JP2008235029A - 水素発生装置および燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料と水との混合比と流量を安定化することと、かつ燃料の供給に消費される電力を抑制することができる水素発生装置および燃料電池を提供する。
【解決手段】 水素発生装置は、燃料を貯蔵するための燃料タンクと、燃料の流量を制御するための流量調節部と、水を貯蔵するための水タンクと、流量調節部によって流量が制御された燃料によって駆動され水を送液するためのポンプと、送液された水を気化するための水気化器と、燃料および気化された水を、水素を含む気体へと改質するための改質部と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は水素発生装置および燃料電池に関する。

近年、電子機器の小型化とともに、電源として燃料電池を使用することが試みられている。燃料電池は燃料と酸化剤を供給することで発電することができ、燃料を交換すれば連続して発電できるという利点を有するため、小型電子機器の電源として極めて有効である。このような燃料電池の一つとして、有機燃料を改質器により水素ガスに改質し、その水素ガスを固体高分子型燃料電池のアノードに供給することにより発電する燃料改質型燃料電池が提案されている。

これら燃料電池を安定して運転するには燃料と、改質反応に用いるための水との混合比率と流量を、安定した状態にて供給することが重要になってくる。従来燃料電池などへの流体の流量を調節するものとして、流体温度、流体圧力、バルブ開度などを検知するとともにこれら検知出力に基づいて流体の質量流量を演算し、この演算された質量流量が所定値になるようにバルブの開度調節と演算を繰り返すようにしたものが知られている。バルブの開度調節にはモータが用いられる（特許文献１）。

また、改質反応に用いるための水を送液するためには、ポンプが用いられる（特許文献２）。

さらに、燃料と水との混合比率を安定させるために、あらかじめ燃料と水とを混合した状態で燃料タンクに保存しておく燃料電池も存在する（特許文献３）。
特開２０００−１６３１３４号公報 特開２００１−２２６１０２号公報 特開２００４−３１９４６７号公報

しかし、従来の燃料電池はバルブの開度調節のためのモータといった、電気を駆動のためのエネルギーとして使用するため、発電した電気の一部を消費してしまううえ、制御のための演算量も多く、高い処理能力を持った制御装置を用いる必要があった。

さらに、特許文献２の燃料電池は、水を送液するためのポンプも、電気を駆動のためのエネルギーとして使用するため、発電した電気の一部を消費してしまう。

また、引用文献３の燃料電池は、燃料と水との混合比率は安定するものの、燃料と水の蒸気圧の違いから気化器で気化するまでの経路で燃料の一部が気化することで気液二相流を生じ、これが原因となり安定した流量で供給することが難しい。

そこで、本発明は、燃料と水との混合比と流量を安定化することと、かつ燃料の供給に消費される電力を抑制することができる水素発生装置および燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る水素発生装置は、燃料を貯蔵するための燃料タンクと、前記燃料の流量を制御するための流量調節部と、水を貯蔵するための水タンクと、前記流量調節部によって流量が制御された前記燃料によって駆動され、前記水を送液するためのポンプと、送液された水を気化するための水気化器と、前記燃料および気化された前記水を、水素を含む気体へと改質するための改質部と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池は、燃料を貯蔵するための燃料タンクと、前記燃料の流量を制御するための流量調節部と、水を貯蔵するための水タンクと、前記流量調節部によって流量が制御された前記燃料によって駆動され、前記水を送液するためのポンプと、送液された水を気化するための水気化器と、前記燃料および気化された前記水を、水素を含む気体へと改質するための改質部と、前記水素を含む気体と酸素を用いて発電するための燃料電池セルと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料と水との混合比と流量を安定化することができる。また、燃料の供給に消費される電力を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１に本発明による水素発生装置、およびこれを用いた燃料電池システムの第１の実施の形態を示す。

燃料電池システムは、水素発生装置１と、燃料電池セル６が設けられている。

水素発生装置１には、気化部２が設けられている。気化部２は後述するポンプ１８と配管等により接続されている。気化部２に送られた水は加熱されて気化する。

水素発生装置１には、改質部３が設けられている。改質部３は気化部２およびポンプ１８と配管等により接続されている。改質部３に送られた気化した燃料と水は、改質部３で改質され、水素を含有する気体（改質ガス）となる。改質部３の内部には気化した燃料と水が通過する流路が設けられており、流路の内壁面には気化した燃料と水の改質ガスへの改質反応を促進するための改質触媒が設けられている。

