JP2009242216A - 水素生成分離装置、これを用いた燃料電池システム及び内燃機関システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素含有ガスの生成と、水素ガスの分離とを同時に行えるようにして装置の小型化を図るとともに、水素生成反応の平衡を生成側にシフトさせて反応温度を低下させ、さらには、生成物の選択性を変えることができるようにする。
【解決手段】本発明は、外部から流入する燃料ガスのガス流通路αを挟む両側方に、複数の水素含有ガス生成体３０と、水素ガスを透過する複数の水素透過体４０とを互いに対向させて配列した構成を有することを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガソリン等の液体炭化水素や、エタノール等のアルコールや、アルデヒド類、また天然ガス等、反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を改質して水素含有ガスを生成し、また、水素含有ガスに含まれる水素ガスを透過して分離する水素生成分離装置、これを用いた燃料電池システム及び内燃機関システムに関する。

水素透過膜は、水素を選択的に透過分離する機能を有するものであり、代表的なものとしてＰｄ系合金を挙げることができるが、いずれにしても水素の吸着，解離，拡散，結合能力を有するものが求められる。
一方でＰｄは貴金属であり、また、高価でもあるため、他の金属、例えばＶ系やＮｂ系の水素透過膜の研究も盛んに行われている。

ところで、地球環境問題への関心の高まりから、近年、燃料電池の利用が検討されている。
燃料電池に水素を供給する際、液体燃料を改質し、得られた改質ガスから水素のみを選択的に得るために水素透過膜を備えた水素透過装置が必要となる。
また、燃料電池に限らず、水素を必要とする部位に水素を供給するため、水素透過膜を備えた水素透過装置の開発が希求されている。

上記した燃料電池では、水素を燃料とし、酸素若しくは酸素を含む空気を酸化剤として電気化学的反応で発電するものであるが、自動車等への用途を考えた場合、燃料電池システム全体の容積ができる限り小さいことが重要である。
従って、燃料源は水素よりも液体であることが望ましく、液体燃料から水素を取り出すことができる水素分離体が重要となる。
また、自動車において、水素をエンジンや排気ガス処理に使用することで、燃費や排気を向上させる方法が考えられている。

従来、上記した水素透過膜を用いたものとして、特許文献１，２に開示された選択透過膜型反応器がある。
特許文献１に開示されている選択透過膜型反応器は、一端部がガスの入口で、他端部がガスの出口である筒状の反応管と、当該反応管内に挿入された、表面に選択透過膜を有する分離管と、前記反応管と前記分離管との間に配置された触媒とを有するものであり、前記反応管内部の前記反応管長さ方向における中央より出口側の位置に、前記反応管内に供給されたガスの流れを乱して当該ガスを撹拌する構造を設けたものである。

他方、特許文献２に開示されている選択透過膜型反応器は、一端部がガスの入口で、他端部がガスの出口である筒状の反応管と、当該反応管内に挿入された、表面に選択透過膜を有する分離管と、前記反応管と前記分離管との間に配置された触媒とを有するものであり、前記反応管の内部に、当該反応管内部の表面積を高める構造体を有し、前記触媒が、前記構造体の表面に、又は前記構造体の表面と前記反応管の内周面のうち前記反応管と前記分離管との間の空間に露出している面とに配置されたものである。
特開２００５−５８８２２号公報 特開２００５−５８８２３号公報

しかしながら、上記従来の選択透過膜型反応器では、いずれにおいても、水素透過膜（選択透過膜）により水素を透過させて分離することにより、水素透過膜近傍及び水素含有ガスの流れ方向に水素濃度の低い領域が生じ、水素を効率よく透過させることができないものである。
結果として、必要な水素量を得るために必然的に装置の大型化を招来し、例えば自動車への搭載が難しくなる。

