JP2011018615A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素ガス量を増大させることができるとともに、燃料電池の稼動時間を延長させることができ、特に車両の走行距離を延ばすことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、水素ガスと空気中の酸素ガスとを反応させて水を生成させるとともに、電力を発生させる燃料電池１１を備えている。この燃料電池１１の水素極側セル１４及び空気極側セル１７で生成した気液混合物を第１気液分離器２０及び第２気液分離器２１に導き、気液分離によって液体の水を分離する。分離された水を水素ガス発生装置２３に導き、その水に対してカートリッジ２８から固体反応材としての水素化ホウ素ナトリウムを投入して反応させ、水素ガスを発生させる。発生した水素ガスは、燃料電池１１の水素極側セル１４に供給されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば燃料電池車に搭載される燃料電池として用いられ、燃料電池で生成する水を利用して水素を発生させ、その水素を燃料電池へ供給して電力を補うことができる燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池車においては、車両に搭載されている水素ボンベ中の水素、水素吸蔵合金に吸蔵されている水素、改質燃料による改質装置で得られる水素などを使用してしまうと走行ができなくなることから、走行距離には限界がある。一方、車両に搭載できる水素量は車両スペース、圧縮圧力などの限界があり、増加させることは困難である。ここで、燃料電池においては水素と酸素とが反応し、水（水蒸気）を生成すると同時に、電力を発生するようになっている。

そこで、燃料電池で生成した水蒸気を水素ガス発生器へ帰還させる発電システムが提案されている（特許文献１を参照）。すなわち、この発電システムでは、水蒸気発生器と、該水蒸気発生器に接続され水蒸気と反応して水素ガスを発生する実質的に液体でない物質を含む水素ガス発生器と、該水素ガス発生器に接続される燃料電池とを備えている。そして、燃料電池から水蒸気発生器に残留水蒸気及び水素ガスを誘導する帰還路が設けられている。

特表２００６−５２０９９６号公報（第２頁、第８頁及び図１）

特許文献１に記載されている発電システムにおいては、水蒸気発生器で水から水蒸気を発生させ、水素ガス発生器で水蒸気と実質的に液体でない反応材とを反応させて水素を発生させるようになっている。この場合、水を水蒸気の状態で反応させるため、単位体積当たりの反応量が少なく、水素の発生量が少量である。特に、車両の場合には発電システムを搭載するスペースが限られていることから、反応原料が気体であるときには十分な反応量が得られず、その結果水素の発生量が不足し、発電システムの稼動時間が大きく制限されるため、車両走行距離にも制限があった。

そこで、本発明の目的とするところは、水素ガス量を増大させることができるとともに、燃料電池の稼動時間を延長させることができ、特に車両の走行距離を延ばすことができる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明の燃料電池システムは、水素ガスと酸素含有ガスとを反応させて水を生成させるとともに、電力を発生させる燃料電池を備えている。そして、燃料電池で生成した気液混合物から液体の水を分離し、分離された水に対して水と反応して水素ガスを発生する固体反応材を接触させ、発生した水素ガスを燃料電池に供給するように構成したことを特徴とする。

請求項２に記載の発明の燃料電池システムは、請求項１に係る発明において、前記気液混合物を気液分離器で気液分離して液体の水を分離するように構成したことを特徴とする。

請求項３に記載の発明の燃料電池システムは、請求項２に係る発明において、少なくとも酸素含有ガスを供給する電極側で生成した気液混合物から気液分離器で液体の水を分離し、分離された水に固体反応材を接触させるように構成したことを特徴とする。

請求項４に記載の発明の燃料電池システムは、請求項２又は請求項３に係る発明において、前記酸素含有ガスを供給する電極側で生成した気液混合物及び水素ガスを供給する電極側で生成した気液混合物から気液分離器でそれぞれ別個に液体の水を分離するように構成したことを特徴とする。

請求項５に記載の発明の燃料電池システムは、請求項１から請求項４のいずれか１項に係る発明において、前記発生した水素ガスを水素選択分離膜で濾過するように構成したことを特徴とする。

請求項６に記載の発明の燃料電池システムは、請求項１から請求項５のいずれか１項に係る発明において、前記固体反応材は水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明の燃料電池システムは、請求項１から請求項６のいずれか１項に係る発明において、前記燃料電池は車両駆動用又は車両に搭載されるバッテリー充電用として用いられることを特徴とする。