水素発生装置１には、ＣＯシフト部４を設けることができる。ＣＯシフト部４は改質部３と配管等により接続されている。改質部３にて改質され、ＣＯシフト部４に送られた改質ガスは、水素のほかに副生物として二酸化炭素や一酸化炭素が含まれる。一酸化炭素は燃料電池セルのアノード触媒を劣化させ、燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このためＣＯシフト部４を設け、改質部３から燃料電池セル６へ水素を含む気体を供給する前に、ＣＯシフト部４にて一酸化炭素を二酸化炭素と水素へシフト反応させて、水素生成量の増加を図ることが好ましい。ＣＯシフト部４の内部には、改質ガスが通過する流路が設けられており、流路の内壁面には改質ガスに含まれる一酸化炭素のシフト反応を促進するためのシフト触媒が設けられている。

水素発生装置１には、ＣＯ除去部５が設けられている。ＣＯ除去部５はＣＯシフト部４と配管等により接続されている。ＣＯシフト部４にてシフト反応され、ＣＯ除去部５に送られた改質ガス（被除去ガス）は、未だ１．０モル％以下の一酸化炭素が含まれている。前述の通り、これは燃料電池システムの発電性能を低下させる原因となる。このため、ＣＯ除去部５は、改質部３から燃料電池セル６へ水素を含む気体を供給する前に、ＣＯ除去部５にて一酸化炭素をメタンと水へ転化するメタン化反応させて、一酸化炭素の濃度が１モルｐｐｍ以下になるまで一酸化炭素を除去する。ＣＯ除去部５の内部には、改質ガスに含まれる一酸化炭素のメタン化反応を促進するための触媒が設けられている。

燃料電池セル６はＣＯ除去部５と配管等により接続されている。一酸化炭素が除去された改質ガスは燃料電池セル６に送られる。燃料電池セル６は、改質ガス中の水素とポンプ１２を用いて供給される大気中の酸素とを反応させる。反応に伴い、燃料電池セル６は水を生成するとともに発電を行う。燃料電池セル６へ大気を供給するために、ポンプ１２は設けられている。

水素発生装置１には、燃焼部７が設けられている。燃焼部７は燃料電池セル６と配管等により接続されている。燃料電池セル６では水素と酸素が反応して水が生成されるが、燃料電池セル６からの排出ガスには未反応の水素が含まれている。燃焼部７はこの未反応の水素をポンプ１３を用いて供給される大気中の酸素を用いて燃焼させる。

このとき、燃焼の際に発生する燃焼熱を利用し、気化部２、改質部３、ＣＯシフト部４およびＣＯ除去部５を加熱する。加熱の効率、温度の均一化および周囲の電子回路等の耐熱性の低い部品の保護のため、気化部２、改質部３、ＣＯシフト部４、ＣＯ除去部５、燃焼部７は断熱部８にて周囲を覆われている。

燃料電池セル６の詳細について説明する。燃料電池セル６は、Ｐｔが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートからなる燃料極９と、同様にＰｔが担持されたカーボンブラック粉末をポリ四弗化エチレン（ＰＴＦＥ）などの撥水性樹脂結着材で保持させた多孔質シートからなる酸化剤極１０で、スルホン酸基またはカルボン酸基などの陽イオン交換基を有するフルオロカーボン重合体、例えばＮａｆｉｏｎ（Ｄｕ Ｐｏｎｔ社の登録商標）等からなるプロトン導電性を有する電解質膜１１を挟み込んでいる。

燃料極９に供給された水素は、燃料極９で
Ｈ^２→２Ｈ＋＋２ｅ−
の様に反応する。一方酸化剤極１０に供給された酸素は、酸化剤極１０で
１／２Ｏ^２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ^２Ｏ
の様に反応する。

水素発生装置１には、燃料タンク１４および水タンク１５が設けられている。燃料タンク１４および水タンク１５には、それぞれ炭素と水素を含有する有機化合物と水が貯蔵される。燃料には例えば、メタノールと液化ガスとの混合物や、ジメチルエーテル、ブタン、液化天然ガス等の炭素と水素を含有する液化ガスを用いることができる。燃料は液化ガスの圧力を利用し、改質部３へ送液することができる。

水素発生装置１には、ポンプ１８が設けられている。ポンプ１８は燃料タンク１４および水タンク１５と配管等により接続されている。また、ポンプ１８は気化部２および改質部３と配管等により接続されている。ポンプ１８は水タンク１５内の水を気化部２に供給するために設けられている。ポンプ１８は気化部２に水を供給するための動力を、供給される燃料の流れを利用して発生する。従って、ポンプ１８は改質部３に供給される燃料の量に応じた水を気化部２に供給する。

