JP2003264002A

JP2003264002A - 水素発生システム

Info

Publication number: JP2003264002A
Application number: JP2002066540A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kanehara; 雅彦金原; Shinichi Matsumoto; 信一松本; Harumichi Nakanishi; 治通中西
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池等の水素反応部で発生する水蒸気か
ら水を効率良く回収して、システムの大型化を抑制でき
る水素発生システムを提供する。【解決手段】水素発生システムは、水と水素化物23と
の反応で水素を発生させる水素発生装置12と、前記水素
発生装置12で発生させた水素を酸素と反応させてエネル
ギーを得る燃料電池13とを備えている。燃料電池13にお
ける水素の反応により生じた水を含む排気ガスを膨張機
14で膨張させることにより排気ガス中の水蒸気を凝縮さ
せて水を回収し、その回収した水を水素発生装置12にお
ける水素化物23との反応に使用する。膨張機14にはスク
ロール式膨張機が使用されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は水素発生システムに
係り、詳しくは燃料電池や水素を燃料とする内燃機関の
ように水素と酸素とを反応させてエネルギーを得る水素
反応部と、ケミカルハイドライドの加水分解、あるいは
メタノール等の炭化水素の水蒸気改質等のように、水と
水素化物との反応により水素を発生させて前記水素反応
部に供給する水素発生装置とを備えた水素発生システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、水素と酸素とを電気化学的に反応
させて化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する
燃料電池が、自動車のエネルギー源や発電装置として注
目を集めている。そして、燃料電池の燃料である水素源
として、ケミカルハイドライドの加水分解、メタノール
や天然ガス等の炭化水素の水蒸気改質により水素を発生
させる方法、水素吸蔵合金や高圧ボンベ等に直接水素を
蓄えて燃料とする方法等が考えられている。

【０００３】このうち、水素吸蔵合金や高圧ボンベ等に
水素を蓄えておく方法は、貯蔵部の重量が重くなった
り、体積が大きくなるとともに、水素発生装置で製造し
た水素を水素吸蔵合金や高圧ボンベ等に蓄える（充填す
る）ための熱交換や昇圧などの余分な工程が必要にな
る。

【０００４】一方、ケミカルハイドライドや炭化水素等
の水素化物と、水とを反応させて水素を発生させる方法
では、燃料である水素化物の他に水を必要とする。従っ
て、水素発生装置は水素化物との反応に必要な水を確保
する必要がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池では水素と酸
素とが反応して水が発生するので、この水を水素発生装
置で水素化物と反応させる水として使用することが考え
られる。しかし、水は排気ガス中に高温の水蒸気の状態
で含まれるため、これを単に冷却して使用するのでは大
きな動力を要し、必要な水を確保するには難しい。従っ
て、不足分を補うための量の水を収容するタンクが必要
になる。このタンクが大きくなると水素発生装置が大型
化し、自動車等に搭載する際等に不利になる。

【０００６】例えば、水素化物として水素化ホウ素ナト
リウム（ＮａＢＨ₄ ）を使用した場合について、水の
収支を詳述すると次のようになる。水素化物として水素
化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ₄ ）を使用した場合、
水との反応は式（１）で表される。

【０００７】ＮａＢＨ₄＋４Ｈ₂Ｏ→４Ｈ₂ ＋ＮａＢＯ₂・２Ｈ₂Ｏ・・・（１）また、燃料電池（ＦＣ）における水素と酸素との反応は
式（２）で表される。４Ｈ₂＋２Ｏ₂ →４Ｈ₂Ｏ・・・（２）式（１）及び式（２）で比較すると、水素化物と水との
反応に使用される水の量と、水素の反応で発生する水の
量とはバランスしている。しかし、式（１）の反応で発
生した水素が水を水蒸気として持ち去るため、その量を
ａｍｏｌとすると、１ｍｏｌのＮａＢＨ₄の反応には
（４＋ａ）ｍｏｌの水が必要となる。例えば、８０℃、
２ａｔｍとすると、４ｍｏｌの水素は、約１ｍｏｌの水
（４×３５５／（７６０×２）ｍｏｌ＝０．９３４ｍｏ
ｌ）を蒸気として持ち去るため、前記ａｍｏｌは約１ｍ
ｏｌとなり、反応には約（４＋ａ）＝５ｍｏｌの水が必
要となる。

