JP7436248B2

JP7436248B2 - 車載用水素精製装置

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Publication number: JP7436248B2
Application number: JP2020043742A
Authority: JP
Inventors: 美里牧; 修身山本; 文康菅
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2040-03-13
Also published as: JP2021143403A

Description

本発明は、車載用水素精製装置に関する。

自動車用の燃料として水素を使用する試みがなされている。例えば、特許文献１には、水を電気分解して高圧水素を発生させる水電解装置と、水電解装置から送られる水素を燃料電池車両に供給するために貯蔵する水素供給タンクとを備える水素供給システムにおいて、水素を燃料電池車両の車載水素タンクに供給する技術が開示される。

特開２００７－４８５９９号公報

しかし、車載水素タンクに水素を供給する水素ステーションのインフラ整備は進んでおらず、未だ限定的にしか設置されていない。そのため、自動車ユーザーは、長時間の運転に対して水素切れの懸念を抱えているのが現状である。また、そもそも、水素精製における二酸化炭素（ＣＯ_２）発生等の環境負荷の問題があるため、水素エネルギの利用は必ずしも環境に対して考慮されているとはいい難い。

そこで、本発明は、インフラ設備に依存せず、環境負荷を与えることなく、車両上で水素を簡単に精製して取り出すことのできる車載用水素精製装置を提供することを目的とする。

（１）本発明は、車両（例えば、後述の車両Ｖ）上で水を電気分解することによって水素を精製する車載用水素精製装置（たとえは、後述のＨ_２精製装置６０）であって、水導入口（例えば、後述の水導入口６１４）と、水素取出口（例えば、後述の水素取出口６１５）と、未処理水排出口（例えば、後述の未処理水排出口６１６）と、を有する筒状のハウジング（例えば、後述のハウジング６１０）と、前記ハウジング内に収容される水素精製機能部（例えば、後述の水素精製機能部６２０）と、を備え、前記水素精製機能部は、アノード電極（例えば、後述のアノード電極６２１）及びカソード電極（例えば、後述のカソード電極６２２）の間に、電解触媒（例えば、後述の電解触媒６２４）及び水素分離膜（例えば、水素分離膜６２５）を同軸状に積層して構成される。

上記（１）によれば、連続して水を導入することによって、連続して水素を精製することができる。水素供給のためのインフラに依存することなく、車両上で水素を簡単に精製して取り出すことが可能である。精製される水素は、水を電気分解したものであるため、ＣＯ_２フリー燃料であり、環境負荷を与えることもない。したがって、インフラ設備に依存せず、環境負荷を与えることなく、車両上で水素を簡単に精製して取り出すことのできる車載用水素精製装置を提供することができる。

（２）（１）に記載の車載用水素精製装置において、前記水素精製機能部は、前記アノード電極の外周に、前記電解触媒が配置され、前記電解触媒の外周に、前記カソード電極及び前記水素分離膜が配置され、前記水導入口は、前記ハウジングの長さ方向の一端に配置され、前記未処理水排出口は、前記ハウジングの長さ方向の他端に配置され、前記水素取出口は、前記水導入口と前記未処理水排出口の間の前記ハウジングの外周面（例えば、後述の外周面６１１ｄ）に配置されてもよい。

上記（２）によれば、Ｈ_２精製装置における電気分解の電場を大きく取ることが可能である。そのため、水導入部から導入した水が未処理水排出口に向けて流通する過程で、効率良く水素を精製することができる。

（３）（１）に記載の車載用水素精製装置において、前記水素精製機能部は、円筒状に形成された前記水素分離膜の外周に、前記カソード電極が配置され、前記カソード電極の外周に、前記電解触媒が配置され、前記電解触媒の外周に、前記アノード電極が配置され、前記水導入口及び前記未処理水排出口は、前記ハウジングの外周面にそれぞれ配置され、前記水素取出口は、前記水素分離膜の内側における前記ハウジングの長さ方向の一端に配置されてもよい。

上記（３）によれば、ハウジングから水素精製機能部を容易に取り出して交換等をすることができるため、使用による触媒劣化、使用される水質の差等の状況に応じて、水素精製機能部の変更や交換等の対応が容易に可能である。

