(57)【要約】【課題】ポンプにガス分離機構を一体的に設けた構成であってもポンプをメンテナンスフリーとすることができるガス分離システム及び該ガス分離システムに用いられるポンプを提供すること。【解決手段】水素循環ポンプＰは、シリンダ３０内が第１室３３と第２室３４に区画されているとともに、ピストン３１とシリンダ３０の間にピストンリング３９が介在されている。第１室３３の水素オフガスの圧縮工程のときには、水素がシリンダ３０とピストンリング３９との間のクリアランスを通過して第２室３４へ移動される。さらに、圧縮工程の途中であり、粘度係数の最も小さい水素に比して粘度係数の大きい窒素がクリアランスを通過する前には、制御装置２５は第３バルブＶ３を開状態として圧縮工程を終了させる。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給源から供給され、粘度係数の異なる複数のガスを含む混合ガスをポンプで圧縮して送り出し、前記圧縮に伴い前記混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離するガス分離システムであって、
前記ポンプはシリンダとピストンを有しており、前記シリンダ内は前記ピストンを境にして第１室と第２室に区画されているとともに、前記第１室には開閉手段によって開閉される吸入流路及び開閉手段によって開閉される排出流路が連結され、前記第２室には開閉手段によって開閉される吐出流路が連結されており、
前記第１室は、前記吸入流路を介して前記供給源から混合ガスを吸入可能であるとともに前記排出流路を介して前記圧縮による分離の際に第１室に残留するガスを第１室外へ排出可能とし、さらに前記第２室は前記吐出流路を介して前記圧縮によって分離されたガスを第２室外へ吐出可能とし、
前記ポンプに加わる負荷、又は粘度係数の最も小さいガスの濃度を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されるポンプの負荷又は濃度の変化に基づいて前記排出流路の開閉手段の開閉を制御する制御装置とを備え、
前記第１室への混合ガスの吸入工程のときには前記吸入流路の開閉手段を開状態、前記吐出流路の開閉手段を開状態とし、さらに前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を閉状態となるように制御し、
前記第１室の混合ガスの圧縮工程のときには前記吸入流路の開閉手段を閉状態、前記吐出流路の開閉手段を閉状態とし、さらに前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を閉状態となるように制御して粘度係数の最も小さいガスを前記シリンダとピストンとの間を通過させて第２室へ移動させ、
前記圧縮工程の途中であり、粘度係数の最も小さいガスに比して粘度係数の大きいガスが前記シリンダとピストンとの間を通過する前には、前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を開状態となるように制御し、
前記第２室のガスの吐出工程のときには前記吸入流路の開閉手段を開状態、前記吐出流路の開閉手段を開状態とし、さらに前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を閉状態となるように制御することを特徴とするガス分離システム。
【請求項２】
前記シリンダとピストンとの間の隙間は、ゼロクリアランスである請求項１に記載のガス分離システム。
【請求項３】
前記シリンダとピストンとの間には、シール手段が設けられている請求項１又は請求項２に記載のガス分離システム。
【請求項４】
燃料電池で使用されなかった水素を水素源から供給される水素に合流させ、燃料電池で使用されなかった水素を燃料電池に再供給可能とする水素循環経路を備えた燃料電池システムにおける前記水素循環経路を構成するガス分離システムであり、
前記供給源としての前記燃料電池は水素電極及び酸素電極を備え、前記混合ガスは、前記水素電極側から排出された水素、前記酸素電極側から水素電極側へ混入された窒素、及び燃料電池で生成された水を含んだガスであり、前記ポンプは、前記混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスである水素を分離するとともに該水素を燃料電池へ送り出して前記水素源から供給される水素に合流させる請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載のガス分離システム。
【請求項５】
前記圧縮工程の途中では、開状態とされた前記排出流路から前記窒素及び水が排出される請求項４に記載のガス分離システム。
【請求項６】
前記吸入流路及び吐出流路の開閉手段は逆止弁である請求項１〜請求項５のうちいずれか一項に記載のガス分離システム。
【請求項７】
前記ポンプを複数連結して構成されたガス分離システムであり、ガスの流通経路における上流側ポンプの第２室と、下流側ポンプの第１室とが連結配管によって連結されており、前記連結配管は前記下流側ポンプの吸入流路を構成する請求項１〜請求項６のうちいずれか一項に記載のガス分離システム。
【請求項８】
前記ピストンには、前記第１室から前記第２室へのガスの通過を許容し、第２室から第１室へのガスの逆流を規制する逆止弁が設けられている請求項１〜請求項７のうちいずれか一項に記載のガス分離システム。
【請求項９】
供給源から供給され、粘度係数の異なる複数のガスを含む混合ガスを圧縮して送り出し、前記圧縮に伴い前記混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離するためのガス分離システムに用いられるポンプであって、
