JP2004131746A

JP2004131746A - 水素ガス供給装置

Info

Publication number: JP2004131746A
Application number: JP2002294417A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakamura; 中村　賢治; ▲徳▼島　一雄; Kazuo Tokushima
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2004-04-30

Abstract

【課題】水素ガス消費装置に安定して水素ガスを供給することが可能な水素ガス供給装置を提供すること。
【解決手段】制御ユニット１００は、改質原料を改質して水素ガスを生成する改質ユニット１０が安定して水素ガスを生成できない場合には、電磁弁３０を配管２３側に切り替え、給電ユニット４０から電解槽２０の第１、第２電極２４、２５間に通電して水を電気分解し水素ガスを生成するようになっている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素ガスを生成し、水素ガス消費装置に水素ガスを供給する水素ガス供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、炭化水素化合物等の改質原料を改質して水素ガスを生成し、燃料電池等の水素ガス消費装置に水素ガスを供給する水素ガス供給装置が知られている。このような水素ガス供給装置では、一般的に、加熱して蒸発させた炭化水素化合物を高温での触媒反応等により改質している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、水素ガス供給装置の起動時等には、改質原料や触媒等の加熱昇温に時間を要し、安定して水素ガスを供給できない場合があるという問題がある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みてなされたもので、安定して水素ガスを供給することが可能な水素ガス供給装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
水素ガス消費装置（２）に供給する水素ガスを生成する水素ガス供給装置（１）であって、
改質原料を改質して水素ガスを生成する改質手段（１０）と、
水を電気分解して水素ガスを生成する電解手段（２０）と、
改質手段（１０）の水素ガス生成状況に応じて、電解手段（２０）への通電制御を行なう制御手段（１００）とを具備することを特徴としている。
【０００６】
これによると、改質手段（１０）が安定して水素ガスを生成できない場合には、電解手段（２０）の電気分解により水素ガスを生成することができる。したがって、水素ガス消費装置（２）に安定して水素ガスを供給することが可能である。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明では、電解手段（２０）は、マグネシウムで形成された第１電極（２４）および第２電極（２５）を有し、制御手段（１００）は、第１電極（２４）と第２電極（２５）との間の通電制御を行なうことを特徴としている。
【０００８】
これによると、第１、第２電極（２４、２５）にマグネシウム電極を採用することで、電解手段（２０）における生成ガスを水素ガスのみとするとともに、生成量を安定制御することが可能である。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明では、第１電極（２４）と第２電極（２５）との間には、直流電流が通電されることを特徴としている。
【００１０】
これによると、電解手段（２０）による水素ガスの生成効率を良好にすることが可能である。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明では、第１電極（２４）と第２電極（２５）との間には、交流電流が通電されることを特徴としている。
【００１２】
これによると、第１、第２電極（２４、２５）の消耗を抑制することが可能である。
【００１３】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示す。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明を適用した水素ガス供給装置１の概略模式構成図であり、配管は線図としている。ちなみに、２は本実施形態における水素ガス消費装置である燃料電池であり、水素ガス供給装置１は、燃料電池２に水素ガスを供給するようになっている。
【００１６】
１０は改質手段である改質ユニットであり、改質ユニット１０の図中下方側には改質ユニット１０内に天然ガスやナフサあるいはメタノール等からなる燃料を供給するための配管１１が接続している。改質ユニット１０は、図示を省略しているが、蒸発部、改質部、一酸化炭素除去部等を備えるユニットであり、後述する制御ユニット１００からの制御信号に基づいて作動し、配管１１から供給された燃料を触媒等を用いて改質し、改質ユニット１０の図中上方側に接続された配管１２に水素ガスを導出するようになっている。また、改質ユニット１０は、ユニット内各所の温度情報等（蒸発部温度、各触媒温度等）を改質ユニット１０の作動状況として後述する制御ユニット１００に出力するようになっている。
