JP2003040602A - Apparatus for producing hydrogen for fuel cell - Google Patents

Apparatus for producing hydrogen for fuel cell

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JP2003040602A
JP2003040602A JP2001229712A JP2001229712A JP2003040602A JP 2003040602 A JP2003040602 A JP 2003040602A JP 2001229712 A JP2001229712 A JP 2001229712A JP 2001229712 A JP2001229712 A JP 2001229712A JP 2003040602 A JP2003040602 A JP 2003040602A
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fuel cell
combustor
hydrogen
ammonia
exhaust gas
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Koji Yokota
幸治 横田
Kiyoshi Yamazaki
清 山崎
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To supply hydrogen produced by decomposition of hydrogen resources such as ammonia, and to utilize an exhaust gas from a fuel cell for preventing hazardous substance releasing by. SOLUTION: An hydrogen producing apparatus is composed of a decomposer 2 in which the hydrogen resources are decomposed to nitrogen and hydrogen and to supply them to the fuel cell, a combustor 3 to combust the exhaust gas from the fuel cell 4 by a catalytic reaction, air feeding means 5 to feed combustion air to the combustor 3, an oxygen sensor 34 to measure oxygen concentration in the exhaust gas from the combustor 3 and a controller 6 to control the air feeding means 5. As the hazardous substance such as ammonia in the exhaust gas from the fuel cell is combusted and removed in the combustor 3, the releasing of the hazardous substances can be prevented. When heat from the combustor 3 is fed to the decomposer 2, energy efficiency is improved because a heat source to heat the decomposer 2 is not required.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池へ供給され
る水素を製造する装置に関し、詳しくは燃料電池自動車
用に最適な水素製造装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for producing hydrogen supplied to a fuel cell, and more particularly to an optimal hydrogen producing apparatus for a fuel cell vehicle.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、水素を燃料とする燃料電池で駆動
される自動車の開発が活発に行われている。水素を燃料
とする燃料電池からの排ガスには、内燃機関からの排ガ
スのように有害物質や二酸化炭素を含まないので、燃料
電池は環境汚染及び地球温暖化を抑制できるクリーンエ
ネルギーとして最適である。
2. Description of the Related Art In recent years, automobiles driven by fuel cells using hydrogen as fuel have been actively developed. Exhaust gas from a fuel cell that uses hydrogen as a fuel does not contain harmful substances or carbon dioxide unlike exhaust gas from an internal combustion engine, and therefore the fuel cell is most suitable as clean energy capable of suppressing environmental pollution and global warming.

【0003】しかしながら自動車用の燃料電池にあって
は、燃料である水素の供給手段が課題となっている。例
えば水素ガス自体を供給するためには、水素を圧縮又は
液化して搭載する必要があるが、現在のガソリンタンク
の内容積に相当する内容積50Lの圧力容器に 200気圧で
充填した場合の水素量は僅か 0.4kgであり、内容積50L
の断熱圧力容器に液化水素として充填したとしても水素
量は 3.5kgである。したがって長距離の移動の場合など
には頻繁に水素を補給せざるを得ず、水素スタンドなど
インフラの整備が課題となる。
However, in a fuel cell for an automobile, a means for supplying hydrogen, which is a fuel, has been a problem. For example, in order to supply the hydrogen gas itself, it is necessary to compress or liquefy the hydrogen and install it. However, when hydrogen is filled at a pressure of 200 atm in a pressure vessel with an internal volume of 50 L, which corresponds to the internal volume of the current gasoline tank. The amount is only 0.4kg, the internal volume is 50L
Even if the adiabatic pressure vessel is filled with liquefied hydrogen, the amount of hydrogen is 3.5 kg. Therefore, in the case of long-distance travel, hydrogen must be replenished frequently, and the maintenance of infrastructure such as hydrogen stations becomes an issue.

【0004】またシクロヘキサンを分解して水素を生成
する方法も知られている。シクロヘキサン1モルの分解
により3モルのH2が生成し、内容積50Lの容器に充填さ
れた液体シクロヘキサンからは 2.8kgのH2が生成する。
またシクロヘキサンは、室温で液体であるので自動車へ
の搭載が容易である。
A method of decomposing cyclohexane to produce hydrogen is also known. By decomposing 1 mol of cyclohexane, 3 mol of H 2 is produced, and 2.8 kg of H 2 is produced from liquid cyclohexane filled in a container having an internal volume of 50 L.
Further, cyclohexane is a liquid at room temperature, so that it can be easily mounted on an automobile.

【0005】しかしシクロヘキサンの分解反応では、有
害なベンゼンが副生するという問題があり、シクロヘキ
サンとベンゼンとの沸点が近接しているために分解ガス
から両者を分離することも困難であるという不具合があ
る。
However, in the decomposition reaction of cyclohexane, there is a problem that harmful benzene is produced as a by-product, and since the boiling points of cyclohexane and benzene are close to each other, it is difficult to separate the two from the decomposition gas. is there.

【0006】また、水素吸蔵合金を用いる方法でも合金
の単位重量当たり 1.5〜2%の水素を吸蔵できるだけで
あり、水素化ホウ素ナトリウムや金属ナトリウムと水を
反応させても水素を生成できるものの、副生物のリサイ
クルが困難であるという問題がある。
Further, the method using a hydrogen storage alloy can store only 1.5 to 2% of hydrogen per unit weight of the alloy, and hydrogen can be produced even when sodium borohydride or sodium metal is reacted with water. There is a problem that recycling of living things is difficult.

【0007】そこでアンモニアを分解して水素を生成す
る方法が注目されている。アンモニア1モルの分解によ
り、 1.5モルのH2が生成する。またアンモニアは室温に
おいて液化状態で貯蔵することが可能であるので、断熱
圧力容器が不要となるという利点もある。そして内容積
50Lの圧力容器に充填された液化アンモニアからは 7.2
kgのH2を生成することができ、体積当たり及び重量当た
り最も多くのH2を生成するので、水素源として有望であ
る。
Therefore, a method of decomposing ammonia to produce hydrogen is drawing attention. The decomposition of 1 mol of ammonia produces 1.5 mol of H 2 . Further, since ammonia can be stored in a liquefied state at room temperature, there is an advantage that an adiabatic pressure vessel is not required. And the internal volume
7.2 from liquefied ammonia filled in a 50 L pressure vessel
It is a promising hydrogen source because it can produce kg H 2 and produces the most H 2 by volume and by weight.

【0008】例えば特開昭54−126689号公報には、アン
モニアをNi系触媒を用いて 900〜 950℃でN2とH2に分解
し、残存する微量のアンモニアと水分を合成ゼオライト
に室温で吸収させることが開示されている。また純粋な
H2を得るために、液化させてN2と分離することも開示さ
れている。
For example, in JP-A-54-126689, ammonia is decomposed into N 2 and H 2 at 900 to 950 ° C. using a Ni-based catalyst, and a small amount of residual ammonia and water is stored in a synthetic zeolite at room temperature. Absorbing is disclosed. Also pure
To obtain H 2, it is also disclosed that the separation between N2 and liquefied.

