JP4543907B2 - Hydrogen separation membrane device - Google Patents

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Description

本発明は水素分離膜装置に関するものであり、特にガス中の水素の分離に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen separation membrane device, and more particularly to separation of hydrogen in a gas.

従来、水素分離膜を有する細管に水素リッチガスを通し、水素リッチガスから水素分離膜によって水素を選択的に分離し、透過する水素分離膜装置が、特許文献1に開示されている。
特開平8−38863号公報
Conventionally, Patent Document 1 discloses a hydrogen separation membrane device in which hydrogen-rich gas is passed through a thin tube having a hydrogen separation membrane, hydrogen is selectively separated from the hydrogen-rich gas by a hydrogen separation membrane, and permeated.
JP-A-8-38863

しかしながら、例えば上記の発明では、流入する水素リッチガス(改質ガス)の流量とは無関係に、水素リッチガスが接触する水素透過膜面積のうち水素透過を行う面積は常に一定であるため、水素リッチガス流量が多い時に比べて水素リッチガス流量が少ない時には、透過ガス中に含まれる水素以外の不純ガスの濃度が高くなる。これは改質ガスの流れ方向下流となるに連れて、水素リッチガス中の水素濃度が低くなり不純ガス濃度が高くなり、水素分離膜を形成するパラジウムメッキ膜に存在するピンホールから不純ガスが透過するためである。   However, in the above-described invention, for example, the hydrogen permeation area of the hydrogen permeation membrane area in contact with the hydrogen rich gas is always constant irrespective of the flow rate of the inflowing hydrogen rich gas (reformed gas). When the hydrogen-rich gas flow rate is smaller than when there is a large amount of hydrogen, the concentration of impure gas other than hydrogen contained in the permeate gas becomes high. As the reformed gas flows downstream, the hydrogen concentration in the hydrogen-rich gas decreases and the impurity gas concentration increases, and the impurity gas permeates from the pinholes present in the palladium plating film that forms the hydrogen separation membrane. It is to do.

そのため、水素分離膜装置が想定する水素リッチガス流量範囲で最も水素リッチガス流量が少ない時であっても、透過ガス中に含まれる水素以外の不純ガスが許容レベル以下となるように水素分離膜の厚みを厚くする必要がある。これは、パラジウムなどの高価な水素分離膜材料を多量に必要とすることを意味しており、コストの上昇と装置の大型化を引き起こすことになるといった問題点がある。   Therefore, even when the hydrogen-rich gas flow rate is the smallest in the hydrogen-rich gas flow range assumed by the hydrogen separation membrane device, the thickness of the hydrogen separation membrane is such that the impurity gas other than hydrogen contained in the permeate gas is below the allowable level. It is necessary to thicken. This means that a large amount of expensive hydrogen separation membrane material such as palladium is required, and there is a problem that the cost is increased and the size of the apparatus is increased.

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、水素分離膜装置のコストを削減し、装置を小型にすることを目的とする。   The present invention was invented to solve such problems, and aims to reduce the cost of the hydrogen separation membrane device and to reduce the size of the device.

本発明では、複数の貫通孔を有する多孔質体と、貫通孔の内周面に形成され、貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、多孔質体へ水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、多孔質体の外側に貫通孔を流れるガスの流れ方向に沿って水素を集積する集積部と、ガスの流れ方向に対して集積部を複数に分離する分離手段と、複数に分離された集積部からの水素取り出しを、水素分離膜装置の運転状態に基づいて選択的に切り換えることにより、ガスの流れ方向の水素分離膜での水素分離を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。 In the present invention, a porous body having a plurality of through holes, a hydrogen separation membrane that is formed on the inner peripheral surface of the through holes, separates hydrogen in a gas flowing through the through holes, and permeates hydrogen into the porous body; In the hydrogen separation membrane apparatus comprising: an accumulation unit that accumulates hydrogen along the flow direction of the gas flowing through the through-holes outside the porous body; and a separation unit that separates the accumulation unit into a plurality in the gas flow direction And a control means for controlling the hydrogen separation in the hydrogen separation membrane in the gas flow direction by selectively switching the hydrogen extraction from the separated separation unit based on the operating state of the hydrogen separation membrane device; It is characterized by providing .

また、複数の貫通孔を有する多孔質体と、貫通孔の内周面に形成され、貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、多孔質体へ水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、多孔質体の外側に貫通孔を流れるガスの流れ方向に沿って設け、水素を集積する集積部と、ガスの流れ方向に対して集積部を複数に分離する分離手段と、複数に分離された集積部からの水素取り出しをそれぞれ選択的に切り換える切換手段と、ガス流量に基づいて切換手段を選択的に切り換えることにより、ガスの流れ方向の水素分離膜での水素分離を制御する制御手段と、を備える。 A porous body having a plurality of through-holes; and a hydrogen separation membrane formed on the inner peripheral surface of the through-hole, separating hydrogen in the gas flowing through the through-holes and transmitting hydrogen to the porous body. In the hydrogen separation membrane device, an accumulation part for accumulating hydrogen, which is provided outside the porous body along the flow direction of the gas flowing through the through hole, and a separation means for separating the accumulation part into a plurality in the gas flow direction And hydrogen switching at the hydrogen separation membrane in the gas flow direction by selectively switching the switching means based on the gas flow rate. and a that control means to control the.

本発明によると、改質ガスから分離された水素を集積する集積部を多孔質体の外側に設け、集積部を改質ガスの流れ方向に複数に分割する。分割された集積部にそれぞれ切換手段を設け、切換手段をガス流量に基づいて選択的に切り換える。例えば一酸化炭素濃度が高くなる集積部の切換手段を閉じることで一酸化炭素を多く透過する水素分離膜での一酸化炭素透過を抑制し、水素濃度の高い水素を例えば燃料電池に供給することができる。このため一酸化炭素を多く透過する箇所の水素分離膜を厚くする必要がなく、水素分離膜を薄くし、さらに貫通孔での改質ガスと水素分離膜との接触面積を広くすることができる。これによって水素分離膜装置のコストを削減することができ、水素分離膜装置を小型にすることができる。   According to the present invention, the accumulation part for accumulating the hydrogen separated from the reformed gas is provided outside the porous body, and the accumulation part is divided into a plurality in the flow direction of the reformed gas. A switching unit is provided for each of the divided stacking units, and the switching unit is selectively switched based on the gas flow rate. For example, by closing the switching means of the accumulation section where the carbon monoxide concentration becomes high, carbon monoxide permeation is suppressed in the hydrogen separation membrane that permeates a lot of carbon monoxide, and hydrogen with a high hydrogen concentration is supplied to, for example, a fuel cell Can do. For this reason, it is not necessary to increase the thickness of the hydrogen separation membrane where carbon monoxide permeates a lot, the thickness of the hydrogen separation membrane can be reduced, and the contact area between the reformed gas and the hydrogen separation membrane in the through holes can be increased. . As a result, the cost of the hydrogen separation membrane device can be reduced, and the hydrogen separation membrane device can be reduced in size.

本発明の第1実施形態の水素分離膜装置1の構成を図1の概略構成図を用いて説明する。図1は水素分離膜装置1の断面図である。この実施形態の水素分離膜装置1は、改質ガスから水素を分離する水素分離部20と、水素分離部20から分離した水素が集積する水素集合部21とから構成される。   The configuration of the hydrogen separation membrane device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view of the hydrogen separation membrane device 1. The hydrogen separation membrane device 1 of this embodiment includes a hydrogen separation unit 20 that separates hydrogen from a reformed gas, and a hydrogen assembly unit 21 in which hydrogen separated from the hydrogen separation unit 20 accumulates.

水素分離部20は多孔質型の多孔質体2と、多孔質体2に複数設けた貫通孔3と、貫通孔3の内周面に設けた水素分離膜4とから構成される。   The hydrogen separation unit 20 includes a porous porous body 2, a plurality of through holes 3 provided in the porous body 2, and a hydrogen separation membrane 4 provided on the inner peripheral surface of the through hole 3.

多孔質体2は円柱形状をしており、円柱形状の中心軸と平行に、すなわち多孔質体2の長手方向と平行に複数の貫通孔3を有しており、図示しない改質装置から供給された改質ガスが貫通孔3内を流れる。なお、多孔質体2は円柱形状に限られることはなく、その他の形状でも良い。   The porous body 2 has a cylindrical shape, and has a plurality of through holes 3 parallel to the central axis of the cylindrical shape, that is, parallel to the longitudinal direction of the porous body 2, and is supplied from a reformer (not shown). The reformed gas that has flowed flows through the through hole 3. The porous body 2 is not limited to a cylindrical shape, and may have other shapes.

水素分離膜4は貫通孔3の内周面に例えばパラジウムなどによって被膜されて構成する。水素分離膜4の厚さは一定の厚さとする。水素分離膜4は改質ガス中の水素を分離し、水素分離膜4によって分離された水素は水素分離膜4を透過し、多孔質体2の内へ拡散し、後述する空間10(10a、10b、10c)に集積する。   The hydrogen separation membrane 4 is formed by coating the inner peripheral surface of the through hole 3 with, for example, palladium. The thickness of the hydrogen separation membrane 4 is a constant thickness. The hydrogen separation membrane 4 separates hydrogen in the reformed gas, and the hydrogen separated by the hydrogen separation membrane 4 permeates the hydrogen separation membrane 4 and diffuses into the porous body 2 to be described later in a space 10 (10a, 10a, 10b, 10c).

