JP2000233903A

JP2000233903A - メタノールを燃料とする車載用燃料電池システムおよび車

Info

Publication number: JP2000233903A
Application number: JP11070643A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yanaru; 英明矢鳴; Masakazu Sasaki; 正和佐々木; Goji Suzuki; 剛司鈴木; Hitoshi Nakamura; 仁中村; Yuzuru Yanagisawa; 譲柳澤
Original assignee: Toyo Engineering Corp
Current assignee: Toyo Engineering Corp
Priority date: 1999-02-10
Filing date: 1999-02-10
Publication date: 2000-08-29
Anticipated expiration: 2019-02-10
Also published as: JP3283483B2

Abstract

(57)【要約】【課題】メタノールを燃料とする車載用燃料電池シス
テムおよび該システムを有する自動車を提供することを
目的とする。【解決手段】メタノールをメタノール分解器で分解後、
該分解ガスを湿潤した水素と一酸化炭素に富む非透過ガ
スとにＰｄ膜で分離し、該一酸化炭素に富む非透過ガス
と水とをシフト反応後、湿潤した水素と二酸化炭素に富
む非透過ガスとにＰｄ膜で分離され、前記湿潤した水素
は合流後燃料電池のアノード側に供給され、燃料電池の
カソード側に供給された空気の未反応量と前記燃料電池
のアノード側に供給された水素の未反応量と前記シフト
反応における非透過ガスとが前記メタノール分解器に供
給され、前記メタノール分解器の加熱部の熱源とされ、
該加熱部の排ガスをメタノールのガス化および水のガス
化の熱源とする車載用燃料電池システムおよび該システ
ムを有する自動車である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メタノールを燃料
とする車載用燃料電池システムおよび該システムを有す
る自動車に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素分離型リフォーマーを用いた水素製
造装置では、メタンやメタノール等の燃料を水蒸気改質
反応とシフト反応によって水素と二酸化炭素とにし、水
素を水素分離膜を通して選択的に分離している。水素の
分離には、前記水素分離膜の透過側に不活性ガス、不活
性ガスと水蒸気、水蒸気あるいは減圧にすることによっ
て実施されていた。なお、前記水素分離膜としては、例
えば、パラジュウム合金（以下、Ｐｄと称す）からなる
ものが使用されていた。従来、特開平５−１４７９０２
号公報、特開平７−１０９１０５号公報、特開平７−１
０９１０６号公報等に炭化水素又はメタノールとの混合
ガスから水蒸気改質反応により工業的規模で水素を製造
する装置が開示されている。また、これらの公報には、
水素および二酸化炭素等からなるガスから水素分離膜を
通して水素を回収しやすくするため、水素の透過側に不
活性ガス、水蒸気あるいはこれらの混合ガスをスイープ
ガスとして供給する方法が開示されている。しかしなが
ら、通常の工業的規模での実施を目的としているため、
詳細は後述する本発明の目的およびシステムとは異なっ
たものであった。

【０００３】一方、ＮＯｘやＳＯｘ等を含むガスを排気
するガソリンを燃料とする自動車から、これらを排気ガ
スに含まないメタノールを燃料とする自動車の開発が近
年注目されるようになってきた。メタノールを燃料とす
る自動車を開発するためには、メタノールを燃料とする
車載用燃料電池システムの開発が必要である。このよう
な観点から、ＮＩＴＲＯＧＥＮＮｏ２３０、Ｎｏｖｅ
ｍｂｅｒ−Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９９７、ｐ４３〜５２に
メタノールの水蒸気改質およびメタノールの部分酸化に
よる燃料電池への水素の供給システムの概念が掲載され
ている。図５は、従来のメタノールを燃料とする車載用
燃料電池システムの概念を説明するブロックフロー図で
ある。図５においてメタノールと水とが改質反応により
未反応メタノール、水蒸気、水素、一酸化炭素および二
酸化炭素からなる改質ガスとされ、該改質ガスに空気が
供給されＣＯ選択酸化器において一酸化炭素が選択的に
二酸化炭素とされ、これらのガスが燃料電池に供給され
ることを示す。したがって、未反応メタノール、水蒸
気、水素、二酸化炭素および窒素を含む水素濃度が低い
多量のガスが燃料電池に供給されることになる。

【０００４】一方、詳細は後述するが、本発明のメタノ
ールを燃料とする車載用燃料電池システムの概念を説明
するブロックフロー図である図４においてメタノール
は、メタノール分解器で分解され、未分解メタノール、
水素および一酸化炭素となるが、メタノール分解器に内
蔵される水素透過膜で水素が分離される。ここに、メタ
ノール分解反応が促進され未分解メタノールはほとんど
ない。また、非透過ガスである一酸化炭素はシフト反応
器に供給され水素と二酸化炭素とされ、シフト反応器に
内蔵される水素透過膜で水素が分離され、シフト反応が
促進される。メタノール分解器およびシフト反応器から
の水素を合流させ燃料電池に供給する。このように、燃
料電池に供給する水素中には一酸化炭素は含まれず、前
記先行する技術とは明らかに異なるものであるといえ
る。

