(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに導入された被分離ガスから特定のガスを分離して排出するガス分離装置であって、
前記ケーシングの内部が、
前記被分離ガスが導入され、被分離ガスから前記特定のガスを選択的に分離可能な中空糸状ガス分離膜の開放された両端部のそれぞれを支持する第１および第２のフランジと前記ケーシングの内壁により画定される第１室と、
前記第１のフランジと前記ケーシングの内壁により画定され、前記分離された特定のガスが排出される第２室と、
前記第２のフランジと前記ケーシングの内壁により画定され、パージガスが導入される第３室とから構成されており、
前記中空糸状ガス分離膜の開放された両端部の各々を、前記第２室および第３室に臨ませるとともに、
前記各室は、他の室とは気密状態に保たれ、
前記第１のフランジが、前記中空糸状ガス分離膜の軸方向に沿って前記ケーシングに対し移動可能に設けられていることを特徴とするガス分離装置。
【請求項２】
前記第１のフランジを前記第１室方向に付勢する手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載のガス分離装置。
【請求項３】
前記付勢手段は、前記第１室から排出される残ガスを前記第１のフランジに対する背圧として前記第２室に導入する空圧系であることを特徴とする請求項２記載のガス分離装置。
【請求項４】
前記付勢手段は、弾性部材であることを特徴とする請求項２記載のガス分離装置。
【請求項５】
前記弾性部材は、前記被分離ガスの導入圧の略半分の圧力を前記第１のフランジに付勢することを特徴とする請求項４記載のガス分離装置。
【請求項６】
前記第１のフランジに、前記第１室と前記第２室とを気密に絶縁するシール部材が設けられ、前記ケーシングに、前記シール部材を冷却する手段が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のガス分離装置。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載のガス分離装置を備えたことを特徴とする自動車用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム等に用いられる水素ガス分離装置その他のガス分離装置に関し、特に、ガス分離装置内に残留する分離ガスを速やかにパージすることができるガス分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解質層を挟んで配置された陰極側に水素リッチガスを供給し、陽極側に空気などの酸素含有ガスを供給することにより、両電極で起きる電気化学反応を利用して起電力を得る燃料電池が、車両用駆動電源として検討されている。
【０００３】
陰極側に供給される水素リッチガスは、炭化水素の水蒸気改質により生成することができるが、改質反応により生成された改質ガスには、水素および二酸化炭素の他に、微量の未改質燃料ガスや一酸化炭素などの不純物が含まれている。このような未改質燃料ガスや一酸化炭素などの不純物を含んだガスをそのまま燃料電池へ供給すると、燃料電池の電極触媒として常用されている白金が被毒し、触媒活性が失われて電池性能が低下するといった問題がある。
【０００４】
そこで、生成された改質ガスを水素ガス分離膜に通すことで不純物を除去することが行われている。こうした水素ガス分離装置を燃料電池システムに設けることにより、電池性能の低下が防止されるとともに、改質ガス中の水素がより高純度化されるので、発電効率も向上する。
【０００５】
従来の水素ガス分離装置としては、複数の中空糸状分離膜をケーシングに収納したものが知られている（たとえば特開平６−１９１８０２号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の水素ガス分離装置は、燃料電池システムを停止したときのパージ操作に問題がある。