水素集合部21は、多孔質体2との間に空間10を構成し多孔質体2の外側を覆うケース11と、円柱形状の中心軸方向に空間10を複数の空間に分離するシール材(分離手段、シール部材)12を備える。   The hydrogen assembly portion 21 includes a case 11 that forms a space 10 between the porous body 2 and covers the outside of the porous body 2, and a sealing material that separates the space 10 into a plurality of spaces in the central axis direction of the columnar shape. (Separating means, sealing member) 12.

ケース11の一方の端部は図示しない改質装置と連通し、改質装置から改質ガスが導入する導入部13を構成する。もう一方の端部は貫通孔3に設けた水素分離膜4によって水素を分離した残りの改質ガスが貫通孔3から排出される排出部14を構成し、排出部14は図示しないが、水素分離膜装置1から排出された改質ガスを燃焼する燃焼装置と連通する。なお、導入部13は後述する集合部10aとシール材12aによって隔離され、排出部14は後述する集合部10cとシール材12dによって隔離されている。   One end of the case 11 communicates with a reformer (not shown) and constitutes an introduction unit 13 through which reformed gas is introduced from the reformer. The other end constitutes a discharge part 14 in which the remaining reformed gas from which hydrogen has been separated by the hydrogen separation membrane 4 provided in the through hole 3 is discharged from the through hole 3, and the discharge part 14 is not shown, It communicates with a combustion device for burning the reformed gas discharged from the separation membrane device 1. The introduction part 13 is isolated by a collecting part 10a and a sealing material 12a, which will be described later, and the discharge part 14 is isolated by a collecting part 10c and a sealing material 12d, which will be described later.

この実施形態では空間10を3つの空間に分離するシール材12a、12b、12c、12dを備える。なお、シール材12は改質ガスの流れ方向の上流側よりシール材12a、12b、12c、12dとし、シール材12aとシール材12bによって画成される空間を集合部(集積部)10aとし、シール材12bとシール材12cによって画成される空間を集合部(集積部)10bとし、シール材12cとシール材12dによって画成される空間を集合部(集積部)10cとする。シール材12aは改質ガスの流れ方向の最上流に位置し、導入部13に導入された改質ガスが集合部10aに混入しないようにする。つまり集合部10aに集積された水素と改質ガスとが混じり合うことを防止する。また、シール材12dは改質ガスの流れ方向の最下流に位置し、排出部14に排出された改質ガスが集合部10cに混入しないようにする。   In this embodiment, sealing materials 12a, 12b, 12c, and 12d that separate the space 10 into three spaces are provided. The sealing material 12 is the sealing materials 12a, 12b, 12c, and 12d from the upstream side in the flow direction of the reformed gas, and the space defined by the sealing material 12a and the sealing material 12b is a collecting portion (stacking portion) 10a. A space defined by the sealing material 12b and the sealing material 12c is referred to as a collecting portion (stacking portion) 10b, and a space defined by the sealing material 12c and the sealing material 12d is referred to as a collecting portion (stacking portion) 10c. The sealing material 12a is positioned at the uppermost stream in the flow direction of the reformed gas, and prevents the reformed gas introduced into the introducing portion 13 from entering the collecting portion 10a. That is, the hydrogen and the reformed gas accumulated in the collecting portion 10a are prevented from being mixed. Further, the sealing material 12d is located on the most downstream side in the flow direction of the reformed gas so that the reformed gas discharged to the discharge portion 14 is not mixed into the collecting portion 10c.

以下においてシール材12aとシール材12bの間に位置する水素分離部20を水素分離部20a、シール材12bとシール材12cの間に位置する水素分離部20を水素分離部20b、シール材12cとシール材12dの間に位置する水素分離部20を水素分離部20cとし、その箇所に対応する多孔質体2等にも各添え字a、b、cを付して説明する。なお、水素分離部20において導入部13、または排出部14と接する面、つまり改質ガス流れ方向の最上流となる水素分離部20aの端面、または最下流となる水素分離部20cの端面に水素分離膜を形成する。   In the following, the hydrogen separation part 20 located between the sealing material 12a and the sealing material 12b is the hydrogen separation part 20a, the hydrogen separation part 20 located between the sealing material 12b and the sealing material 12c is the hydrogen separation part 20b, and the sealing material 12c. The hydrogen separation part 20 positioned between the sealing materials 12d will be referred to as a hydrogen separation part 20c, and the subscripts a, b, and c will be attached to the porous body 2 and the like corresponding to the part. It is to be noted that the surface of the hydrogen separation unit 20 in contact with the introduction unit 13 or the discharge unit 14, that is, the end surface of the hydrogen separation unit 20 a that is the most upstream in the reformed gas flow direction, or the end surface of the hydrogen separation unit 20 c that is the most downstream. A separation membrane is formed.

また、集合部10a、10b、10cには配管15a、15b、15cがそれぞれ連結し、配管15a、15b、15cはそれぞれ集積した水素を図示しない燃料電池に供給する水素供給路16に連結する。配管15a、15b、15cはそれぞれバルブ(切換手段)17a、17b、17cを備え、バルブ17a、17b、17cを開閉することで集合部10a、10b、10cから水素供給路16への水素の供給を選択的に切り換える。   Further, pipes 15a, 15b, and 15c are connected to the collecting portions 10a, 10b, and 10c, respectively, and the pipes 15a, 15b, and 15c are connected to a hydrogen supply path 16 that supplies accumulated hydrogen to a fuel cell (not shown). The pipes 15a, 15b, and 15c have valves (switching means) 17a, 17b, and 17c, respectively, and supply hydrogen to the hydrogen supply path 16 from the collecting portions 10a, 10b, and 10c by opening and closing the valves 17a, 17b, and 17c. Selectively switch.

水素供給路16には水素供給路16内の一酸化炭素濃度を検出する一酸化炭素濃度センサ(不純ガス検出手段)18を設ける。なお、一酸化炭素濃度センサ18に限られず、水素濃度センサなどを用いてもよい。また、一酸化炭素濃度以外の不純ガス濃度を検出しても良い。   The hydrogen supply path 16 is provided with a carbon monoxide concentration sensor (impure gas detection means) 18 for detecting the carbon monoxide concentration in the hydrogen supply path 16. The carbon monoxide concentration sensor 18 is not limited, and a hydrogen concentration sensor or the like may be used. Further, an impurity gas concentration other than the carbon monoxide concentration may be detected.

またバルブ17a、17b、17cの開閉動作を制御するコントローラ(制御手段)50を備える。   Further, a controller (control means) 50 for controlling the opening / closing operation of the valves 17a, 17b, 17c is provided.

以上の構成によって、バルブ17a、17b、17cの開閉制御によって集合部10a、10b、10cの圧力を制御し、水素分離膜4a、4b、4cにおける水素分離を制御することができる。   With the above configuration, it is possible to control the hydrogen separation in the hydrogen separation membranes 4a, 4b, and 4c by controlling the pressures of the collecting portions 10a, 10b, and 10c by controlling the opening and closing of the valves 17a, 17b, and 17c.

水素分離膜装置1は、改質装置から改質ガスが導入され、貫通孔3内を改質ガスが流れる。この時、貫通孔3の改質ガスの流れ方向上流から下流にかけて貫通孔3の内周面に設けた水素分離膜4によって改質ガス中の水素を分離し、分離された水素は多孔質体2を通り、空間10に蓄積される。   In the hydrogen separation membrane device 1, the reformed gas is introduced from the reformer, and the reformed gas flows through the through holes 3. At this time, hydrogen in the reformed gas is separated by the hydrogen separation membrane 4 provided on the inner peripheral surface of the through-hole 3 from upstream to downstream in the flow direction of the reformed gas in the through-hole 3, and the separated hydrogen is a porous body. 2 and accumulated in the space 10.

ここで燃料電池の運転負荷、つまり改質ガスの流量を変えた場合の改質ガス流れ方向に対する貫通孔3内における改質ガス中の水素分圧を図2を用いて説明する。ここでは燃料電池の運転負荷を高負荷、中負荷、小負荷の3つのパターンとする。貫通孔3を流れる改質ガス中の水素分圧は改質ガス中の水素が水素分離膜4によって分離され、水素分離膜4を透過して多孔質体2に拡散するので、上流から下流となるに連れて低くなる。また、燃料電池の運転負荷が小さい、つまり改質ガス流量が少なくなるに連れて水素分圧の低下は早く生じることになる。   Here, the hydrogen partial pressure in the reformed gas in the through hole 3 with respect to the reformed gas flow direction when the operating load of the fuel cell, that is, the flow rate of the reformed gas is changed will be described with reference to FIG. Here, the operation load of the fuel cell is assumed to be three patterns of high load, medium load, and small load. The hydrogen partial pressure in the reformed gas flowing through the through-hole 3 is such that the hydrogen in the reformed gas is separated by the hydrogen separation membrane 4 and permeates the hydrogen separation membrane 4 and diffuses into the porous body 2. As it gets lower. Further, as the operating load of the fuel cell is small, that is, as the reformed gas flow rate decreases, the hydrogen partial pressure decreases quickly.

