JP2002329516A

JP2002329516A - 燃料電池用水素供給装置

Info

Publication number: JP2002329516A
Application number: JP2001131726A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kuriiwa; 貴寛栗岩; Yoshio Nuitani; 芳雄縫谷; Takeaki Shimada; 毅昭島田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-11-15

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、燃料電池用水素供給装置の暖機時
間を短縮すると共に、燃料改質器の運転中及び停止直後
に発生する余剰熱を回収し、次回の燃料改質器の暖機用
エネルギーとして再利用することが可能な燃料電池用水
素供給装置を提供することを課題とする。【解決手段】燃料を改質することで水素を生成する燃
料改質器１と、前記燃料改質器１から放出された水素に
より発電を行う燃料電池と、水素を吸蔵することにより
発熱し、水素を放出することで吸熱する第１の水素吸蔵
材料と前記第１の水素吸蔵材料よりも低い温度で水素を
放出可能な第２の水素吸蔵材料とを備え、前記第１の水
素吸蔵材料は、前記燃料改質器１と熱交換可能に備え、
前記燃料改質器の暖機時には前記第２の水素吸蔵材料か
ら放出された水素を前記第１の水素吸蔵材料に吸蔵させ
ることを特徴とする燃料電池用水素供給装置を提供す
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、水素吸蔵材料を用
いた燃料電池用水素供給装置に関し、より詳細には、燃
料改質器の暖機時間を大幅に短縮可能な燃料電池用水素
供給装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、
アノード電極とカソード電極間に固体高分子電解質膜を
挟持したもので、常温でも発電可能であり、電気自動車
用の電源を初め様々な用途に実用化されつつある。

【０００３】このＰＥＦＣでは、水素を含むガスをアノ
ード電極に供給し、アノード電極において前記水素から
電子が放出されることで電力を生じる。アノード電極で
電子を失った水素はプロトンとなり、固体高分子電解質
膜内をカソード電極へ移動し、カソード電極側に供給さ
れる酸化剤ガス（空気）により酸化され水を生じる。

【０００４】水素を含むガスをＰＥＦＣに供給する方法
は大きく２種類に大別され、純水素を高圧タンク又は水
素吸蔵合金等に貯蔵し、そこからＰＥＦＣに純水素を供
給する方法（純水素式）と、炭化水素又は炭化水素を含
む燃料（以下単に「原燃料」ともいう）から水蒸気改質
等の方法により水素を生成し、その水素をＰＥＦＣに供
給する方法（改質式）が挙げられる。

【０００５】電気自動車用としては、炭化水素等を改質
して水素を得る改質式を用いることが行われている。こ
こで、原燃料としてメタノールを用い水素を含むガス
（以下「改質ガス」ともいう）を得る方法について概説
する。図６に従来の燃料電池用水素供給装置の模式図を
示した。

【０００６】燃料電池用水素供給装置を構成する燃料改
質器５１の内部には、改質触媒（不図示）が存在してお
り、所定の温度（２５０〜３００℃程度）で、水蒸気と
メタノールとを改質触媒上で接触反応させることにより
改質ガスを得る。得られた改質ガスは図６中に白抜きの
矢印で示したように燃料改質器５１より取り出され、燃
料電池や水素を利用する装置等に供給される。

【０００７】燃料改質器５１には、燃料改質器５１運転
開始時に改質触媒の温度を所定の温度まで上昇させるた
めの始動用暖機手段５２及び燃料改質器５１に水、メタ
ノール並びに空気を供給するための原燃料蒸発器５６と
が接続されている。

【０００８】始動用暖機手段５２はメタノールタンク５
７と補助加熱手段である始動用バーナ５４とからなり、
燃料改質器５１の運転開始時に、メタノールタンク５７
より始動用バーナ５４にメタノールを供給し、補助加熱
手段である始動用バーナ５４により（１）式に従いメタ
ノールを燃焼して、この高温の燃焼ガスにより燃料改質
器５１を暖機することで、改質触媒を所定の温度まで上
昇させる。

【０００９】ＣＨ₃ＯＨ＋３／２Ｏ₂＝ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ＋Ｑ１（発熱反応）（１）（１）式において、Ｑ１は反応熱を表す。

