(57)【要約】【課題】  全体をバランス良く温度上昇させ、暖機に費やす時間を短縮する水素分離装置を提供することを目的とする。【解決手段】  所定の原料を改質して得られる改質ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、前記改質ガスと共に、所定の流体を供給する供給部と、水素を選択的に透過する水素分離膜を有し、前記供給された改質ガスから抽出した水素を出力する水素分離部と、所定の運転条件に応じて、前記水素分離部へ供給される流体の流動状態を制御し、前記水素分離部の下流側の暖機を上流側よりも促進する下流側暖機制御部とを備えた水素分離装置とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の原料を改質して得られる改質ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、
前記改質ガスと共に、所定の流体を供給する供給部と、
水素を選択的に透過する水素分離膜を有し、前記供給された改質ガスから抽出した水素を出力する水素分離部と、
所定の運転条件に応じて、前記水素分離部へ供給される流体の流動状態を制御し、前記水素分離部の下流側の暖機を上流側よりも促進する下流側暖機制御部と
を備えた水素分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水素分離装置であって、
前記下流側暖機制御部は、前記水素分離部の下流側を優先して暖機する第１の暖機モードと、上流側を優先して暖機する第２の暖機モードとを備えた水素分離装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の水素分離装置であって、
更に、前記水素分離部の下流側の温度を検出する温度検出部を備え、
前記所定の運転条件は、前記温度検出部により検出される温度である水素分離装置。
【請求項４】
請求項３に記載の水素分離装置であって、
前記所定の流体は、前記改質ガスに含まれる水素を燃焼させる空気であり、
前記下流側暖機制御部は、前記検出された温度が所定の値に満たない場合に、前記供給部からの前記改質ガスおよび前記空気の流量および／または流速を増大する
水素分離装置。
【請求項５】
請求項４に記載の水素分離装置であって、
前記供給部は、所定の液体燃料を噴霧可能な噴霧供給部を備え、
前記下流側暖機制御部は、前記検出された温度が所定の値に満たない場合に、前記液体燃料の噴霧を実行する
水素分離装置。
【請求項６】
請求項５に記載の水素分離装置であって、
前記所定の液体燃料は、炭化水素系の燃料である水素分離装置。
【請求項７】
酸化ガスと、水素を含有する改質ガスとの供給を受けて発電する燃料電池システムであって、
前記改質ガスと共に、所定の流体を供給する供給部と、
水素を選択的に透過する水素透過性部材と、プロトン伝導性を有する電解質層とを有し、前記供給された改質ガスから水素を抽出して用いる水素分離型燃料電池と、
前記水素分離型燃料電池における前記改質ガスの流れの下流側の温度を検出する温度検出部と、
前記検出された温度に応じて、前記水素分離型燃料電池の下流側の暖機を上流側よりも促進する下流側暖機制御部と
を備えた燃料電池システム。
【請求項８】
水素を選択的に透過する水素分離膜を備えた水素分離部を有し、改質ガスから水素を抽出する水素分離装置の暖機制御方法であって、
前記改質ガスと共に、前記改質ガスに含まれる水素を燃焼させる空気を供給し、
前記水素分離部における前記改質ガスの流れの下流側の温度を検出し、
前記検出された温度が所定の値に満たない場合に、前記改質ガスおよび前記空気の流量および／または流速を増大する
水素分離装置の暖機制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改質ガスから水素を抽出する水素分離機能を備えた水素分離装置、その暖機制御方法および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を得る燃料電池がエネルギ源として注目されている。燃料電池に供給される水素には、高純度の水素が用いられる。こうした高純度の水素を生成するシステムには、例えば、炭化水素系の原料から改質ガスを生成する改質器、その改質ガスから水素を抽出する水素分離装置が設けられ、原料から高純度の水素を生成している。
