JP4416503B2 - 燃料電池への水素の供給装置及び方法並びに車両の電気駆動のための燃料電池の使用 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車の電気駆動のために用いられる燃料電池への水素の供給装置に関し、特にＰＥＭ（高分子電解質電池）型の燃料電池に関する。

燃料電池は、化学的なエネルギを、電気的または熱的な形で直接利用可能なエネルギへ変換するための、より無公害でより効率的な、エネルギ変換装置であることが、益々明らかである。
燃料電池の作用原理は簡単で、Ｈ_２＋１／２ Ｏ_２→Ｈ_２Ｏの化学反応による、電気と水と熱の同時発生を伴う電気化学的燃焼であって、水素と酸素によって支配される。この反応は、電解質によって分離された２つの電極、すなわち陽極と陰極によって本質的に構成された構造の中で行なわれ、水の電気分解と逆の反応である。

電気化学反応のために陽極に供給される燃料は水素であり、水素を供給するための２つの解が使用者に提案されている。第１の解は、水素を電池の近くにストックし、徐々に消費することである。しかし、これは、今日では、水素の製造方法、その経済的及び環境上のコスト、その貯蔵方法、更に使用上の安全性のような、多くの問題を提起する。第２の解は、アルコールまたは炭化水素のような水素化合燃料から水素を製造することからなる。燃料を水素に変換することを可能にする装置は、水素プロセッサと呼ばれる。水素プロセッサは、化学的または物理的な複数の工程を伝統的に使用する。水素プロセッサは、主として、燃料をＨ_２、ＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２、Ｈ_２Ｏの混合物に変換する、リフォーミングの第１工程を有する。一酸化炭素は、人と燃料電池のために高度に有毒であるので、この工程の直後に、一酸化炭素の比率を減少させる浄化工程が引き続く。

しかしながら、上述の水素プロセッサは、かさばり、高価であるという問題がある。

本発明は、上記問題を解決する、燃料電池への水素の供給装置を提供する。

特に、本発明は、浄化段階が減らされた、燃料電池への水素の供給装置を提供する。このことは、水素プロセッサの熱の管理を単純化する。更に、この装置は、電気エネルギへ変換するリフォーミングから生じる一酸化炭素を再評価する。このことは、燃料電池の効率を高める。

本発明による、水素と１００ｐｐｍを超えない濃度の一酸化炭素とを含有する混合ガスの、空気を供給される主燃料電池への供給装置は、燃料を一酸化炭素と水素を含む混合ガスへ変換するためのリフォーマと、混合ガスの一酸化炭素濃度を減少させるための、上記主燃料電池の陽極の入口へ連結された浄化装置とを含んでなる。上記供給装置は、上記一酸化炭素の化学エネルギの一部を電気エネルギに変換するための、空気を供給され、上記リフォーマによって作られた上記一酸化炭素を受ける、補助燃料電池を更に含んでなる。また、上記リフォーマと、上記浄化装置と、上記補助燃料電池とに連結された、上記水素をその他のガスから分離するためのガス透過性膜を更に含んでなり、上記ガス透過性膜は、分離された上記水素が上記浄化装置の中へ供給され、上記一酸化炭素を含むその他のガスは、上記補助燃料電池の中へ供給されるように装着される。

本発明の主燃料電池への混合ガスの供給装置の望ましい実施の形態によれば、上記主燃料電池は、ＰＥＭ電池であり、一方上記補助燃料電池は、固体酸化物燃料電池である。

望ましくは、上記補助燃料電池は、上記水素の酸化よりも上記一酸化炭素の酸化をより急速に実行する電極を有する。

本発明の主燃料電池への混合ガスの供給装置によれば、上記浄化装置は、上記補助燃料電池と上記主燃料電池とに連結される。

本発明の主燃料電池への混合ガスの供給装置によれば、上記補助燃料電池は、補助電気供給回路へ接続され、上記主燃料電池は、主電気回路へ接続される。上記補助電気供給回路は、上記主燃料電池と上記補助燃料電池との空気供給装置へ電気を供給することができる。

本発明の１変形によれば、主燃料電池への混合ガスの供給装置は、上記リフォーマと、上記浄化装置と、上記補助燃料電池とに連結された、上記水素をその他のガスから分離するためのガス透過性膜を更に含んでなり、上記ガス透過性膜は、分離された上記水素が上記浄化装置の中へ供給され、上記一酸化炭素を含むその他のガスは、上記補助燃料電池の中へ供給されるように装着される。