【００１０】改質触媒が充分な温度となったところで、
始動用バーナ５４を停止し燃料改質器５１の暖機を終了
する。

【００１１】続いて、改質触媒が充分に高温となったな
らば、水・メタノールタンク５５より水とメタノール
を、さらに図示しないコンプレッサから改質用の空気を
蒸発器５３に供給し、蒸発器５３より水、メタノール蒸
気、及び空気（酸素）からなる原燃料蒸気を改質触媒に
供給することによりメタノールの改質反応が進行し、水
素に富んだ改質ガスが得られる。改質触媒上で生じる主
な改質反応を下記の２式に示す。

【００１２】ＣＨ₃ＯＨ＋１／２Ｏ₂＝ＣＯ₂＋２Ｈ₂＋Ｑ２（発熱反応）（２）ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ＋Ｑ３＝ＣＯ₂＋３Ｈ₂ （吸熱反応）（３）式（２）、式（３）においてＱ２、Ｑ３は反応熱を表
す。

【００１３】改質触媒ではメタノールの燃焼反応
（（１）式）、メタノールの部分酸化反応（（２）式）
及び水蒸気改質反応（（３）式）（２５０〜３００℃程
度で反応を行うのが好ましい）が同時に生じ、（１）式
及び（２）式で発生する熱により（３）式の反応が右辺
に進むので、外部からの熱供給を行うことなくメタノー
ルの改質が進行する所謂オートサーマル式となる。

【００１４】上記３反応（（１）〜（３）式）は共に反
応生成物として二酸化炭素を生じる。この二酸化炭素は
高温雰囲気下（５００℃以上、部分酸化時などに生じ
る）において以下の（４）式のような逆シフト反応を生
じ（吸熱反応であるため、高温では反応が右辺側に進行
する）、この逆シフト反応の生成物であるＣＯはＰＥＦ
Ｃ電極などを被毒して、燃料電池の出力低下、劣化を招
いてしまう。

【００１５】ＣＯ₂＋Ｈ₂＋Ｑ４＝ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ（４）式（４）においてＱ４は反応熱を表す。

【００１６】式（４）の反応により生成したＣＯの一部
は、改質触媒上で式（４）の逆反応（シフト反応）によ
り酸化され無害なＣＯ₂となるのであるが、ＰＥＦＣに
供給される改質ガス中のＣＯは極力低濃度（数十ｐｐｍ
以下）である方が望ましく、充分にＣＯを除去するため
には改質触媒の面積を大きくするとともに、式（４）の
逆シフト反応が生じないように改質触媒を適正な温度
（２５０〜３００℃）に保つことが必要である。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、（１）
式に従いメタノールを燃焼させ燃料改質器５１を暖機す
る場合、前記改質触媒を改質反応に適した温度（約２５
０℃〜３００℃）まで加熱するために長時間を要すると
いう問題が指摘されている。

【００１８】また、燃焼ガス（気体）から改質触媒への
熱伝達性が低いため、始動用バーナ５４の近くに位置
し、高温の燃焼ガスと接触しやすい改質触媒の上流部が
過熱され高温となり、メタノールの改質開始直後に前記
（４）式の逆シフト反応が生じ、多量のＣＯを生じてし
まうという問題点がある。また、燃料電池の燃料である
メタノールを燃焼させるので、燃料電池の運転可能時間
が短くなり、特に、燃料電池電気自動車の場合には走行
距離が伸びない、燃費が悪化するなどの問題点がある。

【００１９】また、燃料改質器５１の運転終了時に、燃
料改質器５１の通風が停止するために、燃料改質器５１
からの放熱が妨げられ、余剰熱が発生し、改質触媒の温
度が急激に上昇するという問題が存在する。高温となっ
た改質触媒では、前記の逆シフト反応（（４）式）が生
じるために、燃料改質器内５１のＣＯ濃度が増加してし
まう。

【００２０】この改質触媒の過熱を避けるために、燃料
改質器５１の運転終了後、燃料改質器５１に送風を行う
ことが行われてきたが、送風のための電力が燃料電池の
エネルギー収支を悪化させていた。そのため、燃料改質
器５１の運転終了後に発生する前記余剰熱をいかに処理
するかが問題として指摘されている。

【００２１】本発明はこれらの問題を解決することを目
的とし、燃料電池用水素供給装置の暖機時間を短縮する
ことが可能な燃料電池用水素供給装置を提供することを
課題とする。