【０００３】
水素分離装置としては、例えば、パラジウム，パラジウム合金などの水素を選択的に透過する水素分離膜を利用した装置が知られている。こうした水素分離膜は、高温状態で良好な水素透過性能を発揮するため、水素分離装置の暖機が必要となる。例えば、下記特許文献１には、水素分離膜が低温状態にある場合には、改質器と水素分離装置との間に酸素を供給し、改質ガス中の水素を燃焼させることで水素分離装置の暖機を促進する技術が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平２００３−９５６０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうした技術では、水素分離装置全体の速やかな暖機が困難であった。つまり、改質器と水素分離装置との間（水素分離装置の上流側）に所定量の酸素を供給して水素と酸素との反応を促進することで、水素分離装置の上流側での暖機は実行できるが、下流側での暖機は困難であった。その結果、水素分離装置全体として、暖機の終了までに時間がかかるという問題があった。
【０００６】
なお、水素分離装置の上流側と下流側とに、それぞれ酸素を供給する供給管を設けることも考えられるが、水素分離装置の構成が複雑となり、酸素の供給源等の補機が複数必要となることから現実的な解決とならない場合があった。
【０００７】
本発明は、こうした問題を踏まえて、全体をバランス良く温度上昇させ、暖機に費やす時間を短縮する水素分離装置、その暖機制御方法および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の水素分離装置は、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、所定の原料を改質して得られる改質ガスから水素を抽出する水素分離装置であって、前記改質ガスと共に、所定の流体を供給する供給部と、水素を選択的に透過する水素分離膜を有し、前記供給された改質ガスから抽出した水素を出力する水素分離部と、所定の運転条件に応じて、前記水素分離部へ供給される流体の流動状態を制御し、前記水素分離部の下流側の暖機を上流側よりも促進する下流側暖機制御部とを備えたことを要旨としている。
【０００９】
本発明の水素分離装置によれば、水素分離部へ供給される流体の流動状態を制御することで、水素分離部の下流側の暖機を上流側よりも促進する。通常、高温の改質ガスの供給を受けた水素分離部の上流側は、下流側により早期に温度が上昇する。この上流側に比べて、下流側を積極的に暖機することで、水素分離部の全体を均一かつ早期に暖機することができる。この下流側の暖機は、水素分離部への供給流体の流動状態、例えば流量や流速を変更して行なう。したがって、略既存のシステムにて対応することができ、水素分離部の下流側を暖機するための大掛かりな機器を設ける必要がない。
【００１０】
上記の構成の水素分離装置の下流側暖機制御部は、前記水素分離部の下流側を優先して暖機する第１の暖機モードと、上流側を優先して暖機する第２の暖機モードとを備えるものとすることができる。
【００１１】
かかる水素分離装置によれば、所定の運転条件に応じて、２つの暖機モードにより水素分離部を暖機する。例えば、経過時間や温度変化などの運転条件に対応して、２つの暖機モードを使うことで、水素分離装置、特に水素分離部の状態に適応した暖機を実行することができる。
【００１２】
上記の構成の水素分離装置は、更に、前記水素分離部の下流側の温度を検出する温度検出部を備え、前記所定の運転条件は、前記温度検出部により検出される温度であるものとしても良い。
【００１３】
かかる水素分離装置によれば、水素分離部の下流側の温度を検出し、検出温度に応じて水素分離部の暖機を実行する。つまり、下流側の暖機を実行する基準を水素分離部の下流側の温度とする。例えば、この温度が所定温度に至るまで、下流側の暖機を実行するものとすれば良い。こうすることで、水素分離部全体を確実に暖機することができる。
