JPH11176462A

JPH11176462A - ピークカット型燃料電池システム

Info

Publication number: JPH11176462A
Application number: JP9362539A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Omura; 俊哉大村; Shinji Otsuka; 真志大塚
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1997-12-11
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】水素吸蔵合金の特性を利用した高純度水素の製
造装置を得るとともに、原料ガスとして炭化水素ガスの
改質ガスを利用することにより、該改質器を昼夜を問わ
ず常時連続運転しながら、別途設備を必要とせずに例え
ばＤＳＳ運転ができ、また関連流体の熱や冷熱を有効に
利用できるなど効率的な優れた燃料電池システムを得
る。【解決手段】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、得
られる改質ガスを少なくとも２基以上の水素吸蔵合金充
填容器に交互に通して水素を分離精製且つ吸蔵させるよ
うにしてなる水素製造装置、及び炭化水素ガスの改質器
を連続運転させ、得られる改質ガスを少なくとも２基以
上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精製且つ
吸蔵させ、該吸蔵水素を燃料電池の燃料極に供給するよ
うにしてなる燃料電池システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素ガスを改
質して水素を製造するに際し、該改質ガスから水素を分
離して精製するようにしてなる水素製造装置及び該精製
水素ガスを利用する燃料電池システムに関し、より具体
的には、天然ガスや都市ガス等の炭化水素ガスを改質し
て水素を製造するに際して、該改質ガス中の水素を水素
吸蔵合金により分離精製且つ貯蔵するようにしてなる水
素製造装置及び該精製水素ガスを利用する燃料電池シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】水素ガスは不飽和結合への水素添加用、
酸水素炎用その他各種用途に供される基礎原料であり、
その工業的製造方法としては水の電解、石炭やコークス
のガス化、液体燃料のガス化、ガス体燃料の変成、コー
クス炉ガスの液化分離、メタノールやアンモニアの分解
など各種の方法が知られている。これらのうち、ガス体
燃料の変成法の一種としてのメタンを主成分とする天然
ガスや都市ガス等を原料とする水蒸気改質システムは、
比較的豊富でクリーンなガスを原料とするものであるた
め燃料電池用の水素ガス燃料を得る手法として特に注目
される。

【０００３】図１は、従来における水蒸気改質システム
の一例を模式的に示す図である。原料ガスがメルカプタ
ンその他の形で硫黄（Ｓ）分を含む都市ガス等の場合に
は、原料ガスは脱硫器へ導入される。ここでその原料ガ
ス中に含まれる硫黄分を除去した後、水蒸気発生器から
の水蒸気を添加、混合して改質器へ導入されて水素を主
成分とするガスへ改質される。なお、原料ガスが硫黄分
を含まないか、既に除去されている場合には脱硫器は必
要としない。

【０００４】改質器においては、Ｎｉ系、Ｒｕ系等の適
当な触媒が使用され、接触反応により改質される。原料
ガスがＣＨ₄ を主成分とするものである場合の改質反応
は次の反応式（１）で示すことができる。ところが、反
応式（１）による反応では、生成改質ガス中に未反応水
蒸気やＣＯ₂ のほかに幾分のＣＯガスが副成、随伴して
含まれており、このため改質器からの生成ガスは、この
副成ＣＯガスをＣＯ₂へ変えて除去するためにＣＯ変成
器にかけられる。

【化１】ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ （１）

【０００５】変成器中での反応は下記（２）式で示され
る。この反応におけるＨ₂Ｏとしては改質器において未
反応の残留水蒸気が利用される。ＣＯ変成器から出るガ
スは余剰水蒸気を除けば、水素（Ｈ₂ ）と炭酸ガス（Ｃ
Ｏ₂ ）とからなっており、この水素（Ｈ₂ ）が目的とす
るガス成分であるが、上記式（１）から明らかなとお
り、その生成ガス中の水素含量は８０モル％に近い。

【化２】ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ＝ＣＯ₂ ＋Ｈ₂ （２）

【０００６】改質器には各種のタイプがあるが、図２
（ａ）はその一態様例を縦断面図として示す図である。
筒状容器１中に内外二重管２が配置され、その内管には
加熱用バーナ３が臨ませてある。導管４から導入される
燃料ガスは導管５から導入される燃焼用空気によりバー
ナ３で燃焼され、発生熱が原料ガスの改質用として利用
された後、導管６から排出される。一方、導管７から導
入されるメタン等を主成分とする原料ガスは第１触媒層
８及び第２触媒層９を通して水素を主成分とするガスに
改質され、改質ガスは導管１０から排出される。

【０００７】図２（ａ）中二系統の矢印は、それぞれ加
熱ガス及び原料ガス（改質ガスとなる）の流れを示して
いる。導管６から排出される燃焼排ガスは、改質器自体
の構造、規模、操作条件等の如何にもよるが、例えば４
００〜７００℃という温度で排出され、改質器に図１の
ように低温ＣＯ変成器を付設する場合には、その出口か
ら２００〜３００℃程度の温度で排出される。図２
（ｂ）はこの種の改質器を模式的に示したもので、概
略、加熱部と改質部に分けることができる。加熱部から
の熱（ΔＨ）が改質部に供給される。図２（ｂ）中Ｆは
バーナへの燃料ガス導管、Ｋはバーナ燃焼用空気導管で
あり、以降この符号を用いている。

【０００８】ところで、燃料電池はイオン伝導体すなわ
ち電解質に利用される物質の違いによりリン酸型（ＰＡ
ＦＣ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩型、固
体電解質型等に分類される。このうち、例えばＰＡＦＣ
は電解質がリン酸である点に特徴を有するもので、電解
質は例えば多孔質基材に濃厚リン酸水溶液を含浸させて
構成される。濃厚リン酸水溶液を含浸させた多孔質基材
を挟んで負極（アノード＝燃料極）及び正極（カソード
＝酸素極又は空気極）の両電極を配置し、負極側に燃料
としての水素ガスを供給し、正極側に酸素又は空気を供
給して電気化学反応を起こさせることにより電力を取り
出すことができる。