そこで本発明は、水素含有ガスの生成と水素ガスの分離とを同時に行えるようにして装置の小型化を図ることができるとともに、水素生成反応の平衡を生成側にシフトさせて反応温度を低下させ、さらには、生成物の選択性を変えることができる水素生成分離装置、これを用いた燃料電池システム及び内燃機関システムの提供を目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係る水素生成分離装置は、外部から流入する燃料ガスのガス流通路を挟む両側に、複数の水素含有ガス生成体と、水素ガスを透過する複数の水素透過体とを互いに対向させて配列した構成を有することを特徴としている。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムは、外部から送給された新規の燃料と水を気化する気化器、この気化器により燃料蒸気および水蒸気のガス流通路を挟む両側に、そのガス流通路に流通する水素含有ガスに含まれる水素ガスを透過する水素透過体と、水素含有ガス生成体とを互いに対向させて配列した構成を有する水素生成分離装置、及びこの水素生成分離装置により分離導出した水素ガスを発電に用いる燃料電池本体を有することを特徴としている。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関システムは、外部から送給された新規の燃料と水を気化する気化器、この気化器により燃料蒸気および水蒸気のガス流通路を挟む両側に、そのガス流通路に流通する水素含有ガスに含まれる水素ガスを透過する水素透過体と、水素含有ガス生成体とを互いに対向させて配列した構成を有する水素生成分離装置、及びこの水素生成分離装置により分離導出した水素ガスを燃料に混合して内燃機関に送給する混合器とを有することを特徴としている。

上記目的を達成するための本発明に係る内燃機関システムは、外部から送給された新規の燃料と水を気化する気化器、この気化器により燃料蒸気および水蒸気のガス流通路を挟む両側に、そのガス流通路に流通する水素含有ガスに含まれる水素ガスを透過する水素透過体と、水素含有ガス生成体とを互いに対向させて配列した構成を有する水素生成分離装置、及びこの水素生成分離装置により分離導出した水素ガスを内燃機関から排出される排気ガスに混入して浄化するための排気ガス浄化装置とを有することを特徴としている。

本発明によれば、水素含有ガスの生成と、水素ガスの分離とを同時に行うことができるので装置の小型化を図れ、また、水素生成反応の平衡を生成側にシフトさせて反応温度を低下させ、さらには、生成物の選択性を変えることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る水素生成分離装置を用いた燃料電池システムの構成を示すブロック図、図２（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る水素生成分離装置の概略構成を示す斜視図、（Ｂ）は、水素含有ガス生成体と水素透過体の配列状態を示す部分拡大図である。

一例に係る燃料電池システムＡは、気化器１０、本発明の第一の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ１及び燃料電池本体２０を有する構成のものである。
気化器１０は、外部から送給された新規の燃料と水を気化して、燃料蒸気および水蒸気を生成する機能を有するものである。

水素生成分離装置Ｂ１は、図２に示すように、外部から流入する燃料ガスのガス流通路を挟む両側に、水素ガスを透過する複数の水素透過体４０…と、複数の水素含有ガス生成体３０…とを互いに対向させて配列した構成のものであり、それらの詳細は次のとおりである。
なお、「燃料ガス」は、水素含有ガスと、反応によって水素を生成可能な炭化水素系燃料（ガソリン等の液体炭化水素、アルコール、アルデヒド類、天然ガス等）の双方を含むものであるが、水蒸気改質反応により水素を得る場合には、水蒸気も含む。以下には、燃料ガスとしてエタノール蒸気および水蒸気を例にして説明する。

水素含有ガス生成体３０は、断面横長方形の四角柱状に形成されており、外部から流入するエタノール蒸気および水蒸気のガス流通路（以下、単に「ガス流通路」という。）αを挟む両側に、互いに所要のピッチ間隔ｐをおいて配列されている。
本実施形態に示す水素含有ガス生成体３０は、水素含有ガスを得ることができる触媒層を有しているものである。

水素透過体４０…は、支持体に水素透過膜（いずれも図示しない）を配設したものであり、本実施形態においては、上記水素含有ガス生成体３０と同様の断面横長方形の四角柱状に形成されている。
この水素透過体４０は、隣り合う上記水素含有ガス生成体３０，３０の間であって、ガス流通路αを挟む両側において互いに所要のピッチ間隔ｐをおいて配列されている。
換言すると、ガス流通路αを挟む両側において、水素含有ガス生成体３０と水素透過体４０とをガス流動方向に沿って交互に配列した構成になっている。
このように、水素含有ガス生成体３０と水素透過体（水素透過膜）４０を交互に配列することにより、水素透過膜近傍の濃度勾配による水素透過量低下を防止することができる。

