JP4534278B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素富化装置および燃料電池装置に関し、詳しくは、炭化水素を改質したガスのような水素を含有するガスの水素分圧をさらに高める水素富化装置、および、このような水素富化装置を備え、得られたより水素分圧の高いガスを燃料電池における電気化学反応に供する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を用いて発電を行なう方法としては、燃料電池に供給する水素を含有する燃料ガスに、炭化水素を改質して得られる改質ガスを用いる方法が知られている。炭化水素を原燃料として、例えば水蒸気改質反応を行なうと、水素と二酸化炭素とを生成することができるため、このような炭化水素の改質によって得られる改質ガスを燃料ガスとして、燃料電池において電気化学反応を進行させることができる。
【０００３】
ここで、燃料電池の電池性能を向上させ、出力電圧をより高めるためには、各電極に供給するガス中の電極活物質の分圧を上昇させると共に、電極活物質の濃度（純度）を上昇させることが有用である。すなわち、アノード側に供給する燃料ガスではガス中の水素分圧および水素濃度を、カソード側に供給する酸化ガスではガス中の酸素分圧および酸素濃度を、より上昇させることが望ましい。
【０００４】
したがって、燃料ガスとして上記改質ガスを用いる場合にも、改質ガス中の水素分圧および水素濃度をさらに高めることによって、燃料電池の電池性能の向上を図ることが考えられる。改質ガス中の水素濃度を高める方法としては、改質ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給するのに先立って、改質ガスを間接的にアルカリ水溶液と接触させて、改質ガス中の二酸化炭素とアルカリ水溶液中のアルカリとを反応させる方法が提案されている（例えば、特開平３−２９５１７５公報等）。このような方法によれば、二酸化炭素とアルカリとを反応させて改質ガス中の二酸化炭素量を削減することにより、改質ガス中の水素濃度を上昇させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように二酸化炭素とアルカリとを反応させることで改質ガス中の二酸化炭素量を削減しても、水素濃度が高まることによる所定の効果（反応に寄与しない他の成分の存在によって反応が妨げられるのを防ぐ効果）は得られるものの、二酸化炭素を除去することだけにより水素分圧を充分に高めることは困難であって、充分に水素分圧を高めるためには、改質ガスの総量を増やす必要があった。改質ガスの総量を増やそうとすると、改質ガスを生成するための原燃料である炭化水素の消費量が増大してしまう（運転効率が低下してしまう）ため、採用し難い場合がある。したがって、このような運転効率の低下を伴うことなく、燃料電池の電池性能をさらに向上させることが望まれていた。
【０００６】
本発明の水素富化装置および燃料電池装置は、こうした問題を解決し、水素を含有するガス中の水素分圧をより高めることを目的として、次の構成を採った。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の水素富化装置は、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスの供給を受け、前記混合ガスよりも水素濃度の高い水素リッチガスを排出する水素富化装置であって、
アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化装置における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部と、
前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、
前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段と、
前記混合ガスの供給を受け、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液中の前記アルカリ金属の水酸化物と、前記混合ガス中の二酸化炭素とを反応させることによって、前記混合ガスから二酸化炭素を除去し、前記混合ガスから、二酸化炭素量を低減した二酸化炭素低減ガスを生成する二酸化炭素除去手段と、
前記二酸化炭素除去手段が生成した前記二酸化炭素低減ガスと、前記誘発手段における前記反応で生じた前記水素とを混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッチガス排出手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の水素富化装置は、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化装置における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部に対して水を供給する。水素生成部では、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる。また、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスの供給を受け、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液中の前記アルカリ金属の水酸化物と、前記混合ガス中の二酸化炭素とを反応させることによって、前記混合ガスから二酸化炭素を除去し、前記混合ガスから、二酸化炭素量を低減した二酸化炭素低減ガスを生成する。さらに、この二酸化炭素低減ガスと、前記反応で生じた前記水素とを混合し、前記水素リッチガスとして排出する。
【０００９】
このような水素富化装置によれば、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物と、水との反応により生じたアルカリ金属の水酸化物を用いて、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガス中の二酸化炭素を除去する。したがって、混合ガス中の二酸化炭素濃度を充分に低くすることができる。また、上記反応により生じた水素を、混合ガスの二酸化炭素濃度を低減して得られる二酸化炭素低減ガスに混合するため、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスを基にして、二酸化炭素濃度が充分に低く、水素分圧が充分に高いガスを得ることができる。
【００１０】
水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスを得る方法としては、炭化水素を改質する方法が良く知られているが、このような改質ガスを混合ガスとして本発明を適用すれば、炭化水素を改質して得られる改質ガスから、二酸化炭素濃度が充分に低く極めて水素純度の高いガスを得ることができる。
【００１１】
ここで、水素生成部が備えるアルカリ金属塊は、粒状、球形、不定形などいかなる形状であってもよく、前記被膜が損傷された結果、アルカリ金属と水とが反応するのを妨げない形状であればよい。また、前記被膜を構成する充分に安定である材料とは、前記水素富化装置における所定の条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、これらのうちの少なくとも一つ、あるいは酸素など周囲の動作環境中に存在する物質との間で化学反応を起こす活性が充分に低く、非所望時に溶融や気化などの変化を起こさない材料であればよい。このような性質の材料によって被膜を形成することによって、非所望時にアルカリ金属と水とが接触して反応を起こすのを防ぐことができる。
【００１２】
本発明の水素富化装置において、前記アルカリ金属は、ナトリウムまたはカリウムであることとしてもよい。
【００１３】
また、本発明の水素富化装置において、前記アルカリ金属の化合物は、前記アルカリ金属の水素化物であることとしてもよい。アルカリ金属の水素化物も、水と反応して水素とアルカリ金属の水酸化物を生じる活性が充分に高い。
【００１４】
このようなアルカリ金属あるいはアルカリ金属の化合物を用いれば、上記反応で生じるアルカリ金属の水酸化物や、これが二酸化炭素と反応して生じるアルカリ金属の炭酸塩は、水に対する溶解度が充分に高いため、上記反応で生じたアルカリ金属の水酸化物やアルカリ金属の炭酸塩を、水溶液の状態で、容易に移送し、貯蔵し、その後の反応に供し、また排出することができて有利である。
【００１５】
また、本発明の水素富化装置において、前記反応誘発手段は、物理的な力によって前記被膜を損傷させることとしてもよい。
【００１６】
本発明の第１の燃料電池装置は、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
請求項１ないし４いずれか記載の水素富化装置と、
前記水素富化装置が排出した前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段とを備えることを要旨とする。
【００１７】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池装置は、請求項１ないし４記載の水素富化装置が排出した水素リッチガスを、燃料ガスとして燃料電池に供給し、燃料電池では、この燃料ガスと共に酸素を含有する酸化ガスをさらに供給され、電気化学反応により起電力を得る。
【００１８】
このような燃料電池装置によれば、本発明の水素富化装置を用いて、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスを基にして、より水素濃度および水素分圧が高い水素リッチガスを生じ、この水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池で発電を行なうため、燃料電池の性能をより向上させることができる。例えば、燃料電池に供給する燃料ガスとしては、炭化水素を改質した改質ガスが広く知られているが、水素と二酸化炭素とを含有するこのような改質ガスを、上記水素富化装置によってより水素濃度を高めて燃料電池に供給することにより、燃料電池の性能を大きく向上させることができる。
【００１９】
このような本発明の第１の燃料電池装置において、前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、
前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質層に供給する電解液交換手段をさらに備えることとしてもよい。
【００２０】
このような場合には、既述した効果に加えてさらに、以下のような効果を奏する。すなわち、水素富化装置が備える反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として、アルカリ型燃料電池の電解質層に供給することができるため、アルカリ型燃料電池の電解液が劣化して電池性能が低下してしまうのを抑えることができる。
【００２１】
このような燃料電池装置において、
前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する電解液劣化状態検知手段と、
前記反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液の流路を切り替えて、該水溶液を、前記電解液交換手段によって前記電解液の交換に用いるか、あるいは、前記二酸化炭素除去手段によって前記混合ガス中の二酸化炭素の除去に用いるかを、選択可能である切り替え手段と、
前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうように、前記切り替え手段を切り替える制御手段と
をさらに備えることとしてもよい。
【００２２】
このような構成とすれば、アルカリ型燃料電池を備える燃料電池装置において、燃料電池の電解液の劣化を検知したときには、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうことができるので、電解液の劣化に起因して電池性能が低下してしまうのを防ぐことができる。また、それ以外の場合には、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を用いて混合ガス中の二酸化炭素の除去を行ない、二酸化炭素が低減されたガスを燃料ガスとして燃料電池に供給することができるため、燃料ガス中に含まれる二酸化炭素によって電解液が劣化してしまうのを抑えることができる。
【００２３】
本発明の第２の燃料電池装置は、
水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
少なくとも水素を含有する水素含有ガスの供給を受け、水素濃度の高い水素リッチガスを排出する水素富化部と、
前記水素富化部が排出した前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段とを備えると共に、
前記水素富化部は、
アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化部における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部と、
前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、
前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段と、
前記反応誘発手段における前記反応で生じた前記水素と、前記水素含有ガスとを混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッチガス排出手段とを備え、