【００２２】また、本発明は、燃料電池用水素供給装置
の暖機を効率的かつ経済的に行うと共に、燃料改質器の
運転中の運転熱及び燃料改質器の停止直後に発生する余
剰熱を回収し、次回の燃料電池用水素供給装置の暖機用
エネルギーとして再利用することが可能な燃料電池用水
素供給装置を提供することを課題とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の問題点を
解決するために以下のように構成した。請求項１の発明
は、原燃料を改質することで水素を生成する燃料改質器
と、前記燃料改質器から放出された水素により発電を行
う燃料電池と、水素を吸蔵することにより発熱し、水素
を放出することで吸熱する第１の水素吸蔵材料と前記第
１の水素吸蔵材料よりも低い温度で水素を放出可能な第
２の水素吸蔵材料とを備え、前記第１の水素吸蔵材料
は、前記燃料改質器と熱交換可能に備え、前記燃料改質
器の暖機時には前記第２の水素吸蔵材料から放出された
水素を前記第１の水素吸蔵材料に吸蔵させることを特徴
とする燃料電池用水素供給装置である。

【００２４】請求項１の発明では、第２の水素吸蔵材料
（第２の材料）より水素を放出させ、この水素を第１の
水素吸蔵材料に吸蔵させることで、第１の水素吸蔵材料
（第１の材料）を発熱させる。第１の水素吸蔵材料は、
燃料改質器と熱交換可能に設けられているので、第１の
水素吸蔵材料の放出する熱により、燃料改質器の暖機を
行うことが可能となる。

【００２５】請求項２の発明は、前記第１の水素吸蔵材
料の水素化エネルギーは前記第２の水素吸蔵材料の水素
化エネルギーよりも大きいことを特徴とする請求項１に
記載の燃料電池用水素供給装置である。請求項２の発明
では、このように、水素化エネルギーの異なる水素吸蔵
材料を組み合わせているので、第１の材料の発熱量を、
第２の材料に水素を放出させるために加えた熱量よりも
大きくすることが可能となる。ここで、「水素化エネル
ギー」とは、水素吸蔵材料に所定量の水素を吸蔵させる
際に発生する熱量を示す。

【００２６】請求項３の発明は、前記燃料改質器はこの
燃料改質器を加熱する補助加熱手段を備え、前記補助加
熱手段は前記第２の水素吸蔵材料と熱交換可能に設けら
れたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用水素
供給装置である。請求項３の発明では、第２の材料を燃
料改質器の補助加熱手段と熱交換可能としているので、
燃料改質器の暖機を行う際に補助加熱手段から発生する
熱で第２の材料を加熱し、第２の材料から安定して水素
を放出させることが可能となる。

【００２７】請求項４の発明は、前記燃料改質器の運転
時に、前記燃料改質器の運転熱により前記第１の水素吸
蔵材料を加熱し、放出された水素を前記第２の水素吸蔵
材料に吸蔵させることを特徴とする請求項１〜３のいず
れか一項に記載の燃料電池用水素供給装置である。

【００２８】請求項４の発明では、燃料改質器の暖機が
終了して、燃料改質器において原燃料の改質が定常的に
行われる定常運転状態となったときに、燃料改質器の暖
機時に第１の材料に吸蔵された水素を定常運転状態の燃
料改質器から発生する運転熱により放出させることが可
能となる。この第１の材料から放出された水素は第２の
材料に導かれ、次回の燃料改質器の暖機に備えて再び第
２の材料に吸蔵される。

【００２９】請求項５の発明は、前記燃料改質器の停止
時に、前記燃料改質器から発生する余剰熱により前記第
１の水素吸蔵材料を加熱し、放出された水素を前記第２
の水素吸蔵材料に吸蔵させることを特徴とする請求項１
〜３のいずれか一項に記載の燃料電池用水素供給装置で
ある。請求項５の発明では、燃料改質器の運転が終了し
た後に、燃料改質器に残留する余剰熱を吸熱して前記第
１の材料に吸蔵されている水素が放出されるので、運転
終了直後の燃料改質器を冷却し、燃料改質器の過熱を防
ぐことができる。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。尚、本発明は、この実施の形態の記載にのみ限定
されるものではなく、本発明の思想を具現化する種々の
変更が加えられうる。

【００３１】図１に本発明の燃料電池用水素供給装置の
模式図を示す。本発明の燃料電池用水素供給装置は、内
部に改質触媒（不図示）を備えた燃料改質器１と、この
燃料改質器１に水、メタノール蒸気及び空気からなる原
燃料蒸気を供給するための原燃料蒸発器１０、並びに燃
料改質器１の運転開始時に改質触媒の温度を所定の温度
まで上昇させるための始動用暖機手段３とからなる。

