JP2001213602A - 水素を燃料とする機器への水素供給システム - Google Patents
水素を燃料とする機器への水素供給システムInfo
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Abstract
迅速に,且つ十分に行い,また第2貯蔵部から低い温度
で水素の放出を行う。 【解決手段】 水素供給システム1は改質器3と,水素
貯蔵器43とを有する。水素貯蔵器43は、低圧吸蔵・
高温放出型第1水素吸蔵材MH1を備えた第1貯蔵部4
4と、高圧吸蔵・低温放出型第2水素吸蔵材MH2を備
えた第2貯蔵部51とを有する。第1水素吸蔵材MH1
の水素吸蔵圧P1および水素放出温度T1と,第2水素
吸蔵材MH2の水素吸蔵圧P2およびその水素放出温度
T2との間にP1<P2およびT1>T2の関係が成立
する。第1貯蔵部44に改質器3からの水素を吸蔵さ
せ,次いでその吸蔵水素を放出して得られた水素を第2
貯蔵部51に移動吸蔵させる。燃料電池2の始動時には
第2貯蔵部51より吸蔵水素を放出して,その燃料電池
2に供給する。
Description
器への水素供給システム,特に,水素を燃料とする機器
に水素を供給すべく,アルコール,ガソリン等の原料か
ら水素を生成する改質器を備えた水素供給システムに関
する。
応し得る水素供給システムとして,改質器により生成さ
れた水素を吸蔵し,且つ放出することが可能な水素貯蔵
器を有し,その水素貯蔵器は,水素を吸蔵し易い第1水
素吸蔵材を備えた第1貯蔵部と,水素を放出し易い第2
水素吸蔵材を備えた第2貯蔵部とを有し,第1貯蔵部に
改質器からの水素を一旦吸蔵させ,次いでその吸蔵水素
を放出して得られた水素を第2貯蔵部に移動して吸蔵さ
せ,前記機器の始動時には第2貯蔵部より吸蔵水素を放
出して,その機器に供給するようにしたものを提案して
いる(特願平11−164939号明細書および図面参
照)。この水素供給システムは,主として車載用として
開発されたものである。
においては,第1貯蔵部から第2貯蔵部に水素を移動さ
せる際に,第1貯蔵部を60℃程度に加熱し,一方,第
2貯蔵部の温度を40〜50℃に保たなければならない
が,第1貯蔵部の水素放出圧が低く,また実車走行中に
おいて第2貯蔵部の温度を前記範囲に保つことが困難で
あることから,第2貯蔵部への水素の移動を迅速に,且
つ十分に行うことができない,という問題があった。
第2貯蔵部への水素の移動を迅速に,且つ十分に行い,
また第2貯蔵部から低い温度で水素の放出を行い得るよ
うにした前記水素供給システムを提供することを目的と
する。
水素を燃料とする機器に水素を供給すべく,アルコー
ル,ガソリン等の原料から水素を生成する改質器を備え
た水素供給システムにおいて,前記改質器により生成さ
れた水素を吸蔵し,且つ放出することが可能な水素貯蔵
器を有し,その水素貯蔵器は,低圧吸蔵・高温放出型第
1水素吸蔵材を備えた第1貯蔵部と,高圧吸蔵・低温放
出型第2水素吸蔵材を備えた第2貯蔵部とを有し,前記
第1水素吸蔵材の水素吸蔵圧をP1とし,またその水素
放出温度をT1とし,一方,前記第2水素吸蔵材の水素
吸蔵圧をP2とし,またその水素放出温度をT2とした
とき,P1<P2およびT1>T2の関係が成立し,前
記第1貯蔵部に前記改質器からの水素を一旦吸蔵させ,
次いでその吸蔵水素を放出して得られた水素を前記第2
貯蔵部に移動して吸蔵させ,前記機器の始動時には前記
第2貯蔵部より吸蔵水素を放出して,その機器に供給す
る,水素を燃料とする機器への水素供給システムが提供
される。
第2貯蔵部へ水素を移動する際に,第1水素吸蔵材の水
素放出特性を利用して第1貯蔵部から高温下で高い放出
圧の水素を第2貯蔵部に導入して,その水素を強制的に
第2水素吸蔵材に迅速に,且つ十分に吸蔵させることが
できる。一方,第2貯蔵部からの水素の放出は低い温度
で行われる。
は,水素を燃料とする機器としての燃料電池2を電源と
する電気自動車に搭載される。
は,アルコール,ガソリン等の原料から水素を主成分と
する改質ガスを生成するもので,その供給側が燃料電池