次に燃料電池の運転負荷を変化させた場合の改質ガス流れ方向に対する水素分離膜4を透過する透過ガス中の水素量と水素以外の一酸化炭素量を図3を用いて説明する。ここでも燃料電池の運転負荷を高負荷、中負荷、低負荷の3つのパターンとする。燃料電池の運転負荷が小さい、つまり改質ガス流量が少なくなるに連れて水素透過膜4を透過する水素量は減少する。また、改質ガス中の水素量は改質ガスの流れ方向の上流から下流にかけて減少するが、不純ガス量は水素量とは逆に上流から下流にかけて増加する。   Next, the amount of hydrogen in the permeate gas that permeates the hydrogen separation membrane 4 and the amount of carbon monoxide other than hydrogen when the operating load of the fuel cell is changed will be described with reference to FIG. Here again, the operation load of the fuel cell is assumed to be three patterns of high load, medium load, and low load. As the operating load of the fuel cell is small, that is, as the reformed gas flow rate decreases, the amount of hydrogen that permeates the hydrogen permeable membrane 4 decreases. In addition, the amount of hydrogen in the reformed gas decreases from upstream to downstream in the flow direction of the reformed gas, but the amount of impure gas increases from upstream to downstream as opposed to the amount of hydrogen.

以上より、燃料電池の運転負荷が小さい、すなわち水素分離膜装置1を流れる改質ガス流量が少ない場合には、改質ガスの流れ方向下流側において水素分離膜4を透過する透過ガス中の水素量が少なくなり、一酸化炭素量が多くなる。つまり、改質ガス流量が少ない場合に、改質ガスの流れ方向上流に位置する水素分離部20aに比べ、改質ガスの流れ方向下流に位置する水素分離部20bまたは水素分離部20cによって改質ガスから分離する水素中には一酸化炭素が多く含まれる。そこで、この実施形態では燃料電池の運転負荷が小さい場合に、水素分離部20bまたは水素分離部20cによる水素分離を抑制し、一酸化炭素濃度の低い水素を水素分離膜装置1から供給する。   As described above, when the operation load of the fuel cell is small, that is, when the flow rate of the reformed gas flowing through the hydrogen separation membrane device 1 is small, hydrogen in the permeate gas that permeates the hydrogen separation membrane 4 on the downstream side in the flow direction of the reformed gas. The amount is reduced and the amount of carbon monoxide is increased. That is, when the reformed gas flow rate is small, the reforming is performed by the hydrogen separator 20b or the hydrogen separator 20c located downstream in the flow direction of the reformed gas compared to the hydrogen separator 20a located upstream in the flow direction of the reformed gas. The hydrogen separated from the gas contains a large amount of carbon monoxide. Therefore, in this embodiment, when the operation load of the fuel cell is small, hydrogen separation by the hydrogen separation unit 20b or the hydrogen separation unit 20c is suppressed, and hydrogen having a low carbon monoxide concentration is supplied from the hydrogen separation membrane device 1.

空間10はシール材12b、12cによって集合部10a、10b、10cに分離されており、各集合部の圧力はバルブ17a、17b、17cによって調整される。なお、集合部10a、10b、10cは多孔質体2を介しては連通するが、多孔質体2の細孔は非常に小さいためバルブ17a、17b、17cの開閉による圧力変化が支配的となる。   The space 10 is separated into collecting portions 10a, 10b and 10c by sealing materials 12b and 12c, and the pressure in each collecting portion is adjusted by valves 17a, 17b and 17c. The collecting portions 10a, 10b, and 10c communicate with each other through the porous body 2, but since the pores of the porous body 2 are very small, pressure changes due to opening and closing of the valves 17a, 17b, and 17c are dominant. .

例えばバルブ17cを閉じると、水素分離部4cから水素が分離された水素が集積し、集合部10cの水素分圧が高くなり、その結果水素分離部20cの多孔質体2c内の水素分圧も高くなる。多孔質体2c内の水素分圧が高くなると、貫通孔3cを流れる改質ガス中の水素分圧との分圧差が小さくなる、または多孔質体2cの圧力が高くなり、水素透過膜4cからの水素、または一酸化炭素の透過を抑制することができる。   For example, when the valve 17c is closed, hydrogen from which hydrogen has been separated from the hydrogen separation unit 4c accumulates, and the hydrogen partial pressure in the collecting unit 10c increases. As a result, the hydrogen partial pressure in the porous body 2c of the hydrogen separation unit 20c also increases. Get higher. When the hydrogen partial pressure in the porous body 2c increases, the partial pressure difference from the hydrogen partial pressure in the reformed gas flowing through the through hole 3c decreases, or the pressure of the porous body 2c increases, and the hydrogen permeable membrane 4c Permeation of hydrogen or carbon monoxide can be suppressed.

そのため、バルブ17a、17b、17cの全てが開いており、改質ガス流量が少ない場合には、改質ガスの流れ方向下流において透過ガス中の一酸化炭素量が多くなるので、バルブ17b、17cを閉じることで、改質ガスの流れ方向下流にあたる水素透過膜4b、4cからの透過ガス量を少なくする。これによって、燃料電池に一酸化炭素濃度の低い水素を供給することができる。   Therefore, when all of the valves 17a, 17b, and 17c are open and the reformed gas flow rate is small, the amount of carbon monoxide in the permeate gas increases downstream in the flow direction of the reformed gas. By closing, the amount of permeated gas from the hydrogen permeable membranes 4b and 4c, which is downstream in the flow direction of the reformed gas, is reduced. Thereby, hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be supplied to the fuel cell.

ここで実施形態のバルブ17a、17b、17cの開閉状態に対して燃料電池の運転負荷を変化させた場合の透過ガス中の一酸化炭素濃度の変化を図4を用いて説明する。図4はバルブ17a、17b、17cを全て開いた場合の一酸化炭素濃度(図4中、実線)、バルブ17a、17b、を開いた場合の一酸化炭素濃度(図4中、破線)、バルブ17aのみを開いた場合の一酸化炭素濃度(図4中、一点鎖線)を示す。   Here, the change of the carbon monoxide concentration in the permeated gas when the operating load of the fuel cell is changed with respect to the open / closed state of the valves 17a, 17b, and 17c of the embodiment will be described with reference to FIG. 4 shows the carbon monoxide concentration when the valves 17a, 17b and 17c are all opened (solid line in FIG. 4), the carbon monoxide concentration when the valves 17a and 17b are opened (broken line in FIG. 4), the valve The carbon monoxide concentration (indicated by a one-dot chain line in FIG. 4) when only 17a is opened is shown.

燃料電池の運転負荷が大きい場合と比較すると燃料電池の運転負荷が小さい場合には、改質ガスの流れ方向下流において水素透過膜4を透過する一酸化炭素の量が多くなるので、バルブを閉じる数を増やす、例えばバルブ17a、17b、17cの全てを開くと一酸化炭素濃度を多く含んだ水素を燃料電池に供給することになる。そこで、燃料電池に供給する水素中に含まれる一酸化炭素濃度の上限濃度(所定濃度)d1(図4中、点線)を設定し、燃料電池の負荷に応じて燃料電池に供給する水素に含まれる一酸化炭素濃度が上限濃度d1を超えないようにバルブ17a、17b、17cの開閉を制御する。なお、燃料電池の運転負荷が一番小さい負荷であり、バルブ17aのみを開いた場合の一酸化炭素濃度を上限濃度d1とする。そして、バルブ17a、17bを開いた場合の一酸化炭素濃度が上限濃度d1となる燃料電池の運転負荷α1と、バルブ17a、17b、17cを開いた場合の一酸化炭素濃度が上限濃度d1となる燃料電池の運転負荷α2を設定する。   When the operating load of the fuel cell is small compared to when the operating load of the fuel cell is large, the amount of carbon monoxide that permeates the hydrogen permeable membrane 4 increases downstream in the flow direction of the reformed gas, so the valve is closed. Increasing the number, for example, opening all of the valves 17a, 17b, and 17c, supplies hydrogen containing a large concentration of carbon monoxide to the fuel cell. Therefore, an upper limit concentration (predetermined concentration) d1 (dotted line in FIG. 4) of the carbon monoxide concentration contained in the hydrogen supplied to the fuel cell is set and included in the hydrogen supplied to the fuel cell according to the load of the fuel cell. The opening and closing of the valves 17a, 17b and 17c is controlled so that the carbon monoxide concentration does not exceed the upper limit concentration d1. Note that the carbon monoxide concentration when the operating load of the fuel cell is the smallest and only the valve 17a is opened is the upper limit concentration d1. The fuel cell operating load α1 when the valves 17a and 17b are opened reaches the upper limit concentration d1, and the carbon monoxide concentration when the valves 17a, 17b and 17c are opened becomes the upper limit concentration d1. The operating load α2 of the fuel cell is set.

次にコントローラ50によるバルブ17a、17b、17cの開閉動作について図5のフローチャートを用いて説明する。なお、この制御動作は所定時間毎に行う。   Next, the opening / closing operation of the valves 17a, 17b, 17c by the controller 50 will be described with reference to the flowchart of FIG. This control operation is performed every predetermined time.

