JP2002337999A

JP2002337999A - 燃料供給システム

Info

Publication number: JP2002337999A
Application number: JP2001149771A
Authority: JP
Inventors: Masaki Ikematsu; 正樹池松
Original assignee: Nippon Oil Corp
Current assignee: Eneos Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2002-11-27

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料供給ステーションに水素を輸送すること
なく、燃料供給ステーションにおいて多量の水素を貯蔵
することなく、電気と熱の供給と、水素の供給を同時に
行なうことができる燃料供給システムを提供する。【解決手段】炭化水素系燃料の貯蔵設備を有する自動
車用燃料供給ステーションの燃料供給システムであっ
て、水素を燃料とする自動車の水素貯蔵容器に水素を供
給する水素供給手段と、炭化水素系燃料を原燃料とする
燃料電池発電システムとを備え、燃料電池発電システム
は前記炭化水素系燃料から水素を製造するための改質器
と燃料電池とを少なくとも有し、燃料供給システムがさ
らに、改質器の下流の水素含有ガスを精製する精製装
置、精製装置で精製して得られた水素ガスを昇圧する昇
圧機、および該昇圧機で昇圧された水素ガスを前記水素
供給手段に導く手段を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動車用燃料供給
ステーションにおける燃料供給システムに関する。より
詳しくは、水素を燃料とする自動車に水素を供給するこ
とができる燃料供給システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在実用化が進められている燃料電池に
は使用する電解質によって様々なタイプがあるが、その
基本原理は、水素や炭化水素などの燃料と、空気などの
酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを得る
というものである。したがって燃料電池システムは、燃
料供給手段、酸化剤供給手段および燃料電池を基本的な
構成要素として有する。

【０００３】このうち、燃料供給手段としては、炭化水
素などの原燃料から改質器によって水素高含有ガスを発
生させ、これを燃料電池に供給する形態がある。改質器
において、原燃料は水素、二酸化炭素および一酸化炭素
を主成分とする改質ガスに変換され、必要に応じ、燃料
電池の電極の触媒に用いられる白金を被毒し性能を低下
させる一酸化炭素を二酸化炭素へ変成させたのち、水素
高含有ガスとして燃料電池の燃料極へ送られる。

【０００４】また、水素を燃料ガスとして使用する燃料
電池を搭載する電気自動車（以下、燃料電池自動車とい
う）としては、水素を燃料として搭載するタイプや、水
素を生成するための炭化水素やアルコール等の原燃料を
搭載し、車上で改質反応を行うことにより水素ガスを発
生させるタイプなどが知られている。

【０００５】このうち、水素を積載するタイプの燃料電
池自動車においては、燃料電池の電極に供給される燃料
ガスの水素ガスの純度が高いことから、燃料電池を運転
する際に高い発電効率を得ることができ、燃料電池シス
テムの小型化を図ることができるなどのメリットがあ
る。

【０００６】しかしながら、このような水素を積載する
タイプの燃料電池自動車の普及をはかるためには、水素
を供給するための燃料供給ステーションを多くの場所に
設置する必要があり、水素の貯蔵や輸送のための設備投
資や水素の輸送手段に関し、実用面での改良が必要とな
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、水素を輸送
することを回避可能とし、上記のような燃料電池自動車
普及のためのインフラストラクチャーに係る投資効率を
高め、また水素輸送に係る問題を回避することを目的と
する。詳しくは、自動車用サービスステーションなどの
炭化水素および／または含酸素炭化水素を有する燃料供
給ステーションで燃料電池発電システムを活用すること
で水素の供給を効率的に行なうことを目的とする。ま
た、他の目的として水素の供給とともに炭化水素および
／または含酸素炭化水素をも供給することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、炭
化水素系燃料の貯蔵設備を有する自動車用燃料供給ステ
ーションの燃料供給システムであって、水素を燃料とす
る自動車の水素貯蔵容器に水素を供給する水素供給手段
と、炭化水素系燃料を原燃料とする燃料電池発電システ
ムとを備え、該燃料電池発電システムは前記炭化水素系
燃料から水素を製造するための改質器と燃料電池とを少
なくとも有し、この燃料供給システムがさらに、該改質
器の下流の水素含有ガスを精製する精製装置、該精製装
置で精製して得られた水素ガスを昇圧する昇圧機、およ
び、該昇圧機で昇圧された水素ガスを前記水素供給手段
に導く手段を備えることを特徴とする燃料供給システム
である。

【０００９】本発明の燃料供給システムが、さらに、前
記炭化水素系燃料を、該炭化水素系燃料を燃料とする自
動車に供給する炭化水素系燃料供給手段を有することが
好ましい。

