JP2000119001A - 水素生成装置 - Google Patents

水素生成装置

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JP2000119001A JP10291208A JP29120898A JP2000119001A JP 2000119001 A JP2000119001 A JP 2000119001A JP 10291208 A JP10291208 A JP 10291208A JP 29120898 A JP29120898 A JP 29120898A JP 2000119001 A JP2000119001 A JP 2000119001A
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hydrogen
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fuel cell
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Satoshi Aoyama
智 青山
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 移動体の動力源としての燃料電池への水素供
給の応答性すなわち水蒸気量の供給応答性を高める水素
生成装置を提供する。 【解決手段】 本発明の、移動体が移動する推進力が燃
料電池の電力により賄われる移動体用の燃料電池のため
の水素生成装置は、移動体が移動中にその移動条件にお
いて必要な電力を該燃料電池が発生するに必要な水素を
発生させるための水蒸気量以上の水蒸気を発生させる水
蒸気生成部を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、移動体が移動する
推進力が燃料電池の電力により賄われる移動体用の燃料
電池のための水素生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、燃料が有しているエネルギーを
電気エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られ
ている。燃料電池は、通常、電解質を挟むように配置さ
れた一対の電極を有している。一対の電極のうち一方の
電極の表面に水素の反応ガスを接触させ、一対の電極の
うち他方の電極の表面に酸素を含有する空気を接触させ
ることにより、電気化学反応が発生する。燃料電池は、
この電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギ
ーを取り出すものである。その時、前記一方の電極に供
給される水素は水素タンクから供給される場合と、炭化
水素系の原料（メタノールやメタン等）を改質部にて水
素リッチガス（大部分が水素で残りが一酸化炭素、二酸
化炭素等の混合ガス）に改質することで供給される場合
がある。たとえば、メタノールを改質する場合にはメタ
ノール（液体）と水の混合液を蒸発部にて蒸気とし、改
質触媒にて水素リッチガス（大部分が水素で残り一酸化
炭素、二酸化炭素等の混合ガス）に改質したのちに、燃
料電池の電極に有害な一酸化炭素を酸化反応にて二酸化
炭素とし、水素リッチガス中の一酸化炭素を低減して燃
料電池へ供給される。特開平６−１８１０６５号公報に
は燃料電池を利用するシステムが開示されており、特に
火力発電所のボイラからの廃熱、たとえば余剰水蒸気を
利用して水蒸気改質を行い、水蒸気発生のためのエネル
ギーを節約できるとともに余剰の水蒸気により燃料電池
の負荷変動にも対応できるようになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、移動体
の動力源としての燃料電池にあっては、このような構成
のように廃熱をさほど期待できないため、移動体の移動
状態の変化（たとえば加速）時における燃料電池の要求
出力に対する実出力の応答性（すなわちそれは燃料電池
への水素供給量の応答性である）は、水蒸気改質による
水素発生に必要な水蒸気量の変化（加速時には増量）応
答性により律速されているのが現状であった。本発明は