（４）（１）～（３）のいずれかに記載の車載用水素精製装置において、前記水導入口の開口面積＞前記未処理水排出口の開口面積であってもよい。

上記（４）によれば、水導入口に対して未処理水排出口が絞られるため、ハウジング内の水の圧力が上昇し、電解触媒の内部に水が浸透し易くなり、電解触媒に対する接触面積が増加する。したがって、水の電気分解量が増加する。ハウジング内の水の圧力が上昇することによって、水素が水素分離膜を透過するために必要な圧力が生成される、あるいは、水素が水素分離膜を透過するために必要な圧力を補助することができる。その結果、Ｈ_２精製装置は、より効率的な水素精製を行うことができる。

（５）（１）～（３）のいずれかに記載の車載用水素精製装置において、前記水導入口の開口面積≦前記未処理水排出口の開口面積であってもよい。

上記（５）によれば、水導入口に対する未処理水排出口の排出面積が同等以上になるため、Ｈ_２精製装置に供給する水を貯留するＨ_２Ｏタンクに対する背圧損失が低減する。そのため、Ｈ_２精製装置に水を送り込むポンプの仕事の損失を低減することができる。Ｈ_２Ｏタンクが、自身の内圧のみで水をＨ_２精製装置に供給する場合は、Ｈ_２Ｏタンクに対する背圧が下がることによって、Ｈ_２Ｏタンク内の水をより多く利用することができる。

本発明によれば、インフラ設備に依存せず、環境負荷を与えることなく、車両上で水素を簡単に精製して取り出すことのできる車載用水素精製装置を提供することができる。

本発明に係る車載用水素精製装置を搭載した車両の構成の一実施形態を示す図である。本発明に係る車載用水素精製装置の第１実施形態を示す縦断面図である。本発明に係る車載用水素精製装置の第２実施形態を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る車載用水素精製装置を搭載した車両Ｖの構成の一実施形態を示す図である。本実施形態に示す車両Ｖは、液体の炭化水素燃料を燃焼させることによって発生する熱エネルギを機械エネルギに変換する内燃機関１（以下、「エンジン」という）を備え、このエンジン１によって得られた機械エネルギを利用して駆動輪（図示せず）を駆動することにより走行する。

車両Ｖは、エンジン１と、エンジン１に燃料を供給する燃料供給装置２と、エンジン１の排気管１６を流れる排気から二酸化炭素（ＣＯ_２）を回収するＣＯ_２回収装置３と、排気管１６を流れる排気を浄化する排気浄化装置４と、ＣＯ_２回収装置３によって回収された二酸化炭素から含メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）の合成ガスを生成するリアクタ５と、リアクタ５に水素（Ｈ_２）を供給する水素供給装置６と、リアクタ５から排出される合成ガスからメタノールを回収する凝縮器７と、を備える。

エンジン１は、例えば、複数の気筒と、各気筒内に往復動自在に設けられたピストンと、各気筒内においてピストンによって区画された燃焼室に設けられた点火プラグと、ピストンの往復運動によって回転するクランクシャフトと、を備える多気筒レシプロエンジンである。これら点火プラグは、図示しない制御装置からの指令に応じて点火し、各気筒内に供給された燃料と空気の混合気を燃焼させる。

吸気管１５は、エンジン１の各気筒に連通する吸気ポートと車外とを接続し、車外の空気を各気筒へ導く配管である。排気管１６は、エンジン１の各気筒に連通する排気ポートと車外とを接続する配管である。排気管１６には、排気上流側から下流側へ向かって順に、排気浄化装置４と、ＣＯ_２回収装置３と、が設けられている。エンジン１の各気筒内で混合気を燃焼させることによって生じる排気は、排気浄化装置４、及びＣＯ_２回収装置３を経て、車外に排出される。

燃料供給装置２は、燃料を貯留する燃料タンク２０と、エンジン１の各気筒に連通する吸気ポートに設けられた燃料噴射弁２１と、燃料タンク２０と燃料噴射弁２１とを接続する燃料供給管２４と、を備える。

