(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガスを所定の装置に供給するための水素ガス供給装置であって、
水素を選択的に透過させるための水素透過膜をそれぞれ含む複数の水素分離部であって、前記各水素透過膜の一方の面には、前記水素ガスと特定ガスとを含む混合ガスが供給され、他方の面からは、前記水素ガスが抽出される、前記複数の水素分離部と、
前記複数の水素分離部と前記所定の装置とを並列に接続し、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスがそれぞれ通る複数の部分通路を含む水素ガス通路と、
前記各水素分離部に対応して設けられ、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスに混入する前記特定ガスに関係する特定の情報を検出するための複数のセンサと、
前記各水素分離部に対応して設けられ、前記各水素分離部から前記所定の装置への前記水素ガスの供給を停止させるための複数の遮断弁と、
前記各センサの検出結果に応じて、前記各遮断弁を個別に制御する制御部と、を備えることを特徴とする水素ガス供給装置。
【請求項２】
請求項１記載の水素ガス供給装置であって、
前記各遮断弁は、前記各部分通路に設けられている、水素ガス供給装置。
【請求項３】
請求項１記載の水素ガス供給装置であって、
前記各センサは、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスに混入する前記特定ガスの濃度を検出し、
前記制御部は、前記複数のセンサのうちのいずれかで得られる前記特定ガスの濃度が所定の設定値以上となった場合には、対応する前記遮断弁を制御して、対応する前記水素分離部から前記所定の装置への前記水素ガスの供給を停止させる、水素ガス供給装置。
【請求項４】
請求項３記載の水素ガス供給装置であって、さらに、
ユーザに対する通知を実行するための通知部を備え、
前記制御部は、前記複数のセンサのうちのいずれかで得られる前記特定ガスの濃度が前記所定の設定値以上となった場合には、前記通知部を制御して、ユーザに異常を通知する、水素ガス供給装置。
【請求項５】
請求項１記載の水素ガス供給装置であって、さらに、
所定の原料を改質して前記混合ガスを生成するための改質部を備える、水素ガス供給装置。
【請求項６】
請求項１記載の水素ガス供給装置であって、
前記所定の装置は、燃料電池であり、
前記特定ガスは、一酸化炭素ガスである、水素ガス供給装置。
【請求項７】
水素ガス供給装置における水素ガスの所定の装置への供給方法であって、
（ａ）前記所定の装置に並列に接続され、水素を選択的に透過させるための水素透過膜をそれぞれ含む複数の水素分離部であって、前記各水素透過膜の一方の面には、水素ガスと特定ガスとを含む混合ガスが供給され、他方の面からは、前記水素ガスが抽出される、前記複数の水素分離部を準備する工程と、
（ｂ）前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスについて、それぞれ前記特定ガスに関係する特定の情報を検出する工程と、
（ｃ）前記各検出結果に応じて、前記各水素分離部から前記所定の装置への前記水素ガスの供給を個別に停止させる工程と、
を備えることを特徴とする水素ガス供給方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを燃料電池などの所定の装置に供給するための水素ガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に水素ガスを含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料電池に酸素ガスを含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、を備えている。燃料ガスの供給方法には、貯蔵された水素ガスを直接供給する方法と、メタノールなどの炭化水素系化合物から水素ガスを生成して供給する方法とがある。後者の方法を採用する場合には、燃料ガス供給部は、通常、炭化水素系化合物から水素ガスを含む混合ガス（改質ガス）を生成するための改質部と、改質ガスから水素ガスを分離するための水素分離部と、を備えている。
【０００３】
水素分離部には、水素を選択的に透過させるための水素透過膜が設けられている。水素透過膜は、通常、Ｐｄ（パラジウム）などの貴金属で構成された金属層を含んでいる。水素透過膜の一方の面には、水素ガスを含む改質ガスが供給され、他方の面からは、水素ガスが抽出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、水素分離部を長期間使用すると、水素透過膜にピンホールが形成される場合がある。このように、ピンホールが形成されると、水素ガスとともに他のガスも水素透過膜を透過する。このため、改質ガス中に一酸化炭素ガスが含まれていると、水素ガスとともに一酸化炭素ガスも燃料電池内に供給される。固体高分子型の燃料電池では、通常、一酸化炭素ガスによって被毒する貴金属触媒が用いられているため、燃料ガス中に一酸化炭素ガスが含まれていると、燃料電池の出力が低下してしまう。
【０００５】