【０００８】燃料電池では、式（２）の反応で使用する
酸素は過剰の空気を吸入することで確保しているため、
余剰の酸素と、空気として燃料電池に供給された窒素と
を排気ガスとして放出する際に、排気ガス中に含まれる
水蒸気として水が持ち去られる。過剰の酸素量をストイ
キ比１．５となるように設定すれば、式（２）の反応で
は３ｍｏｌの酸素が必要となり、吸入される空気中には
窒素が１２ｍｏｌ含まれる。

【０００９】また、燃料電池では電解質膜の保護のた
め、所定量の水分を吸入空気と一緒に供給する必要があ
る。従って、ＮａＢＨ₄の加水分解で水素を発生させ
て、燃料電池を前記運転条件で運転した場合、水の収支
は図６に示すようになる。

【００１０】図６において、ｎは電解質膜の保護のため
に必要な水の量（ｍｏｌ）であり、この水は燃料電池の
排気ガスから中空糸膜で回収される。αは吸入空気中に
含まれる水の量（ｍｏｌ）であり、気温２５℃、湿度５
０％とすると、α＝１５／（７６０／２３．８−１）×
５０／１００＝０．２４３ｍｏｌとなる。βは排気ガス
として外部に放出される余剰の酸素及び窒素とともに持
ち去られる水の量（ｍｏｌ）である。

【００１１】図６から、α＞βであれば、回収される水
の量ｂｍｏｌが（４＋ａ）ｍｏｌ以上になり、１ｍｏｌ
のＮａＢＨ₄に対して５ｍｏｌの割合で水を使用して加
水分解反応を行えば、燃料電池の排気ガスから加水分解
に必要な水を冷却過程で確保できる。しかし、冷却後の
排気ガスに含まれる水蒸気は飽和状態のため、排気温度
が４０℃、１ａｔｍでは、β＝１３／（７６０／５５．
３−１）＝１．０２（ｍｏｌ）となる。即ち、α＜βと
なり常に水の補給が必要になる。α＞βとなるようにβ
の量を少なくするには、冷却温度を１６℃以下にする必
要があり、気温が２５℃の場合、単なる熱交換機による
冷却では、βがα＞βを満足させるように水を回収でき
ない。

【００１２】本発明は前記の問題点に鑑みてなされたも
のであって、その目的は燃料電池等の水素反応部で発生
する水蒸気から水を効率良く回収して、システムの大型
化を抑制できる水素発生システムを提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水と水素化物との反応
で水素を発生させる水素発生装置と、前記水素発生装置
で発生させた水素を酸素と反応させてエネルギーを得る
水素反応部とを備えた水素発生システムである。そし
て、前記水素反応部における水素の反応により生じた水
を含む排気ガスを膨張機で膨張させることにより排気ガ
ス中の水蒸気を凝縮させて水を回収し、その回収した水
を前記水素発生装置における水素化物との反応に使用す
る。

【００１４】この発明では、水素発生装置で水素化物と
水との反応により発生した水素が燃料電池等の水素反応
部の水素源として使用される。水素反応部で発生した水
蒸気が排気ガスとして外部に排出される前に、膨張機に
導入されて膨張され、排気ガス中の水蒸気が凝縮されて
水として回収される。そして、その水が水素発生装置で
水素化物との反応に使用される。従って、最初に所定量
の水素を発生させるのに必要な水を準備するだけで、そ
の後は水素反応部から発生する水蒸気を回収して水素発
生装置で反応に必要な水として使用でき、水の貯留量を
少なくできる。また、水蒸気から回収した熱エネルギー
を有効利用できる。

【００１５】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の発明において、前記膨張機はスクロール式膨張機で
ある。この発明では、膨張により凝縮した水がスクロー
ルの隙間をシールする状態となり、効率よく膨張が行わ
れる。

【００１６】請求項３に記載の発明では、請求項１又は
請求項２に記載の発明において、前記水素反応部は燃料
電池である。前記水素発生装置は、粉体状のケミカルハ
イドライドを収容する燃料タンクと、水を収容する水タ
ンクと、前記燃料タンク及び水タンクから供給されるケ
ミカルハイドライド及び水の混合液を反応させる反応槽
とを備えている。そして、前記反応槽で発生した水素を
前記燃料電池に供給し、前記膨張機で回収された水を前
記水タンクに戻す。