【０００９】図３は燃料電池のうちリン酸型燃料電池
（ＰＡＦＣ）の一態様例を原理的に説明するための図で
ある。図３のとおりリン酸を含浸させた電解質を挟んで
燃料極及び空気極（酸化剤として酸素が用いられる場合
は酸素極）が配置され、これらを挟んでセパレータが配
置される。電池としての作動時に熱を発生するが、電池
を例えば２００℃というような一定作動温度に保持する
ために冷却管が配置される。図示のように電解質が１個
の場合（単電池）の電圧は例えば０．６５〜０．７５Ｖ
程度と云うように低いため、通常、単電池を直列に積層
して構成される。これらの点は以下に述べるＰＥＦＣの
場合についても同様である。

【００１０】図４は固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）
の一態様例を説明するための概略図である。パッキン等
を含め幾分詳しく図示しているが、電解質の種類が違う
点を除けば原理的にはＰＡＦＣの場合と同様である。図
４中１１は高分子電解質膜、１２はカソード電極（正極
＝酸素極又は空気極）、１３はアノード電極（負極＝燃
料極）であり、高分子電解質膜１１は相対するこの正負
両電極１２、１３間に当接して配置されている。また１
４はカソード電極側集電体、１５はアノード電極側集電
体であり、それぞれ正負の電極１２及び１３に当接され
ている。

【００１１】カソード電極側集電体１４の電極１２側に
は酸素又は空気供給用の溝が設けられ、同じくアノード
電極側集電体１５の電極１３側には燃料（通常は水素）
供給用の溝が設けられ、正極側集電体１４の溝は酸素又
は空気供給管１６に、負極側集電体１５の溝は燃料（通
常は水素）供給管１７に連通している。また、１８は正
極側集電体１４に当接して設けられたカソード端子板、
１９は負極側集電体１５に当接して設けられたアノード
端子板であり、電池の作動中にこれら端子板を通して電
力が取り出される。

【００１２】２０は上部枠体、２１は下部枠体であり、
これら上下両枠体２０、２１により高分子電解質膜１１
からカソード端子板１８及びアノード端子板１９までの
電池本体を被って固定されている。これら上下両枠体２
０、２１間には、高分子電解質膜１１からカソード端子
板１８及びアノード端子板１９までの電池本体の周縁部
を囲ってパッキン２２が設けられ、これによってその電
池本体の周縁部を密に固定してシールし、特に高分子電
解質膜１１及び正負両電極１２、１３に対してガスシー
ルされている。

【００１３】符号２３及び２４は冷却水供給管であり、
これらはそれぞれ上部枠体２０及び下部枠体２１の内面
に設けられた溝（閉じた通路）に連通し、その冷却水に
よりカソード端子板１８の背面及びアノード端子板１９
の背面から間接的に冷却し、電池を例えば１００℃とい
うような作動温度に保持するようになっている。以上
は、電池本体が単一の場合であるが、この電池本体を二
つ以上積み重ねても構成されるが、基本的には以上の単
一の電池本体の場合と同様である。

【００１４】図５は以上のような燃料電池において、前
述図１〜図２に示すような改質器を中心とした改質シス
テムから得られる水素を燃料として用いて燃料電池を作
動させる場合に考えられる態様例を示す図である。まず
図５（ａ）のように、改質器からの改質ガスをそのまま
燃料電池に供給することが考えられる。ところがこの場
合には、改質器からの改質ガスの水素分圧が低いために
電池の電圧が下がり、発電効率も下がる。この欠点を回
避し、発電効率を上げるためには、例えば水素分圧を上
げて、電池電圧を上げるための手段が別途必要となる。

【００１５】上記の点に加えて、改質器から得られる水
素を主成分とする改質ガスには副成成分としてＣＯやＣ
Ｏ₂、また余剰Ｈ₂Ｏが含まれており、改質ガスをそのま
ま使用したのでは電池性能を阻害してしまう。例えばＰ
ＡＦＣでの水素ガス中のＣＯは１％、ＰＥＦＣでは１０
０ｐｐｍが限度であり、これらを越えると電池性能が著
しく劣化する。このため、これら成分は燃料電池へ導入
する前に除去する必要がある。図５（ｂ）はその精製の
ための手段を設けた態様例を示す図である。その精製法
としては各種あり得るが、その例としてはＰＳＡ（Ｐｒ
ｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）法、
高分子膜法、或いはＰｄ膜法などが考えられる。

【００１６】このうち、ＰＳＡ法の場合には、高純度の
水素を得ることはできるが、装置としての設置スペース
が大きく、また作動圧力も数ｋＧ〜５０ｋＧと云うよう
な圧力を必要とすることなどからコスト高となってしま
う。また高分子膜法では、この方法による１回の精製で
は９０％程度の水素濃度にしかならず、作動圧力として
数ｋＧ〜１５０ｋＧと云うような圧力を要するだけでな
く、分離後の水素圧力が低下し、また使用膜に寿命があ
る。さらにＰｄ膜法では、用いる分離膜自体高価である
ばかりでなく、作動温度として３００〜５００℃と云う
ような高温を必要とするなどの諸問題点がある。このた
めこれらの方法は直ちに適用することはできない。しか
もこれらの方法は、ただ水素の精製のみを行い得るもの
で、需要に応じて所定必要量を供給する貯蔵機能は有し
ていない。そしてこの点は改質器についても同じであ
る。