【0009】あるいは特開平7-331265号公報には、内燃
機関の燃料としてアンモニアとアンモニア分解物(H2
を用いることが記載されている。
Alternatively, Japanese Patent Laid-Open No. 7-331265 discloses that ammonia and an ammonia decomposition product (H 2 ) are used as fuel for an internal combustion engine.
Is used.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】ところがアンモニアの
分解反応は平衡反応であるために、生成したガス中には
アンモニアが含まれている。したがって燃料電池自動車
の水素源として用いた場合には、燃料電池からの排ガス
中にアンモニアが含まれることとなり、好ましくないと
いう問題があった。
However, since the decomposition reaction of ammonia is an equilibrium reaction, the produced gas contains ammonia. Therefore, when used as a hydrogen source for a fuel cell vehicle, ammonia is contained in the exhaust gas from the fuel cell, which is not preferable.

【0011】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、アンモニアなどの水素源を分解して生成し
た水素を燃料電池に供給するとともに、燃料電池からの
排ガスをさらに利用することで有害物質の排出も防止す
ることを目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and by supplying hydrogen produced by decomposing a hydrogen source such as ammonia to a fuel cell and further utilizing exhaust gas from the fuel cell. The purpose is to prevent the emission of harmful substances.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】上記課題を解決する本発明の燃料
電池用水素製造装置の特徴は、触媒反応によりアンモニ
ア及びヒドラジンの少なくとも一方からなる水素源を窒
素と水素とに分解して燃料電池に供給する分解器と、触
媒反応により燃料電池からの排ガスを燃焼させる燃焼器
と、燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給手段と、燃
焼器からの排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出
器と、少なくとも酸素濃度検出器で検出された酸素濃度
値に応じて空気供給手段を制御する制御装置と、よりな
ることにある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The feature of the hydrogen producing apparatus for a fuel cell of the present invention which solves the above-mentioned problems is that a hydrogen source comprising at least one of ammonia and hydrazine is decomposed into nitrogen and hydrogen by a catalytic reaction to produce a fuel cell. Decomposing unit for supplying, combustor for burning exhaust gas from fuel cell by catalytic reaction, air supply means for supplying combustion air to the combustor, and oxygen concentration detection for detecting oxygen concentration in exhaust gas from the combustor And a control device for controlling the air supply means according to at least the oxygen concentration value detected by the oxygen concentration detector.

【0013】燃焼器は排ガスの燃焼熱を分解器に供給す
ることが望ましい。また燃料電池は100℃以上の温度で
作動されることが望ましい。
The combustor preferably supplies the combustion heat of the exhaust gas to the decomposer. Further, it is desirable that the fuel cell be operated at a temperature of 100 ° C. or higher.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明の水素製造装置では、燃焼
器において燃料電池からの排ガスを燃焼させている。し
たがって燃料電池からの排ガスに含まれるアンモニアな
どの有害物質は燃焼器で燃焼除去されるため、有害物質
の排出を防止することができる。そして水素源は室温に
おいて液化状態で保存できるため、断熱圧力容器を不要
として自動車に搭載することができ、しかも水素源1モ
ル当たりから生成する水素の量が多いので、一度の充填
で長距離走行が可能となる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the hydrogen production apparatus of the present invention, the exhaust gas from the fuel cell is combusted in the combustor. Therefore, harmful substances such as ammonia contained in the exhaust gas from the fuel cell are burned and removed by the combustor, so that the emission of the harmful substances can be prevented. And since the hydrogen source can be stored in a liquefied state at room temperature, it can be installed in an automobile without the need for an adiabatic pressure vessel, and since the amount of hydrogen produced per mole of hydrogen source is large, it can be run for a long distance with one filling. Is possible.

【0015】また燃焼器は、燃料電池からの排ガスを燃
焼させた燃焼熱を分解器に供給することが望ましい。こ
れにより有害物質の排出を防止できるとともに、分解器
を加熱するための熱源が不要となりエネルギー効率が向
上する。
Further, it is desirable that the combustor supplies combustion heat generated by burning exhaust gas from the fuel cell to the decomposer. As a result, the emission of harmful substances can be prevented, and a heat source for heating the decomposer is not required, thus improving energy efficiency.

【0016】以下、構成要件を順に説明する。The constituent elements will be described below in order.

【0017】水素源としては、アンモニア及びヒドラジ
ンの少なくとも一方が用いられる。ヒドラジン(N2H4
の分解では、ヒドラジン1モルから2モルのH2が生成す
るが、室温で液体であるので耐圧力容器が不要となる利
点がある。内容積50Lの容器に充填されたヒドラジンか
ら生成するH2は約 6.3kgと液化アンモニアの場合よりや
や少ないが、容器を含めると他の水素源よりもはるかに
重量効率、体積効率が高い。以下の説明では水素源とし
てアンモニアを用いる場合で説明する。
At least one of ammonia and hydrazine is used as the hydrogen source. Hydrazine (N 2 H 4 )
In the decomposition of (1), 1 mol of hydrazine produces 2 mol of H 2, but since it is a liquid at room temperature, there is an advantage that a pressure resistant container is unnecessary. The amount of H 2 produced from hydrazine filled in a container with an internal volume of 50 L is about 6.3 kg, which is slightly less than that in the case of liquefied ammonia, but when the container is included, it is much higher in weight efficiency and volume efficiency than other hydrogen sources. In the following description, the case where ammonia is used as the hydrogen source will be described.

【0018】アンモニアは圧縮により比較的容易に液化
し、例えば30℃の場合には11.5気圧で液化する。したが
ってLPG用ボンベのような簡易な耐圧容器で貯蔵する
ことができる。また例えば容器内にゼオライトなどのア
ンモニア吸収材を充填するなどして、安全性を高めるこ
ともできる。ただこの場合には、加熱装置あるいはポン
プなどアンモニアを取り出すための装置が必要となる。
また、貯蔵容器の大きさ(貯蔵スペース)に余裕が有る
場合には、アンモニア水として低圧で取り扱いが安全な
形態で貯蔵することも可能である。燃料電池に供給する
場合には、水が共存してもほとんど不利とはならない。
Ammonia liquefies relatively easily by compression, for example, at 30 ° C., it liquefies at 11.5 atm. Therefore, it can be stored in a simple pressure-resistant container such as an LPG cylinder. Further, for example, the safety can be improved by filling the container with an ammonia absorbent such as zeolite. However, in this case, a device for taking out ammonia such as a heating device or a pump is required.
Further, when the size (storage space) of the storage container has a margin, it is possible to store the ammonia water at a low pressure in a safe handling form. Coexistence of water causes almost no disadvantage when supplying the fuel cell.

【0019】分解器は、次式の反応によりアンモニアを
N2とH2とに分解して燃料電池に供給する。
The decomposer produces ammonia by the reaction of the following equation.
It is decomposed into N 2 and H 2 and supplied to the fuel cell.

【0020】2NH3 → N2 + 3H2 この分解反応は平衡反応であり、低圧であるほど、また
高温であるほど右辺側へ進行する。
2NH 3 → N 2 + 3H 2 This decomposition reaction is an equilibrium reaction, and progresses toward the right side as the pressure becomes lower and the temperature becomes higher.

【0021】ところで近年、メタノールを改質して水素
を生成する方法が提案されている。この反応式は以下の
ように示される。
By the way, in recent years, a method of reforming methanol to produce hydrogen has been proposed. This reaction formula is shown below.