シリンダとピストンを有しており、前記シリンダ内は前記ピストンを境にして第１室と第２室に区画され、前記第１室には、前記供給源から混合ガスを吸入可能とする吸入口、及び前記圧縮による分離の際に第１室に残留するガスを第１室外へ排出可能とする排出口が設けられているとともに、前記第２室には、前記圧縮によって分離されたガスを第２室外へ吐出可能とする吐出口が設けられていることを特徴とするガス分離システムに用いられるポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、供給源から供給され、粘度係数の異なる複数のガスを含む混合ガスをポンプで圧縮して送り出し、前記圧縮に伴い前記混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離するガス分離システム及び該ガス分離システムに用いられるポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池車に搭載された燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される水素ガス（いわゆる水素オフガス）には、燃料電池にて使用されなかった未反応の水素が含まれている。このため、燃料電池システムには、前記水素オフガスを再利用するために、水素オフガスをポンプで送り出して燃料電池に再供給するための水素循環経路が設けられている。
【０００３】
燃料電池内の酸素電極側では水素と酸素の反応によって水が生成され、その水の一部は水蒸気として酸素電極側から電解質膜を透過して水素電極側に入ってくる。したがって、燃料電池から排出される水素オフガスにはかなり多くの水が含まれている。また、一般に燃料電池には純粋な酸素を供給する代わりに空気を供給して空気中の酸素を水素と反応させる。そのため、燃料電池内では酸素電極に供給された空気に含まれる窒素等の不純物が酸素電極側から電解質膜を透過して水素電極側に入ってくる。したがって、燃料電池から排出される水素オフガスには窒素等の不純物も含まれている。
【０００４】
すなわち、水素オフガスには、水分や窒素等の不純物が多く含まれており、この不純物が多く含まれた水素オフガスが燃料電池に再供給されると、燃料電池の発電効率が悪くなる。このため、水素オフガス中の不純物を除去した純度の高い水素を燃料電池に再供給することが必要となる。
【０００５】
そこで、水素循環経路には、循環中の水素オフガスから不純物を除去するための機構が前記ポンプとは別に設けられている。例えば、水素循環経路には、水素オフガス中の水分を除去するための気液分離機構（例えば、特許文献１参照。）や、水素オフガス中から水素のみを分離する水素分離膜を用いた水素分離機構（例えば、特許文献２参照。）が設けられている。ところが、水素循環経路にて、気液分離機構や水素分離機構をポンプと別に設けることは、気液分離機構や水素分離機構を水素オフガスが常に通過する構成であることから、通過時に生じる圧力損失が大きくなる。この圧力損失が大きくなることは、ポンプの出力を増大させることとなり、ポンプの消費電力が増大したり、ポンプへの負荷が大きくなり好ましくない。
【０００６】
そこで、水素循環経路にて、前記ポンプと一体的に水素分離機構を設けることが考えられる。例えば、特許文献３に開示の技術にて水素分離器をポンプとして用いる。この水素分離器は、シリンダ内にピストンが移動可能に挿入され、該ピストンはモータ等の動力によってシリンダ内を往復動する。シリンダ内はピストンを境にして第１室と第２室に区分されており、第１室側には水素分離膜が設けられている。また、第１室にはガス入口とガス出口が設けられ、第１室と第２室とは水素分離膜を介した連通路によって連通されている。さらに、第２室には、水素分離膜によって分離された水素の回収口が設けられている。
【０００７】
そして、水素循環経路に前記水素分離器をポンプとして用いた場合、ピストンがシリンダ内を往復動すると、水素オフガスがガス入口から第１室へ吸入され、該第１室にて水素オフガスが圧縮される。すると、水素オフガスは前記圧縮によって水素分離膜へ供され、該水素分離膜では水素のみが透過し、透過した水素は連通路を通って第２室へ流入する。その後、水素は第２室から回収口を通過して燃料電池へと再供給されることとなる。
【特許文献１】特開２００３−３１７７５３号公報
【特許文献２】特開２００２−９３４３６号公報
【特許文献３】特開２００４−２３８２７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献３に開示の水素分離装置をポンプとして用いた場合、すなわち、ポンプと水素分離膜が一体化された構成においては、水素オフガス中に含まれる不純物（例えば、異物や水分）によって水素分離膜が目詰まりを起こす虞がある。水素分離膜が目詰まりを起こした場合には、水素分離能が低下するばかりではなく、ポンプがロックしてしまい燃料電池システムが停止してしまう虞がある。その結果として、水素分離装置をポンプとして用いた場合には、水素分離膜のメンテナンスを頻繁に行う必要が生じてくる。
【０００９】
本発明は、ポンプにガス分離機構を一体的に設けた構成であってもポンプをメンテナンスフリーとすることができるガス分離システム及び該ガス分離システムに用いられるポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のガス分離システムは、供給源から供給され、粘度係数の異なる複数のガスを含む混合ガスをポンプで圧縮して送り出し、前記圧縮に伴い前記混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離するガス分離システムであって、前記ポンプはシリンダとピストンを有しており、前記シリンダ内は前記ピストンを境にして第１室と第２室に区画されているとともに、前記第１室には開閉手段によって開閉される吸入流路及び開閉手段によって開閉される排出流路が連結され、前記第２室には開閉手段によって開閉される吐出流路が連結されており、前記第１室は、前記吸入流路を介して前記供給源から混合ガスを吸入可能であるとともに前記排出流路を介して前記圧縮による分離の際に第１室に残留するガスを第１室外へ排出可能とし、さらに前記第２室は前記吐出流路を介して前記圧縮によって分離されたガスを第２室外へ吐出可能とし、前記ポンプに加わる負荷、又は粘度係数の最も小さいガスの濃度を検出する検出手段と、前記検出手段により検出されるポンプの負荷又は濃度の変化に基づいて前記排出流路の開閉手段の開閉を制御する制御装置とを備え、前記第１室への混合ガスの吸入工程のときには前記吸入流路の開閉手段を開状態、前記吐出流路の開閉手段を開状態とし、さらに前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を閉状態となるように制御し、前記第１室の混合ガスの圧縮工程のときには前記吸入流路の開閉手段を閉状態、前記吐出流路の開閉手段を閉状態とし、さらに前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を閉状態となるように制御して粘度係数の最も小さいガスを前記シリンダとピストンとの間を通過させて第２室へ移動させ、前記圧縮工程の途中であり、粘度係数の最も小さいガスに比して粘度係数の大きいガスが前記シリンダとピストンとの間を通過する前には、前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を開状態となるように制御し、前記第２室のガスの吐出工程のときには前記吸入流路の開閉手段を開状態、前記吐出流路の開閉手段を開状態とし、さらに前記制御装置は前記排出流路の開閉手段を閉状態となるように制御する。