なお、近年、水素透過性能の向上と貴金属使用量の低減との観点から、水素透過膜の薄膜化が進められている。このように、水素透過膜が薄くなると、ピンホールは、さらに形成され易くなる。
【０００６】
上記の問題は、燃料電池に一酸化炭素ガスが混入した燃料ガス（水素ガス）が供給されてしまう場合に限らず、所定の装置に特定ガスが混入した水素ガスが供給される場合にも共通する。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池などの所定の装置に供給される水素ガスに混入する特定ガスの濃度を低減させることのできる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の装置は、水素ガスを所定の装置に供給するための水素ガス供給装置であって、
水素を選択的に透過させるための水素透過膜をそれぞれ含む複数の水素分離部であって、前記各水素透過膜の一方の面には、前記水素ガスと特定ガスとを含む混合ガスが供給され、他方の面からは、前記水素ガスが抽出される、前記複数の水素分離部と、
前記複数の水素分離部と前記所定の装置とを並列に接続し、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスがそれぞれ通る複数の部分通路を含む水素ガス通路と、
前記各水素分離部に対応して設けられ、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスに混入する前記特定ガスに関係する特定の情報を検出するための複数のセンサと、
前記各水素分離部に対応して設けられ、前記各水素分離部から前記所定の装置への前記水素ガスの供給を停止させるための複数の遮断弁と、
前記各センサの検出結果に応じて、前記各遮断弁を個別に制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
この装置では、複数の水素分離部が設けられている。また、各水素分離部に対応して、複数のセンサと複数の遮断弁とが設けられている。制御部は、各センサの検出結果に応じて、対応する各遮断弁を個別に制御することができる。したがって、いずれかの水素分離部から排出される水素ガスに特定ガスが混入している場合には、その水素分離部から所定の装置への水素ガスの供給を停止させることができる。この結果、所定の装置に供給される水素ガスに混入する特定ガスの濃度を低減させることが可能となる。
【００１０】
上記の装置において、
前記各遮断弁は、前記各部分通路に設けられていることが好ましい。
【００１１】
こうすれば、所定の装置に供給される水素ガスに混入する特定ガスの濃度を効率よく低減させることができる。
【００１２】
上記の装置において、
前記各センサは、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスに混入する前記特定ガスの濃度を検出し、
前記制御部は、前記複数のセンサのうちのいずれかで得られる前記特定ガスの濃度が所定の設定値以上となった場合には、対応する前記遮断弁を制御して、対応する前記水素分離部から前記所定の装置への前記水素ガスの供給を停止させるようにしてもよい。
【００１３】
上記のようなセンサを用いれば、水素ガス中の特定ガスの濃度を直接的に検出することができるため、所定の装置に供給される水素ガスに混入する特定ガスの濃度を確実に低減させることが可能となる。
【００１４】
上記の装置において、さらに、
ユーザに対する通知を実行するための通知部を備え、
前記制御部は、前記複数のセンサのうちのいずれかで得られる前記特定ガスの濃度が前記所定の設定値以上となった場合には、前記通知部を制御して、ユーザに異常を通知することが好ましい。
【００１５】
こうすれば、ユーザは、複数の水素分離部のうちの少なくとも１つから所定の装置への水素ガスの供給が停止されたことを知ることができる。また、水素透過膜、または、水素透過膜を含む水素分離部の修理や交換などの対策をユーザに促すことができる。なお、通知部は、例えば、表示や音声などによって、ユーザに異常を通知すればよい。
【００１６】
さらに、上記の装置において、
所定の原料を改質して前記混合ガスを生成するための改質部を備えるようにしてもよい。
【００１７】
なお、改質部は、混合ガスが供給される水素透過膜の一方の面側に設けられていてもよい。
【００１８】
上記の装置において、
前記所定の装置は、燃料電池であり、
前記特定ガスは、一酸化炭素ガスであってもよい。
【００１９】
すなわち、この装置は、燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給部と、
を備え、
前記燃料ガス供給部は、
水素を選択的に透過させるための水素透過膜をそれぞれ含む複数の水素分離部であって、前記各水素透過膜の一方の面には、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む混合ガスが供給され、他方の面からは、前記水素ガスが抽出される、前記複数の水素分離部と、
前記複数の水素分離部と前記燃料電池とを並列に接続し、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスを含む前記燃料ガスがそれぞれ通る複数の部分通路を含む燃料ガス通路と、