ステップS100では、現在の燃料電池の運転負荷αを読み取り、前回の運転負荷α’と比較し、負荷が増加した場合にはステップS101へ進み、負荷が減少した場合にはステップS102へ進む。   In step S100, the current operation load α of the fuel cell is read and compared with the previous operation load α ′. If the load increases, the process proceeds to step S101, and if the load decreases, the process proceeds to step S102.

ここでステップS101の運転負荷増加制御について図6のフローチャートを用いて説明する。   Here, the operation load increase control in step S101 will be described with reference to the flowchart of FIG.

ステップS200では、燃料電池の運転負荷αが予め設定された運転負荷α1よりも小さいかどうか判断する。そして運転負荷αが運転負荷α1よりも小さい場合にはステップS201へ進み、運転負荷αが運転負荷α1よりも大きい場合にはステップS202へ進む。   In step S200, it is determined whether or not the operating load α of the fuel cell is smaller than a preset operating load α1. If the driving load α is smaller than the driving load α1, the process proceeds to step S201. If the driving load α is larger than the driving load α1, the process proceeds to step S202.

ステップS201では燃料電池の運転負荷αが運転負荷α1よりも小さいので、バルブ17aのみを開き、バルブ17b、17cを閉じて集合部10aから水素分離部20aで分離した水素を燃料電池へ供給する。これによって改質ガス流れ方向下流に位置する水素分離部20b、20cからの水素分離を抑制し、燃料電池に一酸化炭素濃度に低い水素を供給することができる。改質ガス流量が少ない場合に、比較的一酸化炭素濃度の高い箇所となる水素分離部20b、20cによる水素分離を抑制することで、水素分離膜4b、4cにおける一酸化炭素の透過を抑制することができる。   In step S201, since the operating load α of the fuel cell is smaller than the operating load α1, only the valve 17a is opened, the valves 17b and 17c are closed, and the hydrogen separated by the hydrogen separation unit 20a from the collecting unit 10a is supplied to the fuel cell. As a result, hydrogen separation from the hydrogen separation sections 20b and 20c located downstream in the reformed gas flow direction can be suppressed, and hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be supplied to the fuel cell. In the case where the reformed gas flow rate is small, the permeation of carbon monoxide in the hydrogen separation membranes 4b and 4c is suppressed by suppressing the hydrogen separation by the hydrogen separation parts 20b and 20c that are relatively high in the carbon monoxide concentration. be able to.

ステップS202では、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α2よりも小さいかどうか判断する。そして燃料電池の運転負荷αが運転負荷α2よりも小さい、つまり燃料電池の運転負荷αが運転負荷α1よりも大きく、運転負荷α2よりも小さい場合にはステップS203へ進み、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α2よりも大きい場合にはステップS204へ進む。   In step S202, it is determined whether the operating load α of the fuel cell is smaller than the operating load α2. If the fuel cell driving load α is smaller than the driving load α2, that is, the fuel cell driving load α is larger than the driving load α1 and smaller than the driving load α2, the process proceeds to step S203, and the fuel cell driving load α is reached. Is larger than the driving load α2, the process proceeds to step S204.

ステップS203では、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α1よりも大きく、運転負荷α2よりも小さいので、バルブ17a、17bを開き、バルブ17cを閉じて集合部10a、10bから水素分離部20a、20bで分離した水素を燃料電池へ供給する。これによって改質ガス流れ方向下流に位置する水素分離部20cから一酸化炭素の透過を抑制することができる。そのため燃料電池に一酸化炭素濃度に低い水素を供給することができる。   In step S203, since the operating load α of the fuel cell is larger than the operating load α1 and smaller than the operating load α2, the valves 17a and 17b are opened, the valve 17c is closed, and the hydrogen separators 20a and 20b are separated from the collecting portions 10a and 10b. The hydrogen separated in step 1 is supplied to the fuel cell. Thereby, permeation of carbon monoxide from the hydrogen separator 20c located downstream in the reformed gas flow direction can be suppressed. Therefore, hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be supplied to the fuel cell.

ステップ204では、燃料電池の運転負荷αが運転負荷α2よりも大きいので、バルブ17a、17b、17cを開き、集合部10a、10b、10cから水素分離部20a、20b、20cで分離した水素を燃料電池へ供給する。   In step 204, since the operating load α of the fuel cell is larger than the operating load α2, the valves 17a, 17b and 17c are opened, and the hydrogen separated by the hydrogen separators 20a, 20b and 20c from the collecting parts 10a, 10b and 10c is fueled. Supply to battery.

以上の制御によって、燃料電池の運転負荷αによってバルブ17a、17b、17cの開き動作を制御することで、水素分離膜4からの一酸化炭素の透過を抑制し、一酸化炭素濃度に低い水素を燃料電池に供給することができる。また、設定された燃料電池の運転負荷α1、α2に基づいてバルブ17a、17b、17cの開き動作を制御することで、燃料電池の運転負荷増加に応じて水素の供給量を増加することができ、燃料電池の運転負荷変化に対する水素供給の追従性をよくすることができる。   By controlling the opening operation of the valves 17a, 17b, and 17c by the operation load α of the fuel cell by the above control, the permeation of carbon monoxide from the hydrogen separation membrane 4 is suppressed, and low hydrogen is added to the carbon monoxide concentration. The fuel cell can be supplied. Further, by controlling the opening operation of the valves 17a, 17b, and 17c based on the set operating loads α1 and α2 of the fuel cell, the supply amount of hydrogen can be increased in accordance with an increase in the operating load of the fuel cell. In addition, it is possible to improve the followability of the hydrogen supply with respect to the change in the operation load of the fuel cell.

次に、ステップS102の運転負荷減少制御について図7のフローチャートを用いて説明する。   Next, the operation load reduction control in step S102 will be described using the flowchart of FIG.

ステップS300では、現在のバルブ17cの開閉状態を確認する。そして、バルブ17cが開いている場合にはステップS301へ進み、バルブ17cが閉じている場合にはステップS305へ進む。この実施形態では燃料電池の運転負荷αが減少すると改質ガス流れ下流に位置する集合部10c、10bの順番で水素供給を停止するので、まずバルブ17cの開閉を確認する。   In step S300, the current open / close state of the valve 17c is confirmed. If the valve 17c is open, the process proceeds to step S301. If the valve 17c is closed, the process proceeds to step S305. In this embodiment, when the operating load α of the fuel cell is reduced, the supply of hydrogen is stopped in the order of the collecting portions 10c and 10b located downstream of the reformed gas flow.

ステップS301では、一酸化炭素濃度センサ18によって燃料電池へ供給する水素中の一酸化炭素濃度dを検出し、予め設定した上限濃度d1と比較する。そして、一酸化炭素濃度dが上限濃度d1よりも高い場合にはステップS302へ進む。   In step S301, the carbon monoxide concentration sensor 18 detects the carbon monoxide concentration d in hydrogen supplied to the fuel cell and compares it with a preset upper limit concentration d1. When the carbon monoxide concentration d is higher than the upper limit concentration d1, the process proceeds to step S302.

ステップS302では、バルブ17cを閉じて水素分離部20cでの改質ガスからの水素分離を終了し、水素分離膜4cにおける一酸化炭素の透過を抑制する。水素供給路16を流れる水素中の一酸化炭素濃度dが高くなることは、燃料電池の運転負荷が減少し、改質ガス流量が少なくなることで、水素分離部20cにおいて水素分離膜4cを透過する一酸化炭素量が増加したことを示している。そこで、ステップS302においてバルブ17cを閉じて、水素分離部20cでの水素分離を抑制し、集合部10cからの水素供給を終了する。これによって一酸化炭素濃度の低い水素を燃料電池に供給することができる。   In step S302, the valve 17c is closed to complete the hydrogen separation from the reformed gas in the hydrogen separation unit 20c, and the permeation of carbon monoxide in the hydrogen separation membrane 4c is suppressed. An increase in the carbon monoxide concentration d in the hydrogen flowing through the hydrogen supply path 16 reduces the operating load of the fuel cell and decreases the reformed gas flow rate, so that the hydrogen separation membrane 4c permeates through the hydrogen separation membrane 4c. This shows that the amount of carbon monoxide increased. Therefore, in step S302, the valve 17c is closed to suppress hydrogen separation in the hydrogen separation unit 20c, and supply of hydrogen from the collecting unit 10c is terminated. As a result, hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be supplied to the fuel cell.

ステップS303では、一酸化炭素濃度センサ18によって燃料電池へ供給する水素中の一酸化炭素濃度dを検出し、予め設定した上限濃度d1と比較する。そして、一酸化炭素濃度dが上限濃度d1よりも高い場合にはステップS304へ進む。   In step S303, the carbon monoxide concentration sensor 18 detects the carbon monoxide concentration d in the hydrogen supplied to the fuel cell, and compares it with a preset upper limit concentration d1. When the carbon monoxide concentration d is higher than the upper limit concentration d1, the process proceeds to step S304.

