JP2006156088A - 水素分離膜モジュールシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 水素分離膜に酸素が残留することなく水素分離膜に残留する水素を除去することができる水素分離膜モジュールシステムを提供する。
【解決手段】 金属からなる水素分離膜を有する燃料電池６と、水素分離膜に酸素含有ガスを供給する内燃機関２および切替弁４と、酸素含有ガスの酸素濃度を低減させる内燃機関２とを備える。内燃機関２により酸素含有ガスの酸素濃度が低減され、酸素含有ガスが燃料電池６に供給される。それにより、燃料電池６の水素分離膜に残留する水素が除去される。また、酸素含有ガスの酸素濃度が低いことから、水素分離膜に酸素が残留することが防止される。その結果、水素分離膜の酸化が防止される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素分離膜を備えた水素分離膜モジュールシステムに関する。

燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。

多くの燃料電池においては、改質部によりガソリン、天然ガス、メタノール等の炭化水素系燃料から水素を含む改質ガスが生成され、燃料電池のアノードに供給される。改質ガスには水素以外のガスも含まれていることから、水素分離膜により改質ガスから水素を分離して燃料電池のアノードに供給する技術が開発されている。

この水素分離膜に残留する水素により水素分離膜が水素脆化を起こす可能性がある。そこで、水素分離膜に燃焼器の排ガスを供給して残留水素を除去する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−９３４４９号公報

しかしながら、特許文献１の技術のように、水素分離膜に供給される燃焼器の排ガス中に酸素が含まれていると、水素分離膜が酸素と接触することにより、水素分離膜が酸化してしまう。この場合、水素分離膜が劣化するおそれがある。

本発明は、水素分離膜に酸素が接触することを抑制しながら水素分離膜に残留する水素を除去できる水素分離膜モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る水素分離膜モジュールシステムは、金属からなる水素分離膜を有する水素分離膜モジュールと、水素分離膜に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、酸素含有ガスの酸素濃度を低減させる酸素濃度低減手段とを備えるものである。

本発明に係る水素分離膜モジュールシステムにおいては、酸素濃度低減手段により酸素含有ガスの酸素濃度が低減され、酸素含有ガス供給手段により酸素含有ガスが水素分離膜に供給される。この場合、酸素含有ガスに含まれる酸素により水素分離膜の残留水素が除去される。また、酸素含有ガスの酸素濃度が低いことから水素分離膜に酸素が接触することが防止される。それにより、水素分離膜の酸化が防止される。その結果、水素分離膜の劣化が防止される。

酸素および燃料により動作する内燃機関をさらに備え、酸素含有ガスは、内燃機関からの燃焼排ガスであってもよい。この場合、内燃機関の空燃比を調整することにより酸素含有ガスの酸素濃度を容易に調整することができる。また、内燃機関の燃焼排ガスは高温であることから、酸素含有ガスを水素分離膜に供給する際に水素分離膜が水素脆化することが防止される。また、本発明を燃料電池および内燃機関を備えたハイブリッドシステム等に適用すれば、酸素濃度低減手段を新たに設ける必要がない。

内燃機関の空燃比を制御する制御手段をさらに備え、制御手段は、酸素含有ガス供給手段が水素分離膜へ酸素含有ガスを供給する場合に、内燃機関における燃焼がストイキ燃焼またはリッチ燃焼になるように内燃機関の空燃比を制御してもよい。この場合、酸素含有ガス中の酸素濃度が確実に低減される。それにより、水素分離膜に酸素が接触することがより確実に防止される。

水素分離膜モジュールは、水素分離膜電池であってもよい。この場合、水素分離膜電池の水素分離膜に残留する水素が除去されるとともに、水素分離膜に酸素が接触することが防止される。それにより、水素分離膜電池の性能劣化が防止される。

水素を含む改質ガスを生成する改質器をさらに備え、水素分離膜モジュールは、改質ガス中の水素を透過する水素分離器であってもよい。この場合、水素分離器の水素分離膜の残留水素が除去されるとともに、水素分離膜に酸素が接触することが防止される。

