炭素濃度の低い水素を燃料電池に供給することができる。
【００４８】
これにより、燃料電池の負荷が高負荷へ急激に移行した場合でも、バルブ１７ａ、１７ｂを開くことで改質ガス流れ方向上流から水素を分離し、集合部１０ａ、１０ｂから水素を供給するので、燃料電池の負荷変動に対する水素供給の追従性を良くすることができる。
【００４９】
水素分離膜装置１を所定温度以下、例えば氷点下起動などの低温から起動する場合には、改質ガス流れ方向上流に位置する集合部１０ａから水素を供給するようにバルブ１７ａを開く。改質ガス流れ方向の上流側に位置する水素分離部２０ａが水素分離部２０ｃに比べて温度が上がり易いので、改質ガス流れ方向上流側の集合部１０ａから順番に水素を燃料電池に供給する。これによって、燃料電池に素早く水素を供給することができ、例えば燃料電池システムの起動時間を短くすることができる。
【００５０】
なお、この実施形態では改質ガスから水素を分離し、分離した水素を燃料電池に供給するものであるが、これに限られることはない。また、空間１０を集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃの３つに分離したが、分離する数はこれに限られることはない。
【００５１】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００５２】
ここで、水素分離膜の厚さを変化させた場合の燃料電池の運転負荷に対して水素分離膜を透過する一酸化炭素濃度の変化を図８を用いて説明する。燃料電池の運転負荷が小さい、つまり改質ガスの流量が少ない場合には水素分離膜が薄くなると、水素分離膜を透過する一酸化炭素濃度が高くなる。そのため、水素分離膜を透過する一酸化炭素濃度を低くするには、水素分離膜の厚さを厚くすることが考えられるが、例えばパラジウムを水素分離膜として使用する場合には、コストが高くなる。また、水素分離膜の厚さを厚くすると水素透過速度が遅くなるために、例えば燃料電池に改質ガスから分離した水素を供給する場合には、燃料電池の運転負荷変動に追従するために水素分離膜と改質ガスの接触面積を広くするために装置を大型にしなければならない。また、装置の大型化は直接的に熱容量の増大を招くため、暖気時間と暖気エネルギーの増大を引き起こし、水素分離膜装置の起動性を低下させ、起動エネルギーの増大による燃費の悪化を招く恐れがある。
【００５３】
この実施形態では、水素分離部２０によって改質ガスから分離された水素が集合する空間１０をシール材１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄによって集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃに分割し、集合部１０ａ、１０ｂ、１０ｃに配管１５ａ、１５ｂ、１５ｃとバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを設け、燃料電池の運転負荷、または水素供給路１６の一酸化炭素濃度によってバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉を行い、燃料電池の運転負荷に応じて水素分離部２０ａ、２０ｂ、２０ｃによる改質ガスからの水素分離を制御する。
【００５４】
これによって、燃料電池の運転負荷が小さい場合には、例えばバルブ１７ｃを閉じて水素分離部２０ｃによる一酸化炭素濃度が高くなる箇所の水素分離を抑制し、燃料電池に一酸化炭素濃度の低い水素を供給することができる。そのため、水素分離膜４の厚さを薄くすることができ、コストを削減することができる。また、水素分離膜４の厚さを薄くすることができるので、改質ガスと水素分離膜４との接触面積を広くすることができるので、水素分離膜装置１を小型にすることができ、水素分離膜装置１全体のコストを削減することができる。
【００５５】
燃料電池の運転負荷が増加した場合には、燃料電池の運転負荷が予め設定した運転負荷α１、α２に基づいてバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを開くので、燃料電池の運転負荷増加に応じて水素の供給量を増加することができ、燃料電池の運転負荷変化に対する水素供給の追従性をよくすることができる。
【００５６】
また、燃料電池の運転負荷が減少した場合には、一酸化炭素濃度センサ１８によって検出する一酸化炭素濃度によってバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃを閉じるので、一酸化炭素濃度の低い水素を正確に燃料電池に供給することができる。
【００５７】
次に本発明の第２実形態の水素分離膜装置６０の構成を図９の概略構成図を用いて説明する。この実施形態は水素分離部３０を３つに分割し、改質ガス流れ方向上流側から水素分離部３０ａ、３０ｂ、３０ｃとする。また、水素分離部３０ａと水素分離部３０ｂの間にはリング３１ａを備え、水素分離部３０ｂと水素分離部３０ｃの間にはリング３１ｂを備え、水素分離部３０ａと水素分離部３０ｂ、または水素分離部３０ｂと水素分離部３０ｃとの間にそれぞれガス攪拌室３７ａ、３７ｂを形成する。また、空間１０の集合部１０ａと集合部１０ｂの間にはリング３１ａの上流と下流にシール材３２ａ、３２ｂを設け、集合部１０ｂと集合部１０ｃの間にはリング３１ｂの上流と下流にシール材３３ａ、３３ｂを設ける。