【００１０】また、前記水素含有ガスが、前記改質器の
下流かつ前記燃料電池の上流の水素含有ガスであること
が好ましい。

【００１１】前記昇圧機の出口圧力が、５ＭＰａ以上で
あることも好ましい。

【００１２】本発明によれば、前記の特定構成の燃料供
給システムとすることにより、自動車用サービスステー
ションなどの自動車用燃料供給ステーションに大規模な
水素の貯蔵施設を建設する必要がなく、水素を水素製造
施設から自動車用燃料供給ステーションに直接輸送する
必要が無く、既存の炭化水素および／または含酸素炭化
水素の貯蔵設備や輸送設備などをそのまま活用でき、実
用上多くの点でメリットが大きい。

【００１３】また、本発明の燃料供給システムの一態様
は、水素のみならず、炭化水素および／または含酸素炭
化水素をも燃料として供給することも可能であることか
ら、水素を積載するタイプの燃料電池自動車や水素エン
ジン自動車に水素を供給するのみならず、原燃料を車上
改質するタイプの燃料電池自動車や通常の内燃機関を有
する自動車に対しても燃料の供給を行うことができ、従
って、自動車の種類を問わず燃料を供給できることとな
る。さらに、自動車用燃料供給ステーションにおいて燃
料電池システムを有することにより、燃料電池システム
から電気および熱を供給することが可能となり、自動車
用燃料供給ステーションのエネルギー効率も改善され
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】自動車用燃料供給ステーションと
しては、自動車用燃料を自動車に供給する手段を有する
ものであれば、特にその形態は限定されないが、自動車
用サービスステーションや車両ターミナルなどを典型的
なものとして挙げることができる。

【００１５】炭化水素系燃料は、炭化水素および／また
は含酸素炭化水素を主成分とする燃料であり、具体的に
は、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、Ｌ
ＰＧ、都市ガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油またこ
れら石油製品の沸点範囲に入る液体燃料や、メタノー
ル、エタノール、プロパノールなどのアルコール、ジメ
チルエーテルなどのエーテル等を例示することができ
る。なお、一般にはこれらに含有される硫黄含有量は少
ない程よい。

【００１６】自動車用燃料供給ステーションにおける炭
化水素系燃料の貯蔵設備としては、特に限定されなく、
例えば、地上タンクおよび地下タンクのいずれでもよ
く、地下タンクがスペース効率等の実用上の観点から好
ましく、種々の公知の設備形態を適宜用いることができ
る。

【００１７】図１は、燃料として炭化水素を用いた燃料
電池システムを有する燃料供給システムの概略構成例を
示すブロック図である。

【００１８】以下図１を用いて本発明を説明するが、本
発明は図１に示す形態に限定されるものではない。ま
た、燃料電池のタイプや使用する燃料などによって燃料
電池システムは様々な形態をとり得る。

【００１９】本発明に記載の燃料電池システムは、燃料
電池１を有する。燃料電池としては、本発明による特段
の制限は無く、固体高分子形の他、燐酸形、溶融炭酸塩
形、固体酸化物形等いかなるタイプの燃料電池であって
もよい。また燃料電池は単電池であることも可能だが、
実用的には単電池が積層あるいは集合されたセルスタッ
クあるいはモジュールであることが高電圧化、高出力化
のために好ましい。

【００２０】燃料電池システムにおける燃料供給手段
は、燃料電池内で電気化学反応する水素などの燃料を供
給するためのものであり、少なくとも原燃料を水素含有
ガスに改質する改質器を有するものであれば、燃料電池
システムに適用できる公知の技術を本発明に適用するこ
とができる。

【００２１】図１においては、燃料電池用燃料供給手段
は、原燃料貯蔵設備１１、配管１２、改質器１３、配管
１４により構成され、原燃料は原燃料貯蔵設備から配管
１２を経て改質器１３に供給される。配管１２には必要
に応じてポンプや圧縮機、ブロワなどの昇圧手段を設け
ることができる。

【００２２】改質器１３は、水蒸気改質反応や部分酸化
反応等の改質反応により原燃料から水素を得るためのも
のである。図示していないが、改質に必要な水蒸気や酸
素（空気等）は適宜改質器に供給される。