【0022】CH3OH + H2O→ CO2+ 3H2 このメタノール改質反応では、3モルのH2を生成するに
は32gのメタノールと18gの水を必要とし、その体積は
メタノール40.5ml、水18mlで合計58.5mlとなるが、上記
のアンモニア分解反応では3モルのH2を生成するために
は34gのアンモニアだけでよく、その体積は57mlとな
る。したがってメタノール改質反応よりアンモニア分解
反応の方が必要な容器容積が小さくてすみ、有利であ
る。またメタノール改質反応では、燃料電池の性能を著
しく低下させる一酸化炭素、及び人体に悪影響を及び素
ホルムアルデヒドの生成が起きる可能性がある。
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 3H 2 This methanol reforming reaction requires 32 g of methanol and 18 g of water to produce 3 mol of H 2 , and its volume is 40.5 ml of methanol. With 18 ml of water, the total amount becomes 58.5 ml, but in the above ammonia decomposition reaction, 34 g of ammonia is sufficient for producing 3 mol of H 2 , and the volume thereof becomes 57 ml. Therefore, the ammonia decomposition reaction is more advantageous than the methanol reforming reaction because it requires a smaller container volume. Further, in the methanol reforming reaction, carbon monoxide, which significantly deteriorates the performance of the fuel cell, and an adverse effect on the human body and generation of elementary formaldehyde may occur.

【0023】アンモニアの分解反応は、触媒を用いない
場合には1000℃以上、望ましくは1200℃以上で起こる
が、自動車への搭載を考慮すると、触媒の利用により低
温化することが必要となる。そこで本発明では、分解器
において触媒反応によりアンモニア分解反応を行わせて
いる。
The decomposition reaction of ammonia occurs at 1000 ° C. or higher, preferably 1200 ° C. or higher when no catalyst is used, but in consideration of mounting on an automobile, it is necessary to lower the temperature by utilizing the catalyst. Therefore, in the present invention, the ammonia decomposition reaction is performed by the catalytic reaction in the decomposer.

【0024】アンモニア分解触媒としては、Ni,Co,Fe
などの遷移金属あるいはこれらの酸化物を主成分とする
触媒が古くから知られ、本発明の分解器にこれらの触媒
を用いることも可能である。しかしこれらの触媒は、通
常は連続的に作動することを目的として設計されたもの
であり、反応の開始あるいは停止が繰り返される燃料電
池自動車用のアンモニア分解反応の場合には安定した性
能の発現が困難となる。したがって本発明の場合には、
Pt,Rh,Pd,Ruなどの貴金属触媒が好ましく、特にRh,
Ru,Ptの一種以上を用いることが望ましい。また貴金属
触媒と上記の遷移金属系触媒とを併用することも好まし
い。
As the ammonia decomposition catalyst, Ni, Co, Fe are used.
Catalysts containing a transition metal such as or the like or an oxide thereof as a main component have been known for a long time, and it is also possible to use these catalysts in the decomposer of the present invention. However, these catalysts are usually designed for continuous operation, and stable performance is not exhibited in the case of ammonia decomposition reaction for fuel cell vehicles in which the reaction is repeatedly started or stopped. It will be difficult. Therefore, in the case of the present invention,
Noble metal catalysts such as Pt, Rh, Pd, Ru are preferred, and Rh,
It is desirable to use one or more of Ru and Pt. It is also preferable to use a noble metal catalyst and the above transition metal-based catalyst in combination.

【0025】分解器は、アンモニアと触媒との接触面積
が大きくなるような構造とすることが望ましい。したが
って例えばペレット状の多孔質基材に触媒成分を担持し
たペレット触媒を筒内に充填した構造、ハニカム形状あ
るいはフォーム状の基材に触媒を担持した構造などとす
ることが好ましい。さらに好ましくは、外部からの熱を
効率良く取り込めるように、熱伝導性の良い材質、形状
の分解器とすることが求められる。
The decomposer is preferably constructed so that the contact area between ammonia and the catalyst becomes large. Therefore, for example, it is preferable to have a structure in which a pellet catalyst in which a catalyst component is supported on a pellet-shaped porous base material is filled in a cylinder, or a structure in which the catalyst is supported on a honeycomb-shaped or foam-shaped base material. More preferably, a decomposer having a material and a shape having good thermal conductivity is required so as to efficiently take in heat from the outside.

【0026】触媒金属の担持量としては、基材に対して
0.02〜5重量%の範囲が好ましい。この範囲より少ない
と必要な反応を得るための触媒体積が大きくなり過ぎる
ため実用的ではない。またこれ以上担持しても、反応が
吸熱反応であるため熱の供給が間に合わなくなり、触媒
の温度が低下し、担持した触媒量ほどの性能を発揮でき
ない。そして分解器により生成したN2とH2及び分解しな
かった微量のアンモニアが燃料電池に供給される。
The amount of the catalytic metal supported on the substrate is
The range of 0.02 to 5% by weight is preferable. If it is less than this range, the catalyst volume for obtaining the necessary reaction becomes too large, which is not practical. Further, even if the catalyst is further supported, the reaction is an endothermic reaction, so that the heat cannot be supplied in time, the temperature of the catalyst is lowered, and the performance as much as the amount of the supported catalyst cannot be exhibited. Then, N 2 and H 2 generated by the decomposer and a small amount of ammonia that is not decomposed are supplied to the fuel cell.

【0027】貴金属触媒を用いた場合には、アンモニア
分解反応は 400℃以上で生じる。またアンモニア分解反
応は吸熱反応である。したがって分解器で効率よくアン
モニア分解反応を行わせるためには、触媒の担持に加え
て熱の供給が必要となる。この熱源としては、外部ヒー
タを用いたり、分解器に空気を導入してアンモニアの一
部を酸化しその燃焼熱を用いることもできるが、後述す
るように燃焼器の燃焼熱を利用することが望ましい。
When a noble metal catalyst is used, the ammonia decomposition reaction occurs at 400 ° C. or higher. The ammonia decomposition reaction is an endothermic reaction. Therefore, in order to efficiently carry out the ammonia decomposition reaction in the decomposer, it is necessary to supply heat in addition to supporting the catalyst. As this heat source, an external heater can be used, or air can be introduced into the decomposer to oxidize a part of ammonia to use its combustion heat. However, as described later, the combustion heat of the combustor can be used. desirable.

【0028】本発明の水素製造装置が対象とする燃料電
池に制約はないが、固体高分子膜を用いたプロトン導電
体を用いている燃料電池では、 100℃未満の低温で作動
すると、アンモニアが燃料極及び高分子膜に強く吸着し
て電気出力を阻害する場合がある。しかし 100℃以上で
作動する燃料電池であれば、アンモニアの吸着が軽減さ
れるのでこのような問題は大きく軽減され、自動車用と
して不具合なく利用することができる。 100℃以上の限
定は、100ppm以下のアンモニアを含む水素を常圧で燃料
電池に供給する場合に適用される。水素製造装置を起動
する際、あるいは1気圧以上に加圧して燃料電池に供給
する場合等には、瞬間的に大量のアンモニアが発生する
際は燃料電池を通さずに燃焼器に直接供給する、さらに
高温で動作する燃料電池を選定する、あるいは分解器と
燃料電池間にアンモニア吸着装置を設置するなどの工夫
を要する。これらの工夫は従来技術の範囲内であるため
詳述しない。
There is no restriction on the fuel cell to which the hydrogen production apparatus of the present invention is applied, but in a fuel cell using a proton conductor using a solid polymer membrane, ammonia is generated when it is operated at a temperature lower than 100 ° C. It may be strongly adsorbed on the fuel electrode and the polymer membrane to hinder the electric output. However, if the fuel cell is operated at 100 ° C. or higher, the adsorption of ammonia is reduced, so that such a problem is greatly reduced, and the fuel cell can be used for automobiles without trouble. The limitation of 100 ° C. or higher is applied when hydrogen containing 100 ppm or less of ammonia is supplied to the fuel cell at normal pressure. When starting the hydrogen production device, or when supplying to the fuel cell by pressurizing it to 1 atm or more, when a large amount of ammonia is momentarily generated, it is directly supplied to the combustor without passing through the fuel cell. It is necessary to select a fuel cell that operates at a higher temperature or install an ammonia adsorption device between the decomposer and the fuel cell. These ideas are within the scope of the prior art and will not be described in detail.

