JP5403199B2 - Honeycomb type hydrogen production apparatus, fuel cell power generation apparatus using the same, electric vehicle, submarine ship and hydrogen supply system, and reaction tube for hydrogen production cell - Google Patents

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Description

本発明は、有機物を含む燃料を低温で分解し水素を含むガスを製造するための水素製造装置、その水素製造装置を用いた燃料電池発電装置、電気自動車、潜水船及び水素供給システムに関するものである。   The present invention relates to a hydrogen production apparatus for producing a gas containing hydrogen by decomposing a fuel containing organic matter at a low temperature, a fuel cell power generation apparatus using the hydrogen production apparatus, an electric vehicle, a submarine, and a hydrogen supply system. is there.

有機物を含む燃料を低温で分解し水素を含むガスを製造する技術として、電気化学的反応により水素を発生させる方法及び装置が知られており、また、そのような電気化学的方法により発生した水素を利用した燃料電池が知られている(特許文献1〜4参照)。
特許第3328993号公報 特許第3360349号公報 米国特許第6,299,744号明細書、米国特許第6,368,492号明細書、米国特許第6,432,284号明細書、米国特許第6,533,919号明細書、米国特許公開2003/0226763号公報 特開2001−297779号公報
As a technique for decomposing a fuel containing organic matter at a low temperature to produce a gas containing hydrogen, a method and an apparatus for generating hydrogen by an electrochemical reaction are known, and hydrogen generated by such an electrochemical method is known. Is known (see Patent Literatures 1 to 4).
Japanese Patent No. 3328993 Japanese Patent No. 3360349 US Pat. No. 6,299,744, US Pat. No. 6,368,492, US Pat. No. 6,432,284, US Pat. No. 6,533,919, US Pat. Publication 2003/0226763 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-277779

特許文献1には、「陽イオン交換膜の対向する両面に1対の電極を設け、一方に設けられた触媒を含む電極に、メタノールと水を少なくとも含む燃料を接触させ、前記1対の電極に電圧を印加して前記電極から電子を取出すことによって前記電極上で前記メタノールおよび水から水素イオンを発生させる反応を進行させ、発生させた前記水素イオンを、前記陽イオン交換膜の対向する1対の面の他方に設けられた電極において、電子の供給により水素分子に変換することを特徴とする、水素発生方法。」(請求項1)の発明が記載され、また、燃料用電極に燃料であるメタノールとともに水または水蒸気を供給し、外部回路を通じて、燃料用電極から電子を引き抜くように電圧を印加することにより、燃料用電極で、CH3OH+2H2O→CO2+6e-+6H+の反応を進行させ、このようにして発生した水素イオンを、陽イオン交換膜を通過させ、対向電極側で、6H++6e-→3H2により、水素を選択的に生成させることが示されており(段落[0033]〜[0038])、さらに、特許文献2には、このような方法で発生させた水素を利用する燃料電池の発明が記載されている(段落[0052]〜[0056])。
特許文献1及び2に記載された発明によれば、低温度で水素を発生させることができる(特許文献1の段落[0042]、特許文献2の段落[0080])が、水素を発生させるためには、電圧を印加する必要があり、また、水素が発生するのは燃料用電極(燃料極)の対向電極側であり、対向電極に酸化剤を供給するものではないから、本発明のハニカム型水素製造装置とは明らかに異なる。
Patent Document 1 states that “a pair of electrodes is provided on opposite surfaces of a cation exchange membrane, a fuel including at least methanol and water is brought into contact with an electrode including a catalyst provided on one side, and the pair of electrodes is contacted. By applying a voltage to the electrode and taking out electrons from the electrode, a reaction for generating hydrogen ions from the methanol and water is advanced on the electrode, and the generated hydrogen ions are opposed to the cation exchange membrane 1. A hydrogen generation method characterized in that an electrode provided on the other side of the pair is converted into hydrogen molecules by supplying electrons. "(Claim 1) The invention of (Claim 1) is described, and the fuel electrode has a fuel. supplied with methanol and water or water vapor is, through an external circuit, by applying a voltage to draw electrons from the fuel electrode, the fuel electrode, CH 3 OH + 2H 2 O → O 2 + 6e - + 6H + reaction allowed to proceed for, thus the hydrogen ions generated in the, passed through a cation exchange membrane, in the opposing electrode side, 6H + + 6e - by → 3H 2, selectively produce hydrogen In addition, Patent Document 2 describes an invention of a fuel cell using hydrogen generated by such a method (paragraph [paragraph [0033] to [0038]). 0052] to [0056]).
According to the inventions described in Patent Documents 1 and 2, hydrogen can be generated at a low temperature (paragraph [0042] of Patent Document 1 and paragraph [0080] of Patent Document 2). In the honeycomb of the present invention, it is necessary to apply a voltage, and hydrogen is generated on the counter electrode side of the fuel electrode (fuel electrode) and does not supply an oxidant to the counter electrode. It is clearly different from type hydrogen production equipment.

特許文献3に記載された発明も、特許文献1及び2に記載された発明と同様に、燃料極であるアノード112で生成したプロトンが隔膜110を透過して、対極であるカソード114で水素が発生するものであるが、燃料極をアノードとし対極をカソードとして直流電源120から電圧を印加し、メタノール等の有機物燃料をアノード(燃料極)112に供給して電気分解するものであり、また、水素が発生するのは燃料極の対極側であり、対極に酸化剤を供給するものではないから、本発明のハニカム型水素製造装置とは明らかに異なる。   In the invention described in Patent Document 3, as in the inventions described in Patent Documents 1 and 2, protons generated at the anode 112 serving as the fuel electrode permeate the diaphragm 110 and hydrogen is generated at the cathode 114 serving as the counter electrode. The fuel electrode is an anode, the counter electrode is a cathode, a voltage is applied from the DC power source 120, and an organic fuel such as methanol is supplied to the anode (fuel electrode) 112 for electrolysis, Since hydrogen is generated on the counter electrode side of the fuel electrode and does not supply oxidant to the counter electrode, it is clearly different from the honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention.

特許文献4には、燃料電池システムにおいて、水素を発生する水素発生極を設けること(請求項1)が記載されているが、「多孔質電極(燃料極)1にアルコールと水を含む液体燃料を供給し、反対側のガス拡散電極(酸化剤極)2に空気を供給し、多孔質電極1の端子とガス拡散電極2の端子との間に負荷をつなぐと、通常の燃料電池の機能を有するMEA2の正極であるガス拡散電極2から負荷を介して多孔質電極1に正の電位が印加されるような電気的つながりができる。その結果、アルコールは水と反応して炭酸ガスと水素イオンが生成し、生成した水素イオンは電解質層5を経由して、中央のガス拡散電極6で水素ガスとして発生する。ガス拡散電極6では、もう一つの電解質層7との界面で電極反応が起こり、再び水素イオンとなって電解質層7中を移動し、ガス拡散電極2に到達する。ガス拡散電極2では、空気中の酸素と反応して水が生成する。」(段落[0007])と記載されているから、燃料電池によって発生させた電気エネルギーを用いて水素発生極(ガス拡散電極6)で水素を発生させ、これを燃料電池に供給するものであり、また、水素が発生するのは燃料極の対極側であるという点では、特許文献1〜3と同じである。   Patent Document 4 describes that in a fuel cell system, a hydrogen generating electrode for generating hydrogen is provided (Claim 1). However, “Liquid fuel containing alcohol and water in porous electrode (fuel electrode) 1” is disclosed. If the load is connected between the terminal of the porous electrode 1 and the terminal of the gas diffusion electrode 2, the function of a normal fuel cell Thus, an electrical connection can be established such that a positive potential is applied to the porous electrode 1 via a load from the gas diffusion electrode 2 which is a positive electrode of the MEA 2 having the following: As a result, the alcohol reacts with water to react with carbon dioxide gas and hydrogen. Ions are generated, and the generated hydrogen ions are generated as hydrogen gas in the central gas diffusion electrode 6 via the electrolyte layer 5. In the gas diffusion electrode 6, an electrode reaction occurs at the interface with the other electrolyte layer 7. Happens again with hydrogen ions Thus, it moves through the electrolyte layer 7 and reaches the gas diffusion electrode 2. The gas diffusion electrode 2 reacts with oxygen in the air to produce water "(paragraph [0007]). Then, hydrogen is generated at the hydrogen generating electrode (gas diffusion electrode 6) using the electric energy generated by the fuel cell and supplied to the fuel cell. Hydrogen is generated at the counter electrode of the fuel electrode. It is the same as Patent Documents 1 to 3 in that it is on the side.

また、プロトン伝導膜(イオン伝導体)を介してアノード(電極A)とカソード(電極B)とが形成された隔膜を備えた反応装置を用いて、電圧を印加し、若しくは印加しないで、又は電気エネルギーを取り出しながら、アルコール(メタノール)を酸化する方法の発明(特許文献5及び6参照)も知られているが、いずれも、アルコールを電気化学セルを用いて酸化させるプロセス(生成物は、炭酸ジエステル、ホルマリン、蟻酸メチル、ジメトキシメタン等)に関するものであり、アルコールからみて還元物である水素を発生させるプロセスではない。
特開平6−73582号公報(請求項1〜3、段落[0050]) 特開平6−73583号公報(請求項1、8、段落[0006]、[0019])
In addition, with or without applying a voltage using a reaction apparatus including a diaphragm in which an anode (electrode A) and a cathode (electrode B) are formed via a proton conductive membrane (ion conductor), or Inventions of a method for oxidizing alcohol (methanol) while taking out electric energy (see Patent Documents 5 and 6) are also known, but in each case, a process for oxidizing alcohol using an electrochemical cell (product is: Carbonic acid diester, formalin, methyl formate, dimethoxymethane, etc.) and not a process for generating hydrogen as a reduced product from the viewpoint of alcohol.
JP-A-6-73582 (Claims 1-3, paragraph [0050]) JP-A-6-73583 (Claims 1 and 8, paragraphs [0006] and [0019])

そして、上記いずれの技術も、隔膜と電極は平板状のものであるために、装置の小型化に限界があった。
一方、液体燃料直接供給形燃料電池(直接メタノール型燃料電池)については、隔膜(プロトン導電性固体高分子膜)を筒状(チューブ状)とし、その内外側面に燃料極及び空気極を設けたものが公知である(例えば、特許文献7〜9参照)。
特許公開2001−313046号公報 特許公開2002−222656号公報 特許公開2003−297372号公報
In any of the above techniques, since the diaphragm and the electrode are flat, there is a limit to downsizing the apparatus.
On the other hand, for a liquid fuel direct supply fuel cell (direct methanol fuel cell), the diaphragm (proton conductive solid polymer membrane) has a tubular shape (tube shape), and a fuel electrode and an air electrode are provided on the inner and outer surfaces thereof. Are known (for example, see Patent Documents 7 to 9).
Japanese Patent Publication No. 2001-313046 Japanese Patent Publication No. 2002-222656 Japanese Patent Publication No. 2003-297372

特許文献7〜9に記載された発明によれば、小型化が容易で携帯用電子機器の電源に利用できる直接メタノール型燃料電池が得られるが、いずれも、燃料電池に関するもので、水素製造装置に適用することを示唆するものではない。   According to the inventions described in Patent Documents 7 to 9, a direct methanol fuel cell that can be easily miniaturized and can be used as a power source for portable electronic devices can be obtained. It is not suggested to apply to.

さらに、直接メタノール型燃料電池(DMFC)に関して、開回路で酸素欠乏状態の場合に、単一セル内で、電池反応と電解反応が共存し、酸化極でCH3OH+H2O→CO2+6H++6e-の反応、燃料極で6H++6e-→3H2の反応が生じ、燃料極側から水素が発生することが非特許文献1及び2には示されているが、非特許文献1の論文は、「水素の発生は、運転中のセルにおける電力のアウトプットを減少させるばかりでなく、開回路状態で燃料を連続的に消費するので、DMFCが運転中及び待機中のいずれの時でも、カソードに酸素を十分かつ一定に供給し続けることが重要である」と結論付け、非特許文献2の論文も、「大きなMEA面積を有するDMFCについては、システムのシャットダウン及びスタートアップによって引き起こされる水素の蓄積に注意する必要がある」と結論付けているから、いずれも、水素の製造を意図するものではない。
Electrochemical and Solid-State Letters,8(1)A52-A54(2005) Electrochemical and Solid-State Letters,8(4)A211-A214(2005)
Furthermore, for direct methanol fuel cells (DMFC), when open circuit is oxygen-deficient, the battery reaction and the electrolysis reaction coexist in a single cell, and CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + Non-Patent Documents 1 and 2 show that + 6e reaction, 6H + + 6e → 3H 2 reaction occurs at the fuel electrode, and hydrogen is generated from the fuel electrode side. “Hydrogen generation not only reduces power output in the operating cell, but also consumes fuel continuously in an open circuit, so the DMFC can be either in operation or on standby, It is important to keep supplying oxygen sufficiently and constantly to the cathode. ”Non-Patent Document 2 also stated that“ DMFC with a large MEA area can be used for system shutdown and startup. Neither is intended to produce hydrogen because it concludes that it is necessary to pay attention to the hydrogen accumulation caused by it.
Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (1) A52-A54 (2005) Electrochemical and Solid-State Letters, 8 (4) A211-A214 (2005)

また、燃料電池を組み入れた発電装置(電源装置)が提案されており、この燃料電池発電装置を移動用電源あるいはオンサイト用電源として使用する場合に、その搬送および据え付け作業を容易にするために、発電装置を構成する各機器を単一の金属製パッケージ中に一体化して収納するパッケージ型型燃料電池発電装置が用いられている。例えば、この種の燃料電池発電装置で、原燃料として都市ガス等の炭化水素系燃料が用いられる場合は、水素を主体とした燃料に改質するための燃料改質装置が単一のパッケージ(ユニットケース)内に内蔵される。パッケージ(ユニットケース)内には、この他に燃料電池本体、燃料電池で発生した直流電力を電源出力仕様に変換する電力変換装置、全体の制御を行う制御装置、燃料電池に関連して設けられるポンプやファン等の補機類が内蔵される(例えば、特許文献10〜14参照)。
特開平5−290868号公報 特開平10−284105号公報 特開2002−170591号公報 特開2003−217635号公報 特開2003−297409号公報
In addition, a power generation device (power supply device) incorporating a fuel cell has been proposed. When this fuel cell power generation device is used as a moving power source or an on-site power source, its transportation and installation work is facilitated. A package type fuel cell power generation device is used in which each device constituting the power generation device is integrated and accommodated in a single metal package. For example, in this type of fuel cell power generator, when a hydrocarbon-based fuel such as city gas is used as a raw fuel, a fuel reformer for reforming into a fuel mainly composed of hydrogen is a single package ( Built in the unit case). In addition to this, the package (unit case) is provided in relation to the fuel cell main body, a power conversion device that converts DC power generated in the fuel cell into a power output specification, a control device that performs overall control, and a fuel cell. Auxiliaries such as a pump and a fan are incorporated (for example, see Patent Documents 10 to 14).
JP-A-5-290868 Japanese Patent Laid-Open No. 10-284105 JP 2002-170591 A JP 2003-217635 A JP 2003-297409 A

燃料改質装置は通常、改質器、CO変成器、CO除去器とから構成され、これらの機器内にはそれぞれ所定の触媒が充填されており、これらの触媒はいずれも高温で作用するため加熱する必要がある。このため、改質器にはバーナが併設され、起動時にはこのバーナで原燃料を燃焼させ、改質器内の触媒を約650〜700℃に昇温する。又、改質器の昇温に伴ってCO変成器、CO除去器の触媒も徐々に昇温するが、起動時の改質ガスは不安定であるため、直ちに燃料電池に供給せずにPGバーナに送り込んで燃焼する(特許文献14段落[0003])。   A fuel reformer is usually composed of a reformer, a CO converter, and a CO remover. Each of these devices is filled with a predetermined catalyst, and these catalysts all operate at high temperatures. It needs to be heated. For this reason, the reformer is provided with a burner, and at the time of start-up, the raw fuel is burned by this burner, and the temperature of the catalyst in the reformer is raised to about 650 to 700 ° C. As the reformer temperature rises, the temperature of the CO converter and CO remover catalyst also gradually rises. However, the reformed gas at the time of start-up is unstable, so the PG is not immediately supplied to the fuel cell. It is sent to the burner and burned (Patent Document 14, paragraph [0003]).

一方、制御装置は多数の電子部品から構成されているから、燃料改質装置の発する高熱から保護しなければならない。このため、特許文献10や12のように燃料改質装置と制御装置との間に断熱隔壁を設ける技術、特許文献10や11のようにパッケージ内をブロア又は換気ファンにより強制換気して制御装置等を冷却する技術、特許文献13や14のように燃料改質装置の熱の影響が及ばないように制御装置を配置する技術等が開発されている。
このように、従来の燃料改質装置を使用した場合には、その熱影響を防止するために、種々の工夫をしなければならないという問題があった。
On the other hand, since the control device is composed of a large number of electronic components, it must be protected from the high heat generated by the fuel reformer. For this reason, a technique for providing a heat insulating partition between the fuel reformer and the controller as in Patent Documents 10 and 12, and a controller that forcibly ventilates the inside of the package with a blower or a ventilation fan as in Patent Documents 10 and 11. A technology for cooling the control device and the like, and a technology for arranging the control device so as not to be affected by the heat of the fuel reformer as in Patent Documents 13 and 14 have been developed.
As described above, when a conventional fuel reformer is used, there is a problem that various measures must be taken in order to prevent the thermal effect.

高温の燃料改質装置を使用しないパッケージ型燃料電池発電装置としては、水素吸蔵合金を充填したボンベ(水素吸蔵ボンベ)と燃料電池を一体化したものが公知である(例えば、特許文献15及び16参照)。
特開平6−60894号公報 特開平10−92456号公報
As a package type fuel cell power generator that does not use a high-temperature fuel reformer, a unit in which a cylinder filled with a hydrogen storage alloy (hydrogen storage cylinder) and a fuel cell are integrated is known (for example, Patent Documents 15 and 16). reference).
JP-A-6-60894 Japanese Patent Laid-Open No. 10-92456

特許文献15及び16の燃料電池発電装置は、従来の燃料改質装置を使用する場合のような熱影響を防止するための手段を必要としないものであるが、水素吸蔵合金の水素の放出過程は吸熱反応であるから、水素燃料を供給する際に水素吸蔵合金の温度が低下し、温度の低下に伴い水素吸蔵合金の水素放出能力が低下するため、十分な水素の流量を確保するためには燃料電池本体での発生熱を水素吸蔵ボンベに導いて水素吸蔵合金を加熱する必要があり、また、ボンベを使用するものであるから、発電時間に限りがあるという問題があった。   The fuel cell power generators of Patent Documents 15 and 16 do not require means for preventing thermal effects as in the case of using a conventional fuel reformer, but the hydrogen release process of the hydrogen storage alloy Is an endothermic reaction, the temperature of the hydrogen storage alloy decreases when hydrogen fuel is supplied, and the hydrogen release capacity of the hydrogen storage alloy decreases as the temperature decreases, so that a sufficient hydrogen flow rate is ensured. However, it is necessary to heat the hydrogen storage alloy by guiding the heat generated in the fuel cell main body to the hydrogen storage cylinder. Further, since the cylinder is used, there is a problem that the power generation time is limited.