すなわち、従来の水素ガス分離装置では、中空糸状の水素ガス分離膜の一端が閉塞されていたため、水素ガス分離膜内の残存水素ガスをパージガスで押し出して置換するときも、当該パージガスを分離膜に透過させる必要があり、パージ操作が完了するまでに長時間を要するといった問題があった。
【０００７】
特に燃料電池システムを車両用駆動電源として用いる場合には、停車時などのように燃料電池システムを停止したときに当該システム内の配管系を不活性なパージガスで置換することが必要とされ、プラント用燃料電池システムに比べるとシステムの停止機会も著しく多い。このため、従来の水素ガス分離装置は、車両駆動用電源としての燃料電池システムには不向きであった。
【０００８】
本発明の目的は、こうした従来技術の問題点を解決し、システムを停止した際にガス分離膜内に残存するガスを短時間でパージすることができるガス分離装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のガス分離装置は、ケーシングに導入された被分離ガスから特定のガスを分離して排出するガス分離装置であって、前記ケーシングの内部が、前記被分離ガスが導入され、前記被分離ガスから前記特定のガスを選択的に分離可能な中空糸状ガス分離膜の開放された両端部のそれぞれを支持する第１および第２のフランジと前記ケーシングの内壁により画定される第１室と、前記第１のフランジと前記ケーシングの内壁により画定され、前記分離された特定のガスが排出される第２室と、前記第２のフランジと前記ケーシングの内壁により画定され、パージガスが導入される第３室とから構成されており、前記中空糸状ガス分離膜の開放された両端部の各々を、前記第２室および第３室に臨ませるとともに、前記各室は、他の室とは気密状態に保たれ、前記第１のフランジが、前記中空糸状ガス分離膜の軸方向に沿って前記ケーシングに対し移動可能に設けられていることを特徴とする。
【００１０】
前記第１および第２のフランジは、前記中空糸状ガス分離膜の両端部を実質的に支持していればよい。したがって、前記中空糸状ガス分離膜の長手方向端面が、第２室や第３室側に突出した状態で支持してあってもよい。
【００１１】
このように構成された本発明のガス分離装置では、システムが停止するなどしてパージ操作が必要となったときは、中空糸状ガス分離膜の第３室側開放端部から第２室側開放端部へパージガスを流す。これにより、パージガスは、ガス分離膜を透過することなく、当該ガス分離膜の内部を第３室側から第２室側へそのまま流れるので、ガス分離膜の内部の残存ガスが第２室へ瞬時に排出される。
【００１２】
すなわち、本発明のガス分離装置によれば、中空糸状ガス分離膜の両端部が開放された状態でフランジにそれぞれ支持されているので、パージ操作に長時間を要していた従来の水素ガス分離装置に比べ、ガス分離膜内に残存する特定ガスを短時間で完全にパージすることができる。
また、高温の被分離ガスが第１室に導入されると中空糸状ガス分離膜自体が熱膨張することもあるが、本発明のガス分離装置では、中空糸状ガス分離膜が軸方向に膨張しても、その分だけ第１のフランジがガス分離膜の軸方向に沿って移動するので、この膨張によりガス分離膜に作用する応力を吸収することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の発明によれば、パージ操作に長時間を要していた従来のガス分離装置と比較して、中空糸状ガス分離膜の内部に残存するガスを短時間で完全にパージすることができる。
また、外部からの熱影響によって中空糸状ガス分離膜が熱膨張しても、移動可能なフランジによってその影響を吸収することができ、中空糸状ガス分離膜の破損を防止することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。
なお、本実施形態では、ガス分離装置として、燃料電池システムに用いて最適な水素ガス分離装置を例示して説明する。
【００３５】
第１実施形態
まず、本実施形態に係る水素ガス分離装置が適用される燃料電池システムの概要を説明する。図１は本発明の好適な一実施例である燃料電池システムの構成を例示するブロック図である。
【００３６】