【００１１】
これによれば、シリンダとピストンとの間を通過するガス量は、ガスの粘度係数の差によって異なってくる。そして、混合ガスをポンプの第１室で圧縮する際、粘度係数の最も小さいガスは、該ガスに比して粘度係数の大きいガスよりも先にクリアランスを通過して第２室へ移動される。さらに、粘度係数の最も小さいガスに比して粘度係数の大きいガスが、シリンダとピストンの間を通過する前には、制御装置によって排出流路の開閉手段が閉状態から開状態へと移行され、圧縮工程が終了される。すると、混合ガスの圧縮に伴うガスの第１室から第２室への移動が終了する。このため、ガス分離システムでは、ポンプによる混合ガスの圧縮に伴い、少なくとも粘度係数の最も小さいガスを混合ガスから分離することができ、ポンプにはガス分離機構が一体的に設けられていることとなる。その結果として、ガス分離システムに、ガス分離のための気液分離機構やガス分離機構をポンプとは別に設ける必要が無くなる。また、ポンプにおいては、少なくとも粘度係数の最も小さいガスを、シリンダとピストンとの間を通過させて該ガスを混合ガスから分離する構成とした。すなわち、ポンプにはガス分離のための膜が設けられておらず、該膜が目詰まりすることによって、ガス分離能が低下したり、ポンプがロックする不具合の発生が無くなり、ポンプをメンテナンスフリーとすることができる。
【００１２】
また、前記シリンダとピストンとの間の隙間は、ゼロクリアランスである。なお、ゼロクリアランスとは、シリンダとピストンとの間の隙間が、ゼロではないがシリンダとピストンが互いに接触しない極僅かな隙間であることを意味する。
【００１３】
これによれば、シリンダとピストンとの間の隙間をガスが通過することが可能となる。そして、隙間のガスの通過量を粘度係数の差を利用して差を付けることで、混合ガスの中から少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離することが可能となる。
【００１４】
また、前記シリンダとピストンとの間にはシール手段が設けられていてもよい。これによれば、例えば、シール手段としてピストンにピストンリングを設けることで、該ピストンリングを用いない場合に比して、シリンダとピストンとの間の隙間の調整を容易に行うことができる。
【００１５】
また、燃料電池で使用されなかった水素を水素源から供給される水素に合流させ、燃料電池で使用されなかった水素を燃料電池に再供給可能とする水素循環経路を備えた燃料電池システムにおける前記水素循環経路を構成するガス分離システムであり、前記供給源としての前記燃料電池は水素電極及び酸素電極を備え、前記混合ガスは、前記水素電極側から排出された水素、前記酸素電極側から水素電極側へ混入された窒素、及び燃料電池で生成された水を含んだガスであり、前記ポンプは、前記混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスである水素を分離するとともに該水素を燃料電池へ送り出して前記水素源から供給される水素に合流させてもよい。
【００１６】
これによれば、燃料電池システムの水素循環経路において、水素循環ポンプの圧縮工程の際に、少なくとも純度の高い水素を水素オフガスから分離することができる。さらに、水素循環ポンプの吐出工程により、純度の高い水素を燃料電池の水素電極側へ再供給することができる。その結果として、水素循環経路に気液分離機構やガス分離機構を設ける必要がなく、燃料電池システムの構成を簡素化することができる。
【００１７】
また、前記圧縮工程の途中では、開状態とされた前記排出流路から前記窒素及び水が排出される。これによれば、水素循環ポンプによって、水素オフガスから少なくとも水素を分離することができると同時に、水素オフガスに含まれる水や窒素を水素循環ポンプから燃料電池システム外へ排出することができる。このため、水が燃料電池へ再供給され、さらには水素循環経路を構成する流路に水が溜まることによる圧力損失の増加や、流路の閉塞を防止することができる。
【００１８】
また、前記吸入流路及び吐出流路の開閉手段は逆止弁であってもよい。これによれば、吸入流路及び吐出流路の開閉手段を制御装置によって制御する必要が無く、水素循環経路の構成を簡素化することができる。
【００１９】
また、ガス分離システムは、前記ポンプを複数連結して構成されたガス分離システムであり、ガスの流通経路における上流側ポンプの第２室と、下流側ポンプの第１室とが連結配管によって連結されており、前記連結配管は前記下流側ポンプの吸入流路を構成してもよい。これによれば、混合ガスが、水素循環ポンプを経る毎に、粘度係数の最も小さいガスに含まれる不純物が除去されていき、最終的に分離された粘度係数の最も小さいガスの純度を増すことができる。
【００２０】
また、前記ピストンには、第１室から第２室へのガスの通過を許容し、第２室から第１室へのガスの逆流を規制する逆止弁が設けられていてもよい。これによれば、圧縮工程では粘度係数の最も小さいガスが、逆止弁のクリアランスを通過して第１室から第２室へ移動し、粘度係数の最も小さいガスが混合ガスから分離される。逆に、吸入及び吐出工程では、逆止弁は閉状態が保持され、第２室の粘度係数の最も小さいガスが第１室へ逆流することが防止できる。
【００２１】
