JP2006261030A - Fuel cell power generation system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、炭化水素系燃料を水蒸気改質した改質ガスの水素を水素吸蔵合金に吸蔵し、水素吸蔵合金から放出された水素を用いて燃料電池で発電するようにした燃料電池発電システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell power generation system in which hydrogen of a reformed gas obtained by steam reforming a hydrocarbon-based fuel is stored in a hydrogen storage alloy, and power is generated in the fuel cell using hydrogen released from the hydrogen storage alloy. Is.
従来から、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス生成部と、この改質ガスを用いて発電する燃料電池を備える燃料電池発電システムが知られている。 Conventionally, there has been a fuel cell power generation system including a reformed gas generation unit that generates a reformed gas mainly composed of hydrogen by steam reforming a hydrocarbon-based fuel, and a fuel cell that generates electric power using the reformed gas. Are known.
図3に従来方式の燃料電池発電システムの一例を示す。改質ガス生成部は水蒸気改質反応により水素を主成分とする改質ガスを生成する改質部と、改質ガスに含まれるCOを低減するCO変成部と、CO変成部から出た改質ガスに含まれるCOをさらに低減するためのCO選択酸化反応部とで形成されている。このシステムにおいては、改質ガス生成部で生成された改質ガスにはCO、CO2、CH4等の不純物ガスが含まれており、不純物ガスを含んだ改質ガスを燃料電池に供給して発電することになるため、常に発電に必要な量より多い水素量を含む改質ガスを燃料電池に供給する必要がある。このため、燃料電池で発電に使われなかった水素等のオフガスを燃焼部等で処理する必要があった。また発電負荷の変動に応じて、改質ガス生成部で生成する改質ガス量を調整して燃料電池に供給する必要があり、改質ガス生成部の制御が複雑になるという問題があった。 FIG. 3 shows an example of a conventional fuel cell power generation system. The reformed gas generation unit includes a reforming unit that generates a reformed gas containing hydrogen as a main component through a steam reforming reaction, a CO conversion unit that reduces CO contained in the reformed gas, and a reformer that is output from the CO conversion unit. It is formed with a CO selective oxidation reaction part for further reducing CO contained in the gas. In this system, the reformed gas generated in the reformed gas generator contains impurity gases such as CO, CO 2 , and CH 4 , and the reformed gas containing the impurity gases is supplied to the fuel cell. Therefore, it is necessary to always supply a reformed gas containing a larger amount of hydrogen than that required for power generation to the fuel cell. For this reason, it has been necessary to treat off-gas such as hydrogen that has not been used for power generation in the fuel cell in the combustion section or the like. In addition, it is necessary to adjust the amount of reformed gas generated in the reformed gas generation unit according to the fluctuation of the power generation load and supply it to the fuel cell, which causes a problem that the control of the reformed gas generation unit becomes complicated. .
これらの問題を解決するため、図4に示すような水素吸蔵合金を用いた燃料電池発電システムが提案されている(特許文献1等参照)。このシステムにおいて改質ガス生成部は、改質部とCO変成部で構成されており、改質ガス生成部で生成された改質ガスは水素を主成分としCOの体積分率が1%以下に低減されている。そしてこの改質ガスが水素吸蔵合金に供給されるが、水素吸蔵合金は水素だけを選択的に吸蔵するので、水素の吸蔵時には改質ガスに含まれるCO、CO2、CH4等の不純物ガスは燃料電池に供給されずに回収することができる。従って、燃料電池の発電時には水素吸蔵合金に吸蔵された水素を放出させるので、燃料電池に水素のみを供給することができるものである。このようにするとオフガスの処理が不要となり、また燃料電池には水素を水素吸蔵合金から発電に必要な量だけ供給することができるので、発電負荷変動への対応が容易になるものである。 In order to solve these problems, a fuel cell power generation system using a hydrogen storage alloy as shown in FIG. 4 has been proposed (see Patent Document 1). In this system, the reformed gas generator is composed of a reformer and a CO shifter, and the reformed gas generated in the reformed gas generator is mainly composed of hydrogen and has a volume fraction of CO of 1% or less. Has been reduced. This reformed gas is supplied to the hydrogen storage alloy. Since the hydrogen storage alloy selectively stores only hydrogen, impurity gases such as CO, CO 2 , and CH 4 contained in the reformed gas are stored when hydrogen is stored. Can be recovered without being supplied to the fuel cell. Therefore, since hydrogen stored in the hydrogen storage alloy is released during power generation of the fuel cell, only hydrogen can be supplied to the fuel cell. This eliminates the need for off-gas processing, and allows the fuel cell to be supplied with hydrogen from the hydrogen storage alloy in an amount necessary for power generation, thus making it easy to cope with fluctuations in power generation load.