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム２は、たとえば電気自動車などの車両に駆動用電源として用いられるものであり、改質原料の改質反応により改質ガスを生成する改質器４と、改質ガス中の一酸化炭素などの不純物を分離除去する水素ガス分離装置６と、電気化学反応により起電力を得る燃料電池８と、排水素燃焼器１０とを有する。
【００３７】
改質器４は、たとえばメタノールガス（改質原料）と水蒸気と空気（酸素含有ガス）とを混合して、メタノールの水蒸気改質反応と酸化反応とにより改質ガスを生成することができるようになっている。
【００３８】
メタノールの水蒸気改質反応は、メタノールガスおよび水蒸気の供給を受けて、下記式に示すメタノールの分解反応と一酸化炭素の変成反応とを同時進行させて水素と二酸化炭素を含有する改質ガスを生成させる。
【００３９】
【化１】
分解反応：ＣＨ３  ＯＨ        →ＣＯ  ＋２Ｈ２  −９０．０（kJ/mol）
変成反応：ＣＯ      ＋Ｈ２  Ｏ→ＣＯ２  ＋  Ｈ２  ＋４０．５（kJ/mol）
全体反応：ＣＨ３  ＯＨ＋Ｈ２  Ｏ→ＣＯ２  ＋３Ｈ２  −４９．５（kJ/mol）
一方、メタノールの酸化反応は、メタノールおよび空気の供給を受けて下記式に示す酸化反応により水素と二酸化炭素を含有する改質ガスを生成させる。
【００４０】
【化２】
酸化反応：ＣＨ３  ＯＨ＋１／２Ｏ２  →２Ｈ２  ＋ＣＯ２  ＋１８９．５（kJ/mol）
本実施形態では、水蒸気反応（吸熱反応）で必要とされる熱量を、酸化反応（発熱反応）により生じた熱量で賄うことで、別途の加熱器を省略あるいは小能力化できる、いわゆるオートサーマル型を採用してあるが、本発明のガス分離装置および車両用燃料電池システムでは、改質器の形式には何ら限定されない。
【００４１】
水素ガス分離装置６は、改質ガス中の一酸化炭素などの不純物の含有量を低減させる装置であり、配管１１０，１１１を介して改質器４からの改質ガスが供給される。改質ガス中の不純物含有量を低減させて後述する燃料電池８に供給することにより、燃料電池８の電極触媒として通常使用されている白金の被毒が防止され、ひいては発電効率の低下を防止することができる。また、改質ガス中の水素ガスの純度がより高まるので、燃料電池８の発電効率が一層向上する。水素ガス分離装置６の詳細な構成については後述する。
【００４２】
燃料電池８は、たとえば固体高分子電解質型の燃料電池であり、図示省略するが、構成単位である単セルをセパレータを介して複数組積層して構成されるスタック構造を有する。単セルは、電解質膜を挟んで一対の電極が設けられており、その陽極側には図示省略してあるコンプレッサからの圧縮空気が供給され、陰極８ａ側には配管１１２，１１３を介して水素ガス分離装置６からの一酸化炭素などの不純物が分離除去された高純度の水素を含有する改質ガスが供給される。なお、少なくとも陰極表面には、たとえば白金または白金と他の金属からなる合金を含む触媒層が形成される。
【００４３】
排水素燃焼器１０は、主として、配管１１４，１１５，１１６を介して水素ガス分離装置６から供給される残ガス中の可燃ガスを燃焼処理させるための装置である。
【００４４】
次に、本実施形態に係る水素ガス分離装置の構成を説明する。図２は本発明に係る水素ガス分離装置の一実施例を示す部分断面図である。
【００４５】
図２に示すように、本実施形態に係る水素ガス分離装置６は、水素ガス分離膜ユニット１２を有し、この水素ガス分離膜ユニット１２は、水素ガス分離膜１４と、第２フランジ１６と、第１フランジ１８とを有する。
【００４６】
水素ガス分離膜１４の一端１４ａは、第２フランジ１６に形成してある前記水素ガス分離膜１４の外径より僅かに大きい直径を有する貫通孔１６２を介して、前記水素ガス分離膜１４の内部が第２フランジ１６の第３空間２３と連通可能となるように支持されている。また、その他端１４ｂも、前記第２フランジ１６における場合と同様、第１フランジ１８に形成してある前記水素ガス分離膜１４の外径より僅かに大きい直径を有する貫通孔１８２を介して、前記水素ガス分離膜１４の内部が第１フランジ１８の第２空間２２と連通可能となるように支持されている。すなわち、水素ガス分離膜１４は、この水素ガス分離膜１４の内部を通じて第２空間２２および第３空間２３が相互に連通可能となるように、第２フランジ１６および第１フランジ１８に支持されている。なお、２つのフランジ１６，１８にて仕切られた中央の空間が第１空間２１となる。