前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、
前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発手段における前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質層に供給する電解液交換手段をさらに備えることを要旨とする。
【００２４】
以上のように構成された本発明の第２の燃料電池装置は、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、水素富化部における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部に対して水を供給する。水素生成部では、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる。このアルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液は、この燃料電池装置が備えるアルカリ型燃料電池の電解質層に対して、新たな電解液として供給される。また、前記反応により生じた水素と、前記混合ガスとを混合し、前記混合ガスよりも水素濃度が高い水素リッチガスを生じる。前記燃料電池は、この水素リッチガスを燃料ガスとして供給され、酸素を含有する酸化ガスをさらに供給されて、電気化学反応により起電力を得る。
【００２５】
このような燃料電池装置によれば、水素富化部が備える反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として、アルカリ型燃料電池の電解質層に供給することができるため、アルカリ型燃料電池の電解液が劣化して電池性能が低下してしまうのを抑えることができる。さらに、前記反応で生じた水素を、前記水素含有ガスと混合して水素リッチガスとし、この水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池に供給するため、前記水素含有ガスが水素以外の成分を含有する場合にはより水素濃度が高いガスを燃料ガスとすることができると共に、水素分圧が高いガスを燃料ガスとすることができるため、燃料電池の性能をさらに向上させることができる。また、前記反応で生じた水素を前記水素含有ガスと混合して用いることにより、所定量の発電に要する前記水素含有ガスの量を削減することができる。
【００２６】
このような本発明の第２の燃料電池装置において、
前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する電解液劣化状態検知手段をさらに備え、
前記電解液交換手段は、前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうように、前記水溶液を前記燃料電池に供給することとしても良い。
【００２７】
このような構成とすれば、電解液の劣化を検知した上で前記電解液の交換を行なうため、電解液の劣化に起因して電池性能が低下してしまうのを確実に防ぐことができる。
【００２８】
なお、本発明の第１および第２の燃料電池装置において、電解液劣化の検知は、例えば、電解液のｐＨを検出することによって容易に検知することができる。アルカリ金属の水酸化物の水溶液からなる電解液が、燃料電池に供給されるガス中の二酸化炭素によって劣化すると、上記アルカリ金属の水酸化物と二酸化炭素とが反応し、これに伴って電解液のｐＨの値が次第に小さくなる。したがって、電解液のｐＨを検出することで、電解液の劣化状態を知ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
（１）装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な第１実施例である水素富化部１０の構成を表わす説明図、図２は、この水素富化部１０を備える燃料電池装置２０の構成を例示する概略構成図である。まず、図２に基づいて、燃料電池装置２０の構成について説明する。燃料電池装置２０は、メタノールを貯蔵する原燃料タンク２２、水を貯蔵する水タンク２４、メタノールおよび水を気化するための蒸発器３２、蒸発器３２に併設されて燃焼ガスを発生するバーナ２８、改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質器３４、改質ガス中の水素濃度を高める水素富化部１０、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０、空気を圧縮して燃料電池４０に供給するブロワ３８、コンピュータにより構成される制御部５０を主な構成要素とする。以下、それぞれの構成要素について順に説明する。
【００３０】
原燃料タンク２２に貯蔵されるメタノールは、蒸発器３２およびバーナ２８に供給される。原燃料タンク２２と蒸発器３２とを接続するメタノール流路６０には第２ポンプ７１が設けられており、メタノール流路６０から分岐してバーナ２８に通じるメタノール分岐路６１には第１ポンプ７０が設けられている。第１ポンプ７０および第２ポンプ７１は、制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器３２およびバーナ２８に供給されるメタノールの量を制御する。
【００３１】
水タンク２４に貯蔵される水は、蒸発器３２および水素富化部１０に供給される。水タンク２４と蒸発器３２とを接続する水流路６２には第３ポンプ７２が設けられており、水流路６２から分岐して水素富化部１０に通じる水分岐路７４には第４ポンプ７３が設けられている。第３ポンプ７２および第４ポンプ７３は、制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器３２および水素富化部１０に供給する水量を調節する。水流路６２は、メタノール流路６０と合流して原燃料供給路６３となり、所定量ずつ混合されたメタノールと水とが、蒸発器３２に供給される。
【００３２】
蒸発器３２は、原燃料タンク２２から供給されるメタノールと、水タンク２４から供給される水とを気化させる装置であり、上記したようにメタノールと水の供給を受けて、昇温したメタノールと水との混合気体を排出する。蒸発器３２から排出された水蒸気とメタノールとの混合気体は、原燃料ガス供給路６４を介して改質器３４に供給される。蒸発器３２には、メタノールおよび水を気化させる熱源としてバーナ２８が併設されている。バーナ２８は、燃焼のための燃料を、燃料電池４０のアノード側および原燃料タンク２２から供給される。燃料電池４０は、メタノールを改質器３４で改質して生成した水素を含有するガスを燃料として電気化学反応を行なうが、燃料電池４０に供給されたすべての水素が電気化学反応において消費されるわけではなく、消費されずに残った水素を含む燃料排ガスは燃料排出路６７に排出される。バーナ２８は、この燃料排出路６７に接続して燃料排ガスの供給を受け、消費されずに残った水素を完全燃焼させて燃料の利用率の向上を図っている。通常はこのような排燃料だけではバーナ２８における燃焼反応のための燃料として不足するため、この不足分に相当する燃料、および燃料電池装置２０の起動時のように燃料電池４０から排燃料の供給を受けられないときの、バーナ２８における燃焼反応のための燃料は、既述したメタノール分岐路６１を介して、原燃料タンク２２から供給される。
【００３３】
改質器３４は、供給されたメタノールと水との混合気体である原燃料ガスを改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。以下に、メタノールの水蒸気改質反応を表わす反応式を示す。
【００３４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2−４９．５（kJ/mol） …（１）
【００３５】
改質器３４は、このような改質反応を促進する改質触媒を備えている。本実施例では、メタノールの水蒸気改質反応を促進する触媒としてＣｕ−Ｚｎ触媒を用いた。改質器３４内で上記改質触媒を保持する形状としては、種々のものを選択可能であるが、例えば、この改質触媒を粒子状に成形して成るペレットを改質器の内部に充填することとしてもよいし、あるいは、改質器をハニカム状に形成してその表面に上記改質触媒を担持させることとしてもよい。本実施例の改質器３４では、ハニカム上に改質触媒を担持することとした。また、改質器３４は、さらに、図示しない熱源（例えばヒータ）を備えている。改質器３４で進行する水蒸気改質反応は（１）式に示したように吸熱反応であるため、改質器３４で水素を生成する際には、この熱源によって、水蒸気改質反応で要する熱を賄っている。あるいは、バーナ２８を備える蒸発器３２において、メタノールと水とからなる混合ガスを充分に昇温させ、水蒸気改質反応で要する熱を混合ガス自身によって蒸発器３２から改質器３４に持ち込むこととしてもよい。改質器３４に導入されたメタノールと水とからなる混合気体は、（１）式に示す水蒸気改質反応によって水素を含有する改質ガスとなり、改質ガス流路６５を介して水素富化部１０に供給される。
【００３６】
水素富化部１０は、水素を含有する改質ガスの供給を受けて、改質ガス中の二酸化炭素を除去すると共に、この改質ガスにさらに水素を加えることで、ガス中の水素濃度がより高い水素リッチガスとする装置である。この水素富化部１０の構成は、本発明の要部に対応するものであり、後で詳しく説明する。
【００３７】
水素富化部１０で上記のように水素濃度が上昇した水素リッチガスは、燃料ガス供給路６６によって燃料電池４０に導かれ、燃料ガスとしてアノード側における電池反応に供される。なお、燃料電池４０で電池反応に供された後の燃料排ガスは、既述したように燃料排出路６７に排出されてバーナ２８に導かれ、この燃料排ガス中に残っている水素が燃焼のための燃料として消費される。一方、燃料電池４０のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、ブロワ３８から酸化ガス供給路６８を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用いられた残りの酸化排ガスは、酸化排ガス路６９を介して外部に排出される。
【００３８】
燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。以下に、固体高分子型燃料電池で進行する電気化学反応を示す。
【００３９】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（２）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（３）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（４）
【００４０】
（２）式はアノード側で進行する反応、（３）式はカソード側で進行する反応を示し、燃料電池全体では（４）式に示す反応が進行する。燃料電池４０が生じた電力は、燃料電池４０に接続される所定の負荷に供給される。
【００４１】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５４と、ＣＰＵ５４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５８と、燃料電池装置２０が備える各種センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵ５４での演算結果に応じて既述したブロワ３８やポンプなどに駆動信号を出力する入出力ポート５２等を備える。制御部５０は、このように各種の信号を入出力することによって、燃料電池装置２０全体の運転状態を制御する。
【００４２】
（２）第１実施例としての水素富化部１０の構成：
図１に示すように、水素富化部１０は、アルカリ金属貯蔵部１２と、アルカリ水溶液貯蔵部１４とを備えている。水素富化部１０は、アルカリ金属貯蔵部１２において水素を生成すると共に、アルカリ水溶液貯蔵部１４において改質ガス中の二酸化炭素の低減を行ない、上記生成した水素と、二酸化炭素を低減した改質ガスとを混合して、水素濃度および水素分圧の高い燃料ガスとして排出する。
【００４３】
既述したように、水タンク２４に貯蔵した水を導く水流路６２から分岐する水分岐路７４は、水素富化部１０に接続しているが、水素富化部１０内では、上記水分岐路７４は、アルカリ金属貯蔵部１２に接続している。アルカリ金属貯蔵部１２は、その内部に、アルカリ金属から成るアルカリ金属塊１３を備えている。アルカリ金属塊１３は、アルカリ金属の固まりであって、その表面は、樹脂から成る被膜１８によって覆われている。なお、本実施例では、アルカリ金属塊１３を構成するアルカリ金属として、ナトリウムを採用した。
【００４４】
図１には記載を省略しているが、アルカリ金属貯蔵部１２は、上記アルカリ金属塊１３が備える被膜１８を徐々に損傷させるための構造を備えている。図３は、アルカリ金属塊１３が備える被膜１８を損傷させる動作を表わす説明図である。アルカリ金属貯蔵部１２は、その内部に潰し棒１５を備えており、この潰し棒１５をアルカリ金属塊１３に接触させて所定の押圧力を加えることで、アルカリ金属塊１３表面の被膜１８を徐々に損傷させることができる。この潰し棒１５の動作、すなわち潰し棒１５によって被膜１８を損傷させる速度は、制御部５０によって制御されている。
【００４５】
上記したように、アルカリ金属貯蔵部１２には水タンク２４から水が供給され、供給された水は、潰し棒１５によってアルカリ金属塊１３の被膜１８が損傷されるのにしたがって、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムと反応する。以下に、ナトリウムと水との反応を示す。