前記各水素分離部に対応して設けられ、前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスに混入する前記一酸化炭素ガスに関係する特定の情報を検出するための複数のセンサと、
前記各水素分離部に対応して設けられ、前記各水素分離部から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を停止させるための複数の遮断弁と、
を備え、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記各センサの検出結果に応じて、前記各遮断弁を個別に制御する制御部を備えることを特徴とする。
【００２０】
前述のように、燃料電池では、通常、一酸化炭素ガスによって被毒する触媒が用いられている。しかしながら、上記のような燃料電池システムを構成すれば、燃料ガスへの一酸化炭素ガスの混入を低減させることができ、この結果、燃料電池の出力低下を低減させることができる。
【００２１】
本発明の方法は、水素ガス供給装置における水素ガスの所定の装置への供給方法であって、
（ａ）前記所定の装置に並列に接続され、水素を選択的に透過させるための水素透過膜をそれぞれ含む複数の水素分離部であって、前記各水素透過膜の一方の面には、水素ガスと特定ガスとを含む混合ガスが供給され、他方の面からは、前記水素ガスが抽出される、前記複数の水素分離部を準備する工程と、
（ｂ）前記各水素透過膜を透過した前記水素ガスについて、それぞれ前記特定ガスに関係する特定の情報を検出する工程と、
（ｃ）前記各検出結果に応じて、前記各水素分離部から前記所定の装置への前記水素ガスの供給を個別に停止させる工程と、
を備えることを特徴とする。
【００２２】
この方法を用いる場合にも、本発明の装置を用いる場合と同様に、所定の装置に供給される水素ガスに混入する特定ガスの濃度を低減させることができる。
【００２３】
【発明の他の態様】
なお、本発明は、水素ガス供給方法、水素ガス供給装置、水素ガス供給装置を含む燃料電池システム、燃料電池システムを搭載した移動体などの装置、これらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の種々の態様で実現することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システム：
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。図１は、第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。なお、本実施例の燃料電池システムは、車両に搭載されている。
【００２５】
図示するように、燃料電池システムは、燃料電池１００と、燃料電池に水素ガスを含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部２００と、燃料電池に酸素ガスを含む酸化ガスを供給する酸化ガス供給部３００と、を備えている。なお、燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型の燃料電池である。
【００２６】
燃料ガス供給部２００（図１）は、水素ガスを含む燃料ガスを生成して燃料電池１００に供給する。燃料ガス供給部２００は、原料タンク２１２と、水タンク２１４と、２つの蒸発器２２２，２２４と、改質部２３０と、燃料ガス生成部２４０と、燃焼部２５０と、凝縮器２６０とを備えている。なお、原料タンク２１２には、メタノールが貯蔵されている。
【００２７】
第１の蒸発器２２２は、原料タンク２１２および水タンク２１４から導入された混合液を気化して、原料および水の混合ガス（以下、「原料ガス」と呼ぶ）を改質部２３０に供給する。第２の蒸発器２２４は、水タンク２１４から導入された水を気化して、水蒸気を燃料ガス生成部２４０に供給する。
【００２８】
改質部２３０は、改質反応を進行させる触媒を担持しており、供給された原料ガスを改質して水素ガスを含む改質ガスを生成する。触媒としては、例えば、ＣｕＯ−ＺｎＯ系触媒や、Ｃｕ−ＺｎＯ系触媒を用いることができる。改質部２３０では、次の式（１），式（２）に示す化学反応（改質反応）が順次進行し、水素ガスを含む改質ガスが生成される。そして、改質部全体では、式（３）に示す改質反応が進行する。なお、この改質反応は、水蒸気改質と呼ばれている。
【００２９】
ＣＨ3ＯＨ → ＣＯ ＋ ２Ｈ2                  …（１）
ＣＯ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ Ｈ2               …（２）
ＣＨ3ＯＨ ＋ Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 ＋ ３Ｈ2        …（３）
【００３０】