本発明によれば、次のような効果を発揮することができる。
本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池で生成した気液混合物から液体の水を分離し、分離された水に対して水と反応して水素ガスを発生する固体反応材を接触させ、発生した水素ガスを燃料電池に供給するように構成されている。このように、常温で液体の水を生成させ、その水を水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）等の固体反応材と接触させて反応させることから、従来のように水蒸気を固体反応材と反応させる場合に比べて水の反応量を格段に向上させることができる。

従って、本発明の燃料電池システムでは、水素ガス量を増大させることができるとともに、燃料電池の稼動時間を十分に延長させることができ、特に車両の走行距離を延ばすことができる。

第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。 第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。 第３実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は燃料電池システム１０を模式的に示す説明図であり、燃料電池１１は単電池で示されている。この図１に示すように、燃料電池１１には水素ボンベ、水素吸蔵合金、水素改質機等の水素供給源１２から水素ガスを導入するための水素ガス導入管１３が水素極側セル１４に接続されるとともに、大気中からポンプ１５により酸素含有ガスとしての空気を導入するための空気導入管１６が空気極側セル１７に接続されている。なお、水素極はアノードであり、空気極はカソードである。前記水素供給源１２から供給される水素は、通常９９．９９９％以上の純度を有している。前記水素極側セル１４と空気極側セル１７とは、スルホン酸基を有するフッ素系ポリマー等の固体電解質膜１８で区画されている。

燃料電池１１においては、水素（Ｈ_２）と空気中の酸素（Ｏ_２）が反応して水（Ｈ_２Ｏ）を生成すると同時に、電力を発生できるように構成されている。すなわち、水素極側セル１４内の図示しない水素極では次の反応式（１）に示す酸化反応により水素から水素イオンが生成し、電子が放出される。

Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ ・・・（１）
一方、空気極側セル１７内の図示しない空気極では酸素と固体電解質膜１８を透過した上記水素イオンとが次の反応式（２）に示す還元反応により水が生成される。このとき、水素極で放出された電子は図示しない外部回路を経て空気極に到達し、電流が流れて電力が発生する。

１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ → Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
前記燃料電池１１の水素極側セル１４及び空気極側セル１７には、接続管１９を介してそれぞれ第１気液分離器２０及び第２気液分離器２１が接続されている。第１気液分離器２０及び第２気液分離器２１としては、一般に重力や遠心力を利用した気液分離器が用いられるが、その形式は特に制限されない。第２気液分離器２１では、常温で液体の水が空気と分離され、その水が連結管２２を介して水素ガス発生装置２３へ導かれるとともに、空気は排気管２４からバルブ２５を介して大気へ排気される。一方、第１気液分離器２０では、空気極側セル１７で生成し固体電解質膜１８を透過した水が主に未反応の水素ガスから分離され、分離された液体の水が連結管２２を介して水素ガス発生装置２３へ導かれるとともに、水素ガスは水素補充配管２６を介してポンプ２７により水素ガス導入管１３に戻される。

水素ガス発生装置２３においては、粉末状の水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）よりなる固体反応材のカートリッジ２８が交換可能に装着され、水素ガス発生装置２３に導入された水中にカートリッジ２８から水素化ホウ素ナトリウムが投入されるようになっている。この水素化ホウ素ナトリウムの投入量は、燃料電池１１で必要とされる水素量に応じて設定される。投入された水素化ホウ素ナトリウムは水と接触し次の反応式（３）に示す加水分解反応に基づいて、水素ガスを発生すると同時にメタホウ酸ナトリウム（ＮａＢＯ_２）を生成する。水素ガス発生装置２３で発生する水素ガスの純度は９９％以上である。なお、水素化ホウ素ナトリウムは触媒としての塩化ニッケル（ＮｉＣｌ_２）等とともにポリエチレングリコール等の水溶性化合物で包埋された構造を有し、取扱いが容易であるとともに、触媒の種類や量を選択することで水素ガス発生速度を変えることができるようになっている。

ＮａＢＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ_２＋ＮａＢＯ_２ ・・・（３）
また、水素化ホウ素ナトリウムはカートリッジ２８に収容され、交換可能に構成されていることから、水素化ホウ素ナトリウムがなくなったとき、カートリッジ２８を交換することにより、簡単に補充することができる。