【００４６】
Ｎａ ＋ Ｈ2Ｏ → ＮａＯＨ ＋（１／２）Ｈ2 …（５）
【００４７】
上記（５）式に示すように、アルカリ金属貯蔵部１２では、ナトリウムと水とが反応することで水素と水酸化ナトリウムとが生じる。生じた水素は、アルカリ金属貯蔵部１２に接続する水素排出路１９に排出される。また、生じた水酸化ナトリウムは、アルカリ金属貯蔵部１２に供給された上記水中に溶解するため、アルカリ金属塊１３と接触するようアルカリ金属貯蔵部１２に供給された水は、水酸化ナトリウム水溶液となる。アルカリ金属貯蔵部１２は、さらに、アルカリ水溶液供給路１６を介してアルカリ水溶液貯蔵部１４に接続しており、アルカリ金属貯蔵部１２で生成された上記水酸化ナトリウム水溶液は、アルカリ水溶液供給路１６を介してアルカリ水溶液貯蔵部１４に送られる。
【００４８】
なお、アルカリ水溶液供給路１６には、制御部５０に接続される図示しないバルブが設けられており、アルカリ金属貯蔵部１２からアルカリ水溶液貯蔵部１４に送られる水酸化ナトリウムの量を制御している。制御部５０は、上記バルブと、既述した第４ポンプ７３および潰し棒１５の動作を制御することで、充分量の水をアルカリ金属貯蔵部１２に供給しつつ所望の速度で被膜１８を損傷させて、所望量の水素を生成すると共に、濃度が上昇した水酸化ナトリウム水溶液をアルカリ水溶液貯蔵部１４に送り、さらなる水の供給を行なうことで、引き続きアルカリ金属貯蔵部１２で水素を生成可能としている。
【００４９】
アルカリ水溶液貯蔵部１４は、上記したようにアルカリ金属貯蔵部１２から送られた水酸化ナトリウム水溶液を貯蔵すると共に、改質ガスの供給を受ける部材である。図２に示したように、水素富化部１０は、改質ガス流路６５を介して改質器３４から改質ガスを供給されるが、水素富化部１０では、改質ガス流路６５はアルカリ水溶液貯蔵部１４に接続されており、改質ガスはアルカリ水溶液貯蔵部１４に供給される。アルカリ水溶液貯蔵部１４では、貯蔵した水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガスをバブリングさせることで両者を接触させる。このように水酸化ナトリウム水溶液と改質ガスとを接触させると、改質ガス中の二酸化炭素と水酸化ナトリウムとが容易に反応する。以下に、この反応式を示す。
【００５０】
２ＮａＯＨ ＋ ＣＯ2 → Ｎａ2ＣＯ3 ＋ Ｈ2Ｏ …（６）
【００５１】
水酸化ナトリウムと二酸化炭素とが反応して生じた炭酸ナトリウムは、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に容易に溶解すると共に、上記反応で生じた水は、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に混合される。このように、水酸化ナトリウムと二酸化炭素とが反応することによって、二酸化炭素が除去された改質ガスは、アルカリ水溶液貯蔵部１４から改質ガス排出路１７に排出される。この改質ガス排出路１７は、既述した水素排出路１９と合流し、二酸化炭素が除去された改質ガスは、アルカリ金属貯蔵部１２で生成した水素と混合される。改質ガス排出路１７と水素排出路１９とは合流して既述した燃料ガス供給路６６となり、二酸化炭素を除去した改質ガスと水素との混合ガスは、燃料ガスとして燃料電池４０に供給される。
【００５２】
以上のように構成された本実施例の水素富化部１０を備える燃料電池装置２０によれば、炭化水素を改質して得た水素と二酸化炭素とを含有する改質ガス中の二酸化炭素量を低減し、さらに、この二酸化炭素量を低減した改質ガスに水素を付加して燃料ガスとするため、極めて水素濃度が高く、水素分圧も充分に高いガスを燃料ガスとして燃料電池に供給することができ、燃料電池の性能を高めることができる。ここで、二酸化炭素を除去するために用いる水酸化ナトリウム水溶液は、水素を生成する過程で得られるため、二酸化炭素の除去のために予め水酸化ナトリウム水溶液を備える必要が無く、アルカリ金属塊を備えておけば、従来から炭化水素の改質に用いていた水をさらに流用するだけで、水素のさらなる生成と改質ガス中の二酸化炭素の除去との両方を行なうことができる。したがって、移動体の移動用電源として燃料電池を用い、燃料電池装置を移動体に搭載する場合などには、装置を過度に大型化することなく、電池性能を大きく向上させることができるため、特に有利である。
【００５３】
また、ナトリウムからなるアルカリ金属塊は、水と反応することで多量の水素を発生するため、本実施例によれば、所定量の電力を燃料電池から得るために必要な炭化水素量を削減することができる。したがって、燃料電池装置を移動体に搭載する場合には、移動体の航続距離（所定量の炭化水素を改質のための原燃料として搭載した場合に、この原燃料を改質して得た水素を燃料として燃料電池の発電を行ない、移動体が移動可能な距離）を充分に延ばすことができる。
【００５４】
なお、既述したように、アルカリ水溶液貯蔵部１４では、その内部に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中の水酸化ナトリウムは、改質ガス中の二酸化炭素と反応することによって消費され、この反応によって生じた炭酸ナトリウムは、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に溶解する。そのため、アルカリ水溶液貯蔵部１４では、アルカリ金属貯蔵部１２から新たに水酸化ナトリウム水溶液が供給されるのに従い、内部の水酸化ナトリウム水溶液を入れ替えることが望ましい。これにより、アルカリ水溶液貯蔵部１４内は、充分量の水酸化ナトリウムを常に備えることができ、改質ガス中の二酸化炭素を充分に取り除くことができる状態を維持することができる。
【００５５】
また、上記実施例では、アルカリ水溶液貯蔵部１４において、水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガスをバブリングさせることで両者を直接に接触させて、改質ガス中の二酸化炭素と水酸化ナトリウムとを反応させ、改質ガスから二酸化炭素を除去したが、水酸化ナトリウム水溶液と改質ガスとは間接的に接触させることとしても良い。例えば、アルカリ水溶液貯蔵部１４内に、気体は通過可能であって液体は通過不能である通気性の膜を備える流路を設け、この流路内に改質ガスを通過させて、上記膜を介して改質ガス中の二酸化炭素を水酸化ナトリウムと反応させて、改質ガス中の二酸化炭素を除去することとしても良い。
【００５６】
さらに、本実施例の水素富化部１０において、アルカリ金属貯蔵部１２が備えるアルカリ金属塊１３の形状は、粒状、球形、不定形など、いかなる形状であっても良い。被膜１８を少なくとも部分的に除去した際に、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムが、充分な広さの接触面において水と反応可能であればよい。アルカリ金属塊１３は、その大きさも任意に選択することができ、個々のアルカリ金属塊１３の大きさと、アルカリ金属貯蔵部１２に予め貯蔵すべきナトリウムの総量とに基づいて、アルカリ金属貯蔵部１２に貯蔵するアルカリ金属塊１３の数量を決めればよい。ここで、アルカリ金属塊１３においてナトリウムを被覆する被膜１８は、樹脂により形成することとしたが、この被膜１８を構成する材料は、アルカリ金属貯蔵部１２内で、ナトリウムと水とが反応するのを充分に妨げることができ、さらに、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムや供給された水と反応したり、空気中の酸素などと反応して変質し難い材料であればよい。潰し棒１５によって被膜１８を損傷することによってナトリウムと水とが接触し、（５）式に示した反応が進行するようになる構成とすることで、所望量の水素を生成させることが可能となる。
【００５７】
また、上記実施例では、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムと水とを反応させる際には、潰し棒１５でアルカリ金属塊１３に押圧力を加えるという方法で、アルカリ金属塊１３の表面を覆う被膜１８を損傷させることとしたが、被膜１８を除去する方法は、被膜１８を少なくとも部分的に取り除いてナトリウムと水とを反応可能に接触させることができれば、いかなる方法でも良い。実施例のような物理的な力を加えることで被膜を損傷させる方法以外でも構わない。例えば、被膜１８が、融点の比較的低い材料で形成されている場合には、アルカリ金属塊１３を所定の温度にまで加熱して被膜を融解させるといった方法を採ることもできる。
【００５８】
また、上記実施例では、アルカリ金属貯蔵部１２が備えるアルカリ金属塊１３を構成する材料としてナトリウムを用いたが、水素化ナトリウムなどの化合物を用いても良い。表面を被膜１８で覆ったアルカリ金属塊１３を、水素化ナトリウムによって形成しても、上記実施例と同様の動作を行なうことができる。以下に、水素化ナトリウムでアルカリ金属塊１３を形成した場合に、アルカリ金属貯蔵部１２において、水素化ナトリウムと水との間で進行する反応（上記実施例の（５）式に対応する反応）を示す。
【００５９】
ＮａＨ ＋ Ｈ2Ｏ → ＮａＯＨ ＋ Ｈ2 …（７）
【００６０】
また、アルカリ金属塊１３を構成する材料として、カリウムなど他種のアルカリ金属や、その水素化物などの化合物を用いても良く、水と反応させることで容易に水素を生成すると共に、その水酸化物が二酸化炭素と容易に反応可能であれば、本発明を適用することができる。
【００６１】
また、改質器３４において炭化水素を改質することで生成される改質ガスは、通常は所定量の一酸化炭素を含有しているが、本実施例の燃料電池装置が備える燃料電池のような固体高分子型燃料電池では特に、供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を極めて低くすることが求められる。したがって、上記実施例の燃料電池装置２０において、改質ガス中の一酸化炭素濃度を充分に低減したうえで燃料電池４０に供給するために、水素富化部１０の上流側あるいは下流側に、さらに一酸化炭素低減部を設けても良い。すなわち、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化する一酸化炭素選択酸化触媒を備える一酸化炭素低減部を設け、改質ガス中の一酸化炭素を酸化することによって、改質ガス中の一酸化炭素量を低減することとしてもよい。
【００６２】
なお、上記実施例では、アルカリ金属貯蔵部１２とアルカリ水溶液貯蔵部１４とを別体で設け、前者では（５）式の反応を進行させることで水酸化ナトリウムと水素とを生成し、後者では（６）式の反応を進行させることで改質ガス中の二酸化炭素の除去を行なったが、両者を一体で形成してもよい。アルカリ金属塊１３表面の被膜１８を損傷させることによって（５）式の反応を進行させて所望量の水素を生じさせることができ、また、改質ガス中の二酸化炭素量を充分に低減可能であれば、（５）式の反応と（６）式の反応とは、同一の反応槽内で進行させることとしても良い。
【００６３】
また、上記実施例の水素富化部１０を用いれば、改質ガス中の二酸化炭素量を低減することができるので、燃料電池が備える電解質の性質などから燃料ガス中の二酸化炭素濃度が低いこと（あるいは燃料ガスが二酸化炭素をほとんど含まないこと）が要求される燃料電池においても、燃料ガスに改質ガスを適用することがより容易となる。
【００６４】
（３）第２実施例としての燃料電池装置１２０の構成：
以下に、図４に基づいて、第２実施例としての水素富化部１１０を備える燃料電池装置１２０について説明する。燃料電池装置１２０は、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えており、燃料電池装置２０と共通する部材については、同じ部材番号を付して詳しい説明を省略する。燃料電池装置１２０は、燃料電池４０に代えて燃料電池１４０を備えている。この燃料電池１４０は、水酸化ナトリウムを電解液として電解質層に備えるアルカリ型燃料電池である。以下に、アルカリ型燃料電池で進行する電気化学反応を示す。
【００６５】
Ｈ2 ＋ ２ＯＨ- → ２Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- …（８）
（１／２）Ｏ2 ＋ Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- → ２ＯＨ- …（９）
【００６６】
（８）式はアノード側で進行する反応を示し、（９）式はカソード側で進行する反応を示し、電池全体では既述した（４）式に示す反応が進行する。このようなアルカリ型燃料電池としては、電解液の保持方法によって、マトリクス型と自由電解液型とが知られているが、本実施例の燃料電池１４０は、従来知られる自由電解液型と同様の構成を有しており、電解液の交換が可能となっている。
【００６７】
さらに、本実施例の燃料電池装置１２０は、水素富化部１０に代えて、水素富化部１１０を備えている。水素富化部１１０は、後述するように、水素富化部１０とほぼ同様の構成を備えているが、燃料電池１４０の電解質層に通じる電解液供給路８０と接続しており、この電解液供給路８０を介して、ナトリウムと水との反応で生じた水酸化ナトリウムの水溶液を、燃料電池１４０が備える電解質層に供給することが可能となっている。すなわち、燃料電池１４０は、水素富化部１１０から水酸化ナトリウム水溶液の供給を受けて電解液の交換を行なうことができる。燃料電池１４０内で電解液として保持されていた液は、上記電解液の交換の動作に伴って、電解液排出路８１を介して燃料電池１４０外に排出される。
【００６８】