【００３２】原燃料蒸発器１０は、水・メタノールタン
ク９及びこの水・メタノールタンク９より供給される原
燃料を蒸発させるための蒸発器２とからなる。始動用暖
機手段３は、メタノールタンク１１、このメタノールタ
ンク１１より供給されるメタノールを燃焼させるための
補助加熱手段である従来の始動用バーナ４及び本発明の
特徴である水素吸蔵材料を利用した加熱・冷却器５とか
らなる。

【００３３】加熱・冷却器５は、第２の材料を収納した
第２の密閉容器７が前記始動用バーナ４に巻装され、第
２の材料はこの始動用バーナ４と熱交換可能とされてい
る。第１の材料を収納した第１の密閉容器６は燃料改質
器１に巻装され、第１の材料はこの燃料改質器１と熱交
換可能とされている。さらに、第１の密閉容器６と第２
の密閉容器７とは水素流通管８により連通されている。

【００３４】燃料改質器１の運転開始時には、従来法通
り、始動用バーナ４でメタノールを燃焼する際に発生す
る高温の燃焼ガスを燃料改質器１に導入するとともに、
加熱・冷却器５を利用することにより暖機を行う。すな
わち、始動用バーナ４によりメタノールを燃焼させる際
に発生する熱により、第２の材料を加熱し水素の放出を
アシストし、この水素を水素流通管８を通して第１の密
閉容器６に導入して第１の材料に吸蔵させることで、第
１の材料を発熱させ、この熱により燃料改質器１の暖機
を行う。

【００３５】ここで、本発明の特徴である水素吸蔵材料
を用いた加熱・冷却器５の第１の材料に所定圧力の水素
を印加したときの印加水素圧と発熱温度の関係を図２に
示す。図２の縦軸は、第１の材料の発熱温度（℃）を示
し、横軸は、第１の材料に所定圧力の水素ガスを印加し
てからの経過時間（分）を示す。図２には、第１の材料
に水素を１ＭＰａで印加した場合と３ＭＰａで印加した
場合を示している。図２より明らかなように、第１の材
料は所定圧力の水素を印加すると瞬時に昇温し、その後
はほぼ一定温度を保ち続ける。また、水素の印加圧力を
変えることで、第１の材料の発熱温度を制御することが
可能である。

【００３６】このように、加熱・冷却器５は使用する水
素吸蔵材料の特性、および印加水素圧力から加熱特性を
設計する事が可能であることから燃料電池用水素供給装
置の始動用暖機手段３として好適である。

【００３７】加熱・冷却器５において第１の材料、第２
の材料として用いる材料は水素化、脱水素化に伴い発
熱、あるいは吸熱反応を示す材料であれば、特に限定さ
れず、例えば、次式の特性を示す水素吸蔵合金などを用
いることができる。Ｍ＋Ｈ₂＝ＭＨ＋Ｑ５（５）式（５）でＱ５は水素化エネルギーを表す。また、Ｍは
水素吸蔵合金を表す。

【００３８】このような材料としては、ＮａＡｌＨ₄等
のケミカルハイドライド、Ｃａ，Ｎａ等の金属水素化
物、あるいはカーボンナノチューブ等が挙げられ、加熱
・冷却器５の作動温度によりこれらの材料を選択するこ
とが好ましい。例えば、６００〜８００℃で加熱・冷却
器５を用いる場合には、この温度範囲で水素化反応速度
の大きいＮａ又はＣａ等が選択できる。

【００３９】第２の材料としては室温〜１００℃におい
て水素を放出可能であれば材料に制限はないが、この温
度範囲において水素化反応速度の大きい、ＴｉＣｒ₂、
（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）₂等のラーベ
ス相合金（ＡＢ₂型水素吸蔵合金）、ＬａＮｉ₅、ＭｎＮ
ｉ₅等のＡＢ₅型水素吸蔵合金、Ｔｉ−Ｖ−Ｃｒ合金、Ｔ
ｉ−Ｖ−Ｃｒ−Ｍｎ合金等のＢＣＣ合金を用いることが
好ましい。これらの水素吸蔵合金の水素化エネルギーに
は大きな違いはなく、水素を１ｇ放出するたびに１５〜
２０ｋＪの熱を吸収する。

