(57)【要約】【課題】水素を含有する改質ガスから水素分離膜を用いて水素を精製する際に、水素分離膜を加熱するためバッテリや発電システムといった付随的な装置を何ら用いずに、システムを複雑化させることなく、水素分離膜の脆化を防止する。【解決手段】水素精製システムは、燃料を改質する自立型改質反応器１と、この自立型改質反応器１と直列に接続され、自立型改質反応器１によって改質した改質ガスから水素を分離する水素分離膜２が設けられた水素分離膜モジュール３と、自立型改質反応器１に対して投入される燃料及び空気からなる原料並びに水蒸気の流量を制御するコントロールユニット１２とを備える。水素精製システムは、コントロールユニット１２の制御のもとに、起動時に、自立型改質反応器１によって生成された改質ガスに含有されて水素分離膜２に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を所定値下に制御する。【選択図】      図２
2004210602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を改質する改質反応器と、
前記改質反応器と直列に接続されて、前記改質反応器により生成された改質ガスから水素成分を分離する水素分離膜と、
起動時に、前記改質反応器によって生成された改質ガスに含有されて前記水素分離膜に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を水素分離膜の脆化が起こる所定値以下に制御する制御手段と
を備えることを特徴とする水素精製システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記改質反応器に供給する水蒸気の量を調節して、前記水素分離膜に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を前記所定値以下に制御することを特徴とする請求項１に記載の水素精製システム。
【請求項３】
前記水素分離膜の温度を測定する分離膜温度測定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記分離膜温度測定手段によって測定された前記水素分離膜の温度に基づいて、前記水素分離膜に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を制御することを特徴とする請求項２に記載の水素精製システム。
【請求項４】
前記改質反応器によって生成された改質ガスに含有される一酸化炭素の濃度を測定する一酸化炭素濃度測定手段を更に備え、
前記制御手段は、前記一酸化炭素濃度測定手段によって測定された一酸化炭素濃度に基づいて、水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を推定することを特徴とする請求項２に記載の水素精製システム。
【請求項５】
前記水素分離膜は、パラジウム、バナジウム、若しくはニオブのうちのいずれかの単体膜、又はこれらパラジウム、バナジウム、若しくはニオブとこれら以外の金属との合金を用いて構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の水素精製システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば燃料電池車両に搭載可能な燃料電池システムに対して供給する燃料ガスとしての水素を精製する水素精製システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えば車両等の移動体の動力源のうち、環境保護の観点から望ましいものとして、高効率のポテンシャルが高い燃料電池が提案されている。この燃料電池は、燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、所定の電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。
【０００３】
このような燃料電池を用いた燃料電池システムにおいては、燃料となる水素を燃料電池スタックに供給する必要があるが、高圧水素タンクや液体水素タンクから供給する手法や、天然ガス、アルコール、又はガソリン等の炭化水素系の燃料を改質して水素を発生させて供給する手法がある。後者の場合、燃料電池システムにおいては、改質ガスから水素を分離することにより、水素を精製する必要がある。
【０００４】
このような改質ガスから水素を抽出する方法としては、例えばパラジウムやパラジウム合金からなる水素分離膜を用いるものが知られている（例えば、下記の特許文献１参照。）。
【０００５】
この特許文献１には、通電によって熱を生じる多孔質体から成る基材上に、水素を選択的に透過させる性質を有する水素分離膜を形成し、この水素分離膜を用いて水素を抽出する水素抽出装置が開示されている。すなわち、この水素抽出装置は、水素を含有する改質ガスが供給される供給側と水素を透過させる透過側とに分ける膜を水素分離膜とし、改質ガスをガス供給部に供給するのにともない、水素分離膜によって水素を選択的に透過することにより、水素透過側に水素を抽出するものである。