【００１７】
一方、２０は電解手段である電解槽であり、耐アルカリ性に優れる樹脂（本例ではポリプロピレン樹脂）により形成されている。電解槽２０の底面近傍には電解槽２０内に水を供給するための配管２１が接続している。電解槽２０は内部に第１電極２４、第２電極２５および両電極間に設けられた中間電極２６を備えており、各電極はそれぞれ矩形板状のマグネシウム材により形成されている。
【００１８】
第１電極２４および第２電極２５は、電解槽２０の外部に配設された蓄電池を備える給電ユニット４０に接続されており、給電ユニット４０から給電され、第１電極２４と第２電極２５との間に通電されると、電解槽２０内の水を電気分解するようになっている。なお、給電ユニット４０の電源は蓄電池でなくてもかまわない。
【００１９】
給電ユニット４０は、後述する制御ユニット１００からの制御信号に基づいて、第１電極２４が陽極、第２電極２５が陰極となるように直流電流を通電する第１通電モードと、第１電極２４が陰極、第２電極２５が陽極となるように直流電流を通電する第２通電モードとを交互に切り替える極性切替通電を行なうようになっている。
【００２０】
電解槽２０の上方側面部には、電気分解により生成したアルカリ水を電解槽２０から排出するための配管２２が接続しており、電解槽２０の上面部には、電気分解により生成した水素ガスを電解槽２０から導出するための配管２３が接続している。
【００２１】
配管１２と配管２３との合流点には、三方弁構造の切替手段である電磁弁３０が設けられており、電磁弁３０の下流側には、燃料電池２に繋がる配管３１が接続している。電磁弁３０は、後述する制御ユニット１００からの制御信号に基づいて、配管３１に連通する上流側経路を配管１２側と配管２３側とのいずれかに切り替えるようになっている。
【００２２】
１００は、制御手段である制御ユニットであり、制御ユニット１００は、改質ユニット１０を作動制御するとともに、改質ユニット１０からの作動状況信号を入力し、この入力信号に基づいて、後述する手順に従って、給電ユニット４０を作動制御するとともに、電磁弁３０を切替制御するようになっている。
【００２３】
次に、上記構成に基づき水素ガス供給装置１の作動を説明する。
【００２４】
図２は、制御ユニット１００の概略の制御動作を示すフローチャートである。
【００２５】
制御ユニット１００は、燃料電池２の図示しない制御ユニットから水素ガスを要求する信号を入力すると、まず、改質ユニット１０を作動させ（ステップＳ１）、配管１１を介して導入した燃料の改質処理を行なう。これに合わせて、改質ユニット１０からの作動状況信号を入力し、改質ユニット１０が水素ガスを安定して生成できる状態にあるかどうか判断する（ステップＳ２）。
【００２６】
改質ユニット１０が水素ガスを安定生成していないと判断した場合には、給電ユニット４０を作動して電解槽２０の第１、第２電極２４、２５間に通電する（ステップＳ３）とともに、配管３１への流通経路が配管２３側からとなるように電磁弁３０を切り替える（ステップＳ４）。そして、その後ステップＳ２にリターンする。
【００２７】
ステップＳ３、Ｓ４が実行されているときには、配管２１を介して電解槽２０内に水が供給されている。そして、第１、第２電極２４、２５間への通電により陽極となる電極表面および中間電極２６の陽極となる面では、マグネシウムが水中にイオン（Ｍｇ^＋）となって溶解し、通電により陰極となる電極表面および中間電極２６の陰極となる面では、水酸イオン（ＯＨ⁻）と水素ガス（Ｈ_２）が生成される。
【００２８】
これにより、電解槽２０内の水はマグネシウムイオンと水酸イオンとによりアルカリ性に改質されて配管２２から排出され、水素ガスは電解槽２０の上部空間から配管２３を介して導出される。このとき、電磁弁３０は配管２３と配管３１とを連通しているので、電解槽２０内で生成された水素ガスは配管３１を介して燃料電池２に供給される。
【００２９】
また、第１、第２電極２４、２５間には、第１通電モードと第２通電モードとを交互に切り替えるように通電されるので、第１、第２電極２４、２５および中間電極２６の消耗が均等化し、電極を長寿命化することができる。
【００３０】
ステップＳ２において、改質ユニット１０が水素ガスを安定生成していると判断した場合には、給電ユニット４０を作動を停止して電解槽２０の第１、第２電極２４、２５間を非通電状態とする（ステップＳ５）とともに、配管３１への流通経路が配管１２側からとなるように電磁弁３０を切り替える（ステップＳ６）。そして、その後ステップＳ２にリターンする。
【００３１】
ステップＳ５、Ｓ６が実行されているときには、配管１１を介して供給された燃料が改質ユニット１０内において改質され、水素ガスが配管１２を介して導出される。このとき、電磁弁３０は配管１２と配管３１とを連通しているので、改質ユニット１０内で生成された水素ガスは配管３１を介して燃料電池２に供給される。