水素含有ガス生成体３０と水素透過体４０の能力に応じて交互に配置する頻度は規定されるものである。
具体的には、水素透過膜の能力が低い場合には、交互に配置する頻度を高めてもあまり効果は得られない。逆に、水素透過膜の能力が高く、水素透過膜近傍の水素濃度が常に低い場合には、交互に配置する頻度を高めた方が望ましい。
また、反応器の形状および水素含有ガスの流れにより、水素含有ガス中の水素の拡散および移動が容易であり、流れ方向に濃度勾配が生じにくい場合には、交互に配置する頻度は低く、逆に水素含有ガス中の水素の拡散および移動が困難な状態の場合には、交互に配置する頻度を高めた方が望ましい。

「水素透過膜」としては、Ｐｄ系合金、Ｖ、Ｎｂ，Ｚｒ系合金が用いられる。
平板状の水素透過膜を得るにあたり、支持体上に水素透過膜を形成してもよいが、薄膜の水素透過膜を形成した後に、支持体上にのせて強度を確保してもよい。
薄膜化された水素透過膜を用いることにより、水素分離体をより小型化することができ、Ｐｄの使用量も抑えることができる。

「支持体」は、本実施形態においては、例えばアルミナの保護層を有する金属多孔体プレートである。
このような支持体は、上記した水素透過膜の強度を補強する機能とともに、透過した水素の流れを妨げないようにする機能も備える必要があり、このために多孔体プレートを採用している。
多孔体プレートはセラミック製や金属製のものを採用できるが、金属製の場合には、水素透過膜と合金を形成する可能性がある成分が含まれている場合がある。そのような場合には、上述したように多孔体プレートの表面に水素透過膜との合金化を阻止するための、保護層を設けるとよい。具体的には、アルミナやジルコニア等を金属製多孔体プレートの表面に加工すればよい。

「ガス流通路α」は、互いに正対する水素含有ガス生成体３０と水素透過体４０の対向面３０ａ，４０ａにより、その流路幅Ｗ１を区画形成している。本実施形態においては、流入端部α１から流出端部α２にかけて一定の幅にしている。
ここで「正対」するとは、水素含有ガス生成体３０と水素透過体４０の上記対向面３０ａ，４０ａの全領域が対面していることをいう。

また、上記した「対向して配列」することには、図１（Ａ），（Ｂ）に示す正対した配列状態の他、ガス流通路α内を流動する水素含有ガスの流速に対応させて、そのガス流通路αに沿う方向でずらした状態で配列してもよい。換言すると、水素含有ガス生成体３０と水素透過体４０とを正対させる他、互いの一部のみを対面させて配列したものを含む。

ところで、水素回収路５０は、平面視において長方形の板状に形成されており、水素含有ガス生成体３０と水素透過体４０の反対面３０ｂ，４０ｂにそれぞれ当接させて配置している。
水素回収路５０，５０の一隅部には、それら水素回収路５０，５０により回収した水素ガスを、詳細を後述する燃料電池本体２０に導出するための導出路５１の一端部が連通して配設されている。
なお、導出路５１の他端部は、上記した燃料電池本体２０に接続されている。

上記ガス流通路αの流入端部α１には、上記した気化器１０から送出されたエタノール蒸気および水蒸気を、当該ガス流通路αに導くための導入路１１が接続されている。
このガス流通路αの流出端部α２には、当該ガス流通路αから排出された排ガス（非透過ガス）を排出するための排出路１２の一端部が接続されている。
なお、１３は窒素等のスイープガスを水素透過体４０に導入するためのスイープガス導入路である。このようなスイープガスを使用することにより、水素ガスの回収効率を向上させることができる。

燃料電池本体２０は、複数の固体電解質型セルユニット…を互いに間隙をもって重合してなるセルスタックをケース（いずれも図示しない）に収容したものであり、例えば３００℃以上の温度で作動するものである。
敷衍すると、ＳＯＦＣ等のように６００（℃）〜１０００（℃）で運転される酸素イオン伝導型のものであり、電解質の材料としてはジルコニア系、セリア系等を使用することができる。