【００４０】第１の材料は改質器の運転温度である２５
０〜３００℃において水素を吸蔵可能であれば材料に制
限はなく、前記の第２の材料と同種の水素吸蔵合金（Ａ
Ｂ₅型水素吸蔵合金，ＡＢ₂型水素吸蔵合金，ＢＣＣ合金
等）を用い、第２の材料として第１の材料よりも水素放
出温度が低い水素吸蔵材料を用いて加熱・冷却器５を構
成することも可能である。

【００４１】しかし、第１の材料としては第２の材料よ
りも水素化エネルギーの大きな水素吸蔵合金を用いるこ
とが好ましい。このような材料としては、水素を１ｇ吸
蔵するごとに３２〜３８ｋＪの熱を放出するＭｇ系水素
吸蔵合金（以下「Ｍｇ系合金」という）が好ましい。よ
り具体的に言うと、Ｍｇ系合金としては、純粋なＭｇ及
びＭｇ₂Ｎｉが好ましい。

【００４２】このＭｇ系合金を第１の材料として用い、
前記のＡＢ₅型水素吸蔵合金，ＡＢ₂型水素吸蔵合金又は
ＢＣＣ合金等を第２の材料として、加熱・冷却器５を構
成すれば、第１の材料は第２の材料の吸熱量に対して２
倍近い熱量を放出することが可能となり、燃料改質器１
の暖機時間を大幅に短縮することが可能となる。より詳
細に言うと、燃料改質器１の暖機時には第２の材料は１
５〜２０ｋＪ／１ｇＨ₂の熱を吸熱し、第１の材料は３
２〜３８ｋＪ／１ｇＨ₂の熱を発生するので、燃料電池
用水素供給装置全体として１ｇの水素ごとに１０〜２０
ｋＪの熱を余計に発生することになる。

【００４３】さらに、このＭｇ系合金は燃料改質器１の
運転温度（２５０〜３００℃程度）での水素化速度が大
きく、前記のように反応水素量あたりの発熱、吸熱量が
大きい（３２〜３８ｋＪ／１ｇＨ₂）ことから第１の材
料としては特に好適である。

【００４４】もちろん、第１の材料をＭｇ系合金単独で
構成することも可能である。しかし、Ｍｇ系合金、特に
純粋なＭｇは、高温（３００℃程度）での水素化反応速
度は大きいが、低温（室温〜１００℃）における水素化
反応速度が小さく、Ｍｇ系合金単独で構成された第１の
材料では低温下で急峻な加熱が必要なときに応答遅れが
生じることがある。そこで、第１の材料をＭｇ系合金単
独で構成する場合には、第１の材料を好適な作動温度
（２５０〜３００℃程度）まで加熱する何らかの手段を
設けることが好ましい。

【００４５】本実施の形態の加熱・冷却器５では、第１
の材料としてＭｇ系合金を単独で用いることはせず、Ｍ
ｇ系合金の低温における水素化反応速度を高めるため
に、Ｍｇ系合金に低温における水素化反応速度の大きい
Ｎｉをメカニカルグラインディングにより添加すること
で、Ｍｇ系合金の低温における水素化反応速度を補っ
た。

【００４６】また、加熱・冷却器５の低温における水素
化速度を向上するためには、第１の材料としてＭｇ₂Ｎ
ｉを利用しても良く、さらにＭｇ₂Ｎｉにメカニカルグ
ラインディングを施すと一層水素化速度を向上させるこ
とができる。

【００４７】さらに第１の材料には、低温での水素化反
応速度を向上するために、低温において水素化反応速度
の高い水素吸蔵合金を微量添加してもよい。微量添加す
る水素吸蔵合金としては、ＴｉＣｒ₂、（Ｚｒ，Ｔｉ）
（Ｎｉ，Ｍｎ，Ｖ，Ｆｅ）₂等のＡＢ₂型水素吸蔵合金、
ＬａＮｉ₅、ＭｎＮｉ₅等のＡＢ₅型水素吸蔵合金、Ｔｉ
−Ｖ−Ｃｒ合金及びＴｉ−Ｖ−Ｃｒ−Ｍｎ合金等のＢＣ
Ｃ合金又はＮｉを単独で又は複数混合して用いることが
好適である。

【００４８】これらの微量添加する水素吸蔵合金は、水
素吸蔵反応開始後の極初期（燃料改質器１暖機開始直
後）において、第１の材料であるＭｇ系水素吸蔵合金の
暖機を行うためであるので、添加量は微量で構わない。