【００４７】
水素ガス分離膜１４は、その外部から内部へ水素が選択的に透過可能であり、たとえばセラミックスや焼結金属などから構成された多孔質母材上に、たとえばパラジウムなどの分離膜を薄く形成した中空糸状のものが、コストおよび水素透過量の観点から好適に用いられる。その厚みは、特に限定されないが、機械的強度を確保する観点からは、通常、０．２ｍｍ程度である。
【００４８】
第２フランジ１６は、容器本体を構成する第１ケーシング２４、第２ケーシング２６および第３ケーシング２８のそれぞれに固定されている。
【００４９】
第１フランジ１８は、Ｏリング３０を介して第１ケーシング２４に保持されており、これにより、第１フランジ１８は、水素ガス分離膜１４の軸方向（図２中のＸ方向）に沿って移動可能となっている。移動距離は、水素ガス分離膜１４の長さＬや、第１ケーシング２４と水素ガス分離膜１４との温度差△Ｔに依存し、これに応じて適宜選択可能である。たとえば、水素ガス分離膜１４の長さＬが２００ｍｍ程度であり、第１ケーシング２４と水素ガス分離膜１４との温度差△Ｔが１００°Ｃ程度である場合には、材質にもよるが、第１フランジ１８が可動すべき距離は１ｍｍ以下である。
【００５０】
第１フランジ１８が保持されている第１ケーシング２４の周辺には、ヒートシンク３２が設けられている。ヒートシンク３２の内部空間３４には、図示省略してある開口部が形成してあり、この開口部からヒートシンク３２内に冷却空気を流すことでＯリング３０周辺の温度を下げることができるようになっている。これにより、第１ケーシング２４に導入された高温の改質ガスによるＯリング３０の昇温が抑制され、当該Ｏリング３０の熱劣化を防止することができ、ひいてはＯリング３０のシール性を確保することができる。
【００５１】
第１フランジ１８の外側には、バランスピストン３６が接しており、このバランスピストン３６の外側には、溶接ベローズ３８，４０を介して、ベース部材４２および第３ケーシング２８が接続されている。ベース部材４２および第３ケーシング２８は、溶接などの方法で互いに固定される。
【００５２】
バランスピストン３６、溶接ベローズ３８，４０およびベース部材４２で囲まれる第４空間４４には、配管１１８およびベース部材４２と第３ケーシング２８とに形成された連通孔４６を通じて、水素ガス分離膜１４を透過できなかった残ガスの一部が、を通じて導入されるようになっている（残ガス導入路）。これにより、バランスピストン３６が、第１フランジ１８を水素ガス分離膜１４の収縮方向Ｘ１に付勢する。
【００５３】
第１ケーシング２４には、改質器４により生成された改質ガスを内部に導入可能なガス導入口５０と、内部に導入されたが、水素ガス分離膜１４を透過できなかった残ガスを系外に排出するガス排出口５２が形成されている。なお、第１ケーシング２４の外周は、断熱材５４，５６で包囲されている。
【００５４】
次いで、水素ガス分離装置６の作用を説明する。
まず、改質器４内で改質原料の改質反応を開始させ、少なくとも改質ガスが発生する時点では、バルブ１０３，１０４，１０５，１０８を開き、バルブ１０１，１０２，１０６，１０７を閉じる。この状態で、改質反応により発生した改質ガス（一酸化炭素などの不純物を含む）は、配管１１０，１１１を通り、ガス導入口５０から第１ケーシング２４の第１空間２１に導入され、燃料電池８の陰極８ａ側へ供給される水素圧力（以下、作動圧ともいう。）との差圧により、水素のみが水素ガス分離膜１４を透過する。ここで、第１空間２１に導入される改質ガスは高温であるため、水素ガス分離膜１４自体が熱膨張するが、本実施形態では、第１フランジ１８を、第１ケーシング２４に固定せず、Ｏリング３０を介して第１ケーシング２４に保持させて水素ガス分離膜１４の軸方向に沿って移動可能としてあるので、水素ガス分離膜１４自体の熱膨張の影響が吸収される。