【０００５】さて、図６は、図５を詳細に説明する従来
のメタノールを燃料とする車載用燃料電池システムの一
実施形態を示す説明図である。図６において、メタノー
ルタンク（図示しない）と水タンク（図示しない）から
メタノールおよび水が供給され、メタノールおよび水の
混合物２０１がライン２２０を経て改質器２０３と燃焼
器２１０とが一体化された改質装置２０２の改質器２０
３に供給され、水蒸気とメタノールとのモル比（以下、
Ｓ／Ｃと称する）が２〜３の条件下の水蒸気改質反応に
より、水素、一酸化炭素、二酸化炭素が生成され、改質
ガスとされる。該改質ガスは、ライン２２１からＣＯ選
択酸化器２０４に供給され、また、ライン２２２より空
気がＣＯ選択酸化器２０４に供給され、ＣＯ選択酸化器
２０４において一酸化炭素が選択的に二酸化炭素に酸化
される。後述する固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦ
Ｃと称す）２０５のアノード２０６には白金触媒層が設
けられており、その触媒毒である一酸化炭素濃度を１０
０ｐｐｍ以下にする必要があるためである。ＣＯ選択酸
化器２０４の出口ガスには、水蒸気、水素、二酸化炭
素、１００ｐｐｍ以下の一酸化炭素および窒素が含まれ
る。該ＣＯ選択酸化器２０４の出口ガスはライン２２３
を経てＰＥＦＣ２０５のアノード側２０６に送られ、ま
たライン２２５からはエアーコンプレッサー２０８によ
りライン２２６経由で空気がカソード側２０７に送られ
ライン２２７から排出される。ＰＥＦＣ２０５から取り
出された電力はライン２２８によりコンバーターへと送
られ、その一部はコンプレッサー２０８の動力源のモー
ター２０９に、それ以外は車の駆動用モーターの電源と
して使用される。カソードオフガスはライン２２７より
排出される。燃焼器２１０には、前記メタノールタンク
からライン２３０よりメタノール、ライン２２９よりア
ノードオフガス、ライン２３１より空気が送られ、改質
器２０３の熱源となり、燃焼後のガスはライン２３２か
ら排出される。

【０００６】以上説明したように、先行の車載用燃料電
池システムにおいて、改質ガス中の一酸化炭素を１００
ｐｐｍ以下にするため、ＣＯ選択酸化器に前記改質ガス
および空気を供給する。したがって、ＣＯ選択酸化器の
出口ガスには、水蒸気、水素、二酸化炭素、窒素および
１００ｐｐｍ以下の一酸化炭素が含まれる。このＣＯ選
択酸化器に改質ガスおよび空気を供給し一酸化炭素を燃
焼させるシステムを含む前記車載用燃料電池システム
は、扱うガス量が大であり、寸法的に大きくなる。さら
に、前記ＰＥＦＣへ供給する水素濃度が低くなってい
た。このように前記水蒸気改質反応と一酸化炭素の選択
酸化反応との組み合わせを利用するメタノールを燃料と
する車載用燃料電池システムは、扱うガス量が大であ
り、該システムを小型化しにくいという事情があった。

【０００７】

【本発明が解決しようとする課題】前述のように先行す
るメタノールの水蒸気改質反応とＣＯ選択酸化反応の組
み合わせを利用するメタノールを燃料とする車載用燃料
電池システムは、扱うガス量が大であり、該システムを
小型化しにくいことおよび燃料電池の効率をさらに向上
させること等のなお改善すべき課題があった。本発明
は、上記改善すべき課題を解決する新規な手段を提供す
ることを目的とする。本発明者らは、上記事情に鑑み扱
うガス量を減らし小型化を図るべく鋭意検討をした。そ
の結果、メタノール分解反応とシフト反応を組み合わせ
るにあたり、前記いずれの反応においても水素のみを高
効率で分離できること、メタノール分解反応は１００％
進み易いこと、また、低Ｓ／Ｃでシフト反応も極めて進
み易いこと等から一酸化炭素を全く含まない水蒸気で湿
潤した水素が効率よく製造できること、さらに、全体の
系で扱うガス量が少なくてすむため、システムの小型化
が実現できること、等の知見を得た。すなわち、メタノ
ール分解とシフト反応を組み合わせた自力式の燃料電池
システムにおいて、（１）メタノールをメタノール分解
器で分解し、該メタノール分解器に内蔵された水素透過
膜の水素透過側にスイープガスとして水蒸気を供給し、
水素を透過させ湿潤した水素と一酸化炭素に富む非透過
ガスとにし、（２）前記一酸化炭素に富む非透過ガスを
シフト反応器に供給し、該シフト反応器に内蔵された水
素透過膜の水素透過側にスイープガスとして水蒸気を供
給し、水素を透過させ湿潤した水素と二酸化炭素に富む
非透過ガスとにし、（３）上記（１）および（２）で得
られる水蒸気で湿潤された水素を合流し燃料電池のアノ
ード側に供給し、（４）一方、燃料電池のカソード側に
供給された空気の未反応量のガスと燃料電池のアノード
側に供給された水素の未反応量のガスと前記（２）のシ
フト反応器における非透過ガスとが前記メタノール分解
器の加熱部に供給され、前記メタノール分解器の加熱部
の熱源とされ（５）あるいは燃料電池のカソード側に供
給された空気の未反応量のガスの一部と燃料電池のアノ
ード側に供給された水素の未反応量のガスの一部とから
水を回収し、燃料電池のカソード側に供給された空気の
未反応量のガスの残部と燃料電池のアノード側に供給さ
れた水素の未反応量のガスの残部と前記（２）のシフト
反応における非透過ガスとが前記メタノール分解器の加
熱部に供給され、前記メタノール分解器の加熱部の熱源
とされ、（６）前記メタノール分解器の加熱部から排出
されるガスをメタノールおよび水のガス化の熱源とする
と自立式でメタノールを燃料とする小型の車載用燃料電
池システムとすることができるとの知見を得た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記事情と上
記知見に基づきなされたもので、以下の手段で本発明の
目的は達成できる。すなわち、本発明は、（１）メタノ
ール分解とシフト反応とを組み合わせた自立式の燃料電
池システムにおいて、メタノールをメタノール分解器で
分解し、該メタノール分解器に内蔵された水素透過膜の
水素透過側にスイープガスとして水蒸気を供給し、水素
を透過させ湿潤した水素と一酸化炭素に富む非透過ガス
とにし、前記一酸化炭素に富む非透過ガスをシフト反応
器に供給し、該シフト反応器に内蔵された水素透過膜の
水素透過側にスイープガスとして水蒸気を供給し、水素
を透過させ湿潤した水素と二酸化炭素に富む非透過ガス
とにし、前記水蒸気で湿潤された水素を合流し燃料電池
のアノード側に供給し、一方、燃料電池のカソード側に
供給された空気の未反応量のガスと燃料電池のアノード
側に供給された水素の未反応量と前記シフト反応器にお
ける非透過ガスとが前記メタノール分解器の加熱部に供
給され、前記メタノール分解器の加熱部の熱源とされ、
前記分解器の加熱部から排出されるガスをメタノールお
よび水のガス化の熱源とするメタノールを燃料とする車
載用燃料電池システムであり、