【００２３】改質方法としては特に限定されないが、ナ
フサや灯油を原燃料とする燃料電池システムに好適な改
質としては、例えば特開平４−２６５１５６、特開平４
−２８１８４５に記載がある。これらの技術において
は、改質触媒として、アルカリ金属およびアルカリ土類
金属から選ばれた１種あるいは２種以上の金属を金属酸
化物として０．２〜２０質量％含有するセリアあるいは
セリアを主成分とする希土類元素酸化物に白金族金属を
担持させた触媒が用いられ、あるいは、セリアあるいは
セリアを主成分とする希土類元素酸化物を５〜４０質量
％とアルミナを６０〜９５質量％含む担体にルテニウム
を０．１〜２質量％担持させた触媒であってセリウムと
ルテニウムの原子比（Ｃｅ／Ｒｕ）が１０超〜２００で
ある触媒が用いられている。これら触媒を用いた水蒸気
改質反応によれば、低圧かつ低スチーム／カーボン比に
おいても炭素析出が少なく、触媒が長期間高活性に保た
れる。

【００２４】改質器で水素濃度を高められた水素含有ガ
ス（改質ガス）は燃料ガス供給経路（配管１４）を経て
燃料ガスとして燃料電池１に導入される。図示していな
いが、燃料電池のタイプによっては改質器１３と燃料電
池１の間には、ＣＯ濃度を低減するＣＯ変成器（シフト
コンバーター）やＣＯ除去器を備えることもできる。特
に固体高分子形の場合はこれらを備えることが好まし
い。ＣＯは燃料電池内の触媒を被毒させる場合があり、
この場合これを避けるためにＣＯ変成器やＣＯ除去器が
好ましく用いられる。またＣＯ濃度低減と同時に、水素
濃度を高める効果も期待できる。

【００２５】原燃料中に、燃料電池システムの構成要素
を害する恐れのある物質が存在する場合は、それを除去
する装置を設けることが好ましい。例えば、硫黄分は触
媒被毒物質となり得るため、燃料電池あるいは改質器が
触媒を備え、硫黄分を含む炭化水素を原燃料とする場
合、例えば改質器１３の上流（図１では配管１２のライ
ン）に脱硫器を設けることが好ましい。

【００２６】一方、燃料電池システムにおける酸化剤供
給手段は、燃料電池内で電気化学反応する酸素などの酸
化剤（通常は空気）を供給するためのものであり、これ
について本発明による特段の制限は無く、燃料電池シス
テムに適用できるものであれば本発明に用いることがで
きる。

【００２７】なお、燃料電池システムにおいて発電され
た電力は自動車用燃料供給ステーションに供給されると
ともに、燃料電池システムの排熱を利用し熱電供与の形
態とすることも可能である。

【００２８】本発明の燃料供給システムにおいては、燃
料電池発電システムにおける改質器下流の水素含有ガス
を精製および昇圧することにより得られた水素を燃料電
池自動車の水素貯蔵容器に供給する。このとき、改質器
と燃料電池の間の配管１４を分岐し、配管２７から水素
精製装置２１に水素含有ガスを供給する形態とすること
ができる。改質器と燃料電池の間に前記ＣＯ変成器およ
びＣＯ除去器を備える場合は、ＣＯ変成器およびＣＯ除
去器の下流で分岐するのが望ましい。この形態は、燃料
電池発電システムと水素供給とを独立して運転でき、水
素精製装置の入口において水素濃度が比較的高いという
点で好ましい。また、上記配管２７に加えて、あるいは
上記配管２７に替えて、燃料電池の燃料極排ガスを水素
精製装置に導く形態でも良い。この場合、燃料電池にお
ける燃料利用率を比較的低く設定することも可能で、燃
料電池を比較的高電圧で作動させることが可能である。

【００２９】水素精製装置２１の下流には水素昇圧機２
２が設けられる。さらに、必要に応じて水素精製装置２
１の上流に水素含有ガスを昇圧する昇圧機を設けること
もできる。

【００３０】水素精製装置としては、特に限定されな
く、例えばパラジウム膜、圧力スイング吸着装置、水素
吸蔵合金等、水素を分離精製できる装置であればいかな
るものを用いることも可能である。水素精製して得た水
素の純度は、水素含有量を高めるほど、後の自動車への
水素充填効率からみて好ましく、９５体積％以上が好ま
しく、より好ましくは９９体積％、さらに好ましくは９
９．９体積％、特には９９．９９９体積％程度が好まし
い。

【００３１】水素精製装置に水素吸蔵合金を用いる場
合、水素を発生させるために水素吸蔵合金を加熱するた
めの熱源として、燃料電池システムで発生した熱を利用
することが熱効率の観点から好ましい。

【００３２】精製水素が分離された後の残余ガスについ
ては、残余ガスの組成に応じて適宜処理してあるいは未
処理のまま排出しても良いが、配管２６を経て改質器の
燃焼室に戻して残余ガス中の水素を燃焼させ、あるいは
別途設けた燃焼器にて残余ガス中の水素を燃焼させ、そ
の燃焼熱を改質器の昇温に用いることもできる。