また、駆動力を得るための電源として燃料電池を備えた電気自動車に関して、原燃料としてメタノール等を積載し、さらに、この原燃料を改質して水素を含むガスを生成する改質反応を行う改質器を搭載するものが知られている(例えば、特許文献17〜20参照)。このように原燃料と改質器とを搭載する電気自動車は、特に原燃料としてメタノールなどの液体燃料を用いる場合には、一回の燃料補給で電気自動車が走行可能な距離が気体燃料を積載する場合に比べて長くなるという長所を有する。さらに、メタノール、炭化水素などの原燃料は、水素ガスに比べて輸送などの際の取り扱いが容易で安全であるという利点を有する。
特開2000−149974号公報 特開2001−113960号公報 特開2001−202980号公報 特開2001−298807号公報
In addition, regarding an electric vehicle equipped with a fuel cell as a power source for obtaining a driving force, methanol or the like is loaded as a raw fuel, and further, a reforming reaction for reforming the raw fuel to generate a gas containing hydrogen is performed. Those equipped with a reformer are known (see, for example, Patent Documents 17 to 20). Electric vehicles equipped with raw fuel and a reformer in this way, especially when liquid fuel such as methanol is used as raw fuel, are loaded with gaseous fuel over the distance that the electric vehicle can travel with a single refueling. It has the advantage that it becomes longer compared to the case of doing so. Furthermore, raw fuels such as methanol and hydrocarbons have the advantage that they are easier to handle and safer during transportation than hydrogen gas.
JP 2000-149974 A JP 2001-113960 A JP 2001-202980 A JP 2001-298807 A

しかしながら、原燃料としてメタノール、ジメチルエーテル(DME)、エタノール、天然ガス、プロパンやガソリン等を電気自動車に積載する場合の改質器については、これらの中では改質温度の最も低いメタノール改質器の開発が最も進んでおり、現在、その改質方法としては、水蒸気改質、部分酸化改質、両者を併用した併用改質の3つが採用されている(非特許文献3参照)が、いずれの改質方法を採用しても、水素を含むガスを製造するためには、200℃以上という高温度で改質を行わなければならず、改質触媒の被毒、改質されたガス(水素を含むガス)に含まれるCOの除去、部分酸化改質や併用改質における改質されたガス中への空気中の窒素の混入等の問題があった。
「固体高分子型燃料電池の開発と実用化」第141頁〜第166頁、1999年5月28日、(株)技術情報協会発行
However, the reformers when methanol, dimethyl ether (DME), ethanol, natural gas, propane, gasoline, etc. are loaded on the electric vehicle as the raw fuel are the methanol reformers with the lowest reforming temperature. Development is the most advanced, and at present, three reforming methods, steam reforming, partial oxidation reforming, and combined reforming using both in combination are employed (see Non-Patent Document 3). Even if the reforming method is adopted, in order to produce a gas containing hydrogen, the reforming must be performed at a high temperature of 200 ° C. or more, the reforming catalyst is poisoned, the reformed gas (hydrogen There are problems such as removal of CO contained in the gas), mixing of nitrogen in the air into the reformed gas in partial oxidation reforming and combined reforming.
"Development and commercialization of polymer electrolyte fuel cells", pages 141 to 166, May 28, 1999, published by Technical Information Association

一方、水素ガスや水素貯蔵合金の形態の水素を貯蔵した容器を搭載した電気自動車(燃料電池自動車)が開発されているが、その普及にあたっての大きな課題は、水素供給インフラの整備である。すなわち、自由に走行する燃料電池自動車に対して、いかに広域の水素供給インフラを整備するかといった課題がある。そこで、水素供給ステーションにて都市ガスないし液体燃料(脱硫ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、メタノール等)を改質装置により水蒸気改質して水素を製造し、これを水素貯蔵タンクに貯蔵しておき、この水素を燃料電池自動車に搭載した水素貯蔵容器に供給するシステムが、都市ガス配管網、給油スタンド等の既設インフラを最大限利用できるというメリットがあるために、最も多く開発されている(例えば、特許文献21〜24参照)。
しかしながら、上記の水素供給システムは、改質装置が高価であり、また、装置サイズが大きく、あるいは、装置の保守・運転が複雑で高度の技術を必要とする、等の問題がある。
特開2002−315111号公報 特開2002−337999号公報 特開2003−118548号公報 特開2004−79262号公報
On the other hand, an electric vehicle (fuel cell vehicle) equipped with a container storing hydrogen in the form of hydrogen gas or a hydrogen storage alloy has been developed, and a major issue in its spread is the development of a hydrogen supply infrastructure. In other words, there is a problem of how to develop a wide-area hydrogen supply infrastructure for a fuel cell vehicle that freely travels. Therefore, city gas or liquid fuel (desulfurized naphtha, gasoline, kerosene, light oil, methanol, etc.) is steam reformed by a reformer at a hydrogen supply station to produce hydrogen, and this is stored in a hydrogen storage tank. A system for supplying this hydrogen to a hydrogen storage container mounted on a fuel cell vehicle has been most developed because it has the advantage of making the most of existing infrastructure such as city gas piping networks and gas stations (for example, And Patent Documents 21 to 24).
However, the above hydrogen supply system has problems that the reforming apparatus is expensive, the apparatus size is large, or the maintenance and operation of the apparatus is complicated and requires advanced technology.
JP 2002-315111 A JP 2002-337999 A JP 2003-118548 A JP 2004-79262 A

上記のように有機物を含む燃料を改質する代わりに、水を電気分解して水素を製造し、これを水素貯蔵タンクに貯蔵しておき、この水素を燃料電池自動車に搭載した水素貯蔵容器に供給するシステムも開発されている(例えば、特許文献25及び26参照)。
このシステムによれば、有機物を含む燃料を改質するような高温度とする必要はないものの、大量の電力を必要とするという問題がある。
特開2002−161998号公報 特開2002−363779号公報
Instead of reforming the fuel containing organic matter as described above, water is electrolyzed to produce hydrogen, which is stored in a hydrogen storage tank, and this hydrogen is stored in a hydrogen storage container mounted on a fuel cell vehicle. A supply system has also been developed (see, for example, Patent Documents 25 and 26).
According to this system, there is a problem that a large amount of electric power is required although it is not necessary to use a high temperature for reforming a fuel containing organic matter.
JP 2002-161998 A JP 2002-36379 A

また、駆動力を得るための電源として燃料電池を備えた従来の潜水船では、高圧水素ガスで貯蔵し、この水素を燃料電池に供給する方式が一般的に行われている(例えば、特許文献27〜29参照)。この方式では、ガス容器を耐圧構造としなければならず容器の質量が大きくなるが、潜水船では、重量が重くなると、それに応じた浮力材が必要になり、必然的にその浮力材を装備するため潜水船が大きくなるという問題があった。また、水素を高圧ガスで保有するため、安全性に注意をはらう必要があり、取り扱いが困難であるという問題もあった。
特開平10−100990号公報 特開平10−144327号公報 特開平10−181685号公報
Further, in a conventional submarine equipped with a fuel cell as a power source for obtaining a driving force, a system for storing the hydrogen gas in high-pressure hydrogen gas and supplying the hydrogen to the fuel cell is generally performed (for example, Patent Documents). 27-29). In this method, the gas container must have a pressure-resistant structure, and the mass of the container increases. However, if the weight of the submersible increases, a buoyant material corresponding to the weight is necessary, and the buoyancy material is inevitably equipped. Therefore, there was a problem that the submarine became larger. In addition, since hydrogen is stored as a high-pressure gas, it is necessary to pay attention to safety, and there is a problem that handling is difficult.
Japanese Patent Laid-Open No. 10-100990 Japanese Patent Laid-Open No. 10-144327 Japanese Patent Laid-Open No. 10-181685

上記の問題を解決するために、「潜水機(潜水船も含む)の動力源に用いる燃料電池等の水素供給発生装置のうち、金属水素化物(錯金属水素化物も含む)に水素発生促進剤と接触させて水素を発生させる水素発生装置において、金属水素化物若しく水素発生促進剤の少なくとも一が液状態にあり、該液状態が貯留されている容器が機内に配置され、機外の水圧にほぼ均圧させたことを特徴とする潜水機用水素発生装置。」(特許文献30参照)が開発された。この水素発生装置で使用する金属水素化物は、高圧水素ガスと比べれば、取り扱い性は良いものの、有機物を含む燃料を水素原料とするものと異なり反応性が大きく、反応前に、水素発生促進剤である水若しくはアルコールとの接触を防ぐための工夫が必要であり、また、反応の制御が難しいという問題があった。
特開2002−187595号公報
In order to solve the above problems, among hydrogen supply generators such as fuel cells used for power sources of submersibles (including submersibles), hydrogen generation accelerators for metal hydrides (including complex metal hydrides) In the hydrogen generator for generating hydrogen by contacting with a metal hydride or at least one of the hydrogen generation accelerator is in a liquid state, a container in which the liquid state is stored is disposed in the machine, and the water pressure outside the machine is The hydrogen generator for submersibles, characterized in that the pressure is almost equalized to each other "(see Patent Document 30). The metal hydride used in this hydrogen generator is easier to handle than high-pressure hydrogen gas, but has a higher reactivity than a fuel containing an organic substance as a hydrogen raw material. There is a problem that it is necessary to devise measures for preventing contact with water or alcohol, and that it is difficult to control the reaction.
JP 2002-187595 A

炭化水素燃料を改質して水素を製造する改質器を潜水機種に搭載し、改質器により製造された水素を燃料電池に供給することも公知である(例えば、特許文献31参照)が、この場合には、上記の電気自動車と同様の問題があった。
特開平8−17456号公報
It is also known that a reformer that reforms a hydrocarbon fuel to produce hydrogen is installed in a submersible model, and hydrogen produced by the reformer is supplied to a fuel cell (see, for example, Patent Document 31). In this case, there was a problem similar to that of the electric vehicle.
JP-A-8-17456

本発明は、上記のような問題を解決するものであり、低温で水素を含むガスを製造することができ、しかも、小型化が可能な水素製造装置を提供するとともに、その水素製造装置を用いた燃料電池発電装置、電気自動車、潜水船及び水素供給システム、並びにその水素製造装置に使用する反応管を提供することを課題とする。   The present invention solves the above-described problems, and provides a hydrogen production apparatus that can produce a gas containing hydrogen at a low temperature and that can be downsized, and uses the hydrogen production apparatus. It is an object of the present invention to provide a fuel cell power generator, an electric vehicle, a submarine, a hydrogen supply system, and a reaction tube used for the hydrogen production apparatus.

上記課題を解決するために、本発明においては、以下の手段を採用する。
(1)有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。
(2)有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記燃料極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。
(3)有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極及び前記燃料極の両極のガス拡散層の一部にマスキングを行うとともに、その対向する両側のマスキングの少なくとも一部をずらして行うことによって設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。
(4)前記マスキングを帯状に行うことを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(5)前記マスキングを斑点状に行うことを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(6)前記マスキングを前記ガス拡散層に樹脂を含浸または前記ガス拡散層の表面に樹脂を塗布することによって行うことを特徴とする前記(1)〜(5)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(7)前記マスキングをスクリーン印刷により行うことを特徴とする前記(1)〜(6)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(8)有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層を不均一にして設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。
(9)前記酸化極のガス拡散層を、疎密に形成するか、材質の異なるものを組み合わせることによって不均一にしたことを特徴とする前記(8)のハニカム型水素製造装置。
(10)前記酸化極のガス拡散層を、表面に凹凸を形成することによって不均一にしたことを特徴とする前記(8)又は(9)のハニカム型水素製造装置。
(11)水素製造装置を構成する水素製造セルから外部に電気エネルギーを取り出す手段及び前記水素製造セルに外部から電気エネルギーを印加する手段を有しない開回路であることを特徴とする前記(1)〜(10)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(12)前記燃料極を負極とし前記酸化極を正極として外部に電気エネルギーを取り出す手段を有することを特徴とする前記(1)〜(10)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(13)前記燃料極をカソードとし前記酸化極をアノードとして外部から電気エネルギーを印加する手段を有することを特徴とする前記(1)〜(10)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(14)前記燃料極と前記酸化極との間の電圧が400〜600mVであることを特徴とする前記(1)〜(13)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(15)前記燃料極と前記酸化極との間の電圧を調整することにより、前記水素を含むガスの発生量を調整することを特徴とする前記(1)〜(14)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(16)前記酸化剤の供給量を調整することにより、前記燃料極と前記酸化極との間の電圧及び/又は前記水素を含むガスの発生量を調整することを特徴とする前記(1)〜(15)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(17)運転温度が100℃以下であることを特徴とする前記(1)〜(16)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(18)前記燃料極に供給する前記有機物がアルコール、アルデヒド、カルボン酸、及びエーテルよりなる群から選択される一種又は二種以上の有機物であることを特徴とする前記(1)〜(17)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(19)前記アルコールがメタノールであることを特徴とする前記(18)のハニカム型水素製造装置。
(20)前記酸化極に供給する前記酸化剤が酸素を含む気体又は酸素であることを特徴とする前記(1)〜(19)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(21)前記隔膜がプロトン導電性固体電解質膜であることを特徴とする前記(1)〜(20)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(22)前記プロトン導電性固体電解質膜がパーフルオロカーボンスルホン酸系固体電解質膜であることを特徴とする前記(21)のハニカム型水素製造装置。
(23)前記燃料極の触媒が白金−ルテニウム合金を炭素粉末に担持したものであることを特徴とする前記(1)〜(22)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(24)前記酸化極の触媒が白金を炭素粉末に担持したものであることを特徴とする前記(1)〜(23)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(25)前記有機物を含む燃料の循環手段を設けたことを特徴とする前記(1)〜(24)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(26)前記水素を含むガスに含まれる二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収部を設けたことを特徴とする前記(1)〜(25)のいずれか一のハニカム型水素製造装置。
(27)前記(1)〜(26)のいずれか一のハニカム型水素製造装置に燃料電池を接続して、前記ハニカム型水素製造装置を運転するための補機に供給する電気エネルギーを前記燃料電池から得ることを特徴とするハニカム型水素製造装置。
(28)前記(1)〜(27)のいずれか一のハニカム型水素製造装置を燃料電池と接続して、前記燃料電池に前記ハニカム型水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
(29)前記(14)〜(27)のいずれか一のハニカム型水素製造装置であって、かつ、前記水素製造セルから外部に電気エネルギーを取り出す手段及び前記水素製造セルに外部から電気エネルギーを印加する手段を有しない開回路であるハニカム型水素製造装置、前記燃料極を負極とし前記酸化極を正極として外部に電気エネルギーを取り出す手段を有するハニカム型水素製造装置並びに前記燃料極をカソードとし前記酸化極をアノードとして外部から電気エネルギーを印加する手段を有するハニカム型水素製造装置の群から選ばれる2以上のハニカム型水素製造装置を組み合わせて使用したハニカム型水素製造装置を燃料電池と接続して、前記燃料電池に前記ハニカム型水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給することを特徴とする燃料電池発電装置。
(30)燃料電池発電装置が、燃料電池、前記燃料電池に供給するための水素を含むガスを製造する前記ハニカム型水素製造装置、前記燃料電池で発電した直流電力を所定の電力に変換する電力変換装置、発電装置全体の制御を行う制御装置を少なくともパッケージに内蔵したものであることを特徴とする前記(28)又は(29)の燃料電池発電装置。
(31)前記ハニカム型水素製造装置で製造した前記水素を含むガスを冷却せずに前記燃料電池に供給することを特徴とする前記(28)〜(30)のいずれか一の燃料電池発電装置。
(32)前記水素製造装置の酸化極に供給する前記酸化剤が前記燃料電池又は他の前記ハニカム型水素製造装置から排出される排空気又は未反応酸素を含む気体(酸素オフガス)であることを特徴とする前記(28)〜(31)のいずれか一の燃料電池発電装置。
(33)前記ハニカム型水素製造装置の発生する熱を遮断するための断熱材が設けられていないことを特徴とする前記(28)〜(32)のいずれか一の燃料電池発電装置。
(34)前記(28)〜(33)のいずれか一の燃料電池発電装置を搭載したことを特徴とする電気自動車。
(35)前記(28)〜(33)のいずれか一の燃料電池発電装置を搭載したことを特徴とする潜水船。
(36)前記(1)〜(27)のいずれか一のハニカム型水素製造装置を水素貯蔵手段と接続して、前記水素貯蔵手段に前記ハニカム型水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給することを特徴とする水素供給システム。
(37)前記水素貯蔵手段が、電気自動車(燃料電池自動車)に搭載した水素貯蔵容器であることを特徴とする前記(36)の水素供給システム。
(38)筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。
(39)筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記燃料極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。
(40)筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極及び前記燃料極の両極のガス拡散層の一部にマスキングを行うとともに、その対向する両側のマスキングの少なくとも一部をずらして行うことによって設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。
(41)前記マスキングを帯状に行うことを特徴とする前記(38)〜(40)のいずれか一の水素製造セル用反応管。
(42)前記マスキングを斑点状に行うことを特徴とする前記(38)〜(40)のいずれか一の水素製造セル用反応管。
(43)前記マスキングを前記ガス拡散層に樹脂を含浸または前記ガス拡散層の表面に樹脂を塗布することによって行うことを特徴とする前記(38)〜(42)のいずれか一の水素製造セル用反応管。
(44)前記マスキングをスクリーン印刷により行うことを特徴とする前記(38)〜(43)いずれか一の水素製造セル用反応管。
(45)筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層を不均一にして設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。
(46)前記酸化極のガス拡散層を、疎密に形成するか、材質の異なるものを組み合わせることによって不均一にしたことを特徴とする前記(45)の水素製造セル用反応管。
(47)前記酸化極のガス拡散層を、表面に凹凸を形成することによって不均一にしたことを特徴とする前記(45)又は(46)の水素製造セル用反応管。
In order to solve the above problems, the following means are adopted in the present invention.
(1) In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, it has a cylindrical diaphragm and has a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and on the other side. A hydrogen production cell in which a large number of reaction tubes provided with oxidation electrodes are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidant to the oxidation electrode, hydrogen from the fuel electrode side Provided with a means for generating and taking out a gas that is contained, and providing a region where the supply of the oxidizing agent is insufficient on the oxidation electrode side by masking only a part of the gas diffusion layer of the oxidation electrode A honeycomb type hydrogen production apparatus.
(2) In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, it has a cylindrical diaphragm and has a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and on the other side. A hydrogen production cell in which a large number of reaction tubes provided with oxidation electrodes are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidant to the oxidation electrode, hydrogen from the fuel electrode side Provided with a means for generating and taking out the contained gas, and providing the region where the supply of the oxidant is insufficient on the oxidation electrode side by masking only a part of the gas diffusion layer of the fuel electrode. A honeycomb type hydrogen production apparatus.
(3) In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, the fuel cell has a cylindrical diaphragm and is disposed on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm on the fuel electrode and the other side. A hydrogen production cell in which a large number of reaction tubes provided with oxidation electrodes are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidant to the oxidation electrode, hydrogen from the fuel electrode side Masking a portion of the gas diffusion layer on both sides of the oxidation electrode and the fuel electrode in a region where the supply of the oxidant is insufficient on the oxidation electrode side. In addition, a honeycomb type hydrogen production apparatus provided by shifting at least a part of the masking on both opposing sides.
(4) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the masking is performed in a band shape.
(5) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (3), wherein the masking is performed in a spot shape.
(6) The honeycomb type hydrogen according to any one of (1) to (5), wherein the masking is performed by impregnating the gas diffusion layer with a resin or applying a resin to a surface of the gas diffusion layer. manufacturing device.
(7) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (6), wherein the masking is performed by screen printing.
(8) In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, it has a cylindrical diaphragm and has a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and on the other side. A hydrogen production cell in which a large number of reaction tubes provided with oxidation electrodes are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidant to the oxidation electrode, hydrogen from the fuel electrode side A honeycomb comprising a means for generating and taking out a gas containing the gas, and a region where the supply of the oxidant is insufficient is provided on the oxidation electrode side with a non-uniform gas diffusion layer of the oxidation electrode. Type hydrogen production equipment.
(9) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to (8), wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made non-uniform by forming it densely or by combining different materials.
(10) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to (8) or (9), wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made uneven by forming irregularities on the surface.
(11) The open circuit having no means for taking out electric energy from the hydrogen production cell constituting the hydrogen production apparatus and means for applying electric energy from the outside to the hydrogen production cell. The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of to (10).
(12) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (10), characterized in that the fuel electrode is used as a negative electrode and the oxidation electrode is used as a positive electrode.
(13) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (10), further comprising means for applying electric energy from the outside using the fuel electrode as a cathode and the oxidation electrode as an anode.
(14) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (13), wherein a voltage between the fuel electrode and the oxidation electrode is 400 to 600 mV.
(15) The amount of generation of the gas containing hydrogen is adjusted by adjusting a voltage between the fuel electrode and the oxidation electrode, wherein any one of (1) to (14) is characterized. Honeycomb type hydrogen production equipment.
(16) The voltage between the fuel electrode and the oxidation electrode and / or the generation amount of the gas containing hydrogen is adjusted by adjusting the supply amount of the oxidant (1). A honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of to (15).
(17) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (16), wherein the operating temperature is 100 ° C. or lower.
(18) The organic substances supplied to the fuel electrode are one or two or more organic substances selected from the group consisting of alcohols, aldehydes, carboxylic acids, and ethers (1) to (17) Any one of the honeycomb type hydrogen production apparatuses.
(19) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to (18), wherein the alcohol is methanol.
(20) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (19), wherein the oxidizing agent supplied to the oxidation electrode is a gas containing oxygen or oxygen.
(21) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (20), wherein the diaphragm is a proton conductive solid electrolyte membrane.
(22) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to (21), wherein the proton conductive solid electrolyte membrane is a perfluorocarbon sulfonic acid based solid electrolyte membrane.
(23) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (22), wherein the catalyst of the fuel electrode is a platinum-ruthenium alloy supported on carbon powder.
(24) The honeycomb-type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (23), wherein the catalyst of the oxidation electrode is obtained by supporting platinum on carbon powder.
(25) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (24), wherein a circulation means for fuel containing the organic matter is provided.
(26) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (25), wherein a carbon dioxide absorbing section that absorbs carbon dioxide contained in the gas containing hydrogen is provided.
(27) A fuel cell is connected to the honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (26), and electric energy supplied to an auxiliary machine for operating the honeycomb type hydrogen production apparatus is supplied to the fuel. A honeycomb type hydrogen production apparatus obtained from a battery.
(28) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (27) is connected to a fuel cell, and a gas containing hydrogen produced by the honeycomb type hydrogen production apparatus is supplied to the fuel cell. A fuel cell power generator.
(29) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (14) to (27), and means for taking out electric energy from the hydrogen production cell to the outside, and electric energy from the outside to the hydrogen production cell A honeycomb-type hydrogen production apparatus that is an open circuit that does not have means for applying, a honeycomb-type hydrogen production apparatus that has means for taking out electric energy from the fuel electrode as a negative electrode and the oxidation electrode as a positive electrode, and the fuel electrode as a cathode A honeycomb type hydrogen production apparatus using a combination of two or more honeycomb type hydrogen production apparatuses selected from the group of honeycomb type hydrogen production apparatuses having means for applying electric energy from the outside with an oxidation electrode as an anode is connected to a fuel cell. and characterized by supplying a gas containing hydrogen produced in the honeycomb hydrogen generating device to the fuel cell That fuel cell power plant.
(30) The fuel cell power generation device produces a fuel cell, the honeycomb type hydrogen production device for producing a gas containing hydrogen to be supplied to the fuel cell, and the electric power for converting the DC power generated by the fuel cell into predetermined power The fuel cell power generator according to (28) or (29) , wherein the converter and the control device for controlling the entire power generator are built in at least the package.
(31) The fuel cell power generator according to any one of (28) to (30), wherein the hydrogen-containing gas produced by the honeycomb-type hydrogen production apparatus is supplied to the fuel cell without being cooled. .
(32) The oxidant supplied to the oxidation electrode of the hydrogen production apparatus is exhaust gas discharged from the fuel cell or other honeycomb type hydrogen production apparatus or a gas containing unreacted oxygen (oxygen off-gas). The fuel cell power generator according to any one of the above (28) to (31).
(33) The fuel cell power generator according to any one of (28) to (32), wherein a heat insulating material for shutting off heat generated by the honeycomb-type hydrogen production apparatus is not provided.
(34) An electric vehicle comprising the fuel cell power generator according to any one of (28) to (33).
(35) A submarine ship equipped with the fuel cell power generator according to any one of (28) to (33).
(36) The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of (1) to (27) is connected to a hydrogen storage means, and a gas containing hydrogen produced by the honeycomb type hydrogen production apparatus is supplied to the hydrogen storage means. A hydrogen supply system characterized by:
(37) The hydrogen supply system according to (36), wherein the hydrogen storage means is a hydrogen storage container mounted on an electric vehicle (fuel cell vehicle).
(38) In a reaction tube for a hydrogen production cell having a cylindrical diaphragm and having a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and an oxidation electrode on the other side, gas diffusion of the oxidation electrode A reaction tube for a hydrogen production cell, wherein a region where the supply of oxidant is insufficient is provided in a layer by masking only a part of the gas diffusion layer of the oxidation electrode.
(39) In a reaction tube for a hydrogen production cell having a tubular diaphragm and having a fuel electrode on one side of the inner and outer faces of the tubular diaphragm and an oxidation electrode on the other side, gas diffusion of the oxidation electrode A reaction tube for a hydrogen production cell, wherein a region where the supply of oxidant is insufficient is provided in a layer by masking only a part of the gas diffusion layer of the fuel electrode.
(40) In a reaction tube for a hydrogen production cell having a tubular diaphragm and having a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the tubular diaphragm and an oxidation electrode on the other side, gas diffusion of the oxidation electrode By masking a region where the oxidant is insufficiently supplied to a layer to a part of the gas diffusion layer on both sides of the oxidation electrode and the fuel electrode, and by shifting at least a part of the masking on both sides facing each other A reaction tube for a hydrogen production cell, which is provided.
(41) The reaction tube for a hydrogen production cell according to any one of (38) to (40), wherein the masking is performed in a band shape.
(42) The reaction tube for a hydrogen production cell according to any one of (38) to (40), wherein the masking is performed in a spot shape.
(43) The hydrogen production cell according to any one of (38) to (42), wherein the masking is performed by impregnating the gas diffusion layer with a resin or applying a resin to a surface of the gas diffusion layer. Reaction tube.
(44) The reaction tube for a hydrogen production cell according to any one of (38) to (43), wherein the masking is performed by screen printing.
(45) In a reaction tube for a hydrogen production cell having a tubular diaphragm and having a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the tubular diaphragm and an oxidation electrode on the other side, gas diffusion of the oxidation electrode A reaction tube for a hydrogen production cell, characterized in that a region where the supply of oxidant is insufficient is provided in the layer with the gas diffusion layer of the oxidation electrode being non-uniform.
(46) The reaction tube for a hydrogen production cell according to (45), wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made non-uniform by forming it densely or by combining different materials.
(47) The reaction tube for a hydrogen production cell according to (45) or (46), wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made uneven by forming irregularities on the surface.