【００１７】図５（ｃ）は、図５（ｂ）のように精製手
段（Ｈ₂ 精製器）を設けるとともにＨ₂ 貯蔵設備を設け
た態様例を示す図である。すなわち改質器における水素
供給能力と燃料電池における水素使用量とにはギャップ
がある（例えば、改質器を連続運転し、燃料電池は運
転と停止が交互に行われる、燃料電池の運転時の負荷
が急激にアップする等）。このため図５（ｃ）のように
Ｈ₂ 精製器に続きＨ₂貯蔵器を介在させることが考えら
れ、その貯蔵方法としては高圧タンクによる貯蔵や水素
吸蔵合金による貯蔵が考えられる。ところがこの場合に
は、精製システムのほかに別途貯蔵設備が必要となり、
このため燃料電池システムが大型化し、ひいてはコスト
アップにつながってしまう。

【００１８】さらに図５（ｄ）に示す態様は、図５
（ｂ）又は図５（ｃ）の態様の変形態様である。水素を
Ｈ₂ 精製器から直かに燃料電池に供給するのに加え、Ｈ
₂ 精製器に続けてＨ₂ 貯蔵器を介在させ、これにより改
質器における水素供給能力と燃料電池における水素使用
量とのギャップを補うことができる。ところがこの場合
にも、精製システムのほかに別途貯蔵設備が必要とな
る。このため、図５（ｃ）の場合と同じく燃料電池シス
テムが大型化し、コストアップにつながる点では変わり
はない。

【００１９】これら図５（ａ）〜（ｄ）は何れも所定の
設備がからむ態様であるが、燃料電池は電力が必要な時
に（１日のうちでも例えば昼間等の所定期間に）作動さ
れ、他方、改質器はその起動時、停止時に必然的にエネ
ルギーロスを伴うため、昼夜を問わず常時運転するのが
望ましい。このため、それらの運転法としてＤＳＳ（Ｄ
ａｉｌｙＳｔａｒｔＳｔｏｐ）による運転法が考え
られる。ところが、ＤＳＳ運転を図５（ａ）〜（ｂ）の
態様のように貯蔵システムなしで行うと、高温の改質器
の起動及び停止が必要であり、その起動、停止の繰り返
しにより装置寿命が低下するばかりでなく、別途起動燃
料を消費することなどにより、ランニングメリットが低
下してしまうという問題がある。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】改質器からの水素を主
成分とする改質ガスの生成、その精製、またこうして得
られる精製水素を用いる燃料電池システムについて考え
られる概略以上の手法においては、所要設備や運転法と
燃料電池における操作要件との間にギャップがあり、そ
れらを整合させることはなかなか困難である。また、そ
れらのための設備費やランニングコスト上も問題があ
る。

【００２１】そこで本発明においては、水素吸蔵合金
（ＨＳＡ）の特性、特にこれが水素の吸蔵機能のみでな
く、炭化水素ガスの改質器で生成される改質ガスの水素
精製機能を有する点に着目し、これを利用した水素製造
装置を提供するとともに、この特性を効率的に利用して
なる燃料電池システムを提供することを目的とする。ま
た、本発明においては、改質器について昼夜を問わず連
続運転を行いながら、燃料電池については例えばＤＳＳ
運転ができるようにしてなる燃料電池システムを提供す
ることを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は（１）水素を主
成分とする水素含有ガスをＨＳＡ充填容器に通して水素
を分離精製且つ吸蔵するようにしてなることを特徴とす
る水素製造装置を提供し、また本発明は（２）炭化水素
ガスの改質器で生成された水素を主成分とする改質ガス
をＨＳＡ充填容器に通して水素を分離精製且つ吸蔵する
ようにしてなることを特徴とする水素製造装置を提供す
る。

【００２３】本発明は（３）炭化水素ガスの改質器を連
続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質ガ
スを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通し
て水素を分離精製且つ吸蔵させ、貯蔵するようにしてな
ることを特徴とする水素製造装置を提供し、また本発明
は（４）炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生成さ
れた水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも２基
以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精製且
つ吸蔵させ、その際生じるオフガスを改質器燃焼部の燃
料として利用するようにしてなることを特徴とする水素
製造装置を提供する。

【００２４】本発明は（５）炭化水素ガスの改質器を連
続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質ガ
スを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通し
て水素を分離精製且つ吸蔵させ、その際生じるオフガス
を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用した後、改質器燃
焼部の燃料として利用するようにしてなることを特徴と
する水素製造装置を提供し、また本発明は（６）炭化水
素ガスの改質器を連続運転させ、生成された水素ガスを
主成分とする改質ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充
填容器に交互に通して水素を分離精製且つ吸蔵させ、そ
の際改質器改質部へ供給する炭化水素ガスを該分離精製
且つ吸蔵用の冷却に利用するようにしてなることを特徴
とする水素製造装置を提供する。

【００２５】本発明は（７）炭化水素ガスの改質器を連
続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質ガ
スを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通し
て水素を分離精製且つ吸蔵させ、その際改質器燃焼部へ
供給する空気を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用する
ようにしてなることを特徴とする水素製造装置を提供
し、また本発明は（８）炭化水素ガスの改質器を連続運
転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを
少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水
素を分離精製且つ吸蔵させるとともに、改質器燃焼部か
らの排ガスを既に水素を吸蔵したＨＳＡ充填容器からの
水素放出用に利用するようにしてなることを特徴とする
水素製造装置を提供する。

【００２６】また、本発明は（９）炭化水素ガスの改質
器を連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする
改質ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互
に通して水素を分離精製且つ吸蔵させるとともに、該改
質ガスの一部を既に水素を吸蔵したＨＳＡ充填容器から
の水素放出用に利用するようにしてなることを特徴とす
る水素製造装置を提供する。

【００２７】本発明は（１０）炭化水素ガスの改質器で
生成された水素を主成分とする改質ガスをＨＳＡ充填容
器に通して水素を分離精製且つ吸蔵させ、該吸蔵水素を
放出させて燃料電池の燃料極に供給するようにしてなる
ことを特徴とする燃料電池システムを提供し、また本発
明は（１１）炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させ、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃
料極に供給するようにしてなることを特徴とする燃料電
池システムを提供する。