【００５５】
そして、水素ガス分離膜１４を透過した水素は、配管１１２，１１３を通り、燃料電池８の陰極８ａ側へ供給されて発電に供される。
【００５６】
これに対して、メタノールガスや一酸化炭素などの不純物ガスは、水素ガス分離膜１４を透過することはできず、残ガスとしてその大部分がガス排出口５２から、配管１１４，１１５，１１６を通り排水素燃焼器１０に導入され、残ガス中の可燃ガスは燃焼されて配管１１７より排気され、あるいは後述するパージガスとして使用に供される。
【００５７】
ここで、水素ガス分離膜４による水素ガス透過量は、改質ガス圧と作動圧との差圧に依存するので、分離効率を高めるためには改質ガスの導入圧力を可能な限り高く設定することが好ましい。ただし、本実施形態では第１フランジ１８が可動とされているので、導入された改質ガスが高圧すぎると第１フランジ１８を介して水素ガス分離膜４に過大な引っ張り荷重が作用し、破損するおそれがある。
【００５８】
たとえば、燃料電池８の作動圧が２ｋｇ／ｃｍ２  であるとき、改質ガスの導入圧力をたとえば１０ｋｇ／ｃｍ２  に設定し、さらにガス分離装置６の第１フランジ１８の面積Ａに対する水素ガス分離膜１４の断面積の総和をＢとし、Ｂ／Ａをたとえば１８％、第１フランジ１８の径をφ７０ｍｍとすると、水素ガス分離膜１４に作用する引っ張り力は２５０ｋｇｆ程度となる。
【００５９】
また、本実施形態の水素ガス分離膜１４の厚みは、製造コストおよび水素ガス透過量の観点から、たとえば０．２ｍｍ程度とすることが妥当である。この仕様において、第１ケーシング２４内の圧力だけを考慮すれば、水素ガス分離膜１４にかかる応力は１ｋｇ／ｍｍ２  程度と少ないが、各水素ガス分離膜１４間にも温度分布があり、各水素ガス分離膜１４毎に異なった熱膨張差を生じるので、実際に水素ガス分離膜４に作用する応力は数ｋｇ／ｍｍ２  程度と大きく、何ら対策を行わないと水素ガス分離膜１４が破損する可能性がある。
【００６０】
そこで、本実施形態では、第１フランジ１８の外側にバランスピストン３６が接するように構成し、バランスピストン３６および溶接ベローズ３８，４０およびベース部材４２で囲まれる第４空間４４に、ガス排出口５２から排出される残ガスの一部を、配管１１８を介して、連通孔４６から導入させて、前記バランスピストン３６を第１フランジ１８側に付勢させる。
【００６１】
これにより、改質ガスから直接受圧する力と水素ガス分離膜４の熱膨張による力との合計が、移動可能な第１フランジ１８に作用するバランスピストン３６の付勢力と釣り合い、これにより水素ガス分離膜１４に作用する力が相殺される。ちなみに、移動可能な第１フランジ１８の両面に作用する力をバランスさせるためには、第１フランジ１８の面積をＡ、水素ガス分離膜４の断面積の総和をＢ、バランスピストン３６の第４空間４４側の受圧面積をＣとしたときに、Ａ−Ｂ＝Ｃの関係が成立するように寸法関係を決定すればよい。
【００６２】
次に、改質器４による改質反応を停止し、水素ガス分離装置６内をパージする時点では、バルブ１０１，１０２，１０４，１０６，１０７を開き、バルブ１０３，１０５，１０８を閉じる。この状態で、排水素燃焼器１０の排気ガスの一部は、パージガスとして配管１１９を通って、第２ケーシング２６の第３空間２３に導入され、水素ガス分離装置６内のパージが開始される。ここで、水素ガス分離膜１４はその両端が開放された状態で第２フランジ１６および第１フランジ１８にそれぞれ支持されているので、第２ケーシング２６内部の第３空間２３側からパージガスを流すと、水素ガス分離膜１４の内部に残存する高純度の水素が瞬間的に第３ケーシング２８内部の第２空間２２側へ排出される。こうしたパージガスは、配管１１２，１２０，１１６を通って排水素燃焼器１０へ戻される。
【００６３】
また、排水素燃焼器１０の排気ガスの残りは、同じくパージガスとして配管１１９から分岐して配管１２１，１１１を通り、ガス導入口５０から第１ケーシング２４の第１空間２１に導入され、水素ガス分離ユニット１２の外側に残存する残ガスのパージを瞬間的に行って、ガス排出口５２から配管１１４，１１５，１１６を通り、排水素燃焼器１０へ戻される。なお、パージガスの一部は、配管１１８を通って連通孔４６よりバランスピストン３６にも供給されてもよい。