本発明のガス分離システムに用いられるポンプは、供給源から供給され、粘度係数の異なる複数のガスを含む混合ガスを圧縮して送り出し、前記圧縮に伴い前記混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離するためのガス分離システムに用いられるポンプであって、シリンダとピストンを有しており、前記シリンダ内は前記ピストンを境にして第１室と第２室に区画され、前記第１室には、前記供給源から混合ガスを吸入可能とする吸入口、及び前記圧縮による分離の際に第１室に残留するガスを第１室外へ排出可能とする排出口が設けられているとともに、前記第２室には、前記圧縮によって分離されたガスを第２室外へ吐出可能とする吐出口が設けられている。
【００２２】
これによれば、シリンダとピストンとの間と、粘度係数の差とを利用して、混合ガスから少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離可能とした。このため、ポンプにおいては、既存の構成を用いて、少なくとも粘度係数の最も小さいガスを混合ガスから分離することができ、ガス分離のためにポンプに新たな構成を設ける場合に比してポンプの構成を簡素化することができる。また、粘度係数の最も小さいガスを第２室外へ吐出する吐出口と、粘度係数の最も小さいガスに比して粘度係数の大きいガスを第１室外へ排出する排出口とをピストンを境にして別々の部屋に設けた。このため、分離した粘度係数の最も小さいガスが、該ガスに比して粘度係数の大きいガスと混合されることを防止することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ポンプにガス分離機構を一体的に設けた構成であってもポンプをメンテナンスフリーとすることができるガス分離システム及び該ガス分離システムに用いられるポンプを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
以下、本発明のガス分離システム及びポンプを、燃料電池システムの水素循環経路及び水素循環ポンプに具体化した第１の実施形態を図１〜図６にしたがって説明する。図１は燃料電池システムの構成図である。
【００２５】
図１に示すように、電気自動車に搭載された燃料電池システム１０は、燃料電池１１、酸素供給手段１２、水素供給手段１３を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段１２から供給される酸素と、水素供給手段１３から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。
【００２６】
酸素供給手段１２は、圧縮空気を供給するためのエアーコンプレッサ１４を備え、エアーコンプレッサ１４は燃料電池１１のカソード側（酸素電極側）の酸素供給ポート（図示せず）に管路１５を介して連結され、管路１５の途中に加湿器（図示せず）が設けられている。燃料電池１１の酸素電極側の酸素排出ポート（図示せず）には、発電のための化学反応で発生した水蒸気の状態の水と、未反応の空気とを排出する排管１６が連結されている。
【００２７】
前記水素供給手段１３は、水素源としての水素タンク２２を備えている。水素タンク２２は燃料電池１１のアノード側（水素電極側）の水素供給ポート（図示せず）に管路２３を介して連結され、管路２３の途中にレギュレータ（図示せず）が設けられている。前記レギュレータは、水素タンク２２に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。また、管路２３にはバルブ２８が設けられている。
【００２８】
また、水素供給手段１３は、燃料電池１１で使用されなかった水素（水素オフガス）を水素タンク２２から供給される水素と合流させて燃料電池１１に供給可能な水素循環経路１７を備えている。水素循環経路１７には水素循環ポンプＰが設けられており、水素循環ポンプＰとしては前記水素オフガスを圧縮して送り出す構成のものが使用され、本実施形態ではレシプロ方式のピストン式圧縮機が使用されている。また、水素循環経路１７は、燃料電池システム１０においてガス分離システムを構成している。
【００２９】
水素循環ポンプＰの吸入口３６（図２参照）には、燃料電池１１の水素電極側の水素排出ポート（図示せず）が管路１８を介して連結され、吐出口３８（図２参照）には燃料電池１１の水素供給ポート（図示せず）が管路１９，２３を介して連結されている。そして、燃料電池１１の水素電極側、管路１８、水素循環ポンプＰ及び管路１９，２３によって水素循環経路１７が構成されている。また、前記水素循環ポンプＰの排出口３７（図２参照）には排出管２４が連結されている。
【００３０】
前記水素循環経路１７において、管路１８の途中には、該管路１８を開閉する開閉手段としての逆止弁よりなる第１バルブＶ１が設けられている。この第１バルブＶ１は、燃料電池１１の水素電極側から吸入口３６への水素オフガスの吸入を許容し、水素循環ポンプＰから水素電極側への水素オフガスの逆流を規制する。また、水素循環経路１７において、前記管路１９の途中には、該管路１９を開閉する開閉手段としての逆止弁よりなる第２バルブＶ２が設けられている。この第２バルブＶ２は、水素循環ポンプＰから燃料電池１１の水素電極側への水素の吐出を許容し、水素タンク２２から水素循環ポンプＰへの水素の逆流を規制する。さらに、前記排出管２４には、該排出管２４を開閉する開閉手段として第３バルブＶ３が設けられている。この第３バルブＶ３は、排出管２４の開度を調整可能な可変型のバルブである。第３バルブＶ３は、制御装置２５に接続されており、該制御装置２５によって開閉が制御される構成とされている。
【００３１】
また、水素循環ポンプＰは、モータＭで駆動される構成であり、モータＭにはインバータ３５を介して駆動制御される可変速モータが使用されている。インバータ３５にはモータＭに流れる電流（モータ電流）を検出するため電流センサＳＡが装備されている。この電流センサＳＡは、モータＭに過電流が流れて損傷するのを防止するためにモータＭに装備されているものである。そして、電流センサＳＡは、ポンプＰにおけるモータＭに加わる負荷を検出する検出手段を構成する。
【００３２】
モータＭ及び第３バルブＶ３を制御する制御装置２５はマイクロコンピュータを備えている。制御装置２５はメモリ（図示せず）を備え、メモリには基準電流値Ｍ０が記憶されている。そして、制御装置２５は電流センサＳＡの検出信号を入力し、その値に基づいて、すなわちポンプの負荷の変化に基づいて第３バルブＶ３を開閉する。