燃料電池装置１２０では、改質器３４で生成された改質ガスが、水素富化部１１０においてさらに水素濃度が上昇され、燃料ガスとして燃料電池１４０に供給される。また、燃料電池装置１２０は、ブロワ３８に代えて、酸素ガスを貯蔵する酸素タンク２６を備えており、この酸素タンク２６に貯蔵する酸素を、酸化ガス供給路６８を介して酸化ガスとして燃料電池１４０に供給する。
【００６９】
（４）水素富化部１１０の構成：
図５は、水素富化部１１０の構成を表わす説明図である。本実施例の水素富化部１１０は、第１実施例の水素富化部１０とほぼ同様の構成を有しており、共通する部材については同じ部材番号を付した。水素富化部１１０では、アルカリ金属貯蔵部１２とアルカリ水溶液貯蔵部１４とを接続するアルカリ水溶液供給路１６において、切り替え弁１１を備えている。この切り替え弁１１において、アルカリ水溶液供給路１６は、既述した電解液供給路８０と接続している。切り替え弁１１は、制御部５０に接続されてその切り替え状態が制御されており、切り替え弁１１を切り替えることによって、アルカリ金属貯蔵部１２から排出された水酸化ナトリウム水溶液をアルカリ水溶液貯蔵部１４に供給するか、アルカリ金属貯蔵部１２から排出された水酸化ナトリウム水溶液を電解液として燃料電池１４０に供給するかを切り替えることができる。
【００７０】
このような水素富化部１１０では、水タンク２４から水分岐路７４を介してアルカリ金属貯蔵部１２に供給された水は、第１実施例と同様に、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムと反応して、水素と水酸化ナトリウムを生じる。生じた水酸化ナトリウムは、水溶液の状態でアルカリ水溶液供給路１６に排出され、切り替え弁１１の切り替え状態に応じて、既述したように、燃料電池１４０とアルカリ水溶液貯蔵部１４とのいずれかに供給される。アルカリ水溶液貯蔵部１４に供給された水酸化ナトリウム水溶液は、第１実施例と同様に、改質器３４から改質ガス流路６５を介して供給された改質ガス中の二酸化炭素量を削減するために用いられる。アルカリ水溶液貯蔵部１４を通過した改質ガスは、アルカリ金属貯蔵部１２で生成された水素と混合されて、燃料ガスとして燃料電池１４０に供給される。
【００７１】
なお、切り替え弁１１の切替の動作は、燃料電池１４０の電解液の劣化の程度に応じて行なうこととした。アルカリ型燃料電池では、供給するガス中に二酸化炭素が混在している場合には、この二酸化炭素が電解液中の水酸化物イオンと反応する。以下に、二酸化炭素と水酸化物イオンの反応式を示す。
【００７２】
２ＯＨ- ＋ ＣＯ2 → ＣＯ3 2- ＋ Ｈ2Ｏ …（１０）
【００７３】
このように、燃料電池１４０に供給されるガス中に二酸化炭素が含まれると、電解液中の水酸化物イオンと二酸化炭素とが反応して炭酸イオンが生成し、これが電解液中に蓄積され、炭酸イオンによって電解液のアルカリの性質が次第に希薄となる（以後、これを電解液の劣化という）。アルカリ型燃料電池では、発電の際に発電量に応じて水酸化物イオンがカソード側からアノード側に移動するが（既述した（８）式および（９）式の反応を参照）、上記（１０）式の反応によって炭酸イオンが生じて電解液のアルカリの性質が弱まると、電解液の抵抗が増大して電池性能が低下してしまう。
【００７４】
本実施例の燃料電池装置１２０では、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵した水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガスを通過させて、改質ガス中の二酸化炭素を低減したうえで燃料電池に供給するため、このような電解液の劣化は抑えられているが、水素富化部１１０から排出される燃料ガス中に微量に残留する二酸化炭素によって、次第に電解液が劣化することがある。そこで、電解液の劣化状態を検知し、電解液が劣化したと判断されるときには、切り替え弁１１を切り替えて電解液の交換を行ない、燃料電池１４０の性能を確保している。
【００７５】
電解液の劣化状態を検知するために、本実施例では、燃料電池１４０内に、電解液のｐＨを検出するｐＨセンサ１４２を設けている（図４参照）。ｐＨセンサ１４２が検出した電解液のｐＨが、予め定めた所定の値よりも小さくなり、燃料電池１４０において所望の性能が得られなくなったと判断されたときには、切り替え弁１１を所定の時間切り替えて、アルカリ金属貯蔵部１２から排出される水酸化ナトリウム水溶液を燃料電池１４０に供給して、電解液の交換を行なう。
【００７６】
以上のように構成された水素富化部１１０を備える燃料電池装置１２０によれば、第１実施例と同様の効果を奏すると共に、さらに以下のような効果が得られる。すなわち、燃料電池としてアルカリ型燃料電池を備えており、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液を、この燃料電池の電解液を交換するために用いることにより、燃料電池に供給されるガス中に含まれる二酸化炭素に起因して電解液が劣化して燃料電池の性能が低下してしまうのを防ぐことができる。
【００７７】
上記実施例では、燃料電池１４０の電解液のｐＨを検出することで電解液の劣化状態を判断し、電解液が劣化したと判断されるときに電解液の交換を行なうこととしたが、電解液の劣化状態を直接検出することに代えて、例えば、燃料電池による発電を所定時間行なう毎に、あるいは、所定量のガスを燃料電池に供給する毎に、あるいは、燃料電池による発電量が所定量を超える毎に、電解液の交換を行なうこととしてもよい。燃料電池における発電状態がある程度安定していれば、発電時間や、燃料電池に供給するガス量や、発電量等に基づいて、電解液の劣化状態を推定することができる。
【００７８】
また、上記実施例では、電解液の交換を行なうとき以外は、アルカリ水溶液貯蔵部１４において改質ガス中の二酸化炭素量の低減を図ることができる構成としたが、改質ガスのように燃料電池に燃料ガスとして供給するガス中の二酸化炭素量を許容範囲とすることができれば、アルカリ金属貯蔵部１２で生成される水酸化ナトリウム水溶液は、燃料ガスとして用いるガス中の二酸化炭素量の削減には用いることなく、アルカリ型燃料電池の電解液の交換だけに用いることとしても良い。燃料電池に供給する燃料ガス中の二酸化炭素量が充分に少なければ、電解液の交換を継続して行なうことで、アルカリ型燃料電池の性能を確保することが可能となる。
【００７９】
既述した第１および第２実施例では、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液はそのままアルカリ水溶液貯蔵部１４あるいは燃料電池１４０に供給することとしたが、アルカリ金属貯蔵部１２から排出される水酸化ナトリウム水溶液を一旦所定のタンク内に貯蔵し、その後必要に応じて、このタンクから、アルカリ水溶液貯蔵部１４あるいは燃料電池１４０に、水酸化ナトリウム水溶液を供給することとしても良い。このようなタンクを設けることで、アルカリ金属塊１３を用いた水素の生成量と、改質ガスにおける二酸化炭素の低減量と、燃料電池１４０における電解液の交換量とを、ある程度切り離して制御することが可能となる。
【００８０】
また、上記第２実施例では、酸化ガスとして、酸素タンク２６に貯蔵した酸素ガスを用いることとしたが、第１実施例と同様に酸化ガスとして空気を用い、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液によって、酸化ガスとして用いる空気中の二酸化炭素を除去しても良い。この場合には、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液の流路を切り替える手段をさらに設け、水酸化ナトリウム水溶液を、電解液の交換と、燃料ガス中の二酸化炭素の除去と、酸化ガス中の二酸化炭素の除去とのいずれに用いるかを、燃料電池装置の運転状態などに応じて切り替える、あるいは、それぞれに用いるアルカリ水溶液の量を制御することとすればよい。
【００８１】
なお、上記第２実施例においても、既述した第１実施例と同様に、アルカリ金属貯蔵部１２が備えるアルカリ金属塊１３は、ナトリウム以外に、水素化ナトリウムのような化合物や、カリウムや水素化カリウムなど他種のアルカリ金属やその化合物によって形成してもよい。その際、第２実施例のように、アルカリ金属貯蔵部１２で生じたアルカリ金属の水酸化物の水溶液を、アルカリ型燃料電池の電解液の交換に用いる場合には、アルカリ金属塊１３を構成するアルカリ金属と、燃料電池の電解液であるアルカリ金属の水酸化物の水溶液を構成するアルカリ金属とを、同種のアルカリ金属とすればよい。
【００８２】
ここで、ナトリウムとカリウム以外に、他種のアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を用いた場合にも、水と反応させることで同様に水素を発生させることができる。しかしながら、ナトリウムとカリウム、およびそれらの水素化物を用いる場合には、その水酸化物および炭酸塩は、他種のアルカリ金属あるいはアルカリ土類を用いた場合に比べて水に対して高い溶解度を示すため、生じた水酸化物および炭酸塩を水溶液の状態で容易に移送し、貯蔵し、反応に供することができて特に有利である。
【００８３】
なお、既述した実施例では、改質ガスを生成するための原燃料としてメタノールを用いたが、メタノール以外の炭化水素を原燃料として用いても良く、また、水蒸気改質反応以外の例えば部分酸化反応によって、あるいはこれらの反応を組み合わせて炭化水素の改質を行なってもよい。炭化水素を改質して得られる改質ガスのように、水素と二酸化炭素とを含有するガスに対して本発明を適用することによって、このガス中の水素濃度および水素分圧を充分に高くする既述した効果を得ることができる。
【００８４】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である水素富化部１０の構成を表わす説明図である。
【図２】燃料電池装置２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図３】アルカリ金属塊１３を用いて水素を発生させる動作を表わす説明図である。
【図４】燃料電池装置１２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図５】水素富化部１１０の構成を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０…水素富化部
１１…切り替え弁
１２…アルカリ金属貯蔵部
１３…アルカリ金属塊
１４…アルカリ水溶液貯蔵部
１５…潰し棒
１６…アルカリ水溶液供給路
１７…改質ガス排出路
１８…被膜
１９…水素排出路
２０，１２０…燃料電池装置
２２…原燃料タンク
２４…水タンク
２６…酸素タンク
２８…バーナ
３２…蒸発器
３４…改質器
３８…ブロワ
４０，１４０…燃料電池
５０…制御部
５２…入出力ポート
５４…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５８…ＲＡＭ
６０…メタノール流路
６１…メタノール分岐路
６２…水流路
６３…原燃料供給路
６４…原燃料ガス供給路
６５…改質ガス流路
６６…燃料ガス供給路
６７…燃料排出路
６８…酸化ガス供給路
６９…酸化排ガス路
７０…第１ポンプ
７１…第２ポンプ
７２…第３ポンプ
７３…第４ポンプ
７４…水分岐路
８０…電解液供給路
８１…電解液排出路
１４２…ｐＨセンサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素富化装置および燃料電池装置に関し、詳しくは、炭化水素を改質したガスのような水素を含有するガスの水素分圧をさらに高める水素富化装置、および、このような水素富化装置を備え、得られたより水素分圧の高いガスを燃料電池における電気化学反応に供する燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池を用いて発電を行なう方法としては、燃料電池に供給する水素を含有する燃料ガスに、炭化水素を改質して得られる改質ガスを用いる方法が知られている。炭化水素を原燃料として、例えば水蒸気改質反応を行なうと、水素と二酸化炭素とを生成することができるため、このような炭化水素の改質によって得られる改質ガスを燃料ガスとして、燃料電池において電気化学反応を進行させることができる。
【０００３】
ここで、燃料電池の電池性能を向上させ、出力電圧をより高めるためには、各電極に供給するガス中の電極活物質の分圧を上昇させると共に、電極活物質の濃度（純度）を上昇させることが有用である。すなわち、アノード側に供給する燃料ガスではガス中の水素分圧および水素濃度を、カソード側に供給する酸化ガスではガス中の酸素分圧および酸素濃度を、より上昇させることが望ましい。
【０００４】
したがって、燃料ガスとして上記改質ガスを用いる場合にも、改質ガス中の水素分圧および水素濃度をさらに高めることによって、燃料電池の電池性能の向上を図ることが考えられる。改質ガス中の水素濃度を高める方法としては、改質ガスを燃料ガスとして燃料電池に供給するのに先立って、改質ガスを間接的にアルカリ水溶液と接触させて、改質ガス中の二酸化炭素とアルカリ水溶液中のアルカリとを反応させる方法が提案されている（例えば、特開平３−２９５１７５公報等）。このような方法によれば、二酸化炭素とアルカリとを反応させて改質ガス中の二酸化炭素量を削減することにより、改質ガス中の水素濃度を上昇させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように二酸化炭素とアルカリとを反応させることで改質ガス中の二酸化炭素量を削減しても、水素濃度が高まることによる所定の効果（反応に寄与しない他の成分の存在によって反応が妨げられるのを防ぐ効果）は得られるものの、二酸化炭素を除去することだけにより水素分圧を充分に高めることは困難であって、充分に水素分圧を高めるためには、改質ガスの総量を増やす必要があった。改質ガスの総量を増やそうとすると、改質ガスを生成するための原燃料である炭化水素の消費量が増大してしまう（運転効率が低下してしまう）ため、採用し難い場合がある。したがって、このような運転効率の低下を伴うことなく、燃料電池の電池性能をさらに向上させることが望まれていた。