【００１７】この発明では、燃料タンクに収容された粉
体状のケミカルハイドライド（水素化物）と、水タンク
の水とが混合された混合液が反応槽へ送られるため、多
量の水を一度に供給する必要がない。従って、水素発生
装置からの燃料電池への水素の供給と、燃料電池で発生
する水蒸気からの水の回収のバランスを取り易い。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を燃料電池用の水素
発生システムに具体化した一実施の形態を図１〜図４に
従って説明する。

【００１９】図１は水素発生システムの模式図である。
図１に示すように、水素発生システム１１は、水素発生
装置１２、水素反応部としての燃料電池１３、膨張機１
４、水タンク１５、圧縮機１６及びポンプ１７，１８を
備えている。

【００２０】水素発生装置１２は、水と反応して水素を
発生する粉体状の水素化物を収容する燃料タンク１９
と、水と水素化物とを混合する混合槽２０と、反応槽２
１と、回収タンク２２とを備えている。水素化物とし
て、例えば水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ４）が使
用されている。

【００２１】燃料タンク１９は隔壁１９ａの下部が下側
に向かって縮径となる形状に形成されるとともに、回収
タンク２２の内側に配置されている。燃料タンク１９は
上部に蓋（図示せず）を備え、蓋を閉じた状態で密閉可
能となり、水素化物２３を加圧するための水素を充填可
能に構成されている。混合槽２０及び反応槽２１は回収
タンク２２の下に配設され、燃料タンク１９は計量バル
ブ２４を介して混合槽２０に連結されている。

【００２２】図２に示すように、計量バルブ２４はハウ
ジング２５内に軸方向に摺動可能なスプール２６備えて
いる。スプール２６には水素化物２３を所定量収容可能
な収容部２６ａが上下方向に延びるように形成されてい
る。ハウジング２５の上部には燃料タンク１９の下端に
連通する供給孔２５ａが形成され、下部には混合槽２０
に連通する排出孔２５ｂが形成されている。そして、ス
プール２６は収容部２６ａが供給孔２５ａと対応する第
１の位置と、収容部２６ａが排出孔２５ｂと対応する第
２の位置とに、アクチュエータ２７の作用により移動さ
れるように構成されている。アクチュエータ２７は消磁
状態ではばねの付勢力により、スプール２６が第１の位
置に配置され、励磁状態ではソレノイドの作用でスプー
ル２６が第２の位置に配置されるようになっている。

【００２３】ハウジング２５には、排出孔２５ｂと対向
する位置に孔２５ｃが形成され、孔２５ｃには水素供給
パイプ２８の下端部が連結されている。水素供給パイプ
２８は、その上部が燃料タンク１９内に配置され、途中
から燃料タンク１９及び回収タンク２２を貫通して外部
に導出されている。水素供給パイプ２８の上端にはフィ
ルタ２９が取り付けられ、水素供給パイプ２８内に水素
化物２３が侵入しないようになっている。水素供給パイ
プ２８には電磁弁３０が設けられ、アクチュエータ２７
の作動によりスプール２６が第２の位置に配置された
際、電磁弁３０が所定時間開放されるようになってい
る。

【００２４】反応槽２１は混合槽２０を囲むように平面
渦巻き状に形成され、混合槽２０内にはモータ３１によ
り駆動される攪拌手段３２が設けられている。そして、
攪拌手段３２により混合槽２０内で攪拌混合された水素
化物２３と水との混合物が、反応槽２１へ送り込まれる
ように構成されている。反応槽２１内の隔壁には、混合
液の水素発生反応を促進する触媒が担持されている。

【００２５】混合槽２０は水を収容する水タンク１５と
パイプ３３で連結され、パイプ３３の途中にはポンプ１
７が設けられている。ポンプ１７は、計量バルブ２４を
介して燃料タンク１９から混合槽２０へ供給される水素
化物２３の量に対応する所定量の水を混合槽２０へ送り
込む。

【００２６】回収タンク２２の上部には、気液分離装置
３４が配設されている。図３に示すように、気液分離装
置３４は、扁平な円環状に形成され、気体が通過する通
路３５が渦巻き状に形成され、分離後の液体が一時溜ま
る部分の上側を気体が通過可能に形成されている。気液
分離装置３４は、渦巻き状の通路３５の内側基端が管路
３７を介して反応槽２１と連通されている。通路３５を
構成する底壁３５ａには、渦巻きの外周側部分と対応す
る箇所に複数の排出孔３６ａが形成され、上壁３５ｂに
は気体の出口（図示せず）が形成されている。