【００３３】
図２に示すように、前記水素循環ポンプＰは、シリンダ３０と、該シリンダ３０内に移動可能に挿入されたピストン３１と、このピストン３１に一体的に取り付けたピストンロッド３２と、このピストンロッド３２にレシプロ方式の駆動機構（図示せず）を介して連結されたモータＭより構成されている。水素循環ポンプＰにて、シリンダ３０内は、前記ピストン３１を境にしてシリンダ３０の一端側（図２では下端側）の第１室３３と、シリンダ３０の他端側（図２では上端側）の第２室３４に区分されている。
【００３４】
前記シリンダ３０には、前記第１室３３に連通する吸入口３６が形成されており、該吸入口３６は水素電極側の水素排出ポート（図示せず）に管路１８を介して連結されている。そして、供給源としての燃料電池１１の水素電極側から排出された水素オフガス（混合ガス）が、管路１８を流れて吸入口３６から第１室３３へ吸入される。すなわち、水素循環ポンプＰの第１室３３には管路１８よりなる吸入流路が連結されている。
【００３５】
また、シリンダ３０には、前記第１室３３に連通する排出口３７が形成されており、該排出口３７には排出管２４が連結されている。すなわち、水素循環ポンプＰの第１室３３には排出管２４よりなる排出流路が連結されている。そして、第１室３３内に残留するガス（窒素、水蒸気の状態の水）又は液状の水は、排出口３７から第１室３３外へ排出され、排出管２４から燃料電池システム１０外へ排出される。
【００３６】
さらに、シリンダ３０には、前記第２室３４に連通する吐出口３８が形成されており、該吐出口３８は水素電極側の水素供給ポート（図示せず）に管路１９，２３を介して連結されている。そして、水素循環ポンプＰの第２室３４には管路１９，２３よりなる吐出流路が連結されている。そして、第２室３４内のガス（水素）は吐出口３８から第２室３４外へ吐出され、管路１９，２３を介して燃料電池１１の水素電極側へ再供給される。
【００３７】
また、シリンダ３０とピストン３１の間であって、ピストン３１の周面にはシール手段としてのピストンリング３９が装着されており、該ピストンリング３９によってシリンダ３０の内周面とピストン３１の周面の間がシールされている。そして、ピストンリング３９によって、第１室３３と第２室３４の間のガスの過大な漏れが抑制されている。シリンダ３０内でピストン３１を往復動させるためには、シリンダ３０の内周面とピストンリング３９の周面との間には極僅かな隙間であるクリアランスＣＬが形成されている（図２の拡大図参照）。
【００３８】
前記極僅かなクリアランスＣＬはゼロクリアランスであり、該ゼロクリアランスは、前記隙間がゼロではないが、シリンダ３０の内周面とピストンリング３９（ピストン３１）の周面とが互いに接触しない極僅かな隙間のことである。また、このクリアランスＣＬは、例えば、シリンダ３０の内周面とピストンリング３９の周面との間に潤滑油を介在させ、該潤滑油によってクリアランスＣＬに油膜が形成されたとき、この油膜が厚み０．０２５ｍｍを超えることがない状態の隙間に設定されることが好ましい。
【００３９】
そして、第１室３３内の水素オフガスをピストン３１によって圧縮する際には、水素オフガスの加圧に伴い、水素のクリアランスＣＬの通過量が増大され、この加圧時のときには水素より分子量の大きい窒素もクリアランスＣＬを通過可能となる。一方、第１室３３内に水素オフガスを吸入する際には水素及び窒素はクリアランスＣＬを通過しないようになっている。
【００４０】
ここで水素オフガスについて説明する。水素オフガスに含まれる水素、窒素及び水の粘度係数は次のとおりである。
純水素粘度係数：０．８９×１０−５［Ｐａ・ｓ］
純窒素粘度係数：１．７７８×１０−５［Ｐａ・ｓ］
純水粘度係数（２５°Ｃ）：８９×１０−５［Ｐａ・ｓ］
そして、水素オフガスは、粘度係数の異なる複数のガス（水素、窒素、水蒸気の状態の水）であり、水素は混合ガス中で粘度係数の最も小さいガスである。さらに、窒素及び水蒸気の状態の水は、粘度係数の最も小さいガス（水素）に比して粘度係数の大きいガスである。また、濃度が異なる水素（粘度係数η１）と窒素（粘度係数η２）とが、前記クリアランスＣＬを通過するときの水素の通過量Ｑ１と窒素の通過量Ｑ２との間には次の関係がある。このため、粘度係数が大きいほどクリアランスＣＬの通過量が減ることとなる。
【００４１】
Ｑ１・η１＝Ｑ２・η２
図３のグラフは、縦軸に水素オフガスの第１室３３への吸入量を「１」としたときの各物質（水素、窒素、水）のクリアランスＣＬの通過割合を示し、横軸にクリアランスＣＬの前記吸入量に対する各物質全ての通過量の割合を示している（通過量／吸入量）。上記のように、水素オフガス中に含まれる水素の粘度係数は窒素の粘度係数の約１／２である。このため、図３のグラフに示すように、水素は窒素に比してクリアランスＣＬを通過しやすくなっている。そして、水素と窒素とでは同一クリアランスＣＬの通過量が、水素の通過量Ｑ１が窒素の通過量Ｑ２の約２倍となっている。
【００４２】
また、モータＭが一定速度で駆動されている場合、圧縮される水素オフガスの体積流量が大きいほどモータ電流値が大きくなる。そして、水素（粘度係数η１）と窒素（粘度係数η２）とが同一のクリアランスＣＬを通過するときの通過量Ｑ１と通過量Ｑ２との間には上記関係があるため、粘度係数が大きいほどクリアランスＣＬの通過量が減り、モータ電流値が大きくなる。
【００４３】
したがって、水素オフガス中に含まれる水素の粘度係数は窒素の粘度係数の約１／２であるため、水素濃度が低くなるほど水素オフガスの粘度係数は大きくなり、水素オフガスの圧縮のためにモータＭに流れるモータ電流値が大きくなる。すなわち、水素オフガス中の水素がクリアランスＣＬを通過して第１室３３から第２室３４へ移動していくに連れて、水素オフガスの圧縮のために駆動するモータＭのモータ電流値が大きくなる。そこで、本実施形態では、電流センサＳＡにより検出されたモータＭのモータ電流値から第１室３３における水素濃度（水素オフガスの粘度係数）を推定し、第３バルブＶ３の開閉タイミングを調整する。
【００４４】