【００１４】
上記の構成の水素分離装置の所定の流体は、前記改質ガスに含まれる水素を燃焼させる空気であり、前記下流側暖機制御部は、前記検出された温度が所定の値に満たない場合に、前記供給部からの前記改質ガスおよび前記空気の流量および／または流速を増大するものとしても良い。
【００１５】
また、この水素分離装置に対応する制御方法は、水素を選択的に透過する水素分離膜を備えた水素分離部を有し、改質ガスから水素を抽出する水素分離装置の暖機制御方法であって、前記改質ガスと共に、前記改質ガスに含まれる水素を燃焼させる空気を供給し、前記水素分離部における前記改質ガスの流れの下流側の温度を検出し、前記検出された温度が所定の値に満たない場合に、前記改質ガスおよび前記空気の流量および／または流速を増大するものとしても良い。
【００１６】
かかる水素分離装置およびその制御方法によれば、水素分離部に供給する改質ガス、空気の流量および／または流速を増大することで水素分離部の下流側の暖機を促進する。改質ガスと共に空気を水素分離部へ供給すると、改質ガスに含まれる水素と空気中に含まれる酸素との燃焼反応（酸化反応）による発熱で、水素分離部内の温度は上昇する。この水素分離部へ供給する流体の流量および／または流速を増大することで、燃焼反応による発熱のピークを水素分離部の上流側から下流側へ移動させることができる。したがって、比較的容易に下流側の暖機を促進することができる。
【００１７】
上記の構成の水素分離装置の供給部は、所定の液体燃料を噴霧可能な噴霧供給部を備え、前記下流側暖機制御部は、前記検出された温度が所定の値に満たない場合に、前記液体燃料の噴霧を実行するものとしても良い。
【００１８】
かかる水素分離装置によれば、水素分離部に供給する改質ガス、空気と共に、所定の液体燃料を噴霧する。水素分離部の上流側（改質ガスの入口付近）に噴霧された液体燃料は、改質ガス、空気および周囲の熱を奪って気化する。この気化潜熱により上流側の温度上量が抑制され、改質ガスと空気との燃焼反応による発熱のピークを上流側から下流側へ移動させることができる。したがって、下流側の暖機を促進し、水素分離装置全体を暖機することができる。
【００１９】
上記の構成の水素分離装置の所定の液体燃料は、炭化水素系の燃料であるものとしても良い。炭化水素系の燃料としては、例えば、ガソリンやメタノールなどを使用することができる。
【００２０】
また、本発明の燃料電池システムは、酸化ガスと、水素を含有する改質ガスとの供給を受けて発電する燃料電池システムであって、前記改質ガスと共に、所定の流体を供給する供給部と、水素を選択的に透過する水素透過性部材と、プロトン伝導性を有する電解質層とを有し、前記供給された改質ガスから水素を抽出して用いる水素分離型燃料電池と、前記水素分離型燃料電池における前記改質ガスの流れの下流側の温度を検出する温度検出部と、前記検出された温度に応じて、前記水素分離型燃料電池の下流側の暖機を上流側よりも促進する下流側暖機制御部とを備えるものとすることができる。
【００２１】
かかる燃料電池システムによれば、下流側の暖機を促進することで、水素分離膜としての水素透過性部材および燃料電池全体の暖機を均一かつ早期に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：
【００２３】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例としての水素分離装置を用いた燃料電池システムの概略構成図である。図示すように、この燃料電池システム１０は、主に、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池２０、燃料電池２０に水素を供給する水素分離装置３０、燃料電池２０に酸素としての圧縮空気を供給するブロワ４０などから構成されている。
【００２４】