【０００９】また、本発明は、（２）燃料電池のカソー
ド側に供給された空気の未反応量と燃料電池のアノード
側に供給された水素の未反応量と前記シフト反応器にお
ける非透過ガスとが前記メタノール分解器の加熱部に供
給され、前記メタノール分解器の加熱部の熱源とされる
にあたり、燃料電池のカソード側に供給された空気の未
反応量ガスの一部と燃料電池のアノード側に供給された
水素の未反応量の一部とから水を回収し水タンクに循環
されるメタノールを燃料とする車載用燃料電池システム
であることを含む。

【００１０】また、本発明は、（３）メタノール分解と
シフト反応とを組み合わせた自立式の燃料電池システム
を有する車において、メタノールをメタノール分解器で
分解し、該メタノール分解器に内蔵された水素透過膜の
水素透過側にスイープガスとして水蒸気を供給し、水素
を透過させ湿潤した水素と一酸化炭素に富む非透過ガス
とにし、前記一酸化炭素に富む非透過ガスをシフト反応
器に供給し、該シフト反応器に内蔵された水素透過膜の
水素透過側にスイープガスとして水蒸気を供給し、水素
を透過させ湿潤した水素と二酸化炭素に富む非透過ガス
とにし、前記水蒸気で湿潤された水素を合流し燃料電池
のアノード側に供給し、一方、燃料電池のカソード側に
供給された空気の未反応量のガスと燃料電池のアノード
側に供給された水素の未反応量と前記シフト反応器にお
ける非透過ガスとが前記メタノール分解器の加熱部に供
給され、前記メタノール分解器の熱源とされ、前記メタ
ノール分解器の加熱部から排出されるガスをメタノール
および水のガス化の熱源とするメタノールを燃料とする
車載用燃料電池システムを有する車であり、

【００１１】また、本発明は、（４）燃料電池のカソー
ド側に供給された空気の未反応量と燃料電池のアノード
側に供給された水素の未反応量と前記シフト反応器にお
ける非透過ガスとが前記メタノール分解器の加熱部に供
給され、前記メタノール分解器の加熱部の熱源とされる
にあたり、燃料電池のカソード側に供給された空気の未
反応量のガスの一部と燃料電池のアノード側に供給され
た水素の未反応量の一部とから水を回収し水タンクに循
環されるメタノールを燃料とする車載用燃料電池システ
ムを有する車であることを含む。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明において、燃料電池とは、
固体高分子型燃料電池をいう。図面を用いて本発明を説
明する。なお、図１〜図１１までに使用する符号は共通
である。図１は、本発明のメタノールを燃料とする車載
用燃料電池システムの一実施形態を示す説明図である。
図１において、メタノールタンク１から液状のメタノー
ルがライン２１を通り蒸発器３に供給されガス化され
る。この時、図１に記載されていないポンプがライン２
１に設置されその流量が制御される。ガス化に要する加
熱源については、後述する。