例えば、燃料にジメチルエーテルを用いる場合、改質部３に供給する燃料と水の比（モル比）は、化学量論的には１：３が理想的である。しかし、実際の燃料電池システムでは、混合比が１：３に近いと一酸化炭素の生成量が増大してしまう。さらに、余剰となった水はシフト反応や発電に用いることができるため、１：３．５以上とすることが好ましい。ただし、気化部２において水を加熱・気化する際のエネルギーが増大してしまうため、混合比は１：５．０以下、理想的には１：４．０以下とすることが好ましい。

水素発生装置１には、燃料のポンプ１８への供給量を調節するための調整弁１６が設けられている。調整弁１６の開度を図示しない制御手段を用いて制御することによって、水素発生装置に供給する燃料の量を調整することができる。すなわち、調整弁１６を用いて燃料の供給量を制御することにより、水素発生装置１の水素発生量および燃料電池セル６の発電容量を制御することができる。また、前述の通り、燃料の供給量を制御することにより、ポンプ１８の気化部２への水の供給量も連動して制御することができる。

水素発生装置１には、燃料のポンプ１８への水の供給をオンオフ可能とするために、開閉弁１７が設けられている。

ポンプ１８について詳述する。ポンプ１８の内部の構造を図２に示す。ポンプ１８にはケース２５が設けられている。ケース２５の内部の燃料が通過する空間中に、羽根車２３が設けられている。同様にケース２５の内部の水が通過する空間中に、羽根車２１が設けられている。羽根車２１と羽根車２３との間は、シャフト２２で連結されている。

燃料がケース２５内部を流れることにより、羽根車２３が回転し、その回転動力をシャフト２２が羽根車２１に伝達する。羽根車２１はシャフト２２によって回転させられ、水をケース２５の内部を通過する方向に圧力を発生させる。開閉弁１７を開くことにより、水は気化部２に供給される。

ところで、羽根車２１および２３のエネルギーは次式で表すことができる。

Ｗ=Ｃ×１／２・ρＡＶ^３＝Ｃ×１／２πｒ^２ρＶ^３ （Ｊ／ｓ） （１）
ここで、Ｃ：羽根車２１および２３の効率、ρ：燃料または水の密度、Ａ：羽根車２１および２３の燃料あるいは水を受ける面積、Ｖ：燃料または水の流速である。

（１）式で表されるように燃料と水の流量比は、羽根車２１および２３の効率、燃料または水を受ける面積により決定される。従って、羽根車２１および２３の効率と燃料あるいは水を受ける面積に従って、燃料と水を安定した混合比にて改質部３へ供給することができる。

また、羽根車２１および羽根車２３との間にはシャフト２２が設けられているので、燃料の通過する空間と水の通過する空間との間には、ケース２５とシャフト２２との間の隙間が存在する。しかし、燃料と水はどちらも改質部３に最終的に供給されるので、シャフト２２とケース２５との間に摩擦損失の大きいパッキンを設ける必要がない。従って、特に燃料の供給に消費される電力を使用するポンプを水の供給のために設けることなしに、効率的に燃料の流れによって発生した回転を羽根車２１に伝達することができる。

なお、図２に示すとおり、シャフト２２に減速機または加速機（図２では減速機２４）を設け、燃料と水の混合比を設定することもできる。

（第２の実施の形態）
本発明による水素発生装置、およびこれを用いた燃料電池システムの第２の実施の形態について説明する。図３に第２の実施の形態に係るポンプ１８を示す。その他の構成については第１の実施の形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

ポンプ１８のシリンダーブロック４１には燃料タンク１４から燃料が供給される供給口４２ａおよび４２ｂが設けられている。同様にシリンダーブロック４１には燃料を改質部３に供給するための排出口４３ａおよび４３ｂが設けられている。

シリンダーブロック４１の内部には、往復動可能に設けられたスリーブ４４が設けられている。スリーブ４４が往復動することにより、供給口４２ａが開の場合には供給口４２ｂおよび排出口４３ａが閉であって排出口４３ｂが開となる状態、供給口４２ｂが開の場合には供給口４２ａおよび排出口４３ｂが閉であって排出口４３ａが開となる状態、とが切り替わる。

スリーブ４４の内部にはピストン４５が設けられている。燃料が供給されることにより、ピストン４５は往復動する。ピストン４５が往復動することによりスリーブ４４は往復動されるように、スリーブ４４は設けられている。