2の改質ガス入口側に供給管路4を介して接続される。
空気用供給管路5において,その導入側にエアクリーナ
6,モータ7を持つスーパチャージャ8およびインタク
ーラ9が装置され,また導出側は燃料電池2の空気入口
側に接続される。その供給管路5の燃料電池2近傍に第
1二方弁V1が装置される。燃料電池2の一対の接続端
子は一対の導線10を介して車両駆動モータ11に接続
され,またそれら導線10にモータ駆動用補助バッテリ
12の一対の接続端子が一対の導線13を介して接続さ
れる。
口側はそれぞれ排出管路14,15を介して蒸発器用燃
焼器16に接続され,また空気用排出管路15の燃焼器
16近傍に第2二方弁V2が装置される。蒸発器17の
一方の入口側にメタノールタンク18の一方の出口側が
供給管路19を介して接続され,その供給管路19にポ
ンプ20が装置される。また蒸発器17の他方の入口側
には水タンク21の出口側が供給管路22を介して接続
され,その供給管路22にポンプ23が装置される。蒸
発器17の出口側はメタノールおよび水分よりなる混合
蒸気用供給管路24を介して改質器3の導入側に接続さ
れる。またメタノールタンク18の他方の出口側は別の
供給管路25を介して改質器始動用燃焼器26に接続さ
れ,その供給管路25にメタノールタンク18側より順
次,ポンプ27および第3二方弁V3が装置される。ま
た供給管路25において,ポンプ27および第3二方弁
V3間がさらに別の供給管路28を介して蒸発器用燃焼
器16の電気ヒータキャタライザ29に接続され,その
供給管路28の電気ヒータキャタライザ29近傍に第4
二方弁V4が装置される。改質器始動用燃焼器26は,
グロープラグ30,電池32およびそれと燃焼器26間
に存するスイッチ33を有する加熱回路31を備えてい
る。
より順次,第5二方弁V5,CO除去器34,第1三方
弁3V1,熱交換器35,第2三方弁3V2および流量
計36が装置される。空気用供給管路5において,燃料
電池2近傍の第1二方弁V1上流側から分岐した供給管
路37がさらに三つに分岐して改質器始動用燃焼器2
6,改質器3およびCO除去器34に接続され,その供
給管路37の燃焼器26近傍,改質器3近傍およびCO
除去器34近傍にそれぞれ第6〜第8二方弁V6〜V8
が装置される。空気は,燃焼器26においては燃焼と温
度制御のために用いられ,また改質器3においては温度
制御のために用いられ,さらにCO除去器34では改質
ガス中に含まれるCOをCO2 に酸化するために用いら
れる。CO除去器34の出口側に存する第1三方弁3V
1は第1バイパス管路38を介して燃料電池2の改質ガ
ス用排出管路14に接続される。
器35の下流側に存する第2三方弁3V2と,流量計3
6および燃料電池2の入口側間とが第2バイパス管路3
9によって接続されている。その第2バイパス管路39
に,第2三方弁3V2側より順次,流量計40,熱交換
器41,水分除去器42,第9二方弁V9,水素貯蔵器
43の第1貯蔵部44,第10二方弁V10,流量計4
5,第11二方弁V11および流量制御弁46が装置さ
れる。その流量制御弁46および第11二方弁V11間
には必要に応じて温度調節精度向上のため熱交換器47
が装置される。
る。その加熱装置48は改質ガス流通用管路49を有
し,その管路49の入口側は,改質ガス用供給管路4に
おいて,改質器3および第5二方弁V5間に接続され,
その出口側は第5二方弁V5およびCO除去器34間に
接続される。管路49の入口側に第12二方弁V12が
装置される。
流側において,流量計45および第11二方弁V11間
に,水素用供給兼排出管路50を介して水素貯蔵器43
の第2貯蔵部51が接続され,その供給兼排出管路50
に第2貯蔵部51側より順次,第13二方弁V13およ
び流量計52が装置される。
54およびスイッチ55を有する加熱回路56と,ラジ
エータ,水ポンプ,水タンク等を備えた冷却部57を有
する冷却回路58が付設される。
プラグ30を有する加熱回路31のスイッチ33,各ポ
ンプ20,23,27ならびにヒータ53を有する加熱
回路56のスイッチ55等は,始動スイッチ59をON