【００４９】これらの微量添加する水素吸蔵合金の添加
量を適正値とすることでＭｇ系水素吸蔵合金を主成分と
した第１の材料の低温における水素化反応速度を実用上
充分な程度まで高めることができるとともに、Ｍｇ系水
素吸蔵合金を主成分とした第１の材料の発熱量を実用上
充分な程度に保つことが可能となる。

【００５０】本実施の形態の加熱・冷却器５で用いた第
１の材料及び第２の材料の組成をより詳細に説明する。
第１の材料としては、Ｍｇ₂ＮｉとＮｉをメカニカルグ
ラインディングにより１ａｔｏｍ％添加したＭｇとをモ
ル比率で４０：６０の割合で混合したものを主成分とし
た。更に、低温における水素化反応速度の向上を目的と
して、ＢＣＣ合金であるＴｉ−Ｖ−Ｃｒ系合金を主成分
に対して１０ｍｏｌ％添加して第１の材料とした。ま
た、第２の材料としては、ＴｉＣｒ₂系ラーベス相合金
を用いた。

【００５１】本実施の形態では、第１の材料及び第２の
材料として前記のような水素吸蔵合金を用いたので、低
温からの反応性が大幅に向上し、高温における発熱量の
大きな加熱・冷却器５を得た。

【００５２】また、本実施の形態で用いた加熱・冷却器
５は、第１の密閉容器６中に、約１ｋｇの第１の材料を
収納し、第２の密閉容器７中に約２．５ｋｇの第２の材
料を収納し、両者を水素流通管８で連通した。この加熱
・冷却器５中に約２５ｍｏｌの水素を封入した。この加
熱・冷却器５は、第２の材料がメタノールの燃焼熱によ
り加熱されているときに、第２の材料が水素を放出し。
第１の材料が水素を吸蔵することで第２の材料が得た熱
量以上（約２倍程度）の熱量を放出し、暖機対象物の暖
機が速やかに行われる。

【００５３】以下に、（Ａ）燃料改質器１暖機時、
（Ｂ）燃料改質器１運転時、（Ｃ）燃料改質器１停止時
の各場面における、本発明の燃料電池用水素供給装置に
おける熱の流れ及び水素の流れを説明する。

【００５４】（Ａ）燃料改質器１暖機時図３に燃料改質器１の暖機中における熱と水素の流れを
示した。なお、図３において図１と同じ部分については
同符号を用いその説明を省略する。また、水素の流れは
白抜きの矢印で、熱の流れは矢印で示した。

【００５５】燃料改質器１の暖機開始時には、メタノー
ルタンク１１よりメタノールが供給され、始動用バーナ
４により燃焼される。このメタノールの燃焼により生じ
た燃焼熱２１は、高温の燃焼ガスとなり、まず、燃料改
質器１に導かれ、改質触媒を加熱する。

【００５６】また、メタノールの燃焼により生じた燃焼
熱２１の一部２２は、第２の密閉容器７中に収納された
第２の材料の加熱に使用される。第２の材料は、室温〜
１００℃程度の温度で水素を放出可能な水素吸蔵合金で
あるので、メタノールの燃焼により発生した燃焼熱の一
部２２を吸熱して直ちに水素２３を放出する。この際、
第２の材料は、１５ｋＪの熱を吸熱するごとに１ｇの水
素を放出する。

【００５７】第２の材料より放出された水素２３は、水
素流通管８を通じて第１の密閉容器６に導入され、第１
の材料に吸蔵される。第１の材料としては、低温での水
素化反応速度を高めた水素吸蔵合金が使用されているの
で、水素を吸蔵して直ちに吸蔵熱２４を発生し昇温す
る。吸蔵熱２４は、燃料改質器１を加熱し燃料改質器１
の暖機を行う。第１の材料は、１ｇの水素を吸蔵するご
とに３２〜３８ｋＪの吸蔵熱２４を発生する。

【００５８】このように、本発明の燃料電池用水素供給
装置では、第２の材料に加えられた熱量（１５ｋＪ／１
ｇＨ₂）の２倍以上の吸蔵熱２４を第１の材料が発熱す
るので、燃料改質器１の暖機時間を大幅に短縮すること
が可能となる。

【００５９】（Ｂ）燃料改質器１運転時図４に燃料改質器１の暖機が終了して、燃料改質器１が
定常運転状態となったときの熱と水素の流れを示した。
なお、図４において図１と同じ部分については同符号を
用いその説明を省略する。また、水素の流れは白抜きの
矢印で、熱の流れは矢印で示した。