【０００６】
ここで、この水素抽出装置においては、水素分離膜が多孔質体からなる基材上に形成されており、水素分離膜によって改質ガスから水素を抽出する際に、この基材に対して通電することにより、基材を発熱させることで水素分離膜を加熱させる。このように、この水素抽出装置は、水素分離膜を加熱することができるので、水素透過量が温度に依存する性質を有する水素分離膜を用いる場合に、水素分離膜の性能を安定させることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１２８５０５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１に記載された水素抽出装置は、水素分離膜に改質ガスを直接接触させると脆化するので、これを防止するために、基材に対して通電して水素分離膜を加熱するものである。
【０００９】
しかしながら、このような水素抽出装置においては、水素分離膜を加熱するために電源を必要とするので、バッテリや何らかの電源システムが必要となる。したがって、この水素抽出装置では、燃料電池を発電させたり負荷を駆動する以外にも余分な電気エネルギーを使用する必要があり、エネルギー使用効率が低下するという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、水素を含有する改質ガスから水素分離膜を用いて水素を精製する際に、余分な電気エネルギーを使用することなく、水素分離膜の脆化を防止することができる水素精製システムを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、燃料を改質する改質反応器と水素分離膜とを直列に接続しておき、起動時に、改質反応器によって生成された改質ガスに含有されて水素分離膜に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を水素分離膜の脆化が起こる所定値下に制御することで、上述の課題を解決する。
【００１２】
【発明の効果】
本発明に係る水素精製システムによれば、起動時に、改質反応器から水素分離膜に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を水素分離膜の脆化が起こる所定値下に制御することにより、水素分離膜を加熱するための余分な電気エネルギーを使用する必要が無く、水素分離膜の脆化を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
この実施の形態は、例えば燃料電池車両に搭載され、負荷として搭載された駆動モータや燃料電池スタックを発電させる補機類等に電力供給することにより、車両走行するための駆動トルクを発生させる燃料電池システム等に搭載されるものであり、この燃料電池システムに対して供給する燃料ガスとしての水素を精製する水素精製システムである。この水素精製システムは、改質ガスから水素分離膜を用いて水素を精製するものであり、改質ガスに含有されて水素分離膜に供給される水素（Ｈ２）の濃度値と一酸化炭素（ＣＯ）の濃度値との比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）を所定値下にすることにより、既存のシステムを何ら複雑化することなく水素分離膜の脆化を防止することができるものである。
【００１５】
［水素分離膜の脆化防止の概念］
まず、水素精製システムの説明に先だって、水素分離膜の脆化を防止する概念について説明する。
【００１６】
水素分離膜は、低温で水素に晒されると、水素吸蔵による相変化を引き起こし、脆化する特性を有する。そのため、このような水素分離膜を用いて水素を精製する際には、水素分離膜の昇温時に、当該水素分離膜に供給する水素を遮断して代わりに不活性ガスを流しつつ昇温することが一般的に行われている。
【００１７】
ここで、水素分離膜に供給される改質ガス中に存在する一酸化炭素に着目する。改質ガス中に一酸化炭素が存在した場合、この一酸化炭素は、低温では水素分離膜の表面に付着する。したがって、改質ガス中に一酸化炭素が存在した場合には、改質ガス中に水素が存在していても、水素分離膜の表面に接触できなくなることがあり、一酸化炭素が存在する状況下では、水素濃度値が一酸化炭素濃度値に対して所定値以下であれば、水素分離膜の脆化が起きることはない。
【００１８】
このような水素分離膜の脆化が起きない水素濃度値と一酸化炭素濃度値との範囲は、実験によって求められている。図１に、水素分離膜が脆化を起こさない一酸化炭素存在下の水素濃度を示す。なお、この図１においては、縦軸に、改質ガス中の一酸化炭素濃度を示し、横軸に、改質ガス中の水素濃度を示している。図１によれば、水素分離膜が脆化を起こさない水素濃度の限界値は一酸化炭素濃度にほぼ比例することがわかり、水素濃度が図中斜線部に示す範囲であれば、水素分離膜の脆化を防止できることがわかる。具体的には、水素分離膜の脆化を起こさない水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）は、例えば１０以下である。