燃料タンク２０は、ガソリン、メタノール、又はこれらガソリンとメタノールとを混合した混合燃料等の液体の炭化水素燃料を貯留する。燃料供給管２４は、燃料タンク２０内に貯留されている燃料を図示しない高圧ポンプによって圧縮し、燃料噴射弁２１に供給する。燃料噴射弁２１は、図示しない制御装置からの指令に応じて開弁し、燃料供給管２４から供給される燃料を噴射する。燃料噴射弁２１から噴射される燃料と吸気管１５から供給される空気とを混合した混合気は、エンジン１の各気筒内に供給される。

排気浄化装置４は、排気浄化触媒（例えば、三元触媒）を備え、この排気浄化触媒の作用下で、エンジン１の排気に含まれる未燃炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、及び窒素酸化物（ＮＯｘ）等を浄化する。

ＣＯ_２回収装置３は、ＣＯ_２配管３１によってリアクタ５と接続されている。ＣＯ_２回収装置３は、排気管１６を流れる排気から二酸化炭素を回収し、ＣＯ_２配管３１を介してリアクタ５に供給する。より具体的には、ＣＯ_２回収装置３は、排気管１６を流れる排気を、二酸化炭素を主成分とする回収ガスと、窒素（Ｎ_２）を主成分とする脱ＣＯ_２排ガスとに分離し、回収ガスをＣＯ_２配管３１へ排出し、脱ＣＯ_２排ガスを図示しないテールパイプを介して車外へ排出する。

ＣＯ_２回収装置３は、例えば、所定の吸着条件下で排気管１６を流れる排気中の二酸化炭素を選択的に吸着し、吸着した二酸化炭素を所定の脱離条件下で脱離するＣＯ_２吸着材を用いることによって、エンジン１の排気を回収ガスと脱ＣＯ_２排ガスとに分離する。ＣＯ_２吸着材には、例えばリチウム複合酸化物が用いられる。

なお本実施形態では、ＣＯ_２吸着材の二酸化炭素の吸着、脱離特性を利用してエンジン１の排気を回収ガスと脱ＣＯ_２排ガスとに分離する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。ＣＯ_２回収装置３では、排気管１６を流れる排気中の二酸化炭素を選択的に透過させるＣＯ_２分離膜を用いることによって、エンジン１の排気を回収ガスと脱ＣＯ_２排ガスとに分離してもよい。

水素供給装置６は、水（Ｈ_２Ｏ）を電気分解することによって水素（Ｈ_２）を精製するＨ_２精製装置６０と、Ｈ_２精製装置６０とリアクタ５とを接続するＨ_２配管６１と、Ｈ_２精製装置６０に導入する水を貯留するＨ_２Ｏタンク６２と、Ｈ_２精製装置６０とＨ_２Ｏタンク６２とを接続するＨ_２Ｏ配管６３と、を備える。Ｈ_２配管６１には、Ｈ_２精製装置６０で精製された水素を所定圧に維持するためのレギュレータ（図示せず）が設けられてもよい。Ｈ_２Ｏ配管６３には、Ｈ_２Ｏタンク６２の水をＨ_２精製装置６０に積極的に送り出すポンプ（図示せず）が設けられてもよい。Ｈ_２Ｏタンク６２は、水を所定の高圧で貯留する高圧タンクであってもよい。この水素供給装置６におけるＨ_２精製装置６０の構成の詳細については後述する。

リアクタ５は、ＣＯ_２配管３１から供給される回収ガスに含まれる二酸化炭素と、Ｈ_２精製装置６０によって精製されてＨ_２配管６１を介して供給される水素と、を反応筒内において所定比で反応させることにより、二酸化炭素を還元するとともにメタノールを合成する。

より具体的には、リアクタ５は、ＣＯ_２配管３１から供給される回収ガスが導入される反応筒と、Ｈ_２配管６１から供給される水素ガスを反応筒内に噴射するＨ_２インジェクタと、この反応筒内に設けられたメタノール合成触媒と、反応筒内のガスを昇温する加熱装置と、反応筒内のガスを圧縮する圧縮装置と、反応筒と凝縮器７とを接続する合成ガス配管５１と、を備える。