【0029】しかしながら、燃料電池へ供給された分解
ガス中のアンモニアは、そのまま燃料電池から排出され
るため、燃料電池自動車の排ガス中にアンモニアが含ま
れてしまうという問題がある。そこで本発明では、燃焼
器を用い触媒反応により燃料電池からの排ガスを燃焼さ
せている。
However, since the ammonia in the decomposition gas supplied to the fuel cell is discharged from the fuel cell as it is, there is a problem that the exhaust gas of the fuel cell vehicle contains ammonia. Therefore, in the present invention, the exhaust gas from the fuel cell is burned by a catalytic reaction using a combustor.

【0030】燃料電池からの排ガス中には、アンモニア
の分解により生成したN2及び微量のアンモニアと、消費
しきれなかったH2とが存在している。アンモニアを燃焼
させる場合、酸素が不足すると未燃のアンモニアが排出
されてしまう。そこで本発明では燃焼器にも触媒を用
い、アンモニア及びH2を完全に燃焼させるようにしてい
る。
In the exhaust gas from the fuel cell, N 2 and a small amount of ammonia produced by the decomposition of ammonia and H 2 which could not be consumed are present. When combusting ammonia, if oxygen is insufficient, unburned ammonia will be discharged. Therefore, in the present invention, a catalyst is also used in the combustor to completely burn ammonia and H 2 .

【0031】この触媒としては、自動車の排ガス浄化用
触媒として用いられている酸化触媒、三元触媒などを用
いることが好ましい。つまりアルミナ、ジルコニアなど
の耐熱性を有する多孔質酸化物担体に、Pt,Rh,Pdから
選ばれる少なくとも一種を担持した触媒を用いることが
望ましい。そして燃焼器としては、分解器と同様に、ペ
レット状の基材に貴金属を担持したペレット触媒を筒内
に充填した構造、ハニカム形状あるいはフォーム状の耐
熱性基材に貴金属を担持した構造などとすることが好ま
しい。
As this catalyst, it is preferable to use an oxidation catalyst, a three-way catalyst or the like which is used as an exhaust gas purifying catalyst for automobiles. That is, it is desirable to use a catalyst in which at least one selected from Pt, Rh, and Pd is supported on a heat-resistant porous oxide carrier such as alumina or zirconia. Then, as the combustor, similar to the decomposer, a structure in which a pellet catalyst supporting a precious metal on a pellet-shaped base material is filled in a cylinder, a structure in which a precious metal is supported on a honeycomb-shaped or foam-shaped heat-resistant base material, and the like. Preferably.

【0032】貴金属の担持量としては、基材に対して0.
02〜10重量%の範囲が好ましい。この範囲より少ないと
担持した効果が発現されず、これ以上担持しても効果が
飽和するとともにコストが高騰する。
The amount of the noble metal supported on the substrate was 0.
The range of 02 to 10% by weight is preferable. If the amount is less than this range, the effect of loading will not be exhibited, and if it is loaded more than this range, the effect will be saturated and the cost will increase.

【0033】このような燃焼器を用いることにより、燃
料電池からの排ガス中のアンモニア及びH2は、燃焼器に
おいて酸素の共存により触媒の存在下で容易に燃焼し、
無害なN2と H2Oとなって排出される。
By using such a combustor, ammonia and H 2 in the exhaust gas from the fuel cell are easily combusted in the presence of a catalyst in the combustor due to the coexistence of oxygen,
It is emitted as harmless N 2 and H 2 O.

【0034】しかしながら燃焼器においては、酸素が不
足すると未燃のアンモニアと水素が排出され、酸素が過
剰となると窒素酸化物が生成するため好ましくない。そ
こで本発明では、燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供
給手段と、燃焼器からの排ガス中の酸素濃度を検出する
酸素濃度検出器と、少なくとも酸素濃度検出器で検出さ
れた酸素濃度値に応じて空気供給手段を制御する制御装
置とを構成要件としている。
However, in the combustor, unburned ammonia and hydrogen are discharged when oxygen is insufficient, and nitrogen oxides are generated when oxygen is excessive, which is not preferable. Therefore, in the present invention, an air supply means for supplying combustion air to the combustor, an oxygen concentration detector for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas from the combustor, and at least the oxygen concentration value detected by the oxygen concentration detector. A control device that controls the air supply means accordingly is a constituent feature.

【0035】すなわち、酸素濃度検出器で検出された酸
素濃度値が所定値より大きい場合には酸素が過剰である
ので、空気供給手段を制御して供給酸素量を少なくし、
検出された酸素濃度値が所定値より小さい場合には酸素
が不足しているので、空気供給手段を制御して供給酸素
量を多くする。このようなフィードバック制御を行うこ
とにより、燃料電池からの排ガス中に含まれるアンモニ
アと水素を完全燃焼することができ、かつ窒素酸化物の
生成も防止できる。
That is, when the oxygen concentration value detected by the oxygen concentration detector is larger than the predetermined value, oxygen is excessive, so the air supply means is controlled to reduce the oxygen supply amount,
When the detected oxygen concentration value is smaller than the predetermined value, the oxygen is insufficient, so the air supply means is controlled to increase the supply oxygen amount. By performing such feedback control, ammonia and hydrogen contained in the exhaust gas from the fuel cell can be completely combusted, and the production of nitrogen oxides can be prevented.

【0036】空気供給手段は燃焼器に燃焼用空気を供給
できるものであれば特に制限されず、一端が燃焼器に連
通し他端が大気に連通する流路とその流路を開閉するバ
ルブとからなるもの、ポンプなどを採用することができ
る。また酸素濃度検出器は酸素センサなどを用いること
ができ、制御手段はマイクロコンピュータを用いたデジ
タル回路などから構成することができる。なお燃焼用空
気には、大気あるいは燃料電池の空気極から排出される
ガスを用いることもできる。
The air supply means is not particularly limited as long as it can supply combustion air to the combustor, and a flow path having one end communicating with the combustor and the other end communicating with the atmosphere, and a valve for opening and closing the flow path. , A pump, etc. can be adopted. Further, an oxygen sensor or the like can be used as the oxygen concentration detector, and the control means can be composed of a digital circuit or the like using a microcomputer. The combustion air may be the atmosphere or gas discharged from the air electrode of the fuel cell.