【００３３】水素昇圧機としては、特に限定されなく、
水素圧縮ポンプが一般的に用いられるが、水素を昇圧で
きる装置であればいかなるものを用いることも可能であ
る。水素昇圧機２２出口の水素ガス圧力は、容積効率の
観点から高くすることが望ましく、好ましくは５０気圧
（５ＭＰａ）以上、より好ましくは１００気圧（１０Ｍ
Ｐａ）以上、さらには２００気圧（２０ＭＰａ）以上が
好ましい。また、上限については、特に限定されない
が、実用上５００気圧（５０ＭＰａ）以下が好ましい。

【００３４】水素昇圧工程を経た後、水素ガスを水素供
給手段２４に導く。そのための手段としては水素昇圧機
２２の出口ガスを水素供給手段２４に導くことのできる
ものであればよく、水素昇圧機と水素供給手段を接続す
る配管でよい。実用上、ここに、水素貯蔵容器、例えば
高圧水素タンク２３を設けることが好ましい。水素昇圧
機２３の下流に設けられる水素貯蔵容器としては、昇圧
された水素に耐えるものであれば特にその形態は限定さ
れなく、公知のものを広く適用することが可能であり、
ボンベやタンク等の高圧容器の他、水素吸蔵合金を内蔵
した高圧容器でもよい。また、水素貯蔵容器の入り口や
出口に必要に応じて圧力調整弁等を設けることもでき
る。

【００３５】水素供給手段は、水素ガスを、水素を燃料
とする自動車の水素貯蔵容器に供給するものであり、公
知のものを用いることができる。この水素貯蔵容器は、
図１のように、水素自動車３１に搭載された水素貯蔵容
器３２であってもよく、この容器が水素自動車から取り
外し可能なものである場合は、自動車から取り外された
状態の水素貯蔵容器であってもよい。

【００３６】本発明の一形態として、上記のように自動
車に対して水素を供給するとともに、炭化水素系燃料を
燃料とする自動車３３に供給する燃料供給手段２５をさ
らに備えることもできる。この燃料供給手段としては、
公知のものを広く適用することができ、ガソリン、軽
油、ＬＰＧ、ＣＮＧなどの公知の供給手段を適用するこ
とが可能である。自動車３３としては、炭化水素系燃料
を用いる内燃機関に限らず、外燃機関や燃料電池を搭載
する自動車であってもよい。この形態によれば、一つの
原燃料貯蔵装置によって、水素自動車への水素供給と、
例えばガソリン車への炭化水素系燃料供給とが可能であ
る。燃料電池システムで電気、熱も発生させることがで
きるので、省スペースが可能であり、設備投資を抑制す
ることが可能である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、既存の原燃料貯蔵設備
を有するサービスステーションのような燃料供給ステー
ションに水素を輸送することを回避でき、かつ燃料供給
ステーションにおいて多量の水素を貯蔵することなく、
燃料電池システムによる電気と熱の供給と水素の供給を
同時に行なうことができ、通常の内燃機関を有する自動
車等炭化水素系燃料を用いる自動車と、燃料電池自動車
等水素を用いる自動車の両方に燃料の供給を行なうこと
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料供給システムの一形態について、
概略構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１燃料電池１１原燃料貯蔵設備１２配管１３改質器１４配管２１水素精製装置２２水素昇圧機２３高圧水素タンク２４水素供給手段２５燃料供給手段２６配管２７配管３１水素を燃料とする自動車３２水素貯蔵容器３３炭化水素系燃料を燃料とする自動車

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素系燃料の貯蔵設備を有する自動
車用燃料供給ステーションの燃料供給システムであっ
て、水素を燃料とする自動車の水素貯蔵容器に水素を供
給する水素供給手段と、炭化水素系燃料を原燃料とする
燃料電池発電システムとを備え、該燃料電池発電システ
ムは前記炭化水素系燃料から水素を製造するための改質
器と燃料電池とを少なくとも有し、さらに、該改質器の
下流の水素含有ガスを精製する精製装置、該精製装置で
精製して得られた水素ガスを昇圧する昇圧機、および該
昇圧機で昇圧された水素ガスを前記水素供給手段に導く
手段を備えることを特徴とする燃料供給システム。
【請求項２】さらに、前記炭化水素系燃料を、該炭化
水素系燃料を燃料とする自動車に供給する炭化水素系燃
料供給手段を有する請求項１記載の燃料供給システム。
【請求項３】前記水素含有ガスが、前記改質器の下流
かつ前記燃料電池の上流の水素含有ガスである請求項１
または２記載の燃料供給システム。
【請求項４】前記昇圧機の出口圧力が、５ＭＰａ以上
である請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料供給シ
ステム。