上記の問題に鑑みて、移動体に過剰の熱源を搭載するこ
となく、移動体の動力源としての燃料電池への水素供給
の応答性、すなわち水蒸気量の供給応答性を高めること
を目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の、移動体が移動
する推進力が燃料電池の電力により賄われる移動体用の
燃料電池のための水素生成装置は、移動体が移動中にそ
の移動条件において必要な電力を前記燃料電池が発生す
るに必要な水素を発生させるための水蒸気量以上の水蒸
気を発生させる水蒸気生成部を有し、そのことにより上
記目的が達成される。
【０００５】前記水蒸気が、前記必要な水蒸気量の１０
０％〜３００％であることが好ましい。
【０００６】前記水蒸気の最大値が、前記燃料電池の最
大負荷時の水蒸気量であることが好ましい。
【０００７】前記水蒸気生成部が、熱を発する熱源と、
前記熱源からの熱により、水から水蒸気を生成するため
の水蒸気タンクと、前記水蒸気の量または前記熱源が発
する前記熱を制御する制御部を備えていてもよい。
【０００８】前記熱源がＣＯ選択酸化部であってもよ
い。
【０００９】前記熱源が燃料を燃焼する機構であっても
よい。
【００１０】前記制御部が前記ＣＯ選択酸化部中のＣＯ
量を変化させることにより、前記ＣＯ選択酸化部が生成
する熱を制御してもよい。
【００１１】前記制御部が前記ＣＯ選択酸化部中のＯ2
量を変化させることにより、前記ＣＯ選択酸化部が生成
する熱を制御してもよい。
【００１２】前記制御部が改質部に供給される水蒸気量
を変化させることにより、前記ＣＯ選択酸化部が生成す
る熱を制御してもよい。
【００１３】前記制御部が、前記水蒸気タンクの水位を
検知する水位検出器と、前記水蒸気タンクの圧力を調整
する圧力弁とを有していてもよい。
【００１４】以下、作用を説明する。
【００１５】本発明の燃料電池における水蒸気生成部を
有する水素生成装置は移動体に搭載されている。水蒸気
生成部は、移動体が移動中に通常の移動条件において必
要な電力を燃料電池が発生するに必要な水素を発生させ
るための水蒸気量以上の水蒸気を発生する。このため、
移動体の移動条件が、通常の移動条件から急加速を行う
移動条件になったとしても、本発明の水素生成装置は十
分な水蒸気を改質部に送ることができ、移動体が急加速
を行うための電力を燃料電池が発生するに必要な水素が
生成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態を説明する。
【００１７】（実施形態１）図１は移動体１に搭載され
る燃料電池２を示す図であり、図２は燃料電池２のブロ
ック図である。
【００１８】燃料電池２は、水蒸気生成部１１、燃料タ
ンク１２、改質部１３、ＣＯ選択酸化部１４、および固
体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと称す）１５を備
えている。ここで、水蒸気生成部１１、燃料タンク１
２、改質部１３、およびＣＯ選択酸化部１４を水素生成
装置と称す。
【００１９】水蒸気生成部１１は水から水蒸気を生成
し、燃料タンク１２は炭化水素系の原料（メタノールや
メタン等）である燃料を貯蔵している。燃料タンク１２
の燃料と水蒸気生成部１１で生成された水蒸気は、改質
部１３に送られる。それらは、改質部１３の改質触媒に
て水素リッチガスに改質される。水素リッチガスの大部
分は、Ｈ2であり、その残りはＣＯおよびＣＯ2などの混
合ガスである。水素リッチガスはＣＯ選択酸化部１４に
送られる。ＣＯ選択酸化部１４は、ＰＥＦＣ１５の電極
に有害なＣＯ濃度をｐｐｍレベルまで低減するため、水
素リッチガスに含まれるＣＯを選択的に酸化する。ＣＯ
が低減された水素リッチガスがＰＥＦＣ１５に送られ、
水素リッチガスおよび酸素から電気エネルギーが取り出
される。
【００２０】上述したように、従来の燃料電池では、燃
料電池が電気エルルギーを出力するために、水を水蒸気
にする工程が応答性を律速する段階となる。しかしなが
ら、第１の実施形態における水蒸気生成部１１は、移動
体１が移動中にその移動条件において必要な電力を燃料
電池が発生するに必要な水素を発生させるための水蒸気