また、プロトン伝導型のものであっても、比較的高い温度（３００℃以上）で運転が可能な固体酸（例えばりん酸水素セシウム等）を電解質に用いたものにも適用できる。
例えばＮｉ等のように炭素析出を生じ易い燃料極材料を使用している場合には、特に有効である。
なお、燃料電池本体としては、上記ＳＯＦＣの他、ＰＥＦＣ（polymer electrolyte fuel cell）（「ＰＥＭ」ともいう。）にも採用できることは勿論である。

上記した構成からなる燃料電池システムＡの動作について、水素生成分離装置Ｂ１を中心として説明する。
気化器１０から送出されたエタノール蒸気および水蒸気がガス流通路αに流入すると、水素含有ガス生成体３０…によって改質されながらガス流通路αに沿って流動する。
また、水素含有ガス生成体３０…によって生成された水素含有ガスに含まれる水素ガスは、対向して配置された水素透過体４０若しくは流動方向下流側の水素透過体４０等によって透過分離されながらガス流通路αに沿って流動し、導出路１２を通じて系外に排出される。
分離された水素ガスは、水素回収路５０を通じて燃料電池本体２０に送出されて発電に供される。これにより、発電効率を向上させることができる。

以上の構成によれば、外部から流入する燃料ガスの改質による水素含有ガスの生成と、生成した水素含有ガスに含まれる水素ガスの分離とを同時に行えるので、装置の小型化を図ることができる。また、水素生成反応の平衡を生成側にシフトさせて反応温度を低下させ、さらには、生成物の選択性を変えることができる。

次に、本発明の第二の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ２について、図３，４を参照して説明する。図３は、本発明の第二の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ２の斜視図、図４は、その水素生成分離装置Ｂ２の要部を示す部分斜視図である。
なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の第二の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ２は、複数の水素含有ガス生成体３０…、これと同数の水素透過体４０…、及び第一の変形例に係る水素回収路６０…、及び加熱体７０，７０を主要の構成としたものであり、それらの詳細は次のとおりである。

各水素回収路６０は、水素透過体４０と同じ長さにしているとともに、ガス流通路αに沿う辺６０ａを各水素透過体４０よりもやや幅広にした断面横長方形の四角柱状に形成されている。
水素回収路６０は各水素透過体４０の外面４０ｂにそれぞれ密着して配設されているとともに、透過回収した水素ガスの排出端部に共通の導出路５１を配設している。

加熱体７０は水素含有ガス生成体３０を加熱するためのものであり、平板状の主板部７１の内面に複数の密接加熱部７２を一体型にした構成になっている。
「一体型」とは、主板部７１と密接加熱部７２とを同じ部材により一体成形したものの他、互いに別体にした主板部７１と密接加熱部７２とを接合したものを含む。
密接加熱部７２は、水素含有ガス生成体３０と同じ長さにしているとともに、ガス流通路αに沿う辺７２ａを各水素含有ガス生成体３０よりもやや幅広にした断面横長方形の四角柱形に形成されている。
各密接加熱部７２は、各水素含有ガス生成体３０の外面３０ｂに密着されており、それら水素含有ガス生成体３０を効率よく加熱できるようにしている。

要約すると、各水素含有ガス生成体３０毎に密接加熱部７２が、また、各水素透過体４０毎に水素回収路６０を配設した構造になっており、従ってまた、水素回収路６０と密接加熱部７２とを所定の間隔で交互に配列した構造になっている。

上記の構造によれば、上述した水素生成分離装置Ｂ１で得られる効果に加え、各密接加熱部７２によって各水素含有ガス生成体３０を直接加熱でき、さらには、水素回収路６０を介して水素含有ガス生成体３０を間接的にも加熱することができるため、反応に必要な熱を効率良く加えることができる。
すなわち、加熱体が設置されていることにより、水素含有ガス生成体３０において吸熱反応による水素生成反応を容易に行うことができる。例えば、水蒸気改質反応や脱水素反応である。上記反応では、炭化水素やアルコールから水素を生成することができる。
また、水素回収路６０と密接加熱部７２とを交互に配列することにより、加熱効率をさらに向上させられる。