ここで、改質ガス生成部で生成された改質ガスにCOが含まれていると、水素吸蔵合金の水素吸蔵能力が低下するという問題や、あるいはCOが含まれる改質ガスの吸蔵および放出を繰り返すと水素吸蔵合金が劣化し、水素の吸蔵および放出能力が徐々に低下するという問題がある。このため、特許文献1のものでは、改質ガスに含まれるCOを十分に低減するためのCO変成部を改質ガス生成部に設けることが必要であった。
Here, when CO is contained in the reformed gas generated in the reformed gas generation section, there is a problem that the hydrogen storage capacity of the hydrogen storage alloy is reduced, or the storage and release of the reformed gas containing CO. If the process is repeated, the hydrogen storage alloy deteriorates, and there is a problem that the ability to store and release hydrogen gradually decreases. For this reason, in the thing of
また、メンブレンリフォーマ(水素分離型改質器)で改質ガスを生成させたり、図5に示すように、改質ガス生成部で生成された改質ガスをPd膜又は高分子膜で形成されるガス分離膜に通して改質ガスに含まれるCOを低減してから、水素吸蔵合金に吸蔵させる燃料電池発電システムが提案されている(特許文献2等参照)。このシステムにおいて、メンブレンリフォーマを用いる場合は、水素透過膜の一次側と二次側において0.5〜1MPa程度の大きな圧力差を確保するための動力が必要となるという問題がある。あるいはガス分離膜に改質ガスを通す場合は、Pd膜等の貴金属膜ではピンホール拡大による性能劣化に加え非常に高価である等の問題があり、また高分子膜では水素と不純物ガスとの分離係数が十分でないため、COを十分低減するためには高分子膜を多段に配置させる必要があってシステムが複雑になるという問題があった。
In addition, reformed gas is generated by a membrane reformer (hydrogen separation type reformer), or the reformed gas generated by the reformed gas generator is formed of a Pd film or a polymer film as shown in FIG. A fuel cell power generation system has been proposed in which the hydrogen storage alloy stores the CO after reducing the CO contained in the reformed gas through the gas separation membrane (see
また、水素吸蔵合金に供給される改質ガス中のCOの体積分率が高くなると、水素吸蔵合金に吸蔵される総水素量が低下するとともに、水素吸蔵合金から放出される水素にCOが微少量であるが含まれることになり、このCOが含まれる水素を燃料電池に供給すると、燃料電池の発電出力が低下するという問題があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、改質ガス生成部と水素吸蔵合金と燃料電池を備える燃料電池発電システムにおいて、改質ガス中の不純物ガスによる水素吸蔵合金の劣化を防ぐとともに、COによる燃料電池の発電出力低下を防ぐことができる燃料電池発電システムを提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above points, and in a fuel cell power generation system including a reformed gas generation unit, a hydrogen storage alloy, and a fuel cell, prevents deterioration of the hydrogen storage alloy due to impurity gas in the reformed gas. At the same time, it is an object of the present invention to provide a fuel cell power generation system capable of preventing a decrease in power generation output of the fuel cell due to CO.