【００２８】本発明は、（１２）炭化水素ガスの改質器
を連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改
質ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に
通して水素を分離精製且つ吸蔵させ、その際生じるオフ
ガスを改質器燃焼部の燃料として利用するようにし、該
吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給するよう
にしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供
し、また、本発明は（１３）炭化水素ガスの改質器を連
続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質ガ
スを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通し
て水素を分離精製且つ吸蔵させ、その際生じるオフガス
を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用した後改質器燃焼
部の燃料として利用するようにし、該吸蔵水素を放出さ
せて燃料電池の燃料極に供給するようにしてなることを
特徴とする燃料電池システムを提供する。

【００２９】本発明は（１４）炭化水素ガスの改質器を
連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質
ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通
して水素を分離精製且つ吸蔵させ、その際改質器改質部
へ供給する炭化水素ガスを該分離精製且つ吸蔵用の冷却
に利用するとともに、該吸蔵水素を放出させて燃料電池
の燃料極に供給するようにしてなることを特徴とする燃
料電池システムを提供し、また本発明は（１５）炭化水
素ガスの改質器を連続運転させ、生成された水素ガスを
主成分とする改質ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充
填容器に交互に通して水素を分離精製且つ吸蔵させ、そ
の際改質器燃焼部へ供給する空気を該分離精製且つ吸蔵
用の冷却に利用するとともに、該吸蔵水素を放出させて
燃料電池の燃料極に供給するようにしてなることを特徴
とする燃料電池システムを提供する。

【００３０】本発明は（１６）炭化水素ガスの改質器を
連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質
ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通
して水素を分離精製且つ吸蔵させ、その際改質器燃焼部
へ供給する空気を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用す
るようにし、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極
に供給し、その際改質器燃焼部からの排ガスをＨＳＡ充
填容器からの水素放出用に利用するようにしてなること
を特徴とする燃料電池システムを提供する。

【００３１】本発明は（１７）炭化水素ガスの改質器を
連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質
ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通
して水素を分離精製且つ吸蔵させ、その際改質器燃焼部
へ供給する空気を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用す
るとともに、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極
に供給し、その際該改質ガスの一部をＨＳＡ充填容器か
らの水素放出用に利用するようにしてなることを特徴と
する燃料電池システムを提供する。

【００３２】本発明は（１８）炭化水素ガスの改質器を
連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質
ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通
して水素を分離精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵水
素を放出させて燃料電池の燃料極に供給し、その際燃料
電池冷却水をＨＳＡ充填容器からの水素放出用に利用す
るようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを
提供する。

【００３３】本発明は（１９）炭化水素ガスの改質器を
連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質
ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通
して水素を分離精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵水
素を放出させて燃料電池の燃料極に供給し、その際燃料
電池の冷却水をＨＳＡ充填容器からの水素放出用に利用
した後、水素を分離精製且つ吸蔵中のＨＳＡ充填容器に
通してその冷却用に利用するようにしてなることを特徴
とする燃料電池システムを提供する。

【００３４】本発明は、（２０）炭化水素ガスの改質器
を連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改
質ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に
通して水素を分離精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵
水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給し、その際燃
料電池の冷却水をＨＳＡ充填容器からの水素放出用に利
用し、さらに燃料電池冷却水との間に熱交換器を介した
２次冷却水の回路を設け、該２次冷却水を水素を分離精
製且つ吸蔵中のＨＳＡ充填容器に通してその冷却用に利
用するようにしてなることを特徴とする燃料電池システ
ムを提供する。

【００３５】本発明は（２１）炭化水素ガスの改質器を
連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質
ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通
して水素を分離精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵水
素を放出させて燃料電池の燃料極に供給し、その際燃料
電池の空気極に供給する空気を、水素を分離精製且つ吸
蔵中のＨＳＡ充填容器に通してその冷却に利用し、さら
に該空気極から排出される空気を水素放出中のＨＳＡ充
填容器に通してその加熱に利用するようにしてなること
を特徴とする燃料電池システムを提供する。

【００３６】本発明は（２２）炭化水素ガスの改質器を
連続運転させ、生成された水素ガスを主成分とする改質
ガスを少なくとも２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通
して水素を分離精製且つ吸蔵させるとともに、それらＨ
ＳＡ充填容器に連結して水素貯蔵用ＨＳＡ充填容器を設
け、該水素貯蔵用ＨＳＡ充填容器中の水素を放出させて
燃料電池の燃料極に供給するようにしてなることを特徴
とする燃料電池システムを提供する。

【００３７】さらに本発明は（２３）、以上（１０）〜
（２２）の各燃料電池システムの２種以上を組み合わせ
てなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
また以上（２）〜（２３）の発明における炭化水素ガス
としては好ましくは天然ガス又は都市ガスが用いられ
る。

【００３８】

【発明の実施の形態】水素吸蔵合金には各種のものがあ
るが、本発明における水素吸蔵合金（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ
ＳｔｏｒａｇｅＡｌｌｏｙ、本明細書及び図面中適
宜「ＨＳＡ」と略称している）としては水素含有ガスか
ら水素を選択的に吸蔵し、水素以外のガスは実質上吸蔵
しない水素吸蔵合金であれば何れも使用される。これに
よって水素含有ガスから水素を分離精製且つ吸蔵し、ま
た貯蔵する。貯蔵された水素は加熱することにより放出
される。

【００３９】本発明における水素吸蔵合金（ＨＳＡ）と
してはこれらの特性を有するものであれば特に限定はな
く何れも使用されるが、その幾つかの例としては、例え
ばＴｉＦｅ_0.9Ｍｎ_0.1、Ｍｇ₂Ｎｉ、ＣａＮｉＳ、Ｌａ
Ｎｉ₅、ＬａＡｌ_4.7Ｎｉ_0.3、ＭｍＮｉ_4.5Ａｌ_0.5（Ｍ
ｍ＝ミッシュメタル）、ＭｍＮｉ_4.15Ｆｅ_0.85（Ｍｍ＝
ミッシュメタル）等を挙げることができる。