ステップS304では、バルブ17bを閉じて水素分離部20bでの改質ガスからの水素分離を終了し、水素分離膜4bにおける一酸化炭素の透過を抑制する。これによってバルブ17cに加えてバルブ17bを閉じて、集合部10b、10cからの水素供給を終了し、一酸化炭素濃度の低い水素を燃料電池に供給することができる。   In step S304, the valve 17b is closed to complete the hydrogen separation from the reformed gas in the hydrogen separation unit 20b, and the permeation of carbon monoxide in the hydrogen separation membrane 4b is suppressed. As a result, the valve 17b is closed in addition to the valve 17c, hydrogen supply from the collecting portions 10b and 10c is terminated, and hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be supplied to the fuel cell.

一方、ステップS300でバルブ17cが閉じていると判断されると、ステップS305へ進み、バルブ17bが開いているかどうか判断する。そして、バルブ17bが開いている場合にはステップS303へ進み、上記制御を行う。   On the other hand, if it is determined in step S300 that the valve 17c is closed, the process proceeds to step S305, and it is determined whether the valve 17b is open. If the valve 17b is open, the process proceeds to step S303 and the above control is performed.

以上の制御によって、燃料電池の運転負荷αが減少した場合には、一酸化炭素濃度センサ18によって検出した一酸化炭素濃度dに基づいてバルブ17b、17cを閉じることで、水素分離膜4からの一酸化炭素の透過を抑制し、一酸化炭素濃度に低い水素を燃料電池に供給することができる。また燃料電池に供給する水素中の一酸化炭素濃度の上限濃度d1までは多くの水素を改質ガスから正確に分離することができる。すなわち、バルブ17a、17b、17cを一酸化炭素濃度に応じて閉じることで、改質ガスの流れ方向下流である水素分離膜4b、4cからの水素分離を正確に制御することができる。   When the operation load α of the fuel cell is reduced by the above control, the valves 17b and 17c are closed based on the carbon monoxide concentration d detected by the carbon monoxide concentration sensor 18, thereby Permeation of carbon monoxide can be suppressed, and hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be supplied to the fuel cell. Further, a large amount of hydrogen can be accurately separated from the reformed gas up to the upper limit concentration d1 of the carbon monoxide concentration in the hydrogen supplied to the fuel cell. That is, by closing the valves 17a, 17b, and 17c according to the carbon monoxide concentration, hydrogen separation from the hydrogen separation membranes 4b and 4c that are downstream in the flow direction of the reformed gas can be accurately controlled.

この実施形態では、燃料電池の運転負荷が小さい場合には、バルブ17c、17bを閉じることで改質ガス流れ方向下流に位置する集合部10c、10bからの水素供給を終了したが、改質ガス流れ方向の下流にあたる水素分離部20cから水素を供給してもよい。すなわち、バルブ17a、17b、17cを閉じる場合にバルブ17a、17bの順番に閉じ、バルブ17a、17b、17cを開く場合にバルブ17c、17b、17aの順番に開く。この場合にはバルブ17a、17bを閉じることで、水素分離部20a、20bでは改質ガスから水素分離が抑制されるので、水素分離部20cにおいて改質ガス中の水素濃度が高くなる。そして水素分離部20cにおいて一酸化炭素濃度の低い水素を分離し、集合部10cから一酸化炭素濃度の低い水素を燃料電池に供給することができる。   In this embodiment, when the operation load of the fuel cell is small, the supply of hydrogen from the collecting portions 10c and 10b located downstream in the reformed gas flow direction is completed by closing the valves 17c and 17b. Hydrogen may be supplied from the hydrogen separator 20c that is downstream in the flow direction. That is, when the valves 17a, 17b and 17c are closed, the valves 17a and 17b are closed in this order, and when the valves 17a, 17b and 17c are opened, the valves 17c, 17b and 17a are opened in this order. In this case, by closing the valves 17a and 17b, hydrogen separation from the reformed gas is suppressed in the hydrogen separators 20a and 20b, so that the hydrogen concentration in the reformed gas is increased in the hydrogen separator 20c. Then, hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be separated in the hydrogen separator 20c, and hydrogen having a low carbon monoxide concentration can be supplied from the collecting portion 10c to the fuel cell.

これにより、燃料電池の負荷が高負荷へ急激に移行した場合でも、バルブ17a、17bを開くことで改質ガス流れ方向上流から水素を分離し、集合部10a、10bから水素を供給するので、燃料電池の負荷変動に対する水素供給の追従性を良くすることができる。   Thereby, even when the load of the fuel cell is abruptly shifted to a high load, hydrogen is separated from the upstream of the reformed gas flow direction by opening the valves 17a and 17b, and hydrogen is supplied from the collecting portions 10a and 10b. The followability of the hydrogen supply with respect to the load fluctuation of the fuel cell can be improved.

水素分離膜装置1を所定温度以下、例えば氷点下起動などの低温から起動する場合には、改質ガス流れ方向上流に位置する集合部10aから水素を供給するようにバルブ17aを開く。改質ガス流れ方向の上流側に位置する水素分離部20aが水素分離部20cに比べて温度が上がり易いので、改質ガス流れ方向上流側の集合部10aから順番に水素を燃料電池に供給する。これによって、燃料電池に素早く水素を供給することができ、例えば燃料電池システムの起動時間を短くすることができる。   When the hydrogen separation membrane device 1 is started from a predetermined temperature or lower, for example, from a low temperature such as below freezing, the valve 17a is opened so as to supply hydrogen from the collecting portion 10a located upstream in the reformed gas flow direction. Since the temperature of the hydrogen separator 20a located upstream in the reformed gas flow direction is higher than that of the hydrogen separator 20c, hydrogen is sequentially supplied to the fuel cell from the collecting portion 10a upstream in the reformed gas flow direction. . Thereby, hydrogen can be quickly supplied to the fuel cell, and for example, the startup time of the fuel cell system can be shortened.

なお、この実施形態では改質ガスから水素を分離し、分離した水素を燃料電池に供給するものであるが、これに限られることはない。また、空間10を集合部10a、10b、10cの3つに分離したが、分離する数はこれに限られることはない。   In this embodiment, hydrogen is separated from the reformed gas and the separated hydrogen is supplied to the fuel cell. However, the present invention is not limited to this. Further, although the space 10 is separated into three aggregate portions 10a, 10b, and 10c, the number of separation is not limited to this.

本発明の第1実施形態の効果について説明する。   The effect of 1st Embodiment of this invention is demonstrated.

ここで、水素分離膜の厚さを変化させた場合の燃料電池の運転負荷に対して水素分離膜を透過する一酸化炭素濃度の変化を図8を用いて説明する。燃料電池の運転負荷が小さい、つまり改質ガスの流量が少ない場合には水素分離膜が薄くなると、水素分離膜を透過する一酸化炭素濃度が高くなる。そのため、水素分離膜を透過する一酸化炭素濃度を低くするには、水素分離膜の厚さを厚くすることが考えられるが、例えばパラジウムを水素分離膜として使用する場合には、コストが高くなる。また、水素分離膜の厚さを厚くすると水素透過速度が遅くなるために、例えば燃料電池に改質ガスから分離した水素を供給する場合には、燃料電池の運転負荷変動に追従するために水素分離膜と改質ガスの接触面積を広くするために装置を大型にしなければならない。また、装置の大型化は直接的に熱容量の増大を招くため、暖気時間と暖気エネルギーの増大を引き起こし、水素分離膜装置の起動性を低下させ、起動エネルギーの増大による燃費の悪化を招く恐れがある。   Here, the change in the concentration of carbon monoxide that permeates the hydrogen separation membrane with respect to the operating load of the fuel cell when the thickness of the hydrogen separation membrane is changed will be described with reference to FIG. When the operating load of the fuel cell is small, that is, when the flow rate of the reformed gas is small, the concentration of carbon monoxide permeating the hydrogen separation membrane increases as the hydrogen separation membrane becomes thinner. Therefore, to reduce the concentration of carbon monoxide that permeates the hydrogen separation membrane, it is conceivable to increase the thickness of the hydrogen separation membrane. However, for example, when palladium is used as the hydrogen separation membrane, the cost increases. . In addition, when the thickness of the hydrogen separation membrane is increased, the hydrogen permeation rate is decreased. For example, when hydrogen separated from the reformed gas is supplied to the fuel cell, In order to increase the contact area between the separation membrane and the reformed gas, the apparatus must be enlarged. In addition, since the increase in the size of the apparatus directly increases the heat capacity, the warming time and the warming energy are increased, the startability of the hydrogen separation membrane device is lowered, and the fuel consumption may be deteriorated due to the increase of the starting energy. is there.

この実施形態では、水素分離部20によって改質ガスから分離された水素が集合する空間10をシール材12a、12b、12c、12dによって集合部10a、10b、10cに分割し、集合部10a、10b、10cに配管15a、15b、15cとバルブ17a、17b、17cを設け、燃料電池の運転負荷、または水素供給路16の一酸化炭素濃度によってバルブ17a、17b、17cの開閉を行い、燃料電池の運転負荷に応じて水素分離部20a、20b、20cによる改質ガスからの水素分離を制御する。   In this embodiment, the space 10 in which the hydrogen separated from the reformed gas is collected by the hydrogen separation unit 20 is divided into the collection units 10a, 10b, and 10c by the sealing materials 12a, 12b, 12c, and 12d, and the collection units 10a, 10b. 10c is provided with pipes 15a, 15b, 15c and valves 17a, 17b, 17c, and the valves 17a, 17b, 17c are opened and closed according to the operating load of the fuel cell or the carbon monoxide concentration of the hydrogen supply path 16, and the fuel cell The hydrogen separation from the reformed gas by the hydrogen separators 20a, 20b, and 20c is controlled according to the operating load.