本発明の請求項1に係る燃料電池発電システムは、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス生成部1と、生成した改質ガスを通過させ、改質ガスの水素の体積分率を高めてCOの体積分率を低減するためのガス分離膜2と、ガス分離膜2を通過した改質ガスが供給される水素吸蔵合金3と、水素吸蔵合金3に吸蔵された水素を用いて発電する燃料電池4とを備えた燃料電池発電システムであって、ガス分離膜2が貴金属を実質的に含まないものであり、水素吸蔵合金3がCOに対する被毒を抑制するための表面改質処理がなされたものであることを特徴とするものである。
A fuel cell power generation system according to
また請求項2の発明は、請求項1において、上記ガス分離膜が、セラミックス膜であることを特徴とするものである。
The invention of
また請求項3の発明は、請求項1又は2において、水素吸蔵合金3の上記表面改質処理が、フッ化処理であることを特徴とするものである。
The invention of
また請求項4の発明は、請求項1乃至3のいずれかにおいて、上記改質ガス生成部1が、CO変成反応及びCO選択酸化反応のCO転化プロセスを含まないことを特徴とするものである。
The invention of
また請求項5の発明は、請求項1乃至4のいずれかにおいて、上記燃料電池発電システムにおいて、水素吸蔵合金3に吸蔵された水素を放出する前に、水素吸蔵合金3の加圧と加熱のうち少なくとも一方の操作を行なうようにしたことを特徴とするものである。
According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell power generation system according to any of the first to fourth aspects, before the hydrogen occluded in the
また請求項6の発明は、請求項1乃至5のいずれかにおいて、上記水素吸蔵合金3には触媒活性のある物質が添加されていることを特徴とするものである。
A sixth aspect of the invention is characterized in that, in any one of the first to fifth aspects, a substance having catalytic activity is added to the
本発明の請求項1に係る燃料電池発電システムによれば、ガス分離膜2が貴金属を実質的に含まないものであるので、ピンホール拡大などによる不純物ガスの低減の性能劣化を抑制することができるものであり、また水素吸蔵合金3にはCOに対する被毒を抑制するための表面改質処理がなされているので、水素吸蔵合金3の劣化を防いで不純物ガスの低減の性能劣化を抑制することができるものである。この結果、COによる燃料電池4の発電出力低下を防いで、発電効率が高く、また信頼性の高い、燃料電池発電システムを得ることができるものである。
According to the fuel cell power generation system according to
また請求項2の発明は、ガス分離膜としてセラミック膜を用いるので、水素と不純物ガスとの分離係数が高く、改質ガスに含まれるCOを十分低減して不純物ガスによる水素吸蔵合金の劣化を防ぐことができ、より信頼性の高い燃料電池発電システムを得ることができるものである。
The invention of
また請求項3の発明は、水素吸蔵合金3の表面改質処理はフッ化処理であるので、COに対する被毒を十分抑制して、不純物ガスによる水素吸蔵合金の劣化を防くことができ、より信頼性の高い燃料電池発電システムを得ることができるものである。
In the invention of
また請求項4の発明は、改質ガス生成部1にはCO変成反応及びCO選択酸化反応のCO転化プロセスを含まないので、システムの簡素化および低コスト化を図ることができるものである。
In the invention of
また請求項5の発明は、水素吸蔵合金3に吸蔵された水素を放出する前に、水素吸蔵合金3の加圧と加熱のうち少なくとも一方の操作を行なうので、水素吸蔵合金3から燃料電池に供給される水素に含まれるCOを低減することができ、燃料電池4の発電出力の低下を防ぐことができるものである。
In the invention of claim 5, since at least one of pressurization and heating of the
また請求項6の発明は、水素吸蔵合金3に触媒活性のある物質が添加してあるので、燃料電池4に供給される水素に含まれるCOをより低減することができ、燃料電池4の発電の出力低下を防ぐことができるものである。