本発明の第三の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ３について、図５を参照して説明する。図５は、本発明の第三の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ３の斜視図である。
本発明の第三の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ３は、上述した加熱体７０に換えて、その加熱体７０とは異なる構造にした第一の変形例に係る加熱体８０を有する構成のものである。

第一の変形例に係る加熱体８０は、燃焼触媒を用いて水素含有ガス生成体３０を加熱するようにしたものであり、平板状の主板部８１の内面に複数の密接加熱部８２…を一体型にした構成になっている。
「一体型」とは、主板部８１と密接加熱部８２とを同じ部材により一体成形したものの他、互いに別体にした主板部７１と密接加熱部７２とを接合したものを含む。
密接加熱部８２は、上記したものと同じく、水素含有ガス生成体３０と同じ長さにしているとともに、ガス流通路αに沿う辺８２ａを各水素含有ガス生成体３０よりもやや幅広にした断面横長方形の四角柱形に形成されている。
各密接加熱部８２は、各水素含有ガス生成体３０の外面３０ｂに密着されており、それら水素含有ガス生成体３０を効率よく加熱できるようにしている。

上記構造の加熱体８０は、これに燃料ガスおよび空気を供給し、得られた燃焼ガスにより加熱することができるので、外部から加熱ガスを供給する必要がなく、水素含有ガス生成体３０で必要な熱を効率良く伝達することができる。

なお、上記した密接加熱部８２は、本実施形態に示すように水素含有ガス生成体３０毎に配設することに限らず、必要な部分に配設すればよいものである。例えばガス流通路αの導入端部に多くの熱量を必要とする場合等には、当該導入端部のみに配設した構造にしてもよい。

水素含有ガス生成体３０は、水素含有ガスを得ることができる触媒層を有するものである。
触媒層は、燃料から水素を得ることができる触媒、例えば燃料改質用触媒、脱水素反応用触媒、水性ガスシフト反応用触媒等である。
具体的には、白金、ロジウム、ルテニウム等の貴金属や銅、コバルト、鉄等の遷移金属をアルミナ、セリア、シリカ、チタニア等の無機多孔体に担持したものである。触媒層は、ペレット状の触媒を充填したものであっても構わない。触媒成分粉末を含むスラリーを、スプレーやウォッシュコート法等により、フィン等に塗布すると好適である。

水素含有ガスを得ることができる反応により、水素含有ガス生成体３０に供給するガス等は異なる。水蒸気改質反応により水素含有ガスを得る場合には、燃料および水蒸気の供給が必要である。また、脱水素反応により水素含有ガスを得る場合には、燃料のみを供給すればよい。一方、シフト反応により水素含有ガスを得るためには、改質反応後のガスをそのまま供給しても良い。

図５には、水蒸気改質反応により水素含有ガスを得る場合を示している。ガス流通路αの流入端部から燃料及び水蒸気が供給されて触媒と接触すると水蒸気改質反応が進行し、水素を生成する。
生成した水素は、水素透過膜を透過して水素回収路６０にて回収される。生成した水素は、水素透過膜により随時引抜かれ、水素分圧が低下するため、触媒上では水蒸気改質反応が促進される。また、ガス流通路αの流出端部からは、水素透過膜により水素を引抜かれた後の非透過ガスが得られる。

燃料としては、ガソリン等の液体炭化水素や、エタノール等のアルコールや、アルデヒド類、また天然ガス等、反応によって水素を生成可能な種々の炭化水素系燃料を用いることができる。なお、燃料が硫黄分を含有する場合には、脱硫器を設けて、燃料の脱硫を行った後、用いると良い。

水素含有ガスを得る反応や燃料の種類により、水素含有ガス生成体に塗布する触媒は、適宜選択することが望ましい。例えば、入口部では、水蒸気改質反応に活性の高い触媒を塗布し、出口部分では、水性ガスシフト反応に活性の高い触媒を塗布する等である。