燃料ガス生成部２４０は、水素透過膜を備えており、改質部２３０から供給された改質ガスから水素ガスを分離することにより、水素ガスを含み、一酸化炭素ガスを殆ど含まない燃料ガスを生成する。すなわち、改質部２３０から供給される改質ガスには、式（１）〜式（３）に示す種々のガス（原料ガスや、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガスなど）が含まれている。仮に、一酸化炭素ガスを含む改質ガスを燃料電池１００に直接供給すると、燃料電池内のＰｔなどの貴金属触媒が一酸化炭素ガスによって被毒し、この結果、燃料電池の出力が低下してしまう。このため、燃料ガス生成部２４０は、一酸化炭素ガスを殆ど含まない燃料ガスを生成する。また、燃料ガス生成部２４０には、第２の蒸発器２２４から水蒸気が供給されている。水蒸気は、水素透過膜を透過した水素ガスを搬送する搬送ガスとして機能する。そして、燃料ガス生成部２４０からは、水素透過膜を透過しなかったガス（不透過ガス）と、水素ガスと水蒸気とを含む燃料ガスと、が排出される。なお、燃料ガス生成部２４０については、さらに、後述する。
【００３１】
燃料ガス生成部２４０から排出される不透過ガスは、燃焼部２５０に供給される。燃焼部２５０は、不透過ガスを酸化する。具体的には、一酸化炭素ガスは酸化されて二酸化炭素ガスになり、水素ガスは酸化されて水蒸気になる。これにより、不透過ガスに含まれる一酸化炭素ガスの大気への放出を防止することができる。
【００３２】
燃料ガス生成部２４０から排出された燃料ガスは、凝縮器２６０に供給される。凝縮器２６０は、燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮して除去した後、燃料ガスを燃料電池１００に供給する。なお、凝縮器２６０で得られる凝縮水は、水タンク２１４に戻される。
【００３３】
酸化ガス供給部３００（図１）は、ブロワ３１０を備えており、酸素ガスを含む酸化ガス（空気）を燃料電池１００に供給する。
【００３４】
燃料電池１００（図１）は、燃料ガス供給部２００から供給された燃料ガスと、酸化ガス供給部３００から供給された酸化ガスと、を用いて発電する。
【００３５】
Ａ−２．燃料ガス生成部：
図２は、図１の燃料ガス生成部２４０の内部構成を模式的に示す説明図である。燃料ガス生成部２４０は、２つの水素分離部４１０，４２０と、２つのＣＯセンサ４１８，４２８と、２組の４つの遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄ，Ｖ２ａ〜Ｖ２ｄと、を備えている。なお、図２に示すように、燃料電池システムは、各部を制御するための制御部６００と、ユーザに対する通知を実行するための通知部６１０と、を備えている。
【００３６】
第１の水素分離部４１０は、供給室４１２と水素透過膜４１４と抽出室４１６とを備えている。水素透過膜４１４は、供給室４１２と抽出室４１６とに挟まれている。換言すれば、シート状の水素透過膜４１４の一方の面側には、供給室４１２が形成されており、他方の面側には、抽出室４１６が形成されている。同様に、第２の水素分離部４２０も、供給室４２２と水素透過膜４２４と抽出室４２６とを備えている。
【００３７】
改質部２３０（図１）と２つの供給室４１２，４２２とは、各供給室に供給される改質ガスが通る改質ガス通路ＰＲによって、並列に接続されている。第２の蒸発器２２４と２つの抽出室４１６，４２６とは、各抽出室に供給される搬送ガスが通る搬送ガス通路ＰＣによって、並列に接続されている。２つの供給室４１２，４２２と燃焼部２５０とは、各供給室から排出される不透過ガスが通る不透過ガス通路ＰＮによって、並列に接続されている。２つの抽出室４１６，４２６と燃料電池１００とは、各抽出室から排出される燃料ガスが通る燃料ガス通路ＰＦによって、並列に接続されている。
【００３８】
そして、各組の第１の遮断弁Ｖ１ａ，Ｖ２ａは、改質ガス通路ＰＲを構成する２つの部分通路ＰＲ１，ＰＲ２にそれぞれ設けられている。各組の第２の遮断弁Ｖ１ｂ，Ｖ２ｂは、搬送ガス通路ＰＣを構成する２つの部分通路ＰＣ１，ＰＣ２にそれぞれ設けられている。各組の第３の遮断弁Ｖ１ｃ，Ｖ２ｃは、不透過ガス通路ＰＮを構成する２つの部分通路ＰＮ１，ＰＮ２にそれぞれ設けられている。各組の第４の遮断弁Ｖ１ｄ，Ｖ２ｄは、燃料ガス通路ＰＦを構成する２つの部分通路ＰＦ１，ＰＦ２にそれぞれ設けられている。
【００３９】
また、２つのＣＯセンサ４１８，４２８は、燃料ガス通路ＰＦの２つの部分通路ＰＦ１，ＰＦ２にそれぞれ設けられている。具体的には、２つのＣＯセンサは、抽出室４１６，４２６と第４の遮断弁Ｖ１ｄ，Ｖ２ｄとの間にそれぞれ設けられている。
【００４０】
なお、以下では、第１の水素分離部４１０に注目して説明するが、第２の水素分離部４２０についても同様である。
【００４１】
水素透過膜４１４は、供給室４１２に供給された改質ガス（すなわち、原料ガスや、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、水素ガスなど）から水素ガスを選択的に透過させることにより、水素ガスを分離する。なお、水素透過膜４１４としては、例えば、アルミナなどのセラミックや焼結金属等の多孔質部材で形成されたベース層上にＰｄ被覆層が形成された水素透過膜や、Ｖ（バナジウム）ベース層の両面にＰｄ（パラジウム）被覆層が形成された水素透過膜などが用いられる。
【００４２】
抽出室４１６に供給される搬送ガスは、水素ガスの透過を促進させる。すなわち、供給室４１２に含まれる水素ガスは、供給室４１２と抽出室４１６との水素分圧差に応じて、水素透過膜を透過する。より具体的には、水素ガスは、供給室内の水素分圧の平方根と抽出室内の水素分圧の平方根との差に比例して、水素透過膜４１４を透過する。そこで、本実施例では、抽出室４１６に搬送ガス（水蒸気）を順次供給することにより、抽出室４１６の水素分圧を、供給室４１２の水素分圧よりも低く設定している。