In the invention of claim 6, since a substance having catalytic activity is added to the
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は本発明の燃料電池発電システムの一例を示す概略図であり、炭化水素系燃料を水蒸気改質して水素を主成分とする改質ガスを生成する改質ガス生成部1、改質ガス生成部1において生成された改質ガス中の水素の体積分率を高めるとともに改質ガス中のCOを十分に低減するためのガス分離膜2、ガス分離膜2によって水素の体積分率が高められた改質ガス中の水素を吸蔵するための水素吸蔵合金3、水素吸蔵合金3に吸蔵された水素を用いて発電する燃料電池4を備えて燃料電池発電システムが構成してある。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a fuel cell power generation system according to the present invention, in which a reformed
図1の実施形態において、炭化水素系燃料としてジメチルエーテルを用い、送液ポンプ10により水とともに改質ガス生成部1へ供給するようにしてある。改質ガス生成部1としては、炭化水素系燃料を水蒸気改質反応させる改質部のみを有するものを用いることができる。後述のように本システムではガス分離膜2を用いて改質ガス中のCOを十分に低減するようにしているので、CO変成反応やCO選択酸化反応のようなCO転化プロセスを含まない改質ガス生成部1を用いることができるものであり、システムの簡素化および低コスト化を図ることができるものである。この改質ガス生成部1で生成された改質ガスにはCOが体積分率で1%程度含まれている。
In the embodiment of FIG. 1, dimethyl ether is used as the hydrocarbon-based fuel, and is supplied to the reformed
またガス分離膜2としては、シリカ膜などのセラミックス膜を用いることができる。このガス分離膜2として用いるセラミック膜は、Pdなどの貴金属を実質的に含まないものを使用するものである。このようにPdなどの貴金属を実質的に含まないセラミック膜を用いることによって、ピンホール拡大などによる不純物ガスの低減の性能劣化を防ぐことができるものである。この「貴金属を実質的に含まない」とは、ピンホール拡大が生じることがない程度に微量に含むことは許容されるという意味である。ここで、改質ガス生成部1で生成された改質ガスには通常高温かつ多量の未反応水分が含有されているが、シリカ膜などのセラミックス膜は高温やヒートサイクルによって分離性能が劣化し易く、水分含有によって分離係数が低下して分離性能が劣化する。そこで図1の実施の形態では、改質ガス生成部1とガス分離膜2との間に水分冷却器と水分凝縮回収器からなる水分冷却凝集器11が設けてあり、改質ガス生成部1で生成された改質ガスを水分冷却凝縮器11に通して、冷却すると共に水分を回収した後、ガス分離膜2に送るようにしてある。水分冷却凝集器11で回収された水分は、燃料電池4の電解膜の加湿や水蒸気改質反応の供給水に再利用することができる。
As the
このように水分冷却凝集器11で適切に温度を低下させた改質ガスをシリカ膜などのセラミック膜で形成されるガス分離膜2に通すと、ガス分離膜2はCO、CO2、CH4等の不純物ガスと比較して水素の透過性能が高いため、改質ガス中の水素の体積分率を高めることができると共に、COの体槙分率を0.1%以下に低減することができるものである。このとき、炭化水素系燃料および水の供給装置として送液ポンプ10を用いているので、少ないポンプ動力および加熱と反応に伴う効率的な体積膨張でガス分離膜2の1次側の圧力を高くすることができるものであり、ガス分離膜2において水素と不純物ガスを分離する際の流通量を十分増すことができるものである。このため、ガス分離膜2の面積を削減することができると共に改質ガスのCOの体積分率を効率よく低減することができるものであり、なおかつ水素吸蔵合金3での水素回収率を高めることができるものである。ガス分離膜2を透過しないCO、CO2、CH4等の不純物ガスは回収器25に回収される。
When the reformed gas whose temperature is appropriately lowered by the