状態にすることによってECU60を介して作動制御さ
れ,一方,始動スイッチ59をOFF状態にすることに
よって不作動となる。
り生成された水素を吸蔵し,且つ放出することが可能で
ある。その第1貯蔵部44は,入口と出口を持つ,いわ
ゆるスルー型タンクを有し,その入口は第2バイパス管
路39の上流側に,また出口は第2バイパス管路39の
下流側にそれぞれ接続され,タンク内には第1水素吸蔵
材としての第1水素吸蔵合金MH1が充填される。第2
貯蔵部51は,入口兼出口を有する通常のタンクを有
し,そのタンク内に第2水素吸蔵材としての第2水素吸
蔵合金MH2が充填される。図2に示すように,第1水
素吸蔵合金MH1は低圧吸蔵・高温放出型であって,8
0℃,0.15MPa(P1)で水素を吸蔵し,一方,
130℃(T1),0.8MPaで水素を放出する,と
いった特性を有する。このような水素吸蔵合金として
は,LaNi3.96Co0.6 Al0.44合金が用いられる。
また第2水素吸蔵合金MH2は高圧吸蔵・低温放出型で
あって,60℃,0.5MPa(P2)で水素を吸蔵
し,一方,30℃(T2),0.15MPaで水素を放
出するといった特性を有する。このような水素吸蔵合金
としては,MmNi4.04Co0.6 Mn0.31Al0.05合金
(Mmはミッシュメタル)が用いられる。したがって,
両水素吸蔵圧P1,P2間および両水素放出温度T1,
T2間にはP1<P2,T1>T2の関係が成立してい
る。
から第2貯蔵部51へ水素を移動する際に,第1水素吸
蔵合金MH1の水素放出特性を利用して第1貯蔵部44
から高温下で高い放出圧の水素を第2貯蔵部51に導入
して,その水素を強制的に第2水素吸蔵合金MH2に迅
速に,且つ十分に吸蔵させることができる。一方,第2
貯蔵部51からの水素の放出は低い温度で行われる。
種モードについて説明する。
部51における水素吸蔵量は満状態にある。第1〜第1
3二方弁V1〜V13および流量制御弁46は「閉」状
態であり,また第1三方弁3V1は改質ガスを蒸発器用
燃焼器16に供給し得るように,つまり燃焼器16側に
切換えられており,一方,第2三方弁3V2は,改質ガ
スを第1貯蔵部44に供給し得るように,つまり第1貯
蔵部44側にそれぞれ切換えられている。
ON状態にすると,スーパチャージャ8が作動し,空気
が,エアクリーナ6,スーパチャージャ8およびインタ
クーラ9を経て,第1二方弁V1が「開」で,燃料電池
2に供給され,また第6〜第8二方弁V6〜V8が
「開」で,改質器3の燃焼器26,改質器3およびCO
除去器34にそれぞれ供給される。燃料電池2から排出
された空気は,第2二方弁V2が「開」で,蒸発器用燃
焼器16に導入される。
イザ29が通電され,それが昇温すると,ポンプ27が
作動すると共に第4二方弁V4が「開」で,メタノール
が電気ヒータキャタライザ29に噴射され,そのメタノ
ールを燃焼器16で燃焼させて蒸発器17の加熱が行わ
れる。
55が閉じて,その第2貯蔵部51がヒータ53により
加熱される。この場合,第2貯蔵部51,したがって第
2水素吸蔵合金MH2を,水素放出温度である30℃程
度まで短時間で昇温することができる。そして,第2貯
蔵部51の入口兼出口部分の圧力を検知して,その圧力
が0.15MPa程度に達すると,第2貯蔵部51の吸
蔵水素が放出されると共に第13,第11二方弁V1
3,V11および流量制御弁46が「開」で,その放出
水素が燃料電池2に供給され,それが運転を開始する。
第2貯蔵部51からの水素供給量は流量計52により検
知される。燃料電池2における余剰水素は蒸発器用燃焼
器16に導入され,そこで燃焼されて蒸発器17の加熱
に利用される。
プラグ30を有する加熱回路31のスイッチ33が閉じ
てそのグロープラグ30が通電される。第3二方弁V3
が「開」で,メタノールが燃焼器26に噴射され,その
メタノールの燃焼により改質器3が加熱される。改質器
3の供給口部分のガス温度を検知して,それが所定値に
達したときを改質器3の加熱完了としてスイッチ33が
開き,グロープラグ30への通電が停止される。
れてメタノールおよび水分よりなる混合蒸気が生成さ
