JP3914118B2 - 水素供給装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガス等の原料ガスを改質して得られた水素ガスを、一般家庭等の屋内に設けられた電気機器に電力を供給するための燃料電池と、電気自動車等の自動車に搭載された燃料電池との両方に供給する水素供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、一般家庭で燃料電池を用いて発電し、家庭内で用いられる電気機器に電力を供給することが検討されている。このとき、前記燃料電池の燃料となる水素ガスをどのように供給するかという問題がある。
【０００３】
前記問題を解決するために、一般家庭に供給される都市ガス等の商用ガスを改質して水素ガスを得ることが考えられている。例えば、都市ガスに用いられている天然ガスは、水と反応させて改質することにより、水素ガスを生成することができる。
【０００４】
従来、一般家庭で天然ガス等の原料ガスを改質して得られた水素ガスを、家庭内の電気機器に電力を供給するための固定電源としての燃料電池に供給する水素供給装置が知られている（例えば特開平６−３３３５８４号公報参照）。
【０００５】
前記水素供給装置は、一般家庭に供給される天然ガス等の原料ガスを改質して、水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する改質器と、該改質器で得られた改質ガスを精製して水素ガスを得る精製器とを備え、該精製器で得られた水素ガスが前記燃料電池に供給される。このとき、前記改質器は、前記屋内に設けられた電気機器が全て使用されるときの電力を前記燃料電池から供給するために必要とされる量の水素ガスを生成することができる能力を備えている。
【０００６】
ところが、前記改質器では、前記屋内に設けられた電気機器の一部しか用いられないときには、前記能力が十分に活用されない。そこで、前記水素供給装置では、常時、前記改質器を全面的に稼働させる一方、余剰の水素ガスをタンク等に高圧で貯蔵したり、水素吸蔵合金を用いて貯蔵するようにしている。前記のように貯蔵された水素ガスは、例えば、前記改質器の起動時に、該改質器から十分に水素ガスが得られるようになるまでの間、前記燃料電池に供給するために用いられる。
【０００７】
一方、一般家庭に供給される天然ガス等の原料ガスを改質して得られた水素ガスを、電気自動車等の自動車に搭載された移動電源としての燃料電池に供給することも提案されており、そのための水素供給装置が知られている（例えば特開平１０−１３９４０１号公報参照）。
【０００８】
前記電気自動車等に搭載された燃料電池に水素ガスを供給する水素供給装置は、一般家庭に供給される天然ガス等の原料ガスを改質して、水素ガスを主成分とする改質ガスを生成する改質器と、該改質器で得られた改質ガスを精製して水素ガスを得る精製器と、該精製器で得られた水素ガスを圧縮するコンプレッサーと、圧縮された水素ガスを高圧で貯蔵するタンクとを備えるものである。また、前記水素供給装置は、前記改質器、精製器と、該精製器で得られた水素ガスを水素吸蔵合金を用いて貯蔵するものであってもよいとされている。
【０００９】
前記水素供給装置によれば、家庭内で前記電気自動車等に搭載された燃料電池に水素ガスを供給することができる。また、水素ガスを前記タンクに高圧で貯蔵する場合には、該水素ガスを前記電気自動車等に設けられたタンクに短時間で供給することができる。
【００１０】
ところで、前述のようにして得られた水素ガスを、前記固定電源としての燃料電池と、移動電源としての燃料電池との両方に供給しようとするときに、前記水素ガスを前記タンクに高圧で貯蔵しておけば、該水素ガスを前記移動電源としての燃料電池に備えられたタンクに短時間で供給するためには便利である。
【００１１】
しかしながら、家庭内の電気機器に電力を供給するための固定電源としての燃料電池に供給する水素ガスは、必ずしも高圧で貯蔵されていなくてもよく、該水素ガスを高圧で貯蔵するとエネルギー的に不利になることがある。
【００１２】