水素ガス発生装置２３で発生した水素ガスは、水素補充管２９からポンプ３０により水素ガス導入管１３に接続され、水素供給源１２から供給される水素ガスを補充するように構成されている。水素ガス発生装置２３の底部には抜き出しバルブ３１を有するドレン配管３２が接続され、前記加水分解反応により生成したメタホウ酸ナトリウム等を排出するようになっている。この排出操作は、例えば水素化ホウ素ナトリウムのカートリッジ２８を交換する際に行うことができる。

次に、第１実施形態における燃料電池システム１０の作用について説明する。
さて、燃料電池システム１０を稼動させる場合、燃料電池１１の水素極側セル１４に水素ガス導入管１３から水素ガスを導入するとともに、空気極側セル１７に空気導入管１６から空気を導入する。すると、水素極では前記反応式（１）に基づいて水素イオンが生成し、その水素イオンが固体電解質膜１８を透過して空気極側へ移動し、その空気極で空気中の酸素と前記反応式（２）に基づいて反応し水が生成する。このとき、水素極と空気極とを結ぶ外部回路には空気極から水素極へ電流が流れ、その外部回路に接続される負荷には電力が発生する。

続いて、空気極側セル１７で生成した気液混合物（水、水蒸気及び空気）は第２気液分離器２１へ導かれ、空気極側セル１７で生成し固体電解質膜１８を介して水素極側セル１４へ移動したガス（水蒸気及び窒素ガス）は水素ガスとともに第１気液分離器２０へ導かれ、それぞれ気液分離が行われる。両気液分離器２０，２１で分離された常温で液体の水は一緒になって連結管２２を通り水素ガス発生装置２３に導かれる。この水素ガス発生装置２３では、カートリッジ２８から水素化ホウ素ナトリウムが投入され、その水素化ホウ素ナトリウムが水と接触して反応し、前記反応式（３）に基づいて水素ガスが生成する。

水素ガス発生装置２３で発生した水素ガスは、水素補充管２９を通りポンプ３０によって水素ガス導入管１３に導かれ、該水素ガス導入管１３から燃料電池１１の水素極側セル１４に導入される。このため、燃料の水素ガスとしては、水素供給源１２からの水素ガスに加え、燃料電池１１で生成した水を利用して水素ガス発生装置２３で発生させた水素ガスが補充され、燃料電池１１での酸化反応及び還元反応が継続される。

以上の第１実施形態により発揮される効果を以下にまとめて記載する。
(1) 第１実施形態における燃料電池システム１０においては、燃料電池１１で生成した気液混合物から気液分離器２０，２１で水を分離し、分離された水に対して固体反応材を接触させて反応させ、発生した水素ガスを燃料電池１１に供給するように構成されている。このように、気液分離器２０，２１で液体の水を分離し、その水を水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）等の固体反応材と反応させることから、水蒸気を固体反応材と反応させる場合に比べて水の反応量を飛躍的に向上させることができる。

従って、第１実施形態の燃料電池システム１０では、水素ガス量の増大を図ることができるとともに、燃料電池１１の稼動時間を十分に延長させることができ、特に車両の走行距離を延ばすことができる。

(2) 燃料電池１１で生成した気液混合物を気液分離器２０，２１で気液分離して液体の水を取得するように構成したことから、ガスと液体の水とを簡単に分離することができる。

(3) 前記空気極側セル１７に存在する気液混合物及び水素極側セル１４で生成した気液混合物から、第１気液分離器２０及び第２気液分離器２１にてそれぞれ別個に液体の水を分離するように構成した。このため、水の少ない第１気液分離器２０及び水の多い第２気液分離器２１における気液分離を水の量に応じて効率良く行うことができる。

(4) 前記固体反応材として水素化ホウ素ナトリウムを用いたことにより、水素化ホウ素ナトリウムが水との反応性に優れ、安定した状態で水素を発生することができ、特に燃料電池システム１０を車両用として使用する場合に好適である。

(5) 固体反応材としての水素化ホウ素ナトリウムをカートリッジ２８に収容して用いるように構成したことから、水素化ホウ素ナトリウムが消費されてなくなったとき、カートリッジ２８を交換することにより、水素化ホウ素ナトリウムを容易に補充することができる。

(6) 燃料電池システム１０を車両駆動用又は車両に搭載されるバッテリー充電用として用いることにより、燃料の容量増大を図ることができ、車両の走行距離を延長させることができる。
〔第２実施形態〕
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態においては、主に第１実施形態と異なる部分について説明し、第１実施形態と共通する部分については同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