制御装置２５は図４に示すフローチャートに従って第３バルブＶ３の開閉を制御する。まず、制御装置２５はステップＳ１０１で電流センサＳＡからモータ電流値Ｍａを読み込み、ステップＳ１０２でそのモータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０未満か否かを判断する。基準電流値Ｍ０は、第１室３３の水素濃度が低くなり、水素オフガスの粘度係数が大きくなって、第１室３３のガス（水素）に比して粘度係数の大きいガス（窒素）がクリアランスＣＬを通過する前となる電流値に設定されている。したがって、モータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０未満でモータＭが駆動されている場合は、第１室３３の水素濃度が高く、かつモータＭへのトルク（負荷）が小さい状態である。一方、モータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０を超えた状態でモータＭが駆動されている場合は、第１室３３の水素濃度が低く、かつモータＭへのトルク（負荷）が大きい状態である。
【００４５】
そして、モータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０を超えていればステップＳ１０３に進み、ステップＳ１０３において制御装置２５は第３バルブＶ３に開放信号を出力して処理を終了する。これにより第３バルブＶ３が開状態となる。ステップＳ１０２でモータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０未満であれば、制御装置２５は処理を終了する。制御装置２５による以上の処理が定期的に繰り返される。
【００４６】
次に、上記構成の燃料電池システム１０の作用を説明する。燃料電池システム１０の通常運転時には、水素タンク２２から水素が供給されるとともに、水素循環ポンプＰは燃料電池１１における未反応の水素を再使用するため、所定の加圧状態に圧縮するように運転される。そして、水素が燃料電池１１の水素電極側に供給される。また、エアーコンプレッサ１４が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１１の酸素電極側に供給される。水素の供給量及び空気の供給量は、水素及び空気（酸素）が水素電極側又は酸素電極側と対応する通路を通過する間に燃料電池１１での化学反応によって消費される量より多い。そして、発電のための化学反応で発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに排管１６から外部に排出される。
【００４７】
また、燃料電池１１内では、酸素電極側に酸素と共に供給された窒素が、酸素電極側から電解質膜を透過して水素電極側に進入する。また、燃料電池１１内の酸素電極側では、水が生成されてその水の一部が、水蒸気として酸素電極側から電解質膜を通して水素電極側に入ってくる。そして、燃料電池１１の水素電極側からは、未反応の水素をはじめ、水蒸気の状態の水、窒素等を含む水素オフガス（混合ガス）が水素排出ポートから排出される。
【００４８】
そして、図５に示すように、水素循環ポンプＰにおいて、モータＭの駆動によってピストン３１が上昇されると、第１バルブＶ１は逆止弁であるため、開弁して吸入口３６から水素オフガスが第１室３３内へ吸入されて吸入工程が行われる。また、第２バルブＶ２は逆止弁であるため、開弁して吐出口３８から第２室３４内の水素が管路１９を介して水素タンク２２からの水素に供給され、燃料電池１１の水素電極側へ再供給される。そして、ピストン３１が下死点まで移動すると第１室３３の容積は最大となり、第１室３３には、水素、窒素、水蒸気の状態の水及び液状の水が吸入される。制御装置２５は電流センサＳＡからのモータ電流値Ｍａを読み込み、該モータ電流値Ｍａから第３バルブＶ３の開閉を制御する。このとき、制御装置２５は、モータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０未満であることから、第３バルブＶ３を閉状態とするように制御する。
【００４９】
次に、図６に示すように、モータＭの駆動によってピストン３１が下死点から下降すると、第１バルブＶ１は逆止弁であるため、閉弁して吸入口３６を閉鎖する。また、第２バルブＶ２は逆止弁であるため、閉弁して水素タンク２２からの水素が管路１９を介して第２室３４へ逆流することを防止する。さらに、制御装置２５は電流センサＳＡからのモータ電流値Ｍａを読み込み、モータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０未満であることから、第３バルブＶ３を閉状態とするように制御する。そして、第１室３３の水素オフガスはピストン３１によって圧縮されて圧縮工程が行われる。
【００５０】
圧縮工程において、水素オフガスにて分子量が最も小さく、かつ粘度係数の最も小さい水素は、圧縮による加圧に伴いクリアランスＣＬの通過量が増大し、第１室３３から第２室３４へ移動する。一方、水素よりも分子量及び粘度係数が大きい窒素及び水は、クリアランスＣＬを通過しない。このため、圧縮工程では、水素オフガス中に含まれる水素は第１室３３から第２室３４へ移動し、第１室３３の水素オフガスの水素濃度は徐々に低くなる一方で、第１室３３の水素オフガスの窒素濃度は徐々に高くなる。
【００５１】
そして、圧縮工程の途中ではピストン３１が上死点に近づくに連れて、第１室３３の水素オフガスの水素濃度は徐々に低くなるため、水素オフガスの粘度係数が大きくなり、モータＭのモータ電流値Ｍａが大きくなる。そして、制御装置２５は電流センサＳＡからのモータ電流値Ｍａを読み込み、モータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０を超えたと判断すると、制御装置２５は第３バルブＶ３を開状態とするように制御する。すると、圧縮工程は終了し、第１室３３内の水素オフガス、すなわち、前記圧縮により分離されず第１室３３に残留するガスが、排出口３７から第１室３３外へ排出される。その結果、第１室３３内にて、水素オフガスに含まれる水蒸気の状態の水、窒素、液状の水は排出管２４によって燃料電池システム１０外へ排出される。
【００５２】
このため、圧縮工程にて、水素オフガス中の水素のみが第１室３３から第２室３４へ移動され、水素オフガスから分離される。一方、圧縮による分離の際に第１室３３に残留する水素オフガス（水、窒素、不純物）は第２室３４へ移動することなく、燃料電池システム１０外へ排出される。