【００５８】
水素分離部３０ａは第１実施形態の水素分離部２０ａとほぼ同様の構成であり、ここで異なる箇所を中心に説明する。水素分離部３０ａはリング３１ａ側の端面３４、つまり改質ガス流れ方向下流の端面に水素分離膜を形成する。端面３４に水素分離膜を形成することで水素透過膜の面積を広くすることができ、改質ガスと水素透過膜との接触面積が広くなるので水素分離を多く行うことができる。また、水素分離部２０ａの多孔質体２ａ、貫通孔３ａ、水素分離膜４ａについては水素分離部３０ａについても同じ番号を付して説明する。水素分離部３０ｂ、３０ｃについても水素分離部３０ａと同様の形状であるが、水素分離部３０ｂは両側の端面３５ａ、３５ｂに水素分離膜を形成し、水素分離部３０ｃは改質ガス流れ方向上流側の端面３６に水素分離膜を形成する。
【００５９】
リング３１ａは例えば水素分離部と同型の外径をしており、その外周面がケース１１の内周面に接した円筒形状である。水素分離部３０ａとリング３１ａの内周面と水素分離部３０ｂによって形成されるガス攪拌室３７ａに排出された改質ガスはガス攪拌室３８ａ内で拡散し、混合され、その後水素分離部３０ｂ内に供給される。リング３１ｂについても同様の構成であり、水素分離部３０ｂとリング３１ｂの内周面と水素分離部３０ｃによって形成されるガス攪拌室３７ｂによって改質ガスが拡散し、混合される。リング３１ａ、３１ｂ、つまりガス攪拌室３７ａ、３７ｂはこの形状に限られることはなく、水素分離部３０ａと水素分離部３０ｂ、または水素分離部３０ｂと水素分離部３０ｃの間で改質ガスを拡散し、混合することができればよい。
【００６０】
シール材３２ａ、３２ｂはリング３１ａと水素分離部３０ａ、３０ｂの間から改質ガスが漏洩し、改質ガスが集合部１０ａ、１０ｂに混入しないように設けられる。シール材３３ａ、３３ｂも同様に改質ガスが集合部１０ｂ、１０ｃに混入しないように設けられる。
【００６１】
以上の構成によって、ガス攪拌室３７ａ、３７ｂによって一旦改質ガスを混合し、ガス攪拌室３７ａ、３７ｂのそれぞれ下流に位置する水素分離部３０ｂ、３０ｃに水素濃度が均一の改質ガスを供給することができる。
【００６２】
水素分離膜装置６０から水素を取り出すコントローラ５０によるバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉動作制御については第１実施形態と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００６３】
なお、リング３１ａ、３１ｂを多孔質体によって構成、またはリング３１ａ、３１ｂを水素分離部３０ａ、３０ｂ、３０ｃの一部として、つまりリング３１ａを水素分離部３０ａまたは水素分離部３０ｂ、リング３１ｂを水素分離部３０ｂまたは水素分離部３０ｃと一体として構成してもよい。そして、リング３１ａ、３１ｂの内周面および端面（３４，３５ａ、３５ｂ、３６と接する面）にも水素分離膜を形成する。さらにシールの位置を移動させる（リング３１aと水素分離部３０aを一体化する場合には、リング３１aの外周へシール材３２aを移動する）。これによって水素分離膜装置６０の組み立てを容易に行い、水素分離膜と改質ガスとの接触面積を更に広くすることができる。
【００６４】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００６５】
水素分離部の貫通孔を流れる改質ガスは下流となるに連れて水素が分離されるので、改質ガス中の水素分圧が低下する。また、貫通孔を流れる改質ガスの流れが層流の場合には貫通孔内で改質ガスの混合が生じ難いために、貫通孔内で貫通孔内周面、つまり水素分離膜付近で水素濃度が低く、貫通孔中心軸付近で水素濃度が高くなる水素濃度勾配が生じる。そのため水素分離部の下流側では改質ガスから水素を分離する水素分離効率が低下する。
【００６６】
この実施形態では、水素分離部３０を水素分離部３０ａ、３０ｂ、３０ｃに分割し、水素分離部３０ａと水素分離部３０ｂの間にリング３１ａを介装し、さらに水素分離部３０ｂと水素分離部３０ｃの間にリング３１ｂを介装する。これによって、水素分離部３０ａとリング３１ａと水素分離部３０ｂによってガス攪拌室３７ａを形成し、ガス攪拌室３７ａに排出された改質ガスがガス攪拌室３７ａで拡散、混合し、改質ガスの水素濃度を均一にすることができる。そのため改質ガスの流れ方向下流にあたる水素分離部３０ｂにおいて水素濃度が均一の改質ガスを供給することができ、水素分離効率を良くすることができる。なお、これはリング３１ｂにおいても同様の効果を得ることができる。また、水素分離効率を良くすることで水素分離膜装置１の改質ガス流れ方向の長さを短くするなど、水素分離膜装置１を小型にすることができる。
【００６７】