加熱ガスを得ることができる燃焼触媒層としては、燃料や水素を燃焼して加熱ガスを得ることができる触媒であり、白金、パラジウム等の貴金属や銅、コバルト、鉄等の遷移金属をアルミナ、セリア、シリカ、チタニア等の無機多孔体に担持したものである。
加熱ガス生成体には、燃料および空気を必要に応じて導入すればよい。また、水素含有ガス生成体で必要とされる熱を供給するため、燃焼触媒が塗布されている部分と、塗布されていない部分がある等、供給する熱量を調整することができる。

本発明の第四の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ４について、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第四の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ４の斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の第四の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ４は、上述した加熱体７０，８０とは異なる構造の加熱体９０を有する構成のものである。
第二の変形例に係る加熱体９０は、伝熱部材９１と、所謂電気的に発熱する電気ヒータ（図示しない）とからなる。
伝熱部材９１は、上記した水素含有ガス生成体３０と同じ長さにし、かつ、ガス流通路αに沿う辺９１ａを各水素含有ガス生成体３０よりもやや幅広にした断面横長方形の四角柱形に形成されている。
各加熱体９０は、各水素含有ガス生成体３０の外面３０ｂに密着されており、それら水素含有ガス生成体３０を効率よく加熱できるようにしている。

加熱体として電気ヒータを用いることにより、加熱ガス供給用及び排気用の配管が必要なくなり、よりコンパクトな装置を得ることができる。
また、電気ヒータで加熱することにより、加熱体における温度分布を減らすことができる。さらに必要な箇所に必要な熱量を供給することもヒータの出力を制御することで容易にできる。
この場合、各加熱体９０の発熱状態、従ってまた、発熱温度を測定する温度センサと、これら各温度センサで測定した発熱温度と、この測定した発熱温度と外部から入力される各種の温度制情報とに基づいて、それら加熱体９０の発熱状態を昇降制御する制御部を設ける。

本発明の第五の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ５について、図７を参照して説明する。図７は、本発明の第五の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ５の斜視図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

本発明の第五の実施形態に係る水素生成分離装置Ｂ５は、上述した加熱体７０〜９０とは異なる構造の加熱体１００と、水素回収路１１０とを有する構成のものである。
第三の変形例に係る加熱体１００は、水素含有ガス生成体３０を加熱するためのものであり、平面視において方形に形成されており、燃料ガスや加熱ガスを送給することにより若しくは電気ヒータにより発熱するものである。

第二の変形例に係る水素回収路１１０は、平面視において長方形の板状に形成されており、内部に複数の伝熱フィン１１１…を、ガス流通路αと直交する方向において互いに一定の間隔で配列した構造のものである。このような伝熱フィン１１１…を水素回収路１１０内に配列することにより、水素含有ガス生成体３０で必要な熱を効率良く伝達することができる。
上記の構造とすることにより、加熱体の形状を簡易化することが可能であり、よりコンパクトな装置とすることができる。
また、伝熱フィン１１１を、ガス流通路αと直交する方向において互いに一定の間隔で配列した構造にしているので、水素を効率よく回収できる。
「ガス流通路αと直交する方向」は、水素ガスを回収導出する方向のことであり、図示の配列構造に限るものではない。

なお、伝熱フィン１１１…の配列間隔としては、上記一定の間隔に限るものではなく、例えば水素含有ガス生成体３０に対向する領域に配列する伝熱フィン１１１…の間隔を密にして配列してもよい。これにより、水素含有ガス生成体３０で必要な熱をさらに効率良く伝達することができる。

ところで、上述した水素生成分離装置Ｂ１〜Ｂ５は内燃機関システムに適用することができる。図８（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ上述した水素生成分離装置Ｂ１〜Ｂ５を適用した内燃機関システムの概念図である。なお、上述した実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図８（Ａ）に示す内燃機関システムは、外部から送給された新規の燃料と水分を気化しする気化器１０、上述したいずれかの水素生成分離装置Ｂ１（〜Ｂ５）、及びこの水素生成分離装置Ｂ１（〜Ｂ５）により分離導出した水素ガスを燃料に混合して内燃機関１２０に送給する混合器１２１とを有するものである。

すなわち、水素生成分離装置Ｂ１（〜Ｂ５）で生成した水素ガスを、内燃機関１２０の燃焼室内に噴射される燃料ガスに適宜のタイミングで適量噴入する構成のものである。この構成の場合、燃焼効率を向上させることができる。

