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。
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
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
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
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
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
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
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,
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
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,
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
12, 12a, 12b, 12c, 32a, 32b, 33a, 33b Sealing material (seal member)
13, 42a, 43
18 Carbon monoxide concentration sensor (impure gas detection means)
20, 20a, 20b, 20c, 30, 30a, 30b, 30c, 40, 40a, 40b, 40c
37a, 37b Gas stirring chamber (stirring chamber)
50 controller (control means)
Claims (10)
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.
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.
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