また水素吸蔵合金3としては、例えばAB5型のLmNi系合金(ランタンリッチミッシュメタル・ニッケル系合金:常温での水素平衡圧力が0.1MPaより大きい特性を有するもの)を用いることができる。この水素吸蔵合金3の表面にはCOによる被毒を抑制するための表面改質処理が施してある。表面改質処理は例えば、水素吸蔵合金3の表面にフッ化物の被膜を形成するフッ化処理で行なうことができるものである。フッ化処理は、例えば、150℃程度の所定温度のもとで、水素吸蔵合金3を封入した容器内にフッ素ガス(F2)あるいは不活性ガスで希釈したフッ素ガスを所定時間流し、水素吸蔵合金3の表面にフッ素の被膜を形成する乾式法や、水素吸蔵合金3の粉末を所定時間、フッ化水素酸の溶液に浸漬して攪拌し、次に水素吸蔵合金3と溶液とを分離した後、150℃以下の所定の温度で不活性ガス中で加熱する湿式法など、任意の方法で行なうことができるものである。
Further, as the
水素吸蔵合金3には温度調節器12を接続して、水素吸蔵合金3を冷却・加熱することができるようにしてあり、また水素吸蔵合金3とガス分離膜2の間に開閉弁13が、水素吸蔵合金3と燃料電池4の間に開閉弁14がそれぞれ設けてある。さらにこの開閉弁14と燃料電池4の間に切替弁15が設けてある。この切替弁15は水素吸蔵合金3からの流路を燃料電池4の側に流通させるか、回収器26の側へ流通させるかを切替えるものである。そして開閉弁13を開いてガス分離膜2からCOの体積分率が低減された改質ガスが水素吸蔵合金3に供給されると、水素吸蔵合金3を温度調節器12で冷却することによって、改質ガスの水素が水素吸蔵合金3に吸蔵される。水素吸蔵合金3は水素を選択的に吸蔵するので、開閉弁14を開くと共に切替弁15を回収器26の側へ切替えると、水素以外のCO等の不純物ガスを回収器26に回収することができる。また燃料電池4の発電時には、水素吸蔵合金3を温度調節器12で加熱することにより、水素吸蔵合金3から水素を放出することができるものであり、開閉弁14を開くと共に切替弁15を燃料電池4の側に切替えることによって、燃料電池4に水素のみを供給し、燃料電池4による発電を効率良く行なうことができるものである。このような水素吸蔵合金3における水素の吸蔵と放出は燃料電池4の発電負荷に応じて切替えるようにすればよい。尚、上記のようにガス分離膜2から回収した不純物ガスや、このように水素吸蔵合金3から回収した不純物ガスには、有害な可燃COに加えて微量の未回収水素が含まれているため、容易に燃焼可能であり、改質ガス生成部1での水蒸気改質反応の熱源に用いることができるものである。
A
ここで、水素吸蔵合金3の表面にはフッ化処理などの表面改質処理が施してあるので、ガス分離膜2から水素吸蔵合金3に供給される改質ガス中に微量のCOが含まれていても、このCOが水素吸蔵合金3に作用することを表面改質処理で形成した被膜によって遮断することができ、COの作用による被毒で水素吸蔵合金3が劣化することを防ぐことができるものである。水素吸蔵合金3の表面改質処理としては、COに対する被毒耐性を得ることができる物質の被膜をコーティングすることができるものであれば、フッ化処理以外の処理であってもよい。
Here, since the surface of the
またこのような表面改質処理の後に、水素吸蔵合金3の表面にPtやPd等の、メタネーション反応、シフト反応、選択酸化反応に対して触媒活性のある金属を添加するようにしてもよい。金属の添加は、水素吸蔵合金3に金属粉末を混ぜ込む方法や、メッキや蒸着等で水素吸蔵合金3の表面に金属を付着させる方法や、金属を有機錯体の形で水素吸蔵合金3の表面に乗せておいて熱処理により有機物を飛ばす方法など任意の方法で行なうことができるものである。
Further, after such surface modification treatment, a metal having catalytic activity for methanation reaction, shift reaction, selective oxidation reaction, such as Pt or Pd, may be added to the surface of the
また、上記のように水素吸蔵合金3から水素を放出させて燃料電池4に供給するにあたって、水素吸蔵合金3に供給される改質ガスに含まれるCOの体積分率が高いと、水素吸蔵合金3から放出される水素にCOが微少量含まれる可能性がある。そこで、この水素に含まれるCOを低減するための方法を以下に示す。水素吸蔵合金3からの水素の放出をおこなう前に、水素吸蔵合金3の入口および出口を開閉弁13および開閉弁14で閉鎖し、この状態で水素吸蔵合金3を加熱すると水素吸蔵合金3の物理的な特性によって水素平衡圧力が高まる。このように水素吸蔵合金3を加熱しながら加圧することにより、水素吸蔵合金3に含まれるNi等金属の触媒作用によるCOのメタン化反応あるいは微量に含まれる水との変成反応が促進され、水素吸蔵合金3内のCOを低減し、水素吸蔵合金3から放出される水素に含まれるCOを十分低減することができるものである。水素吸蔵合金3を加熱しながら加圧することが望ましいが、加熱と加圧のいずれか一方であってもよい。尚、水素吸蔵合金3の前後にCO濃度を低減する手段をプロセスとして加えてもよい。また上記のような加熱や加圧のプロセスを経ずとも、水素吸蔵合金3を収容する容器の温度条件および圧力条件を適後に調整することによって、メタン化反応や変成反応が進み、同時にCO濃度を低減できる可能性もある。この場合、設定される条件で十分な吸蔵速度が確保される適切な特性の合金材料を選択する必要がある。また水素吸蔵時の発熱反応時に水素吸蔵合金3を収容する容器を保温したり保圧弁を用いたりするなどして、CO濃度の低減を促進させることも有効である。