【００１３】ガス化されたメタノールは、ライン２３か
ら分岐されたライン２４およびライン２５を通り、メタ
ノール分解器５の分解ゾーン８に供給され、一酸化炭素
と水素とに分解される。前記分解ゾーン８には、触媒１
７が充填されている。該触媒１７として市販のＺｎ―Ｃ
ｒ系の触媒、例えば、商品名Ｚｎ−０３１２等が充填さ
れている。なお、メタノール分解反応は、周知のように
吸熱反応であり後述するメタノール分解器５の触媒６の
充填された加熱部によって熱が供給される。前記分解ゾ
ーン８では、圧力は５ｂａｒ〜２０ｂａｒ、好ましくは
１０ｂａｒ〜１５ｂａｒの圧下、分解温度は２５０℃〜
４００℃、好ましくは３００℃〜３６０℃、さらに好ま
しくは３４５℃〜３５５℃、空塔速度（以下、ＳＶと称
す）が５００／ｈ〜２５００／ｈ、好ましくは１０００
／ｈ〜１２００／ｈの条件下で運転され、一酸化炭素と
水素の混合ガスとなる。ここに、圧力が５ｂａｒ未満で
あると、充填すべき触媒１７の量が増えメタノール分解
器５の容積が大きくなりすぎることおよび水素の透過量
が減少することあり、避けることが好ましい。また、２
０ｂａｒを越えるとＰｄ膜７に圧力がかかりすぎること
があり、避けることが好ましい。前記分解温度が、２５
０℃未満であると、水素のＰｄ膜７での透過性が最適温
度条件下での数分の１〜１／１０に激減することがあり
避けるべきである。４００℃を越えると水素のＰｄ膜７
での透過性がよくなるが、触媒が劣化しやすくなるため
避けるべきである。Ｓ／Ｖは、５００／ｈ未満である
と、充填すべき触媒１７の量が増え、また、２５００／
ｈを越えると未反応のメタノールが増えるため避けるこ
とが好ましい。前記条件下では、メタノールの分解率
は、ほぼ１００％である。

【００１４】上記混合ガス中の水素は、Ｐｄ膜７を介し
流れ９としてＰｄ膜７を通過する。この時、水は水タン
ク２からライン２２を通り、蒸発器１４に供給されメタ
ノール分解器５の分解ゾーン８の運転圧力とほぼ同圧の
１０ｂａｒ〜１５ｂａｒの水蒸気となりライン４７を通
り、ライン４８で減圧されほぼ常圧の水蒸気となりＰｄ
膜７の透過側にスイープガスとして供給され、流れ９の
Ｐｄ膜７の透過性をよくするとともに、前記Ｐｄ膜７を
通過した水素を適宜湿潤し、流れ１０を冷却してライン
２６を通り、後述するライン５０と合流する。

【００１５】一方、メタノール分解器５の分解ゾーン８
の一酸化炭素に富む非透過ガスはライン２７およびライ
ン２８を通り、分解ゾーン８の温度と同温および同圧で
シフト反応器６５の反応ゾーン６８に供給される。該反
応ゾーン６８には、触媒１８が充填されている。該触媒
１８として市販のＣｕ系の触媒、例えば、商品名Ｃ１８
等が充填されている。前記反応ゾーン６８には、ライン
４７、ライン４９、ライン４９から分岐したライン５６
およびライン５９を通り分解ゾーン８の圧力とほぼ同圧
で、Ｓ／Ｃは１．０〜１．５、好ましくは１．０〜１．
２、ＳＶは２０００／ｈ〜６０００／ｈ、好ましくは３
０００／ｈ〜５０００／ｈとなるように水が供給され、
一酸化炭素はシフト反応により二酸化炭素と水素との混
合ガスとなる。シフト反応温度として２５０℃から４０
０℃、好ましくは３００℃〜３６０℃、さらに好ましく
は３４５℃〜３５５℃が選択される。２５０℃未満であ
ると、水素のＰｄ膜６７での透過性が最適温度条件下で
の数分の１〜１／１０に激減することがあり避けるべき
である。４００℃を越えると水素のＰｄ膜６７での透過
性がよくなるが、触媒が劣化しやすくなり、また、シフ
ト反応率が低下するため避けるべきである。Ｓ／Ｃが
１．０未満であると一酸化炭素が未反応ガスとして残
り、また、１．５を越えても反応がほぼ一定となるた
め、避けるべきである。なお、周知のようにシフト反応
は、発熱反応である。したがって、前記シフト反応温度
に保つため、除熱する必要がある。この図には記載して
いないが、前記反応器６５から除熱することによって温
度レベルの高い熱を回収できるため、該回収熱を蒸発器
３、蒸発器１４およびメタノール分解器５で必要な熱の
一部またはすべてを供給することもできる。

【００１６】この図では、ライン４７、ライン４９、ラ
イン５６、ライン５７およびライン５９は、シフト反応
器６５に供給する圧力を保持しており、ライン４８及び
ライン５８は、この図に記載されていない減圧弁でほぼ
常圧にされている場合を記載している。しかし、本発明
は、この例に限定されるものでなく、この図には記載さ
れていないシフト反応器６５に供給するための蒸発器を
別途設けてもよい。この場合には、蒸発器１４からの水
蒸気は、メタノール分解器５およびシフト反応器６５の
それぞれのスイープガスとして用いられるのはいうまで
もないことである。