【００１９】
したがって、水素精製システムは、水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）を制御することにより、一酸化炭素による水素分離膜への水素付着の防止作用を利用して水素分離膜の脆化を防止するものである。
【００２０】
［水素精製システムの構成］
本発明を適用した水素精製システムは、図２に示すように、自立型改質反応器１と、水素分離膜２が内部に設けられた水素分離膜モジュール３と、を直列接続されて構成されている。
【００２１】
具体的には、水素精製システムは、燃料を改質する自立型改質反応器１と、この自立型改質反応器１によって改質した改質ガスから水素を分離する水素分離膜モジュール３とが、自立型改質反応器１によって改質した改質ガスを水素分離膜モジュール３に供給する水素分離膜モジュール供給ライン４によって接続され、水素分離膜モジュール３における水素分離膜２によって透過されない成分である非透過ガスを非透過ガスライン５から燃焼器６を介して自立型改質反応器１に戻すように構成されている。また、非透過ガスライン５に送られた非透過ガスは、燃焼器６により燃焼された後にバルブ１３から外部に排出可能となされている。
【００２２】
また、水素精製システムは、自立型改質反応器１を起動させるための構成として、起動燃焼器７と、自立型改質反応器１に燃料及び空気からなる原料を投入する原料投入ライン８と、この原料投入ライン８を介して投入される燃料及び空気からなる原料の流量を調節する原料投入ライン流量調節弁９と、自立型改質反応器１に水蒸気を投入する水蒸気投入ライン１０と、この水蒸気投入ライン１０を介して投入される水蒸気の流量を調節する水蒸気投入ライン流量調節弁１１とを有する。この水素精製システムでは、自立型改質反応器１を起動するに際して、コントロールユニット１２により原料投入ライン流量調節弁９及び水蒸気投入ライン流量調節弁１１を制御する。
【００２３】
さらに、水素精製システムにおいては、水素分離膜モジュール３が、水素分離膜２により、自立型改質反応器１によって生成された改質ガスが供給される改質ガス供給サイド１４と、水素分離膜２を透過した純水素が蓄積される純水素透過サイド１５とに分けられて構成される。また、この水素精製システムでは、自立型改質反応器１に熱交換器１６が付設される。
【００２４】
また、水素精製システムにおいては、水素分離膜モジュール３における改質ガス供給サイド１４に、改質ガスに含有される一酸化炭素の濃度を測定する一酸化炭素濃度センサ１７が設けられるとともに、水素分離膜モジュール３における水素分離膜２に、当該水素分離膜２の温度を測定する分離膜温度センサ１８が設けられる。
【００２５】
このような水素精製システムでは、上述した各部がコントロールユニット１２により制御されることで、以下のような動作をする。
【００２６】
すなわち、水素精製システムにおいては、起動時においては、起動燃焼器７による燃焼によって自立型改質反応器１が加熱され、自立型改質反応器１を起動する。これに応じて、この自立型改質反応器１は、原料投入ライン８を介して投入された燃料及び空気からなる原料を、水蒸気投入ライン１０を介して投入される水蒸気により改質して、改質ガスを生成する。
【００２７】
続いて、水素精製システムにおいては、水素分離膜モジュール供給ライン４を介して自立型改質反応器１から水素分離膜モジュール３に改質ガスを投入すると、この改質ガスが、水素分離膜モジュール３における改質ガス供給サイド１４に供給される。
【００２８】
そして、水素精製システムにおいては、改質ガス供給サイド１４に供給された改質ガスのうち、水素のみが、水素分離膜モジュール３における水素分離膜２を透過することにより、水素分離膜モジュール３における純水素透過サイド１５に純水素が生成され、外部から取り出し可能とされる。一方、水素精製システムにおいては、改質ガス供給サイド１４に供給された改質ガスのうち、水素分離膜２によって透過されなかった成分である非透過ガスが、非透過ガスライン５を介して燃焼器６に投入されて燃焼され、この燃焼ガスが、自立型改質反応器１に付設された熱交換器１６に供給される。
【００２９】
なお、水素精製システムは、定常運転時には、燃料電池システムのオフガスが非透過ガスライン５を介して燃焼器６に投入される。
【００３０】
このように、水素精製システムにおいては、自立型改質反応器１と水素分離膜モジュール３との間で改質ガスの授受を行うことにより、水素を精製することができる。
【００３１】
このとき、コントロールユニット１２では、一酸化炭素濃度センサ１７によって測定される一酸化炭素濃度値と、分離膜温度センサ１８によって測定される水素分離膜２の温度値とを常時監視し、これら一酸化炭素濃度値と水素分離膜温度とに基づいて、原料投入ライン流量調節弁９及び水蒸気投入ライン流量調節弁１１を常時制御する。これにより、コントロールユニット１２では、一酸化炭素濃度値と水素分離膜温度値とに基づいて、自立型改質反応器１に投入する燃料及び空気からなる原料並びに水蒸気の流量を制御する。
【００３２】