【0037】燃焼器は、排ガスの燃焼熱を分解器に供給
できる構成とすることが望ましい。これにより分解器を
加熱するヒータなどの熱源を不要とすることができ、よ
りコンパクトな装置とすることができる。また分解器に
空気を供給してアンモニアの一部を燃焼させその熱を利
用することも可能である。この場合には、生成する水素
が導入された空気中の窒素で希釈されて濃度が低下する
という不具合があるが、上記したように燃焼器の熱を利
用すればこのような不具合もない。
The combustor is preferably constructed so that the combustion heat of exhaust gas can be supplied to the decomposer. As a result, a heat source such as a heater for heating the decomposer can be eliminated, and a more compact device can be obtained. It is also possible to supply air to the decomposer and burn part of the ammonia to utilize the heat. In this case, the produced hydrogen is diluted with nitrogen in the introduced air to reduce the concentration, but if the heat of the combustor is used as described above, such a problem does not occur.

【0038】燃焼器の熱を分解器に供給するには、燃焼
器を分解器の外周又は内周に配置する方法、互いのガス
流路を重ねたり交差させたりする方法など、公知の熱交
換器と同様の構成を採用することができる。
In order to supply the heat of the combustor to the decomposer, known heat exchange methods such as a method of arranging the combustor on the outer or inner circumference of the decomposer, a method of overlapping or intersecting the gas flow paths of each other, etc. A configuration similar to that of the container can be adopted.

【0039】ところで燃料電池からの排ガスのみでは、
例えば始動時や、燃料電池の出力が低から高に急変した
ような場合など、燃焼器で生成する熱量が分解器での分
解反応に不足する場合がある。このような場合には、燃
焼器に燃料であるアンモニアの一部を供給して燃焼させ
ることができる。この場合でも、空気供給手段を制御す
ることで最適な空気量を供給することができ、窒素酸化
物の生成を防止することができる。
By the way, if only the exhaust gas from the fuel cell is used,
For example, at the time of starting or when the output of the fuel cell suddenly changes from low to high, the amount of heat generated in the combustor may be insufficient for the decomposition reaction in the decomposer. In such a case, a part of ammonia, which is a fuel, can be supplied to the combustor for combustion. Even in this case, it is possible to supply the optimum amount of air by controlling the air supply means and prevent the generation of nitrogen oxides.

【0040】また燃料電池からの排ガスは、全量を燃焼
器で燃焼するのが望ましいが、自動車の運転を停止した
時などにはそのまま排出することも可能である。ただア
ンモニアが排出されるのは好ましくないので、このよう
な場合にはアンモニア除去器を通じて排出することが望
ましい。このようなアンモニア除去器としては、例えば
ゼオライトにCu,Ptなどを担持した触媒を用いることが
できる。このような触媒を用いれば、燃料電池から排出
される 100℃以上の排ガス中のアンモニアを酸素過剰の
条件で効率よくN2と H2Oに浄化することができ、H2は H
2Oに浄化することができる。
Although it is desirable that the exhaust gas from the fuel cell be burned in the combustor in its entirety, it can be discharged as it is when the operation of the automobile is stopped. However, since it is not preferable to discharge ammonia, in such a case, it is desirable to discharge it through the ammonia remover. As such an ammonia remover, for example, a catalyst in which zeolite carries Cu, Pt, or the like can be used. By using such a catalyst, it is possible to purify efficiently N 2 and H 2 O ammonia in 100 ° C. or more exhaust gas discharged from the fuel cell with oxygen excess conditions, H 2 is H
Can be purified to 2 O.

【0041】燃料電池の出力は供給される水素量に比例
し、その水素量は分解器へ供給されるアンモニア量に対
応する。したがって燃料電池自動車に本発明の水素製造
装置で製造された水素を供給する場合、自動車の運転状
況に応じてアンモニア供給量を制御することが望まし
い。つまり燃料電池に高出力が必要な場合にはアンモニ
ア供給量を多くし、そうでない場合にはアンモニア供給
量を少なくする制御を行う。燃料電池の必要出力は、例
えば自動車のアクセルの状態に対応する電気信号を制御
装置に入力し、制御装置で演算処理すればよい。
The output of the fuel cell is proportional to the amount of hydrogen supplied, and the amount of hydrogen corresponds to the amount of ammonia supplied to the cracker. Therefore, when supplying hydrogen produced by the hydrogen production apparatus of the present invention to a fuel cell vehicle, it is desirable to control the ammonia supply amount according to the operating conditions of the vehicle. That is, when the fuel cell requires high output, the ammonia supply amount is increased, and when not, the ammonia supply amount is decreased. The required output of the fuel cell may be calculated, for example, by inputting an electric signal corresponding to the state of the accelerator of the automobile into the control device and performing the arithmetic operation in the control device.

【0042】[0042]

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。本実施例の水素製造装置は、燃料電池自動車に搭載
され、燃料電池への水素供給に用いられる。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples. The hydrogen production apparatus of this embodiment is mounted on a fuel cell vehicle and used to supply hydrogen to the fuel cell.

【0043】(実施例1)図1に本実施例の燃料電池用
水素製造装置のブロック図を示す。この水素製造装置
は、アンモニアボンベ1と、分解器2と、燃焼器3と、
燃料電池4と、空気供給手段5と、制御装置6とから主
として構成されている。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows a block diagram of a hydrogen producing apparatus for a fuel cell of this embodiment. This hydrogen production apparatus includes an ammonia cylinder 1, a cracker 2, a combustor 3,
The fuel cell 4 is mainly composed of a fuel cell 4, an air supply means 5, and a controller 6.

【0044】アンモニアボンベ1には液化アンモニアが
充填され、そのアンモニアは気化状態で供給器10及びバ
ルブ11を介して分解器2に供給される。そしてアンモニ
アは分解器2で分解され、N2,H2及び微量のアンモニア
を含むガスが燃料電池4に供給される。供給器10は制御
装置6によって分解器2へ供給されるアンモニア量を制
御できるように構成されている。
Liquefied ammonia is filled in the ammonia cylinder 1, and the ammonia is supplied to the decomposer 2 in a vaporized state via the feeder 10 and the valve 11. Then, the ammonia is decomposed by the decomposer 2 , and a gas containing N 2 , H 2 and a trace amount of ammonia is supplied to the fuel cell 4. The feeder 10 is configured so that the controller 6 can control the amount of ammonia supplied to the cracker 2.

【0045】燃焼器3には、燃料電池4の排ガスがバル
ブ30を介して燃焼器3に供給されるように構成されてい
る。また空気供給手段5からの空気も燃焼器3に供給さ
れる。これにより燃料電池4の排ガス中の水素及びアン
モニアが燃焼器3で燃焼される。またバルブ11がバルブ
30に連結され、供給器10から気化したアンモニアの一部
も燃焼器3に供給可能となっている。
The exhaust gas of the fuel cell 4 is supplied to the combustor 3 via the valve 30. Air from the air supply means 5 is also supplied to the combustor 3. As a result, hydrogen and ammonia in the exhaust gas of the fuel cell 4 are burned in the combustor 3. Also valve 11 is a valve
A part of the ammonia vaporized from the feeder 10 is connected to the combustor 3 and can be supplied to the combustor 3.