【００１７】さて、前記混合ガス中の水素は、Ｐｄ膜６
７を介し流れ６９としてＰｄ膜６７を通過する。この
時、前記ライン４９経由でライン５７から分岐されたラ
イン５８を通りＰｄ膜６７の透過側にほぼ常圧の水蒸気
がスイープガスとして供給され、流れ６９としての水素
の透過性をよくするとともに、前記Ｐｄ膜６７を通過し
た水素を適宜湿潤し、流れ７０としてライン５０を通
り、前記ライン２６の湿潤した水素と合流後、ライン５
５において６０℃〜１００℃、好ましくは７５℃〜８５
℃に冷却され燃料電池１１のアノード１２に供給され
る。なお、前記温度に冷却された適宜湿潤したＨ_２の湿
潤度（以下、前記圧力、温度条件下での相対湿度と称
す）は１０％〜１００％、好ましくは、２０％〜１００
％が選択される。前記圧力、温度条件下での相対湿度が
１０％未満であると、燃料電池１１のアノード１２での
電極反応が起こり難くなというる不具合をもたらすこと
があり、また、１００％を越える過剰の水蒸気を供給し
ても発電効率は一定であるため避けるべきである。

【００１８】アノード：Ｈ_２＋２Ｈ_２Ｏ→２Ｈ_３Ｏ^＋Ｆ＋２ｅ⁻ カソード：Ｏ_２＋４Ｈ_３Ｏ^＋＋４ｅ⁻→４Ｈ_２Ｏ前記燃料電池１１では上記のように示される反応によ
り、電力が発生する。通常、１５００ｃｃ〜２０００ｃ
ｃクラスの自動車に付帯させる場合、２０ＫＷ〜５０Ｋ
Ｗ発電能力が要求される、といわれている。前記先行技
術における発電効率は、開示されていない。しかし、通
常、１ｋｗ当たり３０ｇｍｏｌ／ｈ〜５０ｇｍｏｌ／ｈ
の水素が必要であるとされている。前記燃料電池１１の
カソード１３にブロア１６からライン３４を通り量論よ
り１．５倍〜２倍程度過剰の空気が供給され、過剰の空
気等はライン３５を通り、ライン３６を経て大気に開放
されるか、または、ライン３５およびライン３３を通
り、ライン２９のアノードからのオフガスである水素等
と合流し、ライン３０からライン３１およびライン３２
を通り、シフト反応器６５における非透過ガス（後述す
るライン５１およびライン５２）と合流しライン５３お
よびライン５４を経てメタノール分解器５の加熱部に供
給され、触媒６により燃焼される。該燃焼ガスは、ライ
ン３７およびライン３８、ライン４１およびライン４３
を通り蒸発器３の加熱部に供給され、メタノールをガス
化するために必要な熱を供給した後、ライン３９および
ライン４６から大気に開放される。なお、触媒６は、Ｐ
ｄ系あるいはＰｔ系の触媒、例えば、商品名ＴＣ７９、
ＯＣＡＳ等が挙げられ、いずれかを選択すれば足りる。

【００１９】また、前記ガスの一部はライン３８から分
岐されたライン４０およびライン４１、ライン４４を通
り、スイープガス用の水蒸気を発生するための蒸発器１
４に供給され、ライン４２およびライン４５から大気に
開放される。

【００２０】なお、図１において蒸発器３、蒸発器１
４、メタノール分解器５およびシフト反応器６５は、別
々に設置されるように記載しているが、本発明はこれに
限定されることはなく、これらを一体化して用いること
もできるのはいうなでもないことである。これらを一体
化して用いると、ラインの省略による小型化が可能とな
る。

【００２１】さらに、図１においてライン２９から分岐
されたライン７３およびライン３５から分岐されたライ
ン７４のそれぞれの水蒸気を凝縮させ凝縮水としライン
７５を通り水タンク２に循環するあるいはライン７３お
よびライン７４それぞれの水蒸気を合流しライン７５で
凝縮させ凝縮水としライン７７を通り水タンク２に循環
することもできる。なお、凝縮水の一部を放出できるよ
うに放出ライン７６が設けられてもよい。なお、シフト
反応器６５へ供給する蒸発器を別途設ける場合には、ポ
ンプを設ければよく、前記Ｓ／Ｃが１．０〜１．５であ
るため、小さくて足り、特に、容積等がそのため増加し
すぎることはない。以上のように燃料電池のいわゆるカ
ソードのオフガスおよびアノードのオフガスから水を回
収すると、系内で必要な水が自給できるため、水タンク
２の容量が小さくできる。また、従来のガソリンを燃料
とするガソリン車にガソリンを補給するように、燃料で
あるメタノールを補給すれば足りることになる。