本発明によれば、水素分離膜の残留水素が除去される。また、水素分離膜に酸素が接触することが防止される。それにより、水素分離膜の酸化が防止される。その結果、水素分離膜の劣化が防止される。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明に係る水素分離膜モジュールシステム１００の全体構成を示す図である。図１に示すように、水素分離膜モジュールシステム１００は、燃料タンク１、内燃機関２、排気触媒３、切替弁４、改質部５、燃料電池６および制御部７を備える。切替弁４としては、例えば、三方コック等を用いることができる。燃料電池６は水素分離膜電池であり、アノード６１、電解質膜６２およびカソード６３を有する。

ここで、水素分離膜電池とは水素分離膜層を備えた燃料電池である。水素分離膜層は水素透過性を有する金属によって形成される層であり、たとえば、パラジウム、パラジウム合金等により形成することができる。水素分離膜電池は、この水素分離膜層及びプロトン導電性を有する電解質を積層した電解質膜６２を備えた構造をとっている。

燃料タンク１は、配管１０１を介して内燃機関２に接続されている。また、燃料タンク１は、配管１０２を介して改質部５に接続されている。内燃機関２は、配管１０３を介して排気触媒３に接続されている。排気触媒３は、配管１０４を介して切替弁４に接続されている。切替弁４は、水素分離膜モジュールシステム１００の外部に通じるとともに、配管１０５を介して改質部５に接続されている。改質部５は、配管１０６を介してアノード６１に接続されている。アノード６１は、配管１０７を介して排気触媒３に接続されている。カソード６３は、配管１０８を介して改質部５に接続されている。

次に、水素分離膜モジュールシステム１００の動作について、通常の動作を行う場合と水素パージを行う場合とに分けて説明する。まず、通常の水素分離膜モジュールシステム１００が通常の動作を行う場合について説明する。

燃料タンク１は、制御部７の指示に従って、配管１０２を介して必要な量の燃料を改質部５に供給する。また、燃料タンク１は、制御部７の指示に従って配管１０１を介して内燃機関２に燃料を供給する。燃料としては、ガソリン、メタノール等の炭化水素系燃料を用いることができる。

改質部５においては、燃料タンク１から供給された燃料と後述するカソードオフガスとから改質ガスが生成される。まず、燃料とカソードオフガス中の水蒸気とにより水蒸気改質反応が起こり、水素および一酸化炭素が生成される。次に、生成された一酸化炭素の一部とカソードオフガス中の水蒸気とが反応し、水素および二酸化炭素が生成される。水蒸気改質反応に必要な水蒸気が不足している場合には、カソードオフガス中の酸素と燃料とが部分酸化反応を起こし、水素および一酸化炭素が生成される。改質部５において生成された改質ガスは、配管１０６を介して燃料電池６のアノード６１に供給される。

アノード６１に供給された改質ガス中の水素は、電解質６２の水素分離膜を透過し、水素イオンに変換される。水素イオンに変換されなかった水素および改質部５において反応しなかった一酸化炭素は、アノードオフガスとして配管１０７を介して排気触媒３に供給される。排気触媒３に供給されたアノードオフガスは、排気触媒３の触媒を介して酸化され、配管１０４を介して切替弁４に供給される。切替弁４は、制御部７の指示に従って、アノードオフガスを水素分離膜モジュールシステム１００の外部に排出する。このように、アノードオフガスに含まれる水素、一酸化炭素等の不完全燃焼成分を排気触媒３において完全燃焼させることができる。それにより、環境汚染を防止することができる。

カソード６３には、図示しないエアポンプ等によりエアが供給される。カソード６３においては、アノード６１において発生した水素イオンとカソード６３に供給されたエア中の酸素とから水が発生するとともに電力が発生する。発生した水は、燃料電池６において発生する熱によって水蒸気となる。カソード６３において発生した水蒸気および水素イオンと反応しなかったエアは、カソードオフガスとして配管１０８を介して改質部５に供給され、それぞれ水蒸気改質反応および部分酸化反応に用いられる。