これによって、燃料電池の運転負荷が小さい場合には、例えばバルブ17cを閉じて水素分離部20cによる一酸化炭素濃度が高くなる箇所の水素分離を抑制し、燃料電池に一酸化炭素濃度の低い水素を供給することができる。そのため、水素分離膜4の厚さを薄くすることができ、コストを削減することができる。また、水素分離膜4の厚さを薄くすることができるので、改質ガスと水素分離膜4との接触面積を広くすることができるので、水素分離膜装置1を小型にすることができ、水素分離膜装置1全体のコストを削減することができる。   As a result, when the operating load of the fuel cell is small, for example, the valve 17c is closed to suppress hydrogen separation at a location where the carbon monoxide concentration is increased by the hydrogen separator 20c, and the fuel cell has hydrogen with low carbon monoxide concentration. Can be supplied. Therefore, the thickness of the hydrogen separation membrane 4 can be reduced, and the cost can be reduced. In addition, since the thickness of the hydrogen separation membrane 4 can be reduced, the contact area between the reformed gas and the hydrogen separation membrane 4 can be increased, so that the hydrogen separation membrane device 1 can be reduced in size, The cost of the entire hydrogen separation membrane device 1 can be reduced.

燃料電池の運転負荷が増加した場合には、燃料電池の運転負荷が予め設定した運転負荷α1、α2に基づいてバルブ17a、17b、17cを開くので、燃料電池の運転負荷増加に応じて水素の供給量を増加することができ、燃料電池の運転負荷変化に対する水素供給の追従性をよくすることができる。   When the operating load of the fuel cell increases, the operating load of the fuel cell opens the valves 17a, 17b, and 17c based on the preset operating loads α1 and α2, so that hydrogen increases as the operating load of the fuel cell increases. The supply amount can be increased, and the followability of the hydrogen supply with respect to the change in the operation load of the fuel cell can be improved.

また、燃料電池の運転負荷が減少した場合には、一酸化炭素濃度センサ18によって検出する一酸化炭素濃度によってバルブ17a、17b、17cを閉じるので、一酸化炭素濃度の低い水素を正確に燃料電池に供給することができる。   Further, when the operating load of the fuel cell is reduced, the valves 17a, 17b, and 17c are closed by the carbon monoxide concentration detected by the carbon monoxide concentration sensor 18, so that hydrogen having a low carbon monoxide concentration is accurately detected in the fuel cell. Can be supplied to.

次に本発明の第2実形態の水素分離膜装置60の構成を図9の概略構成図を用いて説明する。この実施形態は水素分離部30を3つに分割し、改質ガス流れ方向上流側から水素分離部30a、30b、30cとする。また、水素分離部30aと水素分離部30bの間にはリング31aを備え、水素分離部30bと水素分離部30cの間にはリング31bを備え、水素分離部30aと水素分離部30b、または水素分離部30bと水素分離部30cとの間にそれぞれガス攪拌室37a、37bを形成する。また、空間10の集合部10aと集合部10bの間にはリング31aの上流と下流にシール材32a、32bを設け、集合部10bと集合部10cの間にはリング31bの上流と下流にシール材33a、33bを設ける。   Next, the configuration of the hydrogen separation membrane device 60 according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. In this embodiment, the hydrogen separator 30 is divided into three parts, and hydrogen separators 30a, 30b, and 30c are formed from the upstream side in the reformed gas flow direction. Further, a ring 31a is provided between the hydrogen separator 30a and the hydrogen separator 30b, and a ring 31b is provided between the hydrogen separator 30b and the hydrogen separator 30c, and the hydrogen separator 30a and the hydrogen separator 30b or hydrogen Gas stirring chambers 37a and 37b are formed between the separation unit 30b and the hydrogen separation unit 30c, respectively. Further, sealing members 32a and 32b are provided between the collecting portion 10a and the collecting portion 10b of the space 10 upstream and downstream of the ring 31a, and between the collecting portion 10b and the collecting portion 10c, sealing is performed upstream and downstream of the ring 31b. Materials 33a and 33b are provided.

水素分離部30aは第1実施形態の水素分離部20aとほぼ同様の構成であり、ここで異なる箇所を中心に説明する。水素分離部30aはリング31a側の端面34、つまり改質ガス流れ方向下流の端面に水素分離膜を形成する。端面34に水素分離膜を形成することで水素透過膜の面積を広くすることができ、改質ガスと水素透過膜との接触面積が広くなるので水素分離を多く行うことができる。また、水素分離部20aの多孔質体2a、貫通孔3a、水素分離膜4aについては水素分離部30aについても同じ番号を付して説明する。水素分離部30b、30cについても水素分離部30aと同様の形状であるが、水素分離部30bは両側の端面35a、35bに水素分離膜を形成し、水素分離部30cは改質ガス流れ方向上流側の端面36に水素分離膜を形成する。   The hydrogen separation unit 30a has substantially the same configuration as the hydrogen separation unit 20a of the first embodiment, and here, different points will be mainly described. The hydrogen separator 30a forms a hydrogen separation membrane on the end face 34 on the ring 31a side, that is, on the end face downstream in the reformed gas flow direction. By forming a hydrogen separation membrane on the end face 34, the area of the hydrogen permeable membrane can be increased, and the contact area between the reformed gas and the hydrogen permeable membrane is increased, so that a large amount of hydrogen separation can be performed. Further, the porous body 2a, the through-hole 3a, and the hydrogen separation membrane 4a of the hydrogen separation unit 20a will be described with the same numbers assigned to the hydrogen separation unit 30a. The hydrogen separators 30b and 30c have the same shape as the hydrogen separator 30a, but the hydrogen separator 30b forms hydrogen separation membranes on both end faces 35a and 35b, and the hydrogen separator 30c is upstream of the reformed gas flow direction. A hydrogen separation membrane is formed on the side end face 36.

リング31aは例えば水素分離部と同型の外径をしており、その外周面がケース11の内周面に接した円筒形状である。水素分離部30aとリング31aの内周面と水素分離部30bによって形成されるガス攪拌室37aに排出された改質ガスはガス攪拌室38a内で拡散し、混合され、その後水素分離部30b内に供給される。リング31bについても同様の構成であり、水素分離部30bとリング31bの内周面と水素分離部30cによって形成されるガス攪拌室37bによって改質ガスが拡散し、混合される。リング31a、31b、つまりガス攪拌室37a、37bはこの形状に限られることはなく、水素分離部30aと水素分離部30b、または水素分離部30bと水素分離部30cの間で改質ガスを拡散し、混合することができればよい。   The ring 31 a has, for example, the same outer diameter as that of the hydrogen separator, and has a cylindrical shape with an outer peripheral surface in contact with the inner peripheral surface of the case 11. The reformed gas discharged into the gas agitating chamber 37a formed by the hydrogen separator 30a and the inner peripheral surface of the ring 31a and the hydrogen separator 30b is diffused and mixed in the gas agitating chamber 38a, and then in the hydrogen separator 30b. To be supplied. The ring 31b has the same configuration, and the reformed gas is diffused and mixed by the gas separation chamber 37b formed by the hydrogen separator 30b, the inner peripheral surface of the ring 31b, and the hydrogen separator 30c. The rings 31a and 31b, that is, the gas stirring chambers 37a and 37b are not limited to this shape, and the reformed gas is diffused between the hydrogen separator 30a and the hydrogen separator 30b or between the hydrogen separator 30b and the hydrogen separator 30c. And can be mixed.

シール材32a、32bはリング31aと水素分離部30a、30bの間から改質ガスが漏洩し、改質ガスが集合部10a、10bに混入しないように設けられる。シール材33a、33bも同様に改質ガスが集合部10b、10cに混入しないように設けられる。   The sealing materials 32a and 32b are provided so that the reformed gas leaks from between the ring 31a and the hydrogen separators 30a and 30b, and the reformed gas does not enter the collecting portions 10a and 10b. Similarly, the sealing materials 33a and 33b are provided so that the reformed gas does not enter the collecting portions 10b and 10c.

以上の構成によって、ガス攪拌室37a、37bによって一旦改質ガスを混合し、ガス攪拌室37a、37bのそれぞれ下流に位置する水素分離部30b、30cに水素濃度が均一の改質ガスを供給することができる。   With the above configuration, the reformed gas is once mixed by the gas stirring chambers 37a and 37b, and the reformed gas having a uniform hydrogen concentration is supplied to the hydrogen separators 30b and 30c located downstream of the gas stirring chambers 37a and 37b, respectively. be able to.