【００４３】
図３は、第１の水素分離部４１０における改質ガスと搬送ガスとの流れを示す説明図である。図示するように、本実施例では、供給室４１２および抽出室４１６内で、改質ガスと搬送ガスとが対向して流れるように設定されている。このように、改質ガスと搬送ガスとが対向流を形成する場合には、平行流を形成する場合よりも、改質ガス中の水素ガスを効率よく分離することが可能となる。すなわち、対向流および平行流のいずれが形成される場合にも、供給室内の水素分圧は、水素ガスの透過があまり進行していない上流側ほど高くなり、抽出室内の水素分圧は、水素ガスの透過が進行している下流側ほど高くなる。平行流が形成される場合には、供給室の上流側部分は、水素透過膜を介して、抽出室の上流側部分と隣接する。そして、この場合には、抽出室の上流側において、水素分圧差がかなり大きくなるため、抽出室の上流側部分では、水素ガスを多く透過させることができる。しかしながら、下流側に向かうに連れて、水素分圧差がかなり小さくなるため、抽出室の下流側部分では、水素ガスをあまり透過させることができない。一方、対向流が形成される場合には、図３に示すように、供給室４１２の上流側部分は、水素透過膜４１４を介して、抽出室４１６の下流側部分と隣接する。そして、この場合には、抽出室の上流側における水素分圧差は、平行流が形成される場合よりも小さくなる。しかしながら、この場合には、抽出室の上流側部分から下流側部分まで連続的に水素ガスを透過させることができる。このため、全体としては、より多くの水素ガスを透過させることができる。したがって、本実施例では、改質ガスと搬送ガスとの流れが対向するように設定されている。
【００４４】
ところで、前述のように、水素分離部を比較的長期間使用すると、水素透過膜４１４にピンホールが形成されてしまう場合がある。これは、水素透過膜が比較的高い温度で水素ガスに曝されているためである。すなわち、水素透過膜に含まれる金属層は、水素脆化によって強度が低下する。また、水素透過膜を構成する複数種類の材料層は、互いに熱膨張率が異なる。そして、強度低下や熱膨張率の相違などに起因して、ピンホールが形成される。水素透過膜４１４にピンホールが形成されると、供給室４１２内の改質ガスに含まれる一酸化炭素ガス（式（１））が、ピンホールを介して、抽出室４１６に侵入する。このように、燃料ガス中に一酸化炭素ガスが混入していると、燃料電池１００内の触媒が一酸化炭素ガスにより被毒して、燃料電池の出力が低下してしまう。
【００４５】
そこで、本実施例では、図２に示すように、第１の水素分離部４１０に対応して、第１のＣＯセンサ４１８と第１組の４つの遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄとが設けられており、第２の水素分離部４２０に対応して、第２のＣＯセンサ４２８と第２組の４つの遮断弁Ｖ２ａ〜Ｖ２ｄとが設けられている。
【００４６】
各ＣＯセンサ４１８，４２８は、各部分通路ＰＦ１，ＰＦ２をそれぞれ通る燃料ガスに含まれる一酸化炭素ガスの濃度（ＣＯ濃度）を検出する。各ＣＯセンサは、検出結果を制御部６００に与える。制御部６００は、各ＣＯセンサで得られた検出結果に応じて、各組の遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄ，Ｖ２ａ〜Ｖ２ｄを個別に制御する。なお、遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄ，Ｖ２ａ〜Ｖ２ｄが開状態に設定されている場合には、各部分通路にはガスが流通し、閉状態に設定されている場合には、各部分通路は遮断される。
【００４７】
第１の水素分離部４１０に対応して設けられた第１のＣＯセンサ４１８が検出するＣＯ濃度が所定の設定値以上となったときには、制御部６００は、第１の水素分離部４１０に対応して設けられた第１組の４つの遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄの開閉動作を制御する。具体的には、制御部は、通常運転時に開状態に設定されている第１組の４つの遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄを閉状態に設定し、各部分通路ＰＲ１，ＰＣ１，ＰＮ１，ＰＦ１を遮断する。同様に、第２の水素分離部４２０に対応して設けられた第２のＣＯセンサ４２８が検出するＣＯ濃度が所定の設定値以上となったときには、制御部６００は、第２の水素分離部４２０に対応して設けられた第２組の４つの遮断弁Ｖ２ａ〜Ｖ２ｄの開閉動作を制御して、各部分通路ＰＲ２，ＰＣ２，ＰＮ２，ＰＦ２を遮断する。
【００４８】
そして、本実施例では、例えば、第１の水素分離部に対応して設けられた第１組の遮断弁が閉状態に設定された場合には、第２の水素分離部のみに２倍の流量の改質ガスが供給され、第２の水素分離部のみが燃料ガスを燃料電池に供給する。なお、必要であれば、第２の水素分離部に供給される改質ガスの流量を制限するようにしてもよい。ただし、水素透過膜の透過性能が充分に優れていれば、第１の水素分離部への改質ガスの供給を停止させても、第２の水素分離部は、２つの水素分離部を併用する場合とほぼ同等の流量の燃料ガスを、燃料電池に供給することができる。また、前述のように、本実施例の燃料電池システムは車両に搭載されている。車両において、燃料電池１００の定常出力は、通常、最高出力の約１／２以下である。このため、第１の水素分離部からの燃料ガスの供給が停止された場合にも、燃料電池は、定常的な運転を継続することができる。