水素分離装置３０は、原料を改質して改質ガスを生成する改質器８０、改質器８０に所定量の原料，空気を供給するバルブ８１，８２、改質ガスから水素を抽出する水素分離部６０、改質ガスと共に空気を水素分離部６０へ供給する燃焼空気バルブ８５、水素分離部６０へ供給する供給流量等を制御するＥＣＵ７０などを備え、高純度の水素を生成している。本実施例では、改質器８０に供給する原料には液体炭化水素としてのガソリンを使用しているが、メタノールなどのアルコール、炭化水素系の改質用の原料を使用することができる。
【００２５】
改質器８０は、供給された改質用原料と酸素との改質反応（部分酸化反応）により水素リッチな改質ガスを生成する。この改質器８０は、改質反応に適した改質触媒を備えている。改質器８０へ供給する原料および空気の供給流量は、バルブ８１，８２の開度により調整している。なお、空気に代えて水を供給し、原料と水とを気化、昇温した混合ガスを改質器８０に供給する構成としても良い。こうした改質反応により、高温の改質ガスが水素分離部６０の入口に供給される。
【００２６】
図２は、水素分離部６０の概略構成を示す模式図である。図示するように、水素分離部６０は、水素を選択的に透過する水素分離膜６５を備えた薄板状部材６１を複数積層して構成されている。薄板状部材６１は、水素分離膜６５を挟んで、外部から供給されるパージガスの流路６２と改質器８０からの改質ガスの流路６３とを備えた構造である。
【００２７】
本実施例では、水素分離膜６５としてパラジウムの薄膜を使用している。こうした水素分離膜６５は、高温状態で良好な水素透過性能を発揮する。なお、水素分離膜６５は、パラジウムに代えてパラジウム合金の薄膜、あるいは、バナジウム、ニオブ、タンタルなどの５族金属、または５族合金など種々の材料を用いることができる。
【００２８】
パージガスは、水素の分離を促進するガスであり、例えば、水蒸気、不活性ガス、燃料電池２０のオフガスなど種々のガスを利用することができる。
【００２９】
外部からの改質ガスとパージガスとは、水素分離部６０の各薄板状部材６１の流路６２，６３に供給され水素分離膜６５を挟んで対向方向に流れる。高温の改質ガス中に含まれる水素は、改質ガスの流路６３を流れる過程で、水素分離膜６５を介してパージガスの流路６２側へ透過する。複数の薄板状部材６１における水素の透過により、水素分離部６０から出力されるパージガスは高純度の水素を運搬することとなる。こうして得られた高純度の水素は、燃料電池２０での発電に使用される。
【００３０】
図１に戻って、本実施例の水素分離装置３０に設けた燃焼空気バルブ８５は、改質器８０からの改質ガスを燃焼（つまり酸化反応）させるための空気を水素分離部６０へ供給するバルブである。つまり、水素分離部６０には、改質ガスと共に燃焼用の空気が供給され、改質ガスを燃焼させることで発生する熱量により水素分離部６０内の暖機を図っている。なお、燃焼空気バルブ８５への空気の供給源としては、新たに空気用のブロワを設けるものとしても良いし、改質用空気のバルブ８２の供給源であるブロワ（図示せず）と共有する構成としても良い。また、燃料電池２０用のブロワ４０や燃料電池２０の酸素極側の排気（カソードオフガス）を使用することもできる。
【００３１】
水素分離装置３０の運転は、ＥＣＵ７０によって制御されている。ＥＣＵ７０は、内部にＣＰＵ、メモリ等を備え、運転条件に応じて、水素分離部６０への供給流体の流量等を調整している。具体的には、水素分離部６０の流体の入口付近に設けた温度センサ７２からの入口温度Ｔｕと、出口付近に設けた温度センサ７３からの出口温度Ｔｄとを入力し、入力した温度Ｔｕ，Ｔｄに応じて、バルブ８１，８２、燃焼空気バルブ８５のバルブ開度を調整している。
【００３２】
こうした機器から構成される燃料電池システム１０の運転では、まず水素分離部６０の暖機が実行される。図３は、第１実施例の水素分離部６０における暖機処理を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１０の運転開始操作に応じて、上述のＥＣＵ７０にて実行される。
【００３３】
処理が開始されると、ＥＣＵ７０は、水素分離部６０の入口温度Ｔｕと出口温度Ｔｄとを入力する（ステップＳ３００）。ＥＣＵ７０は、入力した出口温度Ｔｄが所定温度Ｔαに到達しているか否かを判断する（ステップＳ３１０）。
【００３４】