【００２７】気液分離装置３４の上側には水素を一時貯
留する環状の室３８が設けられ、前記出口が室３８に連
通している。燃料電池１３と室３８とは水素移送パイプ
３９により連結され、水素移送パイプ３９の第１端部が
室３８に連結され、水素移送パイプ３９の第２端部が燃
料電池１３の水素極（図示せず）側に連結されている。
室３８にはフィルタ３８ａが設けられ、反応槽２１から
気液分離装置３４を介して送り込まれた水素とともに塵
埃等が１３へ送り出されるのを防止するようになってい
る。水素移送パイプ３９には絞り弁４０及び電磁弁４１
が設けられている。

【００２８】圧縮機１６の吸入口には水タンク１５の水
をポンプ１８により供給するパイプ４２が連結されると
ともに、空気の吸入部が設けられている。圧縮機１６の
吐出口は、パイプ４３を介して燃料電池１３の酸素極
（図示せず）側に連結されている。圧縮機１６はモータ
４４で駆動され、燃料電池１３で水素との反応に使用さ
れる酸素量の１．５倍の酸素（ストイキ比１．５）に相
当する量の空気を供給するようになっている。

【００２９】膨張機１４は燃料電池１３の排気ガス排出
口と管路４５を介して連結され、燃料電池１３の排気ガ
スが膨張機１４に供給されるようになっている。膨張機
１４にはスクロール式膨張機が使用されている。膨張機
１４は発電手段としてのモータ・ジェネレータ４６に連
結されている。膨張機１４はその出口が管路４７を介し
て水タンク１５に連通されている。

【００３０】次に前記のように構成された装置の作用を
説明する。燃料タンク１９内に所定量の水素化物２３が
充填され、水タンク１５には燃料タンク１９内の水素化
物全量を一度に反応させるのに必要な量より遙かに少な
い量の水が収容された状態からシステムの運転が開始さ
れる。燃料タンク１９内の水素は水素化物２３を計量バ
ルブ２４へ円滑に送り込む役割を果たす。

【００３１】先ずポンプ１７により水タンク１５から混
合槽２０内に水が供給される。水タンク１５内の水はポ
ンプ１７の間欠運転により、所定量ずつ混合槽２０に供
給される。また、計量バルブ２４のスプール２６が第１
の位置に配置されると、燃料タンク１９内の水素化物２
３が収容部２６ａ内に供給される。燃料タンク１９内の
水素化物２３は、燃料タンク１９内に充填されている水
素の圧力により円滑に、第１の位置に配置されたスプー
ル２６の収容部２６ａ内に送り込まれる。次にスプール
２６が第２の位置へ配置されると、収容部２６ａが排出
孔２５ｂと対向した状態で電磁弁３０が開放されること
により、収容部２６ａ内の所定量の水素化物２３が排出
孔２５ｂから混合槽２０に供給される。従って、スプー
ル２６の往復移動により、燃料タンク１９内の水素化物
２３が所定量ずつ混合槽２０へ供給される。そして、混
合槽２０に供給された所定量の水と水素化物２３とが混
合された後、混合液が混合槽２０内の水素の圧力によっ
て反応槽２１に移送される。

【００３２】反応槽２１に移送された混合液は水素化物
２３が次の反応式で加水分解される。ＮａＢＨ₄＋４Ｈ₂Ｏ→４Ｈ₂ ＋ＮａＢＯ₂・２Ｈ₂Ｏ触媒の存在により前記の反応が良好に進行する。この反
応は発熱反応のため、反応熱により水の一部が水蒸気と
なる。そして、加水分解で発生した水素と反応生成物と
が霧状の状態で反応槽２１の上部から管路３７を通って
気液分離装置３４へ導かれる。反応生成物は、気液分離
装置３４の通路３５を通過する間に、液体と気体（水
素）とに分離され、液体は排出孔３６ａから回収タンク
２２内に落下して貯留され、水素は出口（図示せず）か
ら室３８へ導かれる。そして、室３８内の水素は電磁弁
４１の開放状態で水素移送パイプ３９を介して燃料電池
１３へ供給される。

【００３３】燃料電池１３に供給された水素は、圧縮機
１６により圧縮されて供給される空気中の酸素と燃料電
池１３内で反応し、電力を発生するとともに、反応生成
物の水が高温のため水蒸気となって未反応の空気と共に
管路４５へ排出される。