量以上の水蒸気を生成することができる。その構成を図
３を用いて説明する。
【００２１】図３は、水蒸気生成部１１の構成を示す図
である。
【００２２】水蒸気生成部１１は、熱を発する熱源３１
と、熱源３１からの熱により、水から水蒸気を生成する
ための水蒸気タンク３２と、制御装置３３を備えてい
る。
【００２３】制御装置３３は、水蒸気タンク３２によっ
て生成される水蒸気量が、移動体１が移動中に通常の移
動条件において必要な電力を燃料電池２が発生するに必
要な水素を発生させるための水蒸気量以上になるよう
に、少なくとも熱源３１を制御する。
【００２４】上記通常の移動条件とは、移動体１が車両
であり市街地で移動する場合における、最も多く利用さ
れる条件であり、燃料電池２の最大負荷の約１／３であ
る。上記通常の移動条件で、移動体１が移動するために
必要な電気エネルギーを生成するためには、Ｓ1ｍｏｌ
の水蒸気を改質部１３に供給する必要がある。また、燃
料電池２の最大負荷で移動体１が移動する場合、その移
動に必要な電気エネルギーを生成するためには、約３Ｓ
1ｍｏｌの水蒸気を改質部１３に供給する必要がある。
ここで、燃料電池２の最大負荷で移動体１が移動する場
合とは、移動体１が高速（たとえば、時速１００ｋｍ）
で所定の勾配を上る場合などである。また、水蒸気タン
ク３２によって生成される水蒸気の最大値は、燃料電池
２の最大負荷における水蒸気量である。
【００２５】従って、制御装置３３は、上記通常の移動
条件で移動体が移動するために必要な電力を該燃料電池
が発生するに必要な水素を発生させるための水蒸気量の
約１００％〜約３００％の水蒸気が常に水蒸気タンク３
２にて生成されるように、少なくとも熱源３１を制御す
ることが好ましい。
【００２６】熱源３１は、燃料タンク１２に貯蔵されて
いるメタノールなどの燃料および／またはＨ2を燃焼す
る機構であってもよい。Ｈ2としては、ＰＥＦＣ１５で
未反応であったものを用いることが好ましい。
【００２７】また、熱源３１として、ＣＯ選択酸化部１
４だけが用いられてもよいし、ＣＯ選択酸化部１４と上
記機構を組み合わせたものが用いられてもよい。熱源３
１として、ＣＯ選択酸化部１４が用いられる場合、水蒸
気を生成するために水蒸気タンク３２に熱を加えるヒー
タなどの構成を省略することができる。また、ＣＯ選択
酸化部１４の廃熱を利用しているため、そのような構成
はエネルギーを有効に利用することができる。
【００２８】熱源がＣＯ選択酸化部１４である場合、制
御装置３３は、ＣＯ選択酸化部１４中のＯ2量を変化さ
せて、ＣＯ選択酸化部１４が発する熱量を制御してもよ
い。ＣＯ選択酸化部１４中のＯ2量が多いと、ＣＯ選択
酸化部１４が発する熱量が多くなり、ＣＯ選択酸化部１
４中のＯ2量が少ないと、ＣＯ選択酸化部１４が発する
熱量が少なくなる。
【００２９】熱源がＣＯ選択酸化部１４である場合、制
御装置３３は、ＣＯ選択酸化部１４中のＣＯ量を変化さ
せて、ＣＯ選択酸化部１４が発する熱量を制御してもよ
い。ＣＯ選択酸化部１４中のＣＯ量が多いと、ＣＯ選択
酸化部１４が発する熱量が多くなり、ＣＯ選択酸化部１
４中のＣＯ量が少ないと、ＣＯ選択酸化部１４が発する
熱量が少なくなる。
【００３０】ＣＯ選択酸化部１４中のＣＯ量を変化させ
る一つの方法として、制御装置３３が、改質部１３に供
給する水蒸気量を変化させてもよい。改質部１３に供給
する水蒸気量が多いと、改質部１３が生成するＣＯ量が
少なくなり、改質部１３に供給する水蒸気量が少ない
と、改質部１３が生成するＣＯ量が多くなる。
【００３１】本実施形態の、水蒸気生成部１１を有する
移動体用の燃料電池２のための水素生成装置は、通常の
移動条件において必要な電気エネルギーを燃料電池２が
発生するに必要な水素を発生させるための水蒸気量以上
の水蒸気を発生することができる。
【００３２】このため、移動体１の運転条件が通常の運
転条件から急加速を行う運転条件になったとしても、水
蒸気生成部１１は十分な水蒸気を改質部１３に送り、改
質部１３は移動体１が必要な電気エネルギーを燃料電池
が発生するに必要な水素を発生させ、移動体１は、燃料
電池２が生成した電気エネルギーにより、急加速を行う
ことができる。
【００３３】（実施形態２）以下に、熱源としてＣＯ選