【００４９】
このように、各ＣＯセンサ４１８，４２８からの検出結果に応じて、対応する各組の遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄ，Ｖ２ａ〜Ｖ２ｄを個別に制御すれば、各水素分離部４１０，４２０から燃料電池１００に供給される燃料ガス中の一酸化炭素ガスの濃度を低減させることができる。したがって、燃料電池内の貴金属触媒の被毒を低減させることができ、この結果、燃料電池１００の出力低下を低減させることができる。
【００５０】
ところで、本実施例の燃料電池システムでは、図２に示すように、通知部６１０が設けられている。制御部６００は、ＣＯセンサで得られるＣＯ濃度が所定の設定値以上となった場合には、対応する遮断弁を制御するとともに、通知部６１０を制御する。そして、通知部６１０は、ユーザに異常を通知する。このようにすれば、ユーザは、いずれか一方の水素分離部から燃料電池への燃料ガスの供給が停止されたことを知ることができる。また、水素透過膜、または、水素透過膜を含む水素分離部の修理や交換などの対策をユーザに促すことができる。なお、通知部６１０は、例えば、表示や音声、振動などによって、ユーザに異常を通知すればよい。
【００５１】
以上説明したように、本実施例の燃料電池システムは、燃料電池１００と燃料ガス供給部２００と酸化ガス供給部３００とを備えている。燃料ガス供給部２００は、水素を選択的に透過させるための水素透過膜４１４，４２４をそれぞれ含む２つの水素分離部４１０，４２０を備えている。各水素透過膜の一方の面には、水素ガスと一酸化炭素ガスとを含む改質ガスが供給され、他方の面からは、水素ガスが抽出される。また、燃料ガス供給部２００は、２つの水素分離部と燃料電池とを並列に接続する燃料ガス通路ＰＦと、燃料ガス通路を構成する各部分通路ＰＦ１，ＰＦ２に設けられた２つのＣＯセンサ４１８，４２８と、各水素分離部から燃料電池への燃料ガスの供給を停止させるための２組の遮断弁Ｖ１ａ〜Ｖ１ｄ，Ｖ２ａ〜Ｖ２ｄと、を備えている。そして、制御部６００は、各ＣＯセンサの検出結果に応じて、各組の遮断弁を個別に制御する。したがって、いずれか一方の水素分離部から排出される燃料ガスに一酸化炭素ガスが混入している場合には、その水素分離部から燃料電池への水素ガスの供給を停止させることができる。これにより、燃料電池に供給される燃料ガスに混入する一酸化炭素ガスの濃度を低減させることができ、この結果、燃料電池の出力低下を低減させることが可能となる。
【００５２】
なお、上記の説明からも分かるように、本実施例の燃料ガス供給部２００と制御部６００とが、本発明における水素ガス供給装置に相当する。また、燃料ガス通路ＰＦが本発明における水素ガス通路に相当する。
【００５３】
Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、第１実施例（図１）の燃料電池システムとほぼ同じであるが、燃料ガス供給部２００Ｂが変更されている。具体的には、本実施例の燃料ガス供給部２００Ｂでは、第２の蒸発器２２４と凝縮器２６０とが省略されており、燃料ガス生成部２４０Ｂには、搬送ガス（水蒸気）は供給されていない。そして、本実施例の燃料ガス供給部２００Ｂは、改質部２３０と燃料ガス生成部２４０Ｂとの間に、改質ガスを加圧して燃料ガス生成部２４０Ｂに供給するためのポンプ２３２を備えている。
【００５４】
図５は、図４の燃料ガス生成部２４０Ｂの内部構成を模式的に示す説明図である。本実施例の燃料ガス生成部２４０Ｂは、第１実施例（図２）の燃料ガス生成部２４０とほぼ同じであるが、各水素分離部４１０，４２０の抽出室４１６，４２６には、搬送ガスは供給されていない。このため、図２に示す搬送ガス通路ＰＣと、この通路に設けられた各組の第２の遮断弁Ｖ１ｂ，Ｖ２ｂと、が省略されている。
【００５５】
各水素分離部４１０，４２０の供給室４１２，４２２には、加圧された改質ガスが供給されている。このため、第１実施例の場合と比べ、供給室内の全圧は、抽出室内の全圧よりも高くなっている。これにより、供給室と抽出室との水素分圧差が比較的大きく設定され、水素ガスを効率よく透過させることができる。
【００５６】
なお、各供給室の下流側に設けられた第３の遮断弁Ｖ１ｃ，Ｖ２ｃは、燃料電池の通常運転時には、不透過ガスが僅かに流通する中間開度状態に設定されている。あるいは、第３の遮断弁Ｖ１ｃ，Ｖ２ｃは、閉状態に保たれ、所定の時間間隔毎に、中間開度状態に設定される。これにより、供給室内に水素ガスを含む改質ガスが、順次供給される。
【００５７】
本実施例の構成を採用する場合にも、第１実施例と同様に、燃料ガス生成部２４０Ｂは、水素ガスを含み、一酸化炭素ガスを殆ど含まない燃料ガスを生成することができる。そして、例えば、第１の水素分離部４１０に対応して設けられた第１のＣＯセンサ４１８が検出するＣＯ濃度が所定の設定値以上となったときには、制御部６００Ｂは、第１の水素分離部４１０に対応して設けられた第１組の３つの遮断弁Ｖ１ａ，Ｖ１ｃ，Ｖ１ｄの開閉動作を制御して、各部分通路ＰＲ１，ＰＮ１，ＰＦ１を遮断する。