【００４０】本発明において水素を分離精製且つ吸蔵
し、また水素を分離精製且つ吸蔵して貯蔵する水素含有
ガスとしては水の電解、石炭やコークスのガス化、液体
燃料のガス化、ガス体燃料の変成、コークス炉ガスの液
化分離、メタノールやアンモニアの分解など各種の方法
で得られる水素を主成分とするガスが対象とされる。こ
のうち分離精製且つ吸蔵した水素、また分離精製且つ吸
蔵して貯蔵した水素を燃料電池システム用として用いる
場合には、対象ガスとして容易に入手でき安価でクリー
ンであることなどから、天然ガスや都市ガス等の炭化水
素ガスを改質して得られた水素を主成分とする改質ガス
が特に有利に使用される。

【００４１】本発明における水素の分離精製且つ吸蔵
は、原料水素ガス（原料ガス、改質ガス）をＨＳＡを充
填した容器（本明細書及び図面中適宜「ＨＳＡ充填容
器」と指称する）に通すことにより行われる。これには
バッチ式と通気式の２種の態様がある。まずバッチ式の
場合は、ＨＳＡ充填容器の出口を閉すなわち行き止まり
にして、原料ガスを連続的に吸蔵させる。この時、ＨＳ
Ａに水素が選択的に吸蔵され、分離精製されるが、水素
以外のガスは容器の空間に滞留する。このためＨＳＡ充
填容器には水素以外のガスを収容するための所定の空間
が必要である。

【００４２】図６は上記バッチ式の態様例を模式的に示
す図であり、図６（ａ）は吸蔵時の状態を示し、図６
（ｂ）は放出時の状態を示している。容器の空間に滞留
した水素以外のガスはＨＳＡ充填容器からのガス放出時
の初期の段階で排出され、排出ガスはやがて水素１００
％のガスとなるが、本発明においてはガス放出時初期の
該ガス（オフガス）を有効に利用する。

【００４３】次に、通気式の場合は、ＨＳＡ充填容器に
改質ガスを単純に流通させ、容器から出てきたガスをオ
フガスとして利用する。この時、水素回収率が例えば８
０％程度になるようにＨＳＡの充填量を決定する。図６
（ｃ）は流通式の場合を模式的に示した図で、オフガス
は水素の分離精製且つ吸蔵時に常時排出される。図７は
通気式の場合について、水素の分離精製且つ吸蔵時の操
作態様例である。ここでは管内充填式の場合を示し、図
７中、２５がＨＳＡ（水素吸蔵合金）である。２６は冷
却用熱媒体の導入管、２７はその導出管であり、２８は
水素含有ガス（例えば改質ガス）の導入管、２９は導出
管である。

【００４４】改質器で生成される改質ガスから水素を分
離精製・吸蔵する時には、導入管２６から冷却用熱媒体
（例えば冷却水）が導入され、水素の分離精製・吸蔵時
の発熱を除去し、水素の分離精製・吸蔵に最適な温度に
保ち、導出管２７から排出される。一方、改質ガスは導
入管２８を経て導入され、容器内に充填されたＨＳＡに
より水素のみが選択的に吸蔵されて精製され、純粋な水
素又はほぼ純粋な水素として吸蔵される。

【００４５】この時水素以外の成分はＨＳＡに吸蔵され
ずにオフガスとして導管２９から順次排出される。この
ように本発明においては、改質ガスの精製と貯蔵が１つ
の設備であるＨＳＡ充填容器で行えるため、システムの
小型化、コストダウンを図ることができる。導出管２９
から排出されるオフガスは改質器の燃焼部へ送られ燃料
として利用される。図７中３１はその循環用導管であ
り、これを経て燃料導管Ｆ又は空気導管Ｋに導入され
る。

【００４６】こうして分離精製され吸蔵された純粋な水
素又はほぼ純粋な水素は各種用途に使用される。これを
燃料電池の燃料として使用する時には導入管２６から加
熱用熱媒体を導入し、同時に弁３０を切り換えて導管３
２に通し、導管３２を経て燃料電池の燃料極に導入され
て電力に変えられる（なおこの場合にも、該加熱用熱媒
体導入後、初期の段階ではオフガスが排出されるので、
弁３０の切り換えは好ましくはオフガス排出後に行われ
る）。このように本発明においては、燃料電池に純粋な
水素又はほぼ純粋な水素を直かに供給することで電池電
圧が上昇し、発電効率を向上させることができる。な
お、以下では、オフガスに関してバッチ式の場合を中心
に記載しているが、通気式の場合についても同様であ
る。

【００４７】本発明におけるＨＳＡ充填容器としては、
図７のような管内充填式のほか、各種態様で構成するこ
とができる。図８はそのＨＳＡ充填容器の幾つかの例で
あるが、これらに限定されるものではない。図８（ａ）
は套内充填式、図８（ｂ）は内部熱交換器付、図８
（ｃ）は内部２回通過熱交換器付であり、各部分につい
て図７と共通する部分には同一の符号を用いている。こ
れらは竪型として示しているが、図７の場合のように横
型としても使用できることは勿論である。

【００４８】

【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく
説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないこと
は勿論である。

【００４９】《実施例１》図９は、２個のＨＳＡ充填容
器を用い、天然ガスや都市ガス等の炭化水素ガスの改質
器を常時連続運転しながら、水素（純水素又それに近い
水素）を断続的に使用する例を示している。本実施例で
のＨＳＡ充填容器はバッチ式で操作される場合について
示しているが、通気式の場合についても同様である。図
９中、Ａ及びＢはそれぞれＨＳＡ充填容器を示し、Ｓ、
Ｔは切換弁である。なお改質器に続きＣＯ変成器を用い
る場合もあるが（図１参照）、この態様の場合の記載は
省略している。