ピストン４５はシャフト４６と連結されており、水供給側のピストン５５にその往復動が伝達される。

ポンプ１８のシリンダーブロック５１には水タンク１５から水が供給される供給口５２ａおよび５２ｂが設けられている。同様にシリンダーブロック５１には水を気化部２に供給するための排出口５３ａおよび５３ｂが設けられている。

シリンダーブロック５１の内部には、往復動可能に設けられたスリーブ５４が設けられている。スリーブ５４が往復動することにより、供給口５２ａが開の場合には供給口５２ｂおよび排出口５３ａが閉であって排出口５３ｂが開となる状態、供給口５２ｂが開の場合には供給口５２ａおよび排出口５３ｂが閉であって排出口５３ａが開となる状態、とが切り替わる。

スリーブ５４の内部にはピストン５５が設けられている。ピストン５５が往復動することにより水が供給されるように、スリーブ５４は設けられている。

この一連の往復動を繰り返すことにより燃料タンク１４内部の圧力によって供給される燃料によって、気化部２に水を供給することができる。すなわち、特に燃料の供給に消費される電力を使用するポンプを水の供給のために設けることなしに、水を気化部２に供給することができる。

また、シリンダーの容量によって燃料と水の供給量の比が決定されるため、燃料と水を安定した混合比にて改質部３へ供給することができる。

（変形例）
図４に示すように、例えば燃料にメタノールの様な通常の燃料水素発生装置１の使用環境である常温大気圧下では沸点を越えない燃料を用いる場合は、別途燃料気化部６１を設けることができる。また、図示しない速度センサを用いて、ポンプ１８に設けられたシャフト２２または４６の速度を検出することによって、燃料および水の供給量を測定することができ、別途流量計を省略することができる。

第１の実施の形態に係る水素発生装置およびこれを用いた燃料電池システム 第１の実施の形態に係るポンプ 第２の実施の形態に係るポンプ 第１および第２の実施の形態に係る水素発生装置およびこれを用いた燃料電池システムの変形例

符号の説明

１ 水素発生装置
２ 気化部
３ 改質部
４ ＣＯシフト部
５ ＣＯ除去部
６ 燃料電池セル
７ 燃焼部
８ 断熱部
９ 燃料極
１０ 酸化剤極
１１ 電解質膜
１２、１３、１８ ポンプ
１４ 燃料タンク
１５ 水タンク
１６ 調整弁
１７ 開閉弁
２１、２３ 羽根車
２２、４６ シャフト
２４ 減速機
２５ ケース
４１，５１ シリンダーブロック
４２ａ、４２ｂ、５２ａ、５２ｂ 供給口
４３ａ、４３ｂ、５３ａ、５３ｂ 排出口
４４，５４ スリーブ
４５、５５ ピストン
４６ シャフト
６１ 燃料気化部

Claims (4)

1. 燃料を貯蔵するための燃料タンクと、
   前記燃料の流量を制御するための流量調節部と、
   水を貯蔵するための水タンクと、
   前記流量調節部によって流量が制御された前記燃料によって駆動され、前記水を送液するためのポンプと、
   送液された水を気化するための水気化器と、
   前記燃料および気化された前記水を、水素を含む気体へと改質するための改質部と、
   を有することを特徴とする水素発生装置。
2. 前記ポンプは前記燃料によって駆動される第１の羽根車と、前記水を送液するための第２の羽根車と、前記第１の羽根車と前記第２の羽根車とを連結する連結シャフトとを有することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
3. 前記ポンプは、第１のシリンダーと、
   前記第１のシリンダー内部に往復動可能に設けられ、前記燃料によって駆動される第１のピストンと、
   第２のシリンダーと、
   前記第２のシリンダー内部に往復動可能に設けられ、前記水を送液するための第２のピストンと、
   前記第１のピストンと前記第２のピストンとを連結する連結シャフトとを有することを特徴とする請求項１に記載の水素発生装置。
4. 燃料を貯蔵するための燃料タンクと、
   前記燃料の流量を制御するための流量調節部と、
   水を貯蔵するための水タンクと、
   前記流量調節部によって流量が制御された前記燃料によって駆動され、前記水を送液するためのポンプと、
   送液された水を気化するための水気化器と、
   前記燃料および気化された前記水を、水素を含む気体へと改質するための改質部と、
   前記水素を含む気体と酸素を用いて発電するための燃料電池セルと、
   を有することを特徴とする燃料電池。

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