【００５８】
このように、第２実施例においても、燃料電池に供給される燃料ガスに混入する一酸化炭素ガスの濃度を低減させることができる。
【００５９】
なお、第１実施例では、搬送ガスを用いることによって、供給室と抽出室との水素分圧差を大きく設定しているが、第２実施例では、改質ガスを加圧することによって、供給室と抽出室との水素分圧差を大きく設定している。したがって、第１実施例の構成を採用する場合には、水素透過膜がその双方の面から受ける圧力差を比較的小さくすることができるため、圧力差に起因する水素透過膜の損傷を低減させることができるという利点がある。
【００６０】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００６１】
Ｃ−１．変形例１：
上記実施例では、固体高分子型の燃料電池を用いる燃料電池システムに本発明を適用する場合について説明したが、他のタイプの燃料電池を用いる燃料電池システムにも適用可能である。また、本発明を水素精製システムに適用することも可能である。そして、上記実施例では、水素ガスへの一酸化炭素ガスの混入を低減させているが、他のシステムに本発明を適用する場合には、水素ガスへの他の特定ガスの混入を低減させるようにしてもよい。
【００６２】
Ｃ−２．変形例２：
上記実施例では、燃料電池システムは、メタノールを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部２００，２００Ｂを備えているが、これに代えて、他のアルコールや、天然ガス、ガソリン、エーテル、アルデヒドなどを用いて水素ガスを生成する燃料ガス供給部を備えるようにしてもよい。一般に、原料としては、水素原子が含有された種々の炭化水素系化合物を用いることができる。
【００６３】
また、上記実施例では、燃料電池システムは、メタノールを改質することによって水素ガスを生成する燃料ガス供給部２００，２００Ｂを備えているが、これに代えて、水素吸蔵合金や水素ボンベなどから水素ガスを得る燃料ガス供給部を備えるようにしてもよい。このような場合にも、水素ガス中に特定ガスが混入する恐れがあれば、本発明を適用可能である。
【００６４】
さらに、上記実施例では、改質部２３０は、水蒸気改質によって、水素ガスを含む改質ガスを生成しているが、これに代えて、部分酸化改質や、水蒸気改質と部分酸化改質とを組み合わせた併用改質によって、水素ガスを含む改質ガスを生成するようにしてもよい。なお、原料としてメタノールを用いる場合には、水蒸気改質および併用改質によって生成される改質ガスには一酸化炭素ガスが含まれる。また、原料としてメタンを用いる場合には、３つの改質のいずれによっても、改質ガスには一酸化炭素ガスが含まれる。
【００６５】
Ｃ−３．変形例３：
第１実施例では、供給室４１２，４２２および抽出室４１６，４２６内の改質ガスと搬送ガスとは、対向して流れるように設定されているが、これに代えて、平行して流れるように設定してもよいし、直交して流れるように設定してもよい。また、抽出室の全圧を、供給室の全圧よりも高く設定するようにしてもよい。こうすれば、水素透過膜にピンホールが形成された場合でも、抽出室に侵入する一酸化炭素ガスの量を低減することができる。
【００６６】
また、第１実施例では、搬送ガスとして水蒸気が用いられているが、これに代えて、窒素ガスなどの他のガスを用いるようにしてもよい。また、燃料電池１００から排出される燃料オフガスを搬送ガスとして用いるようにしてもよい。ただし、燃料オフガスは、燃料電池内で消費されずに排出された水素ガスを含んでいる。したがって、水蒸気や窒素ガスなどの水素ガスを含まない他のガスを用いれば、抽出室内の水素分圧を比較的小さくすることができ、この結果、改質ガス中の水素ガスを効率よく分離することができる。
【００６７】
Ｃ−４．変形例４：
上記実施例では、燃料ガス生成部２４０，２４０Ｂは、２つの水素分離部４１０，４２０を備えているが、３つ以上の水素分離部を備えるようにしてもよい。こうすれば、いずれか１つの水素分離部からの燃料ガスの供給が停止された場合にも、燃料電池への燃料ガスの供給量をあまり低減させずに済むという利点がある。
【００６８】
上記実施例では、改質部２３０と水素分離部４１０，４２０とはそれぞれ独立して構成されているが、水素分離部の各供給室４１２，４２２が、改質部の機能を有するようにしてもよい。また、上記実施例では、改質部２３０の下流側には、改質反応で生成された一酸化炭素ガスを処理するための燃焼部２５０が設けられているが、これに代えて、シフト部とＣＯ酸化部とを設けるようにしてもよい。なお、シフト部は、一酸化炭素ガスと水蒸気とから水素ガスと二酸化炭素ガスを生成する。ＣＯ酸化部は、シフト部で処理されない一酸化炭素ガスを酸化して、二酸化炭素ガスを生成する。この場合には、水素分離部の各供給室４１２，４２２が、シフト部の機能を有するようにしてもよい。このように、各供給室が改質部やシフト部などの他の機能を有するようにすれば、燃料電池システムを小型化することができるという利点がある。
【００６９】
上記実施例では、独立した２つの水素分離膜４１４，４２４をそれぞれ含む２つの水素分離部４１０，４２０が用いられているが、水素分離膜を１つだけ含む１つの水素分離ユニットを用いるようにしてもよい。この場合には、水素分離ユニットは、隣接して設けられた２つの水素分離部を含み、各水素分離部は、１つの水素分離膜の１／２の領域に相当する部分水素分離膜をそれぞれ含む。