ここで、前記(1)〜(3)、(8)、(38)〜(40)、(45)の「酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を設けた」とは、酸化極側において、放電反応が抑制され、水素発生反応が起きるように酸化剤の供給の不足する領域を設けたことを意味し、前記(1)(3)(38)及び(40)のように酸化極のガス拡散層の一部にマスキングを行うこと、又は、前記(8)(10)及び(45)(47)のように酸化極のガス拡散層を、疎密に形成する、材質の異なるものを組み合わせる、凹凸を形成する等の手段で不均質にすることにより、酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を直接的に設けた場合を包含するが、これに限定されず、前記(2)及び(39)のように燃料極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うこと等の手段により、酸化極側に酸化剤の供給の不足する領域を間接的に設けた場合も包含する。
マスキングの形状としては、前記(4)(5)(41)及び(42)のように帯状、斑点状を採用することができ、マスキングの材料としては、前記(6)及び(43)のように樹脂を採用することができ、マスキングの手段としては、前記(6)(7)(43)及び(44)のように含浸、塗布、スクリーン印刷を採用することができるが、マスキングの形状、材料、手段は、これらに限定されず、「酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域」を形成し得るものであれば、いかなる形状、材料、手段も包含するものである。
Here, (1) to (3), (8), (38) to (40), and (45) “providing a region where the supply of the oxidant is insufficient on the oxidation electrode side” On the pole side, it means that a region where supply of oxidant is insufficient is provided so that the discharge reaction is suppressed and a hydrogen generation reaction occurs, and the above (1) , (3) , (38) and (40) As described above, masking is performed on a part of the gas diffusion layer of the oxidation electrode, or the gas diffusion layer of the oxidation electrode is formed densely as described in (8) to (10) and (45) to (47). combine different in material, by heterogeneous with means such as forming irregularities, it encompasses a case provided directly an area of insufficient supply of the oxidant gas diffusion layer of the oxidizing electrode not limited thereto, the (2) and one only gas diffusion layer of the fuel electrode as shown in (39) Encompasses a means, such as to perform masking, even if provided with a region where the lack of supply of the oxidizing agent to the oxidizing electrode side indirectly.
As the shape of the masking, a band shape or a spot shape can be adopted as in the above (4) , (5) , (41) and (42) , and as the masking material, the above (6) and (43) As the masking means, impregnation, coating, and screen printing can be employed as in the above (6) , (7) , (43) and (44) , The shape, material, and means of masking are not limited to these, and any shape, material, and means may be included as long as they can form a “region where the supply of the oxidizing agent is insufficient on the oxidation electrode side”. Oh Ru.

さらに、前記(1)〜(3)、(8)(11)(13)のハニカム型水素製造装置は、水素製造セルに燃料及び酸化剤を供給する手段を有している。また、この外に、前記(12)の場合は、水素製造セルから電気エネルギーを取り出すための放電制御手段を有しており、前記(13)の場合は、水素製造セルに電気エネルギーを印加するための電解手段を有している。前記(11)の場合は、水素製造セルから電気エネルギーを取り出すための放電制御手段及び水素製造セルに電気エネルギーを印加するための電解手段を有しない開回路のものである。そして、前記(1)〜(3)、(8)のハニカム型水素製造装置は、前記(11)(13)のハニカム型水素製造装置を包含するものである。さらに、これらの水素製造装置は、水素製造セルの電圧及び/又は水素を含むガスの発生量をモニターして、燃料及び酸化剤の供給量若しくは濃度、並びに取り出す電気エネルギー(前記(12)の場合)又は印加する電気エネルギー(前記(13)の場合)をコントロールする機能を有している。
また、本発明において、電気自動車(燃料電池自動車)とは、燃料電池のみで車両の駆動力を得るものに限定されず、他の動力源を併用するハイブリッドカーを含むものである。
Furthermore, the honeycomb type hydrogen production apparatus according to (1) to (3), (8) , (11) to (13) has means for supplying fuel and an oxidant to the hydrogen production cell. In addition, in the case of (12) , there is a discharge control means for taking out electric energy from the hydrogen production cell. In the case of (13) , electric energy is applied to the hydrogen production cell. For the electrolysis. In the case of (11) , the discharge control means for taking out electric energy from the hydrogen production cell and the open circuit without the electrolysis means for applying electric energy to the hydrogen production cell. The honeycomb-type hydrogen production apparatuses (1) to (3) and (8) include the honeycomb-type hydrogen production apparatuses (11) to (13) . Furthermore, these hydrogen production apparatuses monitor the voltage of the hydrogen production cell and / or the generation amount of gas containing hydrogen, and supply or concentration of fuel and oxidant, and electric energy to be extracted (in the case of (12) above ) ) Or applied electric energy (in the case of (13) above ) .
Further, in the present invention, an electric vehicle (fuel cell vehicle) is not limited to a vehicle that obtains the driving force of a vehicle with only a fuel cell, but includes a hybrid car that uses another power source in combination.

本発明のハニカム型水素製造装置は、室温から100℃以下という従来の改質温度と比較して格段に低い温度で燃料を改質することができるので、改質に必要なエネルギーが少なくてすみ、起動に要する時間が短くできるだけでなく、その水素製造装置を用いた燃料電池発電装置、その燃料電池発電装置を搭載した電気自動車及び潜水船、その水素製造装置を用いた水素供給システムにおいて、改質装置の発生する熱を遮断するための断熱材を不要とすることもでき、さらに、水素製造装置から発生した水素を含むガスを冷却せずに燃料電池に容易に供給することができるという効果を奏する。
また、生成した水素を含むガスに空気中の窒素が混入しないか又は非常に混入量が少なく、かつ、COが含まれないので、比較的高い水素濃度のガスが得られ、CO除去工程が不要であるという効果を奏する。
さらに、反応管をハニカム状に多数組み合わせており、セパレータを用いないので、水素製造装置のコンパクト化を図ることができるという効果を奏する。
本発明のハニカム型水素製造装置は、水素製造セルに外部から電気エネルギーを供給することなく、水素を発生させることもできるが、電気エネルギーを取り出す手段を有する場合であっても、外部から電気エネルギーを印加する手段を備えている場合であっても、水素を発生させることができる。
電気エネルギーを取り出す手段を有する場合には、その電気エネルギーを有効に利用することができる。
外部から電気エネルギーを印加する手段を備えている場合でも、水素製造セルに外部から少量の電気エネルギーを供給することにより、投入した電気エネルギー以上の水素を発生することができるという効果を奏する。
さらに、いずれの場合であっても、水素製造セルの電圧及び又は水素を含むガスの発生量をモニターすることによってプロセスコントロールが可能となり、水素製造装置のコンパクト化を図ることができるので、水素製造装置、燃料電池発電装置、電気自動車、潜水船及び水素供給システムのコストが低減できるという効果を奏する。
The honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention can reform the fuel at a temperature much lower than the conventional reforming temperature of room temperature to 100 ° C. or less, and therefore requires less energy for reforming. In addition to shortening the time required for start-up, the fuel cell power generation device using the hydrogen production device, the electric vehicle and submarine equipped with the fuel cell power generation device, and the hydrogen supply system using the hydrogen production device It is possible to eliminate the need for a heat insulating material for shutting off the heat generated by the quality device, and to easily supply the gas containing hydrogen generated from the hydrogen production device to the fuel cell without cooling. Play.
In addition, nitrogen in the air is not mixed in the gas containing hydrogen, or the amount is very small, and no CO is contained, so a gas with a relatively high hydrogen concentration can be obtained and a CO removal step is unnecessary. The effect that it is.
In addition, since a large number of reaction tubes are combined in a honeycomb shape and no separator is used, the hydrogen production apparatus can be made compact.
The honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention can generate hydrogen without supplying electric energy to the hydrogen production cell from the outside, but even when it has a means for taking out electric energy, Even when a means for applying is provided, hydrogen can be generated.
In the case where a means for taking out electric energy is provided, the electric energy can be used effectively.
Even when a means for applying electric energy from the outside is provided, by supplying a small amount of electric energy from the outside to the hydrogen production cell, it is possible to generate more hydrogen than the supplied electric energy.
Furthermore, in any case, it is possible to control the process by monitoring the voltage of the hydrogen production cell and / or the generation amount of gas containing hydrogen, and the hydrogen production apparatus can be made compact. There exists an effect that the cost of an apparatus, a fuel cell power generator, an electric vehicle, a submarine, and a hydrogen supply system can be reduced.

以下に、本発明を実施するための最良の形態を例示する。
特に、本発明のハニカム型水素製造装置は、基本的に新規なものであり、以下に述べるのは、あくまでも一形態にすぎず、これにより本発明が限定されるものではない。
The best mode for carrying out the present invention will be exemplified below.
In particular, the honeycomb-type hydrogen production apparatus of the present invention is basically novel, and what is described below is merely one embodiment, and the present invention is not limited thereby.

本発明者等は、従来の直接メタノール型燃料電池と同じ構造のセルを用いて、有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置(特願2004−367792号)を開発し、また、それを応用した独立型水素製造システム(特願2005−151125号)、燃料電池発電装置(特願2005−151124号)、電気自動車(特願2005−096955号)、水素供給システム(特願2005−096956号)及び潜水船(特願2005−096957号)を開発した。
上記の発明における水素製造装置は、いずれも、酸化剤を流すための流路溝を設けた酸化極セパレータを用いたものであったが、セパレータを用いなくても、酸化極側に酸化剤の供給の不足する領域を設けることにより、水素が発生することを知見し、水素製造装置等の発明(特願2005−164145号)を完成させたが、本発明は、その改良発明に関するものである。
The present inventors have developed a hydrogen production apparatus (Japanese Patent Application No. 2004-367992) that uses a cell having the same structure as a conventional direct methanol fuel cell to decompose a fuel containing organic matter and produce a gas containing hydrogen. In addition, an independent hydrogen production system (Japanese Patent Application No. 2005-151125), a fuel cell power generation device (Japanese Patent Application No. 2005-151124), an electric vehicle (Japanese Patent Application No. 2005-096955), a hydrogen supply system (Japanese Patent Application No. 2005-096956) and a submarine (Japanese Patent Application No. 2005-096957) were developed.
All of the hydrogen production apparatuses in the above invention use an oxidation electrode separator provided with a flow channel for flowing an oxidant. However, without using a separator, an oxidant is provided on the oxidation electrode side. It has been found that hydrogen is generated by providing a region where supply is insufficient, and the invention of a hydrogen production apparatus and the like (Japanese Patent Application No. 2005-164145) has been completed. The present invention relates to an improved invention. .

本発明のハニカム型水素製造装置(以下、「水素製造装置」と省略する。)の一例を図1(a)に示す。この水素製造装置は、反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル(10)、及び水素製造装置を運転するための補機、水素を含むガスを取り出す手段を有するものである。
図1(a)に示す水素製造セル(10)は、図1(b)に示すような筒状の隔膜(11)の内外側面のうち一方の側面(内側面)に燃料極(12)及び他方の側面(外側面)に酸化極(14)を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせてセルを構成したものである。
なお、内側面と外側面を入れ替えて、筒状の隔膜の内側面に酸化極を設け、筒状の隔膜の外側面に燃料極を設けてもよい。
また、水素製造セル(10)は、前記反応管と共に、燃料極(12)に有機物と水を含む燃料(メタノール水溶液)を供給するための流路(13)を備え、かつ、酸化極(14)に酸化剤(空気)を供給するための流路(15)を備えたものである。
An example of a honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention (hereinafter abbreviated as “hydrogen production apparatus”) is shown in FIG. This hydrogen production apparatus has a hydrogen production cell (10) in which a large number of reaction tubes are combined in a honeycomb shape, an auxiliary machine for operating the hydrogen production apparatus, and a means for extracting a gas containing hydrogen.
A hydrogen production cell (10) shown in FIG. 1 (a) includes a fuel electrode (12) and a fuel electrode (12) on one side surface (inner side surface) of inner and outer surfaces of a cylindrical diaphragm (11) as shown in FIG. 1 (b). A cell is formed by combining a number of reaction tubes each provided with an oxidation electrode (14) on the other side surface (outer surface) in a honeycomb shape.
Alternatively, the inner side surface and the outer side surface may be interchanged, and an oxidation electrode may be provided on the inner side surface of the cylindrical diaphragm, and a fuel electrode may be provided on the outer side surface of the cylindrical diaphragm.
The hydrogen production cell (10) includes a flow path (13) for supplying a fuel (methanol aqueous solution) containing organic matter and water to the fuel electrode (12) together with the reaction tube, and an oxidation electrode (14). ) Is provided with a flow path (15) for supplying an oxidizing agent (air).

水素製造装置を運転するための補機として、燃料極(12)にメタノール水溶液を供給する燃料ポンプ(16)と酸化極(14)に空気を供給する空気ブロア(17)が設けられている。
燃料極における流路(13)は、燃料ポンプ(16)と流量調整弁(18)を介して導管で接続されており、酸化極における流路(15)は、空気ブロア(17)と流量調整弁(19)を介して導管で接続されている。
燃料(100%メタノール)は、燃料タンク(20)に貯蔵されており、そこから燃料調整槽(21)に移され、燃料調整槽(21)で水と混合され、例えば、3%程度のメタノール水溶液に調整されて燃料極(12)に供給される。
As an auxiliary machine for operating the hydrogen production apparatus, a fuel pump (16) for supplying a methanol aqueous solution to the fuel electrode (12) and an air blower (17) for supplying air to the oxidation electrode (14) are provided.
The flow path (13) in the fuel electrode is connected by a conduit via a fuel pump (16) and a flow rate adjustment valve (18), and the flow path (15) in the oxidation electrode is adjusted with the air blower (17). They are connected by a conduit via a valve (19).
The fuel (100% methanol) is stored in the fuel tank (20), transferred from there to the fuel adjustment tank (21), and mixed with water in the fuel adjustment tank (21). For example, about 3% methanol It is adjusted to an aqueous solution and supplied to the fuel electrode (12).

上記のような構成の水素製造装置において、電気エネルギーを燃料ポンプ(16)と空気ブロア(17)に供給してこれを動かし、流量調整弁(18)を開放すると、燃料ポンプ(16)によってメタノール水溶液が燃料調整槽(21)から流路(13)を通り燃料極(12)に供給され、また、流量調整弁(19)を開放すると、空気ブロア(17)によって空気が流路(15)を通り酸化極(14)に供給される。
これによって、燃料極と酸化極(空気極)で後述するような反応が生じて燃料極(12)側から水素を含むガスが発生する。
In the hydrogen production apparatus configured as described above, when electric energy is supplied to the fuel pump (16) and the air blower (17) and moved, and the flow rate adjustment valve (18) is opened, methanol is driven by the fuel pump (16). When the aqueous solution is supplied from the fuel adjustment tank (21) to the fuel electrode (12) through the flow path (13) and the flow rate adjustment valve (19) is opened, the air is blown to the flow path (15) by the air blower (17). And supplied to the oxidation electrode (14).
As a result, a reaction as described later occurs between the fuel electrode and the oxidation electrode (air electrode), and a gas containing hydrogen is generated from the fuel electrode (12) side.

水素を含むガスの発生量は、水素製造セル(10)の電圧(開回路電圧又は運転電圧)をモニターする電圧調整器(22)を設けて、燃料及び空気の供給量若しくは濃度、並びに取り出す電気エネルギー又は印加する電気エネルギーをコントロールすることにより、調整することができる。
また、筒状の反応管をハニカム状に多数組み合わせてセルを構成した場合には、図1(c)及び(d)に示すように、燃料極(12)及び酸化極(14)から導線を引き出して電位を測定することにより、水素製造セル(10)の電圧をモニターすることが好ましい。
図1(c)に示すように、ハニカム状に組み合わせた反応管の燃料極(12)を一体化して導線を引き出してもよいし、図1(d)に示すように、ハニカム状に組み合わせた反応管の燃料極(12)から個別に導線を引き出してまとめてもよい。
発生した水素を含むガスは、水素製造セル(10)から取り出し、気液分離器(23)に通して、水素を含むガスと未反応メタノール水溶液に分離し、未反応メタノール水溶液の一部又は全部を燃料調整槽(21)に戻す導管(24)からなる循環手段によって循環させる。場合によっては系外から水を供給するようにしてもよい。
The amount of gas containing hydrogen is determined by providing a voltage regulator (22) for monitoring the voltage (open circuit voltage or operating voltage) of the hydrogen production cell (10), and supplying and concentration of fuel and air, and the electricity to be taken out. It can be adjusted by controlling the energy or applied electrical energy.
Further, when a cell is formed by combining a large number of tubular reaction tubes in a honeycomb shape, as shown in FIGS. 1 (c) and (d), a conductor is connected from the fuel electrode (12) and the oxidation electrode (14). It is preferable to monitor the voltage of the hydrogen production cell (10) by drawing out and measuring the potential.
As shown in FIG. 1 (c), the fuel electrodes (12) of the reaction tubes combined in a honeycomb shape may be integrated to draw out a conducting wire, or in a honeycomb shape as shown in FIG. 1 (d). Conductors may be drawn individually from the fuel electrode (12) of the reaction tube and collected.
The generated hydrogen-containing gas is taken out from the hydrogen production cell (10), passed through a gas-liquid separator (23), separated into hydrogen-containing gas and unreacted methanol aqueous solution, and part or all of the unreacted methanol aqueous solution. Is circulated by a circulation means comprising a conduit (24) returning to the fuel adjustment tank (21). In some cases, water may be supplied from outside the system.

本発明の水素製造装置における水素発生反応メカニズムは以下のように推定される。
酸化極(空気極)側に設けた酸化剤(酸素)の供給の十分な領域(以下、「放電領域」という。)では、以下の通常の燃料電池における放電反応、すなわち、図2に示すように、燃料極側で(A)の反応、空気極側で(B)の反応が起きている。なお、図2は、本発明の水素製造装置に使用する反応管の管壁における一部の領域の縦断面を示すものであり、図3及び図4も同様である。
(A)CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2
(B)6H++6e-+3/2O2→3H2
The hydrogen generation reaction mechanism in the hydrogen production apparatus of the present invention is estimated as follows.
In the region of sufficient supply of oxidant (oxygen) provided on the oxidation electrode (air electrode) side (hereinafter referred to as “discharge region”), the following discharge reaction in a fuel cell, that is, as shown in FIG. Furthermore, the reaction (A) occurs on the fuel electrode side, and the reaction (B) occurs on the air electrode side. FIG. 2 shows a longitudinal section of a partial region of the wall of the reaction tube used in the hydrogen production apparatus of the present invention, and the same applies to FIGS. 3 and 4.
(A) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2
(B) 6H + + 6e + 3 / 2O 2 → 3H 2 O

一方、ナフィオン等のプロトン導電性固体電解質膜を用いた場合にCH3OHが燃料極から空気極側へ透過するクロスオーバー現象が知られており、空気極側に設けた酸素の供給の不足する領域(以下、「水素発生領域」という。)では、(B)の反応が起きず、図3に示すように、クロスオーバーメタノールが電解酸化され、(D)の反応が起き、一方、燃料極側では、(C)の水素発生反応が起きている。
(C)6H++6e-→3H2
(D)CH3OH+H2O→6H++6e-+CO2
On the other hand, when a proton conductive solid electrolyte membrane such as Nafion is used, a crossover phenomenon in which CH 3 OH permeates from the fuel electrode to the air electrode side is known, and supply of oxygen provided on the air electrode side is insufficient. In the region (hereinafter referred to as “hydrogen generation region”), the reaction (B) does not occur, and the crossover methanol is electrolytically oxidized and the reaction (D) occurs, as shown in FIG. On the side, the hydrogen generation reaction (C) occurs.
(C) 6H + + 6e → 3H 2
(D) CH 3 OH + H 2 O → 6H + + 6e + CO 2

本願請求項14に係る発明の水素製造装置(以下、「開回路条件」という。)の場合は、(A)及び(D)の反応により生成したe-が外部回路を通って対極に供給されないから、燃料極で(A)の反応により生成したH+とe-の空気極への移動と、空気極で(D)の反応により生成したH+とe-の燃料極への移動は見かけ上打ち消されていると考えられる。
すなわち、図4に示すように、燃料極側の放電領域で(A)の反応により生成したH+とe-が、同じ燃料極側の水素発生領域に移動して、(C)の反応が起き、水素が発生し、一方、空気極側の水素発生領域で(D)の反応により生成したH+とe-は、同じ空気極側の放電領域に移動して、(B)の反応が起きていると推定される。
燃料極上で(A)の反応と(C)の反応が進行し、酸化極上で(B)の反応と(D)の反応が進行すると仮定すると、トータルとして、以下の反応が成立する。
2CH3OH+2H2O+3/2O2→2CO2+3H2O+3H2
この反応の理論効率は、59%(水素3モルの発熱量/メタノール2モルの発熱量)となる。
In the case of the hydrogen production apparatus of the invention according to claim 14 of the present application (hereinafter referred to as “open circuit conditions”), e generated by the reactions (A) and (D) is not supplied to the counter electrode through the external circuit. From the above, the movement of H + and e produced by the reaction (A) at the fuel electrode to the air electrode and the movement of H + and e produced by the reaction (D) at the air electrode to the fuel electrode are apparent. It is thought that it was canceled.
That is, as shown in FIG. 4, H + and e generated by the reaction (A) in the discharge region on the fuel electrode side move to the hydrogen generation region on the same fuel electrode side, and the reaction (C) occurs. On the other hand, hydrogen is generated, while H + and e generated by the reaction (D) in the hydrogen generation region on the air electrode side move to the same discharge region on the air electrode side, and the reaction (B) Presumed to be awake.
Assuming that the reactions (A) and (C) proceed on the fuel electrode and the reactions (B) and (D) proceed on the oxidation electrode, the following reactions are established as a whole.
2CH 3 OH + 2H 2 O + 3 / 2O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O + 3H 2
The theoretical efficiency of this reaction is 59% (3 mol hydrogen exotherm / 2 mol methanol exotherm).