ステップＳ３１０で、出口温度Ｔｄが所定温度Ｔαに到達していない（Ｎｏである）場合には、水素分離部６０への供給流量を増大する高流量制御を実行し（ステップＳ３２０）、ステップＳ３００に戻って、入口温度Ｔｕ，出口温度Ｔｄを入力し、この処理を繰り返す。
【００３５】
高流量制御（以下、これを第１の暖機モードと呼ぶ）は、水素分離部６０へ供給する改質ガスおよび燃焼用の空気の流量を増加する処理である。具体的には、バルブ８１，８２の開度を通常の設定値よりも増大し、改質器８０を介して出力される改質ガスの流量を増加させる。同様に、燃焼空気バルブ８５の開度を増大し、空気の流量を増加させている。こうして水素分離部６０に供給される供給流量が増大することで、水素分離部６０の出口近傍から先に水素と酸素との燃焼反応が進行する。つまり、供給流量の増大により燃焼反応が水素分離部６０の入口近傍よりも出口近傍（改質ガスの流れの下流側）で優先的に実行されることで、下流側の暖機を促進している。
【００３６】
他方、ステップＳ３１０で、出口温度Ｔｄが所定温度Ｔαに到達している（Ｙｅｓである）場合には、入力した入口温度Ｔｕが所定温度Ｔβに到達しているか否かを判断する（ステップＳ３３０）。
【００３７】
ステップＳ３３０で、入口温度Ｔｕが所定温度Ｔβに到達していない（Ｎｏである）場合には、水素分離部６０への供給流量を低減する低流量制御を実行し（ステップＳ３４０）、ステップＳ３００に戻って、入口温度Ｔｕ，出口温度Ｔｄを入力し、この処理を繰り返す。
【００３８】
低流量制御（以下、これを第２の暖機モードと呼ぶ）は、水素分離部６０へ供給する改質ガスおよび燃焼用の空気の流量を低減する処理である。具体的には、バルブ８１，８２および燃焼空気バルブ８５の開度を通常の設定値よりも低減し、供給流量を低減している。こうした供給流量の低減により燃焼反応を水素分離部６０の出口近傍よりも入口近傍（改質ガスの流れの上流側）で優先的に実行し、上流側の暖機を促進している。
【００３９】
他方、ステップＳ３３０で、入口温度Ｔｕが所定温度Ｔβに到達している（Ｙｅｓである）場合には、水素分離部６０全体として暖機が完了したものと判断し、一連の暖機処理を終了する。
【００４０】
以上の一連の暖機処理では、第１および第２の暖機モードを有し、検出温度に応じてモード（つまり、水素分離部６０への供給流量）を変更する。供給流量を増大することで下流側の暖機を促進し、供給流量を低減することで上流側の暖機を促進する。したがって、水素分離部６０の状態に応じた暖機を行なうことができる。
【００４１】
図４は、水素分離部６０への供給流量と温度上昇との関係を示した実験結果である。図４（ａ）は、供給流量が少ない場合の水素分離部６０の入口、中間、出口の温度の時間変化を示している。この実験１の改質ガスは、擬似的に水素と窒素とから再現し、それぞれ１５７[ＮＬ／ｍｉｎ]の水素と、４２４[ＮＬ／ｍｉｎ]の窒素とを供給した。また改質ガス中の水素の燃焼用として１２５[ＮＬ／ｍｉｎ]の空気を供給した。なお、改質器８０の負荷は１５[ｋＷ]相当とした。
【００４２】
図示するように、実験１による燃焼では、入口、中間、出口の順に温度の上昇傾向が見られる。つまり、供給流量が少ない状態で暖機を続けた場合、改質ガス中の水素と燃焼用空気中の酸素との燃焼反応による発熱量は、主に入口側（上流側）にて消費される。
【００４３】
他方、図４（ｂ）は、供給流量が多い場合の水素分離部６０の入口、中間、出口の温度の時間変化を示している。この実験２の改質ガスは、３１４[ＮＬ／ｍｉｎ]の水素と、８４８[ＮＬ／ｍｉｎ]の窒素とからなり、実験１に対して２倍の量を供給した。燃焼用の空気も２倍の量に相当する２５０[ＮＬ／ｍｉｎ]の空気を供給した。なお、改質器８０の負荷は実験１と同様、１５[ｋＷ]相当とした。
【００４４】
図示するように、実験２による燃焼では、出口、中間、入口の順に温度の上昇傾向が見られる。つまり、供給流量が多い状態で暖機を続けた場合、流速の上昇により燃焼反応による発熱のピークが下流側へシフトし、燃焼反応による発熱量は出口側（下流側）から消費される。
【００４５】