水素分離膜装置60から水素を取り出すコントローラ50によるバルブ17a、17b、17cの開閉動作制御については第1実施形態と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。   Since the opening / closing operation control of the valves 17a, 17b, and 17c by the controller 50 that extracts hydrogen from the hydrogen separation membrane device 60 is the same control as in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

なお、リング31a、31bを多孔質体によって構成、またはリング31a、31bを水素分離部30a、30b、30cの一部として、つまりリング31aを水素分離部30aまたは水素分離部30b、リング31bを水素分離部30bまたは水素分離部30cと一体として構成してもよい。そして、リング31a、31bの内周面および端面(34,35a、35b、36と接する面)にも水素分離膜を形成する。さらにシールの位置を移動させる(リング31aと水素分離部30aを一体化する場合には、リング31aの外周へシール材32aを移動する)。これによって水素分離膜装置60の組み立てを容易に行い、水素分離膜と改質ガスとの接触面積を更に広くすることができる。   The rings 31a and 31b are made of a porous material, or the rings 31a and 31b are part of the hydrogen separators 30a, 30b, and 30c, that is, the ring 31a is the hydrogen separator 30a or the hydrogen separator 30b, and the ring 31b is hydrogen. The separator 30b or the hydrogen separator 30c may be integrated. Then, hydrogen separation membranes are also formed on the inner peripheral surfaces and end surfaces (surfaces in contact with 34, 35a, 35b, and 36) of the rings 31a and 31b. Further, the position of the seal is moved (when the ring 31a and the hydrogen separator 30a are integrated, the seal material 32a is moved to the outer periphery of the ring 31a). As a result, the hydrogen separation membrane device 60 can be easily assembled, and the contact area between the hydrogen separation membrane and the reformed gas can be further increased.

本発明の第2実施形態の効果について説明する。   The effect of 2nd Embodiment of this invention is demonstrated.

水素分離部の貫通孔を流れる改質ガスは下流となるに連れて水素が分離されるので、改質ガス中の水素分圧が低下する。また、貫通孔を流れる改質ガスの流れが層流の場合には貫通孔内で改質ガスの混合が生じ難いために、貫通孔内で貫通孔内周面、つまり水素分離膜付近で水素濃度が低く、貫通孔中心軸付近で水素濃度が高くなる水素濃度勾配が生じる。そのため水素分離部の下流側では改質ガスから水素を分離する水素分離効率が低下する。   Since hydrogen is separated as the reformed gas flowing through the through hole of the hydrogen separation section becomes downstream, the partial pressure of hydrogen in the reformed gas decreases. In addition, when the flow of the reformed gas flowing through the through hole is a laminar flow, it is difficult for the reformed gas to be mixed in the through hole. A hydrogen concentration gradient is generated in which the concentration is low and the hydrogen concentration increases in the vicinity of the central axis of the through hole. Therefore, the hydrogen separation efficiency for separating hydrogen from the reformed gas is lowered on the downstream side of the hydrogen separation unit.

この実施形態では、水素分離部30を水素分離部30a、30b、30cに分割し、水素分離部30aと水素分離部30bの間にリング31aを介装し、さらに水素分離部30bと水素分離部30cの間にリング31bを介装する。これによって、水素分離部30aとリング31aと水素分離部30bによってガス攪拌室37aを形成し、ガス攪拌室37aに排出された改質ガスがガス攪拌室37aで拡散、混合し、改質ガスの水素濃度を均一にすることができる。そのため改質ガスの流れ方向下流にあたる水素分離部30bにおいて水素濃度が均一の改質ガスを供給することができ、水素分離効率を良くすることができる。なお、これはリング31bにおいても同様の効果を得ることができる。また、水素分離効率を良くすることで水素分離膜装置1の改質ガス流れ方向の長さを短くするなど、水素分離膜装置1を小型にすることができる。   In this embodiment, the hydrogen separator 30 is divided into hydrogen separators 30a, 30b, 30c, a ring 31a is interposed between the hydrogen separator 30a and the hydrogen separator 30b, and the hydrogen separator 30b and the hydrogen separator A ring 31b is interposed between 30c. As a result, a gas stirring chamber 37a is formed by the hydrogen separator 30a, the ring 31a, and the hydrogen separator 30b, and the reformed gas discharged into the gas stirring chamber 37a is diffused and mixed in the gas stirring chamber 37a. The hydrogen concentration can be made uniform. Therefore, the reformed gas having a uniform hydrogen concentration can be supplied in the hydrogen separation section 30b, which is downstream in the flow direction of the reformed gas, and the hydrogen separation efficiency can be improved. In addition, this can acquire the same effect also in the ring 31b. Further, the hydrogen separation membrane device 1 can be reduced in size, for example, by shortening the length of the hydrogen separation membrane device 1 in the reformed gas flow direction by improving the hydrogen separation efficiency.

また、リング31a側の水素分離部30aの端面34と水素分離部30bの端面35a、またはリング31b側の水素分離部30cの端面36と水素分離部30bの端面35bに水素分離膜を形成することで、水素分離膜の面積を広くし、水素分離膜と改質ガスとの接触面積を広くすることができ、水素分離効率を良くすることができる。   Further, a hydrogen separation membrane is formed on the end surface 34 of the hydrogen separation unit 30a on the ring 31a side and the end surface 35a of the hydrogen separation unit 30b, or on the end surface 36 of the hydrogen separation unit 30c on the ring 31b side and the end surface 35b of the hydrogen separation unit 30b. Thus, the area of the hydrogen separation membrane can be increased, the contact area between the hydrogen separation membrane and the reformed gas can be increased, and the hydrogen separation efficiency can be improved.

本発明の第3実施形態の水素分離膜装置70の構成を図10の概略構成図を用いて説明する。ここでは第2実施形態とは異なる箇所を中心に説明する。この実施形態では水素分離部40を水素分離部40a、40b、40cに分割・分離し、分割・分離した水素分離部40a、40b、40cを直列に並べて配設し、水素分離部40aと水素分離部40bを配管45aによって連結し、水素分離部40bと水素分離部40cを配管45bによって連結する。   The configuration of the hydrogen separation membrane device 70 of the third embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. Here, it demonstrates centering on a different location from 2nd Embodiment. In this embodiment, the hydrogen separator 40 is divided / separated into hydrogen separators 40a, 40b, 40c, and the separated / separated hydrogen separators 40a, 40b, 40c are arranged in series so as to be separated from the hydrogen separator 40a and the hydrogen separator. The part 40b is connected by a pipe 45a, and the hydrogen separator 40b and the hydrogen separator 40c are connected by a pipe 45b.

水素分離部40aの上流側には導入部13、一方下流側には排出部41が構成され、水素分離部40bの上流側には導入部42a、一方下流側には排出部42bが構成され、水素分離部40bの上流側には導入部43a、一方下流側には排出部14が構成される。   An introduction unit 13 is formed upstream of the hydrogen separation unit 40a, a discharge unit 41 is formed on one downstream side, an introduction unit 42a is formed on the upstream side of the hydrogen separation unit 40b, and a discharge unit 42b is formed on the one downstream side, An introduction part 43a is formed on the upstream side of the hydrogen separation part 40b, and a discharge part 14 is formed on the downstream side.

水素分離部40aから排出された改質ガスは、排出部41または導入部42aによって拡散、混合され、水素分離部40bに供給される(排出部41と導入部42aが攪拌室を構成する)。また、水素分離部40bから排出された改質ガスは、排出部42bまたは導入部43によって拡散、混合され、水素分離部40cに供給される(排出部42bと導入部43が攪拌室を構成する)。   The reformed gas discharged from the hydrogen separation unit 40a is diffused and mixed by the discharge unit 41 or the introduction unit 42a and supplied to the hydrogen separation unit 40b (the discharge unit 41 and the introduction unit 42a constitute a stirring chamber). The reformed gas discharged from the hydrogen separation unit 40b is diffused and mixed by the discharge unit 42b or the introduction unit 43 and supplied to the hydrogen separation unit 40c (the discharge unit 42b and the introduction unit 43 constitute a stirring chamber. ).

以上の構成により、水素分離部40a、水素分離部40bから排出された改質ガスを拡散し、均一の水素濃度の改質ガスを改質ガス流れ方向の下流に位置する水素分離部40b、または水素分離部40cに供給することができる。   With the above configuration, the reformed gas discharged from the hydrogen separator 40a and the hydrogen separator 40b is diffused, and the reformed gas having a uniform hydrogen concentration is located downstream in the reformed gas flow direction, or The hydrogen can be supplied to the hydrogen separator 40c.

水素分離膜装置70から水素を取り出すコントローラ50によるバルブ17a、17b、17cの開閉動作制御については第1実施形態と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。   Since the opening / closing operation control of the valves 17a, 17b, 17c by the controller 50 for taking out hydrogen from the hydrogen separation membrane device 70 is the same control as in the first embodiment, the description thereof is omitted here.

本発明の第3実施形態の効果について説明する。   The effect of the third embodiment of the present invention will be described.

この実施形態では第2実施形態に加えて、水素分離部40a、40b、40cを分割・分離し、直列に並べて配設し、配管45aと配管45bによって連結するので、水素分離膜装置70を自由なレイアウトで行うことができる。   In this embodiment, in addition to the second embodiment, the hydrogen separators 40a, 40b, and 40c are divided and separated, arranged in series, and connected by the pipe 45a and the pipe 45b. Can be done with a simple layout.

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。   It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications and improvements that can be made within the scope of the technical idea.

燃料改質型の燃料電池システムに利用することができる。   It can be used for a fuel reforming type fuel cell system.