本願請求項15に係る発明の「前記燃料極を負極とし前記酸化極を正極として外部に電気エネルギーを取り出す手段を有する」水素製造装置(以下、「放電条件」という。)の場合も、開回路条件での水素発生メカニズムと類似のメカニズムで水素が発生すると考えられる。但し、開回路条件の場合と異なり、放電電流相当分のH+が燃料極から空気極に移動することでセル全体の電気的中性条件を保つ必要があるため、燃料極では(C)の反応より(A)の反応が、空気極では(D)の反応より(B)の反応がより速く(多く)進行するものと考えられる。 In the case of a hydrogen production apparatus (hereinafter referred to as “discharge condition”) of the invention according to claim 15 of the present invention having “a means for taking out electric energy to the outside using the fuel electrode as a negative electrode and the oxidation electrode as a positive electrode”. It is thought that hydrogen is generated by a mechanism similar to the hydrogen generation mechanism under conditions. However, unlike the case of the open circuit condition, it is necessary to maintain the electrical neutral condition of the entire cell by moving H + corresponding to the discharge current from the fuel electrode to the air electrode. It is considered that the reaction (A) proceeds faster than the reaction (B) than the reaction (D) at the air electrode.

本願請求項16に係る発明の「前記燃料極をカソードとし前記酸化極をアノードとして外部から電気エネルギーを印加する手段を有する」水素製造装置(以下、「充電条件」という。)の場合も、開回路条件での水素発生メカニズムと類似のメカニズムで水素が発生すると考えられる。但し、開回路条件の場合と異なり、電解電流相当分のH+が空気極から燃料極に移動することでセル全体の電気的中性条件を保つ必要があるため、燃料極では(A)の反応より(C)の反応が、空気極では(B)の反応より(D)の反応がより速く(多く)進行するものと考えられる。 Also in the case of the hydrogen production apparatus (hereinafter referred to as “charging condition”) of the invention according to claim 16 of the present invention having “a means for applying electric energy from the outside with the fuel electrode as a cathode and the oxidation electrode as an anode”. It is thought that hydrogen is generated by a mechanism similar to the hydrogen generation mechanism under circuit conditions. However, unlike the case of the open circuit condition, it is necessary to maintain the electrical neutral condition of the entire cell by moving H + corresponding to the electrolysis current from the air electrode to the fuel electrode. It is considered that the reaction (C) proceeds faster (more) than the reaction (B) at the air electrode than the reaction (B) at the air electrode.

本発明の水素製造装置を製造する場合は、まず、図1(b)に示されるように、筒状の隔膜(11)を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極(12)及び他方の側面に空気極(14)を設けた反応管を作製する。
図1(b)に示されるような反応管の作製方法は限定されるものではないが、まず、電解質膜の両側に、燃料極触媒付きガス拡散層、空気極触媒付きガス拡散層をホットプレスによって接合して従来と同様の平板状MEA(膜−電極接合体)を作製した後、この平板状MEAを筒状に丸め、電解質膜の端部を重ね、この重ねた部分を熱融着し、燃料極及び空気極の一方が内側、他方が外側となった円筒状MEAを作製して、この円筒状MEAの内部を穴のあいたプラスチックチューブで補強して反応管とすることができる。
別の作製方法として、燃料極触媒層付きガス拡散層に代えて、外周面に燃料極触媒層を設けたカーボンチューブを準備し、この燃料極触媒層の表面に電解質層(隔膜)を形成し、この電解質層(隔膜)の表面に空気極触媒層を形成し、さらに空気極触媒層の表面にガス拡散層としてのカーボンフェルトを巻き付けて反応管とする方法も採用できる。
When producing the hydrogen production apparatus of the present invention, first, as shown in FIG. 1 (b), a tubular diaphragm (11) is provided, and fuel is provided on one of the inner and outer surfaces of the tubular diaphragm. A reaction tube having an electrode (12) and an air electrode (14) on the other side is prepared.
The method for producing the reaction tube as shown in FIG. 1B is not limited. First, a gas diffusion layer with a fuel electrode catalyst and a gas diffusion layer with an air electrode catalyst are hot-pressed on both sides of the electrolyte membrane. After manufacturing a flat plate MEA (membrane-electrode assembly) similar to the conventional one, the flat plate MEA is rolled into a cylindrical shape, the end portions of the electrolyte membrane are overlapped, and the overlapped portion is heat-sealed. A cylindrical MEA in which one of the fuel electrode and the air electrode is on the inner side and the other is on the outer side is manufactured, and the inside of the cylindrical MEA can be reinforced with a plastic tube having a hole to form a reaction tube.
As another manufacturing method, instead of the gas diffusion layer with the fuel electrode catalyst layer, a carbon tube having a fuel electrode catalyst layer provided on the outer peripheral surface is prepared, and an electrolyte layer (diaphragm) is formed on the surface of the fuel electrode catalyst layer. A method of forming a reaction tube by forming an air electrode catalyst layer on the surface of the electrolyte layer (diaphragm) and winding a carbon felt as a gas diffusion layer around the surface of the air electrode catalyst layer can also be employed.

空気極(14)に酸化剤(空気)の供給の不足する領域を設けるためには、空気極のガス拡散層(反応管のガス拡散層)の一部に、図5に示すようにマスク(14M)を設ける(マスキングを行う)ことが好ましい。
図5は、図1(b)に示す反応管の縦断面図の右側の部分に相当する反応管の管壁の縦断面図であり、以下、図6〜図9についても同様である。
また、図6に示すように、燃料極(12)のガス拡散層(MEAのガス拡散層)の一部にマスク(12M)を設けても、後述する参考例に示すように、わずかではあるが水素が発生する。これは燃料極の一部にマスキングをすることにより、マスキングをしなかった部分で電解質を介してメタノールと水の空気極側への拡散が多くなり、マスキングをした部分でメタノールと水の空気極側への拡散が少なくなり、その結果、メタノールが拡散した空気極側においてはメタノールの酸化によって酸素が消費されて空気極側で酸素が不足する領域が形成されるのに対し、メタノールが拡散しなかった空気極側においては酸素が消費されずに空気極側で酸素が十分存在する領域が形成されることになり、空気極側の一部をマスキングしたのと同じ作用効果を奏していることが考えらえる。
In order to provide the air electrode (14) with a region where the supply of oxidant (air) is insufficient, a mask (as shown in FIG. 5) is formed on a part of the gas diffusion layer of the air electrode (gas diffusion layer of the reaction tube). 14M) is preferably provided (masking is performed).
FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of the tube wall of the reaction tube corresponding to the right portion of the vertical cross-sectional view of the reaction tube shown in FIG. 1B, and the same applies to FIGS.
Further, as shown in FIG. 6, even if a mask (12M) is provided on a part of the gas diffusion layer (MEA gas diffusion layer) of the fuel electrode (12), it is slight as shown in a reference example described later. Generates hydrogen. This is because by masking part of the fuel electrode, diffusion of methanol and water to the air electrode side increases through the electrolyte in the part that is not masked, and the air electrode of methanol and water in the masked part. As a result, on the air electrode side where methanol has diffused, oxygen is consumed by oxidation of methanol, and a region where oxygen is insufficient on the air electrode side is formed, whereas methanol diffuses. On the air electrode side that was not there, oxygen was not consumed, but a region where oxygen was sufficiently present on the air electrode side was formed, and the same effect as masking part of the air electrode side was achieved. Can be thought of.

燃料極(12)及び空気極(14)のガス拡散層の一部に、それぞれマスク(12M)及び(14M)を設けた場合は、後述する参考例、比較例に示すように、水素が発生する場合と、発生しない場合がある。
図7に示すように、燃料極(12)及び空気極(14)のガス拡散層の一部にマスクを同じ位置に対向するように設けた場合には、水素は発生しない。この理由は、空気極(14)のガス拡散層の一部にマスク(14M)を設けることにより水素発生領域が形成されているが、燃料極(12)の対応する領域にマスク(12M)が設けられているので、(D)の反応のためのメタノールの拡散がされず、水素生成反応(C)が起きないためと考えられる。
図8に示すように、燃料極(12)及び空気極(14)のガス拡散層の一部にマスクを反対位置に対向しないように設けた場合には、水素は発生しない。この理由は、燃料極(12)の放電領域にマスク(12M)が設けられており、メタノールの供給がなく、(A)の反応が起きず、H+とe-の生成がないので、H+とe-が、放電領域から水素発生領域に供給されず、水素生成反応(C)が起きないためと考えられる。
図9に示すように、燃料極(12)及び空気極(14)のガス拡散層の一部にマスク(12M)、(14M)を、マスク(12M)、(14M)の一部のみが対向するように半分ずらして設けた場合には、放電領域(1)、水素発生領域(2)が形成され、(1)の領域で放電反応が起き、(2)の領域で水素発生反応が起きるので、水素が発生する。
When masks (12M) and (14M) are respectively provided in part of the gas diffusion layers of the fuel electrode (12) and the air electrode (14), hydrogen is generated as shown in the reference examples and comparative examples described later. It may or may not occur.
As shown in FIG. 7, when a mask is provided on a part of the gas diffusion layer of the fuel electrode (12) and the air electrode (14) so as to face the same position, hydrogen is not generated. This is because the hydrogen generation region is formed by providing a mask (14M) in a part of the gas diffusion layer of the air electrode (14), but the mask (12M) is formed in the corresponding region of the fuel electrode (12). Since it is provided, it is considered that methanol for the reaction (D) is not diffused and the hydrogen generation reaction (C) does not occur.
As shown in FIG. 8, when a mask is provided in a part of the gas diffusion layer of the fuel electrode (12) and the air electrode (14) so as not to face the opposite position, hydrogen is not generated. This is because a mask (12M) is provided in the discharge region of the fuel electrode (12), no methanol is supplied, the reaction (A) does not occur, and H + and e are not generated. This is because + and e are not supplied from the discharge region to the hydrogen generation region, and the hydrogen generation reaction (C) does not occur.
As shown in FIG. 9, masks (12M) and (14M) are opposed to a part of the gas diffusion layers of the fuel electrode (12) and the air electrode (14), and only a part of the masks (12M) and (14M) are opposed to each other. In the case of providing a half-shift, a discharge region (1) and a hydrogen generation region (2) are formed, a discharge reaction occurs in the region (1), and a hydrogen generation reaction occurs in the region (2). So hydrogen is generated.

マスキング(マスク)の形状は限定されるものではないが、図10に示すように帯状に行うことができる。マスキングを斑点状に行ってもよい。
帯状のマスクの幅、間隔、本数等、斑点状のマスクの大きさ、数等を適宜設定することにより、水素を含むガスの発生量を調整することができる。
マスキングの材料としてはエポキシ樹脂等の樹脂を使用することができる。
また、マスキングの手段としては、ガス拡散層への含浸、塗布、スクリーン印刷、シールの貼付等により簡便に行うことが可能である。
さらに、上記のようなマスキングだけではなく、ガス拡散層を疎密に形成したり、ガス拡散層を材質の異なるものを組み合わせたり、ガス拡散層の表面に凹凸を形成すること等の手段で、酸化極のガス拡散層を不均一にすることによっても、酸化極側に酸化剤の供給の不足する領域を設けることができる。
Although the shape of the masking (mask) is not limited, it can be formed in a band shape as shown in FIG. Masking may be performed in spots.
The amount of gas containing hydrogen can be adjusted by appropriately setting the size, number, etc. of the spot-like masks, such as the width, interval, number, etc. of the strip-like masks.
A resin such as an epoxy resin can be used as the masking material.
Further, as a masking means, it is possible to carry out simply by impregnation into the gas diffusion layer, coating, screen printing, sticking of a seal and the like.
In addition to masking as described above, oxidation may be performed by means such as forming a gas diffusion layer in a dense manner, combining gas diffusion layers with different materials, or forming irregularities on the surface of the gas diffusion layer. By making the electrode gas diffusion layer non-uniform, a region where the supply of the oxidizing agent is insufficient can be provided on the oxidation electrode side.

発明の水素製造装置における反応管の隔膜(11)としては、燃料電池において高分子電解質膜として使用されているプロトン導電性固体電解質膜を用いることができる。プロトン導電性固体電解質膜としては、デュポン社のナフィオン膜等のスルホン酸基を持つパーフルオロカーボンスルホン酸系膜が好ましい。   As the diaphragm (11) of the reaction tube in the hydrogen production apparatus of the invention, a proton conductive solid electrolyte membrane used as a polymer electrolyte membrane in a fuel cell can be used. As the proton conductive solid electrolyte membrane, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane having a sulfonic acid group such as a Nafion membrane manufactured by DuPont is preferable.

燃料極及び酸化極(空気極)は、導電性を有し、触媒活性を有する電極であることが好ましく、例えば、ガス拡散層に、炭素粉末等からなる担体上に担持させた触媒とPTFE樹脂等の結着剤とナフィオン溶液等のイオン導電性を付与するための物質とを含有する触媒ペーストを塗布し乾燥して作製することができる。
ガス拡散層としては、撥水処理を行ったカーボンペーパー等からなるものが好ましい。
燃料極触媒としては、任意のものを使用できるが、白金−ルテニウム合金を炭素粉末に担持したものが好ましい。
空気極触媒としては、任意のものを使用できるが、白金を炭素粉末に担持したものが好ましい。
The fuel electrode and the oxidation electrode (air electrode) are preferably electrodes having electrical conductivity and catalytic activity. For example, a catalyst and PTFE resin supported on a carrier made of carbon powder or the like in a gas diffusion layer. It can be prepared by applying and drying a catalyst paste containing a binder such as Nafion solution and a substance for imparting ionic conductivity such as Nafion solution.
The gas diffusion layer is preferably made of carbon paper subjected to water repellent treatment.
Any fuel electrode catalyst can be used, but a catalyst in which a platinum-ruthenium alloy is supported on carbon powder is preferable.
Any air electrode catalyst can be used, but one in which platinum is supported on carbon powder is preferable.

上記のような構成の水素製造装置において、燃料極にメタノール水溶液等の有機物を含む燃料を供給し、酸化極(空気極)に空気、酸素、過酸化水素等の酸化剤を供給すると、特定の条件下で、燃料極に水素を含むガスが発生する。   In the hydrogen production apparatus configured as described above, when a fuel containing an organic substance such as a methanol aqueous solution is supplied to the fuel electrode, and an oxidizing agent such as air, oxygen, or hydrogen peroxide is supplied to the oxidation electrode (air electrode), Under the conditions, a gas containing hydrogen is generated in the fuel electrode.

本発明の水素製造装置において、水素を含むガスの発生量は、燃料極と酸化極(空気極)との間の電圧に依存する傾向があるから、開回路条件、放電条件、充電条件のいずれの場合においても、燃料極と酸化極(空気極)との間の電圧(開回路電圧又は運転電圧)を調整することにより、水素を含むガスの発生量を調整することができる。
開回路条件の場合には、実施例に示されるように、開回路電圧が400〜600mVで水素が発生しているから、この範囲で、開回路電圧を調整することにより、水素を含むガスの発生量を調整することができる。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, since the amount of gas containing hydrogen tends to depend on the voltage between the fuel electrode and the oxidation electrode (air electrode), any of open circuit conditions, discharge conditions, and charging conditions can be used. In this case, the amount of gas containing hydrogen can be adjusted by adjusting the voltage (open circuit voltage or operating voltage) between the fuel electrode and the oxidation electrode (air electrode).
In the case of the open circuit condition, as shown in the examples, hydrogen is generated at an open circuit voltage of 400 to 600 mV. Therefore, by adjusting the open circuit voltage within this range, the gas containing hydrogen is reduced. The amount of generation can be adjusted.

開回路電圧若しくは運転電圧及び/又は水素を含むガスの発生量(水素生成速度)は、酸化剤(空気、酸素等)の供給量を調整すること、酸化剤の濃度を調整すること、有機物を含む燃料の供給量を調整すること、有機物を含む燃料の濃度を調整することにより調整することができる。
また、上記以外に、放電条件の場合は、外部に取り出す電気エネルギーを調整すること(外部に取り出す電流を調整すること、さらには定電圧制御が可能な電源、いわゆるポテンショスタッドを用いることによって外部に取り出す電圧を調整すること)によって、充電条件の場合は、印加する電気エネルギーを調整すること(印加する電流を調整すること、さらには定電圧制御が可能な電源、いわゆるポテンショスタッドを用いることによって印加する電圧を調整すること)によって、運転電圧及び/又は水素を含むガスの発生量を調整することができる。
Open circuit voltage or operating voltage and / or the amount of gas containing hydrogen (hydrogen generation rate) can be adjusted by adjusting the supply amount of oxidant (air, oxygen, etc.), adjusting the concentration of oxidant, It can adjust by adjusting the supply amount of the fuel containing, and adjusting the density | concentration of the fuel containing organic substance.
In addition to the above, in the case of discharge conditions, the electrical energy extracted to the outside is adjusted (by adjusting the current to be extracted to the outside, and further by using a power source capable of constant voltage control, a so-called potentio stud. In the case of charging conditions, by adjusting the voltage to be taken out, it is applied by adjusting the applied electric energy (adjusting the applied current, and further using a power source capable of constant voltage control, a so-called potentio stud. The operating voltage and / or the amount of gas containing hydrogen can be adjusted.

本発明の水素製造装置においては、有機物を含む燃料を100℃以下で分解することができるから、水素製造装置の運転温度を100℃以下にすることができる。運転温度は、30〜90℃とすることが好ましい。運転温度を30〜90℃の範囲で調整することにより、以下の実施例に示すとおり、開回路電圧若しくは運転電圧及び/又は水素を含むガスの発生量を調整することができる。
なお、100℃以上での運転が必要であった従来の改質技術では、水は水蒸気になり、有機物を含む燃料はガス化し、このような条件下で水素を発生させても、水素を分離する手段を別途用いる必要があるため、本発明は、この点において有利である。
しかし、有機物を含む燃料を100℃以上の温度で分解すると、上記のようなデメリットはあるが、本発明は、本発明の水素製造装置を100℃を若干超える温度で運転させることを否定するものではない。
In the hydrogen production apparatus of the present invention, the fuel containing organic matter can be decomposed at 100 ° C. or lower, so that the operating temperature of the hydrogen production apparatus can be made 100 ° C. or lower. The operating temperature is preferably 30 to 90 ° C. By adjusting the operating temperature in the range of 30 to 90 ° C., the open circuit voltage or operating voltage and / or the amount of gas containing hydrogen can be adjusted as shown in the following examples.
In the conventional reforming technique that required operation at 100 ° C. or higher, water becomes water vapor, fuel containing organic substances is gasified, and hydrogen is separated even if hydrogen is generated under such conditions. The present invention is advantageous in this respect because it is necessary to use a separate means.
However, when a fuel containing organic matter is decomposed at a temperature of 100 ° C. or higher, there are the above disadvantages, but the present invention denies operating the hydrogen production apparatus of the present invention at a temperature slightly exceeding 100 ° C. is not.

推定される原理から考えて、有機物を含む燃料としては、プロトン導電性の隔膜を透過し、電気化学的に酸化されてプロトンを生成する液体又は気体燃料であればよく、メタノール、エタノール、エチレングリコール、2−プロパノールなどのアルコール、ホルムアルデヒドなどのアルデヒド、蟻酸などのカルボン酸、ジエチルエーテルなどのエーテルを含む液体燃料が好ましい。有機物を含む燃料は水と共に供給されるから、アルコールと水を含む溶液、その中でも、メタノールを含む水溶液が好ましい。なお、上記した燃料の一例としてのメタノールを含む水溶液は、少なくともメタノールと水を含む溶液であり、水素を含むガスを発生する領域において、その濃度は任意に選択することができる。   In view of the presumed principle, the fuel containing organic matter may be any liquid or gaseous fuel that permeates the proton-conductive diaphragm and is electrochemically oxidized to generate protons. Methanol, ethanol, ethylene glycol Liquid fuels containing alcohols such as 2-propanol, aldehydes such as formaldehyde, carboxylic acids such as formic acid, and ethers such as diethyl ether are preferred. Since the fuel containing an organic substance is supplied together with water, a solution containing alcohol and water, among which an aqueous solution containing methanol is preferable. In addition, the aqueous solution containing methanol as an example of the fuel described above is a solution containing at least methanol and water, and the concentration thereof can be arbitrarily selected in a region where a gas containing hydrogen is generated.

酸化剤としては、気体又は液体の酸化剤を使用することができる。気体の酸化剤としては、酸素を含む気体又は酸素が好ましい。酸素を含む気体の酸素濃度は、10%以上が特に好ましい。液体の酸化剤としては、過酸化水素を含む液体が好ましい。   As the oxidizing agent, a gaseous or liquid oxidizing agent can be used. As the gaseous oxidant, a gas containing oxygen or oxygen is preferable. The oxygen concentration of the gas containing oxygen is particularly preferably 10% or more. As the liquid oxidant, a liquid containing hydrogen peroxide is preferable.