れ,その混合蒸気が改質器3に供給されて改質が行われ
る。
第5二方弁V5が「開」で,CO除去器34に導入さ
れ,次いで,第1三方弁3V1が燃焼器16側へ切換え
られているので,第1バイパス管路38を経て燃焼器1
6に導入され,そこで水素等の可燃成分が燃焼される。
改質ガス温度と時間との関係からCO濃度を調べ,その
CO濃度が所定値以下になったとき,第1,第2三方弁
3V1,3V2が燃料電池2側へ切換えられ,改質ガス
が燃料電池2に供給される。
電池2を運転するのに十分ではないが,その不足分は第
2貯蔵部51の放出水素によって補われ,これにより燃
料電池2の出力の安定化が図られる。改質ガス量の増加
に伴い水素供給量が漸次,減少制御される。
度および圧力がそれぞれ200℃,0.16MPa程度
に達したとき,その改質器3が定常モードに達した,と
判断され,加熱回路56のスイッチ55が開き,また第
2貯蔵部51側の第13,第11二方弁V13,V11
および流量制御弁46が閉じられ,以後,改質器3によ
る自立運転モードに移行する。
熱交換器35を経たときには,その温度は80℃程度
に,また圧力は0.15MPa程度にそれぞれ降下して
おり,このような温度および圧力を有する改質ガスが燃
料電池2において燃料として用いられている。
動モード 図1,図4に示すように,水素吸蔵モードの開始に伴い
第2三方弁3V2が第1貯蔵部44側に切換えられる。
は80℃程度,圧力は0.15MPa程度であるが,そ
の改質ガスは,50℃の冷却水を流通させた熱交換器4
1により温度を60℃程度に下げられ,次いで水分除去
器42により水分を除去される。
15MPa程度の改質ガスが第1貯蔵部44に導入され
て,その水素が第1水素吸蔵合金MH1に吸蔵される。
この吸蔵によりその合金MH1は80℃程度に昇温し,
この温度は60℃程度の改質ガスの冷却作用によって保
持される。
10,第11二方弁V10,V11および流量制御弁4
6が「開」で,燃料電池2に供給され,その運転が継続
される。
計40,45の積算流量の差により第1貯蔵部44の水
素吸蔵量が検知される。第1貯蔵部44の水素吸蔵量が
満状態に達していない場合は前記吸蔵過程が継続され
る。
すると,水素移動モードへ移行すべく第2三方弁3V2
が燃料電池2側へ切換えられる。
で,且つ第10,第13二方弁V10,V13が「開」
で,水素の移動が可能となる。また第12二方弁V12
が「開」で,且つ第5二方弁V5が「閉」で,200℃
程度の高温改質ガスが加熱装置48を流通した後,CO
除去器34,熱交換器35等を経て燃料電池2に供給さ
れ,その運転が継続される。
合金MH1が改質器3の排出熱によって加熱され,その
温度が130℃程度に,また圧力が0.8MPa程度に
上昇すると吸蔵水素が放出される。
は加熱回路56により60℃程度に加熱され,第1貯蔵
部44からの放出水素は60℃,0.5MPa程度で第
2水素吸蔵合金MH2に吸蔵される。この吸蔵による合
金MH2の温度上昇は冷却回路58により抑制されて,
その温度は60℃程度に保持される。
により,第1貯蔵部44の水素放出量が満状態の量の7
割を超えたことが検知されたとき,第5二方弁V5が
「開」で,且つ第12二方弁V12が「閉」で,第1貯
蔵部44の加熱が停止される。第1貯蔵部44からは,
その余熱を利用した第1水素吸蔵合金MH1の吸熱反応
で水素の放出が続行される。これにより第1貯蔵部44
の温度を下げて,次の水素吸蔵モードを再開する際のタ
イムラグを減少させることができる。
の積算流量が,その貯蔵部44の満状態の量に達したと
き,第13二方弁V13が「閉」で,第2貯蔵部51へ
の水素移動が停止される。この時点で,第2貯蔵部51
における水素吸蔵量は満状態とされる。
えた場合は加速モードに移行し,改質器3への混合蒸気
(メタノールおよび水分)が増量される。
態か否かが検知され,それが満状態ではなく,水素吸蔵
モードが実行されている場合には,第2三方弁3V2が
燃料電池2側へ切換えられ,また第11二方弁V11が
「閉」となる。つまり,加速時には改質ガスを全て燃料
電池2に供給するようにして水素吸蔵は行わないのであ