メタノール合成触媒は、二酸化炭素及び水素の存在下において二酸化炭素を還元するとともにメタノールを生成するメタノール合成反応を促進する。メタノール合成触媒には、例えば銅－亜鉛酸化物系触媒等の既知のものが用いられる。

加熱装置は、エンジン１の廃熱、すなわちエンジン１において燃料を燃焼させることによって発生する熱エネルギの一部を利用して反応筒内のガスを、上記メタノール合成反応を進行させるために必要な温度まで昇温する。圧縮装置は、エンジン１において燃料を燃焼させることによって得られる機械エネルギの一部、より具体的にはエンジン１のクランクシャフトの動力を利用して反応筒内のガスを、上記メタノール合成反応を進行させるために必要な圧力になるまで圧縮する。

以上のようなリアクタ５では、ＣＯ_２配管３１から反応筒内に回収ガスを所定量導入するとともに、反応筒内における二酸化炭素と水素の比が所定比になるように計量した水素ガスをＨ_２インジェクタから反応筒内に噴射し、さらに加熱装置及び圧縮装置によって反応筒内のガスを昇温、圧縮する。これにより、反応筒内ではメタノール合成触媒の作用下で、二酸化炭素からのメタノール合成反応（下記式（１）参照）、逆水性ガスシフト反応（下記式（２）参照）、及び一酸化炭素からのメタノール合成反応（下記式（３）参照）が進行し、メタノールを含む合成ガスが生成される。
ＣＯ_２＋３Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ（１）
ＣＯ_２＋Ｈ_２→ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ（２）
ＣＯ＋２Ｈ_２→ＣＨ_３ＯＨ（３）

以上のような手順によって反応筒内で生成された合成ガスは、合成ガス配管５１を介して凝縮器７に供給される。合成ガス配管５１から排出される合成ガスは、上記メタノール合成反応によって生成されるメタノールの他、未反応の二酸化炭素や、ＣＯ_２回収装置３において分離しきれずに回収ガスに混入した窒素等を含む。

凝縮器７は、リアクタ５から供給される合成ガスからメタノールを回収し、これを燃料タンク２０に供給する。より具体的には、凝縮器７は、リアクタ５から排出される合成ガスを熱交換によって凝縮することにより、メタノールを主成分とする液相と未反応の二酸化炭素及び窒素を主成分とする気相とに分離し、液相を液相ポートから排出し、気相を気相ポートから排出する。

凝縮器７の液相ポートと燃料タンク２０とは、液相配管７１によって接続されている。従って凝縮器７の液相ポートから排出される液相は、液相配管７１によって燃料タンク２０内に導かれる。また凝縮器７の気相ポートと排気管１６のうち排気浄化装置４とＣＯ_２回収装置３との間とは、気相配管７２によって接続されている。従って凝縮器７の気相ポートから排出さえる気相は、気相配管７２によってＣＯ_２回収装置３へ導かれる。

以上のような車両Ｖにおける炭素の流れについて説明する。始めに燃料タンク２０内に貯留されている炭化水素燃料と吸気管１５から導入した空気との混合気をエンジン１において燃焼させると、窒素と二酸化炭素と水とを主成分とする排気がエンジン１から排出される。またこの排気中の二酸化炭素は、ＣＯ_２回収装置３によって回収され、リアクタ５に供給される。リアクタ５では、二酸化炭素と水素とを反応させることによって含メタノールの合成ガスが生成される。この合成ガス中のメタノールは、凝縮器７によって回収され、燃料として燃料タンク２０に貯留される。また合成ガスに含まれる未反応の二酸化炭素は、再びＣＯ_２回収装置３によって回収され、リアクタ５に供給される。このように車両Ｖは、外気から二酸化炭素を取り込みながら、炭素を燃料タンク２０とエンジン１とＣＯ_２回収装置３とリアクタ５と凝縮器７とで循環させることにより、テールパイプから車外への二酸化炭素排出量を削減する。

次に、水素供給装置６におけるＨ_２精製装置６０の具体的な構成について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、Ｈ_２精製装置６０の第１実施形態を示す縦断面図である。Ｈ_２精製装置６０は、Ｈ_２Ｏタンク６２から導入される水を電気分解することによって水素を精製する車載用の装置である。Ｈ_２Ｏタンク６２には、家庭用水道等から注入された水が貯留される。