本発明においては、水素製造装置に投入した燃料が該装置内で一回で消費され、水素に分解される割合は低いので、燃料の循環手段を設けて、水素への変換率を高めることが好ましい。   In the present invention, since the fuel input to the hydrogen production apparatus is consumed once in the apparatus and decomposed into hydrogen is low, it is possible to increase the conversion rate to hydrogen by providing a fuel circulation means. preferable.

本発明の水素製造装置は、燃料極側から水素を含むガスを取り出す手段を備えており、水素を回収するものであるが、二酸化炭素も回収することが好ましい。100℃以下という低い温度で運転するものであるから、水素を含むガスに含まれる二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収部を、簡便な手段により設けることができる。   The hydrogen production apparatus of the present invention includes means for extracting a gas containing hydrogen from the fuel electrode side and recovers hydrogen, but it is also preferable to recover carbon dioxide. Since it operates at a temperature as low as 100 ° C. or less, a carbon dioxide absorption part that absorbs carbon dioxide contained in a gas containing hydrogen can be provided by simple means.

次に、本発明の水素製造装置を応用した燃料電池発電装置の一形態であるパッケージ型燃料電池発電装置の一例について説明する。上述した水素製造装置を燃料電池と接続して、燃料電池に水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給するものである。
本発明の燃料電池発電装置の基本的な構成は、図11に示すように、水素と酸化剤を供給して発電を行う燃料電池(30)、燃料電池(30)に供給するための水素を含むガスを製造する水素製造セル(10)、燃料電池(30)で発電した直流電力を所定の電力に変換する電力変換装置(36)、発電装置全体の制御を行う制御装置(37)及び燃料ポンプ(16)、空気ブロア(17)等の補機類を少なくともパッケージ(38)に内蔵したものである。
本発明の燃料電池発電装置において、水素製造装置を構成する水素製造セル(10)は低温で運転するものであるから、従来の燃料改質装置の場合と異なり、制御装置(37)を水素製造セル(10)の近くに配置することが可能である。また、水素製造セル(10)の発生する熱から制御装置(37)を保護するための断熱材も不要にすることができる。
Next, an example of a package type fuel cell power generation device which is an embodiment of a fuel cell power generation device to which the hydrogen production apparatus of the present invention is applied will be described. The hydrogen production apparatus described above is connected to a fuel cell, and a gas containing hydrogen produced by the hydrogen production apparatus is supplied to the fuel cell.
As shown in FIG. 11, the basic configuration of the fuel cell power generator of the present invention is to supply hydrogen and an oxidant to generate power, and to supply hydrogen to the fuel cell (30). Hydrogen production cell (10) for producing gas containing, power conversion device (36) for converting DC power generated by the fuel cell (30) into predetermined power, control device (37) for controlling the entire power generation device, and fuel Auxiliary equipment such as a pump (16) and an air blower (17) is built in at least the package (38).
In the fuel cell power generation apparatus of the present invention, the hydrogen production cell (10) constituting the hydrogen production apparatus is operated at a low temperature. Therefore, unlike the conventional fuel reformer, the control apparatus (37) is used for hydrogen production. It is possible to place it close to the cell (10). Moreover, the heat insulating material for protecting the control device (37) from the heat generated by the hydrogen production cell (10) can be eliminated.

この図では、燃料タンク(20)及び燃料調整槽(21)をパッケージに内蔵しているが、これらを内蔵せずに、パッケージの外部から燃料(メタノール水溶液)を供給するようにしてもよいし、燃料調整槽(21)のみをパッケージに内蔵させてもよい。
また、水素製造セル(10)から発生した水素を含むガスは、燃料電池(30)に直接供給することもできるが、水素を含むガスを貯蔵する水素タンク(25)を設けて、水素タンク(25)から燃料電池(30)に供給することが好ましい。
さらに、水素を含むガスと未反応メタノール水溶液を分離する気液分離器(23)を設けて、未反応メタノール水溶液を水素製造セル(10)に循環させることが好ましい。それ以外に、排空気から生成水と未反応メタノール水溶液を分離する気液分離器(27)を設けてもよい。
なお、図示していないが、これら以外にバックアップ電池を設けることもできる。
In this figure, the fuel tank (20) and the fuel adjustment tank (21) are built in the package, but fuel (methanol aqueous solution) may be supplied from the outside of the package without incorporating them. Only the fuel adjustment tank (21) may be incorporated in the package.
The hydrogen-containing gas generated from the hydrogen production cell (10) can be directly supplied to the fuel cell (30). However, a hydrogen tank (25) for storing the gas containing hydrogen is provided, 25) to the fuel cell (30).
Furthermore, it is preferable to provide a gas-liquid separator (23) for separating the gas containing hydrogen and the unreacted methanol aqueous solution and to circulate the unreacted methanol aqueous solution to the hydrogen production cell (10). In addition, you may provide the gas-liquid separator (27) which isolate | separates produced | generated water and unreacted methanol aqueous solution from exhaust air.
Although not shown, a backup battery can be provided in addition to these.

本発明の燃料電池発電装置に使用する水素製造装置は、図12に示すように、水素製造セル(10)、及び水素製造装置を運転するための補機を有するものである。
水素製造セル(10)の構造は、隔膜(11)の一方の面に燃料極(12)を設け、燃料極(12)に有機物と水を含む燃料(メタノール水溶液)を供給するための流路(13)を備え、かつ、隔膜(11)の他方の面に酸化極(14)を設け、酸化極(14)に酸化剤(空気)を供給するための流路(15)を備えたものである。
As shown in FIG. 12, the hydrogen production apparatus used in the fuel cell power generation apparatus of the present invention has a hydrogen production cell (10) and an auxiliary machine for operating the hydrogen production apparatus.
The structure of the hydrogen production cell (10) has a fuel electrode (12) on one surface of the diaphragm (11), and a flow path for supplying fuel (methanol aqueous solution) containing organic matter and water to the fuel electrode (12). (13), an oxidation electrode (14) provided on the other surface of the diaphragm (11), and a flow path (15) for supplying an oxidizing agent (air) to the oxidation electrode (14) It is.

水素製造装置を運転するための補機として、燃料極(12)にメタノール水溶液を供給する燃料ポンプ(16)が設けられている。燃料極における流路(13)は、燃料ポンプ(16)と流量調整弁(18)を介して導管で接続されている。
燃料(100%メタノール)は、燃料タンク(20)に貯蔵されており、そこから燃料調整槽(21)に移され、燃料調整槽(21)で水と混合され、例えば、3%程度のメタノール水溶液に調整されて燃料極(12)に供給される。
A fuel pump (16) for supplying a methanol aqueous solution to the fuel electrode (12) is provided as an auxiliary machine for operating the hydrogen production apparatus. The flow path (13) in the fuel electrode is connected by a conduit via a fuel pump (16) and a flow rate adjusting valve (18).
The fuel (100% methanol) is stored in the fuel tank (20), transferred from there to the fuel adjustment tank (21), and mixed with water in the fuel adjustment tank (21). For example, about 3% methanol It is adjusted to an aqueous solution and supplied to the fuel electrode (12).

また、同じく補機として空気ブロア(17)を設け、酸化極(14)に空気を直接供給することもできるが、この図においては、空気ブロア(17)によって燃料電池(30)に空気を供給し、燃料電池(30)より排出される未反応空気(排空気)を利用している。
燃料電池(30)に空気ではなく、酸化剤貯蔵装置からの酸素を供給する場合には、燃料電池(30)より排出される未反応酸素(酸素オフガス)を利用する。
ここで、燃料電池(30)の空気極から排出される排空気又は酸素オフガスを水素製造セル(10)に送り込むことによって、水素製造セル(10)用の空気ブロアが不要になる。 水素製造セル(10)の酸化極(14)における流路(15)は、空気ブロア(17)と、燃料電池(30)の空気極(34)における流路(35)を介して接続されている。
さらに、この排空気又は酸素オフガスは燃料電池(30)の作動温度とほぼ同じ温度(約80℃)を有しているから、排空気又は酸素オフガスの熱を水素製造セル(10)を加温する熱源として利用することができる。
また、2以上の水素製造装置を組み合わせて使用する場合には、一方の水素製造セル(10)の酸化極(14)に供給する空気として、他方の水素製造セル(10)から排出される排空気を利用することができる。
Similarly, an air blower (17) can be provided as an auxiliary device to supply air directly to the oxidation electrode (14), but in this figure, air is supplied to the fuel cell (30) by the air blower (17). In addition, unreacted air (exhaust air) discharged from the fuel cell (30) is used.
When oxygen is supplied from the oxidant storage device instead of air to the fuel cell (30), unreacted oxygen (oxygen off-gas) discharged from the fuel cell (30) is used.
Here, by sending exhaust air or oxygen off-gas discharged from the air electrode of the fuel cell (30) to the hydrogen production cell (10), an air blower for the hydrogen production cell (10) becomes unnecessary. The flow path (15) in the oxidation electrode (14) of the hydrogen production cell (10) is connected to the air blower (17) via the flow path (35) in the air electrode (34) of the fuel cell (30). Yes.
Furthermore, since this exhaust air or oxygen off gas has a temperature (about 80 ° C.) that is substantially the same as the operating temperature of the fuel cell (30), the heat of the exhaust air or oxygen off gas is heated in the hydrogen production cell (10). It can be used as a heat source.
When two or more hydrogen production apparatuses are used in combination, the exhaust gas discharged from the other hydrogen production cell (10) is supplied as air to the oxidation electrode (14) of one hydrogen production cell (10). Air can be used.

水素製造装置を運転するための補機である燃料ポンプ(16)や空気ブロア(17)に供給する電気エネルギーを燃料電池から得ることにより、独立型水素製造システムを構成することができる。
燃料電池としては、燃料電池(30)を利用し、燃料電池(30)から得られる電気エネルギーの一部を水素製造装置を運転するための補機に供給することができ、また、別の直接メタノール型の燃料電池を設けて、その燃料電池から得られる電気エネルギーを供給するようにしてもよい。
A stand-alone hydrogen production system can be configured by obtaining from the fuel cell the electric energy supplied to the fuel pump (16) and the air blower (17), which are auxiliary machines for operating the hydrogen production apparatus.
As the fuel cell, the fuel cell (30) can be used, and a part of the electric energy obtained from the fuel cell (30) can be supplied to an auxiliary machine for operating the hydrogen production apparatus. A methanol fuel cell may be provided to supply electric energy obtained from the fuel cell.

上記のような構成の水素製造装置において、電気エネルギーを燃料ポンプ(16)と空気ブロア(17)に供給してこれを動かし、流量調整弁(18)を開放すると、燃料ポンプ(16)によってメタノール水溶液が燃料調整槽(21)から流路(13)を通り燃料極(12)に供給され、また、流量調整弁(19)を開放すると、空気ブロア(17)によって空気が燃料電池(30)を介して流路(15)を通り酸化極(14)に供給される。
これによって、燃料極と酸化極(空気極)で後述するような反応が生じて燃料極(12)側から水素を含むガスが発生する。
In the hydrogen production apparatus configured as described above, when electric energy is supplied to the fuel pump (16) and the air blower (17) and moved, and the flow rate adjustment valve (18) is opened, methanol is driven by the fuel pump (16). When the aqueous solution is supplied from the fuel adjustment tank (21) to the fuel electrode (12) through the flow path (13) and the flow rate adjustment valve (19) is opened, the air is blown to the fuel cell (30) by the air blower (17). Through the channel (15) and supplied to the oxidation electrode (14).
As a result, a reaction as described later occurs between the fuel electrode and the oxidation electrode (air electrode), and a gas containing hydrogen is generated from the fuel electrode (12) side.

また、水素を含むガスの発生量は、水素製造セル(10)の電圧(開回路電圧又は運転電圧)をモニターする電圧調整器(22)を設けて、燃料及び空気の供給量若しくは濃度、並びに取り出す電気エネルギー又は印加する電気エネルギーをコントロールすることにより、調整することができる。
発生した水素を含むガスは、気液分離器(23)に通して、水素を含むガスと未反応メタノール水溶液に分離され、水素を含むガスは水素タンク(25)に貯蔵される。
分離された未反応メタノール水溶液の一部又は全部は、導管(24)によって燃料調整槽(21)に戻し循環させる。場合によっては系外から水を供給するようにしてもよい。
In addition, the amount of gas containing hydrogen is determined by providing a voltage regulator (22) for monitoring the voltage (open circuit voltage or operating voltage) of the hydrogen production cell (10), Adjustment can be made by controlling the electrical energy to be extracted or applied.
The generated hydrogen-containing gas is passed through a gas-liquid separator (23) to be separated into a hydrogen-containing gas and an unreacted methanol aqueous solution, and the hydrogen-containing gas is stored in a hydrogen tank (25).
Part or all of the separated unreacted methanol aqueous solution is circulated back to the fuel adjusting tank (21) through the conduit (24). In some cases, water may be supplied from outside the system.

水素製造装置から排出された排空気には、生成水とクロスオーバー現象により燃料極から透過してきたメタノール水溶液のうち未反応のものが含まれているから、この排空気は、気液分離器(27)を通して生成水と未反応メタノール水溶液を分離し、二酸化炭素除去装置(28)によって二酸化炭素を除去した後、大気中に排出する。
分離された生成水と未反応メタノール水溶液の一部又は全部は、導管(29)によって燃料調整槽(21)に戻し循環させる。
Since the exhaust air discharged from the hydrogen production apparatus contains unreacted methanol aqueous solution that has permeated from the fuel electrode due to the crossover phenomenon with the generated water, this exhaust air is separated from the gas-liquid separator ( 27) The produced water and the unreacted methanol aqueous solution are separated through 27), carbon dioxide is removed by the carbon dioxide removing device (28), and then discharged into the atmosphere.
Part or all of the separated product water and the unreacted methanol aqueous solution are circulated back to the fuel adjustment tank (21) through the conduit (29).

燃料電池(30)の水素極(32)には、水素タンク(25)に貯蔵されている水素が流量調整弁(26)を介して供給され、空気極(34)には、空気ブロア(17)から空気が流量調整弁(19)を介して供給され、水素極側では式〔1〕の反応が、空気極側では式〔2〕の反応がそれぞれ起き、燃料電池全体としては、式〔3〕の反応が起きて、水(水蒸気)が生成し、電気(直流電力)が発生する。
2→2H++2e-・・・〔1〕
2H++2e-+(1/2)O2→H2O・・・〔2〕
2+(1/2)O2→H2O・・・〔3〕
Hydrogen stored in the hydrogen tank (25) is supplied to the hydrogen electrode (32) of the fuel cell (30) via the flow rate adjusting valve (26), and the air blower (17) is supplied to the air electrode (34). ) Through the flow rate adjustment valve (19), the reaction of the formula [1] occurs on the hydrogen electrode side, and the reaction of the formula [2] occurs on the air electrode side. 3] occurs, water (steam) is generated, and electricity (DC power) is generated.
H 2 → 2H + + 2e - ··· [1]
2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

燃料電池(30)としては、燃料が水素であれば、どのようなものでも使用できるが、100℃以下の低温で運転が可能な固体高分子型燃料電池(PEFC)が好ましい。固体高分子型燃料電池としては、周知の単セルを複数積層した燃料電池スタックを採用することができる。1つの単セルは、ナフィオン(デュポン社の商標)といった固体高分子電解質膜(31)、それを両側から挟み込む拡散電極である水素極(32)及び空気極(34)、さらにそれらを両側から挟み込む2枚のセパレータ等を備えている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極と空気極との間で、単セル内ガス流路(33)、(35)を形成している。このうち、水素極との間で形成される単セル内ガス流路(33)には、供給された水素ガスが、一方、空気極との間で形成される単セル内ガス流路(35)には、空気が、それぞれ流れている。   As the fuel cell (30), any fuel can be used as long as the fuel is hydrogen, but a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) capable of operating at a low temperature of 100 ° C. or lower is preferable. As the polymer electrolyte fuel cell, a fuel cell stack in which a plurality of well-known single cells are stacked can be employed. One unit cell includes a solid polymer electrolyte membrane (31) such as Nafion (trademark of DuPont), a hydrogen electrode (32) and an air electrode (34) which are diffusion electrodes sandwiching the membrane from both sides, and further sandwiching them from both sides. Two separators are provided. Concavities and convexities are formed on both surfaces of the separator, and gas flow paths (33) and (35) in the single cell are formed between the sandwiched hydrogen electrode and air electrode. Among these, in the gas flow path in the single cell (33) formed with the hydrogen electrode, the supplied hydrogen gas is on the other hand, the gas flow path in the single cell (35) formed with the air electrode (35). ), Air flows respectively.

燃料電池(30)の発電は発熱を伴う。上記の固体高分子型燃料電池(PEFC)の場合、高分子電解質膜は含水している状態でプロトン伝導性を示すため、燃料電池の発熱に伴い高分子電解質膜が乾燥し、含水率が低下すると燃料電池の内部抵抗が増大し発電能力が低下する。したがって、高分子電解質膜の乾燥を防ぐために燃料電池を冷却し、適正運転温度(約80℃)に保持する必要がある。一方、水素製造装置は、後述する実施例に示すように、温度が高い方が水素発生効率が高くなるから、この燃料電池の発熱を熱交換手段を設けて水素製造装置の加熱に利用することが好ましい。   The power generation of the fuel cell (30) involves heat generation. In the case of the above polymer electrolyte fuel cell (PEFC), the polymer electrolyte membrane exhibits proton conductivity in a water-containing state, so that the polymer electrolyte membrane dries with the heat generation of the fuel cell, and the water content decreases. Then, the internal resistance of the fuel cell increases and the power generation capacity decreases. Therefore, in order to prevent the polymer electrolyte membrane from drying, it is necessary to cool the fuel cell and maintain it at an appropriate operating temperature (about 80 ° C.). On the other hand, in the hydrogen production apparatus, as shown in the examples described later, the higher the temperature, the higher the hydrogen generation efficiency. Therefore, the heat generation of this fuel cell is used for heating the hydrogen production apparatus by providing heat exchange means. Is preferred.

従来は、高分子電解質膜を湿潤状態に保持するため、改質ガス及び/又は反応空気を加湿してから燃料電池本体に供給していたが、本発明で使用する水素製造装置は、有機物と水を含む燃料(メタノール水溶液等)を供給する燃料極側から水素を含むガスを取り出すものであり、水素は加湿されているから、加湿器は不要とすることも可能である。さらに、水素製造セル(10)から発生した水素を含むガスは、従来の改質装置で製造した改質ガスのように高温ではないから、冷却せずに燃料電池(30)に供給することができる。
また、燃料電池に供給する燃料としては、水素製造セル(10)から発生した水素のみを供給する場合と水素を含むメタノール水溶液を供給する場合が考えられる。水素を含むメタノール水溶液を供給する場合には、気液分離器(23)は不要である。
Conventionally, in order to keep the polymer electrolyte membrane in a wet state, the reformed gas and / or reaction air has been humidified and then supplied to the fuel cell body. However, the hydrogen production apparatus used in the present invention is an organic substance and A gas containing hydrogen is taken out from the fuel electrode side for supplying water-containing fuel (methanol aqueous solution or the like). Since hydrogen is humidified, a humidifier can be dispensed with. Furthermore, since the gas containing hydrogen generated from the hydrogen production cell (10) is not as hot as the reformed gas produced by the conventional reformer, it can be supplied to the fuel cell (30) without cooling. it can.
Moreover, as a fuel supplied to a fuel cell, the case where only the hydrogen which generate | occur | produced from the hydrogen production cell (10) is supplied, and the case where the methanol aqueous solution containing hydrogen is supplied are considered. When supplying an aqueous methanol solution containing hydrogen, the gas-liquid separator (23) is unnecessary.

燃料電池(30)で発電した直流電力は、電力変換装置(36)に導入され、そのDC/DCコンバータで昇圧され、又はDC/ACインバータにより交流電力に変換されて出力される。また、補機用コンバータで安定化した直流電力は、燃料ポンプ(16)、空気ブロア(17)等の補機類の駆動電源などとして使用され、交流電力は家庭内の電気機器の駆動電源として利用される。
これら一連の発電運転において、制御装置(37)は、水素製造セル(10)の電圧調整器(22)、燃料電池(30)、電力変換装置(36)、燃料ポンプ(16)、空気ブロア(17)等の補機類の動作を制御する。
The DC power generated by the fuel cell (30) is introduced into the power converter (36), boosted by the DC / DC converter, or converted to AC power by the DC / AC inverter and output. In addition, the DC power stabilized by the auxiliary converter is used as a drive power source for auxiliary devices such as the fuel pump (16) and the air blower (17), and the AC power is used as a drive power source for electrical equipment in the home. Used.
In these series of power generation operations, the control device (37) includes a voltage regulator (22), a fuel cell (30), a power converter (36), a fuel pump (16), an air blower ( 17) Control the operation of auxiliary equipment such as.

上記のような燃料電池発電装置は、電気自動車や潜水船に搭載することができる。
本発明の電気自動車の基本的な構成は、水素と酸化剤を供給して発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給するための水素を含むガスを製造する水素製造装置と、前記燃料電池で発生した電気により駆動されるモータと、を備えてなるものである。
図13に、本発明の電気自動車における燃料電池システムのシステムフローの一例を示す。
The fuel cell power generator as described above can be mounted on an electric vehicle or a submarine.
The basic configuration of the electric vehicle according to the present invention includes a fuel cell that generates power by supplying hydrogen and an oxidant, a hydrogen production device that produces a gas containing hydrogen to be supplied to the fuel cell, and the fuel cell. And a motor driven by the electricity generated in the above.
FIG. 13 shows an example of a system flow of the fuel cell system in the electric vehicle of the present invention.

本発明の潜水船の基本的な構成は、水素と酸化剤を供給して発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給するための水素を含むガスを製造する水素製造装置と、前記燃料電池で発生した電気により駆動される推進装置と、を備えてなるものである。
図14に、本発明の潜水船における燃料電池システムのシステムフローの一例を示す。
A basic configuration of a submarine according to the present invention includes a fuel cell that generates power by supplying hydrogen and an oxidant, a hydrogen production apparatus that produces a gas containing hydrogen to be supplied to the fuel cell, and the fuel cell. And a propulsion device driven by electricity generated in
FIG. 14 shows an example of a system flow of the fuel cell system in the submarine according to the present invention.