また、前記水素ガスを水素吸蔵合金を用いて貯蔵するときには、該水素ガスを高圧とすることなく貯蔵することができ、前記固定電源としての燃料電池に供給するには好都合であるが、前記移動電源としての燃料電池に備えられたタンクに供給しようとすると、長時間を要するという不都合がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、一般家庭に供給される天然ガス等の原料ガスを改質して得られた水素ガスを、家庭内の電気機器に電力を供給するための固定電源として用いられる燃料電池と、電気自動車等に搭載され移動電源として用いられる燃料電池との両方に、効率よく供給することができる水素供給装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の水素供給装置は、原料ガスを改質して水素ガスを生成する改質手段と、該改質手段で得られた水素ガスを水素吸蔵合金を用いて貯蔵し、固定電源として用いられる第１の燃料電池に供給する第１の貯蔵手段と、加圧手段を備え、該改質手段で得られた水素ガスを該加圧手段により加圧して貯蔵し、移動電源として用いられる第２の燃料電池に供給する第２の貯蔵手段とを備える水素供給装置であって、該改質手段の下流側に設けられて該改質手段で得られた水素ガスを精製して純水素を得る第１精製器と、第１精製器の下流側に設けられた分岐点から分岐して、第１精製器で精製された純水素を第１の貯蔵手段に送る第１の経路と、該分岐点から分岐して、第１精製器で精製された純水素を第２の貯蔵手段の加圧手段に送る第２の経路と、第２の経路の途中に設けられ、第１精製器で精製された純水素をさらに高純度の水素とする第２精製器とを備えることを特徴とする。
【００１５】
本発明の水素供給装置によれば、まず、天然ガス等の原料ガスを前記改質手段により改質して水素ガスを生成する。そして、前記改質手段で得られた水素ガスを第１の貯蔵手段と、第２の貯蔵手段とに貯蔵する。
【００１６】
このとき、前記改質手段では、メタンガスを例として説明すると、次式（１）、（２）の反応が起きている。
【００１７】
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ ・・・（１）
【００１８】
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ ・・・（２）
【００１９】
式（１）、（２）は、まとめて書けば次式（３）となり、メタンガスと水とから水素ガスが得られるが、該水素ガスは炭酸ガスを含んでいる。
【００２０】
ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ ・・・（３）
【００２１】
そこで、本発明の水素供給装置において、両貯蔵手段は、前記改質手段との間に水素ガスを精製する第１精製器を備え、該第１精製器により精製された水素ガスを貯蔵する。
【００２２】
前記第１の貯蔵手段は、家庭内の電気機器等に電力を供給する固定電源として用いられる前記第１の燃料電池に水素ガスを供給するものであり、前記第１の燃料電池に供給される水素ガスは、高圧でなくてもよい。そこで、前記第１の貯蔵手段は、水素吸蔵合金を用いて水素ガスを貯蔵するものを用いることができる。前記水素吸蔵合金は水素ガスを選択的に吸蔵するので、該水素吸蔵合金から放出されて前記第１の燃料電池に供給される水素ガスを、前記第１精製器により精製された水素ガスよりもさらに純度の高いものとすることができる。
【００２３】
前記水素吸蔵合金から吸蔵されている水素ガスを放出させるためには、該吸蔵合金を加熱する必要がある。そこで、本発明の水素供給装置では、前記第１の燃料電池の廃熱を用いて記水素吸蔵合金から水素ガスを放出させることにより、前記廃熱を有効に利用することができる。
【００２４】
また、前記第２の貯蔵手段は、電気自動車等の自動車等に搭載されて移動電源として用いられる第２の燃料電池に供給するものである。前記第２の燃料電池は、前記第２の貯蔵手段とは別に、独自の貯蔵手段を備えており、移動中は独自の貯蔵手段から水素ガスが供給される。そこで、前記第２の貯蔵手段は、貯蔵されている水素ガスを、前記第２の燃料電池独自の貯蔵手段に短時間で供給するために、前記水素ガスを前記加圧手段により加圧して貯蔵する。
【００２５】
このとき、前記第２の燃料電池独自の貯蔵手段は、移動のために容量が限定されており、かかる前記第２の燃料電池独自の貯蔵手段に貯蔵される水素ガスは、前記第１精製器により精製された水素ガスよりもさらに純度の高いものであることが好ましい。そこで、前記第２の貯蔵手段は、前記加圧手段と前記第１精製器との間に、独自の第２精製器を備えていることが好ましい。
【００２６】
前記第２の貯蔵手段に貯蔵される水素ガスは、前記自動車等のタンクに短時間で供給するために、前記加圧手段により１０〜７０ＭＰａの範囲の圧力に加圧されていることが好ましい。前記水素ガスの圧力は、１０ＭＰａ未満では前記自動車等のタンクに短時間で供給することが難しく、７０ＭＰａを超えるとタンクを構成する材料の強度を高めなければならず、あるいは水素が透過しやすくなるとの問題がある。
【００２７】