【００３２】
なお、図２には図示していないが、燃料電池２の図示しない制御ユニットから水素ガスを要求する信号が入力されなくなった場合（もしくは水素ガスが不要である旨の信号を入力した場合）には、改質ユニット１０の作動を停止するとともに、電解槽２０への給電も停止する。
【００３３】
上述の構成および作動によれば、改質ユニット１０が安定して水素ガスを生成できない場合には、電解槽２０内の水の電気分解により水素ガスを生成することができる。したがって、燃料電池２に対し安定して水素ガスを供給することができる。
【００３４】
また、第１、第２電極２４、２５および中間電極２６にマグネシウム電極を採用することで、電解槽２０内における生成ガスを高純度の水素ガスのみとするとともに、水素ガス生成量を容易に制御することができる。また、電解槽２０から導出される水素ガスには水分が含まれているので、燃料電池２の膜部材等にダメージを与え難い。
【００３５】
また、第１、第２電極２４、２５間には直流電流が通電されるので、電解槽２０内での水素ガスの生成効率を良好にすることができる。
【００３６】
（他の実施形態）
上記一実施形態において、第１、第２電極２４、２５間に通電される電流は直流電流であったが、交流電流であってもよい。交流電流の方が直流電流よりも水素ガス生成効率は低下するが、極性切替通電制御を行なわなくても第１、第２電極２４、２５および中間電極２６の消耗を抑制することができる。
【００３７】
また、上記一実施形態において、電解槽２０は第１、第２電極２４、２５および１枚の中間電極２６を備えていたが、電極構成はこれに限定されるものではない。例えば、中間電極は２枚以上であってもよいし、図３に示すように、中間電極を設けず、対向する第１、第２電極２４、２５のみであってもよい。また、図４に示すように、第１、第２電極２４、２５を複数の電極により構成するものであってもよい。
【００３８】
また、上記一実施形態において、第１、第２電極２４、２５間には直流電流を通電し、これを極性切替通電するものであったが、水素ガスの生成および電極の消耗に不具合を発生しないのであれば、極性切替通電を行なわなくてもかまわない。
【００３９】
また、上記一実施形態において、第１、第２電極２４、２５および中間電極２６は矩形状に形成されていたが、この形状に限定されるものではない。例えば、円盤状の電極であってもよい。
【００４０】
また、上記一実施形態において、制御ユニット１００は、改質ユニット１０内で生成した水素ガスと電解槽２０内で生成した水素ガスとのいずれかを燃料電池２に供給するように制御するものであったが、電磁弁３０に替えて混合弁を採用し、改質ユニット１０内で生成した水素ガスの不足分を補うように、電解槽２０内で生成した水素ガスを混合して、燃料電池２に供給するように制御するものであってもよい。また、電解槽２０内で常時一定量の水素ガスを生成し、これに不足する分を改質ユニット１０内で生成するものであってもよい。
【００４１】
また、上記一実施形態において、配管２２から電解槽２０内で生成したアルカリ性改質水を排出していたが、このアルカリ性改質水を飲料や浴槽内での使用に供したり、農業用水や酸性水の中和に利用する構成を設けるものであってもよい。
【００４２】
また、上記一実施形態において、水素ガス消費装置は燃料電池であったが、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における水素ガス供給装置１の概略模式構成図である。
【図２】制御ユニット１００の概略制御動作を示すフローチャートである。
【図３】他の実施形態における電解槽の概略構成図である。
【図４】他の実施形態における電解槽の概略構成図である。
【符号の説明】
１　水素ガス供給装置
２　燃料電池（水素ガス消費装置）
１０　改質ユニット（改質手段）
２０　電解槽（電解手段）
２４　第１電極
２５　第２電極
２６　中間電極
３０　電磁弁
１００　制御ユニット（制御手段）

Claims

水素ガス消費装置（２）に供給する水素ガスを生成する水素ガス供給装置（１）であって、
改質原料を改質して水素ガスを生成する改質手段（１０）と、
水を電気分解して水素ガスを生成する電解手段（２０）と、
前記改質手段（１０）の水素ガス生成状況に応じて、前記電解手段（２０）への通電制御を行なう制御手段（１００）とを具備することを特徴とする水素ガス供給装置。
前記電解手段（２０）は、マグネシウムで形成された第１電極（２４）および第２電極（２５）を有し、
前記制御手段（１００）は、前記第１電極（２４）と前記第２電極（２５）との間の通電制御を行なうことを特徴とする請求項１に記載の水素ガス供給装置。
前記第１電極（２４）と前記第２電極（２５）との間には、直流電流が通電されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素ガス供給装置。
前記第１電極（２４）と前記第２電極（２５）との間には、交流電流が通電されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素ガス供給装置。