択酸化部を用いた、第２の実施形態における水蒸気生成
部の具体例を図４を用いて説明する。
【００３４】図４は、ＣＯ選択酸化部４１および水蒸気
タンク４２を備えた水蒸気生成部４０を示す図である。
【００３５】水蒸気生成部４０は、ＣＯ選択酸化部４
１、水蒸気タンク４２、制御装置４３、弁４４、水位セ
ンサ４５、圧力センサ４６、圧力調整弁４７、凝縮器４
８、水タンク４９、ポンプ５０、および燃焼部５１を備
えている。
【００３６】ＣＯ選択酸化部４１は、改質部（図示され
ず）で生成されたＨ2、ＣＯ2およびＣＯのうちＣＯを選
択的に酸化する。ＣＯ選択酸化部４１は、ＣＯを酸化す
るときに熱を発する。ＣＯ選択酸化部４１の触媒として
は、白金ルテニウム合金などが使用されてもよい。
【００３７】水蒸気タンク４２は、ＣＯ選択酸化部４１
が発する熱と、燃焼部５１で燃料電池からの未利用のＨ
2を燃焼することにより得られた熱を受け取り、水から
水蒸気を生成する。なお、水蒸気タンク４２は、ＣＯ選
択酸化部４１が発する熱または燃焼部５１が発する熱の
どちらか一方により、水から水蒸気を生成してもよい。
【００３８】制御装置４３は、水蒸気タンク４２によっ
て生成される水蒸気量が、移動体１が移動中に通常の移
動条件において必要な電気エネルギーを燃料電池２が発
生するに必要な水素を発生させるための水蒸気量以上に
なるように、ＣＯ選択酸化部４１および燃焼部５１のう
ちの少なくとも１つを制御する。
【００３９】具体的には、制御装置４３は、通常の移動
条件で移動体が移動するために必要な電力を該燃料電池
が発生するに必要な水素を発生させるための水蒸気量の
約１００％〜約３００％の水蒸気が常に水蒸気タンク４
２にて生成されるように、ＣＯ選択酸化部４１および燃
焼部５１のうちの少なくとも１つを制御する。なお、水
蒸気タンク４２によって生成される水蒸気の最大値は、
燃料電池２の最大負荷における水蒸気量である。
【００４０】上述したように、ＣＯ選択酸化部４１中の
ＣＯ量を変化させて、ＣＯ選択酸化部４１が発する熱量
を制御してもよい。たとえば、制御装置４３は、改質部
（図示されず）に供給する水蒸気量が所定の値になるよ
うに、弁４４を制御する。改質部に供給する水蒸気量が
変化すると、改質部（図示されず）が生成するＣＯ量が
変化する。なお、制御装置４３は、ＣＯ選択酸化部４１
中のＣＯ量を直接変化させてもよい。また、制御装置４
３は、ＣＯ選択酸化部４１中のＯ2量を変化させて、Ｃ
Ｏ選択酸化部４１が発する熱量を制御してもよい。
【００４１】制御装置４３は、水蒸気タンク４２の水位
を検出する水位センサ４５に接続されている。制御装置
４３は、水位センサ４５から信号を受け取り、ポンプ５
０を制御する。水蒸気タンク４２の水位が所定の値のよ
り低くなると、制御装置４３は、水蒸気タンク４２の水
位が所定の値になるように、ポンプ５０を制御し、水タ
ンク４９の水を水蒸気タンク４２に導く。この結果、水
蒸気タンク４２の水位が一定に保たれ、ＣＯ選択酸化部
４１が水タンク４９の水により均一的に冷却される。こ
こで、ＣＯ選択酸化部４１内のＣＯ選択酸化反応を行う
ための触媒は、ある一定の温度に保つ必要がある。その
温度よりも高いと、ＣＯを選択して酸化することが難し
く、逆にその温度より低いとＣＯの酸化反応そのものが
起き難くなる。そのため、ＣＯ選択酸化部４１が均一に
冷却されないと、ＣＯ選択酸化反応を行うための触媒の
温度が最適温度からはずれて、ＣＯ濃度をｐｐｍレベル
まで、低減することができなくなる。
【００４２】圧力センサー４６は、水蒸気タンク４２の
圧力を検出する。圧力センサー４６は、検出した圧力に
応じて圧力調整弁４７を調整し、水蒸気タンク４２の圧
力が所定の値になるように加圧する。このような圧力調
整により、水蒸気タンク４２の水温は圧力により決まる
沸点に保たれる。言い換えると、ＣＯ選択酸化部４１を
冷却するための水の温度が一定となる。本実施形態の一
例では、水温は、約１４０℃で沸点となるように圧力が
調整される。
【００４３】水蒸気タンク４２から圧力調整弁４７を介
して放出された水蒸気は、凝縮器４８に送られ、そこで
水となる。凝縮器４８で生成された水や燃料電池から回
収された水は、水タンク４９に貯蔵される。
【００４４】本実施形態の、水蒸気生成部４０を有する