本発明の電気自動車や潜水船に搭載する図10に示す燃料電池発電装置においては、上記のように、水素製造装置を構成する水素製造セル(10)は低温で運転するものであるから、従来の燃料改質装置の場合と異なり、制御装置(37)を水素製造セル(10)の近くに配置することが可能である。また、水素製造セル(10)の発生する熱から制御装置(37)を保護するための断熱材も不要とすることができる。
この図では、燃料タンク(20)及び燃料調整槽(21)を電気自動車や潜水船に搭載しているが、これらを搭載せずに、外部から燃料(メタノール水溶液)を供給するようにしてもよいし、燃料調整槽(21)のみを電気自動車や潜水船に搭載してもよい。
In the fuel cell power generator shown in FIG. 10 mounted on the electric vehicle or the submarine of the present invention, as described above, the hydrogen production cell (10) constituting the hydrogen production apparatus is operated at a low temperature. Unlike the case of the fuel reforming apparatus, the control apparatus (37) can be disposed near the hydrogen production cell (10). Moreover, a heat insulating material for protecting the control device (37) from the heat generated by the hydrogen production cell (10) can be eliminated.
In this figure, the fuel tank (20) and the fuel adjustment tank (21) are mounted on an electric vehicle or a submersible, but fuel (methanol aqueous solution) may be supplied from the outside without mounting them. Alternatively, only the fuel adjustment tank (21) may be mounted on an electric vehicle or a submarine.

電気自動車の場合は、燃料電池で発生した直流電力は、上記のようにDC/ACインバータにより交流電力に変換され、電気自動車の動力源であるモータに供給され、該モータを駆動し、その発生トルクをギアにより車軸に伝達して、車輪を駆動し、自動車を走行させる。   In the case of an electric vehicle, the DC power generated in the fuel cell is converted into AC power by the DC / AC inverter as described above, supplied to the motor that is the power source of the electric vehicle, and the motor is driven to generate the DC power. Torque is transmitted to the axle by gears to drive the wheels and drive the car.

潜水船の場合、推進装置としては、例えば、モータと該モータの回転軸に装着された推進用プロペラからなる周知の手段を採用することができる。燃料電池で発生した直流電力は、上記のようにDC/ACインバータにより交流電力に変換され、潜水船の動力源であるモータに供給され、該モータを駆動し、該モータの回転軸に装着された推進用プロペラを回転駆動する。
なお、燃料電池で発生した電気は、前探ソナーや投光器、観測機器などへも供給される。
In the case of a submarine, as the propulsion device, for example, a well-known means including a motor and a propeller for propulsion mounted on a rotation shaft of the motor can be adopted. The DC power generated in the fuel cell is converted into AC power by the DC / AC inverter as described above, supplied to the motor that is the power source of the submarine, and is driven by the motor and mounted on the rotating shaft of the motor. The propeller for propulsion is driven to rotate.
The electricity generated in the fuel cell is also supplied to pre-search sonars, projectors, observation equipment, and the like.

電気自動車の場合でも、潜水船の場合でも、燃料電池で発生した電気を蓄電するために、電気エネルギー貯蔵装置を設けることが好ましい。燃料電池で発生した電気は、制御装置を用いることにより、モータの負荷及び電気エネルギー貯蔵装置の蓄電量に応じて、モータ及び電気エネルギー貯蔵装置に供給される。具体的には、例えば、加速時等において、モータの負荷が大きい時には、燃料電池と電気エネルギー貯蔵装置からの電気をモータへ供給する。又減速時、制動時等においては、モータから得られる回生電力を電気エネルギー貯蔵装置に供給する。電気エネルギー貯蔵装置としては、例えば、二次電池、電気二重層キャパシタ等を使用することができる。   Whether it is an electric vehicle or a submarine, it is preferable to provide an electrical energy storage device to store electricity generated by the fuel cell. Electricity generated in the fuel cell is supplied to the motor and the electric energy storage device according to the load of the motor and the amount of electricity stored in the electric energy storage device by using the control device. Specifically, for example, during acceleration, when the motor load is large, electricity from the fuel cell and the electrical energy storage device is supplied to the motor. During deceleration, braking, etc., regenerative electric power obtained from the motor is supplied to the electrical energy storage device. As the electric energy storage device, for example, a secondary battery, an electric double layer capacitor, or the like can be used.

また、本発明の水素製造装置を水素貯蔵手段と接続して、水素貯蔵手段に水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給することにより、水素供給システムを構成することができる。
本発明の水素供給システムの基本的な構成は、水素貯蔵手段が電気自動車(燃料電池自動車)に搭載した水素貯蔵容器の場合には、水素貯蔵容器に水素を供給する水素供給手段と、水素供給手段に供給するための水素を含むガスを製造する水素製造装置と、を備えてなるものである。
図15に、本発明の水素供給システムのシステムフローの一例を示す。
Moreover, a hydrogen supply system can be comprised by connecting the hydrogen production apparatus of this invention with a hydrogen storage means, and supplying the gas containing the hydrogen manufactured with the hydrogen production apparatus to the hydrogen storage means.
When the hydrogen storage means is a hydrogen storage container mounted on an electric vehicle (fuel cell vehicle), hydrogen supply means for supplying hydrogen to the hydrogen storage container, hydrogen supply And a hydrogen production apparatus for producing a gas containing hydrogen to be supplied to the means.
FIG. 15 shows an example of a system flow of the hydrogen supply system of the present invention.

燃料電池自動車に搭載した水素貯蔵容器に水素を供給する水素供給手段は、例えば、水素昇圧機、高圧水素貯蔵タンク、水素ディスペンサを備えたものである。   Hydrogen supply means for supplying hydrogen to a hydrogen storage container mounted on a fuel cell vehicle includes, for example, a hydrogen booster, a high-pressure hydrogen storage tank, and a hydrogen dispenser.

水素昇圧機としては、水素圧縮ポンプが一般的に用いられるが、水素を昇圧できる装置であればいかなるものを用いることも可能である。水素昇圧機出口の水素ガス圧力は、容積効率の観点から高くすることが望ましく、好ましくは50気圧(5MPa)以上、より好ましくは100気圧(10MPa)以上、さらには200気圧(20MPa)以上が好ましい。また、上限については、特に限定されないが、実用上1000気圧(100MPa)以下が好ましい。   As the hydrogen booster, a hydrogen compression pump is generally used, but any device capable of boosting hydrogen can be used. The hydrogen gas pressure at the outlet of the hydrogen booster is desirably increased from the viewpoint of volumetric efficiency, preferably 50 atm (5 MPa) or more, more preferably 100 atm (10 MPa) or more, and even more preferably 200 atm (20 MPa) or more. . Moreover, although it does not specifically limit about an upper limit, 1000 atmospheres (100 Mpa) or less is preferable practically.

水素昇圧工程を経た後、水素を貯蔵するために水素貯蔵タンク(高圧水素貯蔵タンク)を設けることが好ましい。高圧水素貯蔵タンクとしては、昇圧された水素に耐えるものであれば特にその形態は限定されるものではなく、公知のものを適用することが可能であり、高圧水素ガスをそのまま貯蔵する高圧水素貯蔵タンクの他、水素吸蔵合金を内蔵した高圧水素貯蔵タンクでもよい。   It is preferable to provide a hydrogen storage tank (high pressure hydrogen storage tank) in order to store hydrogen after the hydrogen pressurization step. The form of the high-pressure hydrogen storage tank is not particularly limited as long as it can withstand the pressurized hydrogen, and a known high-pressure hydrogen storage tank that can store high-pressure hydrogen gas as it is can be applied. In addition to the tank, a high-pressure hydrogen storage tank containing a hydrogen storage alloy may be used.

水素ガスを高圧水素貯蔵タンクから水素ディスペンサに導く。また、高圧水素貯蔵タンクを通さずに直接、水素昇圧機の出口ガスを水素ディスペンサに導くこともできる。その場合には、水素昇圧機と水素ディスペンサを接続する配管を設ける。   Hydrogen gas is led from a high-pressure hydrogen storage tank to a hydrogen dispenser. Further, the outlet gas of the hydrogen booster can be directly led to the hydrogen dispenser without passing through the high-pressure hydrogen storage tank. In that case, a pipe for connecting the hydrogen booster and the hydrogen dispenser is provided.

水素ディスペンサは、水素ガスを、水素を燃料とする燃料電池自動車の水素貯蔵容器に供給するものであり、公知のディスペンサを用いることができる。この水素貯蔵容器は、燃料電池自動車に搭載されたままの水素貯蔵容器であってもよく、この容器が燃料電池自動車から取り外し可能なものである場合は、燃料電池自動車から取り外された状態の水素貯蔵容器であってもよい。   The hydrogen dispenser supplies hydrogen gas to a hydrogen storage container of a fuel cell vehicle using hydrogen as fuel, and a known dispenser can be used. The hydrogen storage container may be a hydrogen storage container that is still mounted on the fuel cell vehicle. If the container is removable from the fuel cell vehicle, the hydrogen storage container is removed from the fuel cell vehicle. It may be a storage container.

次に、本発明の参考例、実施例(水素製造例)を示すが、触媒、PTFE、ナフィオンの割合等、触媒層、ガス拡散層、電解質膜の厚さ等は適宜変更し得るものであり、参考例、実施例により限定されるものではない。
なお、参考例1〜4、比較例1及び2は、平板状MEA(膜−電極接合体)を用いて空気極側に空気の供給の不足する領域を設けた水素製造セル(平板型のセル)により開回路条件で水素を製造する例を示すものである。
Next, reference examples and examples (hydrogen production examples) of the present invention will be shown, but the catalyst, PTFE, Nafion ratio, etc., the thickness of the catalyst layer, gas diffusion layer, electrolyte membrane, etc. can be appropriately changed. However, the present invention is not limited to the reference examples and examples.
Reference Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 use a flat MEA (membrane-electrode assembly) to provide a hydrogen production cell (flat cell) in which an air supply shortage region is provided on the air electrode side. ) Shows an example of producing hydrogen under open circuit conditions.

(参考例1)
水素製造セルを以下のように作製した。
すなわち、電解質にデュポン社製プロトン導電性電解質膜(ナフィオン115)を用い、空気極にはカーボンペーパー(東レ製)を5%濃度のポリテトラフルオロエチレン分散液に浸漬したのち、360℃で焼成して撥水処理し、その片面に空気極触媒(白金担持カーボン:田中貴金属製)とPTFE微粉末と5%ナフィオン溶液(アルドリッチ製)を混合して作製した空気極触媒ペーストを塗布して空気極触媒付きガス拡散層を構成した。ここで、空気極触媒、PTFE、ナフィオンの重量比は65%:15%:20%とした。このようにして作製した空気極の触媒量は白金換算で1mg/cm2であった。
(Reference Example 1)
A hydrogen production cell was prepared as follows.
That is, a proton conductive electrolyte membrane (Nafion 115) manufactured by DuPont is used as the electrolyte, and carbon paper (manufactured by Toray) is immersed in a 5% concentration polytetrafluoroethylene dispersion in the air electrode, followed by firing at 360 ° C. Applying an air electrode catalyst paste prepared by mixing an air electrode catalyst (platinum-supported carbon: Tanaka Kikinzoku), PTFE fine powder and 5% Nafion solution (Aldrich) on one side A gas diffusion layer with catalyst was constructed. Here, the weight ratio of the air electrode catalyst, PTFE, and Nafion was 65%: 15%: 20%. The catalyst amount of the air electrode thus produced was 1 mg / cm 2 in terms of platinum.

さらに同じ方法を用いてカーボンペーパーを撥水処理し、さらにその片面に燃料極触媒(白金ルテニウム担持カーボン:田中貴金属製)とPTFE微粉末と5%ナフィオン溶液を混合して作製した燃料極触媒ペーストを塗布して燃料極触媒付きガス拡散層を構成した。ここで、燃料極触媒、PTFE、ナフィオンの重量比は55%:15%:30%とした。このようにして作製した燃料極の触媒量は白金−ルテニウム換算で1mg/cm2であった。 Furthermore, the fuel electrode catalyst paste was prepared by mixing the water repellent treatment of carbon paper using the same method, and further mixing the fuel electrode catalyst (platinum ruthenium-supported carbon: made by Tanaka Kikinzoku), PTFE fine powder and 5% Nafion solution on one side. Was applied to form a gas diffusion layer with a fuel electrode catalyst. Here, the weight ratio of the fuel electrode catalyst, PTFE, and Nafion was 55%: 15%: 30%. The catalyst amount of the fuel electrode thus produced was 1 mg / cm 2 in terms of platinum-ruthenium.

上記、電解質膜、空気極触媒付きガス拡散層、燃料極触媒付きガス拡散層を140℃、10MPaでホットプレスによって接合してMEAを作製した。このようにして作製したMEAの有効電極面積は60.8cm2(縦80mm、横76mm)あった。作製後の空気極及び燃料極の触媒層、空気極及び燃料極のガス拡散層の厚さは、それぞれ、約30μm、および170μmでほぼ同じであった。 The electrolyte membrane, the gas diffusion layer with an air electrode catalyst, and the gas diffusion layer with a fuel electrode catalyst were joined by hot pressing at 140 ° C. and 10 MPa to prepare an MEA. The effective electrode area of the MEA produced in this manner was 60.8 cm 2 (length 80 mm, width 76 mm). The thicknesses of the catalyst layers of the air electrode and the fuel electrode and the gas diffusion layers of the air electrode and the fuel electrode after fabrication were approximately the same at about 30 μm and 170 μm, respectively.

上記のように作製したMEAの空気極ガス拡散層上のみにエポキシ樹脂を塗布することによって、図5及び図10に示すように、幅5mmの帯状マスクを5mmの間隔で8本設けた。このようにして作成したMEAを、その空気極側に空気導入口及び空気排出口を設けた空気極側エンドプレートをシリコンゴムを介して配し、その燃料極側に燃料導入口及び燃料排出口を設けた燃料極側エンドプレートをシリコンゴムを介して配して積層、挟持し、前記燃料極の表面に燃料が供給されるように、前記空気極の表面に空気が供給されるようにスペースを設けた。さらに、燃料及び空気のリ−クを防止するために、燃料極及び空気極の周辺部にはシリコンゴム製のパッキングを設けた。また、各電極の電位を測定するために、電極に接するステンレス製の箔を前記パッキングとMEAの間に挿入した。   By applying an epoxy resin only on the air electrode gas diffusion layer of the MEA produced as described above, as shown in FIGS. 5 and 10, eight strip masks having a width of 5 mm were provided at intervals of 5 mm. The MEA produced in this way is provided with an air electrode side end plate provided with an air inlet and an air outlet on the air electrode side via silicon rubber, and a fuel inlet and a fuel outlet on the fuel electrode side. A fuel electrode-side end plate provided with a silicon rubber is stacked and sandwiched, and a space is provided so that air is supplied to the surface of the air electrode so that fuel is supplied to the surface of the fuel electrode. Was provided. Further, in order to prevent leakage of fuel and air, packing made of silicon rubber is provided around the fuel electrode and the air electrode. Moreover, in order to measure the electric potential of each electrode, the stainless steel foil which touches an electrode was inserted between the said packing and MEA.

このようにして作製した水素製造セルを熱風循環型の電気炉内に設置し、セル温度(運転温度)50℃で、空気極側に空気を10〜50ml/分の流量、燃料極側に1Mのメタノール水溶液(燃料)を5.0ml/分の流量で流し、その時の燃料極と空気極の電圧差(オープン電圧)、燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
ガス発生量の測定には水中置換法を用いた。また、発生ガス中の水素濃度をガスクロマトグラフィーで分析し、水素生成速度を求めた。
その結果を表1に示す。
The hydrogen production cell thus prepared was installed in a hot air circulation type electric furnace, the cell temperature (operating temperature) was 50 ° C., the air flow rate was 10 to 50 ml / min on the air electrode side, and 1 M on the fuel electrode side. A methanol aqueous solution (fuel) was flowed at a flow rate of 5.0 ml / min, and the voltage difference (open voltage) between the fuel electrode and the air electrode at that time and the amount of gas generated on the fuel electrode side were measured.
An underwater displacement method was used to measure the amount of gas generated. In addition, the hydrogen concentration in the generated gas was analyzed by gas chromatography to determine the hydrogen production rate.
The results are shown in Table 1.

表1に示されるように、空気流量を少なくすることによって、セルの燃料極側から、水素の発生が確認された。また、空気流量とセルの開回路電圧(OCV)との関係を調べると、空気流量を少なくすると、それに伴って、セルの開回路電圧が低下する傾向が認められた。
水素生成速度(水素発生量)は開回路電圧に依存する傾向を示し、開回路電圧400〜600mVで水素が発生することが分かった。また、水素生成速度のピークは500mV付近で観察された。
As shown in Table 1, generation of hydrogen was confirmed from the fuel electrode side of the cell by reducing the air flow rate. Further, when the relationship between the air flow rate and the cell open circuit voltage (OCV) was examined, it was found that the cell open circuit voltage tended to decrease as the air flow rate decreased.
The hydrogen generation rate (hydrogen generation amount) tended to depend on the open circuit voltage, and it was found that hydrogen was generated at an open circuit voltage of 400 to 600 mV. Moreover, the peak of the hydrogen production rate was observed around 500 mV.

(参考例2)
MEAの燃料極ガス拡散層上のみにエポキシ樹脂を塗布することによって、図6及び図10に示すように、幅5mmの帯状マスクを5mmの間隔で8本設けた以外は、参考例1と同様に水素製造セルを作製し、参考例1と同様に燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表2に示す。
(Reference Example 2)
As shown in FIGS. 6 and 10, by applying an epoxy resin only on the fuel electrode gas diffusion layer of the MEA, as in Reference Example 1, except that eight strip masks with a width of 5 mm are provided at intervals of 5 mm. A hydrogen production cell was prepared, and the amount of gas generated on the fuel electrode side was measured as in Reference Example 1.
The results are shown in Table 2.

表2に示されるように、空気流量を少なくすることによって、開回路電圧500mV付近で、セルの燃料極側から、少量の水素の発生が確認された。   As shown in Table 2, by reducing the air flow rate, it was confirmed that a small amount of hydrogen was generated from the fuel electrode side of the cell in the vicinity of an open circuit voltage of 500 mV.

(比較例1)
MEAの燃料極及び空気極のガス拡散層上にエポキシ樹脂を塗布することによって、図7及び図10に示すように、幅5mmの帯状マスクを5mmの間隔で8本、同じ位置に対向するように設けた以外は、参考例1と同様に水素製造セルを作製し、参考例1と同様に燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表3に示す。
(Comparative Example 1)
By applying an epoxy resin on the gas diffusion layers of the fuel electrode and air electrode of the MEA, as shown in FIG. 7 and FIG. 10, eight strip masks having a width of 5 mm are opposed to the same position at intervals of 5 mm. A hydrogen production cell was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that the gas generation amount generated on the fuel electrode side was measured in the same manner as in Reference Example 1.
The results are shown in Table 3.

表3に示されるように、空気流量を少なくしても、セルの燃料極側から、水素の発生は確認されなかった。
これは、前述したように、燃料極の水素発生領域がマスクされており、水素発生反応のためのメタノール拡散ができないためである。
As shown in Table 3, generation of hydrogen was not confirmed from the fuel electrode side of the cell even when the air flow rate was reduced.
This is because, as described above, the hydrogen generation region of the fuel electrode is masked, and methanol diffusion for the hydrogen generation reaction cannot be performed.

(比較例2)
MEAの燃料極及び空気極のガス拡散層上にエポキシ樹脂を塗布することによって、図8及び図10に示すように、幅5mmの帯状マスクを5mmの間隔で、燃料極に8本、空気極に6本、反対位置に対向しないように設けた以外は、参考例1と同様に水素製造セルを作製し、参考例1と同様に燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表4に示す。
(Comparative Example 2)
By applying an epoxy resin on the gas diffusion layers of the fuel electrode and air electrode of the MEA, as shown in FIGS. 8 and 10, eight strip masks having a width of 5 mm are provided at the fuel electrode at intervals of 5 mm. A hydrogen production cell was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that six were provided so as not to face the opposite positions, and the amount of gas generated on the fuel electrode side was measured in the same manner as in Reference Example 1.
The results are shown in Table 4.

表4に示されるように、空気流量を少なくしても、セルの燃料極側から、水素の発生は確認されなかった。
これは、前述したように、燃料極の放電反応が生じるべき領域がマスクされており、放電反応のためのメタノール供給ができないためである。
As shown in Table 4, even if the air flow rate was reduced, generation of hydrogen was not confirmed from the fuel electrode side of the cell.
As described above, this is because the region where the discharge reaction of the fuel electrode should occur is masked, and methanol cannot be supplied for the discharge reaction.

(参考例3)
別ロットで作製したMEAを用いて、参考例1と同様に水素製造セルを作製し、参考例1と同様に燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表5に示す。
(Reference Example 3)
Using the MEA produced in another lot, a hydrogen production cell was produced in the same manner as in Reference Example 1, and the amount of gas generated on the fuel electrode side was measured in the same manner as in Reference Example 1.
The results are shown in Table 5.

表5に示されるように、参考例1よりはやや多い空気流量で、セルの燃料極側から、水素の発生が確認された。また、空気流量とセルの開回路電圧との関係を調べると、空気流量を少なくすると、それに伴って、セルの開回路電圧が低下する傾向が認められた。
水素生成速度(水素発生量)は開回路電圧に依存する傾向を示し、開回路電圧400〜600mVで水素が発生することが分かった。また、水素生成速度のピークは470mV付近で観察された。
As shown in Table 5, generation of hydrogen was confirmed from the fuel electrode side of the cell at a slightly higher air flow rate than in Reference Example 1. Further, when the relationship between the air flow rate and the open circuit voltage of the cell was examined, it was found that when the air flow rate was decreased, the cell open circuit voltage tended to decrease accordingly.
The hydrogen generation rate (hydrogen generation amount) tended to depend on the open circuit voltage, and it was found that hydrogen was generated at an open circuit voltage of 400 to 600 mV. Moreover, the peak of the hydrogen production rate was observed around 470 mV.