【００６０】（Ａ）の燃料改質器１の暖機が終了して、
改質触媒が所定温度まで昇温されると、始動用暖機手段
３が停止され、原燃料蒸発器１０から、原燃料蒸気が燃
料改質器１に導入され、改質が進行し始める。改質反応
が定常的に進行し始めると、燃料改質器１から運転熱２
５が発生する。この運転熱２５を第１の材料に吸熱させ
ることで、暖機時に吸蔵された水素２６を放出させる。
第１の材料から放出された水素２６は、水素流通管８を
通って第２の材料に導かれ、次回の暖機に備えて第２の
材料に吸蔵される。水素を吸蔵した第２の材料は、それ
により、吸蔵熱２７を放出するが、その発熱量は、第１
の材料の吸熱量の約１／２程度である。

【００６１】このように本発明の燃料電池用水素供給装
置では、燃料改質器１の定常運転状態で発生する運転熱
２５を用いて、第１の材料の再生を行うので、熱の無駄
が少ない。

【００６２】（Ｃ）燃料改質器１停止時図５に燃料改質器１の運転が終了したときの熱と水素の
流れを示した。なお、図５において図１と同じ部分につ
いては同符号を用いその説明を省略する。また、水素の
流れは白抜きの矢印で、熱の流れは矢印で示した。

【００６３】従来型の燃料改質器１では、運転終了時
に、燃料改質器１の通風が停止するために、燃料改質器
１からの放熱が妨げられ、余剰熱が発生し、改質触媒の
温度が急激に増大するという問題点があった。

【００６４】ところが本発明の燃料電池用水素供給装置
では、燃料改質器１の運転終了時に発生する余剰熱２８
を第１の材料で吸熱して、燃料改質器１を冷却すること
で、燃料改質本体器１の過熱の問題を解決することに利
用できる。すなわち、燃料改質器１より発生する余剰熱
２８は第１の材料に吸熱され、それにより、第１の材料
が水素２９を放出し、水素２９は水素流通管８を通っ
て、第２の材料に吸蔵され、その際吸蔵熱３０を放出す
る。

【００６５】このように、燃料改質器１の運転終了時に
発生する余剰熱２８を効果的に吸熱することができるよ
うに、第１の材料中には、定常運転時に全ての水素を放
出させるのではなく、いくらかの水素を残留させておく
ことが望ましい。例えば、このように、第１の材料中に
水素を残留させるためには、第１の材料に運転終了後の
余剰熱２８を吸熱するための区画（以下「余剰熱吸熱区
画」という）を設けることも有効である。すなわち燃料
改質器１の暖機時は第１の材料の全区画に水素を供給し
て発熱させ、定常運転時には、第１の材料の余剰熱吸熱
区画以外の区画より水素放出を行う。そして、燃料改質
器１の運転終了時には、余剰熱吸熱区画より水素放出を
行う。

【００６６】このように、燃料改質器１の運転終了時に
余剰熱吸熱区画から水素放出を行うこと燃料改質器１の
速やかな冷却が可能となると共に、第１の材料の水素放
出に関して煩雑な制御等を行わなくとも運転終了時の冷
却機構の付与が可能となる。

【００６７】

【発明の効果】本発明は前記のように構成したので、次
のような顕著な効果を奏する。（１）本発明の燃料電池用水素供給装置では水素吸蔵材
料を用いた加熱・冷却器を使用しているので、改質触媒
の温度を原燃料の改質反応に適した温度に短時間で確実
に加熱することができ、暖機運転時間が一挙に短縮化さ
れる。また加熱・冷却器を燃料改質器の周囲に巻装する
ことにより、燃料改質器を均一に暖機することが可能と
なり、改質開始時のＣＯ発生量を減ずることが可能とな
る。また、この加熱・冷却器は、可動部を有さない単純
な構造のため堅牢である（請求項１）。

【００６８】（２）本発明の燃料電池用水素供給装置に
おいて第１の材料の水素化エネルギーを第２の材料の水
素化エネルギーよりも大きくすることで、第２の材料を
加熱するのに要した熱量よりも大きな熱量を第１の材料
が放出することが可能となり、燃料改質器の暖機時間を
より一層短縮することが可能となる（請求項２）。ま
た、高温における水素化反応速度の優れた材料と低温に
おける水素化反応速度の優れた材料とを組み合わせて加
熱・冷却器を構築しているので、低温からの加熱特性の
優れた、発熱容量の大きな加熱・冷却器が実現可能とな
る（請求項２）。