Ｈ_２精製装置６０は、筒状のハウジング６１０の内部に、水素精製機能部６２０を備える。本実施形態のハウジング６１０は、有底円筒状の容器からなるハウジング本体６１１と、ハウジング本体６１１の長さ方向（図２の左右方向）の一端（図２の右端）の開口部６１１ａを塞ぐように取り付けられる蓋部６１２と、によって構成される。蓋部６１２は、ハウジング本体６１１の開口部６１１ａの外周側に設けられるフランジ部６１１ｂに対して、適宜数のボルト６１３によって固定される。

ハウジング６１０は、開口部６１１ａと反対側の長さ方向の他端（図２の左端）に配置されるハウジング本体６１１の底部６１１ｃに、Ｈ_２Ｏ配管６３を介してＨ_２Ｏタンク６２から水を導入する水導入口６１４を有する。また、ハウジング６１０は、ハウジング本体６１１の外周面６１１ｄに、水素精製機能部６２０によって精製された水素を、ハウジング６１０の径方向外側に取り出す水素取出口６１５を有する。さらに、ハウジング６１０の蓋部６１２は、水素精製機能部６２０によって処理しきれなかった未処理水及び電気分解後の酸素（Ｏ_２）をＨ_２精製装置６０の外部に排出する未処理水排出口６１６を有する。

ハウジング６１０内に収容される水素精製機能部６２０は、アノード電極６２１と、カソード電極６２２と、電解触媒６２４と、水素分離膜６２５と、を同軸状に有して構成される。アノード電極６２１とカソード電極６２２との間には、電源部６２３によって所定電圧が印加される。

アノード電極６２１は、棒状電極からなり、水導入口６１４と未処理水排出口６１６とに亘るハウジング６１０の長さ方向に沿って長尺に延びている。アノード電極６２１は、水導入口６１４の中央に配置される電極支持部６１４ａと、未処理水排出口６１６の中央に配置される電極支持部６１６ａとに亘って、ハウジング６１０の中心軸上に固定されている。水導入口６１４及び未処理水排出口６１６は、それぞれアノード電極６２１の外周側に配置されている。アノードで電極６２１に使用される具体的な材料に制限はなく、水を電気分解する際の正極として使用可能な適宜の材料を使用することができる。

電解触媒６２４は、ハウジング６１０内のアノード電極６２１の外周に同軸状に配置される。電解触媒６２４は、アノード電極６２１の外周を取り囲むように円筒状に設けられ、ハウジング６１０内の全長に亘って配置される。電解触媒６２４の水導入口６１４側の端面６２４ａは、ハウジング６１０の内部から水導入口６１４を実質的に塞ぐように配置されている。電解触媒６２４の未処理水排出口６１６側の端面６２４ｂは、ハウジング６１０の内部から未処理水排出口６１６を実質的に塞ぐように配置されている。電解触媒６２４に使用される具体的な触媒に制限はなく、公知の触媒を適宜使用することができる。

水素分離膜６２５は、電解触媒６２４の外周において、ハウジング６１０内の全長に亘って同軸状に配置される。水素分離膜６２５は、例えばパラジウム系等の分離膜を使用することができるが、特に限定されない。水素分離膜６２５は、ハウジング６１０の水導入口６１４及び未処理水排出口６１６よりも外周側で、電解触媒６２４の外周を取り囲むように円筒状に設けられている。

カソード電極６２２は、棒状電極又は板状電極からなり、ハウジング６１０内における底部６１１ｃと蓋部６１２とに亘るハウジング６１０の長さ方向に沿って長尺に延び、水素分離膜６２５の外周に配置される。本実施形態のカソード電極６２２は、ハウジング６１０内に複数設けられる。複数のカソード電極６２２は、水素分離膜６２５の周方向に沿って、電気分解された水素が通過するに十分な間隔をおいて平行に配置される。これによって、複数のカソード電極６２２は、アノード電極６２１、電解触媒６２４及び水素分離膜６２５に対して同軸状に配置される。カソードで電極６２２に使用される具体的な材料に制限はなく、水を電気分解する際の負極として使用可能な適宜の材料を使用することができる。