【００５３】
次に、図５に示すように、水素循環ポンプＰにおいて、モータＭの駆動によってピストン３１が上死点から上昇されると、第１バルブＶ１は逆止弁であるため、開弁して吸入口３６から水素オフガスが第１室３３内へ吸入されて吸入工程が行われる。制御装置２５は電流センサＳＡからのモータ電流値Ｍａを読み込み、モータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０未満であることから、第３バルブＶ３を閉状態とするように制御する。すると、第２バルブＶ２は逆止弁であるため、開弁して第２室３４の水素はピストン３１によって送り出され、吐出口３８から第２室３４外へ吐出される。そして、第２室３４外へ吐出された水素は、管路１９を介して水素タンク２２からの水素に供給され、燃料電池１１の水素電極側へ再供給される。
【００５４】
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）粘度係数の異なるガスを含む水素オフガス（混合ガス）を水素循環ポンプＰ（ポンプ）の第１室３３で圧縮することで、粘度係数の差に基づくクリアランスＣＬの通過量の差から、粘度係数の最も小さいガス（水素）は、該水素に比して粘度係数の大きいガス（窒素）よりも先にクリアランスＣＬを通過して第２室３４へ移動される。さらに、前記圧縮工程の際に、水素オフガスの粘度係数が大きくなったと判断された場合には、制御装置２５は、排出流路（排出管２４）の開閉手段（第３バルブＶ３）を閉状態から開状態へと移行させて前記圧縮工程を終了させるようにした。このため、水素循環経路１７（ガス分離システム）では、水素循環ポンプＰによる水素オフガスの圧縮に伴い、該水素オフガスから粘度係数の最も小さい水素を第１室３３から第２室３４へ移動させることができる。さらに、粘度係数の最も小さい水素に比して粘度係数が大きい窒素及び水蒸気の状態の水が第２室３４へ移動する前に圧縮工程を終了させて、粘度係数の最も小さい水素以外が第２室３４へ移動することを抑制することができる。その結果として、水素循環経路１７では、粘度係数の最も小さい水素を、水素オフガスに含まれるその他のガスよりも優先的に分離することができる。
【００５５】
したがって、水素循環経路１７（ガス分離システム）を構成する水素循環ポンプＰ（ポンプ）にガス分離機構を一体的に設けることができる。その結果として、ガス分離のために、水素循環ポンプＰとは別に気液分離機構やガス分離機構を設ける場合のように各機構の通過時に生じる圧力損失が大きくなることが防止され、ひいては水素循環ポンプＰへの負荷を小さくすることができる。
【００５６】
また、水素循環ポンプＰにおいては、シリンダ３０の内周面とピストンリング３９の周面の間（クリアランスＣＬ）を、粘度係数の最も小さい水素を通過させて水素を分離する構成とした。すなわち、粘度係数の最も小さい水素が通過する箇所には水素分離膜が設けられていないため、水素分離膜が目詰まりすることによって、ガス分離能が低下したり、水素循環ポンプＰがロックすることがなく、水素循環経路１７の水素循環ポンプＰをメンテナンスフリーとすることができる。
【００５７】
（２）燃料電池システム１０の水素循環経路１７において、水素循環ポンプＰの圧縮工程の際に、水素オフガスから粘度係数の最も小さい水素を分離することができる。さらに、水素循環ポンプＰの吐出工程により純度の高い水素を燃料電池１１の水素電極側へ再供給することができる。その結果として、再供給される水素に含まれる不純物に起因した燃料電池１１の発電効率の低下を防止することができる。
【００５８】
（３）燃料電池システム１０において、粘度係数の差に基づいたクリアランスＣＬのガスの通過量の差を利用し、さらに、第３バルブＶ３の開閉タイミングを制御することで水素オフガスから水素を分離可能とした。これは、燃料電池システム１０の既存の構成のみを用いて水素オフガスから水素を分離可能とし、水素循環経路１７に気液分離機構や水素分離膜を設ける必要が無く、燃料電池システム１０の構成を簡素化することができる。
【００５９】
（４）水素循環ポンプＰの駆動によって、水素オフガスから粘度係数の最も小さい水素を分離することができると同時に、水素に比して粘度係数の大きい窒素や水蒸気の状態の水を水素循環ポンプＰから燃料電池システム１０外へ排出することができる。このため、水が燃料電池１１へ再供給され、さらには水素循環経路１７の管路１８，１９，２３に水が溜まることによる圧力損失の増加や、管路１８，１９，２３の閉塞を防止することができ、これら不具合に起因する発電効率の低下を防止することができる。
【００６０】
（５）水素循環ポンプＰを駆動するモータＭのモータ電流値Ｍａに基づいて水素循環ポンプＰの負荷を検出し、モータ電流値ＭａはモータＭに過電流が流れて損傷するのを防止するために装備されている電流センサＳＡが使用される。したがって、新たに負荷検出用の構成を設けることなく水素循環ポンプＰの負荷を検出することができる。
【００６１】
（６）モータＭのモータ電流値Ｍａが基準電流値Ｍ０を超える前に第３バルブＶ３を開状態として水素オフガスの圧縮を終了するようにした。これは、粘度係数の最も小さい水素がクリアランスＣＬを通過しているときには圧縮を行い、水素に比して粘度係数の大きい窒素がクリアランスＣＬを通過する前には圧縮を終了することとなる。すなわち、粘度係数の大きい窒素がクリアランスＣＬを通過することによるモータＭのトルク増大を未然に防ぐことができ、モータＭへの負荷を低減することができる。
【００６２】
（第２の実施形態）
次に、本発明のガス分離システム及びポンプを燃料電池システム及び水素循環ポンプＰに具体化した第２の実施形態を図７にしたがって説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態の水素循環ポンプＰの個数を変更したのみの構成であるため、同様の部分についてはその重複する説明を省略する。
【００６３】
図７に示すように、水素循環経路１７（ガス分離システム）には複数（２個）の水素循環ポンプＰ１，Ｐ２が連結されている。なお、前記水素循環ポンプＰ１，Ｐ２は第１の実施形態の水素循環ポンプＰと同一の構成である。そして、水素オフガス（混合ガス）の流通経路における上流側ポンプである第１水素循環ポンプＰ１の吸入口３６には、燃料電池１１の水素排出ポート（図示せず）が管路１８を介して連結されており、排出口３７には第１の排出管２４が連結されている。