なお、水素精製システムにおいては、水素分離膜２として、水素吸蔵率が高いパラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、若しくはニオブ（Ｎｂ）のうちのいずれかの単体膜、又はこれらパラジウム（Ｐｄ）、バナジウム（Ｖ）、若しくはニオブ（Ｎｂ）とこれら以外の金属との合金を用いて構成することにより、透過速度をより促進させることができる。
【００３３】
［水素精製システムの起動状態と動作］
つぎに、上述したように構成された水素精製システムにより、例えば燃料電池スタックに水素を供給開始するときのコントロールユニット１２による起動処理について説明する。
【００３４】
まず、コントロールユニット１２では、起動燃焼器７により燃焼開始させることによって自立型改質反応器１を起動開始させると、最初は自立型改質反応器１に対して水蒸気を投入せずに、燃料及び空気からなる原料のみを原料投入ライン８を介して投入するように原料投入ライン流量調節弁９を開状態にし、部分酸化反応のみを起こさせる。このとき、自立型改質反応器１の内部では、下記の式（１）に示す反応式で表される反応のみが起こる。
【００３５】
ＣｍＨｎ＋（ｍ／２）Ｏ２→ｍＣＯ＋（ｎ／２）Ｈ２  （１）
したがって、水素精製システムにおいては、自立型改質反応器１にて多量の一酸化炭素と水素とを含有した改質ガスが生成され、この改質ガスが水素分離膜モジュール供給ライン４を介して水素分離膜モジュール３に投入される。
【００３６】
ここで、燃料がガソリンである場合には、上記式（１）におけるｍ：ｎがほぼ１：２であるものとすると、改質ガス中に含有される水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）は“１”となるので、図１を用いた説明より、水素分離膜２が脆化を起こすことはない。
【００３７】
水素精製システムにおいては、上記の式（１）に示した部分酸化反応による発熱及び熱交換器１６の発熱によって、自立型改質反応器１内の温度が次第に上昇し、これにともない、図３に示すように、水素分離膜２の温度も上昇する。そして、コントロールユニット１２では、分離膜温度センサ１８により検出した水素分離膜温度から自立型改質反応器１内の温度が所定の温度に到達したと判定した時点で、水蒸気投入ライン１０を介して自立型改質反応器１に対して水蒸気を投入するように水蒸気投入ライン流量調節弁１１を開状態にする。これにより、コントロールユニット１２では、自立型改質反応器１にて下記の式（２）に示す反応式で表される水蒸気改質反応及び下記の式（３）に示す反応式で表されるシフト反応を起こさせ、上記式（１）に示した部分酸化反応と併用する。
【００３８】
ＣｍＨｎ＋ｍＨ２Ｏ→ｍＣＯ＋（ｍ＋（ｎ／２））Ｈ２        （２）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２        （３）
ここで、コントロールユニット１２は、水蒸気改質反応が吸熱反応であるので、水蒸気投入ライン流量調節弁１１の開度を調整することで、自立型改質反応器１に供給する水蒸気の量を調節することにより、自立型改質反応器１内の温度を所定の温度に保つと共に、図３に示すように、水素分離膜２の温度も所定の温度に保つ。
【００３９】
また、水素精製システムにおいては、自立型改質反応器１に供給する水蒸気の量が増加するのにともなって改質ガス中の一酸化炭素濃度が低下し、これにともない、改質ガス中に含有される水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）が上昇する。これに対し、コントロールユニット１２では、水素分離膜２の温度が脆化を起こす温度以下、すなわち水素と一酸化炭素との濃度比が例えば１０以下となる温度に到達していないと分離膜温度センサ１８からの水素分離膜温度から検出した場合には、水蒸気投入ライン流量調節弁１１を制御することで水蒸気の供給量を抑制し、水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）を例えば１０以下といった所定値以下に保つように制御する。
【００４０】
ここで、水素精製システムにおいては、自立型改質反応器１に供給する空気の量、燃料の量、及び水蒸気の量、並びに改質ガス中の一酸化炭素濃度値のうち、少なくとも３つがわかれば、上式により、改質ガス中に含有される水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）をコントロールユニット１２にて推定することが可能である。また、水素精製システムにおいては、改質ガス中の水素濃度は、自立型改質反応器１の運転条件によって変化するが、例えば改質ガス中の最大水素濃度を予め測定又は推定しておくことにより、一酸化炭素濃度を測定するのみで、最低限必要な水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）を予めコントロールユニット１２にて設定しておくこともできる。
【００４１】
例えば、改質ガス中の最大水素濃度値が４０％であるものとすると、水素分離膜２が脆化しないように、水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）を１０以下とするためには、一酸化炭素濃度値が４％以上とする。