【００７０】
上記実施例では、水素透過膜４１４，４２４はシート状に形成されているが、水素透過膜は他の形状を有していてもよい。例えば、水素透過膜は、中空円筒状の形状を有していてもよい。この場合には、例えば、中空円筒状の水素透過膜の内側に改質ガスを供給し、外側から水素ガスを抽出すればよい。
【００７１】
一般に、燃料ガス供給部は、複数の水素分離部を備えていればよい。また、複数の水素分離部は、水素を選択的に透過させるための水素透過膜をそれぞれ含み、各水素透過膜の一方の面には、水素ガスと特定ガスとを含む混合ガスが供給され、他方の面からは、水素ガスが抽出されていればよい。
【００７２】
Ｃ−５．変形例５：
上記実施例では、一方の水素分離部から燃料電池への燃料ガスの供給を停止させる場合には、一方の水素分離部に対応して設けられたすべての遮断弁が閉状態に設定される。しかしながら、各水素分離部の下流側、すなわち、燃料ガス通路ＰＦを構成する部分通路ＰＦ１，ＰＦ２に設けられた第４の遮断弁Ｖ１ｄ，Ｖ２ｄのみを閉状態に設定するようにしてもよい。あるいは、各水素分離部の上流側、すなわち、改質ガス通路ＰＲを構成する部分通路ＰＲ１，ＰＲ２に設けられた第１の遮断弁Ｖ１ａ，Ｖ２ａと、搬送ガス通路ＰＣを構成する部分通路ＰＣ１，ＰＣ２に設けられた第２の遮断弁Ｖ１ｂ，Ｖ２ｂと、を閉状態に設定するようにしてもよい。このようにしても、一方の水素分離部から燃料電池への燃料ガスの供給を停止させることができる。ただし、少なくとも第４の遮断弁Ｖ１ｄ，Ｖ２ｄを閉状態とすれば、燃料電池に供給される燃料ガスに混入する特定ガスの濃度を効率よく低減させることができるという利点がある。すなわち、水素分離部から燃料電池への燃料ガスの供給を停止させるための遮断弁は、少なくとも燃料ガス通路を構成する部分通路に設けられていることが好ましい。
【００７３】
Ｃ−６．変形例６：
上記実施例では、燃料ガス供給部２００，２００Ｂは、一酸化炭素ガスの濃度を検出するためのＣＯセンサ４１８，４２８を備えているが、これに代えて、他のセンサを備えるようにしてもよい。上記実施例のように、メタノールを水蒸気改質することによって改質ガスを生成する場合には、改質ガス中には、二酸化炭素ガスも含まれる。そして、水素透過膜にピンホールが存在する場合には、一酸化炭素ガスとともに二酸化炭素ガスが水素透過膜を透過する。したがって、ＣＯ濃度を直接的に検出するＣＯセンサに代えて、二酸化炭素ガスの濃度（ＣＯ2 濃度）を検出するＣＯ2 センサを備えるようにしてもよい。こうすれば、燃料ガス中のＣＯ濃度を、ＣＯ2 濃度を用いて、間接的に検出することができる。
【００７４】
また、メタノールを併用改質することによって改質ガスを生成する場合には、改質ガス中には、水素ガスとともに一酸化炭素ガスや窒素ガスが含まれる。そして、水素透過膜にピンホールが存在する場合には、一酸化炭素ガスとともに窒素ガスが水素透過膜を透過する。したがって、この場合には、ＣＯ濃度を直接的に検出するＣＯセンサに代えて、窒素ガスの濃度（Ｎ2 濃度）を検出するＮ2 センサを用いるようにしてもよい。こうすれば、燃料ガス中のＣＯ濃度を、Ｎ2 濃度を用いて、間接的に検出することができる。
【００７５】
ただし、上記実施例のように、ＣＯセンサを用いれば、燃料ガス中のＣＯ濃度を直接的に検出することができるため、燃料電池に供給される燃料ガスに混入するＣＯ濃度を確実に低減させることができるという利点がある。
【００７６】
一般に、水素ガス供給装置は、各水素分離部に対応して、各水素透過膜を透過した水素ガスに混入する特定ガスに関係する特定の情報を検出するための複数のセンサを備えていればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】図１の燃料ガス生成部２４０の内部構成を模式的に示す説明図である。
【図３】第１の水素分離部４１０における改質ガスと搬送ガスとの流れを示す説明図である。
【図４】第２実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図５】図４の燃料ガス生成部２４０Ｂの内部構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１００…燃料電池
２００，２００Ｂ…燃料ガス供給部
２１２…原料タンク
２１４…水タンク
２２２，２２４…蒸発器
２３０…改質部
２３２…ポンプ
２４０，２４０Ｂ…燃料ガス生成部
２５０…燃焼部
２６０…凝縮器
３００…酸化ガス供給部
３１０…ブロワ
４１０，４２０…水素分離部
４１２，４２２…供給室
４１４，４２４…水素透過膜
４１６，４２６…抽出室
４１８，４２８…ＣＯセンサ
６００，６００Ｂ…制御部
６１０…通知部
ＰＣ…搬送ガス通路
ＰＦ…燃料ガス通路
ＰＮ…不透過ガス通路
ＰＲ…改質ガス通路
Ｖ１ａ，Ｖ２ａ…第１の遮断弁
Ｖ１ｂ，Ｖ２ｂ…第２の遮断弁
Ｖ１ｃ，Ｖ２ｃ…第３の遮断弁
Ｖ１ｄ，Ｖ２ｄ…第４の遮断弁
【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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