内燃機関２は、制御部７の指示に従って、燃料タンク１から供給された燃料とエアとから所定の空燃比で混合気を生成し、その混合気を燃焼させることによって動作する。混合気の燃焼によって発生した高温の燃焼排ガスは、配管１０３を介して排気触媒３に供給される。燃焼排ガスには、酸素、水蒸気、二酸化炭素、炭化水素等が含まれる。排気触媒３においては、燃焼排ガスが触媒を介して酸化される。酸化された燃焼排ガスは、配管１０４を介して切替弁４に供給され、水素分離膜モジュールシステム１００の外部に排出される。

続いて、水素パージを行う場合について水素分離膜モジュールシステム１００の動作を説明する。燃料タンク１は、制御部７の指示に従って、配管１０１を介して必要な量の燃料を内燃機関２に供給する。

内燃機関２は、制御部７の指示に従って、ストイキ燃焼またはリッチ燃焼を行う。ここで、ストイキ燃焼とは理論空燃比で燃焼することをいい、リッチ燃焼とは理想空燃比よりも燃料の比率が大きい状態で燃焼することをいう。それにより、配管１０３を介して排気触媒３に供給される燃焼排ガスの酸素濃度が低減される。

排気触媒３に供給された燃焼排ガスに含まれる不完全燃焼成分は、排気触媒３の触媒により酸化し、配管１０４を介して切替弁４に供給される。切替弁４は、制御部７の指示に従って、燃焼排ガスを配管１０５、改質部５および配管１０６を介してアノード６１に供給するとともに、余分な燃焼排ガスを水素分離膜モジュールシステム１００の外部に排出する。

アノード６１に供給された燃焼排ガスは、電解質膜６２の水素分離膜に残留する水素をパージする。また、燃焼排ガスは高温であることから、水素をパージする際に水素分離膜が水素脆化することが防止される。さらに、アノード６１に供給される燃焼排ガスの酸素濃度が低いことから、水素分離膜に酸素が接触することが防止される。それにより、水素分離膜の酸化が防止される。その結果、水素分離膜が劣化することが防止される。

水素分離膜に残留する水素をパージした燃焼排ガスは、配管１０７を介して排気触媒３に供給される。パージ後の燃焼排ガス中に含まれる水素は、排気触媒３の触媒によって酸化される。それにより、水素分離膜モジュールシステム１００の外部に排出される燃焼排ガスに不完全燃焼成分が含まれることが防止される。

図２は、水素パージを行う場合のフローチャートの一例を示す図である。図２に示すように、制御部７は、燃料電池６による電力供給が停止しているか否かを判定する（ステップＳ１）。この場合、制御部７は、例えば、燃料タンク１による改質部５への燃料供給を停止しているか否か等により判定することができる。ステップＳ１において燃料電池６による電力供給が停止していると判定されなかった場合には、制御部７は待機する。

ステップＳ１において燃料電池６による電力供給が停止していると判定された場合には、内燃機関２の燃焼がリッチ燃焼になるように内燃機関２および燃料タンク１を制御する（ステップＳ２）。次に、制御部７は、内燃機関２から排出される燃焼排ガスが改質部５に供給されるように切替弁４を制御する（ステップＳ３）。

以上のように、内燃機関２の燃焼排ガスがアノード６１に供給されることから、水素分離膜に残留する水素がパージされる、また、内燃機関２がリッチ燃焼を行うことから、内燃機関２の燃焼排ガス中の酸素濃度が低減される。それにより、水素分離膜に酸素が接触することが防止される。したがって、水素分離膜が劣化することが防止される。

なお、本実施例においては水素パージ後の燃焼排ガスを排気触媒３の触媒によって酸化しているが、排気触媒３にエア等の酸素含有ガスを供給する構成としてもよい。例えば、内燃機関２を希薄燃焼させることによって排出される燃焼排ガスを排気触媒３に供給することによって、水素パージ後の燃焼排ガスを酸化させることもできる。この場合、水素パージ後の燃焼排ガスを確実に酸化させることができる。また、図２のステップＳ２において制御部７は、内燃機関２の燃焼がストイキ燃焼となるように内燃機関２および燃料タンク１を制御してもよい。