図５は、こうした実験結果を踏まえた第１実施例の暖機処理の様子を示す説明図である。図５（ａ）は、供給流量が低流量の場合、つまり、第１実施例の暖機処理を実行しない場合の暖機時間と水素分離部６０の温度との関係を示している。他方、図５（ｂ）は、第１実施例の暖機処理を実行した場合の暖機時間と水素分離部６０の温度との関係を示している。
【００４６】
図示するように、供給流量を増大する第１の暖機モードと供給流量を低減する第２の暖機モードとを併用することで、暖機時間を短縮することができる。
【００４７】
第１実施例の暖機処理では、供給流量の違いによる水素分離部６０の各部の温度上昇の傾向を利用し、暖機の促進を図ることができる。こうした暖機処理によれば、水素分離部６０の下流側を積極的に暖機し、水素分離部６０全体の暖機を早期に完了することができる。
【００４８】
なお、通常、改質器８０から供給される改質ガスを高温であるため、水素分離部６０の上流側は積極的に制御することなく、暖機が促進される。したがって、下流側のみ積極的に暖機する構成、すなわち、第２の暖機モードを設けない構成としても良い。
【００４９】
Ｂ．第２実施例：
図６は、本発明の第２実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。図示するように、この燃料電池システム２００は、主に、燃料電池２０、水素分離装置１００、ブロワ４０などから構成されている。第２実施例では、水素分離装置１００の一部の構成のみが第１実施例と異なる。したがって、他の機器に関しては、第１実施例と符号を同一とし、説明を省略する。
【００５０】
水素分離装置１００は、第１実施例と同様、水素分離部６０、改質器８０、改質用の原料量、空気量を調整するバルブ８１，８２、燃焼用の空気を供給する燃焼空気バルブ８５、ＥＣＵ７０等を備えている。この水素分離装置１００は、第１実施例の構成に加えて、所定の燃料を噴霧する燃料バルブ９５を備えている。
【００５１】
燃料バルブ９５は、改質ガスおよび燃焼用の空気の供給と共に、水素分離部６０の入口付近に所定の液体燃料を噴霧するバルブである。本実施例では、所定の液体燃料としてガソリンを使用している。なお、ガソリンに代えて、メタノールなどのアルコールを用いるものとしても良い。また、水を噴霧するものとしても良い。
【００５２】
燃料バルブ９５は、ＥＣＵ７０からの電気信号により、所定のタイミングで液体燃料を噴霧する。噴霧された液体燃料は、周囲の熱を奪い気化する。この気化潜熱により、入口付近での改質ガス、空気等の温度は低下し、入口付近での燃焼反応を抑制する。つまり、改質ガス中の水素と空気中の酸素との燃焼反応による発熱のピークは、上流側から下流側へシフトする。こうして下流側で燃焼反応が生じ、下流側の暖機を促進することがきる。
【００５３】
こうした構成の燃料電池システム２００において実行される水素分離部６０の暖機処理について説明する。図７は、第２実施例の水素分離部６０における暖機処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池システム２００の運転開始操作に応じて、ＥＣＵ７０にて実行される。
【００５４】
処理が開始されると、ＥＣＵ７０は、水素分離部６０に所定流量の改質用原料、空気、および燃焼用の空気を供給する（ステップＳ６００）。具体的には、バルブ８１，８２、および燃焼空気バルブ８５の開度を、予め設定された設定値にセットする処理を行なう。この状態では、水素分離部６０の入口側で、積極的に燃焼反応による発熱が生じている。
【００５５】
続いて、ＥＣＵ７０は、水素分離部６０の入口温度Ｔｕと出口温度Ｔｄとを入力する（ステップＳ６１０）。ＥＣＵ７０は、入力した出口温度Ｔｄが所定温度Ｔγに到達しているか否かを判断する（ステップＳ６２０）。
【００５６】
ステップＳ６２０で、出口温度Ｔｄが所定温度Ｔγに到達していない（Ｎｏである）場合には、燃料バルブ９５から所定量の液体燃料の噴霧を開始し（ステップＳ６３０）、ステップＳ６１０に戻って、入口温度Ｔｕ，出口温度Ｔｄを入力し、この処理を繰り返す。つまり、液体燃料の噴霧により、水素分離部６０の下流側の暖機を促進する。
【００５７】