【００６４】
また、第１水素循環ポンプＰ１の吐出口３８には、前記流通経路における下流側ポンプである第２水素循環ポンプＰ２の吸入口３６が連結配管４０を介して連結されている。前記連結配管４０は第１水素循環ポンプＰ１の吐出流路を構成するとともに、第２水素循環ポンプＰ２の吸入流路を構成している。また、連結配管４０には、吐出流路を開閉するとともに吸入流路を開閉する開閉手段として第１バルブＶ１が設けられている。第２水素循環ポンプＰ２の排出口３７には第２の排出管２４が連結されている。さらに、第２水素循環ポンプＰ２の吐出口３８には燃料電池１１の水素供給ポート（図示せず）が管路１９を介して連結されている。
【００６５】
そして、第１水素循環ポンプＰ１で吸入工程が行われると同時に吐出工程が行われると、連結配管４０における第１バルブＶ１が開弁して水素循環ポンプＰ１で分離された水素が水素循環ポンプＰ２に吸入される。さらに、水素循環ポンプＰ１で圧縮行程が行われると連結配管４０における第１バルブＶ１が閉弁して水素循環ポンプＰ２でも圧縮行程が行われる。その結果として、２個の水素循環ポンプＰ１，Ｐ２を連結したことにより、水素循環ポンプＰ１で分離された水素は、連結配管４０を介して第２水素循環ポンプＰ２の第１室３３へ吸入され、さらに、第２水素循環ポンプＰ２の圧縮工程の際に、水素から不純物が除去され、純度が増した水素が分離される。第２水素循環ポンプＰ２で分離された水素は、吐出口３８から吐出され、管路１９，２３を介して燃料電池１１の水素電極側へ再供給される。
【００６６】
したがって、第２の実施形態によれば、前記第１の実施形態の（１）〜（６）に記載の効果に加え、以下の効果も発揮することができる。
（７）水素循環経路１７上に２個の水素循環ポンプＰ１，Ｐ２を設け、各水素循環ポンプＰ１，Ｐ２によって水素を圧送させた。このため、各水素循環ポンプＰ１，Ｐ２によって水素から不純物が除去され、より純度の増した水素を燃料電池１１へ再供給することが可能となる。
【００６７】
なお、各実施形態は以下のように変更してもよい。
○  第２の実施形態において、水素循環ポンプＰの個数は３個でもよく、４個以上設けてもよい。
【００６８】
○  各実施形態において、図８に示すように、ピストン３１を円筒状に形成し、その内側に逆止弁５０を設けてもよい。この逆止弁５０は、第１室３３から第２室３４へのガスの漏れを許容し、第２室３４から第１室３３へのガスの逆流を規制する。なお、ピストン３１と逆止弁との間には極僅かな隙間（クリアランス）が形成されている。このように構成すると、ピストン３１が下死点から上死点に向かって移動する際、水素が逆止弁５０の隙間（クリアランス）を通過して第１室３３から第２室３４へ移動し、水素が水素オフガスから分離される。逆に、ピストン３１が上死点から下死点に向かって移動する際、逆止弁５０は閉状態が保持され、第２室３４の水素が第１室３３へ逆流することが防止できる。
【００６９】
○  各実施形態において、第２バルブＶ２を制御装置２５によって制御する構成としてもよい。例えば、第２バルブＶ２の開度を調整可能な可変型のバルブとし、第２バルブＶ２を制御装置２５に接続する。そして、モータＭにピストン３１の位置を検出する位置検出手段を設け、該位置検出手段によってピストン３１が所定位置に位置したと検出されたとき、制御装置２５は第２バルブＶ２を閉状態とするように制御させる。なお、前記所定位置をピストン３１の下死点位置とし、ピストン３１が圧縮工程を開始するときに制御装置２５が第２バルブＶ２を閉状態とするようにする。
【００７０】
○  各実施形態において、水素循環ポンプＰをシリンダ３０及びピストン３１を複数備えた多気筒タイプとしてもよい。
○  各実施形態において、検出手段として、吐出口３８から吐出された水素の濃度を検出する水素濃度センサや、第１室３３又は第２室３４の圧力（負荷）変動を検出する圧力センサとしてもよい。
【００７１】
○  ガス分離システムを、燃料電池システム１０の水素循環経路１７以外にも水素生成プラントや水素分離器に用いてもよい。
○  ヘリウムを含んだ混合ガスをガス分離システムに供して混合ガスからヘリウムを分離してもよい。
【００７２】
○  ３種類以上の粘度係数の異なるガスを含む混合ガスから、ガス分離システムを用いて少なくとも粘度係数の最も小さいガスを分離してもよい。
○  燃料電池システムは、電気自動車に搭載される燃料電池システム１０に限らず、例えば、家庭用電源の燃料電池システムとして用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】水素循環ポンプを模式的に示す図。
【図３】各ガスのクリアランスの通過割合を示すグラフ。
【図４】第３バルブの開閉手順を示すフローチャート。
【図５】水素循環ポンプの吸入工程及び吐出工程を示す図。
【図６】水素循環ポンプの圧縮工程を示す図。
【図７】第２の実施形態の水素循環経路の一部を示す図。
【図８】別例の水素循環ポンプを模式的に示す図。
【符号の説明】
【００７４】
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２…ポンプとしての水素循環ポンプ、ＳＡ…検出手段としての電流センサ、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…開閉手段としての第１〜第３バルブ、１０…燃料電池システム、１１…供給源としての燃料電池、１７…ガス分離システムとしての水素循環経路、１８…吸入流路を構成する管路、１９…吐出流路を構成する管路、２２…水素源としての水素タンク、２４…排出流路を構成する排出管、２５…制御装置、３０…シリンダ、３１…ピストン、３３…第１室、３４…第２室、３６…吸入口、３７…排出口、３８…吐出口、３９…シール手段としてのピストンリング、４０…吸入流路を構成する連結配管、５０…逆止弁。
【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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