【００５０】図９のとおり、天然ガスや都市ガス等（硫
黄成分を含む都市ガスの場合には、必要に応じて適宜脱
硫して使用される）の原料ガスはＨＳＡ充填容器Ａで間
接熱交換し、改質ガスの精製・吸蔵中に発生する熱を吸
収した後（これを逆に云えばＨＳＡ充填容器Ａ内を冷却
した後）、改質用の水蒸気とともに改質器へ導入されて
水素を主成分とするガスに改質される。切換弁Ｓは改質
ガスがＨＳＡ充填容器Ａへ流れるようにセットされてい
る。改質ガスはＨＳＡ充填容器Ａへ通され、ここで水素
が分離精製され且つ吸蔵される。

【００５１】一方、ＨＳＡ充填容器Ｂからは、既に上記
のようにして分離精製且つ吸蔵された水素が放出され
る。このため切換弁ＴはＨＳＡ充填容器Ａからの流動が
閉止されるようセットされている。水素の放出には加熱
が必要であるが、本実施例では改質器燃焼部からの排ガ
スの熱を利用する。水素の放出に必要な排ガスの熱量に
は過不足があり得るが、必要に応じて他の加熱源により
補うようにしてもよく、この点他の実施例においても同
様である。

【００５２】該排ガスの温度は通常２００〜３００℃程
度であり、ＨＳＡ充填容器Ｂ中のＨＳＡに熱（ΔＨ）を
付与して吸蔵純水素を放出させ、自らは冷却されて排出
される。放出の初期段階で出るオフガスは改質器燃焼部
への燃料ガス又は燃焼用空気に混入される。なお、オフ
ガス導管にはそのための弁等が付設されるが、図９中そ
の記載は省略している。またオフガス導管は、例えば図
７中３１として示すように、ＨＳＡ充填容器Ｂからの導
管に連結してもよい。これらの点については以下の実施
例でも同様である。

【００５３】図１０は、図９の操作とは逆に、改質器か
らの改質ガスを一方のＨＳＡ充填容器Ｂに供給して水素
を分離精製且つ吸蔵させながら、他の一方のＨＳＡ充填
容器Ａから既に分離精製且つ吸蔵された水素を放出させ
る操作例である。配管等もこれに対応して予め配置され
ている。図９に対する図１０の関係は以下の場合の実施
例についても同様であるので、以下の実施例では記載を
省略している。

【００５４】図１０において、都市ガス等の原料ガスは
間接熱交換によりＨＳＡ充填容器Ｂ中を冷却した後、改
質器へ導入されて水素を主成分とするガスに改質され
る。この時切換弁Ｓは改質ガスがＨＳＡ充填容器Ｂへ流
れるようにセットされる。改質ガスはＨＳＡ充填容器Ｂ
へ通され、ここで水素が分離精製且つ吸蔵される。この
時オフガスすなわち水素以外の成分はＨＳＡ充填容器Ｂ
中の空間にたまるが、通気式の場合には順次排出されて
改質器の燃焼部に供給される。一方、ＨＳＡ充填容器Ａ
からは既に上記のようにして分離精製・吸蔵された水素
が放出されるが、放出の初期段階に出るオフガスは改質
器の燃焼部に供給される。

【００５５】《実施例２》図１１は改質器燃焼部へ供給
する空気を水素の分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用する
例である。空気はＨＳＡ充填容器Ａで水素の分離精製・
吸蔵中に発生する熱を吸収した後、改質器の燃焼部に供
給される。一方、ＨＳＡ充填容器Ｂからは純水素を放出
させて燃料電池用等に使用する。この時水素放出の初期
段階で出るオフガスは改質器燃焼部への燃料ガス又は燃
焼用空気に混入される。放出用の熱としては燃焼部から
の排ガスの熱を利用するが、他の熱源を利用してもよ
く、これら幾つかの熱源を併用してもよい。該排ガスは
作動条件等の如何にもよるが例えば２００℃というよう
な温度であるため、これを利用することによって温度制
御のためのヒータ電力等の補機電力が削減でき、ランニ
ングコストを削減することができる。

【００５６】《実施例３》図１２はＨＳＡ充填容器Ｂか
らのオフガスの熱をＨＳＡ充填容器Ｂの冷却用に使用す
る例である。ＨＳＡ充填容器Ｂ中の空間にはＨＳＡに吸
蔵されないＣＯ、水蒸気、ＣＯ₂ などを成分とするガス
（オフガス）が含まれているが、本実施例においては、
該オフガスをＨＳＡ充填容器Ａで水素の分離精製・吸蔵
中に発生する熱を吸収するのに利用した後、改質器の燃
焼部に供給する。この場合、ＨＳＡ充填容器Ｂからの水
素放出用の熱として燃焼部からの排ガスを利用すること
等にいては図９〜図１１の実施例の場合と同様である。

【００５７】《実施例４〜５》図１３〜図１４は改質器
からの改質ガスの熱をＨＳＡ充填容器Ｂからの水素放出
用に利用する例である。改質ガスをＨＳＡ充填容器Ａに
通して水素を分離精製・吸蔵しながら、改質ガスの一部
をＨＳＡ充填容器Ｂに循環導入し、その熱を間接熱交換
によりＨＳＡ充填容器Ｂ内のＨＳＡに与えることにより
水素を放出させる。図１３の例では、容器Ｂへの該循環
改質ガスはＨＳＡ充填容器Ａに導入される。この時、循
環改質ガス自体は熱を奪われて冷却されているので、そ
の分ＨＳＡ充填容器Ａにおける冷却用の冷熱を少なくす
ることができる。