【０００６】
本発明の水素富化装置および燃料電池装置は、こうした問題を解決し、水素を含有するガス中の水素分圧をより高めることを目的として、次の構成を採った。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の水素富化装置は、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスの供給を受け、前記混合ガスよりも水素濃度の高い水素リッチガスを排出する水素富化装置であって、
アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化装置における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部と、
前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、
前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段と、
前記混合ガスの供給を受け、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液中の前記アルカリ金属の水酸化物と、前記混合ガス中の二酸化炭素とを反応させることによって、前記混合ガスから二酸化炭素を除去し、前記混合ガスから、二酸化炭素量を低減した二酸化炭素低減ガスを生成する二酸化炭素除去手段と、
前記二酸化炭素除去手段が生成した前記二酸化炭素低減ガスと、前記誘発手段における前記反応で生じた前記水素とを混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッチガス排出手段と
を備えることを要旨とする。
【０００８】
以上のように構成された本発明の水素富化装置は、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化装置における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部に対して水を供給する。水素生成部では、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる。また、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスの供給を受け、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液中の前記アルカリ金属の水酸化物と、前記混合ガス中の二酸化炭素とを反応させることによって、前記混合ガスから二酸化炭素を除去し、前記混合ガスから、二酸化炭素量を低減した二酸化炭素低減ガスを生成する。さらに、この二酸化炭素低減ガスと、前記反応で生じた前記水素とを混合し、前記水素リッチガスとして排出する。
【０００９】
このような水素富化装置によれば、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物と、水との反応により生じたアルカリ金属の水酸化物を用いて、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガス中の二酸化炭素を除去する。したがって、混合ガス中の二酸化炭素濃度を充分に低くすることができる。また、上記反応により生じた水素を、混合ガスの二酸化炭素濃度を低減して得られる二酸化炭素低減ガスに混合するため、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスを基にして、二酸化炭素濃度が充分に低く、水素分圧が充分に高いガスを得ることができる。
【００１０】
水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスを得る方法としては、炭化水素を改質する方法が良く知られているが、このような改質ガスを混合ガスとして本発明を適用すれば、炭化水素を改質して得られる改質ガスから、二酸化炭素濃度が充分に低く極めて水素純度の高いガスを得ることができる。
【００１１】
ここで、水素生成部が備えるアルカリ金属塊は、粒状、球形、不定形などいかなる形状であってもよく、前記被膜が損傷された結果、アルカリ金属と水とが反応するのを妨げない形状であればよい。また、前記被膜を構成する充分に安定である材料とは、前記水素富化装置における所定の条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、これらのうちの少なくとも一つ、あるいは酸素など周囲の動作環境中に存在する物質との間で化学反応を起こす活性が充分に低く、非所望時に溶融や気化などの変化を起こさない材料であればよい。このような性質の材料によって被膜を形成することによって、非所望時にアルカリ金属と水とが接触して反応を起こすのを防ぐことができる。
【００１２】
本発明の水素富化装置において、前記アルカリ金属は、ナトリウムまたはカリウムであることとしてもよい。
【００１３】
また、本発明の水素富化装置において、前記アルカリ金属の化合物は、前記アルカリ金属の水素化物であることとしてもよい。アルカリ金属の水素化物も、水と反応して水素とアルカリ金属の水酸化物を生じる活性が充分に高い。
【００１４】
このようなアルカリ金属あるいはアルカリ金属の化合物を用いれば、上記反応で生じるアルカリ金属の水酸化物や、これが二酸化炭素と反応して生じるアルカリ金属の炭酸塩は、水に対する溶解度が充分に高いため、上記反応で生じたアルカリ金属の水酸化物やアルカリ金属の炭酸塩を、水溶液の状態で、容易に移送し、貯蔵し、その後の反応に供し、また排出することができて有利である。
【００１５】
また、本発明の水素富化装置において、前記反応誘発手段は、物理的な力によって前記被膜を損傷させることとしてもよい。
【００１６】
本発明の第１の燃料電池装置は、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
請求項１ないし４いずれか記載の水素富化装置と、
前記水素富化装置が排出した前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段とを備えることを要旨とする。
【００１７】
以上のように構成された本発明の第１の燃料電池装置は、請求項１ないし４記載の水素富化装置が排出した水素リッチガスを、燃料ガスとして燃料電池に供給し、燃料電池では、この燃料ガスと共に酸素を含有する酸化ガスをさらに供給され、電気化学反応により起電力を得る。
【００１８】
このような燃料電池装置によれば、本発明の水素富化装置を用いて、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスを基にして、より水素濃度および水素分圧が高い水素リッチガスを生じ、この水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池で発電を行なうため、燃料電池の性能をより向上させることができる。例えば、燃料電池に供給する燃料ガスとしては、炭化水素を改質した改質ガスが広く知られているが、水素と二酸化炭素とを含有するこのような改質ガスを、上記水素富化装置によってより水素濃度を高めて燃料電池に供給することにより、燃料電池の性能を大きく向上させることができる。
【００１９】
このような本発明の第１の燃料電池装置において、前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、
前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質層に供給する電解液交換手段をさらに備えることとしてもよい。
【００２０】
このような場合には、既述した効果に加えてさらに、以下のような効果を奏する。すなわち、水素富化装置が備える反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として、アルカリ型燃料電池の電解質層に供給することができるため、アルカリ型燃料電池の電解液が劣化して電池性能が低下してしまうのを抑えることができる。
【００２１】
このような燃料電池装置において、
前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する電解液劣化状態検知手段と、
前記反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液の流路を切り替えて、該水溶液を、前記電解液交換手段によって前記電解液の交換に用いるか、あるいは、前記二酸化炭素除去手段によって前記混合ガス中の二酸化炭素の除去に用いるかを、選択可能である切り替え手段と、
前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうように、前記切り替え手段を切り替える制御手段と
をさらに備えることとしてもよい。
【００２２】
このような構成とすれば、アルカリ型燃料電池を備える燃料電池装置において、燃料電池の電解液の劣化を検知したときには、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうことができるので、電解液の劣化に起因して電池性能が低下してしまうのを防ぐことができる。また、それ以外の場合には、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を用いて混合ガス中の二酸化炭素の除去を行ない、二酸化炭素が低減されたガスを燃料ガスとして燃料電池に供給することができるため、燃料ガス中に含まれる二酸化炭素によって電解液が劣化してしまうのを抑えることができる。
【００２３】
本発明の第２の燃料電池装置は、
水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
少なくとも水素を含有する水素含有ガスの供給を受け、水素濃度の高い水素リッチガスを排出する水素富化部と、
前記水素富化部が排出した前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段とを備えると共に、
前記水素富化部は、
アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化部における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部と、
前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、
前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段と、
前記反応誘発手段における前記反応で生じた前記水素と、前記水素含有ガスとを混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッチガス排出手段とを備え、
前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、
前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発手段における前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質層に供給する電解液交換手段をさらに備えることを要旨とする。
【００２４】
以上のように構成された本発明の第２の燃料電池装置は、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、水素富化部における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部に対して水を供給する。水素生成部では、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる。このアルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液は、この燃料電池装置が備えるアルカリ型燃料電池の電解質層に対して、新たな電解液として供給される。また、前記反応により生じた水素と、前記混合ガスとを混合し、前記混合ガスよりも水素濃度が高い水素リッチガスを生じる。前記燃料電池は、この水素リッチガスを燃料ガスとして供給され、酸素を含有する酸化ガスをさらに供給されて、電気化学反応により起電力を得る。
【００２５】
このような燃料電池装置によれば、水素富化部が備える反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として、アルカリ型燃料電池の電解質層に供給することができるため、アルカリ型燃料電池の電解液が劣化して電池性能が低下してしまうのを抑えることができる。さらに、前記反応で生じた水素を、前記水素含有ガスと混合して水素リッチガスとし、この水素リッチガスを燃料ガスとして燃料電池に供給するため、前記水素含有ガスが水素以外の成分を含有する場合にはより水素濃度が高いガスを燃料ガスとすることができると共に、水素分圧が高いガスを燃料ガスとすることができるため、燃料電池の性能をさらに向上させることができる。また、前記反応で生じた水素を前記水素含有ガスと混合して用いることにより、所定量の発電に要する前記水素含有ガスの量を削減することができる。
【００２６】
このような本発明の第２の燃料電池装置において、
前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する電解液劣化状態検知手段をさらに備え、