【００３４】燃料電池１３の水蒸気を含む排気ガスは、
膨張機１４に供給され、膨張機１４内で膨張するととも
に回転軸を回転させる。そして、回転軸はモータ・ジェ
ネレータ４６の回転軸と連結されているため、モータ・
ジェネレータ４６が発電機として機能し、膨張のエネル
ギーが電力として回収される。この電力は図示しないバ
ッテリに充電され、圧縮機１６を駆動するモータ４４の
電力として利用される。

【００３５】排気ガスは膨張機１４へ導入されるまでに
膜を介して水蒸気の一部が燃料電池１３の電解質膜保護
のための水蒸気用として回収される。そして、湿度が１
００％より減少した状態で排気ガスが膨張機１４へ導入
される。排気ガスは膨張機１４で大気圧以下まで膨張さ
れ、その間に温度も低下するため、排気ガス中の水蒸気
の多くが凝縮する。そして、凝縮された水は管路４７を
経て水タンク１５に回収されて貯留され、水素化物２３
と混合する水として使用される。

【００３６】そして、燃料タンク１９内の水素化物が全
て使用され、発生された水素が使用された後、回収タン
ク２２内に回収された反応生成物が回収タンク２２から
取り出される。その後、燃料タンク１９内に再び水素化
物２３及び水素が充填されてシステムが再使用される。

【００３７】次に図４に従って、この水素発生システム
の水の収支について説明する。なお、図４において、従
来技術において図６で説明した部分と同じものは同じ符
号を付して表している。

【００３８】従って、１ｍｏｌのＮａＢＨ₄の加水分解
により発生する水素が反応槽２１から水蒸気として持ち
去る水の量ａｍｏｌは、水素が従来技術の場合と同じ８
０℃、２ａｔｍとすると、ａｍｏｌ＝０．９３４ｍｏｌ
となる。水蒸気交換後の排気ガスを８０℃、１．３ａｔ
ｍ、湿度６６．８％とし、膨張後の排気ガスを３１℃、
０．８ａｔｍ、湿度１００％とした場合、それぞれの排
気ガス中の水の蒸気圧は、３４４ｍｍＨｇ、３３．７ｍ
ｍＨｇとなる。また、水以外の気体の量（ｍｏｌ）は１
３ｍｏｌとなる。

【００３９】前記条件においては、水蒸気交換後の排気
ガス中の水の量Ａｍｏｌの値は次のようになる。Ａ＝３５５／（１．３×７６０−３５５）×１３×（６６．８／１００）＝４．８７ｍｏｌまた、膨張後の排気ガスの水の量βｍｏｌの値は次のよ
うになる。

【００４０】 β＝３３．７／（０．８×７６０−３３．７）×１３×（１００／１００）＝０．７６ｍｏｌ従って、膨張により回収される水の量ｂｍｏｌはｂ＝Ａ
−β＝４．１１ｍｏｌとなる。この回収量は、１ｍｏｌ
のＮａＢＨ₄の加水分解に必要な水の量である４ｍｏｌ
より０．１１ｍｏｌ多い。

【００４１】一方、冷却のみで水を回収する場合は従来
技術で述べたように、βが１．０２ｍｏｌとなるため、
水の回収量は３．８５ｍｏｌとなり、１ｍｏｌのＮａＢ
Ｈ₄の加水分解に必要な水の量を満足できない。しか
し、膨張機１４を使用した場合でも、前記条件では、加
水分解により発生する水素が反応槽２１から水蒸気とし
て持ち去る水の量ａｍｏｌの分を全てカバーすることは
できない。従って、その差（ａ−０．１１）ｍｏｌを追
加する必要がある。この量は、加水分解で発生した水素
が何度で反応槽２１から排出されるかによって大きく異
なる。例えば、７０℃、３．５ａｔｍであれば、水素が
持ち去る水の量ａは２３３．８／（３．５×７６０−２
３３．８）×４×（１００／１００）＝０．３９ｍｏｌ
となり、７０℃、２ａｔｍであれば、水の量ａは０．７
３ｍｏｌとなる。また、膨張後の排気ガスの圧力を０．
８ａｔｍより下げることにより、水の回収量を増加させ
ることが可能であるため、追加する水の量を少なくでき
る。

