JP2001025629A - ガス分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】システムを停止した際にガス分離膜内の残存ガ
スを短時間でパージできるガス分離装置を提供する。 【解決手段】ケーシング２６，２８の内部が、被分離ガ
スが導入され、特定のガスを選択的に分離可能な中空糸
状ガス分離膜１４の開放された両端部１４ａ，１４ｂの
それぞれを支持する第１および第２のフランジ１８，１
６とケーシング２６の内壁により画定される第１室２１
と、第１のフランジ１６と、ケーシング２６の内壁によ
り画定され、分離された特定のガスが排出される第２室
２２と、第２のフランジ１８とケーシング２６の内壁に
より画定され、パージガスが導入される第３室２３とか
ら構成され、中空糸状ガス分離膜の開放された両端部１
４ａ，１４ｂの各々を、第２室２２および第３室２３に
臨ませて、各室は、他の室とは気密状態に保たれてい
る。

Description

【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】（１）上記目的を達成す
るために、請求項１記載のガス分離装置は、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請求項１記載のガス
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、請求項１記載のガス分離装置に
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。

【００１３】（２）請求項１記載の発明では特に限定さ
れないが、請求項２記載のガス分離装置のように、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
ことが好ましい。

【００１４】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、こ
の請求項２記載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。

【００１５】（３）請求項２記載の発明では特に限定さ
れないが、請求項３記載のガス分離装置のように、前記
第１のフランジを前記第１室方向、換言すれば水素ガス
分離膜の収縮方向に付勢する付勢手段をさらに有するこ
とが好ましい。

【００１６】請求項２記載の発明のように第１のフラン
ジをケーシングに対して移動可能に設けると、第１室に
導入された被分離ガスの圧力が当該第１のフランジに作
用し、これにより中空糸状ガス分離膜が引き伸ばされる
ことになる。特に、ガス分離膜の透過量は第１室と第２
室との差圧に依存することから、第１室へ高圧の被分離
ガスを導入すれば多量の特定ガスを得ることができる。

【００１７】しかしながら、この請求項３記載の分離装
置では、前記移動可能な第１のフランジを第１室方向、
つまりガス分離膜の収縮方向に付勢する付勢手段を有す
るので、高圧の被分離ガスが第１室に導入されても、付
勢手段によりフランジに作用する被分離ガス圧を軽減す
ることができ、中空糸状ガス分離膜の破損を防止するこ
とが一層容易となる。

【００１８】前記付勢手段としては、特に限定されない
が、例えば、請求項４記載のように、前記ガス分離膜を
透過しなかった残ガスを用いても、または、請求項５記
載のように、弾性部材を用いてもよい。弾性部材として
は、特に限定されないが、たとえばコイルスプリング、
板バネなどを挙げることができる。

【００１９】請求項４記載のガス分離装置では、中空糸
状ガス分離膜を透過しなかった残ガスは、空圧系を介し
て第２室に導入され、前記第１のフランジに背圧として
作用する。すなわち、移動可能な第１のフランジを中空
糸状ガス分離膜の収縮方向に付勢する。これにより、第
１室に高圧の被分離ガスが導入されても、第１のフラン
ジに作用する被分離ガス圧を相殺または軽減することが
でき、中空糸状ガス分離膜の伸張による破損を防止する
ことができる。

【００２０】特に、残ガスの第２室への導入圧力を適宜
調整すれば、第１のフランジに作用する被分離ガス圧と
背圧とを相殺させることができ、しかも、請求項４記載
の発明では、熱膨張の影響で中空糸状ガス分離膜が伸張
しても、移動可能な第１のフランジの位置はガス分離膜
の軸方向に沿って変化するものの、第１のフランジに作
用する被分離ガス圧と背圧との関係は変化しないので、
システム起動時から、作動時、パージ時、停止時まで中
空糸状ガス分離膜に作用する力を０にすることができ
る。

【００２１】これに対し、請求項５記載の発明のよう
に、前記付勢手段として弾性部材を用いることにより、
ガス分離装置全体のコスト低減に有効である。

【００２２】ただし、付勢手段として弾性部材を用いる
と、システム起動時から、作動時、パージ時、停止時ま
での総てについて中空糸状ガス分離膜に作用する力を０
にすることは困難であるため、たとえば請求項６記載の
発明のように、最も荷重がかかるシステム作動時を基準
として、この時に被分離ガスの圧力が移動可能な第１の
フランジに作用する荷重のたとえば半分を相殺するよう
に、その付勢力を調整することが望ましい。これによ
り、システム停止時の中空糸状ガス分離膜に作用する弾
性部材による圧縮荷重を半減させることができ、同時に
システム作動時の中空糸状ガス分離膜に作用する引っ張
り荷重を半減させることができる。