【００４２】
なお、水素精製システムにおいては、水蒸気の供給を抑制した場合に自立型改質反応器１内の温度が上昇する場合には、コントロールユニット１２により、自立型改質反応器１に供給する燃料、空気、及び水蒸気の量の絶対値を減少させ、自立型改質反応器１内の温度を一定に保つようにする。あるいは、水素精製システムにおいては、燃焼器６から出た燃焼ガスを熱交換器１６を通過させずにバルブ１３を介して排出するようにしてもよい。
【００４３】
そして、水素精製システムにおいては、分離膜温度センサ１８により検出した水素分離膜２の温度が所定の温度以上に到達したとコントロールユニット１２にて判定した時点で、抑制していた自立型改質反応器１に水蒸気の供給量を再度増加させ、水蒸気改質反応及びシフト反応によって一酸化炭素をシフトさせる。これにより、コントロールユニット１２では、二酸化炭素と水素とを得る上式（３）に示した反応をさせ、定常運転を行う。このとき、水素精製システムにおいては、自立型改質反応器１の内部で、上式（２）及び上式（３）に示した反応式で表される反応が起こることによって改質ガス中の一酸化炭素濃度が低下し、水素濃度が高くなるが、水素分離膜２が脆化することはない。
【００４４】
このように、水素精製システムにおいては、水素分離膜２の脆化を抑制しつつ当該水素分離膜２を加熱し、その後定常運転を行うことにより、付随的な装置を何ら用いることなく構成をシンプル化することができ、これにともないコストも抑制することができる。
【００４５】
以下、このような水素精製システムの動作について、図４に示すフローチャートにしたがって説明する。
【００４６】
先ず、ステップＳ１において、コントロールユニット１２により、起動燃焼器７に着火して当該起動燃焼器７を立ち上げ、自立型改質反応器１を加熱する制御をする。
【００４７】
続いて、ステップＳ２において、コントロールユニット１２により、分離膜温度センサ１８により水素分離膜２の温度を検出して、自立型改質反応器１内の温度が上昇し、所定値になったか否かを判定する。
【００４８】
ここで、コントロールユニット１２により自立型改質反応器１内の温度が所定値になっていないと判定した場合には、所定値になるまでこの処理を繰り返す一方で、自立型改質反応器１内の温度が所定値になったと判定した場合には、ステップＳ３へと処理を移行する。
【００４９】
ステップＳ３においては、コントロールユニット１２により起動燃焼器７を停止させて、その後、自立型改質反応器１に対して燃料及び空気からなる原料を原料投入ライン８を介して投入するように原料投入ライン流量調節弁９を開状態にする。また、コントロールユニット１２により、自立型改質反応器１内の温度が水蒸気改質可能な所定の温度にまで上昇したと判定した場合には、自立型改質反応器１に水蒸気を水蒸気投入ライン１０を介して投入するように水蒸気投入ライン流量調節弁１１を開状態にする。
【００５０】
これにより、コントロールユニット１２では、自立型改質反応器１内の温度を反応に適した温度になるように、自立型改質反応器１に対する燃料、空気、及び水蒸気の供給量を制御する。
【００５１】
続いて、ステップＳ４において、コントロールユニット１２により、分離膜温度センサ１８によって測定された水素分離膜２の温度値を検出し、ステップＳ５において、検出した水素分離膜２の温度が所定値以上であるか否かを判定する。
【００５２】
ここで、コントロールユニット１２により水素分離膜２の温度が所定値以上であると判定した場合には、水素分離膜２の脆化は起こらないので、ステップＳ９へと処理を移行し、自立型改質反応器１に供給する水蒸気の量を増大させるように水蒸気投入ライン流量調節弁１１の開度を大きくして、定常運転へと移行させて処理を終了する。
【００５３】
一方、コントロールユニット１２により水素分離膜２の温度が所定値未満であると判定した場合には、ステップＳ６へと処理を移行し、一酸化炭素濃度センサ１７によって測定された一酸化炭素の濃度値をコントロールユニット１２によって検出し、ステップＳ７において、検出した一酸化炭素の濃度が所定値以上であるか否かを判定する。
【００５４】
ここで、コントロールユニット１２により一酸化炭素の濃度が所定値以上であると判定した場合には、ステップＳ３へと再度処理を移行し、自立型改質反応器１に対する燃料、空気、及び水蒸気の供給量を減少させるように原料投入ライン流量調節弁９及び水蒸気投入ライン流量調節弁１１の開度を小さくし、ステップＳ４以降の処理を繰り返す。
【００５５】
一方、コントロールユニット１２により一酸化炭素の濃度が所定値未満であると判定した場合には、ステップＳ８へと処理を移行し、原料中の水蒸気量を低下させるように水蒸気投入ライン流量調節弁１１の開度を小さくする。ここで、水蒸気量の低下にともない自立型改質反応器１内の温度が上昇するようであれば、ステップＳ３へと再度処理を移行し、自立型改質反応器１に対する燃料及び空気の供給量も減少させ、ステップＳ４以降の処理を繰り返す。
【００５６】