図２に示すように、水素ガス発生装置２３は第１水素ガス発生装置２３ａ及び第２水素ガス発生装置２３ｂに分けられ、それぞれ第１気液分離器２０及び第２気液分離器２１からの連結管２２が接続されている。第１水素ガス発生装置２３ａ及び第２水素ガス発生装置２３ｂにおいては、水素化ホウ素ナトリウムにより形成された固体反応層３３が各水素ガス発生装置２３ａ，２３ｂ内の中央位置に水素ガス発生装置２３ａ，２３ｂ内を水収容室３４と水素ガス収容室３５とに区画するように配置されている。

そして、各水素ガス発生装置２３ａ，２３ｂの水収容室３４内に導入された水が固体反応層３３と接触し、水素化ホウ素ナトリウムと反応して水素ガスを発生し、水素ガス収容室３５に収容されるように構成されている。両水素ガス発生装置２３ａ，２３ｂの水素ガス収容室３５には水素補充管２９が接続され、水素ガス収容室３５で発生した水素を水素ガス導入管１３を介して水素極側セル１４へ送るようになっている。

さて、燃料電池システム１０において、燃料電池１１で生成した水から水素ガスを発生させる場合、燃料電池１１の空気極側セル１７で生成した気液混合物は第２気液分離器２１へ導かれ、水素極側セル１４に存在する気液混合物は第１気液分離器２０へ導かれ、各気液分離器２０，２１で気液分離が行われる。その後、第１気液分離器２０で分離された常温で液体の水は連結管２２を通り第１水素ガス発生装置２３ａに導かれ、第２気液分離器２１で分離された常温で液体の水は連結管２２を通り第２水素ガス発生装置２３ｂに導かれる。

これらの水素ガス発生装置２３ａ，２３ｂでは、各水収容室３４内の水がそれぞれ固体反応層３３と接触して固体反応層３３中の水素化ホウ素ナトリウムと反応し、前記反応式（３）に基づいて水素ガスが生成し、各水素ガス収容室３５にそれぞれ収容される。各水素ガス収容室３５に収容された水素ガスは水素補充管２９へと放出される。水素補充管２９内の水素ガスは、ポンプ３０により燃料電池１１の水素極側セル１４へ導入される。従って、燃料の水素ガスとしては、水素供給源１２からの水素ガスに加え、燃料電池１１の空気極側セル１７及び水素極側セル１４で生成した水を利用し、第１水素ガス発生装置２３ａ及び第２水素ガス発生装置２３ｂで発生させた水素ガスが燃料電池１１に補充される。

従って、第２実施形態によれば、第１実施形態の効果のほか次の効果を発揮することができる。
(7) 水素ガス発生装置２３は、第１気液分離器２０に接続される第１水素ガス発生装置２３ａと、第２気液分離器２１に接続される第２水素ガス発生装置２３ｂとに分けて構成されている。このため、少量の水から水素ガスを発生する第１水素ガス発生装置２３ａと多量の水から水素ガスを発生する第２水素ガス発生装置２３ｂとにおいて反応量を容易に調整することができる。

(8) 固体反応材として水素化ホウ素ナトリウムの固体反応層３３を用いたことから、その構成を簡単にすることができ、水がその固体反応層３３と接触する際に容易に反応することができる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態について説明する。この第３実施形態においては、主に第２実施形態と異なる部分について説明し、第２実施形態と共通する部分については同一の部材番号を付し、その説明を省略する。

図３に示すように、第１気液分離器２０及び第２気液分離器２１に代えて、第１冷却部３６及び第２冷却部３７が設けられている。第１冷却部３６においては、ガス（水蒸気）が冷却されて生成した少量の水、水素ガス及び窒素ガスが連結管２２を通って第１水素ガス発生装置２３ａの第１水収容室３４ａに導入される。一方、第２冷却部３７では、ガスが冷却されて生成した多量の水及び空気が連結管２２を通って第２水素ガス発生装置２３ｂの第２水収容室３４ｂに導入される。第２水素ガス発生装置２３ｂの第２水素ガス収容室３５ｂの出口にはアルミノシリケート（ゼオライト）により形成された水素選択分離膜３８が設けられ、第２水素ガス収容室３５ｂ内のガス（水素ガス及び空気）から水素ガスを分離し、水素補充管２９へ送り出すようになっている。