【００４２】この実施の形態では以下の効果を有する。（１）水素反応部である燃料電池１３で水素と酸素と
の反応により生じた水（水蒸気）を含む排気ガスを膨張
機１４で膨張させることにより、排気ガス中の水蒸気を
凝縮させて水を回収し、その回収した水を水素発生装置
１２における水素化物２３との反応に使用する。従っ
て、排気ガスを外気との温度差による冷却のみによって
水を回収する場合に比較して、回収できる水の量が大幅
に増加するため、水タンク１５に貯留する水の貯留量を
少なくでき装置の小型化が可能になる。

【００４３】（２）燃料電池１３の排気ガスを膨張機
１４で膨張させて水を回収する際に、膨張の仕事でモー
タ・ジェネレータ４６を駆動して発電し、その電力が圧
縮機１６を駆動するモータ４４の使用電力に利用される
ため、水蒸気の熱エネルギーを有効利用できる。

【００４４】（３）膨張機１４としてスクロール式膨
張機を使用しているため、膨張により凝縮した水がスク
ロールの隙間をシールする状態となり、効率よく膨張が
行われる。

【００４５】（４）膨張機１４がモータ・ジェネレー
タ４６に連結されているため、膨張機１４により排気ガ
スを膨張させる際、モータ・ジェネレータ４６をモータ
として使用することにより、その圧力をより低下させる
ことにより回収する水の量を増やすことができる。

【００４６】（５）水素発生装置１２は、粉体状の水
素化物２３を収容する燃料タンク１９と、水タンク１５
と、混合槽２０とが別に構成されている。従って、燃料
タンク１９内に水を加えて一度に混合液を調製した後、
その混合液を順次反応槽２１に移送する構成に比較し
て、多量の水を一度に供給する必要がなく、水素発生装
置１２から燃料電池１３への水素の供給と、燃料電池１
３で発生する水蒸気からの水の回収とのバランスを取り
易い。

【００４７】（６）水素発生装置１２は、粉体状の水
素化物２３を収容する燃料タンク１９から定量ずつ取り
出した水素化物２３を、混合槽２０で水と混合するとと
もに、その混合液を反応槽２１に移送する。従って、多
量の水を一度に供給する必要がなく、水素発生装置１２
からの燃料電池１３への水素の供給と、燃料電池１３で
発生する水蒸気からの水の回収とのバランスを取るのが
より容易になる。

【００４８】（７）水素発生装置１２は、燃料タンク
１９、混合槽２０、反応槽２１及び回収タンク２２が１
個のユニットとして組み付けられているため、全体とし
てコンパクトになり、設置スペースの確保が容易とな
る。

【００４９】実施の形態は前記に限定されるものではな
く、例えば次のように構成してもよい。 ○ 水素発生装置１２は、燃料タンク１９、混合槽２
０、反応槽２１及び回収タンク２２を１個のユニットと
して組み付ける構成に限らず、例えば、図５に示すよう
に、燃料タンク１９、混合槽２０、反応槽２１及び回収
タンク２２を別々に設けてもよい。図５に示す構成で
は、計量バルブ２４は、回転タイプのスプール２６を備
え、収容部２６ａが燃料タンク１９に連通可能な第１の
位置（図５の状態）と、混合槽２０に連通可能な第２の
位置とに回動可能に構成されている。なお、第２の位置
は図５の状態から９０度回動された状態である。計量バ
ルブ２４には、第２の位置に配置された収容部２６ａと
連通可能な孔が形成され、該孔に水素供給パイプ２８が
連結されている。そして、燃料タンク１９内の水素化物
２３が計量バルブ２４を介して所定量ずつ混合槽２０へ
供給されるようになっている。混合槽２０は管路４８を
介して反応槽２１に連結されている。なお、前記実施の
形態と同様な部分は同一符号を付して示す。この場合、
レイアウトの変更が容易になる。

【００５０】○ 燃料タンク１９から所定量ずつ供給さ
れる粉体状の水素化物２３を混合槽２０で水と混合して
反応槽２１に移送する構成に代えて、燃料タンク１９に
水を供給して燃料タンク１９内で水素化物２３と水とを
混合し、混合液を反応槽２１に供給する構成としてもよ
い。例えば、複数の燃料タンク１９に水素化物２３を分
割して貯留しておき、各燃料タンク１９の上部にポンプ
１７を介して水タンク１５の水を供給する水供給管路を
連結する。水供給管路には各燃料タンク１９毎に電磁弁
を設ける。各燃料タンク１９の底部と反応槽２１とを管
路を介して連結し、各燃料タンク１９毎に電磁弁を設け
る。