そして、ステップＳ５における判定の結果、水素分離膜２の温度が所定値未満であると判定した場合には、ステップＳ６乃至ステップＳ４に示す上述した原料供給量の制御を繰り返す一方で、水素分離膜２の温度が所定値以上であると判定した場合には、水素分離膜２の脆化は起こらないので、ステップＳ９へと処理を移行し、自立型改質反応器１に供給する水蒸気の量を増大させ、定常運転へと移行する。
【００５７】
水素精製システムは、このような一連の工程を経ることにより、水素と一酸化炭素との濃度比（水素濃度値／一酸化炭素濃度値）に基づく原料等の供給量制御をともなう起動を行うことができる。
【００５８】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、水素精製システムによれば、起動時に、自立型改質反応器１から水素分離膜２に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を所定値以下に制御することにより、一酸化炭素を水素分離膜２の表面に付着させ、水素が水素分離膜２の表面に接触する頻度を少なくすることができ、水素分離膜２の脆化を防止することができる。
【００５９】
また、水素精製システムによれば、水素分離膜２を加熱するためのバッテリや発電システムといった付随的な装置を何ら用いる必要がないので、水素分離膜２を加熱するための余分な電気エネルギーを使用する必要が無く、水素分離膜２の脆化を防止することができる。
【００６０】
さらに、水素精製システムによれば、コントロールユニット１２により、自立型改質反応器１に供給する水蒸気の量を調節することにより、一酸化炭素の濃度を容易に制御することができ、水素分離膜２に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を所定値以下に制御を容易に実現することができる。
【００６１】
さらにまた、水素精製システムによれば、コントロールユニット１２により、分離膜温度センサ１８によって測定された水素分離膜２の温度に基づいて、水素分離膜２に供給される水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を制御することにより、水素分離膜２の脆化が起きない高温状態には、速やかに定常運転へと移行することが可能となり、不必要に自立型改質反応器１に対する水蒸気等の供給量の制御を行うことをなくすことができる。
【００６２】
また、水素精製システムによれば、自立型改質反応器１によって生成された改質ガスに含有される一酸化炭素の濃度を測定する一酸化炭素濃度センサ１７を備えることにより、水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を容易に推定することが可能となり、また、自立型改質反応器１の運転条件によって変化する水素濃度を正確に把握できない状態であっても、一酸化炭素濃度を測定するのみで、最低限必要な水素の濃度値と一酸化炭素の濃度値との比を予め設定しておくことが可能となる。
【００６３】
さらに、水素精製システムによれば、水素分離膜２として、パラジウム、バナジウム、若しくはニオブのうちのいずれかの単体膜、又はこれらパラジウム、バナジウム、若しくはニオブとこれら以外の金属との合金を用いて構成することにより、透過速度をより促進させることができる。
【００６４】
なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】改質ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度との関係を示すグラフであり、水素分離膜が脆化を起こさない一酸化炭素存在下の水素濃度について説明するための図である。
【図２】本発明を適用した水素精製システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明を適用した水素精製システムに設けられた水素分離膜の温度の起動時における時間変化を示す図である。
【図４】本発明を適用した水素精製システムにおける起動動作の一連の工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  自立型改質反応器
２  水素分離膜
３  水素分離膜モジュール
４  水素分離膜モジュール供給ライン
５  非透過ガスライン
６  燃焼器
７  起動燃焼器
８  原料投入ライン
９  原料投入ライン流量調節弁
１０  水蒸気投入ライン
１１  水蒸気投入ライン流量調節弁
１２  コントロールユニット
１３  バルブ
１４  改質ガス供給サイド
１５  純水素透過サイド
１６  熱交換器
１７  一酸化炭素濃度センサ
１８  分離膜温度センサ
【図１】
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【図２】
2004210602.tif 000004
【図３】
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【図４】
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