また、リング３１ａ側の水素分離部３０ａの端面３４と水素分離部３０ｂの端面３５ａ、またはリング３１ｂ側の水素分離部３０ｃの端面３６と水素分離部３０ｂの端面３５ｂに水素分離膜を形成することで、水素分離膜の面積を広くし、水素分離膜と改質ガスとの接触面積を広くすることができ、水素分離効率を良くすることができる。
【００６８】
本発明の第３実施形態の水素分離膜装置７０の構成を図１０の概略構成図を用いて説明する。ここでは第２実施形態とは異なる箇所を中心に説明する。この実施形態では水素分離部４０を水素分離部４０ａ、４０ｂ、４０ｃに分割・分離し、分割・分離した水素分離部４０ａ、４０ｂ、４０ｃを直列に並べて配設し、水素分離部４０ａと水素分離部４０ｂを配管４５ａによって連結し、水素分離部４０ｂと水素分離部４０ｃを配管４５ｂによって連結する。
【００６９】
水素分離部４０ａの上流側には導入部１３、一方下流側には排出部４１が構成され、水素分離部４０ｂの上流側には導入部４２ａ、一方下流側には排出部４２ｂが構成され、水素分離部４０ｂの上流側には導入部４３ａ、一方下流側には排出部１４が構成される。
【００７０】
水素分離部４０ａから排出された改質ガスは、排出部４１または導入部４２ａによって拡散、混合され、水素分離部４０ｂに供給される（排出部４１と導入部４２ａが攪拌室を構成する）。また、水素分離部４０ｂから排出された改質ガスは、排出部４２ｂまたは導入部４３によって拡散、混合され、水素分離部４０ｃに供給される（排出部４２ｂと導入部４３が攪拌室を構成する）。
【００７１】
以上の構成により、水素分離部４０ａ、水素分離部４０ｂから排出された改質ガスを拡散し、均一の水素濃度の改質ガスを改質ガス流れ方向の下流に位置する水素分離部４０ｂ、または水素分離部４０ｃに供給することができる。
【００７２】
水素分離膜装置７０から水素を取り出すコントローラ５０によるバルブ１７ａ、１７ｂ、１７ｃの開閉動作制御については第１実施形態と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。
【００７３】
本発明の第３実施形態の効果について説明する。
【００７４】
この実施形態では第２実施形態に加えて、水素分離部４０ａ、４０ｂ、４０ｃを分割・分離し、直列に並べて配設し、配管４５ａと配管４５ｂによって連結するので、水素分離膜装置７０を自由なレイアウトで行うことができる。
【００７５】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
燃料改質型の燃料電池システムに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１実施形態の概略構成図である。
【図２】水素分離膜装置の貫通孔内の水素分圧を示すマップである。
【図３】水素分離膜を透過する透過ガス中の水素量と一酸化炭素量の変化を示すマップである。
【図４】燃料電池の運転負荷を変化させた場合の一酸化炭素濃度の変化を示すマップである。
【図５】本発明の第１実施形態のバルブ開閉動作を説明するフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施形態の運転負荷増加制御を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態の運転負荷増加制御を示すフローチャートである。
【図８】水素分離膜の厚さを変化させた場合の水素分離膜を透過する一酸化炭素量の変化を示すマップである。
【図９】本発明の第２実施形態の概略説明図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の概略説明図である。
【符号の説明】
【００７８】
１、６０、７０    水素分離装置
２、２ａ、２ｂ、２ｃ    多孔質体
３、３ａ、３ｂ、３ｃ    貫通孔
４、４ａ、４ｂ、４ｃ    水素分離膜
１０    空間
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ    集合部（集積部）
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ    シール材（シール部材）
１３、４２ａ、４３    導入部
１４、４１、４２ｂ    排出部
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ    配管
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ    バルブ（切換手段）
１８    一酸化炭素濃度センサ（不純ガス検出手段）
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ    水素分離部
３１ａ、３１ｂ    リング（分割手段）
３７ａ、３７ｂ    ガス攪拌室（攪拌室）
５０    コントローラ（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006159081.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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