【００６９】（３）本発明の燃料電池用水素供給装置に
おいて第２の材料を燃料改質器の補助加熱手段と熱交換
可能とすることにより、燃料改質器始動時に稼動する補
助加熱手段の発生する熱により、第２の材料より水素を
放出させることが可能となる（請求項３）。

【００７０】（４）本発明の燃料電池用水素供給装置に
おいて、燃料改質器の暖機が終了し、燃料改質器が定常
運転している際に、燃料改質器の発生する運転熱により
第１の材料を加熱して水素を放出させ、その水素を第２
の材料に吸蔵させることで、燃料改質器の運転熱を効率
的に回収して次回の燃料改質器の暖機に用いることがで
きる（請求項４）。

【００７１】（５）本発明の燃料電池用水素供給装置に
おいて、燃料改質器の運転が終了した際に、燃料改質器
の発生する余剰熱を第１の材料に吸熱させることで、燃
料改質器を冷却することができるので、従来行われてき
たように、燃料改質器の運転停止後に送風を行う必要が
無くなるとともに、運転停止時に生じるＣＯ量の削減が
可能となる（請求項５）

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の始動用暖機手段を備えた燃料改質器
の模式図である。

【図２】水素吸蔵材料を利用した加熱・冷却器におけ
る印加水素圧と発熱温度の関係を示すグラフである。

【図３】燃料改質器暖機時における本発明の始動用暖
機手段３における熱の流れ及び水素の流れを示す図であ
る。

【図４】燃料改質器運転時における本発明の始動用暖
機手段３における熱の流れ及び水素の流れを示す図であ
る。

【図５】燃料改質器停止時における本発明の始動用暖
機手段３における熱の流れ及び水素の流れを示す図であ
る。

【図６】従来の燃料改質器の模式図である。

【符号の説明】

１燃料改質器２蒸発器３始動用暖機手段４始動用バーナ５加熱・冷却器６第１の密閉容器７第２の密閉容器８水素流通管９水・メタノールタンク１０原燃料蒸発器１１メタノールタンク２１燃焼熱２２燃焼熱の一部２３、２６、２９水素２４、２７吸蔵熱２５運転熱２８余剰熱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ０１Ｂ 3/32 Ｃ０１Ｂ 3/32 ＡＦ１７Ｃ 11/00 Ｆ１７Ｃ 11/00 ＣＨ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ 8/10 8/10 (72)発明者島田毅昭埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内Ｆターム(参考） 3E072 EA10 4G040 AA06 AA24 AA25 EA02 EA06 EB03 EB12 EB42 EB44 EB46 4G068 AA01 AB01 AC01 AC02 AD50 AF12 AF31 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA14 DD00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原燃料を改質することで水素を生成する燃
料改質器と、前記燃料改質器から放出された水素により
発電を行う燃料電池と、水素を吸蔵することにより発熱
し、水素を放出することで吸熱する第１の水素吸蔵材料
と前記第１の水素吸蔵材料よりも低い温度で水素を放出
可能な第２の水素吸蔵材料とを備え、前記第１の水素吸
蔵材料は、前記燃料改質器と熱交換可能に備え、前記燃
料改質器の暖機時には前記第２の水素吸蔵材料から放出
された水素を前記第１の水素吸蔵材料に吸蔵させること
を特徴とする燃料電池用水素供給装置。
【請求項２】前記第１の水素吸蔵材料の水素化エネル
ギーは前記第２の水素吸蔵材料の水素化エネルギーより
も大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用
水素供給装置。
【請求項３】前記燃料改質器はこの燃料改質器を加熱
する補助加熱手段を備え、前記補助加熱手段は前記第２
の水素吸蔵材料と熱交換可能に設けられたことを特徴と
する請求項２に記載の燃料電池用水素供給装置。
【請求項４】前記燃料改質器の運転時に、前記燃料改
質器の運転熱により前記第１の水素吸蔵材料を加熱し、
放出された水素を前記第２の水素吸蔵材料に吸蔵させる
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の
燃料電池用水素供給装置。
【請求項５】前記燃料改質器の停止時に、前記燃料改
質器から発生する余剰熱により前記第１の水素吸蔵材料
を加熱し、放出された水素を前記第２の水素吸蔵材料に
吸蔵させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一
項に記載の燃料電池用水素供給装置。