【００２３】（４）請求項２〜６記載の発明では特に限
定されないが、請求項７記載の発明のように、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がより好
ましい。

【００２４】中空糸状ガス分離膜の熱膨張を許容して破
損を防止するために、第１のフランジを可動に構成する
と、第１室と第２室とを気密に絶縁するためのシール部
材が各種ガスの熱によって劣化するおそれがあるが、請
求項７記載の発明では、このシール部材を冷却する手段
が設けられているので、シール部材の熱劣化を防止で
き、シール部材を延命させることができる。

【００２５】（５）上記請求項１〜７の何れかに記載の
ガス分離装置は、特に限定はされないが、車両用燃料電
池システムに適用することが好ましい。

【００２６】請求項１〜７の何れかに記載のガス分離装
置を、改質ガスから水素ガスを分離するための水素ガス
分離装置として車両用燃料電池システムに適用すれば、
燃料電池システムの停止時に、速やかな水素パージを行
うことができ、車両駆動用電源として最適なものとな
る。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、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。

【００２８】請求項２記載の発明によれば、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。

【００２９】請求項３記載の発明によれば、被分離ガス
によってガス分離膜に引っ張り荷重が作用しても、これ
を相殺または軽減することができ、中空糸状ガス分離膜
の破損を防止することができる。

【００３０】請求項４記載の発明によれば、残ガスの導
入圧力を調整することにより、移動可能なフランジに作
用する被分離ガス圧と背圧とを相殺させることができ
る。したがって、燃料電池システムの起動時から、作動
時、パージ時、停止時まで、中空糸状ガス分離膜に作用
する荷重を０にすることができる。

【００３１】請求項５および６記載の発明によれば、ガ
ス分離装置全体のコスト低減が図れ、特に請求項６記載
の発明によれば、システム停止時および作動時の両方に
おいて中空糸状ガス分離膜に作用する圧縮および引っ張
り荷重を半減させることができる。

【００３２】請求項７記載の発明によれば、シール部材
の熱劣化を防止でき、シール部材を延命させることがで
きる。

【００３３】請求項８記載の発明によれば、システム停
止時に速やかな水素パージを行うことができ、車両駆動
用電源に好適に用いることができる。

【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：ＣＨ_３ ＯＨ →ＣＯ ＋２Ｈ_２ −９０．０（kJ/mol） 変成反応：ＣＯ ＋Ｈ_２ Ｏ→ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２ ＋４０．５（kJ/mol） 全体反応：ＣＨ_３ ＯＨ＋Ｈ_２ Ｏ→ＣＯ_２ ＋３Ｈ_２ −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：ＣＨ_３ ＯＨ＋１／２Ｏ_２ →２Ｈ_２ ＋ＣＯ_２ ＋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８
ａ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１１
４，１１５，１１６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１
４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３
８，４０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１
０３，１０４，１０５，１０８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１
４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８
ａ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５
２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／
ｃｍ^２ であるとき、改質ガスの導入圧力をたとえば１
０ｋｇ／ｃｍ^２ 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／ｍ
ｍ^２ 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／ｍｍ^２ 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１
８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３８，４
０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１１
８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３
６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１
０１，１０２，１０４，１０６，１０７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１１４，１１５，１１
６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１
８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１
８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３８，４
０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／ｃ
ｍ^２ ）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１
４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１
０ｋｇ／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／ｃ
ｍ^２ 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／ｃｍ^２ 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）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA02 JA22A JA23A JA25A JA62A MA01 MA31 MB04 MB16 MC02 MC03 PB66 PC80 4G040 EA02 EA06 EB33 FA04 FB04 FC01 FE01 5H027 BA01 BA16

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【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ていることを
   特徴とするガス分離装置。
2. 【請求項２】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請求項１記載のガス
   分離装置。
3. 【請求項３】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２記
   載のガス分離装置。
4. 【請求項４】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
   ３記載のガス分離装置。
5. 【請求項５】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３記載のガス分離装置。
6. 【請求項６】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５記載のガス分離装置。
7. 【請求項７】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２〜６の何れかに記載
   のガス分離装置。
8. 【請求項８】請求項１〜７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。