本発明の水素供給装置は、固定電源として用いられる第１の燃料電池と、移動電源として用いられる第２の燃料電池とにそれぞれ独立の貯蔵手段を設け、第１の燃料電池に水素ガスを供給する第１の貯蔵手段には水素吸蔵合金等を用いて加圧することなく貯蔵し、第２の燃料電池に水素ガスを供給する第２の貯蔵手段には加圧手段を設けて加圧された水素ガスを貯蔵する。従って、本発明の水素供給装置は、貯蔵される水素ガスに対して無用の加圧を行うことがないので、エネルギーの消費を抑制することができ、一方、移動電源として用いられる第２の燃料電池に対しては短時間で水素を供給することができる。
【００２８】
また、本発明の水素供給装置は、前記第２の貯蔵手段に貯蔵される水素ガスの残量を検出する水素ガス残量検出手段と、該水素ガス残量検出手段により検出される水素ガスの残量に基づいて、前記改質手段で生成される水素ガスの量をフィードバック制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２９】
かかる構成を備える水素供給装置によれば、前記水素ガス残量検出手段により検出される前記第２の貯蔵手段に貯蔵される水素ガスの残量が少なければ、前記制御手段により、前記改質手段で生成される水素ガスの量を増加させる。一方、前記水素ガス残量検出手段により検出される前記第２の貯蔵手段に貯蔵される水素ガスの残量が多ければ、前記制御手段により、前記改質手段で生成される水素ガスの量を減少させる。従って、余剰の水素ガスの生成を防止し、前記改質手段を適正に稼働させることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の水素供給装置の構成を示すブロック図である。
【００３１】
図１示のように、本実施形態の水素供給装置１は、一般家庭での燃料電池２，３に対する水素ガスの供給に用いられるものであり、天然ガス源４から供給される天然ガスを改質する改質器５、改質器５で得られた水素ガスを精製する第１精製器６、水素ガスを貯蔵する第１貯蔵装置７、第２貯蔵装置８を備えている。
【００３２】
第１貯蔵装置７は、第１燃料電池２に水素を供給する装置であり、水素吸蔵合金を用いて水素ガスを貯蔵するようになっている。第１燃料電池２は、屋内９に設けられ、電気機器１０に電力を供給する固定電源である。
【００３３】
前記水素吸蔵合金としては、例えば、ＭｍＮｉ４．８Ａｌ０．２（ただし、Ｍｍはミッシュメタル）等の希土類元素系合金、ＴｉＣｒ１．６Ｆｅ０．２等のチタン系合金等を用いることができる。
【００３４】
第２貯蔵装置８は、電気自動車１１に搭載された第２燃料電池３に水素を供給する装置であり、第１精製器６との間に設けられた第２精製器１２により、さらに純度の高くなった水素ガスをコンプレッサー１３により加圧して、１０〜７０ＭＰａの範囲の圧力で貯蔵するようになっている。第１精製器６としては、パラジウムまたはパラジウム合金を含む水素分離膜を備える水素分離装置等を用いることができる。また、第２精製器１２としては、圧力スイング吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ、ＰＳＡ）法を用いる水素分離装置等を用いることができ、第１精製器６で精製された水素ガスをさらに高純度とすることができる。
【００３５】
また、第２貯蔵装置８には、貯蔵されている水素ガスの残量を検知する残量センサ１４が設けられており、残量センサ１４は改質器５の作動を制御する改質制御装置１５に接続されている。改質制御装置１５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるコンピュータにより構成される。
【００３６】
次に、本実施形態の水素供給装置１の作動について説明する。
【００３７】
水素供給装置１では、一般家庭に都市ガス等の商用ガスとして供給される天然ガスを原料ガスとして水素ガスを得る。そこで、まず、ガス栓等の天然ガス供給源４から、改質器５に天然ガスを供給する。
【００３８】
改質器５は、前記天然ガスと、図示しない給水源から供給される水とを、次式（１）、（２）のように反応させることにより、水素ガスを生成させる。
【００３９】
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２ ・・・（１）
【００４０】
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２ ・・・（２）
【００４１】
式（１）、（２）をまとめると、次式（３）となり、改質器５で生成した水素ガスは炭酸ガスを含んでいる。
【００４２】
ＣＨ４ ＋ ２Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ ４Ｈ２ ・・・（３）
【００４３】
式（３）に示す反応は吸熱反応であり、改質器５は加熱されることにより、前記天然ガスから前記水素ガスを生成させる。
【００４４】