本発明の第1実施形態の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment of the present invention. 水素分離膜装置の貫通孔内の水素分圧を示すマップである。It is a map which shows the hydrogen partial pressure in the through-hole of a hydrogen separation membrane apparatus. 水素分離膜を透過する透過ガス中の水素量と一酸化炭素量の変化を示すマップである。It is a map which shows the change of the amount of hydrogen and the amount of carbon monoxide in the permeation gas which permeate | transmits a hydrogen separation membrane. 燃料電池の運転負荷を変化させた場合の一酸化炭素濃度の変化を示すマップである。It is a map which shows the change of the carbon monoxide density | concentration at the time of changing the driving | running load of a fuel cell. 本発明の第1実施形態のバルブ開閉動作を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining valve | bulb opening / closing operation | movement of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の運転負荷増加制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the driving | running | working load increase control of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態の運転負荷増加制御を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the driving load increase control of 2nd Embodiment of this invention. 水素分離膜の厚さを変化させた場合の水素分離膜を透過する一酸化炭素量の変化を示すマップである。It is a map which shows the change of the amount of carbon monoxide which permeate | transmits a hydrogen separation membrane at the time of changing the thickness of a hydrogen separation membrane. 本発明の第2実施形態の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態の概略説明図である。It is a schematic explanatory drawing of 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1、60、70 水素分離装置
2、2a、2b、2c 多孔質体
3、3a、3b、3c 貫通孔
4、4a、4b、4c 水素分離膜
10 空間
10a、10b、10c 集合部(集積部)
12、12a、12b、12c、32a、32b、33a、33b シール材(シール部材)
13、42a、43 導入部
14、41、42b 排出部
15a、15b、15c 配管
17a、17b、17c バルブ(切換手段)
18 一酸化炭素濃度センサ(不純ガス検出手段)
20、20a、20b、20c、30、30a、30b、30c、40、40a、40b、40c 水素分離部
31a、31b リング(分割手段)
37a、37b ガス攪拌室(攪拌室)
50 コントローラ(制御手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 60, 70 Hydrogen separator 2, 2a, 2b, 2c Porous body 3, 3a, 3b, 3c Through-hole 4, 4a, 4b, 4c Hydrogen separation membrane 10 Space 10a, 10b, 10c Aggregation part (integration part)
12, 12a, 12b, 12c, 32a, 32b, 33a, 33b Sealing material (seal member)
13, 42a, 43 Introduction part 14, 41, 42b Discharge part 15a, 15b, 15c Piping 17a, 17b, 17c Valve (switching means)
18 Carbon monoxide concentration sensor (impure gas detection means)
20, 20a, 20b, 20c, 30, 30a, 30b, 30c, 40, 40a, 40b, 40c Hydrogen separation part 31a, 31b Ring (dividing means)
37a, 37b Gas stirring chamber (stirring chamber)
50 controller (control means)

Claims (10)

複数の貫通孔を有する多孔質体と、
前記貫通孔の内周面に形成され、前記貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、前記多孔質体へ前記水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、
前記多孔質体の外側に前記貫通孔を流れる前記ガスの流れ方向に沿って前記水素を集積する集積部と
前記ガスの流れ方向に対して前記集積部を複数に分離する分離手段と、
前記複数に分離された集積部からの水素取り出しを、前記水素分離膜装置の運転状態に基づいて選択的に切り換えることにより、前記ガスの流れ方向の前記水素分離膜での水素分離を制御する制御手段とを備えることを特徴とする水素分離膜装置。
A porous body having a plurality of through holes;
In a hydrogen separation membrane device comprising: a hydrogen separation membrane formed on an inner peripheral surface of the through hole, separating hydrogen in a gas flowing through the through hole, and allowing the hydrogen to permeate the porous body.
A stacking unit for stacking the hydrogen along the flow direction of the gas flowing through the through hole to the outside of the porous body,
Separating means for separating the stacking portion into a plurality of the gas flow direction;
Control for controlling hydrogen separation in the hydrogen separation membrane in the gas flow direction by selectively switching the hydrogen extraction from the plurality of separated separation units based on the operating state of the hydrogen separation membrane device hydrogen separation membrane device, characterized in that it comprises a means.
複数の貫通孔を有する多孔質体と、
前記貫通孔の内周面に形成され、前記貫通孔を流れるガス中の水素を分離し、前記多孔質体へ前記水素を透過する水素分離膜と、を備えた水素分離膜装置において、
前記多孔質体の外側に前記貫通孔を流れる前記ガスの流れ方向に沿って設けられ、前記水素を集積する集積部と、
前記ガスの流れ方向に対して前記集積部を複数に分離する分離手段と、
前記複数に分離された集積部からの水素取り出しをそれぞれ選択的に切り換える複数の切換手段と、
前記水素分離膜装置の運転状態に基づいて前記切換手段を選択的に切り換えることにより、前記ガスの流れ方向の前記水素分離膜での水素分離を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする水素分離膜装置。
A porous body having a plurality of through holes;
In a hydrogen separation membrane device comprising: a hydrogen separation membrane formed on an inner peripheral surface of the through hole, separating hydrogen in a gas flowing through the through hole, and allowing the hydrogen to permeate the porous body.
An accumulation part that is provided along the flow direction of the gas flowing through the through hole on the outside of the porous body and accumulates the hydrogen;
Separating means for separating the stacking portion into a plurality of the gas flow direction;
A plurality of switching means for selectively switching hydrogen extraction from the plurality of accumulation units separated from each other;
Characterized in that it comprises, said by the switching means selectively switching it, that controls the separation of hydrogen in the hydrogen separation membrane in the flow direction of the gas control means based on operating conditions of the hydrogen separation membrane device A hydrogen separation membrane device.
前記制御手段は、前記集積部から取り出した水素中の不純ガスを検出する不純ガス検出手段を備え、
前記不純ガスの濃度が所定濃度よりも高くなると、前記切換手段のいずれかを閉じて前記水素を取り出す前記集積部の数を減らすことを特徴とする請求項2に記載の水素分離膜装置。
The control means includes an impure gas detection means for detecting an impure gas in hydrogen taken out from the accumulator.
3. The hydrogen separation membrane device according to claim 2, wherein when the concentration of the impure gas is higher than a predetermined concentration, the number of the collecting units that take out the hydrogen is reduced by closing any of the switching units.
前記制御手段は、前記ガス流量が大きくなると、前記切換手段を開き前記水素を取り出す前記集積部の数を増やすことを特徴とする請求項2または3に記載の水素分離膜装置。   4. The hydrogen separation membrane device according to claim 2, wherein when the gas flow rate is increased, the control unit opens the switching unit to increase the number of the collecting units that take out the hydrogen. 5. 前記分離手段が、前記多孔質体の外周部に設けたシール部材であることを特徴とする請求項から4のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。 Said separating means, said porous hydrogen separation membrane device according to claim 1, any one of 4, which is a seal member provided on the outer periphery of the. 前記多孔質体を前記ガスの流れ方向と交差する方向に分割し、各多孔質体間で前記貫通孔からの前記ガスを拡散し、混合する攪拌室を備えることを特徴とする請求項から5のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。 Wherein the porous body is divided in a direction crossing the flow direction of the gas, from claim 1 and diffusing the gas from the through hole between the porous body, characterized in that it comprises a stirring chamber for mixing The hydrogen separation membrane device according to any one of 5. 前記攪拌室によって分割された前記多孔質体の端面に水素分離膜を形成することを特徴とする請求項6に記載の水素分離膜装置。   The hydrogen separation membrane device according to claim 6, wherein a hydrogen separation membrane is formed on an end face of the porous body divided by the stirring chamber. 前記攪拌室は前記多孔質体であり、
前記攪拌室の側面に前記水素分離膜を形成することを特徴とする請求項6または7に記載の水素分離膜装置。
The stirring chamber is the porous body,
The hydrogen separation membrane apparatus according to claim 6 or 7, wherein the hydrogen separation membrane is formed on a side surface of the stirring chamber.
前記制御手段は、前記水素分離膜装置の温度が所定温度よりも低い低温起動時には前記複数に分離された集積部のうち、前記ガスの流れ方向の最上流に位置する前記集積部から前記水素を取り出すことを特徴とする請求項から8のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。 The control means is configured to remove the hydrogen from the accumulation unit located at the uppermost stream in the gas flow direction among the plurality of accumulation units separated at the time of low temperature startup when the temperature of the hydrogen separation membrane device is lower than a predetermined temperature. The hydrogen separation membrane device according to any one of claims 1 to 8, wherein the hydrogen separation membrane device is taken out. 前記制御手段は、前記水素分離膜装置の作動時には、前記ガス流量が少なくなるにつれて、前記複数に分離された集積部のうち、前記ガスの流れ方向の下流に位置する前記集積部から優先的に前記水素を取り出すことを特徴とする請求項から9のいずれか一つに記載の水素分離膜装置。 In the operation of the hydrogen separation membrane device, the control means preferentially selects from the stacking units located downstream in the gas flow direction among the plurality of stacked units as the gas flow rate decreases. The hydrogen separation membrane device according to any one of claims 1 to 9, wherein the hydrogen is taken out.
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