【0046】燃焼器3は分解器2と一体的に形成され、
燃焼器3の燃焼熱が分解器2に伝達されるように構成さ
れている。図2に分解器2及び燃焼器3の詳細を示す。
分解器2は複数の分解流路20をもち、分解流路20にはア
ルミナ・ジルコニア混合物を焼結形成した多孔質担体に
Ru及びPtが各 0.2, 0.8重量%担持されてなるペレット
触媒21が充填されている。それぞれの分解流路20は末端
で一つになり、分解ガスが出口22から燃焼電池4に供給
される。また燃焼器3は複数の燃焼流路31をもち、燃焼
流路31にはアルミナ,セリアを20:1の割合で混合した
酸化物多孔質担体にPt及びRhが各 0.8, 0.2重量%担持
されてなるペレット触媒32が充填されている。それぞれ
の燃焼流路31の端末は図示しない連通路により互いに連
通され、出口33から排気されるように構成されている。
The combustor 3 is formed integrally with the decomposer 2,
The combustion heat of the combustor 3 is transferred to the decomposer 2. FIG. 2 shows details of the decomposer 2 and the combustor 3.
The decomposer 2 has a plurality of decomposition channels 20, and the decomposition channel 20 is a porous carrier formed by sintering an alumina / zirconia mixture.
A pellet catalyst 21 containing 0.2 and 0.8 wt% of Ru and Pt, respectively, is filled. The respective decomposition flow paths 20 become one at the end, and the decomposition gas is supplied to the combustion cell 4 from the outlet 22. Further, the combustor 3 has a plurality of combustion flow passages 31, and Pt and Rh are loaded on the oxide porous support in which alumina and ceria are mixed at a ratio of 20: 1 in the combustion flow passages 31 at 0.8 and 0.2 wt% respectively. The resulting pellet catalyst 32 is filled. The ends of each combustion flow path 31 are connected to each other by a communication path (not shown) and are exhausted from the outlet 33.

【0047】そして分解流路20と燃焼流路31は交互に隣
り合わせに形成され、燃焼流路31での燃焼による熱が分
解流路20に伝達されるように構成されている。また燃焼
器3の出口33には酸素センサ34が配置され、燃焼器3か
らの排ガス中の酸素濃度を検出できるようになってい
る。
The decomposition flow paths 20 and the combustion flow paths 31 are alternately formed adjacent to each other, and the heat generated by the combustion in the combustion flow paths 31 is transferred to the decomposition flow paths 20. An oxygen sensor 34 is arranged at the outlet 33 of the combustor 3 so that the oxygen concentration in the exhaust gas from the combustor 3 can be detected.

【0048】空気供給手段5には、燃料電池4の空気極
からの排ガス(酸素濃度が低下した空気)及び大気が供
給され、制御装置6によって制御されることで燃焼器3
への空気供給量が制御されている。
Exhaust gas (air with reduced oxygen concentration) and the atmosphere from the air electrode of the fuel cell 4 are supplied to the air supply means 5, and the combustor 3 is controlled by the control device 6.
The amount of air supplied to the system is controlled.

【0049】また燃料電池4の排ガスは、制御装置6に
よって制御されるバルブ40を介して燃焼器3及び触媒41
の一方に供給され、触媒41を介して外部に排出できるよ
うにもなっている。この触媒41はゼオライトにPtを 0.1
重量%とCuを4重量%担持してなり、 100℃以上の酸素
過剰雰囲気でアンモニアを窒素と水に容易に転換できる
触媒である。
Exhaust gas from the fuel cell 4 passes through the valve 40 controlled by the control device 6 and the combustor 3 and the catalyst 41.
It is also supplied to one side and can be discharged to the outside via the catalyst 41. This catalyst 41 contains Pt of 0.1 in zeolite.
It is a catalyst that supports 4 wt% of Cu and 4 wt% of Cu, and can easily convert ammonia into nitrogen and water in an oxygen excess atmosphere at 100 ° C or higher.

【0050】なお分解器2及び燃焼器3には、それぞれ
図示しない温度センサが設けられ、その出力信号が制御
装置6に入力されている。また燃料電池4の排ガス流路
には図示しないPt線が配置され、熱伝導度法によりその
排ガス中の水素濃度を測定可能となっている。
The decomposer 2 and the combustor 3 are each provided with a temperature sensor (not shown), and the output signal thereof is input to the control device 6. Further, a Pt wire (not shown) is arranged in the exhaust gas passage of the fuel cell 4, and the hydrogen concentration in the exhaust gas can be measured by the thermal conductivity method.

【0051】燃料電池4は、固体高分子膜を利用したプ
ロトン導電体を用いており、 100℃以上の温度で作動す
るように構成されている。
The fuel cell 4 uses a proton conductor using a solid polymer membrane, and is constructed so as to operate at a temperature of 100 ° C. or higher.

【0052】制御装置6はマイクロコンピュータを主と
するデジタル回路で構成され、温度センサ及びPt線から
の出力を受けて供給器10、空気供給手段5、バルブ11,
30,40を制御する。
The control device 6 is composed of a digital circuit mainly composed of a microcomputer, and receives the output from the temperature sensor and the Pt line, the supply device 10, the air supply means 5, the valve 11,
Controls 30 and 40.

【0053】上記のように構成された本実施例の水素製
造装置の作用を、図3及び図4に示すフローチャートを
参照しながら以下に説明する。
The operation of the hydrogen producing apparatus of the present embodiment constructed as described above will be described below with reference to the flow charts shown in FIGS.

【0054】制御装置6は、先ずステップ 100で燃料電
池自動車のアクセル角度を検出し、ステップ 101で燃料
電池4の要求出力を演算する。そしてマップ 102を参照
し、ステップ 103でその要求出力を得るための必要アン
モニア量を演算する。
The controller 6 first detects the accelerator angle of the fuel cell vehicle in step 100, and calculates the required output of the fuel cell 4 in step 101. Then, referring to the map 102, in step 103, the required amount of ammonia for obtaining the required output is calculated.

【0055】次に制御装置6はステップ 104〜 106にお
いて、分解器2の温度、燃焼器3の温度、燃料電池4か
ら排出される排ガス中の水素濃度を検出し、制御装置6
はステップ 109においてこれらの値から必要アンモニア
量の補正演算を行う。すなわち分解器2の温度によって
ペレット触媒21の活性化程度、つまり分解器2の処理能
力の判定がなされ、燃焼器3の温度によってペレット触
媒32の活性化程度の判定がなされる。
Next, in steps 104 to 106, the controller 6 detects the temperature of the decomposer 2, the temperature of the combustor 3, and the hydrogen concentration in the exhaust gas discharged from the fuel cell 4, and the controller 6
In step 109, the necessary amount of ammonia is corrected and calculated from these values. That is, the degree of activation of the pellet catalyst 21, that is, the processing capacity of the decomposer 2 is determined by the temperature of the decomposer 2, and the degree of activation of the pellet catalyst 32 is determined by the temperature of the combustor 3.

【0056】燃料電池4が高出力状態の場合に燃料電池
4からの排ガス中の水素濃度が極端に低下すると、以下
の問題が生じる。つまり燃料電池4の燃料側電極におい
て排ガス中の水素濃度が低下するということは、電極表
面に接触する水素濃度が入口から出口に向かって著しく
減少していることを意味し、希薄な水素に接している部
分の発電電力は十分でない。また燃焼器3へ供給される
水素量が減少すると、燃焼器3における発熱量が不十分
となって分解器2での分解反応が低下し、燃料電池4に
供給される分解ガス中のアンモニア濃度が増加して発電
能力が阻害される。
If the hydrogen concentration in the exhaust gas from the fuel cell 4 is extremely reduced when the fuel cell 4 is in a high output state, the following problems will occur. That is, the decrease in the hydrogen concentration in the exhaust gas at the fuel-side electrode of the fuel cell 4 means that the hydrogen concentration in contact with the electrode surface decreases significantly from the inlet to the outlet, and the hydrogen concentration in contact with lean hydrogen is reduced. The generated electric power of the part that is shown is not enough. Further, when the amount of hydrogen supplied to the combustor 3 decreases, the calorific value in the combustor 3 becomes insufficient, the decomposition reaction in the decomposer 2 decreases, and the ammonia concentration in the decomposed gas supplied to the fuel cell 4 decreases. Increase and the power generation capacity is hindered.