本発明の他の１つの変形によれば、上記補助燃料電池は、上記主燃料電池と電気的に並列に接続され、主電気回路へ電気を供給するための電気インタフェースが、上記補助燃料電池と上記主燃料電池とに接続される。

また本発明は、水素と１００ｐｐｍを超えない濃度の一酸化炭素とを含有する混合ガスの、主燃料電池への供給方法であって、燃料を上記水素と上記一酸化炭素を含む混合ガスへ変換するためのリフォーミング工程と、上記一酸化炭素の濃度を減少させる浄化工程とを含んでなる混合ガスの主燃料電池への供給方法にも関する。本発明の混合ガスの主燃料電池への供給方法は、リフォーマから生じる上記一酸化炭素の化学エネルギの一部を電気エネルギに変換する電気エネルギ変換工程を含んでなる。また、上記リフォーミング工程と上記浄化工程との間、および上記リフォーミング工程と上記電気エネルギ変換工程との間で行われ、上記水素をその他のガスから分離するためのガス透過工程を更に含んでなる。

本発明の混合ガスの主燃料電池への供給方法によれば、上記一酸化炭素の上記化学エネルギの一部の電気エネルギへの変換は、補助燃料電池によって実行される。

本発明は、上述の装置によって混合ガスを供給される燃料電池の、車両の電気駆動のための使用にも関する。

本発明のその他の利点及び特徴は、本発明の装置の全く限定的でない、様々な実施の形態によって詳細に描写され、図１〜４に例示された説明を検討することによって明らかとなるであろう。これらの図において；
図１は、本発明の参考例による、燃料電池への水素の供給装置を示し、
図２は、参考例の変形を示し、主燃料電池は補助燃料電池と並列に電気的に接続され、
図３は、本発明の実施の形態による供給装置を示し、ガス透過性膜がリフォーマと浄化装置の間に挿入され、
図４は、本発明の実施の形態の変形を示し、主燃料電池は補助燃料電池と並列に電気的に接続されている。

図１は、主燃料電池２に連結された水素プロセッサ１と、空気供給装置３を示す。
水素プロセッサ１は、リフォーマ４を有し、リフォーマ４の中へ燃料５が入る。リフォーマ４は、燃料５の、Ｈ_２、ＣＯ_２、ＣＯ、Ｎ_２及びＨ_２Ｏを含む混合ガス６への変換を実行する。この混合ガス６は、陽極８と陰極９によって構成される補助燃料電池７の陽極８へ供給される。
補助燃料電池７は、リフォーマ４から生じる一酸化炭素の一部を消費し、一酸化炭素の化学エネルギの一部を電気エネルギに変換するためのものである。他のタイプの燃料電池も可能であるが、望ましくは、補助燃料電池７として固体酸化物燃料電池を用いる。

燃料電池は、発熱電気化学反応の間に燃料を酸化することを可能にする。リフォーマ４から生じる混合ガス６を供給される補助燃料電池７の陽極８において、Ｈ_２ガスとＣＯガスは、酸化されてＨ_２ＯとＣＯ_２になる。補助燃料電池７の陽極８は、ニッケルのような触媒を含むことができる。空気供給装置３へ導管３ａを介して接続され、空気供給装置３から空気を供給される陰極９において、空気の酸素は減少される。望ましくは、補助燃料電池７は、水素の酸化よりも一酸化炭素の酸化をより急速に実行する電極からなる。

補助燃料電池７から生じた電気は、空気供給装置３の電気供給を特に確保することを可能にする補助電気供給回路１０へ送られる。

補助燃料電池７の中を通過する際に、混合ガス６は、一酸化炭素が減らされた混合ガス１１に変換される。このように、補助燃料電池７として固体酸化物燃料電池を用いることによって、一酸化炭素の比率は、１％に低下される。

次いで、混合ガス１１は、浄化装置１２の中へ入る。浄化装置１２は、混合ガス１１の一酸化炭素濃度を更に減少させるためのものである。こうして、混合ガス１１は、一酸化炭素濃度が１００ｐｐｍを超えない混合ガス１３に変換される。

混合ガス１３は、陽極１４と陰極１５を有する主燃料電池２の陽極１４へ送られる。陰極１５は、導管３ｂを介して陰極１５と接続された空気供給装置３によって、空気を供給される。主燃料電池２は、混合ガス１３の化学エネルギの電気エネルギへの主要な変換を実行し、この電気エネルギは主電気回路１６へ伝達される。