図８（Ｂ）に示す内燃機関システムは、外部から送給された新規の燃料と水分を気化しする気化器１０、上述したいずれかの水素生成分離装置Ｂ１（〜Ｂ５）、及びこの水素生成分離装置Ｂ１（〜Ｂ５）により分離導出した水素ガスを内燃機関１２０から排出される排気ガスに混入して浄化するための排気ガス浄化装置１２２とを有するものである。

すなわち、水素生成分離装置Ｂ１（〜Ｂ５）で生成した水素ガスを、内燃機関１２０から排出される排ガス中に噴入する構成のものである。この構成の場合、排気ガスを浄化を行うことができる。
（実施例１）
支持体としてアルミナの保護層（厚み約０．２μｍ）を有する金属多孔体プレート（厚み０．５ｍｍ、細孔径０．２〜０．４μｍ）を使用した。水素透過膜には、３０ｍｍ×２０ｍｍ、１５μｍのＰｄ膜を用いた。
水素含有ガス生成体として、水素透過膜（水素透過体）と同じ面積の伝熱フィンを設け、水蒸気改質触媒を１００ｍｇ塗布した。上記水素透過膜及び水素含有ガス生成体を４つ交互に配置した。水素回収路及び加熱ガス供給体を上記図３のように設け、水素分離体１を得た。
得られた水素生成分離装置を用い、エタノール及び水蒸気をＳ／Ｃ＝２になるように水素含有ガス生成体に供給し、加熱体には、水素含有ガス生成体の温度が５００℃になるように加熱ガスを供給し、水蒸気改質反応とともに水素透過膜による水素引抜を行った。その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。
（比較例１）
水素透過膜及び水素含有ガス生成体を交互に設置する以外は、実施例１と同様にして水素生成分離装置を得た。また、実施例１と同様に、水蒸気改質反応及び水素透過膜による水素引抜きを実施した。その結果、実施例１の７９％の水素透過量しか得ることができなかった。
（実施例２）
実施例１と同様の水素透過膜と水素含有ガス生成体を４つ交互に配置し、実施例１と同様の水素回収路を用いた。加熱ガス生成体には、伝熱フィンを設け、燃焼触媒を０．２５ｇ塗布し、水素生成分離装置を得た。
また、加熱ガス生成体には、エタノール及び空気を、水素含有ガス生成体の温度が５００℃になるように供給し、水素生成分離装置において、水蒸気改質反応及び水素引抜を行った。その結果、所定量の水素透過量を得ることができた。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上述した実施形態においては、水素含有ガス生成体と水素透過体とを、互いに同形同大に形成した例について説明したが、例えば断面積や断面形状を互いに異ならせてもよく、また、必要に応じて配列間隔も一定に限らず所定の間隔にすることもできる。

・上述した実施形態においては、外部から流入する水素含有ガスのガス流通路αを挟む両側方に、その水素含有ガス及び水素含有ガス生成体で生成した水素含有ガスに含まれる水素ガスを透過する水素透過体とを互いに対向させて配列した構成について説明したが、当該構成を一部にのみ有する構成にしてもよい。

・上述した実施形態においては、ガス流通路が流入端部から流出端部にかけて一定の幅Ｗ１にしたものを示したが、例えば、ガス流通路の流入端部から流出端部にかけて次第に幅狭となるようにしてもよい。

・上述した実施形態においては、水素含有ガス生成体として、単に四角柱状のものを例として説明したが、水素含有ガスの流れの偏りを減らすため、当該ガスの流れを整える整流フィン等を水素含有ガス生成体の内面であって上記したガス流通路に沿って設けてもよい。

・上述した実施形態においては、外部から流入する燃料ガスがエタノール蒸気および水蒸気である例について説明したが、次のような構成にしてもよい。
外部から流入する燃料ガスが水素含有ガスであるとき、一部又は全部の水素含有ガス生成体に替えて、隣接する水素透過体に水素含有ガスを流接させるための複数の流接用部材を配列した構成を含むものとすることができる。
「流接用部材」は、水素含有ガスの流れを、ガス流通路を挟んで対向している水素透過体に向け、また、ガス流動方向下流側に配列されている水素透過体に向けて偏向させるための複数のフィンを有するものである。