【0057】そこで本実施例では、ステップ 106で燃料
電池4から排出される水素の濃度を検出し、制御装置6
がその値に応じて分解器2へ供給されるアンモニア量の
補正演算を行う。なお燃料電池4からの排ガス中の水素
濃度は、分解器2へのアンモニア供給量から生成される
水素から発電に消費された水素を除くことで算出でき
る。あるいは燃料電池4の排ガス中の水素濃度を直接検
出することもできる。排ガス中の水素濃度を直接検出す
るには、熱伝導度法を用いることができる。つまりガス
中の水素濃度が高いほど放熱が大きいので、ガス中に通
電したPt線を挿入するとその両端の電位は水素濃度が高
いほど大きくなる。したがってその関係を予め求めてお
くことで、Pt線の電位を測定することによって水素濃度
を測定することができる。本実施例では後者の方法を採
用している。
Therefore, in this embodiment, in step 106, the concentration of hydrogen discharged from the fuel cell 4 is detected, and the controller 6
Performs the correction calculation of the amount of ammonia supplied to the decomposer 2 according to the value. The hydrogen concentration in the exhaust gas from the fuel cell 4 can be calculated by removing the hydrogen consumed for power generation from the hydrogen generated from the ammonia supply amount to the cracker 2. Alternatively, the hydrogen concentration in the exhaust gas of the fuel cell 4 can be directly detected. A thermal conductivity method can be used to directly detect the hydrogen concentration in the exhaust gas. In other words, the higher the hydrogen concentration in the gas, the greater the heat dissipation. Therefore, when a Pt wire that has been energized is inserted into the gas, the potential at both ends increases as the hydrogen concentration increases. Therefore, by obtaining the relationship in advance, the hydrogen concentration can be measured by measuring the potential of the Pt line. In this embodiment, the latter method is adopted.

【0058】なお分解器2の分解能力による補正量と排
ガス中の水素濃度による補正量とが相反する場合には、
分解器2の分解能力による補正量を優先させて分解器2
の能力維持を図ることが望ましい。
When the correction amount due to the decomposition ability of the decomposer 2 and the correction amount due to the hydrogen concentration in the exhaust gas are contradictory,
The decomposition amount of the decomposer 2 is given priority over the correction amount by the decomposition ability of the decomposer 2.
It is desirable to maintain the ability of

【0059】ここで、始動時など分解器2の温度が所定
値より低い場合には、分解能力が規定値以下であるので
分解器2にアンモニアを供給しないことが望ましい。そ
こでステップ 107では分解器2の温度が所定値T0 と比
較され、分解器2の温度がT 0 以上の場合のみステップ
109で補正量と供給アンモニア量が演算される。もし分
解器2の温度が所定値T0 より低い場合には、ステップ
108でアンモニアは燃焼器3へ供給され、その燃焼熱で
分解器2が加熱されて処理はステップ 100へ戻る。
Here, the temperature of the decomposer 2 is set to a predetermined value at the time of starting.
If it is lower than the value, the decomposition ability is below the specified value.
It is desirable not to supply ammonia to the decomposer 2. So
Here, in step 107, the temperature of the decomposer 2 is the predetermined value T0 And ratio
And the temperature of the decomposer 2 is T 0 Step only if above
 At 109, the correction amount and the supplied ammonia amount are calculated. If minutes
The temperature of the solver 2 is a predetermined value T0 If lower, step
 At 108, ammonia is supplied to the combustor 3, and the combustion heat
The decomposer 2 is heated and the process returns to step 100.

【0060】ステップ 110ではステップ 109で演算され
た量のアンモニアが分解器2へ供給され、燃料電池4が
作動する。そして燃料電池4からの排ガスが燃焼器3へ
供給され、空気供給手段5から所定量の空気が燃焼器3
へ供給される。
In step 110, the amount of ammonia calculated in step 109 is supplied to the decomposer 2 and the fuel cell 4 operates. Then, the exhaust gas from the fuel cell 4 is supplied to the combustor 3, and a predetermined amount of air is supplied from the air supply means 5 to the combustor 3.
Is supplied to.

【0061】空気供給手段5から燃焼器3へ供給される
空気量は、前述したように、燃料電池4からの排ガス中
の可燃成分に対してできるだけ厳密に過不足なく決定す
る必要がある。そこで本実施例では、図4に示す制御を
行っている。
As described above, the amount of air supplied from the air supply means 5 to the combustor 3 must be determined as strictly as possible with respect to the combustible components in the exhaust gas from the fuel cell 4 without excess or deficiency. Therefore, in this embodiment, the control shown in FIG. 4 is performed.

【0062】すなわちステップ 200では、燃料電池4か
らの排ガス中の成分濃度が算出される。燃料電池4から
の排ガス中の水素濃度はステップ 106で求められたもの
が利用でき、それからアンモニア濃度も演算できる。ま
たステップ 108でアンモニアが供給されていればその量
も加算する。そしてステップ 201で水素とアンモニアの
総量を燃焼する空気量が演算され、ステップ 202でその
空気量が空気供給手段5から燃焼器3へ供給される。
That is, at step 200, the component concentration in the exhaust gas from the fuel cell 4 is calculated. As the hydrogen concentration in the exhaust gas from the fuel cell 4, the hydrogen concentration obtained in step 106 can be used, and the ammonia concentration can also be calculated from it. If ammonia is supplied in step 108, the amount is also added. Then, in step 201, the amount of air that burns the total amount of hydrogen and ammonia is calculated, and in step 202, the amount of air is supplied from the air supply means 5 to the combustor 3.

【0063】続いてステップ 203で酸素センサ34の信号
から燃焼器3の排ガス中の酸素濃度が検出され、ステッ
プ 204〜 205で酸素濃度が所定値Cより低い場合には燃
焼器3へ供給される空気量をΔAだけ増量し、酸素濃度
が所定値Cより高い場合には燃焼器3へ供給される空気
量をΔAだけ減量するように空気供給手段5を制御す
る。これにより平均して空気の過不足を解消することが
でき、窒素酸化物及びアンモニアの排出を抑制すること
ができる。
Subsequently, in step 203, the oxygen concentration in the exhaust gas of the combustor 3 is detected from the signal of the oxygen sensor 34, and in steps 204 to 205, when the oxygen concentration is lower than the predetermined value C, it is supplied to the combustor 3. The air supply means 5 is controlled so that the air amount is increased by ΔA, and when the oxygen concentration is higher than the predetermined value C, the air amount supplied to the combustor 3 is decreased by ΔA. As a result, the excess and deficiency of air can be eliminated on average, and the emission of nitrogen oxides and ammonia can be suppressed.