他方、ステップＳ６２０で、出口温度Ｔｄが所定温度Ｔγに到達している（Ｙｅｓである）場合には、燃料バルブ９５からの噴霧を停止する（ステップＳ６４０）。なお、燃料バルブ９５からの噴霧処理を実行しない場合（例えば、初期段階から下流側の暖機が終了している場合）には、ステップＳ６４０を行なうことなく、ステップＳ６５０へ移行する。
【００５８】
ＥＣＵ７０は、入口温度Ｔｕが所定温度Ｔδに到達しているか否かを判断する（ステップＳ６５０）。ステップＳ６５０で、入口温度Ｔｕが所定温度Ｔδに到達していない（Ｎｏである）場合には、ステップＳ６１０に戻って、入口温度Ｔｕ，出口温度Ｔｄを入力し、この処理を繰り返す。
【００５９】
他方、ステップＳ６５０で、入口温度Ｔｕが所定温度Ｔδに到達している（Ｙｅｓである）場合には、水素分離部６０は全体として暖機が完了したものと判断して、一連の暖機処理を終了する。
【００６０】
以上の暖機処理によれば、水素分離部６０の入口付近に噴霧された液体燃料が気化することで入口付近の温度上昇が抑制され、下流側で水素と酸素との燃焼反応を生じさせることができる。したがって、上流側に比べて下流側の暖機を促進し、水素分離部６０全体をバランスよく暖機することができる。
【００６１】
Ｃ．変形例：
本実施例の燃料電池システムは、いずれも水素分離装置から水素の供給を受ける構成として説明したが、燃料電池に直接、改質ガスを供給する構成とすることもできる。
【００６２】
図８は、変形例としての燃料電池システムを示す概略構成図である。このシステムは、第１実施例の水素分離部６０および燃料電池２０の機能を併せ持つ水素分離膜型燃料電池３００を備えて構成されており、その他の機器は第１実施例と同様である。したがって、水素分離膜型燃料電池３００以外については、符号を同一とし、説明を省略する。
【００６３】
図示するように、この燃料電池システムは、改質器８０からの改質ガスおよびブロワ４０からの空気を水素分離膜型燃料電池３００に直接供給し、改質ガスから抽出した水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。つまり、予め高純度の水素を生成することなく、改質ガスを直接供給する点が第１実施例と異なる。
【００６４】
図９は、水素分離膜型燃料電池３００の概略構成を示す断面模式図である。図示するように、水素分離膜型燃料電池３００は、複数枚の単セル３０１を積層したスタック構造をしている。単セル３０１は、主に、セパレータ３６０、電解質膜３４０、電極３３０、セパレータ３７０等からなり、２枚のセパレータ３６０，３７０で電解質膜３４０、電極３３０を挟み込んで形成されている。
【００６５】
セパレータ３６０には改質ガスの流路となる溝部３６５が設けられ、電解質膜３４０に改質ガスを供給している。セパレータ３７０には空気の流路となる溝部３７５が設けられ、電極３３０に空気を供給している。このセパレータ３６０，３７０は、金属製であり、集電体として機能している。
【００６６】
電解質膜３４０は、水素を選択的に透過する水素透過性基材３１０上にプロトン伝導性を有する電解質層３２０を積層して形成されている。水素透過性基材３１０には、第１実施例の水素分離膜６５と同様、パラジウムの薄膜を使用している。もちろん、パラジウム合金、バナジウム、ニオブ、タンタルなどの５族金属でも良い。電解質層３２０には、セラミック系の固体酸化物を使用している。固体酸化物としては、例えばＢａＣｅＯ３  、ＳｒＣｅＯ３  系のペロブスカイト、パイロクロア等を用いることができる。
【００６７】
電極３３０には、パラジウムを使用しているが、水素と酸素との電気化学反応を促進する触媒活性を有する貴金属により形成するものとすれば良い。なお、さらに電気化学反応を促進するため、パラジウムに替えて、または、パラジウムと共に、白金（Ｐｔ）等の触媒層を設けるものとしても良い。
【００６８】
こうした構成の水素分離膜型燃料電池３００において、溝部３６５に改質ガスが供給されると、水素透過性基材３１０の作用により改質ガス中の水素が抽出され、電解質層３２０に供給される。その過程で水素はプロトンと電子に分離し、プロトンのみが電解質層３２０を介して電極３３０側に供給される。電極３３０側では、溝部３７５に供給された空気中の酸素とプロトンとが反応し、水が生成される。こうした反応により、水素分離膜型燃料電池３００は、発電している。