このように構成されるＨ_２精製装置６０は、Ｈ_２Ｏ配管６３を介してＨ_２Ｏタンク６２から供給される水を、ハウジング６１０の水導入口６１４からハウジング６１０内に導入する。ハウジング６１０内に導入された水は、水素精製機能部６２０の電解触媒６２４に接触しながら未処理水排出６１６に向けて流通し、その過程で、電源部６２３によってアノード電極６２１及びカソード電極６２２に印加される電圧によって水素と酸素とに電気分解される。電気分解された水素は、カソード電極６２２側に向かい、水素分離膜６２５によって分離され、水素取出口６１５から取り出される。取り出された水素は、Ｈ_２配管６１を介してリアクタ５に供給される。水素精製機能部６２０によって処理しきれなかった未処理水及び電気分解後の酸素は、そのまま未処理水排出口６１６からＨ_２精製装置６０の外部に排出される。未処理水排出口６１６から排出された未処理水は、再度Ｈ_２Ｏタンク６２に戻すことによって再利用してもよい。

第１実施形態のＨ_２精製装置６０によれば、電源部６２３によってアノード電極６２１及びカソード電極６２２に電圧が印加された状態で、Ｈ_２Ｏタンク６２から連続して水を導入することによって、連続して水素を精製することができる。Ｈ_２Ｏタンク６２には、家庭用水道等から水を補充するだけでよく、水素供給のためのインフラに依存することなく、車両上で水素を簡単に精製して取り出すことが可能である。精製される水素は、水を電気分解したものであるため、ＣＯ_２フリー燃料であり、環境負荷を与えることもない。したがって、インフラ設備に依存せず、環境負荷を与えることなく、車両上で水素を簡単に精製して取り出すことのできる車載用水素精製装置を提供することができる。

また、Ｈ_２精製装置６０は、車両Ｖ上に水を貯留するＨ_２Ｏタンク６２を搭載し、そのＨ_２Ｏタンク６２から水を導入することによって水素を精製できるため、高圧水素タンクを搭載する場合に比べて安全性に優れる。そのため、車両Ｖにおける取り扱い性及び衝突時等の安全性も向上する。

第１実施形態のＨ_２精製装置６０では、水素精製機能部６２０は、アノード電極６２１の外周に電解触媒６２４が配置され、電解触媒６２４の外周にカソード電極６２２及び水素分離膜６２５が配置され、水導入口６１４は、ハウジング６１０の長さ方向の一端（図２の左端）に配置され、未処理水排出口６１６は、ハウジング６１０の長さ方向の他端（図２の右端）に配置され、水素取出口６１５は、水導入口６１４と未処理水排出口６１６の間のハウジング６１０の外周面６１１ｄに配置される。これによって、Ｈ_２精製装置６０は、電気分解の電場を大きく取ることが可能である。そのため、水導入口６１４から導入した水が未処理水排出口６１６に向けて流通する過程で、効率良く水素を精製することができる。

第１実施形態のＨ_２精製装置６０では、カソード電極６２２は、水素分離膜６２５の外周側に配置されるが、カソード電極６２２は、水素分離膜６２５の内周側且つ電解触媒６２４の外周側に配置されてもよい。これによれば、水素分離膜６２５の有効面積をより大きくすることができる。カソード電極６２２と水素分離膜６２５の配置は、使用する電解触媒６２４の種類や水素分離膜６２５の性能に応じて適宜選択することができる。

第１実施形態のＨ_２精製装置６０において、カソード電極６２２は、棒状電極又は板状電極に限らず、例えば、複数の開口を有する多孔質金属、メッシュ状金属からなる電極であってもよい。カソード電極６２２が多孔質金属、メッシュ状金属からなる電極である場合は、円筒状に形成され、アノード電極６２１と同軸状に配置されてもよい。

カソード電極６２２が円筒状である場合は、カソード電極６２２と水素分離膜６２５とは、例えば、カソード電極６２２の内周側又は外周側に、水素分離膜６２５を塗布、蒸着等の手段で一体化することによって、一体型に構成されていてもよい。