(参考例4)
MEAの燃料極及び空気極のガス拡散層上にエポキシ樹脂を塗布することによって、図9及び図10に示すように、幅5mmの帯状マスクを5mmの間隔で8本設け、マスクの一部のみが対向するように半分ずらすようにした以外は、参考例3と同様に水素製造セルを作製し、参考例1と同様に燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表6に示す。
(Reference Example 4)
By applying an epoxy resin on the gas diffusion layers of the fuel electrode and air electrode of the MEA, as shown in FIGS. 9 and 10, eight strip masks having a width of 5 mm are provided at intervals of 5 mm, and only a part of the mask is provided. A hydrogen production cell was prepared in the same manner as in Reference Example 3 except that the gas was generated so as to face each other, and the amount of gas generated on the fuel electrode side was measured in the same manner as in Reference Example 1.
The results are shown in Table 6.

表6に示されるように、空気流量を少なくすることによって、開回路電圧500mV付近で、セルの燃料極側から、水素の発生が確認された。
マスクをずらした場合には、前述したように、放電領域と水素発生領域が形成され、水素が発生する。
As shown in Table 6, generation of hydrogen was confirmed from the fuel electrode side of the cell in the vicinity of an open circuit voltage of 500 mV by reducing the air flow rate.
When the mask is shifted, as described above, a discharge region and a hydrogen generation region are formed, and hydrogen is generated.

(参考例5)
次に、ガス拡散層の一部にマスキングを行う代わりに、空気極のガス拡散層を異なる素材の組み合わせにより不均一にして、空気極側に空気の供給の不足する領域を設けた参考例を示す。
電解質膜の空気極側に、幅10mmのポリイミドシート(空気遮断層)と幅10mmのカーボンペーパー(空気透過層:空気極触媒付きガス拡散層)とを、図16に示すように、交互に配すると共に、電解質膜の燃料極側には、カーボンペーパー(燃料極触媒付きガス拡散層)を配して、140℃、10MPaでホットプレスすることによって接合した以外は、実施例1と同様にMEAを作製した。ポリイミドシートの厚さはプレス前後ともに130μm、カーボンペーパーの厚さはプレス前が280μm、プレス後が165μmであった(ポリイミドシートはプレスしても元に戻る)。プレス後の空気極及び燃料極の触媒層の厚さは、それぞれ、約30μmであった。
このようにして作製したMEAを用いて、参考例1と同様に水素製造セルを作製し、参考例1と同様に燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表7に示す。
(Reference Example 5)
Next, instead of masking a part of the gas diffusion layer, a reference example in which the gas diffusion layer of the air electrode is made non-uniform by a combination of different materials and a region where air supply is insufficient is provided on the air electrode side. Show.
On the air electrode side of the electrolyte membrane, a polyimide sheet (air blocking layer) having a width of 10 mm and a carbon paper (air permeable layer: gas diffusion layer with an air electrode catalyst) having a width of 10 mm are alternately arranged as shown in FIG. In the same manner as in Example 1, except that carbon paper (gas diffusion layer with a fuel electrode catalyst) is disposed on the fuel electrode side of the electrolyte membrane and bonded by hot pressing at 140 ° C. and 10 MPa. Was made. The thickness of the polyimide sheet was 130 μm before and after pressing, and the thickness of the carbon paper was 280 μm before pressing and 165 μm after pressing (the polyimide sheet returned to its original state after pressing). The thickness of the catalyst layer of the air electrode and the fuel electrode after pressing was about 30 μm, respectively.
Using the MEA thus produced, a hydrogen production cell was produced in the same manner as in Reference Example 1, and the amount of gas generated on the fuel electrode side was measured in the same manner as in Reference Example 1.
The results are shown in Table 7.

空気極のガス拡散層を異なる素材の組み合わせにより不均一にした場合も、表7に示されるように、空気流量を少なくすることによって、開回路電圧500mV付近で、セルの燃料極側から、水素の発生が確認された。   Even when the gas diffusion layer of the air electrode is made non-uniform by a combination of different materials, as shown in Table 7, by reducing the air flow rate, the hydrogen from the fuel electrode side of the cell near the open circuit voltage of 500 mV. The occurrence of was confirmed.

(参考例6)
次に、ガス拡散層の一部にマスキングを行う代わりに、空気極のガス拡散層を疎密の組合せにより不均一にして、空気極側に空気の供給の不足する領域を設けた参考例を示す。
電解質膜の空気極側に、幅10mm、厚さ190μmの薄いカーボンペーパー(空気極触媒付きガス拡散層)と幅10mm、厚さ335μmの厚いカーボンペーパー(空気極触媒付きガス拡散層)とを交互に並べると共に、電解質膜の燃料極側には、厚さ190μmの薄いカーボンペーパー(燃料極触媒付きガス拡散層)を配して、140℃、同じプレス圧(10MPa)でホットプレスすること(同時プレス)によって接合した以外は、実施例1と同様にMEAを作製した。空気極のガス拡散層であるカーボンペーパーのプレス前後の厚さは190μm→165μm、335μm→185μmであり、ほぼ同じ厚さになっていることから、図17に示すような疎密(薄いカーボンペーパー→疎、厚いカーボンペーパー→密)が組み合わされたカーボンペーパーになっている。プレス後の空気極及び燃料極の触媒層の厚さは、それぞれ、約30μmであった。
このようにして作製したMEAを用いて、参考例1と同様に水素製造セルを作製し、空気極側に流す空気の流量を10〜90ml/分の範囲とした以外は、参考例1と同様の条件を採用して、燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表8に示す。
(Reference Example 6)
Next, instead of masking a part of the gas diffusion layer, a reference example is shown in which the gas diffusion layer of the air electrode is made non-uniform by a combination of density and a region where air supply is insufficient is provided on the air electrode side. .
On the air electrode side of the electrolyte membrane, a thin carbon paper with a width of 10 mm and a thickness of 190 μm (a gas diffusion layer with an air electrode catalyst) and a thick carbon paper with a width of 10 mm and a thickness of 335 μm (a gas diffusion layer with an air electrode catalyst) In addition, a thin carbon paper (gas diffusion layer with a fuel electrode catalyst) having a thickness of 190 μm is disposed on the fuel electrode side of the electrolyte membrane, and hot pressing is performed at 140 ° C. with the same pressing pressure (10 MPa) (simultaneous An MEA was produced in the same manner as in Example 1 except that the joining was performed by pressing. The thickness of the carbon paper, which is the gas diffusion layer of the air electrode, before and after pressing is 190 μm → 165 μm, 335 μm → 185 μm, and is almost the same thickness. Therefore, the density (thin carbon paper → Carbon paper is a combination of sparse, thick carbon paper → dense). The thickness of the catalyst layer of the air electrode and the fuel electrode after pressing was about 30 μm, respectively.
Using the MEA thus produced, a hydrogen production cell was produced in the same manner as in Reference Example 1, and the same as in Reference Example 1 except that the flow rate of air flowing to the air electrode side was in the range of 10 to 90 ml / min. The amount of gas generated on the fuel electrode side was measured using the above conditions.
The results are shown in Table 8.

空気極のガス拡散層を疎密の組合せにより不均一にした場合も、表8に示されるように、空気流量を少なくすることによって、開回路電圧500mV付近で、セルの燃料極側から、水素の発生が確認された。空気極のガス拡散層を異なる素材の組み合わせにより不均一にした参考例5の場合よりも、やや空気流量の多いところで、水素が発生した。   Even when the gas diffusion layer of the air electrode is made non-uniform by the combination of density, as shown in Table 8, by reducing the air flow rate, the hydrogen flow from the fuel electrode side of the cell near the open circuit voltage of 500 mV. Occurrence was confirmed. Hydrogen was generated at a slightly higher air flow rate than in Reference Example 5 in which the gas diffusion layer of the air electrode was made non-uniform by a combination of different materials.

(参考例7)
次に、ガス拡散層の一部にマスキングを行う代わりに、空気極のガス拡散層を表面の凹凸により不均一にして、空気極側に空気の供給の不足する領域を設けた参考例を示す。
電解質膜の空気極側に、幅10mm、厚さ190μmの薄いカーボンペーパー(空気極触媒付きガス拡散層)を10mmの隙間を設けて並べると共に、電解質膜の燃料極側には、厚さ190μmの薄いカーボンペーパー(燃料極触媒付きガス拡散層)を全面に配して、140℃、10MPaのプレス圧でホットプレスした後、10mmの隙間に厚さ335μmの厚いカーボンペーパー(空気極触媒付きガス拡散層)を並べて、140℃、10MPaのプレス圧でホットプレスすること(二段階プレス)によって接合した以外は、実施例1と同様にMEAを作製した。空気極のガス拡散層であるカーボンペーパーのプレス前後の厚さは190μm→140μm、335μm→215μmであることから、図18に示すような凹凸(薄いカーボンペーパー→凹、厚いカーボンペーパー→凸)が形成されたカーボンペーパーになっている。プレス後の空気極及び燃料極の触媒層の厚さは、それぞれ、約30μmであった。
このようにして作製したMEAを用いて、参考例1と同様に水素製造セルを作製し、空気極側に流す空気の流量を10〜90ml/分の範囲とした以外は、参考例1と同様の条件を採用して、燃料極側で発生するガス発生量を測定した。
その結果を表9に示す。
(Reference Example 7)
Next, instead of masking a part of the gas diffusion layer, a reference example is shown in which the gas diffusion layer of the air electrode is made uneven by unevenness on the surface, and a region where air supply is insufficient is provided on the air electrode side. .
On the air electrode side of the electrolyte membrane, a thin carbon paper having a width of 10 mm and a thickness of 190 μm (gas diffusion layer with an air electrode catalyst) is arranged with a gap of 10 mm, and on the fuel electrode side of the electrolyte membrane, a thickness of 190 μm is arranged. A thin carbon paper (gas diffusion layer with fuel electrode catalyst) is placed on the entire surface, hot pressed at 140 ° C and a pressure of 10 MPa, and then thick carbon paper with a thickness of 335 µm (gas diffusion with an air electrode catalyst). The MEAs were prepared in the same manner as in Example 1 except that the layers were joined and joined by hot pressing (two-stage pressing) at a pressing pressure of 140 ° C. and 10 MPa. Since the thickness of the carbon paper which is the gas diffusion layer of the air electrode before and after pressing is 190 μm → 140 μm, 335 μm → 215 μm, the unevenness (thin carbon paper → concave, thick carbon paper → convex) as shown in FIG. It is a formed carbon paper. The thickness of the catalyst layer of the air electrode and the fuel electrode after pressing was about 30 μm, respectively.
Using the MEA thus produced, a hydrogen production cell was produced in the same manner as in Reference Example 1, and the same as in Reference Example 1 except that the flow rate of air flowing to the air electrode side was in the range of 10 to 90 ml / min. The amount of gas generated on the fuel electrode side was measured using the above conditions.
The results are shown in Table 9.

空気極のガス拡散層を表面の凹凸により不均一にした場合も、表9に示されるように、空気流量を少なくすることによって、開回路電圧500mV付近で、セルの燃料極側から、水素の発生が確認された。空気極のガス拡散層を疎密の組合せにより不均一にした参考例6の場合と同様に、空気極のガス拡散層を異なる素材の組み合わせにより不均一にした参考例5の場合よりも、やや空気流量の多いところで、水素が発生した。   Even when the gas diffusion layer of the air electrode is made uneven due to the unevenness of the surface, as shown in Table 9, by reducing the air flow rate, from the fuel electrode side of the cell near the open circuit voltage of 500 mV, Occurrence was confirmed. Similar to the case of Reference Example 6 in which the gas diffusion layer of the air electrode is made non-uniform by the combination of density, the air diffusion is slightly more than in the case of Reference Example 5 in which the gas diffusion layer of the air electrode is made non-uniform by the combination of different materials. Hydrogen was generated at a high flow rate.

以下に、本願請求項14に係る発明の水素製造装置(開回路条件)により水素を製造する場合の例を示す。
水素製造セルを以下のように作製した。
すなわち、電解質にデュポン社製プロトン導電性電解質膜(ナフィオン115)を用い、空気極にはカーボンクロス(日本カーボン製)を5%濃度のポリテトラフルオロエチレン分散液に浸漬したのち、360℃で焼成して撥水処理し、その片面に空気極触媒(白金担持カーボン:田中貴金属製)とPTFE微粉末と5%ナフィオン溶液(アルドリッチ製)を混合して作製した空気極触媒ペーストを塗布して空気極触媒付きガス拡散層を構成した。ここで、空気極触媒、PTFE、ナフィオンの重量比は65%:15%:20%とした。このようにして作製した空気極の触媒量は白金換算で1mg/cm2であった。
Below, the example in the case of manufacturing hydrogen with the hydrogen manufacturing apparatus (open circuit conditions) of the invention which concerns on Claim 14 of this application is shown.
A hydrogen production cell was prepared as follows.
That is, a proton conductive electrolyte membrane (Nafion 115) manufactured by DuPont is used as the electrolyte, and carbon cloth (manufactured by Nippon Carbon) is immersed in a 5% concentration polytetrafluoroethylene dispersion in the air electrode and then fired at 360 ° C. The air electrode catalyst paste prepared by mixing the air electrode catalyst (platinum-supported carbon: made by Tanaka Kikinzoku), PTFE fine powder and 5% Nafion solution (made by Aldrich) on one side was applied to the air. A gas diffusion layer with an electrode catalyst was constructed. Here, the weight ratio of the air electrode catalyst, PTFE, and Nafion was 65%: 15%: 20%. The catalyst amount of the air electrode thus produced was 1 mg / cm 2 in terms of platinum.

さらに同じ方法を用いてカーボンクロスを撥水処理し、さらにその片面に燃料極触媒(白金ルテニウム担持カーボン:田中貴金属製)とPTFE微粉末と5%ナフィオン溶液を混合して作製した燃料極触媒ペーストを塗布して燃料極触媒付きガス拡散層を構成した。ここで、燃料極触媒、PTFE、ナフィオンの重量比は55%:15%:30%とした。このようにして作製した燃料極の触媒量は白金−ルテニウム換算で1mg/cm2であった。 Further, a fuel electrode catalyst paste prepared by mixing a carbon cloth with water repellent treatment using the same method and further mixing a fuel electrode catalyst (platinum ruthenium-supported carbon: made by Tanaka Kikinzoku), PTFE fine powder and 5% Nafion solution on one side. Was applied to form a gas diffusion layer with a fuel electrode catalyst. Here, the weight ratio of the fuel electrode catalyst, PTFE, and Nafion was 55%: 15%: 30%. The catalyst amount of the fuel electrode thus produced was 1 mg / cm 2 in terms of platinum-ruthenium.

上記、電解質膜、空気極触媒付きガス拡散層、燃料極触媒付きガス拡散層を140℃、10MPaでホットプレスによって接合して、電解質膜の中央部にガス拡散層が構成されるようなMEAを作製した。このようにして作製したMEAの有効電極面積は32cm2(10cm×3.2cm)であった。作製後の空気極及び燃料極の触媒層、ガス拡散層の厚さは、それぞれ、約30μm、および170μmでほぼ同じであった。 The MEA in which the electrolyte membrane, the gas diffusion layer with the air electrode catalyst, and the gas diffusion layer with the fuel electrode catalyst are joined by hot pressing at 140 ° C. and 10 MPa to form the gas diffusion layer in the center of the electrolyte membrane. Produced. The effective electrode area of the MEA thus produced was 32 cm 2 (10 cm × 3.2 cm). The thicknesses of the catalyst layer and gas diffusion layer of the air electrode and the fuel electrode after fabrication were approximately the same at about 30 μm and 170 μm, respectively.

上記のMEAから、図19に示すように水素製造セルを作製した。
まず、上記のMEAを筒状に丸め、端部の電解質膜の一部を約5mm程度重ね、この重ねた部分を熱融着し、燃料極側が内側に、空気極側が外側となった円筒状MEAを作製した。その外形寸法は外径12mm長さ120mm(長さの内、有効電極部は100mm)であった。
次に、この円筒状MEAの内部に一部に穴のあいた外形11mm長さ160mmのPPチューブを差込み、このPPチューブと円筒状MEAの上部および下部の電解質部分を熱融着もしくは接着剤によって固定し、反応管とした。この反応管の空気極ガス拡散層上にエポキシ樹脂を塗布することによって、図5及び図10に示すように、幅2mmの帯状のマスク(14M)を2mm間隔で8本設けた。
このようにして作製した反応管をさらに空気の導入口および、排出口を設けた、内径25mm、長さ130mmのPP製外装チューブに挿入し、先の反応管のPPチューブの上部および下部がこの外装チューブに固定されるようにゴム栓で固定しセルを構成した。
From the above MEA, a hydrogen production cell was produced as shown in FIG.
First, the MEA is rounded into a cylindrical shape, a part of the electrolyte membrane at the end is overlapped by about 5 mm, the overlapped part is heat-sealed, and the cylindrical shape with the fuel electrode side on the inside and the air electrode side on the outside An MEA was produced. Its external dimensions were an outer diameter of 12 mm and a length of 120 mm (of which the effective electrode portion was 100 mm).
Next, a PP tube having an outer diameter of 11 mm and a length of 160 mm is inserted into the cylindrical MEA, and the PP tube and the upper and lower electrolyte parts of the cylindrical MEA are fixed by heat fusion or an adhesive. The reaction tube was used. By applying an epoxy resin on the air electrode gas diffusion layer of the reaction tube, as shown in FIGS. 5 and 10, eight strip-shaped masks (14M) having a width of 2 mm were provided at intervals of 2 mm.
The reaction tube thus prepared was inserted into a PP outer tube having an inner diameter of 25 mm and a length of 130 mm, which was further provided with an air inlet and outlet, and the upper and lower portions of the PP tube of the previous reaction tube were the The cell was configured by fixing with a rubber stopper so as to be fixed to the outer tube.

このようにして作製したセルを熱風循環型の電気炉内に設置し、セル温度(運転温度)80℃で、図20に示すように、空気極側に空気を20〜300ml/分の流量、燃料極側に1.0Mのメタノール水溶液(燃料)を8.0ml/分の流量で流し、その時の燃料極と空気極の電圧差(オープン電圧)、燃料極側で発生する水素生成量について検討を行った。ガス発生量の測定には水中置換法を用いた。
その結果を表10に示す。
The cell thus prepared was installed in a hot air circulation type electric furnace, and the cell temperature (operating temperature) was 80 ° C., and as shown in FIG. 20, the air was supplied to the air electrode at a flow rate of 20 to 300 ml / min. A 1.0M aqueous methanol solution (fuel) is flowed to the fuel electrode side at a flow rate of 8.0 ml / min, and the voltage difference between the fuel electrode and the air electrode (open voltage) at that time and the amount of hydrogen generated on the fuel electrode side are examined. Went. An underwater displacement method was used to measure the amount of gas generated.
The results are shown in Table 10.

表10に示されるように、実施例の反応管を用いた円筒型のセルにおいても、平板型のセルである参考例の場合と同様に、開回路電圧500mV付近で、セルの燃料極側から水素の発生が認められた。   As shown in Table 10, in the cylindrical cell using the reaction tube of the example, as in the case of the reference example which is a flat plate type cell, the open-circuit voltage is around 500 mV from the fuel electrode side of the cell. Hydrogen evolution was observed.

以上のように、本発明の反応管を用いたハニカム型水素製造装置は、有機物を含む燃料を100℃以下で分解して水素を含むガスを製造することができるものであるから、燃料電池に容易に水素を供給することができる。
また、本発明のハニカム型水素製造装置を使用した燃料電池発電装置は、パッケージに内蔵した制御装置を水素製造装置の発生する熱から保護するための特別な手段を必要とせず、さらに、燃料電池も含めて装置全体としての発熱も少ないものであるから、移動用電源あるいはオンサイト用電源として使用する場合、電気自動車や潜水船に搭載する場合に極めて有利である。
さらに、本発明のハニカム型水素製造装置を使用すれば、電気自動車(燃料電池自動車)に搭載した水素貯蔵容器、燃料電池自動車に水素を供給するための水素貯蔵タンクに容易に水素を供給することができ、また、半導体装置を製造する場合の処理ガス等として水素を使用する場合にも、水素貯蔵手段を設けておき、処理場所に容易に水素を供給することができる。
As described above, the honeycomb type hydrogen production apparatus using the reaction tube of the present invention can produce a gas containing hydrogen by decomposing a fuel containing organic matter at 100 ° C. or lower. Hydrogen can be supplied easily.
Further, the fuel cell power generation apparatus using the honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention does not require any special means for protecting the control device built in the package from the heat generated by the hydrogen production apparatus, and further, the fuel cell Therefore, when used as a mobile power source or an on-site power source, it is extremely advantageous when mounted on an electric vehicle or a submarine.
Furthermore, if the honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention is used, hydrogen can be easily supplied to a hydrogen storage container mounted on an electric vehicle (fuel cell vehicle) and a hydrogen storage tank for supplying hydrogen to the fuel cell vehicle. In addition, even when hydrogen is used as a processing gas or the like when manufacturing a semiconductor device, hydrogen storage means is provided so that hydrogen can be easily supplied to a processing place.