前記電解液交換手段は、前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうように、前記水溶液を前記燃料電池に供給することとしても良い。
【００２７】
このような構成とすれば、電解液の劣化を検知した上で前記電解液の交換を行なうため、電解液の劣化に起因して電池性能が低下してしまうのを確実に防ぐことができる。
【００２８】
なお、本発明の第１および第２の燃料電池装置において、電解液劣化の検知は、例えば、電解液のｐＨを検出することによって容易に検知することができる。アルカリ金属の水酸化物の水溶液からなる電解液が、燃料電池に供給されるガス中の二酸化炭素によって劣化すると、上記アルカリ金属の水酸化物と二酸化炭素とが反応し、これに伴って電解液のｐＨの値が次第に小さくなる。したがって、電解液のｐＨを検出することで、電解液の劣化状態を知ることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。
（１）装置の全体構成：
図１は、本発明の好適な第１実施例である水素富化部１０の構成を表わす説明図、図２は、この水素富化部１０を備える燃料電池装置２０の構成を例示する概略構成図である。まず、図２に基づいて、燃料電池装置２０の構成について説明する。燃料電池装置２０は、メタノールを貯蔵する原燃料タンク２２、水を貯蔵する水タンク２４、メタノールおよび水を気化するための蒸発器３２、蒸発器３２に併設されて燃焼ガスを発生するバーナ２８、改質反応によって水素を含有する改質ガスを生成する改質器３４、改質ガス中の水素濃度を高める水素富化部１０、電気化学反応により起電力を得る燃料電池４０、空気を圧縮して燃料電池４０に供給するブロワ３８、コンピュータにより構成される制御部５０を主な構成要素とする。以下、それぞれの構成要素について順に説明する。
【００３０】
原燃料タンク２２に貯蔵されるメタノールは、蒸発器３２およびバーナ２８に供給される。原燃料タンク２２と蒸発器３２とを接続するメタノール流路６０には第２ポンプ７１が設けられており、メタノール流路６０から分岐してバーナ２８に通じるメタノール分岐路６１には第１ポンプ７０が設けられている。第１ポンプ７０および第２ポンプ７１は、制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器３２およびバーナ２８に供給されるメタノールの量を制御する。
【００３１】
水タンク２４に貯蔵される水は、蒸発器３２および水素富化部１０に供給される。水タンク２４と蒸発器３２とを接続する水流路６２には第３ポンプ７２が設けられており、水流路６２から分岐して水素富化部１０に通じる水分岐路７４には第４ポンプ７３が設けられている。第３ポンプ７２および第４ポンプ７３は、制御部５０に接続されており、制御部５０から出力される信号によって駆動され、蒸発器３２および水素富化部１０に供給する水量を調節する。水流路６２は、メタノール流路６０と合流して原燃料供給路６３となり、所定量ずつ混合されたメタノールと水とが、蒸発器３２に供給される。
【００３２】
蒸発器３２は、原燃料タンク２２から供給されるメタノールと、水タンク２４から供給される水とを気化させる装置であり、上記したようにメタノールと水の供給を受けて、昇温したメタノールと水との混合気体を排出する。蒸発器３２から排出された水蒸気とメタノールとの混合気体は、原燃料ガス供給路６４を介して改質器３４に供給される。蒸発器３２には、メタノールおよび水を気化させる熱源としてバーナ２８が併設されている。バーナ２８は、燃焼のための燃料を、燃料電池４０のアノード側および原燃料タンク２２から供給される。燃料電池４０は、メタノールを改質器３４で改質して生成した水素を含有するガスを燃料として電気化学反応を行なうが、燃料電池４０に供給されたすべての水素が電気化学反応において消費されるわけではなく、消費されずに残った水素を含む燃料排ガスは燃料排出路６７に排出される。バーナ２８は、この燃料排出路６７に接続して燃料排ガスの供給を受け、消費されずに残った水素を完全燃焼させて燃料の利用率の向上を図っている。通常はこのような排燃料だけではバーナ２８における燃焼反応のための燃料として不足するため、この不足分に相当する燃料、および燃料電池装置２０の起動時のように燃料電池４０から排燃料の供給を受けられないときの、バーナ２８における燃焼反応のための燃料は、既述したメタノール分岐路６１を介して、原燃料タンク２２から供給される。
【００３３】
改質器３４は、供給されたメタノールと水との混合気体である原燃料ガスを改質して、水素を含有する改質ガスを生成する。以下に、メタノールの水蒸気改質反応を表わす反応式を示す。
【００３４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋３Ｈ2−４９．５（kJ/mol） …（１）
【００３５】
改質器３４は、このような改質反応を促進する改質触媒を備えている。本実施例では、メタノールの水蒸気改質反応を促進する触媒としてＣｕ−Ｚｎ触媒を用いた。改質器３４内で上記改質触媒を保持する形状としては、種々のものを選択可能であるが、例えば、この改質触媒を粒子状に成形して成るペレットを改質器の内部に充填することとしてもよいし、あるいは、改質器をハニカム状に形成してその表面に上記改質触媒を担持させることとしてもよい。本実施例の改質器３４では、ハニカム上に改質触媒を担持することとした。また、改質器３４は、さらに、図示しない熱源（例えばヒータ）を備えている。改質器３４で進行する水蒸気改質反応は（１）式に示したように吸熱反応であるため、改質器３４で水素を生成する際には、この熱源によって、水蒸気改質反応で要する熱を賄っている。あるいは、バーナ２８を備える蒸発器３２において、メタノールと水とからなる混合ガスを充分に昇温させ、水蒸気改質反応で要する熱を混合ガス自身によって蒸発器３２から改質器３４に持ち込むこととしてもよい。改質器３４に導入されたメタノールと水とからなる混合気体は、（１）式に示す水蒸気改質反応によって水素を含有する改質ガスとなり、改質ガス流路６５を介して水素富化部１０に供給される。
【００３６】
水素富化部１０は、水素を含有する改質ガスの供給を受けて、改質ガス中の二酸化炭素を除去すると共に、この改質ガスにさらに水素を加えることで、ガス中の水素濃度がより高い水素リッチガスとする装置である。この水素富化部１０の構成は、本発明の要部に対応するものであり、後で詳しく説明する。
【００３７】
水素富化部１０で上記のように水素濃度が上昇した水素リッチガスは、燃料ガス供給路６６によって燃料電池４０に導かれ、燃料ガスとしてアノード側における電池反応に供される。なお、燃料電池４０で電池反応に供された後の燃料排ガスは、既述したように燃料排出路６７に排出されてバーナ２８に導かれ、この燃料排ガス中に残っている水素が燃焼のための燃料として消費される。一方、燃料電池４０のカソード側における電池反応に関わる酸化ガスは、ブロワ３８から酸化ガス供給路６８を介して圧縮空気として供給される。電池反応に用いられた残りの酸化排ガスは、酸化排ガス路６９を介して外部に排出される。
【００３８】
燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。以下に、固体高分子型燃料電池で進行する電気化学反応を示す。
【００３９】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（２）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（３）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（４）
【００４０】
（２）式はアノード側で進行する反応、（３）式はカソード側で進行する反応を示し、燃料電池全体では（４）式に示す反応が進行する。燃料電池４０が生じた電力は、燃料電池４０に接続される所定の負荷に供給される。
【００４１】
制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ５４と、ＣＰＵ５４で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５４で各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ５８と、燃料電池装置２０が備える各種センサからの検出信号を入力すると共にＣＰＵ５４での演算結果に応じて既述したブロワ３８やポンプなどに駆動信号を出力する入出力ポート５２等を備える。制御部５０は、このように各種の信号を入出力することによって、燃料電池装置２０全体の運転状態を制御する。
【００４２】
（２）第１実施例としての水素富化部１０の構成：
図１に示すように、水素富化部１０は、アルカリ金属貯蔵部１２と、アルカリ水溶液貯蔵部１４とを備えている。水素富化部１０は、アルカリ金属貯蔵部１２において水素を生成すると共に、アルカリ水溶液貯蔵部１４において改質ガス中の二酸化炭素の低減を行ない、上記生成した水素と、二酸化炭素を低減した改質ガスとを混合して、水素濃度および水素分圧の高い燃料ガスとして排出する。
【００４３】
既述したように、水タンク２４に貯蔵した水を導く水流路６２から分岐する水分岐路７４は、水素富化部１０に接続しているが、水素富化部１０内では、上記水分岐路７４は、アルカリ金属貯蔵部１２に接続している。アルカリ金属貯蔵部１２は、その内部に、アルカリ金属から成るアルカリ金属塊１３を備えている。アルカリ金属塊１３は、アルカリ金属の固まりであって、その表面は、樹脂から成る被膜１８によって覆われている。なお、本実施例では、アルカリ金属塊１３を構成するアルカリ金属として、ナトリウムを採用した。
【００４４】
図１には記載を省略しているが、アルカリ金属貯蔵部１２は、上記アルカリ金属塊１３が備える被膜１８を徐々に損傷させるための構造を備えている。図３は、アルカリ金属塊１３が備える被膜１８を損傷させる動作を表わす説明図である。アルカリ金属貯蔵部１２は、その内部に潰し棒１５を備えており、この潰し棒１５をアルカリ金属塊１３に接触させて所定の押圧力を加えることで、アルカリ金属塊１３表面の被膜１８を徐々に損傷させることができる。この潰し棒１５の動作、すなわち潰し棒１５によって被膜１８を損傷させる速度は、制御部５０によって制御されている。
【００４５】
上記したように、アルカリ金属貯蔵部１２には水タンク２４から水が供給され、供給された水は、潰し棒１５によってアルカリ金属塊１３の被膜１８が損傷されるのにしたがって、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムと反応する。以下に、ナトリウムと水との反応を示す。
【００４６】
Ｎａ ＋ Ｈ2Ｏ → ＮａＯＨ ＋（１／２）Ｈ2 …（５）
【００４７】
上記（５）式に示すように、アルカリ金属貯蔵部１２では、ナトリウムと水とが反応することで水素と水酸化ナトリウムとが生じる。生じた水素は、アルカリ金属貯蔵部１２に接続する水素排出路１９に排出される。また、生じた水酸化ナトリウムは、アルカリ金属貯蔵部１２に供給された上記水中に溶解するため、アルカリ金属塊１３と接触するようアルカリ金属貯蔵部１２に供給された水は、水酸化ナトリウム水溶液となる。アルカリ金属貯蔵部１２は、さらに、アルカリ水溶液供給路１６を介してアルカリ水溶液貯蔵部１４に接続しており、アルカリ金属貯蔵部１２で生成された上記水酸化ナトリウム水溶液は、アルカリ水溶液供給路１６を介してアルカリ水溶液貯蔵部１４に送られる。
【００４８】
なお、アルカリ水溶液供給路１６には、制御部５０に接続される図示しないバルブが設けられており、アルカリ金属貯蔵部１２からアルカリ水溶液貯蔵部１４に送られる水酸化ナトリウムの量を制御している。制御部５０は、上記バルブと、既述した第４ポンプ７３および潰し棒１５の動作を制御することで、充分量の水をアルカリ金属貯蔵部１２に供給しつつ所望の速度で被膜１８を損傷させて、所望量の水素を生成すると共に、濃度が上昇した水酸化ナトリウム水溶液をアルカリ水溶液貯蔵部１４に送り、さらなる水の供給を行なうことで、引き続きアルカリ金属貯蔵部１２で水素を生成可能としている。
【００４９】
アルカリ水溶液貯蔵部１４は、上記したようにアルカリ金属貯蔵部１２から送られた水酸化ナトリウム水溶液を貯蔵すると共に、改質ガスの供給を受ける部材である。図２に示したように、水素富化部１０は、改質ガス流路６５を介して改質器３４から改質ガスを供給されるが、水素富化部１０では、改質ガス流路６５はアルカリ水溶液貯蔵部１４に接続されており、改質ガスはアルカリ水溶液貯蔵部１４に供給される。アルカリ水溶液貯蔵部１４では、貯蔵した水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガスをバブリングさせることで両者を接触させる。このように水酸化ナトリウム水溶液と改質ガスとを接触させると、改質ガス中の二酸化炭素と水酸化ナトリウムとが容易に反応する。以下に、この反応式を示す。
【００５０】
２ＮａＯＨ ＋ ＣＯ2 → Ｎａ2ＣＯ3 ＋ Ｈ2Ｏ …（６）
【００５１】
水酸化ナトリウムと二酸化炭素とが反応して生じた炭酸ナトリウムは、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に容易に溶解すると共に、上記反応で生じた水は、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に混合される。このように、水酸化ナトリウムと二酸化炭素とが反応することによって、二酸化炭素が除去された改質ガスは、アルカリ水溶液貯蔵部１４から改質ガス排出路１７に排出される。この改質ガス排出路１７は、既述した水素排出路１９と合流し、二酸化炭素が除去された改質ガスは、アルカリ金属貯蔵部１２で生成した水素と混合される。改質ガス排出路１７と水素排出路１９とは合流して既述した燃料ガス供給路６６となり、二酸化炭素を除去した改質ガスと水素との混合ガスは、燃料ガスとして燃料電池４０に供給される。