【００５１】この構成では、燃料タンク１９に収容され
た粉体状の水素化物２３との反応に必要な量と、移送に
必要な量との合計量の水が燃料タンク１９内で混合さ
れ、混合液がポンプの作用により反応槽２１に移送され
る。従って、１個の燃料タンク１９内で予め混合液を調
製し、残りの燃料タンク１９内に水素化物を貯留した状
態でシステムの運転が開始される。そして、燃料電池１
３の排気ガスから回収されて水タンク１５に貯留された
水は、供給すべき燃料タンク１９と対応する電磁弁が開
放された状態でポンプ１７の駆動により該燃料タンク１
９に供給される。また、混合液が調製された燃料タンク
１９と対応する電磁弁が開放された状態でポンプが駆動
されて混合液が反応槽２１に供給される。この実施の形
態では粉体状の水素化物を計量して所定量ずつ混合槽２
０に送る構成と比較して、水素化物と水との混合液の調
製が簡単になる。

【００５２】○ 燃料タンク１９内で調製した混合液を
反応槽２１に移送する構成において、混合液をポンプで
移送する代わりに燃料タンク１９に水素あるいは窒素な
どの不活性ガスを充填し、その圧力で移送するようにし
てもよい。

【００５３】○ 膨張機１４としてスクロール式膨張機
以外の膨張機を使用してもよい。 ○ 膨張機１４の回転軸をクラッチを介して圧縮機１６
の回転軸に連結し、モータ４４だけで圧縮機１６を駆動
するのではなく、膨張機１４の回転を圧縮機１６に伝達
するようにしてもよい。

【００５４】○ 水素発生装置としてケミカルハイドラ
イドの加水分解で水素を発生する構成に限らず、メタノ
ールや天然ガス等の炭化水素の水蒸気改質により水素を
発生する構成の装置を使用してもよい。

【００５５】○ 水素反応部として燃料電池１３に代え
て、水素を燃焼させてエネルギーを得る内燃機関を備え
た水素発生システムに適用してもよい。前記実施の形態
から把握される発明（技術的思想）について、以下に記
載する。

【００５６】（１）請求項１〜請求項３のいずれか一
項に記載の発明において、前記膨張機は、膨張の仕事を
電気エネルギーに変換する発電手段に連結されている。（２）請求項３に記載の発明において、前記水素発生
装置は、燃料タンク、混合槽、反応槽及び回収タンクが
１個のユニットとして組み付けられている。

【００５７】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１〜請求項３
に記載の発明によれば、燃料電池で発生する水蒸気から
水分を効率よく回収でき、水素発生システムの大型化を
抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施の形態の燃料電池用水素発生システム
の模式構成図。

【図２】計量バルブの模式断面図。

【図３】気液分離装置の構成を示す模式平断面図。

【図４】水の収支を示す模式図。

【図５】別の実施の形態の燃料電池用水素発生システ
ムの模式構成図。

【図６】水を冷却により回収する場合の水収支を示す
模式図。

【符号の説明】

１１…水素発生システム、１２…水素発生装置、１３…
水素反応部としての燃料電池、１４…膨張機、１５…水
タンク、１９…燃料タンク、２１…反応槽、２３…水素
化物。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松本信一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者中西治通愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水と水素化物との反応で水素を発生させ
る水素発生装置と、前記水素発生装置で発生させた水素
を酸素と反応させてエネルギーを得る水素反応部とを備
えた水素発生システムであって、前記水素反応部におけ
る水素の反応により生じた水を含む排気ガスを膨張機で
膨張させることにより排気ガス中の水蒸気を凝縮させて
水を回収し、その回収した水を前記水素発生装置におけ
る水素化物との反応に使用する水素発生システム。
【請求項２】前記膨張機はスクロール式膨張機である
請求項１に記載の水素発生システム。
【請求項３】前記水素反応部は燃料電池であり、前記
水素発生装置は、粉体状のケミカルハイドライドを収容
する燃料タンクと、水を収容する水タンクと、前記燃料
タンク及び水タンクから供給されるケミカルハイドライ
ド及び水の混合液を反応させる反応槽とを備え、前記反
応槽で発生した水素を前記燃料電池に供給し、前記膨張
機で回収された水を前記水タンクに戻す請求項１又は請
求項２に記載の水素発生システム。