図３は、Ｈ_２精製装置６０の第２実施形態を示す縦断面図である。図２と同一符号の部位は同一構成の部位を示すため、それらの説明は上記の説明を援用し、以下においては相違する構成についてのみ説明する。図３に示すＨ_２精製装置６０は、図２に示すＨ_２精製装置６０に対して、ハウジング６１０の構造及び水素精製機能部６２０の構造が相違している。

本実施形態に示すハウジング６１０において、水導入口６１４及び未処理水排出口６１６は、ハウジング本体６１１の外周面６１１ｄにそれぞれ配置されている。そのため、Ｈ_２Ｏタンク６２からの水は、ハウジング６１０の径方向外側から内側に向けて導入され、未処理水は、ハウジング６１０の径方向内側からハウジング６１０の軸方向に沿って外側に向けて排出される。

具体的には、水導入口６１４及び未処理水排出口６１６は、ハウジング本体６１１の外周面６１１ｄにおける１８０°離れた位置に配置されるとともに、ハウジング６１０の長さ方向の相反する方向に離れて配置されている。より具体的には、水導入口６１４は、ハウジング６１０の蓋部６１２に近接して配置されている。未処理水排出口６１６は、水導入口６１４に対して１８０°離れた配置において、ハウジング本体６１１の底部６１１ｃに近接して配置されている。

本実施形態に示すハウジング６１０において、水素取出口６１５は、ハウジング６１０の蓋部６１２の中央に配置されている。

本実施形態のＨ_２精製装置６０において、水素精製機能部６２０は、中心部に水素分離膜６２５を有する。水素分離膜６２５は、内側にハウジング６１０内の全長に亘って水素流路６２６が形成されるように、円筒状に設けられ、ハウジング６１０内の全長に亘って配置されている。水素分離膜６２５の蓋部６１２側の端面６２５ａは、蓋部６１２に設けられる水素取出口６１５よりも外周側に配置される。

カソード電極６２２は、水素分離膜６２５の外周側において、ハウジング６１０内の全長に亘って同軸状に配置される。このカソード電極６２２は、多孔質金属、メッシュ状金属からなる円筒状の電極により構成される。しかし、カソード電極６２２は、複数の棒状電極又は板状電極を、水素分離膜６２５の周方向に沿って、電気分解された水素が通過するに十分な間隔をおいて平行に配置することによって構成されてもよい。

電解触媒６２４は、カソード電極６２２の外周側において、ハウジング６１０内の全長に亘って同軸状に配置される。

アノード電極６２１は、電解触媒６２４の外周側において、ハウジング６１０内の全長に亘って同軸状に配置される。このアノード電極６２１は、多孔質金属、メッシュ状金属からなる円筒状の電極により構成される。しかし、アノード電極６２１は、複数の棒状電極又は板状電極を、電解触媒６２４の周方向に沿って、水導入口６１４から導入される水及び未処理水排出口６１６から排出される水が通過するに十分な間隔をおいて平行に配置することによって構成されてもよい。

第２実施形態のＨ_２精製装置６０も、第１実施形態のＨ_２精製装置６０と同様に、インフラ設備に依存せず、環境負荷を与えることなく、車両上で水素を簡単に精製して取り出すことのできる車載用水素精製装置を提供することができる等の同様の効果を奏することができる。

しかも、第２実施形態のＨ_２精製装置６０によれば、水素精製機能部６２０における水素分離膜６２５の外周にカソード電極６２２が配置され、カソード電極６２２の外周に電解触媒６２４が配置され、電解触媒６２４の外周にアノード電極６２１が配置され、水導入口６１４及び未処理水排出口６１６は、ハウジング６１０の外周面６１１ｄにそれぞれ配置され、水素取出口６１５は、水素分離膜６２５の内側におけるハウジング６１０の長さ方向の一端に配置される。これによれば、ハウジング６１０の蓋部６１２を取り外すことによって、水素精製機能部６２０を容易に取り出して交換等をすることができる。例えば、車両Ｖのオイル交換時等において、Ｈ_２精製装置６０からカートリッジ状の水素精製機能部６２０を容易に取り出すことができる。そのため、第２実施形態のＨ_２精製装置６０によれば、使用による触媒劣化、使用される水質の差等の状況に応じて、水素精製機能部６２０の変更や交換等の対応が容易に可能である。この場合は、必要に応じて、水素分離膜６２５をハウジング６１０内に温存したまま、電解触媒６２４、アノード電極６２１及びカソード電極６２２のみを取り出すこともできるため、交換時のコスト削減を図ることも可能である。