本発明のハニカム型水素製造装置の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the honeycomb type hydrogen production apparatus of this invention. 本発明の反応管の一例を示す概略斜視図及び概略縦断面図である。It is the schematic perspective view and schematic longitudinal cross-sectional view which show an example of the reaction tube of this invention. 本発明のハニカム型水素製造装置の他の例(ハニカム状に組み合わせた反応管の燃料極を一体化して導線を引き出したもの)を示す概略図である。FIG. 5 is a schematic view showing another example of the honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention (one obtained by integrating the fuel electrodes of reaction tubes combined in a honeycomb shape and drawing out a conducting wire). 本発明のハニカム型水素製造装置の他の例(ハニカム状に組み合わせた反応管の燃料極から個別に導線を引き出してまとめたもの)を示す概略図である。FIG. 6 is a schematic view showing another example of the honeycomb type hydrogen production apparatus of the present invention (in which conductor wires are individually drawn out from the fuel electrodes of reaction tubes combined in a honeycomb shape). 本発明のハニカム型水素製造装置に使用する反応管の燃料極と空気極の放電領域における反応を示す概略図である。It is the schematic which shows the reaction in the discharge area | region of the fuel electrode and air electrode of the reaction tube used for the honeycomb type hydrogen production apparatus of this invention. 本発明のハニカム型水素製造装置に使用する反応管の燃料極と空気極の水素発生領域における反応を示す概略図である。It is the schematic which shows the reaction in the hydrogen generation area | region of the fuel electrode and air electrode of the reaction tube used for the honeycomb type hydrogen production apparatus of this invention. 本発明のハニカム型水素製造装置に使用する反応管の燃料極と空気極におけるトータル反応を示す概略図である。It is the schematic which shows the total reaction in the fuel electrode and air electrode of the reaction tube used for the honeycomb type hydrogen production apparatus of this invention. 空気極の表面の一部にマスクを設けた本発明の反応管の一例を示す反応管の管壁の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the tube wall of the reaction tube which shows an example of the reaction tube of this invention which provided the mask in a part of surface of the air electrode. 燃料極の表面の一部にマスクを設けた本発明の反応管の一例を示す反応管の管壁の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the tube wall of the reaction tube which shows an example of the reaction tube of this invention which provided the mask in a part of surface of the fuel electrode. 燃料極及び空気極の表面の一部にマスクを同じ位置に対向するように設けた反応管の一例を示す反応管の管壁の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the tube wall of the reaction tube which shows an example of the reaction tube which provided the mask in a part of surface of a fuel electrode and an air electrode so as to oppose the same position. 燃料極及び空気極の表面の一部にマスクを反対位置に対向しないように設けた反応管の一例を示す反応管の管壁の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the tube wall of the reaction tube which shows an example of the reaction tube which provided the mask on a part of surface of a fuel electrode and an air electrode so as not to oppose the opposite position. 燃料極及び空気極の表面の一部にマスクをマスクの一部のみが対向するように半分ずらして設けた本発明の反応管の一例を示す反応管の管壁の縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the tube wall of the reaction tube which shows an example of the reaction tube of this invention which provided the mask shifted by half so that only a part of mask may oppose a part of surface of a fuel electrode and an air electrode. 燃料極及び空気極の表面の一部に設けたマスクの幅、間隔、本数を示す概略図である。It is the schematic which shows the width | variety of the mask provided in a part of surface of a fuel electrode and an air electrode, a space | interval, and the number. 本発明の燃料電池発電装置の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the fuel cell power generator of this invention. 本発明の燃料電池発電装置における水素製造装置と燃料電池の関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between the hydrogen production apparatus and fuel cell in the fuel cell electric power generating apparatus of this invention. 本発明の電気自動車における燃料電池システムのシステムフローの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the system flow of the fuel cell system in the electric vehicle of this invention. 本発明の潜水船における燃料電池システムのシステムフローの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the system flow of the fuel cell system in the submarine of this invention. 本発明の水素供給システムのシステムフローの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the system flow of the hydrogen supply system of this invention. 空気極のガス拡散層を異なる素材の組み合わせにより不均一にした例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example which made the gas diffusion layer of the air electrode nonuniform by the combination of a different material. 空気極のガス拡散層を疎密の組合せにより不均一にした例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example which made the gas diffusion layer of the air electrode nonuniform by the combination of density. 空気極のガス拡散層を表面の凹凸により不均一にした例を示す概略図である。It is the schematic which shows the example which made the gas diffusion layer of the air electrode non-uniform | heterogenous by the unevenness | corrugation of the surface. 本発明の実施例における水素製造セルの作製手順を示す概略図である。It is the schematic which shows the preparation procedures of the hydrogen production cell in the Example of this invention. 本発明の実施例において水素製造セルに燃料及び空気を供給する方法を示す概略図である。It is the schematic which shows the method of supplying fuel and air to the hydrogen production cell in the Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 水素製造セル
11 隔膜
12 燃料極
12M 燃料極に設けたマスク
13 有機物と水を含む燃料(メタノール水溶液)を燃料極12に供給するための流路
14 酸化極(空気極)
14M 酸化極に設けたマスク
15 酸化剤(空気)を酸化極(空気極)14に供給するための流路
16 燃料ポンプ
17 空気ブロア
18 燃料流量調整弁
19 空気流量調整弁
20 燃料タンク
21 燃料調整槽
22 電圧調整器
23 気液分離器(水素を含むガスと未反応メタノール水溶液を分離)
24 未反応メタノール水溶液を燃料調整槽21に戻すための導管
25 水素タンク
26 水素流量調整弁
27 気液分離器(排空気から生成水と未反応メタノール水溶液を分離)
28 二酸化炭素除去装置
29 未反応メタノール水溶液を燃料調整槽21に戻すための導管
30 燃料電池
31 固体高分子電解質膜
32 水素極
33 水素を水素極32に供給するための流路
34 空気極
35 空気を空気極34に供給するための流路
36 燃料電池30で発電した直流電力を所定の電力に変換する電力変換装置
37 発電装置全体の制御を行う制御装置
38 パッケージ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Hydrogen production cell 11 Diaphragm 12 Fuel electrode 12M Mask 13 provided in fuel electrode Flow path 14 for supplying fuel electrode 12 with fuel (methanol aqueous solution) containing organic matter and water Oxidation electrode (air electrode)
14M Mask 15 provided on oxidation electrode Flow path 16 for supplying oxidant (air) to oxidation electrode (air electrode) 14 Fuel pump 17 Air blower 18 Fuel flow rate adjustment valve 19 Air flow rate adjustment valve 20 Fuel tank 21 Fuel adjustment Tank 22 Voltage regulator 23 Gas-liquid separator (separates hydrogen-containing gas and unreacted methanol aqueous solution)
24 Conduit 25 for returning the unreacted aqueous methanol solution to the fuel adjustment tank 21 Hydrogen tank 26 Hydrogen flow rate adjusting valve 27 Gas-liquid separator
28 Carbon Dioxide Removal Device 29 Conduit 30 for Returning Unreacted Methanol Aqueous Solution to Fuel Adjustment Tank 21 Fuel Cell 31 Solid Polymer Electrolyte Membrane 32 Hydrogen Electrode 33 Channel 34 for Supplying Hydrogen to Hydrogen Electrode 32 Air Electrode 35 Air A flow path 36 for supplying air to the air electrode 34 A power converter 37 that converts direct-current power generated by the fuel cell 30 into predetermined power 37 A controller 38 that controls the entire power generator

Claims (47)

有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。   In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, the fuel cell has a cylindrical diaphragm, and a fuel electrode is formed on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm, and an oxidation electrode is formed on the other side. A hydrogen production cell in which a plurality of reaction tubes provided are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidizing agent to the oxidation electrode, and a gas containing hydrogen from the fuel electrode side Characterized in that it comprises means for generating and taking out, and a region where supply of the oxidant is insufficient is provided on the oxidation electrode side by masking only a part of the gas diffusion layer of the oxidation electrode. Honeycomb type hydrogen production equipment. 有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記燃料極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。   In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, the fuel cell has a cylindrical diaphragm, and a fuel electrode is formed on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm, and an oxidation electrode is formed on the other side. A hydrogen production cell in which a plurality of reaction tubes provided are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidizing agent to the oxidation electrode, and a gas containing hydrogen from the fuel electrode side Characterized in that it comprises means for generating and taking out, and a region where supply of the oxidant is insufficient on the oxidation electrode side is provided by masking only a part of the gas diffusion layer of the fuel electrode. Honeycomb type hydrogen production equipment. 有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極及び前記燃料極の両極のガス拡散層の一部にマスキングを行うとともに、その対向する両側のマスキングの少なくとも一部をずらして行うことによって設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。   In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, the fuel cell has a cylindrical diaphragm, and a fuel electrode is formed on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm, and an oxidation electrode is formed on the other side. A hydrogen production cell in which a plurality of reaction tubes provided are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidizing agent to the oxidation electrode, and a gas containing hydrogen from the fuel electrode side Masking a portion of the gas diffusion layer of both the oxidation electrode and the fuel electrode, and a region where the supply of the oxidant is insufficient on the oxidation electrode side. A honeycomb type hydrogen production apparatus provided by shifting at least a part of masking on both sides facing each other. 前記マスキングを帯状に行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the masking is performed in a band shape. 前記マスキングを斑点状に行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the masking is performed in a spot shape. 前記マスキングを前記ガス拡散層に樹脂を含浸または前記ガス拡散層の表面に樹脂を塗布することによって行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the masking is performed by impregnating the gas diffusion layer with a resin or applying a resin to a surface of the gas diffusion layer. 前記マスキングをスクリーン印刷により行うことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the masking is performed by screen printing. 有機物を含む燃料を分解し水素を含むガスを製造する水素製造装置において、筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた反応管をハニカム状に多数組み合わせた水素製造セル、前記燃料極に有機物と水を含む燃料を供給する手段、前記酸化極に酸化剤を供給する手段、燃料極側から水素を含むガスを発生させて取り出す手段を備えてなり、かつ、酸化極側に前記酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層を不均一にして設けたことを特徴とするハニカム型水素製造装置。   In a hydrogen production apparatus for decomposing a fuel containing organic matter and producing a gas containing hydrogen, the fuel cell has a cylindrical diaphragm, and a fuel electrode is formed on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm, and an oxidation electrode is formed on the other side. A hydrogen production cell in which a plurality of reaction tubes provided are combined in a honeycomb shape, means for supplying a fuel containing organic matter and water to the fuel electrode, means for supplying an oxidizing agent to the oxidation electrode, and a gas containing hydrogen from the fuel electrode side A honeycomb type hydrogen production comprising a means for generating and taking out, and a region where the supply of the oxidant is insufficient is provided on the oxidation electrode side with a non-uniform gas diffusion layer of the oxidation electrode apparatus. 前記酸化極のガス拡散層を、疎密に形成するか、材質の異なるものを組み合わせることによって不均一にしたことを特徴とする請求項8に記載のハニカム型水素製造装置。   9. The honeycomb type hydrogen production apparatus according to claim 8, wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made non-uniform by forming it densely or by combining different materials. 前記酸化極のガス拡散層を、表面に凹凸を形成することによって不均一にしたことを特徴とする請求項8又は9に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to claim 8 or 9, wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made uneven by forming irregularities on the surface. 水素製造装置を構成する水素製造セルから外部に電気エネルギーを取り出す手段及び前記水素製造セルに外部から電気エネルギーを印加する手段を有しない開回路であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   11. The open circuit having no means for taking out electric energy from a hydrogen production cell constituting the hydrogen production apparatus and means for applying electric energy from the outside to the hydrogen production cell. The honeycomb type hydrogen production apparatus according to claim 1. 前記燃料極を負極とし前記酸化極を正極として外部に電気エネルギーを取り出す手段を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 10, further comprising means for taking out electric energy to the outside using the fuel electrode as a negative electrode and the oxidation electrode as a positive electrode. 前記燃料極をカソードとし前記酸化極をアノードとして外部から電気エネルギーを印加する手段を有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 10, further comprising means for applying electric energy from the outside with the fuel electrode as a cathode and the oxidation electrode as an anode. 前記燃料極と前記酸化極との間の電圧が400〜600mVであることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb-type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 13, wherein a voltage between the fuel electrode and the oxidation electrode is 400 to 600 mV. 前記燃料極と前記酸化極との間の電圧を調整することにより、前記水素を含むガスの発生量を調整することを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen according to any one of claims 1 to 14, wherein a generation amount of the gas containing hydrogen is adjusted by adjusting a voltage between the fuel electrode and the oxidation electrode. manufacturing device. 前記酸化剤の供給量を調整することにより、前記燃料極と前記酸化極との間の電圧及び/又は前記水素を含むガスの発生量を調整することを特徴とする請求項1〜15のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The voltage between the fuel electrode and the oxidation electrode and / or the generation amount of the gas containing hydrogen is adjusted by adjusting the supply amount of the oxidant. The honeycomb type hydrogen production apparatus according to claim 1. 運転温度が100℃以下であることを特徴とする請求項1〜16のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The operating temperature is 100 ° C or lower, The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 16. 前記燃料極に供給する前記有機物がアルコール、アルデヒド、カルボン酸、及びエーテルよりなる群から選択される一種又は二種以上の有機物であることを特徴とする請求項1〜17のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The organic substance supplied to the fuel electrode is one or more organic substances selected from the group consisting of alcohol, aldehyde, carboxylic acid, and ether. The described honeycomb type hydrogen production apparatus. 前記アルコールがメタノールであることを特徴とする請求項18に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to claim 18, wherein the alcohol is methanol. 前記酸化極に供給する前記酸化剤が酸素を含む気体又は酸素であることを特徴とする請求項1〜19のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 19, wherein the oxidizing agent supplied to the oxidation electrode is a gas containing oxygen or oxygen. 前記隔膜がプロトン導電性固体電解質膜であることを特徴とする請求項1〜20のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb-type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 20, wherein the diaphragm is a proton conductive solid electrolyte membrane. 前記プロトン導電性固体電解質膜がパーフルオロカーボンスルホン酸系固体電解質膜であることを特徴とする請求項21に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to claim 21, wherein the proton conductive solid electrolyte membrane is a perfluorocarbon sulfonic acid solid electrolyte membrane. 前記燃料極の触媒が白金−ルテニウム合金を炭素粉末に担持したものであることを特徴とする請求項1〜22のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb-type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 22, wherein the fuel electrode catalyst is a platinum-ruthenium alloy supported on carbon powder. 前記酸化極の触媒が白金を炭素粉末に担持したものであることを特徴とする請求項1〜23のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb-type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 23, wherein the catalyst of the oxidation electrode is a catalyst in which platinum is supported on carbon powder. 前記有機物を含む燃料の循環手段を設けたことを特徴とする請求項1〜24のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb-type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 24, wherein a circulation means for fuel containing the organic matter is provided. 前記水素を含むガスに含まれる二酸化炭素を吸収する二酸化炭素吸収部を設けたことを特徴とする請求項1〜25のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 25, further comprising a carbon dioxide absorption part that absorbs carbon dioxide contained in the gas containing hydrogen. 請求項1〜26のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置に燃料電池を接続して、前記ハニカム型水素製造装置を運転するための補機に供給する電気エネルギーを前記燃料電池から得ることを特徴とするハニカム型水素製造装置。   A fuel cell is connected to the honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 26, and electric energy supplied to an auxiliary machine for operating the honeycomb type hydrogen production apparatus is obtained from the fuel cell. A honeycomb type hydrogen production apparatus. 請求項1〜27のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置を燃料電池と接続して、前記燃料電池に前記水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給することを特徴とする燃料電池発電装置。   A fuel comprising: connecting the honeycomb-type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 27 to a fuel cell; and supplying the fuel cell with a gas containing hydrogen produced by the hydrogen production apparatus. Battery power generator. 請求項14〜27のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置であって、かつ、前記水素製造セルから外部に電気エネルギーを取り出す手段及び前記水素製造セルに外部から電気エネルギーを印加する手段を有しない開回路であるハニカム型水素製造装置、前記燃料極を負極とし前記酸化極を正極として外部に電気エネルギーを取り出す手段を有するハニカム型水素製造装置並びに前記燃料極をカソードとし前記酸化極をアノードとして外部から電気エネルギーを印加する手段を有するハニカム型水素製造装置の群から選ばれる2以上のハニカム型水素製造装置を組み合わせて使用したハニカム型水素製造装置を燃料電池と接続して、前記燃料電池に前記ハニカム型水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給することを特徴とする燃料電池発電装置。 28. The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 14 to 27, wherein means for taking out electric energy from the hydrogen production cell and means for applying electric energy from the outside to the hydrogen production cell. A honeycomb type hydrogen production apparatus that is an open circuit that does not include a honeycomb type hydrogen production apparatus that has means for taking out electrical energy from the fuel electrode as a negative electrode and the oxidation electrode as a positive electrode, and a fuel electrode as a cathode. A honeycomb type hydrogen production apparatus using a combination of two or more honeycomb type hydrogen production apparatuses selected from the group of honeycomb type hydrogen production apparatuses having means for applying electric energy from the outside as an anode is connected to a fuel cell, and the fuel retardant you and supplying a gas containing hydrogen produced in the honeycomb hydrogen generating device to the battery Cell power plant. 燃料電池発電装置が、燃料電池、前記燃料電池に供給するための水素を含むガスを製造する前記ハニカム型水素製造装置、前記燃料電池で発電した直流電力を所定の電力に変換する電力変換装置、発電装置全体の制御を行う制御装置を少なくともパッケージに内蔵したものであることを特徴とする請求項28又は29に記載の燃料電池発電装置。 A fuel cell power generation device, a fuel cell, the honeycomb-type hydrogen production device for producing a gas containing hydrogen to be supplied to the fuel cell, a power conversion device for converting DC power generated by the fuel cell into predetermined power, 30. The fuel cell power generator according to claim 28 or 29 , wherein a control device for controlling the entire power generator is built in at least the package. 前記ハニカム型水素製造装置で製造した前記水素を含むガスを冷却せずに前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項28〜30のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。 The fuel cell power generator according to any one of claims 28 to 30, wherein the hydrogen-containing gas produced by the honeycomb-type hydrogen production apparatus is supplied to the fuel cell without cooling. 前記ハニカム型水素製造装置の酸化極に供給する前記酸化剤が前記燃料電池又は他の前記ハニカム型水素製造装置から排出される排空気又は未反応酸素を含む気体であることを特徴とする請求項28〜31のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。   The oxidant supplied to the oxidation electrode of the honeycomb type hydrogen production apparatus is exhaust gas discharged from the fuel cell or another honeycomb type hydrogen production apparatus or a gas containing unreacted oxygen. The fuel cell power generator according to any one of 28 to 31. 前記ハニカム型水素製造装置の発生する熱を遮断するための断熱材が設けられていないことを特徴とする請求項28〜32のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置。   33. The fuel cell power generator according to any one of claims 28 to 32, wherein a heat insulating material for blocking heat generated by the honeycomb type hydrogen production apparatus is not provided. 請求項28〜33のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置を搭載したことを特徴とする電気自動車。   An electric vehicle comprising the fuel cell power generator according to any one of claims 28 to 33. 請求項28〜33のいずれか一項に記載の燃料電池発電装置を搭載したことを特徴とする潜水船。   A submarine equipped with the fuel cell power generator according to any one of claims 28 to 33. 請求項1〜27のいずれか一項に記載のハニカム型水素製造装置を水素貯蔵手段と接続して、前記水素貯蔵手段に前記ハニカム型水素製造装置で製造した水素を含むガスを供給することを特徴とする水素供給システム。   The honeycomb type hydrogen production apparatus according to any one of claims 1 to 27 is connected to a hydrogen storage means, and a gas containing hydrogen produced by the honeycomb type hydrogen production apparatus is supplied to the hydrogen storage means. Characteristic hydrogen supply system. 前記水素貯蔵手段が、電気自動車に搭載した水素貯蔵容器であることを特徴とする請求項36に記載の水素供給システム。   The hydrogen supply system according to claim 36, wherein the hydrogen storage means is a hydrogen storage container mounted on an electric vehicle. 筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。   In a reaction tube for a hydrogen production cell having a cylindrical diaphragm and a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and an oxidation electrode on the other side, the gas diffusion layer of the oxidation electrode is oxidized A reaction tube for a hydrogen production cell, wherein a region where the supply of the agent is insufficient is provided by masking only a part of the gas diffusion layer of the oxidation electrode. 筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記燃料極のガス拡散層のみの一部にマスキングを行うことによって設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。   In a reaction tube for a hydrogen production cell having a cylindrical diaphragm and a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and an oxidation electrode on the other side, the gas diffusion layer of the oxidation electrode is oxidized A reaction tube for a hydrogen production cell, wherein a region where the supply of the agent is insufficient is provided by masking only a part of the gas diffusion layer of the fuel electrode. 筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極及び前記燃料極の両極のガス拡散層の一部にマスキングを行うとともに、その対向する両側のマスキングの少なくとも一部をずらして行うことによって設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。   In a reaction tube for a hydrogen production cell having a cylindrical diaphragm and a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and an oxidation electrode on the other side, the gas diffusion layer of the oxidation electrode is oxidized The region where the supply of the agent is insufficient is provided by masking a part of the gas diffusion layer on both sides of the oxidation electrode and the fuel electrode, and by shifting at least part of the masking on both opposing sides. A reaction tube for a hydrogen production cell. 前記マスキングを帯状に行うことを特徴とする請求項38〜40のいずれか一項に記載の水素製造セル用反応管。   The reaction tube for a hydrogen production cell according to any one of claims 38 to 40, wherein the masking is performed in a band shape. 前記マスキングを斑点状に行うことを特徴とする請求項38〜40のいずれか一項に記載の水素製造セル用反応管。   The reaction tube for a hydrogen production cell according to any one of claims 38 to 40, wherein the masking is performed in a spot shape. 前記マスキングを前記ガス拡散層に樹脂を含浸または前記ガス拡散層の表面に樹脂を塗布することによって行うことを特徴とする請求項38〜42のいずれか一項に記載の水素製造セル用反応管。   43. The reaction tube for a hydrogen production cell according to any one of claims 38 to 42, wherein the masking is performed by impregnating the gas diffusion layer with a resin or applying a resin to a surface of the gas diffusion layer. . 前記マスキングをスクリーン印刷により行うことを特徴とする請求項38〜43いずれか一項に記載の水素製造セル用反応管。   44. The reaction tube for a hydrogen production cell according to any one of claims 38 to 43, wherein the masking is performed by screen printing. 筒状の隔膜を有し前記筒状の隔膜の内外側面のうち一方の側面に燃料極及び他方の側面に酸化極を設けた水素製造セル用反応管において、前記酸化極のガス拡散層に酸化剤の供給の不足する領域を、前記酸化極のガス拡散層を不均一にして設けたことを特徴とする水素製造セル用反応管。   In a reaction tube for a hydrogen production cell having a cylindrical diaphragm and a fuel electrode on one side of the inner and outer surfaces of the cylindrical diaphragm and an oxidation electrode on the other side, the gas diffusion layer of the oxidation electrode is oxidized A reaction tube for a hydrogen production cell, wherein a region where the supply of the agent is insufficient is provided with the gas diffusion layer of the oxidation electrode being non-uniform. 前記酸化極のガス拡散層を、疎密に形成するか、材質の異なるものを組み合わせることによって不均一にしたことを特徴とする請求項45に記載の水素製造セル用反応管。   46. The reaction tube for a hydrogen production cell according to claim 45, wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made non-uniform by forming it densely or by combining different materials. 前記酸化極のガス拡散層を、表面に凹凸を形成することによって不均一にしたことを特徴とする請求項45又は46に記載の水素製造セル用反応管。   47. The reaction tube for a hydrogen production cell according to claim 45 or 46, wherein the gas diffusion layer of the oxidation electrode is made uneven by forming irregularities on the surface.
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