【００６４】
このような本実施形態に係る水素ガス分離装置６によれば、水素ガス分離膜１４を、その両端が開放された状態で第２フランジ１６および第１フランジ１８に支持することとしてあるので、第２ケーシング２６内部の第３空間２３側からパージガスを流すことにより、水素ガス分離膜１４の内部に残存する水素を瞬間的に第３ケーシング２８内部の第２空間２２側へ排出することができる。また、第１空間２１に残存する残ガスは、導入される改質ガスをパージガスに切り替えてガス導入口５０から導入することにより、瞬間的にパージすることができる。すなわち、装置内の水素を除去しきるまでに長時間を要していた従来の水素ガス分離装置と比較して、本実施形態では、水素ガス分離膜周りの水素を瞬間的にパージすることができるので、システムを速やかに停止させることができ、ひいては電気自動車などの駆動電源としての燃料電池システムに好適に用いることができる。
【００６５】
また、本実施形態では、第１フランジ１８をＯリング３０を介して第１ケーシング２４に保持させることにより、水素ガス分離膜１４の軸方向に沿って移動可能としてあるので、改質ガス中の水素が、水素ガス分離膜１４を透過した際に発生する水素ガス分離膜１４自体の熱膨張の影響を吸収することができる。
【００６６】
さらに、本実施形態では、第１フランジ１８の外側にバランスピストン３６が接するように構成し、バランスピストン３６および溶接ベローズ３８，４０およびベース部材４２で囲まれる第４空間４４に、ガス排出口５２から排出される残ガスの一部を連通孔４６から導入させて、第１フランジ１８の両面にかかる力を相殺できる構造としてあるので、システム起動時から、作動時、パージ時、停止時まで水素ガス分離膜１４にかかる力をなくすことができる。また、第１フランジ１８の両面へかかる力が相殺されるため、熱膨張の影響で水素ガス分離膜１４が伸びても、第１フランジ１８の位置は水素ガス分離膜の軸方向に沿って変化するものの、水素ガス分離膜１４自体には荷重がかからず、したがって、水素ガス分離膜１４自体が破損するおそれは少ない。
【００６７】
第２実施形態
図３は本実施形態に係る水素ガス分離装置の他の実施例を示す部分断面図である。
上述した第１実施形態では、図２に示すように、水素ガス分離膜１４を透過しなかった残ガスの一部を利用してバランスピストン３６を第１フランジ１８側に付勢させることとしたが、本実施形態では、図３に示すように、弾性部材の一例であるコイルスプリング６０を所定の付勢力で第１フランジ１８側に付勢させる点が異なっている。なお、図３において、図２に示した要素と基本的に同一の作用効果を奏する要素は、同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００６８】
本実施形態に係る水素ガス分離装置６ａも、第１実施形態と同様、システム作動時には、ガス導入口５０から導入された改質ガス圧が第１フランジ１８に２５０ｋｇ程度の荷重をかける。したがって、システム作動時には、第１フランジ１８に対して水素ガス分離膜１４が縮む方向に２５０ｋｇ程度の付勢力をかけておけばこれらの荷重は相殺される。
【００６９】
しかしながら、システム作動時を基準にして、第１フランジ１８の両面にかかる荷重を相殺できるように付勢力を調整したコイルスプリング６０を用いた場合、システム停止時（改質ガス圧＝０ｋｇ／ｃｍ２  ）には、第１フランジ１８が２５０ｋｇ程度の力で水素ガス分離膜１４の縮む方向へ付勢されることとなり、水素ガス分離膜１４に圧縮応力がかかり、水素ガス分離膜１４が破損する場合も想定される。
【００７０】
そこで、本実施形態では、コイルスプリング６０の付勢力を、システム作動時に改質ガスの圧力が第１フランジ１８にかける荷重の略半分を相殺できるように調整することとしてある。
【００７１】