第２実施形態のＨ_２精製装置６０においても、カソード電極６２２は、水素分離膜６２５の外周側に配置されるが、カソード電極６２２は、水素分離膜６２５の内周側に配置されてもよい。これによれば、水素分離膜６２５の有効面積をより大きくすることができる。カソード電極６２２と水素分離膜６２５の配置は、使用する電解触媒６２４の種類や水素分離膜６２５の性能に応じて適宜選択することができる。

第１実施形態及び第２実施形態のＨ_２精製装置６０において、水導入口６１４と未処理水排出口６１６とは、水導入口６１４の開口面積＞未処理水排出口６１６の開口面積となるように設定されてもよい。これによれば、水導入口６１４に対して未処理水排出口６１６が絞られるため、ハウジング６１０内の水の圧力が上昇する。そのため、電解触媒６２４の内部に水が浸透し易くなり、電解触媒６２４に対する接触面積が増加する。したがって、水の電気分解量が増加する。さらに、ハウジング６１０内の水の圧力が上昇することによって、水素が水素分離膜６２５を透過するために必要な圧力が生成される、あるいは、水素が水素分離膜６２５を透過するために必要な圧力を補助することができる。その結果、Ｈ_２精製装置６０は、より効率的な水素精製を行うことができる。

第１実施形態及び第２実施形態のＨ_２精製装置６０において、水導入口６１４と未処理水排出口６１６とは、水導入口６１４の開口面積≦未処理水排出口６１６の開口面積となるように設定されてもよい。これによれば、水導入口６１４に対する未処理水排出口６１６の排出面積が同等以上になるため、Ｈ_２Ｏタンク６２に対する背圧損失が低減する。そのため、Ｈ_２Ｏ配管６３にポンプが設けられる場合は、そのポンプの仕事の損失を低減することができる。Ｈ_２Ｏタンク６２が、自身の内圧のみで水をＨ_２精製装置６０に供給する場合は、Ｈ_２Ｏタンク６２に対する背圧が下がることによって、Ｈ_２Ｏタンク６２内の水をより多く利用することができる。

第１実施形態及び第２実施形態のＨ_２精製装置６０は、水素供給装置６に複数設けられてもよい。具体的には、水素供給装置６は、複数のＨ_２精製装置６０を並列に配置し、Ｈ_２Ｏタンク６２から導入される水を並列に処理して水素を精製するように構成されてもよい。

Ｖ車両
６０Ｈ_２精製装置
６１０ハウジング
６１１ｄ外周面
６１４水導入口
６１５水素取出口
６１６未処理水排出口
６２０水素精製機能部
６２１アノード電極
６２２カソード電極
６２４電解触媒
６２５水素分離膜

Claims

車両上で水を電気分解することによって水素を精製する車載用水素精製装置であって、
水導入口と、水素取出口と、未処理水排出口と、を有する筒状のハウジングと、
前記ハウジング内に収容される水素精製機能部と、を備え、
前記水素精製機能部は、
円筒状に形成された前記水素分離膜の外周に、前記カソード電極が同軸状に配置され、
前記カソード電極の外周に、前記電解触媒が同軸状に配置され、
前記電解触媒の外周に、前記アノード電極が同軸状に配置され、
前記水導入口及び前記未処理水排出口は、前記ハウジングの外周面にそれぞれ配置され、
前記水素取出口は、前記水素分離膜の内側における前記ハウジングの長さ方向の一端に配置される、車載用水素精製装置。
前記水導入口の開口面積＞前記未処理水排出口の開口面積である、請求項１に記載の車載用水素精製装置。
前記水導入口の開口面積≦前記未処理水排出口の開口面積である、請求項１に記載の車載用水素精製装置。