望ましくは、主燃料電池２は、ＰＥＭ（高分子電解質電池）である。電解質が高分子状のこの電池は、約１００℃の動作温度を有し、このことは、電気を製造するために搭載される手段としての使用に適合する。勿論、他の型の電池も考慮の対象になりえる。

図１におけるものと同じ部品には同じ符号が付けられた図２は、同じ主要な部品からなる装置の変形を示す。図２の装置においては、主電気回路１６へ供給するために、補助燃料電池７は、例えばインバータと変圧器からなる電気インタフェース１７を介して、主燃料電池２と電気的に並列に接続されている。分離された補助電気回路はもはやない。従って、製造された全ての電気エネルギは、主電気回路１６へ送られる。

先に説明したものと同じ部品には同じ符号が付けられた、図３に例示された実施の形態においては、リフォーマ４と浄化装置１２の間に、水素に対する顕著な選択性を有するガス透過性膜１８が挿入されている。このガス透過性膜１８は、リフォーマ４から生じる混合ガス６を、水素濃度が濃い混合ガス１９と、一酸化炭素がその一つであるその他のガスを含む混合ガス２０とに分離することを可能にする。水素濃度が濃い混合ガス１９は浄化装置１２へ送られ、一方、一酸化炭素がその一つであるその他のガスを含む混合ガス２０は、補助燃料電池７の陽極８へ送られる。その他の部分については、本実施の形態は、図１に例示した参考例と同じである。

図４に示された変形には、図３に示された装置が再び示されているが、今回は主電気回路１６へ供給するために、補助燃料電池７は、図２に示した変形において用いられたものと同じタイプの電気インタフェース１７を介して、主燃料電池２と電気的に並列に接続されており、分離された補助電気回路はもはやない。従って、製造された全ての電気エネルギは、主電気回路１６へ送られる。

本発明による燃料電池への混合ガスの供給装置は、車両の電気駆動のために有利に使用可能である。

また、本発明による燃料電池への混合ガスの供給装置は、電気の集合的及び個別的な製造のため、特に電気−熱のコジェネレータのために使用される。

Claims (6)

1. 燃料（５）を一酸化炭素と水素を含む混合ガス（６）へ変換するためのリフォーマ（４）と、混合ガス（１９）の一酸化炭素濃度を減少させるための、主燃料電池（２）の陽極（１４）へ連結された浄化装置（１２）とを含んでなる、空気を供給される主燃料電池（２）への、水素と１００ｐｐｍを超えない濃度の一酸化炭素とを含有する混合ガス（１３）の供給装置において、上記供給装置は、一酸化炭素の化学エネルギの一部を電気エネルギに変換するための、空気を供給され、リフォーマ（４）によって作られた一酸化炭素を受ける、補助燃料電池（７）を更に含んでなり、
   上記リフォーマ（４）と、上記浄化装置（１２）と、上記補助燃料電池（７）とに連結された、上記水素をその他のガスから分離するためのガス透過性膜（１８）を更に含んでなり、上記ガス透過性膜（１８）は、分離された上記水素が上記浄化装置（１２）の中へ供給され、上記一酸化炭素を含むその他のガスは、上記補助燃料電池（７）の中へ供給されるように装着されることを特徴とする、主燃料電池への混合ガスの供給装置。
2. 上記主燃料電池（２）は、ＰＥＭ電池であることを特徴とする、請求項１に記載の主燃料電池への混合ガスの供給装置。
3. 上記補助燃料電池（７）は、固体酸化物燃料電池であることを特徴とする、請求項１または２に記載の主燃料電池への混合ガスの供給装置。
4. 上記補助燃料電池（７）は、補助電気供給回路（１０）へ接続され、上記主燃料電池（２）は、主電気回路（１６）へ接続されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の主燃料電池への混合ガスの供給装置。
5. 上記補助電気供給回路（１０）は、上記主燃料電池（２）と上記補助燃料電池（７）との空気供給装置（３）へ電気を供給することを特徴とする、請求項４に記載の主燃料電池への混合ガスの供給装置。
6. 上記補助燃料電池（７）は、上記主燃料電池（２）と電気的に並列に接続され、主電気回路（１６）へ電気を供給するための電気インタフェース（１７）が、上記補助燃料電池（７）と上記主燃料電池（２）とに接続されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の主燃料電池への混合ガスの供給装置。

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