【００６９】
この水素分離膜型燃料電池３００には、改質ガスの入口（上流）側と出口（下流）側とに、それぞれ温度センサ７２，７３が設けられ、その検出値をＥＣＵ７０に出力している。ＥＣＵ７０は、この検出値に基づいて、改質器８０からの改質ガスの流量、および燃焼空気バルブ８５からの空気の流量を調整する。この流量の調整は、図３の第１実施例と同様の処理を行なうものとすれば良い。
【００７０】
以上の水素分離膜型燃料電池３００を備えたシステムによれば、燃焼用の空気および改質ガスの流量を増大することで、スタック構造の水素分離膜型燃料電池３００の下流側から優先的に暖機することができる。その結果、早期に水素分離膜型燃料電池３００全体の暖機を実行することができる。
【００７１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。
【００７２】
第１実施例では、水素分離部６０への供給流量を２段階に設定し、第１および第２の暖機モードを用いて暖機を行なう構成としたが、さらに複数のモード、つまり、流量設定値を設けて、複数モードで暖機を実行するものとしても良い。この場合、温度センサも複数設けることとなるが、より細かな暖機制御を実現することができる。
【００７３】
また、温度センサ７２，７３による検出値によらず、運転開始から所定時間までは、下流側の暖機を行なうものとしても良い。勿論、温度センサ７２，７３と運転時間とを併用するものとしても良い。
【００７４】
さらには、第１実施例の暖機制御と第２実施例の暖機制御とを適宜組み合わせることもできる。例えば、暖機時において、所定温度に到達するまでは、第１実施例の暖機制御を実行し、所定温度到達後、暖機完了温度までの間は、第２実施例の暖機制御を行なうものとしても良い。こうした組み合わせによる暖機制御により、水素分離部６０をバランスよく早期に暖機することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１実施例としての水素分離装置を用いた燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】水素分離部の概略構成を示す模式図である。
【図３】第１実施例の水素分離部における暖機処理を示すフローチャートである。
【図４】供給流量と温度上昇との関係を示した実験結果である。
【図５】実験結果を踏まえた第１実施例の暖機処理の様子を示す説明図である。
【図６】本発明の第２実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。
【図７】第２実施例の水素分離部における暖機処理を示すフローチャートである。
【図８】変形例としての燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図９】水素分離膜型燃料電池の概略構成を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００７６】
１０，２００...燃料電池システム
２０...燃料電池
３０，１００...水素分離装置
４０...ブロワ
６０...水素分離部
６１...薄板状部材
６２，６３...流路
６５...水素分離膜
７２，７３...温度センサ
８０...改質器
８１，８２...バルブ
８５...燃焼空気バルブ
９５...燃料バルブ
３００...水素分離膜型燃料電池
３０１...単セル
３１０...水素透過性基材
３２０...電解質層
３３０...電極
３４０...電解質膜
３６０，３７０...セパレータ
３６５，３７５...溝部
Ｔｕ...入口温度
Ｔｄ...出口温度
【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】
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【図８】
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【図９】
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