【００５８】図１４の場合は、ＨＳＡ充填容器Ｂでの間
接熱交換後の循環改質ガスを同じＨＳＡ充填容器Ｂに導
入する例である。この場合には、改質ガスがＨＳＡ充填
容器Ｂから放出中の水素と混合されることになるため、
その分放出水素の純度が低下するので、そのような純度
低下が許容できる範囲で適用される。

【００５９】《実施例６》図１５は、２個のＨＳＡ充填
容器を用い、原料ガスの改質器を常時連続運転しなが
ら、精製水素を用いて燃料電池を断続的に（例えば昼間
に運転し夜間は停止するというように）使用する場合の
例である。なお、ＨＳＡ充填容器Ａでは改質ガス中の水
素が吸蔵且つ分離精製され、例えば通気式の場合、水素
以外の成分はオフガスとして排出され、例えば図６
（ｃ）〜図７のような態様で改質器の燃焼部へ供給され
るが、ここでは省略している。図１５中Ａ及びＢはそれ
ぞれＨＳＡ充填容器を示し、Ｓ及びＴは切換弁である。

【００６０】図１５（ａ）は改質器からの改質ガスを一
方のＨＳＡ充填容器Ａに供給して水素を分離精製且つ吸
蔵しながら、他の一方のＨＳＡ充填容器Ｂから予め分離
精製且つ貯蔵された水素を放出させ、燃料電池に供給し
て燃料電池を作動させる場合である。図１５（ｂ）は、
図１５（ａ）の場合とは逆に、改質器からの改質ガスを
一方のＨＳＡ充填容器Ｂに供給して水素を分離精製且つ
吸蔵させながら、他の一方のＨＳＡ充填容器Ａから水素
を放出させ、燃料電池に供給して燃料電池を作動させる
場合である。図１５（ａ）の状態から図１５（ｂ）の状
態への変換は弁Ｓ及びＴの切換え操作により行われる。

【００６１】図１５（ｃ）は例えば夜間等において燃料
電池の作動を停止した時の操作例である。改質器は昼夜
を問わず常時運転されており、ここからの改質ガスはＨ
ＳＡ充填容器Ａ及び／又はＢに導入され、水素が分離精
製且つ吸蔵される。なお燃料電池は夜間だけとは限ら
ず、例えば１昼夜或いはそれ以上というように停止され
る場合もあるが、この場合には吸蔵・分離精製のために
両ＨＳＡ充填容器の容量を大きくしておくこと、或いは
Ａ及びＢに加えて、更に１個又は２個以上のＨＳＡ充填
容器を並置しておくこと、その他適宜の手法で対応する
ことができる。

【００６２】《実施例７〜９》燃料電池はその作動時に
熱を発生するが、その装置構成材料の耐熱性や発電効率
の点等の諸条件から、ＰＡＦＣでは例えば２００℃前
後、ＰＥＦＣでは例えば１００℃前後というような所定
温度範囲に保持される。このためその作動時に熱媒体を
介して常時冷却する必要があり（図３〜図４参照）、冷
却方法には水冷式と空冷式とがあり、熱媒体としてはそ
れぞれ冷却水又は空気が用いられる。

【００６３】図１６〜図１８は本発明において燃料電池
冷却水を水素の放出用、さらには水素の分離精製且つ吸
蔵用に利用する実施例である。図１５（ａ）〜（ｂ）に
示すように、改質器からの改質ガスを一方のＨＳＡ充填
容器Ａに供給して水素を分離精製且つ吸蔵しながら、他
方のＨＳＡ充填容器Ｂからは予め貯蔵された水素を放出
させ、燃料電池に供給して燃料電池を作動させて発電す
る。この時電池冷却水は燃料電池を冷却することにより
自らは温められている。

【００６４】図１６のとおり、燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐ
ＥＦＣ等）からの電池冷却水はＨＳＡ充填容器Ｂに導か
れ、ここで間接熱交換によりＨＳＡ充填容器Ｂを加熱し
て水素を放出させる。この時冷却水自らは冷却される
が、必要に応じて例えば放熱器によりさらに冷却して
（ＨＳＡ充填容器Ｂで十分冷却されているときは、放熱
器を経ずに）燃料電池に循環される。この態様におい
て、ＨＳＡ充填容器Ａの冷却には、改質部へ導入される
原料ガス（都市ガス等）や燃焼部へ導入される空気、或
いはＨＳＡ充填容器Ｂで発生するオフガスの冷熱等が利
用される。図１６は一例として改質器燃焼部へ供給する
空気により冷却する場合を示している。

【００６５】図１７は、燃料電池からの電池冷却水をＨ
ＳＡ充填容器Ｂに導き、ここでの間接熱交換により該容
器Ｂ中のＨＳＡを加熱して純水素を放出させ、この冷却
水を必要に応じて放熱器等により冷却した後、さらにＨ
ＳＡ充填容器Ａに導入する。ここでの間接熱交換により
改質ガスからの水素の分離精製且つ吸蔵に必要な冷却を
行った後、燃料電池へと循環される。なお図１７中、配
管に併記している矢印（→）は冷却水の流れ方向を示
し、この点図１６及び図１８の場合も同じであるが、そ
のための駆動ポンプ等の記載は省略している。

【００６６】図１８は、電池冷却水に加え、２次冷却水
を利用する場合の例である。ＨＳＡ充填容器Ｂでの加熱
に電池冷却水を利用するのに加え、ＨＳＡ充填容器Ａの
冷却用には２次冷却水を循環して使用する例である。図
１８のとおり、電池冷却水はＨＳＡ充填容器Ａに循環さ
せることなく、２次冷却水との熱交換器を経て燃料電池
へ戻される。一方、２次冷却水は該熱交換器で冷却され
るのに続き、必要に応じて放熱器によりさらに冷却され
た後、ＨＳＡ充填容器Ａに循環され、ここで熱を吸収し
て再び該熱交換器へと循環する。これによりＨＳＡ充填
容器Ａ、Ｂ及び燃料電池における温度制御をより効率的
に行うことができる。