【００５２】
以上のように構成された本実施例の水素富化部１０を備える燃料電池装置２０によれば、炭化水素を改質して得た水素と二酸化炭素とを含有する改質ガス中の二酸化炭素量を低減し、さらに、この二酸化炭素量を低減した改質ガスに水素を付加して燃料ガスとするため、極めて水素濃度が高く、水素分圧も充分に高いガスを燃料ガスとして燃料電池に供給することができ、燃料電池の性能を高めることができる。ここで、二酸化炭素を除去するために用いる水酸化ナトリウム水溶液は、水素を生成する過程で得られるため、二酸化炭素の除去のために予め水酸化ナトリウム水溶液を備える必要が無く、アルカリ金属塊を備えておけば、従来から炭化水素の改質に用いていた水をさらに流用するだけで、水素のさらなる生成と改質ガス中の二酸化炭素の除去との両方を行なうことができる。したがって、移動体の移動用電源として燃料電池を用い、燃料電池装置を移動体に搭載する場合などには、装置を過度に大型化することなく、電池性能を大きく向上させることができるため、特に有利である。
【００５３】
また、ナトリウムからなるアルカリ金属塊は、水と反応することで多量の水素を発生するため、本実施例によれば、所定量の電力を燃料電池から得るために必要な炭化水素量を削減することができる。したがって、燃料電池装置を移動体に搭載する場合には、移動体の航続距離（所定量の炭化水素を改質のための原燃料として搭載した場合に、この原燃料を改質して得た水素を燃料として燃料電池の発電を行ない、移動体が移動可能な距離）を充分に延ばすことができる。
【００５４】
なお、既述したように、アルカリ水溶液貯蔵部１４では、その内部に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中の水酸化ナトリウムは、改質ガス中の二酸化炭素と反応することによって消費され、この反応によって生じた炭酸ナトリウムは、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に溶解する。そのため、アルカリ水溶液貯蔵部１４では、アルカリ金属貯蔵部１２から新たに水酸化ナトリウム水溶液が供給されるのに従い、内部の水酸化ナトリウム水溶液を入れ替えることが望ましい。これにより、アルカリ水溶液貯蔵部１４内は、充分量の水酸化ナトリウムを常に備えることができ、改質ガス中の二酸化炭素を充分に取り除くことができる状態を維持することができる。
【００５５】
また、上記実施例では、アルカリ水溶液貯蔵部１４において、水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガスをバブリングさせることで両者を直接に接触させて、改質ガス中の二酸化炭素と水酸化ナトリウムとを反応させ、改質ガスから二酸化炭素を除去したが、水酸化ナトリウム水溶液と改質ガスとは間接的に接触させることとしても良い。例えば、アルカリ水溶液貯蔵部１４内に、気体は通過可能であって液体は通過不能である通気性の膜を備える流路を設け、この流路内に改質ガスを通過させて、上記膜を介して改質ガス中の二酸化炭素を水酸化ナトリウムと反応させて、改質ガス中の二酸化炭素を除去することとしても良い。
【００５６】
さらに、本実施例の水素富化部１０において、アルカリ金属貯蔵部１２が備えるアルカリ金属塊１３の形状は、粒状、球形、不定形など、いかなる形状であっても良い。被膜１８を少なくとも部分的に除去した際に、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムが、充分な広さの接触面において水と反応可能であればよい。アルカリ金属塊１３は、その大きさも任意に選択することができ、個々のアルカリ金属塊１３の大きさと、アルカリ金属貯蔵部１２に予め貯蔵すべきナトリウムの総量とに基づいて、アルカリ金属貯蔵部１２に貯蔵するアルカリ金属塊１３の数量を決めればよい。ここで、アルカリ金属塊１３においてナトリウムを被覆する被膜１８は、樹脂により形成することとしたが、この被膜１８を構成する材料は、アルカリ金属貯蔵部１２内で、ナトリウムと水とが反応するのを充分に妨げることができ、さらに、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムや供給された水と反応したり、空気中の酸素などと反応して変質し難い材料であればよい。潰し棒１５によって被膜１８を損傷することによってナトリウムと水とが接触し、（５）式に示した反応が進行するようになる構成とすることで、所望量の水素を生成させることが可能となる。
【００５７】
また、上記実施例では、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムと水とを反応させる際には、潰し棒１５でアルカリ金属塊１３に押圧力を加えるという方法で、アルカリ金属塊１３の表面を覆う被膜１８を損傷させることとしたが、被膜１８を除去する方法は、被膜１８を少なくとも部分的に取り除いてナトリウムと水とを反応可能に接触させることができれば、いかなる方法でも良い。実施例のような物理的な力を加えることで被膜を損傷させる方法以外でも構わない。例えば、被膜１８が、融点の比較的低い材料で形成されている場合には、アルカリ金属塊１３を所定の温度にまで加熱して被膜を融解させるといった方法を採ることもできる。
【００５８】
また、上記実施例では、アルカリ金属貯蔵部１２が備えるアルカリ金属塊１３を構成する材料としてナトリウムを用いたが、水素化ナトリウムなどの化合物を用いても良い。表面を被膜１８で覆ったアルカリ金属塊１３を、水素化ナトリウムによって形成しても、上記実施例と同様の動作を行なうことができる。以下に、水素化ナトリウムでアルカリ金属塊１３を形成した場合に、アルカリ金属貯蔵部１２において、水素化ナトリウムと水との間で進行する反応（上記実施例の（５）式に対応する反応）を示す。
【００５９】
ＮａＨ ＋ Ｈ2Ｏ → ＮａＯＨ ＋ Ｈ2 …（７）
【００６０】
また、アルカリ金属塊１３を構成する材料として、カリウムなど他種のアルカリ金属や、その水素化物などの化合物を用いても良く、水と反応させることで容易に水素を生成すると共に、その水酸化物が二酸化炭素と容易に反応可能であれば、本発明を適用することができる。
【００６１】
また、改質器３４において炭化水素を改質することで生成される改質ガスは、通常は所定量の一酸化炭素を含有しているが、本実施例の燃料電池装置が備える燃料電池のような固体高分子型燃料電池では特に、供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を極めて低くすることが求められる。したがって、上記実施例の燃料電池装置２０において、改質ガス中の一酸化炭素濃度を充分に低減したうえで燃料電池４０に供給するために、水素富化部１０の上流側あるいは下流側に、さらに一酸化炭素低減部を設けても良い。すなわち、改質ガス中の一酸化炭素を選択的に酸化する一酸化炭素選択酸化触媒を備える一酸化炭素低減部を設け、改質ガス中の一酸化炭素を酸化することによって、改質ガス中の一酸化炭素量を低減することとしてもよい。
【００６２】
なお、上記実施例では、アルカリ金属貯蔵部１２とアルカリ水溶液貯蔵部１４とを別体で設け、前者では（５）式の反応を進行させることで水酸化ナトリウムと水素とを生成し、後者では（６）式の反応を進行させることで改質ガス中の二酸化炭素の除去を行なったが、両者を一体で形成してもよい。アルカリ金属塊１３表面の被膜１８を損傷させることによって（５）式の反応を進行させて所望量の水素を生じさせることができ、また、改質ガス中の二酸化炭素量を充分に低減可能であれば、（５）式の反応と（６）式の反応とは、同一の反応槽内で進行させることとしても良い。
【００６３】
また、上記実施例の水素富化部１０を用いれば、改質ガス中の二酸化炭素量を低減することができるので、燃料電池が備える電解質の性質などから燃料ガス中の二酸化炭素濃度が低いこと（あるいは燃料ガスが二酸化炭素をほとんど含まないこと）が要求される燃料電池においても、燃料ガスに改質ガスを適用することがより容易となる。
【００６４】
（３）第２実施例としての燃料電池装置１２０の構成：
以下に、図４に基づいて、第２実施例としての水素富化部１１０を備える燃料電池装置１２０について説明する。燃料電池装置１２０は、第１実施例の燃料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えており、燃料電池装置２０と共通する部材については、同じ部材番号を付して詳しい説明を省略する。燃料電池装置１２０は、燃料電池４０に代えて燃料電池１４０を備えている。この燃料電池１４０は、水酸化ナトリウムを電解液として電解質層に備えるアルカリ型燃料電池である。以下に、アルカリ型燃料電池で進行する電気化学反応を示す。
【００６５】
Ｈ2 ＋ ２ＯＨ- → ２Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- …（８）
（１／２）Ｏ2 ＋ Ｈ2Ｏ ＋ ２ｅ- → ２ＯＨ- …（９）
【００６６】
（８）式はアノード側で進行する反応を示し、（９）式はカソード側で進行する反応を示し、電池全体では既述した（４）式に示す反応が進行する。このようなアルカリ型燃料電池としては、電解液の保持方法によって、マトリクス型と自由電解液型とが知られているが、本実施例の燃料電池１４０は、従来知られる自由電解液型と同様の構成を有しており、電解液の交換が可能となっている。
【００６７】
さらに、本実施例の燃料電池装置１２０は、水素富化部１０に代えて、水素富化部１１０を備えている。水素富化部１１０は、後述するように、水素富化部１０とほぼ同様の構成を備えているが、燃料電池１４０の電解質層に通じる電解液供給路８０と接続しており、この電解液供給路８０を介して、ナトリウムと水との反応で生じた水酸化ナトリウムの水溶液を、燃料電池１４０が備える電解質層に供給することが可能となっている。すなわち、燃料電池１４０は、水素富化部１１０から水酸化ナトリウム水溶液の供給を受けて電解液の交換を行なうことができる。燃料電池１４０内で電解液として保持されていた液は、上記電解液の交換の動作に伴って、電解液排出路８１を介して燃料電池１４０外に排出される。
【００６８】
燃料電池装置１２０では、改質器３４で生成された改質ガスが、水素富化部１１０においてさらに水素濃度が上昇され、燃料ガスとして燃料電池１４０に供給される。また、燃料電池装置１２０は、ブロワ３８に代えて、酸素ガスを貯蔵する酸素タンク２６を備えており、この酸素タンク２６に貯蔵する酸素を、酸化ガス供給路６８を介して酸化ガスとして燃料電池１４０に供給する。
【００６９】
（４）水素富化部１１０の構成：
図５は、水素富化部１１０の構成を表わす説明図である。本実施例の水素富化部１１０は、第１実施例の水素富化部１０とほぼ同様の構成を有しており、共通する部材については同じ部材番号を付した。水素富化部１１０では、アルカリ金属貯蔵部１２とアルカリ水溶液貯蔵部１４とを接続するアルカリ水溶液供給路１６において、切り替え弁１１を備えている。この切り替え弁１１において、アルカリ水溶液供給路１６は、既述した電解液供給路８０と接続している。切り替え弁１１は、制御部５０に接続されてその切り替え状態が制御されており、切り替え弁１１を切り替えることによって、アルカリ金属貯蔵部１２から排出された水酸化ナトリウム水溶液をアルカリ水溶液貯蔵部１４に供給するか、アルカリ金属貯蔵部１２から排出された水酸化ナトリウム水溶液を電解液として燃料電池１４０に供給するかを切り替えることができる。
【００７０】
このような水素富化部１１０では、水タンク２４から水分岐路７４を介してアルカリ金属貯蔵部１２に供給された水は、第１実施例と同様に、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムと反応して、水素と水酸化ナトリウムを生じる。生じた水酸化ナトリウムは、水溶液の状態でアルカリ水溶液供給路１６に排出され、切り替え弁１１の切り替え状態に応じて、既述したように、燃料電池１４０とアルカリ水溶液貯蔵部１４とのいずれかに供給される。アルカリ水溶液貯蔵部１４に供給された水酸化ナトリウム水溶液は、第１実施例と同様に、改質器３４から改質ガス流路６５を介して供給された改質ガス中の二酸化炭素量を削減するために用いられる。アルカリ水溶液貯蔵部１４を通過した改質ガスは、アルカリ金属貯蔵部１２で生成された水素と混合されて、燃料ガスとして燃料電池１４０に供給される。
【００７１】
なお、切り替え弁１１の切替の動作は、燃料電池１４０の電解液の劣化の程度に応じて行なうこととした。アルカリ型燃料電池では、供給するガス中に二酸化炭素が混在している場合には、この二酸化炭素が電解液中の水酸化物イオンと反応する。以下に、二酸化炭素と水酸化物イオンの反応式を示す。
【００７２】
２ＯＨ- ＋ ＣＯ2 → ＣＯ3 2- ＋ Ｈ2Ｏ …（１０）
【００７３】
このように、燃料電池１４０に供給されるガス中に二酸化炭素が含まれると、電解液中の水酸化物イオンと二酸化炭素とが反応して炭酸イオンが生成し、これが電解液中に蓄積され、炭酸イオンによって電解液のアルカリの性質が次第に希薄となる（以後、これを電解液の劣化という）。アルカリ型燃料電池では、発電の際に発電量に応じて水酸化物イオンがカソード側からアノード側に移動するが（既述した（８）式および（９）式の反応を参照）、上記（１０）式の反応によって炭酸イオンが生じて電解液のアルカリの性質が弱まると、電解液の抵抗が増大して電池性能が低下してしまう。
【００７４】