る。
態であれば,第2三方弁3V2は燃料電池2側へ切換え
られた状態にあるので,その状態が保持される。
加速モードは終了する。
回った場合は減速モードに移行し,改質器3への混合蒸
気(メタノールおよび水分)が減量される。
換えられているか否かが判別され,切換えられていない
場合には,水素移動モードが実行されているか否かが判
別され,水素移動モードが実行されていない場合には第
2三方弁3V2が第1貯蔵部44側へ切換えられて余剰
水素が第1貯蔵部44に吸蔵される。
減速モードは終了する。
池2側へ切換えられていて,水素移動モードが実行され
ている場合には,その第2三方弁3V2の燃料電池2側
への切換え状態が保持される。
はアイドリングモードに移行し,改質器3への混合蒸気
(メタノールおよび水分)の量がアイドリング状態に調
節される。
換えられているか否かが判別され,切換えられていない
場合には,水素移動モードが実行されているか否かが判
別され,水素移動モードが実行されていない場合には改
質ガス量が最少必要量か否かが判別され,最少必要量で
ない場合には第2三方弁3V2が第1貯蔵部44側へ切
換えられて余剰水素が第1貯蔵部44に吸蔵される。
ードは終了する。
池2側へ切換えられていて,水素移動モードが実行され
ている場合,および改質ガス量が最少必要量である場合
には,その第2三方弁3V2の燃料電池2側への切換え
状態が保持される。
にすると,改質器3への混合蒸気(メタノールおよび水
分)の供給が停止される。
換えられて,混合蒸気供給停止後,改質器3の残存混合
蒸気により生成された余剰水素が第1貯蔵部44に吸蔵
される。改質ガス流量が所定値以下になると燃料電池
2,改質器3等が停止される。
電池の外に内燃機関を挙げることができる。
な手段を採用することによって,第1貯蔵部から第2貯
蔵部への水素の移動を迅速に,且つ十分に行い,また第
2貯蔵部から低い温度で水素の放出を行い得るようにし
た,車載用として好適な水素供給システムを提供するこ
とができる。
の水素放出用熱源として別途,熱源を付加する必要がな
く,システム全体としての熱効率を向上させることがで
きる。
図である。
ある。
Claims (2)
- 【請求項1】 水素を燃料とする機器(2)に水素を供
給すべく,アルコール,ガソリン等の原料から水素を生
成する改質器(3)を備えた水素供給システムにおい
て,前記改質器(3)により生成された水素を吸蔵し,
且つ放出することが可能な水素貯蔵器(43)を有し,
その水素貯蔵器(43)は,低圧吸蔵・高温放出型第1
水素吸蔵材(MH1)を備えた第1貯蔵部(44)と,
高圧吸蔵・低温放出型第2水素吸蔵材(MH2)を備え
た第2貯蔵部(51)とを有し,前記第1水素吸蔵材
(MH1)の水素吸蔵圧をP1とし,またその水素放出
温度をT1とし,一方,前記第2水素吸蔵材(MH2)
の水素吸蔵圧をP2とし,またその水素放出温度をT2
としたとき,P1<P2およびT1>T2の関係が成立
し,前記第1貯蔵部(44)に前記改質器(3)からの
水素を一旦吸蔵させ,次いでその吸蔵水素を放出して得
られた水素を前記第2貯蔵部(51)に移動して吸蔵さ
せ,前記機器(2)の始動時には前記第2貯蔵部(5
1)より吸蔵水素を放出して,その機器(2)に供給す
ることを特徴とする,水素を燃料とする機器への水素供
給システム。 - 【請求項2】 前記第1貯蔵部(44)の水素放出用熱
源として前記改質器(3)の排出熱を用いる,請求項1
記載の水素を燃料とする機器への水素供給システム。
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---|---|---|---|
JP2000024817A JP4346055B2 (ja) | 2000-01-28 | 2000-01-28 | 水素を燃料とする機器への水素供給システム |
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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