Further, when hydrogen is released from the
図2は本発明の他の実施の形態を示すものであり、図1のシステムの水素吸蔵合金3の構成の代りに、図2の構成の水素吸蔵合金3を用いるようにしたものである。図2の実施の形態では、水素吸蔵合金3として、第1の水素吸蔵合金3aと第2の水素吸蔵合金3bの二つを用い、第1と第2の水素吸蔵合金3a,3bの間に熱交換装置17が設けてある。そしてガス分離膜3から導出される流入流路18に切替弁19を設けると共に、切替弁19で流入流路18を第1流入流路18aと第2流入流路18bに分岐し、第1流入流路18aは第1水素吸蔵合金3aに、第2流入流路18bは第2水素吸蔵合金3bにそれぞれ接続してある。また第1水素吸蔵合金3aから導出される第1放出流路20に切替弁21が設けてあり、切替弁21で第1放出流路20を、回収器27に接続される回収流路20aと燃料電池4に接続される供給流路20bとに分岐してある。さらに第2水素吸蔵合金3bから導出される第2放出路22に切替弁23が設けてあり、切替弁23で第2放出流路22を、回収器28に接続される回収流路22aと燃料電池4に接続される供給流路22bとに分岐してある。図2の実施の形態では、供給流路20bと供給流路22bは合流して燃料電池4に接続されるようにしてある。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention, in which the
このものにあって、図2(a)のように、切替弁19を切替えて流入流路18から第2流入流路18bへの流路を連通させると共に第1流入流路18aへの流路を遮断し、また切替弁21を切替えて第1放出流路20から供給流路20bへの流路を連通させると共に回収流路20aへの流路を遮断し、さらに切替弁23を切替えて第2放出流路22から供給流路22bへの流路を遮断すると共に回収流路22aへの流路を連通させる(図2において連通する流路を実線、遮断する流路を破線で示す)。各流路をこのように切替えると、第1水素吸蔵合金3aに吸蔵された水素が第1放出流路20から供給流路20bを通して燃料電池4に供給される。このとき同時に、改質ガス生成部1で生成されガス分離膜2を透過した改質ガスが、流入流路18から第2流入流路18bを通して第2水素吸蔵合金3bに供給されて吸蔵され、また水素以外のCO等の不純物ガスは第2放出流路22から回収流路22aを通して回収器28に回収される。また、図2(b)のように、切替弁19を切替えて流入流路18から第1流入流路18aへの流路を連通させると共に第2流入流路18bへの流路を遮断し、また切替弁21を切替えて第1放出流路20から供給流路20bへの流路を連通させると共に回収流路20aへの流路を遮断し、さらに切替弁23を切替えて第2放出流路22から供給流路22bへの流路を連通させると共に回収流路22aへの流路を遮断する。各流路をこのように切替えると、第2水素吸蔵合金3bに吸蔵された水素が第2放出流路22から供給流路22bを通して燃料電池4に供給される。このとき同時に、改質ガス生成部1で生成されガス分離膜2を透過した改質ガスが、流入流路18から第1流入流路18aを通して第1水素吸蔵合金3aに供給されて吸蔵され、また水素以外のCO等の不純物ガスは第1放出流路20から回収流路20aを通して回収器27に回収される。
In this case, as shown in FIG. 2A, the switching
このように、第1水素吸蔵合金3aから燃料電池4に水素を放出して発電しながら、改質ガス生成部1で生成された改質ガスの水素を第2水素吸蔵合金3bに吸蔵させることができると共に、第1水素吸蔵合金3aの水素吸蔵量が減ってくると、第2水素吸蔵合金3bから燃料電池4に水素を放出して発電しながら、改質ガス生成部1で生成された改質ガスの水素を第1水素吸蔵合金3aに吸蔵させることができるものであり、切替弁19,21,23の切替え操作で第1水素吸蔵合金3aと第2水素吸蔵合金3bの吸蔵・放出を交互に切替えることによって、改質ガス生成部1から連続して改質ガスを生成しながら、水素吸蔵合金3から水素を連続して燃料電池4に供給し、長時間に亘って安定してシステムを運転することができるものである。
In this way, while hydrogen is discharged from the first