移動体用の燃料電池２のための水素生成装置は、通常の
移動条件において必要な電気エネルギーを燃料電池２が
発生するに必要な水素を発生させるための水蒸気量以上
の水蒸気を発生することができる。
【００４５】このため、移動体１の運転条件が通常の運
転条件から急加速を行う運転条件になったとしても、水
蒸気生成部４０は十分な水蒸気を改質部１３に送り、改
質部１３は移動体１が必要な電気エネルギーを燃料電池
が発生するに必要な水素を発生させ、移動体１は、燃料
電池２が生成した電気エネルギーにより、急加速を行う
ことができる。
【００４６】なお、上記効果を得るために、必ずしも本
実施形態の水蒸気生成部４０は、凝縮器４８、水タンク
４９、ポンプ５０、および燃焼部５１を備えていなくて
もよい。
【００４７】
【発明の効果】本発明の、移動体が移動する推進力が燃
料電池の電力により賄われる移動体用の燃料電池のため
の水素生成装置は、移動体が移動中にその移動条件にお
いて必要な電力を該燃料電池が発生するに必要な水素を
発生させるための水蒸気量以上の水蒸気を発生させる水
蒸気生成部を有している。このため、水から水蒸気を生
成する工程が応答性を律速する段階とならず、移動体は
短時間で加速するために必要な電気エネルギーを得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】移動体１に搭載される燃料電池２を示す図であ
る。
【図２】燃料電池２のブロック図である。
【図３】水蒸気生成部１１の詳細を示す図である。
【図４】ＣＯ選択酸化部４１および水蒸気タンク４２を
備えた水蒸気生成部４０を示す図である。
【符号の説明】
１ 移動体 ２ 燃料電池 １１ 水蒸気生成部 １２ 燃料タンク １３ 改質部 １４ ＣＯ選択酸化部 １５ ＰＥＦＣ ３１ 熱源 ３２ 水蒸気タンク ３３ 制御装置

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 移動体が移動する推進力が燃料電池の電
    力により賄われる移動体用の燃料電池のための水素生成
    装置であって、移動体が移動中にその移動条件において
    必要な電力を該燃料電池が発生するに必要な水素を発生
    させるための水蒸気量以上の水蒸気を発生させる水蒸気
    生成部を有することを特徴とする水素生成装置。
  2. 【請求項２】 前記水蒸気が、前記必要な水蒸気量の１
    ００％〜３００％である、請求項１に記載の水素生成装
    置。
  3. 【請求項３】 前記水蒸気の最大値が、前記燃料電池の
    最大負荷時の水蒸気量である、請求項１に記載の水素生
    成装置。
  4. 【請求項４】 前記水蒸気生成部が、熱を発する熱源
    と、該熱源からの熱により、水から水蒸気を生成するた
    めの水蒸気タンクと、該水蒸気の量または該熱源が発す
    る該熱を制御する制御部を備えた、請求項１〜３のうち
    の１つに記載の水素生成装置。
  5. 【請求項５】 前記熱源がＣＯ選択酸化部である、請求
    項４に記載の水素生成装置。
  6. 【請求項６】 前記熱源が燃料を燃焼する機構である、
    請求項４に記載の水素生成装置。
  7. 【請求項７】 前記制御部が前記ＣＯ選択酸化部中のＣ
    Ｏ量を変化させることにより、該ＣＯ選択酸化部が生成
    する熱を制御する、請求項５に記載の水素生成装置。
  8. 【請求項８】 前記制御部が前記ＣＯ選択酸化部中のＯ
    2量を変化させることにより、該ＣＯ選択酸化部が生成
    する熱を制御する、請求項５に記載の水素生成装置。
  9. 【請求項９】 前記制御部が改質部に供給される水蒸気
    量を変化させることにより、前記ＣＯ選択酸化部が生成
    する熱を制御する、請求項５に記載の水素生成装置。
  10. 【請求項１０】 前記制御部が、前記水蒸気タンクの水
    位を検知する水位検出器と、前記水蒸気タンクの圧力を
    調整する圧力弁とを有している、請求項４〜９のうちの
    １つに記載の水素生成装置。
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