【００２２】以上、メタノールを燃料とする車載用燃料
電池システムについて説明したが、以下に、前記システ
ムを有する自動車について図２および図３を用い図１と
の対応をとりながら説明する。図２は、本発明のメタノ
ールを燃料とする車載用燃料電池システムを有する自動
車を模式的に示す正面図であり、図３は、その平面図で
ある。なお、図２および図３において、Ａは本発明の機
器を積んだ時の機器全体の長さを示し、Ｂは機器全体の
高さ、Ｃは機器全体の幅を示す。当然のことであるが、
車長Ｄ、車高Ｅおよび車幅Ｆはそれぞれ前記Ａ、Ｂおよ
びＣより大きいのは、いうまでもないことである。図２
および図３において、車１００には、その後部にメタノ
ールタンク１、水タンク２が設置され、その前方に蒸発
器３および蒸発器１４が重ねられるように設置される。
メタノールはポンプ１０４で蒸発器３に送られガス化さ
れ、該ガスは、前記蒸発器３に隣接するメタノール分解
器５に送られ、前記メタノールが一酸化炭素と水素に分
解される。一方、水はポンプ１０５により蒸発器１４に
送られガス化され、前述したようにスイープガスとして
メタノール分解器５およびシフト反応器６５に送られ
る。水素は、前述のように図１に記載するＰｄ膜７およ
びＰｄ膜６７の透過ガスとして水蒸気で湿潤した水素と
され、これらはこの図には記載しないが、従来の手段、
例えば、ラジエターにて冷却された冷却液で冷却されて
燃料電池１１のアノード１２（図１に記載）に供給され
る。一方、空気がブロアー１６により燃料電池１１のカ
ソード１３（図１に記載）に供給され、発電される。な
お、発進時には、バッテリ１０３が使用され、通常運転
時には燃料電池１１が使用され、モーター１０２を回転
させる。モーター１０２の回転が車軸１０６を通じタイ
ヤ１０１を回転させ自動車が走ることができる。

【００２３】図２および図３を用いて各機器の大きさお
よび車長、車幅、車高等を説明する。図３における車の
大きさは、３９８０ｍｍ×１６９５ｍｍであり、通常、
市販の２０００ｃｃクラスの車である。図２における地
面から車の天井までの車の高さは、約１６３５ｍｍであ
る。図２において反応器６５およびメタノール分解器５
をあわせた高さは、運転席シート１０７の高さ以下であ
る。なお図２は、車の後部にトランクを設置した例であ
るが、これに限定されないことは、いうまでもないこと
である。

【００２４】以下に、メタノールを燃料とする車載用燃
料電池システムに用いられる機器等について詳述する。
図２および図３において、メタノールタンク１、水タン
ク２、メタノール分解器５およびシフト反応器６５の形
状には特に制限はないが、直方体、円柱体等の形状から
選択すれば足りる。蒸発器３および蒸発器１４も直方
体、円柱体等の形状から選択すれば足りる。図２に示す
ように、メタノール分解器５とシフト反応器６５とを重
ねるように設置する場合には、その形状を同一とすれば
足りる。また、蒸発器３および蒸発器１４においても同
様である。

【００２５】図２においてシフト反応器６５およびメタ
ノール分解器５までの高さは、運転席シート１０７の高
さ以下に設置できる。メタノールタンク１および水タン
ク２のタンク自身の高さは、それぞれ２００ｍｍ〜２５
０ｍｍ、シフト反応器６５およびメタノール分解器５自
身の高さは、それぞれ６５ｍｍ〜１５０ｍｍおよび４０
０ｍｍ〜４５０ｍｍ、燃料電池１１自身の高さは１８０
ｍｍ〜２２０ｍｍから選択できる。なお、燃料電池１１
のカソードおよびアノードのオフガスから水を回収する
場合には、水タンク２のタンク自身の高さは、２００ｍ
ｍ〜３００ｍｍで足りる。

【００２６】図３において、前記１５００ｃｃ〜２００
０ｃｃクラスの車では、車体１００の最後部からメタノ
ールタンク１および水タンク２までの距離は、２５０ｍ
ｍ〜３００ｍｍから選択すれば足りる。これに限定され
ることはないが、また、シフト反応器６５およびメタノ
ール分解器５は、直方体を選択する場合には、いずれも
横（幅）６００ｍｍ〜７５０ｍｍ、縦（長さ）４５０ｍ
ｍ〜５５０ｍｍから選択され、燃料電池１１は横（幅）
１２００ｍｍ〜１４００ｍｍ、縦（長さ）６５０ｍｍ〜
８５０ｍｍから選択できる。前記メタノールタンク１お
よび水タンク２は、直方体を選択する場合には、いずれ
も横（幅）４５０ｍｍ〜５５０ｍｍ、縦（長さ）４５０
ｍｍ〜５５０ｍｍが選択される。なお、燃料電池１１の
カソードおよびアノードのオフガスから水を回収する場
合には、これに限定されることはないが、前記メタノー
ルタンク１は、変わらないが、前記水タンク２は、横
（幅）２００ｍｍ〜２５０ｍｍ、縦（長さ）２００ｍｍ
〜２５０ｍｍ、高さ２００ｍｍ〜３００ｍｍが選択さ
れ、燃料電池１１のカソードおよびアノードのオフガス
から水を回収しない場合に比べ小さくて足りる。

【００２７】以上説明したように、前記バッテリー１０
３を積んでも１０００〜２０００ｃｃクラスの車に本発
明の燃料電池システムを掲載しても面積的にも、体積的
にも充分余裕がある。

【００２８】

【実施例】以上のように本発明を説明したが、さらに本
発明を詳細に実施例を用いて説明する。なお、本発明
は、以下に記載の実施例にのみに制限されることがない
のは、いうまでもないことである。