本実施例の燃料電池装置１２０では、アルカリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵した水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガスを通過させて、改質ガス中の二酸化炭素を低減したうえで燃料電池に供給するため、このような電解液の劣化は抑えられているが、水素富化部１１０から排出される燃料ガス中に微量に残留する二酸化炭素によって、次第に電解液が劣化することがある。そこで、電解液の劣化状態を検知し、電解液が劣化したと判断されるときには、切り替え弁１１を切り替えて電解液の交換を行ない、燃料電池１４０の性能を確保している。
【００７５】
電解液の劣化状態を検知するために、本実施例では、燃料電池１４０内に、電解液のｐＨを検出するｐＨセンサ１４２を設けている（図４参照）。ｐＨセンサ１４２が検出した電解液のｐＨが、予め定めた所定の値よりも小さくなり、燃料電池１４０において所望の性能が得られなくなったと判断されたときには、切り替え弁１１を所定の時間切り替えて、アルカリ金属貯蔵部１２から排出される水酸化ナトリウム水溶液を燃料電池１４０に供給して、電解液の交換を行なう。
【００７６】
以上のように構成された水素富化部１１０を備える燃料電池装置１２０によれば、第１実施例と同様の効果を奏すると共に、さらに以下のような効果が得られる。すなわち、燃料電池としてアルカリ型燃料電池を備えており、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液を、この燃料電池の電解液を交換するために用いることにより、燃料電池に供給されるガス中に含まれる二酸化炭素に起因して電解液が劣化して燃料電池の性能が低下してしまうのを防ぐことができる。
【００７７】
上記実施例では、燃料電池１４０の電解液のｐＨを検出することで電解液の劣化状態を判断し、電解液が劣化したと判断されるときに電解液の交換を行なうこととしたが、電解液の劣化状態を直接検出することに代えて、例えば、燃料電池による発電を所定時間行なう毎に、あるいは、所定量のガスを燃料電池に供給する毎に、あるいは、燃料電池による発電量が所定量を超える毎に、電解液の交換を行なうこととしてもよい。燃料電池における発電状態がある程度安定していれば、発電時間や、燃料電池に供給するガス量や、発電量等に基づいて、電解液の劣化状態を推定することができる。
【００７８】
また、上記実施例では、電解液の交換を行なうとき以外は、アルカリ水溶液貯蔵部１４において改質ガス中の二酸化炭素量の低減を図ることができる構成としたが、改質ガスのように燃料電池に燃料ガスとして供給するガス中の二酸化炭素量を許容範囲とすることができれば、アルカリ金属貯蔵部１２で生成される水酸化ナトリウム水溶液は、燃料ガスとして用いるガス中の二酸化炭素量の削減には用いることなく、アルカリ型燃料電池の電解液の交換だけに用いることとしても良い。燃料電池に供給する燃料ガス中の二酸化炭素量が充分に少なければ、電解液の交換を継続して行なうことで、アルカリ型燃料電池の性能を確保することが可能となる。
【００７９】
既述した第１および第２実施例では、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液はそのままアルカリ水溶液貯蔵部１４あるいは燃料電池１４０に供給することとしたが、アルカリ金属貯蔵部１２から排出される水酸化ナトリウム水溶液を一旦所定のタンク内に貯蔵し、その後必要に応じて、このタンクから、アルカリ水溶液貯蔵部１４あるいは燃料電池１４０に、水酸化ナトリウム水溶液を供給することとしても良い。このようなタンクを設けることで、アルカリ金属塊１３を用いた水素の生成量と、改質ガスにおける二酸化炭素の低減量と、燃料電池１４０における電解液の交換量とを、ある程度切り離して制御することが可能となる。
【００８０】
また、上記第２実施例では、酸化ガスとして、酸素タンク２６に貯蔵した酸素ガスを用いることとしたが、第１実施例と同様に酸化ガスとして空気を用い、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液によって、酸化ガスとして用いる空気中の二酸化炭素を除去しても良い。この場合には、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液の流路を切り替える手段をさらに設け、水酸化ナトリウム水溶液を、電解液の交換と、燃料ガス中の二酸化炭素の除去と、酸化ガス中の二酸化炭素の除去とのいずれに用いるかを、燃料電池装置の運転状態などに応じて切り替える、あるいは、それぞれに用いるアルカリ水溶液の量を制御することとすればよい。
【００８１】
なお、上記第２実施例においても、既述した第１実施例と同様に、アルカリ金属貯蔵部１２が備えるアルカリ金属塊１３は、ナトリウム以外に、水素化ナトリウムのような化合物や、カリウムや水素化カリウムなど他種のアルカリ金属やその化合物によって形成してもよい。その際、第２実施例のように、アルカリ金属貯蔵部１２で生じたアルカリ金属の水酸化物の水溶液を、アルカリ型燃料電池の電解液の交換に用いる場合には、アルカリ金属塊１３を構成するアルカリ金属と、燃料電池の電解液であるアルカリ金属の水酸化物の水溶液を構成するアルカリ金属とを、同種のアルカリ金属とすればよい。
【００８２】
ここで、ナトリウムとカリウム以外に、他種のアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を用いた場合にも、水と反応させることで同様に水素を発生させることができる。しかしながら、ナトリウムとカリウム、およびそれらの水素化物を用いる場合には、その水酸化物および炭酸塩は、他種のアルカリ金属あるいはアルカリ土類を用いた場合に比べて水に対して高い溶解度を示すため、生じた水酸化物および炭酸塩を水溶液の状態で容易に移送し、貯蔵し、反応に供することができて特に有利である。
【００８３】
なお、既述した実施例では、改質ガスを生成するための原燃料としてメタノールを用いたが、メタノール以外の炭化水素を原燃料として用いても良く、また、水蒸気改質反応以外の例えば部分酸化反応によって、あるいはこれらの反応を組み合わせて炭化水素の改質を行なってもよい。炭化水素を改質して得られる改質ガスのように、水素と二酸化炭素とを含有するガスに対して本発明を適用することによって、このガス中の水素濃度および水素分圧を充分に高くする既述した効果を得ることができる。
【００８４】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な一実施例である水素富化部１０の構成を表わす説明図である。
【図２】燃料電池装置２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図３】アルカリ金属塊１３を用いて水素を発生させる動作を表わす説明図である。
【図４】燃料電池装置１２０の構成の概略を表わすブロック図である。
【図５】水素富化部１１０の構成を表わす説明図である。
【符号の説明】
１０，１１０…水素富化部
１１…切り替え弁
１２…アルカリ金属貯蔵部
１３…アルカリ金属塊
１４…アルカリ水溶液貯蔵部
１５…潰し棒
１６…アルカリ水溶液供給路
１７…改質ガス排出路
１８…被膜
１９…水素排出路
２０，１２０…燃料電池装置
２２…原燃料タンク
２４…水タンク
２６…酸素タンク
２８…バーナ
３２…蒸発器
３４…改質器
３８…ブロワ
４０，１４０…燃料電池
５０…制御部
５２…入出力ポート
５４…ＣＰＵ
５６…ＲＯＭ
５８…ＲＡＭ
６０…メタノール流路
６１…メタノール分岐路
６２…水流路
６３…原燃料供給路
６４…原燃料ガス供給路
６５…改質ガス流路
６６…燃料ガス供給路
６７…燃料排出路
６８…酸化ガス供給路
６９…酸化排ガス路
７０…第１ポンプ
７１…第２ポンプ
７２…第３ポンプ
７３…第４ポンプ
７４…水分岐路
８０…電解液供給路
８１…電解液排出路
１４２…ｐＨセンサ
Claims (7)
- 水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスの供給を受け、前記混合ガスよりも水素濃度の高い水素リッチガスを排出する水素富化装置と、
前記水素富化装置が排出した前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、
を備え、
前記水素富化装置は、
アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化装置における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部と、
前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、
前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段と、
前記混合ガスの供給を受け、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液中の前記アルカリ金属の水酸化物と、前記混合ガス中の二酸化炭素とを反応させることによって、前記混合ガスから二酸化炭素を除去し、前記混合ガスから、二酸化炭素量を低減した二酸化炭素低減ガスを生成する二酸化炭素除去手段と、
前記二酸化炭素除去手段が生成した前記二酸化炭素低減ガスと、前記誘発手段における前記反応で生じた前記水素とを混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッチガス排出手段と
を備え、
前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、
前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質層に供給する電解液交換手段をさらに備える
燃料電池装置。 - 前記アルカリ金属は、ナトリウムまたはカリウムである請求項１記載の燃料電池装置。
- 前記アルカリ金属の化合物は、前記アルカリ金属の水素化物である請求項１または２記載の燃料電池装置。
- 前記反応誘発手段は、物理的な力によって前記被膜を損傷させる
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池装置。 - 請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池装置であって、
前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する電解液劣化状態検知手段と、
前記反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液の流路を切り替えて、該水溶液を、前記電解液交換手段によって前記電解液の交換に用いるか、あるいは、前記二酸化炭素除去手段によって前記混合ガス中の二酸化炭素の除去に用いるかを、選択可能である切り替え手段と、
前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうように、前記切り替え手段を切り替える制御手段と
をさらに備える燃料電池装置。 - 水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、
少なくとも水素を含有する水素含有ガスの供給を受け、水素濃度の高い水素リッチガスを排出する水素富化部と、
前記水素富化部が排出した前記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段とを備えると共に、
前記水素富化部は、
アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成り、前記水素富化部における所定の運転条件下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備える水素生成部と、
前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、
前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段と、
前記反応誘発手段における前記反応で生じた前記水素と、前記水素含有ガスとを混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッチガス排出手段とを備え、
前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、
前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発手段における前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質層に供給する電解液交換手段をさらに備える
燃料電池装置。 - 請求項６記載の燃料電池装置であって、
前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する電解液劣化状態検知手段をさらに備え、
前記電解液交換手段は、前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換を行なうように、前記水溶液を前記燃料電池に供給する
燃料電池装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28632099A JP4534278B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 燃料電池装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP28632099A JP4534278B2 (ja) | 1999-10-07 | 1999-10-07 | 燃料電池装置 |
Publications (2)
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