【0064】酸素センサ34としては、ZrO2−Y2O3複合酸
化物などの酸素イオン導電体からなる酸素濃淡電池(ガ
ルバニ電池)型のもの、酸素濃度により抵抗値が変化す
る半導体型(TiO2など)などを用いることができる。
As the oxygen sensor 34, an oxygen concentration battery (galvanic cell) type sensor made of an oxygen ion conductor such as ZrO 2 —Y 2 O 3 composite oxide, or a semiconductor type (TiO 2 type) whose resistance value changes with oxygen concentration is used. 2 etc.) can be used.

【0065】酸素センサ34の検出出力が図5 (a)に示す
ように変動した場合、適切な空気量増減の勾配を例えば
図5 (b)に示すように設定することで、燃料電池からの
排ガスの時間変化に追従することができる。しかし制御
点と検出点が時間的及び空間的に離れているので、必然
的にオーバーシュートが生じる。そこで図5 (c)に示す
ように、制御値にジャンプを加えることで制御遅れを低
減することができる。また燃焼器3のペレット触媒32に
セリウム酸化物、酸化鉄などの不定比酸化物を加えてお
けば、その酸素吸放出能により雰囲気変動を緩和するこ
とができ、燃焼活性が一層向上する。
When the detection output of the oxygen sensor 34 fluctuates as shown in FIG. 5 (a), an appropriate gradient of increase / decrease of the air amount is set as shown in FIG. It is possible to follow the time change of the exhaust gas. However, since the control point and the detection point are distant from each other in time and space, overshoot is inevitably generated. Therefore, as shown in FIG. 5C, the control delay can be reduced by adding a jump to the control value. Further, if a nonstoichiometric oxide such as cerium oxide or iron oxide is added to the pellet catalyst 32 of the combustor 3, the oxygen fluctuation can be alleviated by the oxygen absorbing / releasing ability, and the combustion activity is further improved.

【0066】そして自動車の駆動停止時などには、バル
ブ40の切換によって燃料電池4からの排ガスは触媒41を
通過し、アンモニア及び水素が浄化されて排出される。
When the drive of the automobile is stopped, the exhaust gas from the fuel cell 4 passes through the catalyst 41 by switching the valve 40, and ammonia and hydrogen are purified and discharged.

【0067】(実施例2)なお上記した実施例において
は、燃焼器3における燃焼熱を分解器2に供給するよう
に構成したが、分解器2を別の加熱手段で加熱するよう
にするならば、図6に示すような構成とすることもでき
る。
(Embodiment 2) In the above embodiment, the combustion heat in the combustor 3 is supplied to the decomposer 2. However, if the decomposer 2 is heated by another heating means, For example, the configuration shown in FIG. 6 may be used.

【0068】この水素製造装置では、分解器2はヒータ
など別の加熱手段で加熱されるため、図3のフローチャ
ートにおいてステップ 104, 107, 108が不要となるこ
と以外は実施例1と同様であり、分解器2の温度による
制御を除いて実施例1と同様に燃焼器3における燃焼が
制御される。また実施例1におけるバルブ30,40が不要
となり、自動車の駆動停止時にも燃焼器3の排ガスはそ
のまま排出することができる。
In this hydrogen producing apparatus, the decomposer 2 is heated by another heating means such as a heater, and therefore, the steps are the same as those in the first embodiment except that steps 104, 107 and 108 are not necessary in the flowchart of FIG. The combustion in the combustor 3 is controlled in the same manner as in Example 1 except that the temperature of the decomposer 2 is controlled. Further, the valves 30 and 40 in the first embodiment are unnecessary, and the exhaust gas of the combustor 3 can be discharged as it is even when the driving of the automobile is stopped.

【0069】[0069]

【発明の効果】すなわち本発明の燃料電池用水素製造装
置によれば、アンモニアなどの水素源を分解して生成し
た水素を燃料電池に供給できる。したがって水素源を容
易に自動車に搭載することができ、かつ一度の充填で長
距離走行が可能となる。また燃料電池からの排ガスをそ
のまま排出することがないので、アンモニアなどが排出
されるのも防止できる。
According to the hydrogen producing apparatus for a fuel cell of the present invention, hydrogen produced by decomposing a hydrogen source such as ammonia can be supplied to the fuel cell. Therefore, the hydrogen source can be easily installed in the automobile, and long-distance running can be performed with one filling. Further, since exhaust gas from the fuel cell is not discharged as it is, it is possible to prevent ammonia and the like from being discharged.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例の水素製造装置のブロック図
である。
FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例の水素製造装置に用いた分解
器と燃焼器の模式的断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a decomposer and a combustor used in the hydrogen production device according to the embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例の水素製造装置における制御
の全体を示すフローチャートである。
FIG. 3 is a flowchart showing the overall control in the hydrogen production device according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の一実施例の水素製造装置における燃焼
用空気量のフィードバック制御の内容を示すフローチャ
ートである。
FIG. 4 is a flowchart showing the content of feedback control of the combustion air amount in the hydrogen production device according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施例の水素製造装置における燃焼
用空気量の制御の例を示し、時間と酸素センサの検出出
力及び空気量の関係を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing an example of control of the combustion air amount in the hydrogen production apparatus according to the embodiment of the present invention, and is a graph showing the relationship between time and the detection output of the oxygen sensor and the air amount.

【図6】本発明の他の実施例の水素製造装置のブロック
図である。
FIG. 6 is a block diagram of a hydrogen production device according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:アンモニアボンベ 2:分解器 3:燃
焼器 4:燃料電池 5:空気供給手段 6:制
御装置 10:供給器 34:温度センサ 41:触
1: Ammonia cylinder 2: Decomposer 3: Combustor 4: Fuel cell 5: Air supply means 6: Control device 10: Supply device 34: Temperature sensor 41: Catalyst

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H027 AA02 BA01 BA09 KK31 KK46 MM13    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    F term (reference) 5H027 AA02 BA01 BA09 KK31 KK46                       MM13

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 触媒反応によりアンモニア及びヒドラジ
ンの少なくとも一方からなる水素源を窒素と水素とに分
解して燃料電池に供給する分解器と、 触媒反応により燃料電池からの排ガスを燃焼させる燃焼
器と、 該燃焼器に燃焼用空気を供給する空気供給手段と、 該燃焼器からの排ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度
検出器と、 少なくとも該酸素濃度検出器で検出された酸素濃度値に
応じて該空気供給手段を制御する制御装置と、よりなる
ことを特徴とする燃料電池用水素製造装置。
1. A decomposer for decomposing a hydrogen source composed of at least one of ammonia and hydrazine into nitrogen and hydrogen by a catalytic reaction and supplying the same to a fuel cell; and a combustor for combusting exhaust gas from the fuel cell by a catalytic reaction. An air supply means for supplying combustion air to the combustor, an oxygen concentration detector for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas from the combustor, and at least an oxygen concentration value detected by the oxygen concentration detector. And a control device for controlling the air supply means, and a hydrogen producing device for a fuel cell.
【請求項2】 燃焼器は排ガスの燃焼熱を前記分解器に
供給することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用
水素製造装置。
2. The hydrogen producing apparatus for a fuel cell according to claim 1, wherein the combustor supplies combustion heat of exhaust gas to the decomposer.
【請求項3】 前記燃料電池は 100℃以上の温度で作動
されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用水
素製造装置。
3. The hydrogen producing device for a fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is operated at a temperature of 100 ° C. or higher.
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