【００２９】実施例１図１〜図３に従って実施した。図１において、メタノー
ルタンク１から液状のメタノールがライン２１から７１
６ｇｍｏｌ／ｈで蒸発器３に供給されガス化され、ライ
ン２３を通り、商品名Ｚｎ―０３１２の触媒１７が充填
されている分解ゾーン８に供給された。該分解ゾーン８
は、圧力１０．８ｂａｒの圧下、３５０℃、ＳＶが１１
００／ｈ、の条件下で運転され、メタノールはほぼ１０
０％反応し水素１４３２ｇｍｏｌ／ｈおよび一酸化炭素
７１６ｇｍｏｌ／ｈの混合ガスとなった。一方、水はラ
イン２２を通り、蒸発器１４に１０７４ｇｍｏｌ／ｈで
供給されほぼ１０．８ｂａｒでライン４７を通りライン
４８でほぼ常圧に減圧され、１５８℃の水蒸気となりＰ
ｄ膜７の透過側にスイープガスとして供給され、流れ１
０を３５０℃から３１０℃にし、ほぼ常圧でライン２６
を通り後述するライン５０からのガスと合流し、従来の
手段で８０℃に冷却されライン５５から燃料電池１１の
アノード１２に供給された。前記圧力、温度条件下での
相対湿度は約３８％であった。

【００３０】分解ゾーン８でのＰｄ膜７の非透過ガス
は、ライン２７およびライン２８を通り、圧力１０．８
ｂａｒの圧下、３５０℃の条件下シフト反応器６５の反
応ゾーン６８に供給された。反応ゾーン６８には、ライ
ン４７、ライン４９、ライン５６およびライン５９を通
り、１０．８ｂａｒで１８４℃の水蒸気が供給され、Ｓ
／Ｃが１．０に調整された。

【００３１】一方、ライン４７、ライン４９およびライ
ン５７を通り１０．８ｂａｒで１８４℃で供給された水
蒸気は、ライン５８で減圧され、ほぼ常圧、１５８℃の
スイープガスとして供給され、Ｐｄ膜６７から水素が透
過し、流れ７０として３１０℃でライン５０に導かれ、
前述のライン２６のガスと合流し、ラジエターで８０℃
に冷却されライン５５から燃料電池１１のアノード１２
に供給された。

【００３２】前記燃料電池１１のカソード１３にブロア
１６からライン３４を通り量論の約２倍の空気が供給さ
れ、前記燃料電池１１では電力５０ＫＷが発生した。前
記過剰の空気等は、ライン３５、ライン７２を通り、一
部ライン３６から放出されながらライン３３を通り、ラ
イン２９およびライン７１のアノードからのオフガスで
ある水素等と合流し、ライン３０からライン３１および
ライン３２を通り、さらに、前記加熱部には反応ゾーン
６８におけるＰｄ膜６７の非透過ガスがライン５１およ
びライン５２から供給されたガスと合流し、ライン５３
およびライン５４を経てメタノール分解器５の加熱部に
供給され、市販の触媒６により燃焼され燃焼ガスは、ラ
イン３７およびライン３８、ライン４１、ライン４３を
経て蒸発器３の加熱部に供給されメタノールのガス化に
必要な熱を供給した後、ライン３９およびライン４６か
ら大気に開放された。ここに、触媒６として商品名ＴＣ
７９を用いた。

【００３３】また、前記ガスの一部はライン３８から分
岐されたライン４０およびライン４１、ライン４４を通
り、スイープガス用の水蒸気を発生するための蒸発器１
４に供給され、ライン４２およびライン４５から大気に
開放された。物質収支と運転条件を図７に示す。また、
各機器の大きさを図８に示す。

【００３４】実施例２実施例１において燃料電池１１のアノード１２からのラ
イン２９およびライン７１、カソードからのライン３５
およびライン７２を用いたのに代え、それぞれライン２
９、ライン７３およびライン７１、ライン３５、ライン
７４およびライン７２を用い、さらにライン７５、ライ
ン７６およびライン７７を用いた以外は実施例１と同様
に実施した。物質収支と運転条件を図９に示す。また、
各機器の大きさを図１０に示す。

【００３５】以上の結果と通常の１０００ｃｃ、２００
０ｃｃクラスの自動車の大きさの目安を示す車長、車幅
および車高を図１１に示す。この図から、本発明のメタ
ノールを燃料とする車載用燃料電池システムは、１００
０ｃｃクラス〜２０００ｃｃクラスの車に搭載すること
が可能で、したがって、小型化もできることが分かる。

【００３６】

【効果】本発明のメタノールを燃料とする車載用燃料電
池システムおよび車によれば、以下に記載の効果があ
る。（１）工程が簡略化されたメタノールを燃料とする車載
用燃料電池システムとすることができるため、省エネル
ギーができる。（２）また、工程が簡略化されたメタノールを燃料とす
る車載用燃料電池システムとすることができるため、車
が小型化できる。（３）自立式であるため、車載するのに適している車載
用燃料電池システムである。（４）水の補給を要しないで、メタノールを燃料として
のみ供給すれば足りるシステムとすることができるた
め、ガソリン車のイメージで燃料補給ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明のメタノールを燃料とする車載
用燃料電池システムの一実施形態を示す説明図である。