一部の水素含有ガス生成体に替えて流接用部材を配列したときには、ガス流通路を挟む両側又はいずれか一側において、水素透過体と流接用部材とをガス流動方向に沿って交互に配列した構成を含むものとすることができる。

以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した各構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それらを任意に組み合わせることができるものであることを付記する。

本発明の第一の実施形態に係る水素生成分離装置を用いた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 （Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る水素生成分離装置の概略構成を示す斜視図、（Ｂ）は、水素含有ガス生成体と水素透過体の配列状態を示す部分拡大図である。 本発明の第二の実施形態に係る水素生成分離装置の斜視図である。 同上の水素生成分離装置の要部を示す部分斜視図である。 本発明の第三の実施形態に係る水素生成分離装置の斜視図である。 本発明の第四の実施形態に係る水素生成分離装置の斜視図である。 本発明の第五の実施形態に係る水素生成分離装置の斜視図である。 （Ａ），（Ｂ）は、本発明の第一〜第五の水素生成分離装置のいずれかをそれぞれ適用した内燃機関システムの概念図である。

符号の説明

３０ 水素含有ガス生成体
４０ 水素透過体
６０，１００ 水素回収路
７０ 加熱体
１１１ 伝熱フィン
Ａ 燃料電池システム
Ａ１，Ａ２ 内燃機関システム
Ｂ１〜Ｂ５ 水素生成分離装置
α ガス流通路

Claims (16)

1. 外部から流入する燃料ガスのガス流通路を挟む両側に、複数の水素含有ガス生成体と、水素ガスを透過する複数の水素透過体とを互いに対向させて配列した構成を有することを特徴とする水素生成分離装置。
2. 外部から流入する燃料ガスが炭化水素系ガスおよび／又はアルコール系ガスであることを特徴とする請求項１に記載の水素生成分離装置。
3. 外部から流入する燃料ガスが水素含有ガスであり、
   一部又は全部の水素含有ガス生成体に替えて、隣接する水素透過体に水素含有ガスを流接させるための複数の流接用部材を配列した構成を含むことを特徴とする請求項１に記載の水素生成分離装置。
4. ガス流通路を挟む両側又はいずれか一側において、水素含有ガス生成体と水素透過体とをガス流動方向に沿って交互に配列した構成を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の水素生成分離装置。
5. ガス流通路を挟む両側又はいずれか一側において、水素透過体と流接用部材とをガス流動方向に沿って交互に配列した構成を含むことを特徴とする請求項３に記載の水素生成分離装置。
6. 水素透過体を透過した水素を回収して導出するための水素回収路を配設したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素生成分離装置。
7. 水素含有ガス生成体を加熱するための加熱体を設けていることを特徴とする請求項１，２，４、６のいずれか１項に記載の水素生成分離装置。
8. 加熱体を、水素回収路の外側に配設したことを特徴とする請求項７に記載の水素生成分離装置。
9. 水素含有ガス生成体が、水素含有ガスを得ることができる触媒層を有することを特徴とする請求項１，２，４、６〜８のいずれか１項に記載の水素生成分離装置。
10. 加熱体が、加熱ガスを得ることができる燃焼触媒層を有することを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の水素生成分離装置。
11. 加熱体が電気ヒータであることを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の水素生成分離装置。
12. 加熱体の一部を水素含有ガス生成体に密接していることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか１項に記載の水素生成分離装置。
13. 水素回収路内に伝熱フィンを形成したことを特徴とする請求項６〜１３のいずれか１項に記載の水素生成分離装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の水素生成分離装置、及びこの水素生成分離装置により分離導出した水素ガスを発電に用いる燃料電池本体を有することを特徴とする燃料電池システム。
15. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の水素生成分離装置、及びこの水素生成分離装置により分離導出した水素ガスを燃料に混合して内燃機関に送給する混合器とを有することを特徴とする内燃機関システム。
16. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の水素生成分離装置、及びこの水素生成分離装置により分離導出した水素ガスを内燃機関から排出される排気ガスに混入して浄化するための排気ガス浄化装置とを有することを特徴とする内燃機関システム。

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