次に、改質器５で生成した水素ガスは、第１精製器６で精製されて純水素とされ、一部は水素吸蔵合金を用いる第１貯蔵装置７に貯蔵される。このとき、水素吸蔵合金は、水素ガスのみを選択的に吸蔵するので、第１貯蔵装置７からは第１精製器６で精製された純水素よりもさらに高純度の水素ガスを取り出すことができる。
【００４５】
第１貯蔵装置７の水素吸蔵合金に貯蔵された水素は、該水素吸蔵合金を加熱することにより取り出され、屋内９に設けられた第１燃料電池２に供給される。前記水素吸蔵合金の加熱は、第１燃料電池２自体の廃熱を熱源の少なくとも一部として行うことができる。第１燃料電池２は、前記水素吸蔵合金を加熱する加熱手段を備えていてもよいが、第１燃料電池２自体の廃熱だけで前記水素吸蔵合金の加熱を行うことができるときには、該加熱手段を用いないようにすることもできる。
【００４６】
第１精製器６で精製された純水素の残余は、第２精製器１２でさらに高純度の水素とされた後、コンプレッサー１３で加圧され、第２貯蔵装置８に貯蔵される。第２の貯蔵装置８は、前記水素ガスを気体のままで貯蔵するタンクであり、限られた容積を有効に利用するために、貯蔵される水素はできるだけ純度が高いことが望ましい。本実施形態では、第１精製器６で精製された純水素を、さらに第２精製器１２でＰＳＡ法により精製することにより、高純度の水素ガスを第２貯蔵装置８に貯蔵することができる。
【００４７】
第２貯蔵装置８に貯蔵された水素ガスは、例えば、バルブを備えた導管等により、第２貯蔵装置８と、電気自動車１１に設けられた図示しないタンクとを接続し、該バルブを開放することにより、電気自動車１１に設けられたタンクに充填することができる。第２貯蔵装置８に貯蔵された水素ガスの圧力を１０〜７０ＭＰａの範囲としておくことにより、前記充填を圧力差により急速に行うことができ、１０分間以下の短時間で行うことができる。
【００４８】
第２貯蔵装置８に貯蔵された水素ガスの残量は、残量センサ１４により検出されて、検出信号が改質制御装置１５に送られる。改質制御装置１５は、残量センサ１４から送られた検出信号により、所定のプログラムに従って改質器５の稼働をフィードバック制御する。
【００４９】
この結果、改質器５は、第２貯蔵装置に貯蔵される水素ガスの残量が少なければ生成する水素ガスの量を増加させ、前記水素ガスの残量が多ければ生成する水素ガスの量を減少させるように、改質制御装置１５により制御される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素供給装置の一構成例を示すブロック図。
【符号の説明】
１…水素供給装置、 ２…燃料電池（固定電源）、 ３…燃料電池（移動電源）、 ５…改質手段、 ６，１２…精製器、 ７…第１の貯蔵手段、 ８…第２の貯蔵手段、 １３…加圧手段、 １４…水素ガス残量検出手段、 １５…制御手段。

Claims (4)

  1. 原料ガスを改質して水素ガスを生成する改質手段と、該改質手段で得られた水素ガスを水素吸蔵合金を用いて貯蔵し、固定電源として用いられる第１の燃料電池に供給する第１の貯蔵手段と、加圧手段を備え、該改質手段で得られた水素ガスを該加圧手段により加圧して貯蔵し、移動電源として用いられる第２の燃料電池に供給する第２の貯蔵手段とを備える水素供給装置であって、
    該改質手段の下流側に設けられて該改質手段で得られた水素ガスを精製して純水素を得る第１精製器と、
    第１精製器の下流側に設けられた分岐点から分岐して、第１精製器で精製された純水素を第１の貯蔵手段に送る第１の経路と、
    該分岐点から分岐して、第１精製器で精製された純水素を第２の貯蔵手段の加圧手段に送る第２の経路と、
    第２の経路の途中に設けられ、第１精製器で精製された純水素をさらに高純度の水素とする第２精製器とを備えることを特徴とする水素供給装置。
  2. 前記第１の貯蔵手段は、前記第１の燃料電池の廃熱を用いて前記水素吸蔵合金から水素ガスを放出させることを特徴とする請求項１記載の水素供給装置。
  3. 前記第２の貯蔵手段に貯蔵される水素ガスは、前記加圧手段により１０〜７０ＭＰａの範囲の圧力に加圧されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の水素供給装置。
  4. 前記第２の貯蔵手段に貯蔵される水素ガスの残量を検出する水素ガス残量検出手段と、該水素ガス残量検出手段により検出される水素ガスの残量に基づいて、前記改質手段で生成される水素ガスの量をフィードバック制御する制御手段とを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の水素供給装置。
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