【図２】図２は、本発明のメタノールを燃料とする車載
用燃料電池システムを有する車を模式的に示す正面図で
ある。

【図３】図３は、本発明のメタノールを燃料とする車載
用燃料電池システムを有する車を模式的に示す平面図で
ある。

【図４】図４は、メタノールを燃料とする車載用燃料電
池システムの概念を説明するブロックフロー図である。

【図５】図５は、従来のメタノールを燃料とする車載用
燃料電池システムの概念を説明するブロックフロー図で
ある。

【図６】図６は、従来のメタノールを燃料とする車載用
燃料電池システムの一実施形態を示する説明図である。

【図７】図７は、本発明の実施例１の物質収支の一例を
示す図表である。

【図８】図８は、本発明の実施例１の機器の大きさの一
例を示す図表である。

【図９】図９は、本発明の実施例２の物質収支の一例を
示す図表である。

【図１０】図１０は、本発明の実施例２の機器の大きさ
の一例を示す図表である。

【図１１】図１１は、本発明の機器の大きさのと従来の
車の大きさの一例を示す図表である。

【符号の説明】

１メタノールタンク２水タンク３、１４蒸発器４欠番５メタノール分解器６触媒７、６７Ｐｄ膜８分解ゾーン９、１０、６９、７０流れ１１燃料電池１２アノード１３カソード１５欠番１６ブロアー６５シフト反応器１００車１０１タイヤ１０２モーター１０３バッテリー１０４、１０５ポンプ１０６車軸２０１メタノールと水の混合物２０２改質装置２０３改質器２０４ＣＯ選択酸化器２０５ＰＥＦＣ２０６アノード２０７カソード２０８コンプレッサー２０９モーター２１０燃焼器２１〜５９、７１〜７７ライン２２０〜２３２ライン２２４欠番Ａ機器全体の長さＢ機器全体の高さＣ機器全体の幅Ｄ車長Ｅ車高Ｆ車幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柳澤譲千葉県茂原市新小轡314−９Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA06 EB33 EB44 5H027 AA06 BA09 BA10 BA16 BA17

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】メタノール分解とシフト反応とを組み合わ
せた自立式の燃料電池システムにおいて、メタノールをメタノール分解器で分解し、該メタノール
分解器に内蔵された水素透過膜の水素透過側にスイープ
ガスとして水蒸気を供給し、水素を透過させ湿潤した水
素と一酸化炭素に富む非透過ガスとにし、前記一酸化炭素に富む非透過ガスをシフト反応器に供給
し、該シフト反応器に内蔵された水素透過膜の水素透過
側にスイープガスとして水蒸気を供給し、水素を透過さ
せ湿潤した水素と二酸化炭素に富む非透過ガスとにし、
前記水蒸気で湿潤された水素を合流し燃料電池のアノー
ド側に供給し、一方、燃料電池のカソード側に供給され
た空気の未反応量のガスと燃料電池のアノード側に供給
された水素の未反応量と前記シフト反応器における非透
過ガスとが前記メタノール分解器の加熱部に供給され、
前記メタノール分解器の加熱部の熱源とされ、前記分解
器の加熱部から排出されるガスをメタノールおよび水の
ガス化の熱源とすることを特徴するメタノールを燃料と
する車載用燃料電池システム。
【請求項２】燃料電池のカソード側に供給された空気の
未反応量と燃料電池のアノード側に供給された水素の未
反応量と前記シフト反応器における非透過ガスとが前記
メタノール分解器に供給され、前記メタノール分解器の
加熱部の熱源とされるにあたり、燃料電池のカソード側に供給された空気の未反応量ガス
の一部と燃料電池のアノード側に供給された水素の未反
応量の一部とから水を回収し水タンクに循環されること
を特徴とする請求項１に記載のメタノールを燃料とする
車載用燃料電池システム。
【請求項３】メタノール分解とシフト反応とを組み合わ
せた自立式の燃料電池システムを有する車において、メタノールをメタノール分解器で分解し、該メタノール
分解器に内蔵された水素透過膜の水素透過側にスイープ
ガスとして水蒸気を供給し、水素を透過させ湿潤した水
素と一酸化炭素に富む非透過ガスとにし、前記一酸化炭
素に富む非透過ガスをシフト反応器に供給し、該シフト
反応器に内蔵された水素透過膜の水素透過側にスイープ
ガスとして水蒸気を供給し、水素を透過させ湿潤した水
素と二酸化炭素に富む非透過ガスとにし、前記水蒸気で
湿潤された水素を合流し燃料電池のアノード側に供給
し、一方、燃料電池のカソード側に供給された空気の未
反応量のガスと燃料電池のアノード側に供給された水素
の未反応量と前記シフト反応器における非透過ガスとが
前記メタノール分解器の加熱部に供給され、前記メタノ
ール分解器の加熱部の熱源とされ、前記分解器の加熱部
から排出されるガスをメタノールおよび水のガス化の熱
源とするメタノールを燃料とする車載用燃料電池システ
ムを有することを特徴とする車。
【請求項４】燃料電池のカソード側に供給された空気の
未反応量と燃料電池のアノード側に供給された水素の未
反応量と前記シフト反応器における非透過ガスとが前記
メタノール分解器の加熱部に供給され、前記メタノール
分解器の加熱部の熱源とされるにあたり、燃料電池のカソード側に供給された空気の未反応量ガス
の一部と燃料電池のアノード側に供給された水素の未反
応量の一部とから水を回収し水タンクに循環されるメタ
ノールを燃料とする車載用燃料電池システムを有するこ
とを特徴とする請求項３に記載のメタノールを燃料とす
る車載用燃料電池システムを有する車。