さて、第３実施形態の燃料電池システム１０においては、第１冷却部３６で冷却されて生成した少量の水、水素ガス及び窒素ガスが連結管２２を通って第１水収容室３４ａに導入される。第１水収容室３４ａに導入された水は固体反応層３３と接触して水素化ホウ素ナトリウムと反応して水素ガスを生成し、第１水素ガス収容室３５ａに収容され、水素補充管２９から燃料電池１１の水素極側セル１４に供給される。

一方、第２冷却部３７で冷却されて生成した多量の水及び空気が連結管２２を通って第２水収容室３４ｂに導入される。第２水収容室３４ｂに収容された水素ガス及び空気は水素選択分離膜３８を通過する際に水素ガスのみが選択的に分離され、水素補充管２９から水素極側セル１４へ送られる。従って、燃料の水素ガスとしては、水素供給源１２からの水素ガスに加え、燃料電池１１の空気極側セル１７及び水素極側セル１４で生成した水を利用し、第１水素ガス発生装置２３ａ及び第２水素ガス発生装置２３ｂで発生させた水素ガスが燃料電池１１に補充される。

よって、第３実施形態によれば、第２実施形態の効果のほか次の効果を発揮することができる。
(9) 第２水素ガス発生装置２３ｂの第２水素ガス収容室３５ｂに収容された水素ガスを水素選択分離膜３８で濾過するように構成したことから、燃料電池１１に導入される水素ガスの純度を高めることができ、燃料電池１１における水素と酸素の反応効率を向上させることができる。

(10) 第１気液分離器２０及び第２気液分離器２１を各々第１冷却部３６及び第２冷却部３７に変更したことから、常温で液体の水を得る装置を簡素化することができる。
なお、前記実施形態を次のように変更して実施することも可能である。

・ 前記水素供給源１２から供給される水素ガスのガス圧と、燃料電池１１で生成した水に固体反応材を作用させて発生した水素ガスのガス圧とを調整し、いずれかの水素ガスを優先的に水素極側セル１４に導入するように構成することができる。例えば、前者のガス圧を後者のガス圧より高く設定し、車両の駆動を円滑に行うようにしたり、後者のガス圧を前者のガス圧より高く設定し、バッテリーへの充電を行うようにしたりすることができる。

・ 第１〜第３実施形態において、空気極側セル１７で生成した水のみを利用して水素ガス発生装置２３又は第２水素ガス発生装置２３ｂで水素ガスを発生させるように構成することができる。

・ 固体反応材として、水素化ホウ素（Ｂ_１０Ｈ_１４）、水素化カルシウム等を使用することもできる。
・ 水素選択分離膜３８として、シリカ−ジルコニア水素分離膜、パラジウム複合膜等を使用することもできる。

・ 酸素含有ガスとして、酸素ボンベ等に収容された酸素ガスを用いることも可能である。
さらに、前記実施形態より把握できる技術的思想について以下に示す。
（イ）前記固体反応材はカートリッジに収容され、交換可能に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。この場合、請求項１から請求項７のいずれかに係る発明の効果に加えて、固体反応材が消費されてなくなったとき、カートリッジを交換することにより、固体反応材を容易に補充することができる。
（ロ）前記酸素含有ガスは空気であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。この場合、請求項１から請求項７のいずれかに係る発明の効果に加えて、大気から酸素を容易に得ることができる。

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１４…水素極側セル、１７…空気極側セル、２０…第１気液分離器、２１…第２気液分離器、２３…水素ガス発生装置、２３ａ…第１水素ガス発生装置、２３ｂ…第２水素ガス発生装置、２８…固体反応材のカートリッジ、３８…水素選択分離膜。

Claims (7)

1. 水素ガスと酸素含有ガスとを反応させて水を生成させるとともに、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池で生成した気液混合物から液体の水を分離し、分離された水に対して水と反応して水素ガスを発生する固体反応材を接触させ、発生した水素ガスを燃料電池に供給するように構成したことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記気液混合物を気液分離器で気液分離して液体の水を分離するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 少なくとも酸素含有ガスを供給する電極側で生成した気液混合物から気液分離器で液体の水を分離し、分離された水に固体反応材を接触させるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸素含有ガスを供給する電極側で生成した気液混合物及び水素ガスを供給する電極側で生成した気液混合物から気液分離器でそれぞれ別個に液体の水を分離するように構成したことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記発生した水素ガスを水素選択分離膜で濾過するように構成したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記固体反応材は水素化ホウ素ナトリウム（ＮａＢＨ_４）であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池は車両駆動用又は車両に搭載されるバッテリー充電用として用いられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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