さらに、本実施例においては、内燃機関２の空燃比を制御することによりアノード６１に供給される酸素含有ガスの酸素濃度が低減されているが、それに限られない。例えば、酸素分離器を透過させたカソードオフガスをアノード６１に供給する構成としてもよいし、酸素により燃焼を行う燃焼器に炭化水素系燃料を供給した後に燃焼器の排ガスをアノード６１に供給する構成としてもよい。

本実施例においては、内燃機関２および切替弁４が酸素含有ガス供給手段に相当し、燃料電池６が水素分離膜モジュールに相当し、内燃機関２が酸素濃度低減手段に相当し、制御部７が制御手段に相当する。

なお、水素分離膜モジュールシステムとは、水素分離膜を用いたモジュールを構成要素に含むシステムであればいかなる態様のシステムも含まれる。

次に、第２実施例に係る水素分離膜モジュールシステム１００ａについて説明する。図３は、水素分離膜モジュールシステム１００ａの全体構成を示す図である。水素分離膜モジュールシステム１００ａにおいては、燃料電池６の代わりに燃料電池９が設けられている。燃料電池９は、アノード９１、電解質膜９２およびカソード９３を有する。燃料電池９は、水素分離膜を有さない燃料電池を用いてもよいし、水素分離膜電池を用いてもよい。

また、改質部５は、配管１０６を介して水素分離器８に接続されている。水素分離器８は、配管１０９を介してアノード９１に接続されるとともに、配管１１０を介して排気触媒１０に接続されている。水素分離器８は、改質ガス中の水素を分離する水素分離膜を備える。水素分離器８により分離された水素は、配管１０９を介してアノード９１に供給される。改質ガスに含まれる水素ガス以外のガスは、配管１１０を介して排気触媒１０に供給される。排気触媒１０に供給された改質ガスは酸化されて水素分離膜モジュールシステム１００ａの外部に排出される。

続いて、水素パージを行う場合の水素分離膜モジュールシステム１００ａの動作について説明する。水素分離膜モジュールシステム１００と同様に、内燃機関２は、制御部７の指示に従ってリッチ燃焼またはストイキ燃焼を行う。内燃機関２の燃焼排ガスは、配管１０３、排気触媒３、配管１０４、切替弁４、配管１０５、改質部５および配管１０６を介して水素分離器８に供給される。

水素分離器８に供給された燃焼排ガスは、水素分離器８の水素分離膜に残留する水素をパージする。この場合、水素分離器８に供給される燃焼排ガスの酸素濃度が低いことから、水素分離膜に酸素が接触することが防止される。それにより、水素分離膜が酸化されることが防止される。その結果、水素分離膜が劣化することが防止される。

本実施例においては、水素分離器８が水素分離膜モジュールに相当する。

本発明に係る水素分離膜モジュールシステムの全体構成を示す図である。 水素パージを行う場合のフローチャートの一例を示す図である。 水素分離膜モジュールシステムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料タンク
２ 内燃機関
３，１０ 排気触媒
４ 切替弁
５ 改質部
６，９ 燃料電池
７ 制御部
８ 水素分離器
６１，９１ アノード
６２，９２ 電解質膜
６３，９３ カソード

Claims (5)

1. 金属からなる水素分離膜を有する水素分離膜モジュールと、
   前記水素分離膜に酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段と、
   前記酸素含有ガスの酸素濃度を低減させる酸素濃度低減手段とを備えることを特徴とする水素分離膜モジュールシステム。
2. 酸素および燃料により動作する内燃機関をさらに備え、
   前記酸素含有ガスは、前記内燃機関からの燃焼排ガスであることを特徴とする請求項１記載の水素分離膜モジュールシステム。
3. 前記内燃機関の空燃比を制御する制御手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記酸素含有ガス供給手段が前記水素分離膜へ前記酸素含有ガスを供給する場合に、前記内燃機関における燃焼がストイキ燃焼またはリッチ燃焼になるように前記内燃機関の空燃比を制御することを特徴とする請求項２記載の水素分離膜モジュールシステム。
4. 前記水素分離膜モジュールは、水素分離膜電池であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素分離膜モジュールシステム。
5. 水素を含む改質ガスを生成する改質器をさらに備え、
   前記水素分離膜モジュールは、前記改質ガス中の水素を透過する水素分離器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水素分離膜モジュールシステム。
   
   
   

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