ここで、第1水素吸蔵合金3aと第2水素吸蔵合金3bの間に熱交換装置17が設けてあるので、第1及び第2の水素吸蔵合金3a,3bのうち、一方の水素吸蔵合金3a,3bでの水素の吸蔵に伴う発熱を、他方の水素吸蔵合金3a,3bから水素を放出するための熱として利用することができるものであり、またこの水素の吸蔵に伴う発熱を利用して、改質ガス生成部1に供給する炭化水素系燃料や水の予熱を行なうこともできるものである。さらに燃料電池4の排熱を、この熱交換装置17で水素吸蔵合金3a,3bからの水素の放出に必要な熱として利用することができるものであり、省エネルギー化を図ることができるものである。図2の実施の形態では、水素吸蔵合金3を2つ設けるようにしているが、水素吸蔵合金3は2つ以上の複数であればよく、個数は特に限定されるものでない。
Here, since the
尚、本発明は上記の各実施の形態に限定されるものではない。例えば、炭化水素系燃料としては、上記のようなジメチルエーテルの他に、メタノール、エタノール等の他の液体燃料を用いてもよく、あるいはメタン、プロパン等の気体燃料を用いてもよい。また改質ガス生成部1での改質反応においても、水蒸気改質反応だけではなく、部分酸化反応やオートサーマルなど触媒燃焼併発型改質装置も応用できるものである。炭化水素系燃料として気体燃料を用いる場合には、コンプレッサーにより燃料を改質ガス生成部1に供給することによってガス分圧膜の一次側の圧力を高くする必要が生じる場合もある。
The present invention is not limited to the above embodiments. For example, as the hydrocarbon fuel, in addition to the above dimethyl ether, other liquid fuels such as methanol and ethanol may be used, or gaseous fuels such as methane and propane may be used. Further, in the reforming reaction in the reformed
またガス分離膜2としてセラミックス膜を用いる場合、上記のようなシリカ膜の他に、ゼオライト膜やジルコニア膜等の必要な分離係数が確保されるものであればよい。特にセラミックス膜は比較的低い差圧で大きなガス透過量を得ることができるのが特長であり、システム全体の効率向上に有効である。尚、改質ガス生成部1の改質温度が比較的低い温度の場合には改質ガスに含まれるCOの体積分率が低いため、ガス分離膜2としてポリイミド等の高分子膜を用いても水素吸蔵合金3に供給される改質ガスに含まれるCOを十分低減することが可能である。高分子膜はセラミックス膜より安価であるため、システムの低コスト化を図ることができる。また水素吸蔵合金3の表面改質処理によってCO被毒耐性の能力が十分に得られる場合には、ガス分離膜そのものも不要となる。
Further, when a ceramic membrane is used as the
また水素吸蔵合金3としては、上記のLmNi系合金の他に、LaNi系合金、Ti系合金(例えばTiFe0.85Mn0.15)などを用いることもできる。尚、水素吸蔵合金以外にも、水素のみを選択貯蔵できる材料、例えば、有機系、無機系、炭素系等の水素貯蔵材料でも、同様に被毒耐性のための表面改質処理したもの、耐性が強い材料の場合には、利用可能である。
Further, as the
また、水素吸蔵合金3の水素の吸蔵および放出の手段としては、水素の吸蔵を比較的高い加圧・自然あるいは強制の冷却で行ない、水素の放出を常温で行うもの、水素の吸蔵を常圧・自然あるいは強制の冷却で行ない、放出を比較的高温の加熱で行うもの、あるいは水素の吸蔵を比較的低い加圧・自然あるいは強制の冷却で行ない、放出を比較的低温の加熱で行なうものなど、水素吸蔵合金3の組成を調整することによって、様々な条件を選択することができるものであり、負荷追従性重視や効率重視など要請される仕様によって適切なシステム特性を提供することができるものである。
As a means for storing and releasing hydrogen in the
1 改質ガス生成部
2 ガス分離膜
3 水素吸蔵合金
4 燃料電池
DESCRIPTION OF
Claims (6)
6. The fuel cell power generation system according to claim 1, wherein a substance having catalytic activity is added to the hydrogen storage alloy.
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