たとえば、熱膨張による水素ガス分離膜１４の伸び量は、第１実施形態と同様なので、１ｍｍ以下である。ここで、コイルスプリング６０のばね定数を１０ｋｇ／ｍｍに調整した場合、コイルスプリング６０は、セット時に１２．５ｍｍ圧縮されて１２５ｋｇの力で第１フランジ１８を水素ガス分離膜１４が縮む方向に付勢する。作動時には、改質ガス圧が加わってくるので、反対方向（水素ガス分離膜１４が伸びる方向）へ第１フランジ１８が押し戻され、水素ガス分離膜１４は引っ張られることになる。この力は、作動圧を０ｋｇ／ｃｍ２  と仮定した場合、１２５ｋｇである。
【００７２】
システム作動時には、水素ガス分離膜１４が熱膨張で伸び、１ｍｍ以下ではあるが、コイルスプリング６０をよりたわめて、水素ガス分離膜１４を引っ張る外側への荷重を増やす。しかしながら、これによる荷重増は１０ｋｇ以下と想定されるので、水素ガス分離膜１４の耐久性に関してさほど影響はないと考えられる。なお、バネ定数をより小さくすれば、この影響はほとんど無視できるようになる。
【００７３】
本実施形態に係る水素ガス分離装置によれば、付勢手段として弾性部材としてのコイルスプリング６０を用い、その付勢力をシステム作動時に改質ガスの圧力が第１フランジ１８にかける荷重の略半分を相殺できるように調整してあるので、システム停止時に水素ガス分離膜１４にかかる圧縮荷重を半減させることができる。第１実施形態のように、水素ガス分離膜１４にかかる荷重を略完全に相殺させることはできないが、安価なコイルスプリング６０を用いることとしているため、コスト的に有利であると考えられる。
【００７４】
また、コイルスプリング６０の付勢力をシステム作動時に改質ガスの圧力が第１フランジ１８にかける荷重の略半分を相殺できるように調整してあるので、水素ガス分離膜１４にかかる応力を、第１実施形態の半分、すなわち０．５ｋｇ／ｃｍ２  程度にすることができる。したがって、水素ガス分離膜１４の母材として多孔質の焼結金属を使用するのであれば、十分に実用化可能である。
【００７５】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００７６】
たとえば、既述の実施形態では、パージガスとして排水素燃焼器１０から排気される排ガスを使用することとしてあるが、パージが瞬時に終了することから、パージガスとして窒素を用いて車載ボンベから供給することとしてもよい。
【００７７】
また、システム起動時に、上述のパージ時と同様に、排水素燃焼器１０の排気ガスを水素ガス分離装置６，６ａに導入することとしてもよい。こうすることで、水素ガス分離装置６，６ａ内の水素分離膜ユニット４を急速加熱することができ、素早いシステムの起動を可能することができる。さらに、水素ガス分離装置６，６ａは、改質器４中に組み込んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明のガス分離装置の実施形態を示す部分断面図である。
【図３】本発明のガス分離装置の他の実施形態を示す部分断面図である。
【符号の説明】
２…  燃料電池システム
４…  改質器
６，６ａ…水素ガス分離装置（ガス分離装置）
８…  燃料電池
１０…  排水素燃焼器
１２…  水素ガス分離膜ユニット
１４…  水素ガス分離膜（中空糸状ガス分離膜）
１６…  第２フランジ（第２のフランジ）
１８…  第１フランジ（第１のフランジ）
１６２，１８２…  貫通孔
２１…  第１空間（第１室）
２２…  第２空間（第２室）
２３…  第３空間（第３室）
２４…  第１ケーシング（ケーシング）
２６…  第２ケーシング（ケーシング）
２８…  第３ケーシング（ケーシング）
３０…  Ｏリング（シール部材）
３６…  バランスピストン（空圧系）
３８，４０…  溶接ベローズ（空圧系）
４２…  ベース部材（空圧系）
４４…  第４空間（空圧系）
４６…  連通孔（空圧系）
５０…  ガス導入口
５２…  ガス排出口
６０…  コイルスプリング（弾性部材）
１１８…  配管（空圧系）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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