【００６７】このように、本発明においては、燃料電池
の冷却水を単にＨＳＡからの水素放出に利用するという
のではなく、炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させ、しかも蔵水素を放出させて燃料電池の
燃料極に供給する、その一環として燃料電池冷却水を利
用するものである。

【００６８】《実施例１０》図１９は本発明において燃
料電池の正極（空気極）に供給する空気を水素の分離精
製且つ吸蔵用に利用し、また水素の放出用に利用する例
である。本実施例では空気極供給用の空気をＨＳＡ充填
容器Ａに導入し、間接熱交換により改質ガスからの水素
の分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用し、ここで導入空気
自体は温められて燃料電池の空気極に供給される。図１
９には、ＰＥＦＣの場合における各部位における空気温
度の一例を併記しているが、例えば２０℃で供給される
空気はＨＳＡ充填容器Ａの冷却に寄与するとともに、自
らは４０℃に加温されているので、燃料電池における発
電効率を上げることができる。

【００６９】燃料電池、例えばＰＥＦＣでは一例として
８０〜１５０℃程度というような作動温度に保持される
ので、ここから排出される空気は加温されている（な
お、該空気は酸素が消費されているので窒素の比率が大
きくなっている）。そこで本発明においては、該排出空
気をＨＳＡ充填容器Ｂに導き、ここでの間接熱交換によ
り該容器Ｂ中のＨＳＡを加熱して水素を放出させるのに
利用する。

【００７０】《実施例１１》図２０はＨＳＡ充填容器Ａ
とＨＳＡ充填容器Ｂとを併置し、さらに水素の吸蔵と放
出用のＨＳＡ充填容器Ｃを設けた例である。例えば夜間
における燃料電池の停止時において、常時運転されてい
る改質器からの改質ガスをＨＳＡ充填容器Ａに供給して
水素を分離精製且つ吸蔵しながら、他の一方のＨＳＡ充
填容器Ｂから水素を放出させ、ＨＳＡ充填容器Ｃに吸蔵
させる。

【００７１】昼間における燃料電池の運転時において、
常時運転されている改質器からの改質ガスをＨＳＡ充填
容器Ａに供給して水素を分離精製且つ吸蔵しながら、Ｈ
ＳＡ充填容器Ｃから水素を放出させて燃料電池に供給す
る。この場合、ＨＳＡ充填容器Ｂから水素を放出させて
バイパス管を通して燃料電池に供給するようにしてもよ
く、ＨＳＡ充填容器ＣとＨＳＡ充填容器Ｂとの両者から
水素を同時に供給するようにしてもよい。一例として、
１日のうち１４時間だけ２０ｋＷ出力で発電する時、充
填容器Ａ、Ｂからの水素放出量を８．２９ｍ³／ｈ、Ｈ
ＳＡ充填容器Ｃの最大水素貯蔵量を例えば８２．９ｍ³
としておき、昼間及び夜間における該燃料電池の運転時
及び停止時に対応させることができる。

【００７２】以上、主として燃焼部へ導入する燃料、空
気、都市ガス等の原料ガス、ＨＳＡ充填容器からのオフ
ガス、燃料電池の冷却媒体、その空気極へ導入する空気
等の関連する流体の熱又は冷熱を各々利用する例を記載
したが、本発明においては、それら各流体に関する以上
のような利用手段を適宜有機的に組み合わせて利用され
る。これによって、それら流体の熱、冷熱を効率よく利
用し高効率の燃料電池システムが得られる。

【００７３】〈実験例〉本発明に関する各種実験を実施
したが、本実験例はその一例である。図２１は本実験例
で使用した装置構成である。ここでは２個のＨＳＡ充填
器を併置し、燃料電池としては概略図４に示すような固
体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）を使用した。また図２
１には、各箇所における流量等を併記している。

【００７４】図２１において、改質器に原料ガスとして
都市ガス（１３Ａ）２．５６ｍ³ Ｎ／ｈを連続して供給
するとともに、前記式（１）に相当する水蒸気を添加し
て改質した。なお都市ガス（１３Ａ）２．５６ｍ³ Ｎ／
ｈを電池出力に換算すると１２ｋＷ／ｈに相当してい
る。得られる改質ガスの流量はＨ₂ 換算で１０．３６ｍ
³ Ｎ／ｈであった。ＨＳＡ充填器ＡとＨＳＡ充填器Ｂに
おいて水素の分離精製・吸蔵と放出とを所定時間毎に交
互に切り換えて実施するようにした。この時の吸蔵方式
は流通式とし、流通した水素の８０％が吸蔵された。ま
た残りの２０％の水素は改質器の燃料として利用され
た。

【００７５】図２２にこれらの経時的経過（サイクル）
を示している。図２２のとおり、改質器を一定負荷で常
時連続的に運転し（すなわち一定負荷連続運転）、ＨＳ
Ａ充填器ＡとＨＳＡ充填器Ｂとを所定時間毎に切り換
え、改質ガスからの水素の分離精製・吸蔵と水素の放出
とを繰り返した。ここでＨＳＡ充填器Ａ及びＨＳＡ充填
器Ｂから排出されるオフガスは改質器の燃焼部へ導入し
た。

【００７６】図２３は、図２２に示す経時的経過（サイ
クル）に対応したガス流量及び発電電力の関係を示す図
である。図２３のとおり改質器への原料ガス（供給ガ
ス）はシステムの作動開始時以降常に一定である（２．
５６ｍ³ Ｎ／ｈ）。またＨＳＡ充填器Ａ及びＨＳＡ充填
器Ｂにはそれぞれ「水素の分離精製・吸蔵ー待機ー水素
の放出」のサイクルを行わせ、燃料電池については「１
４時間運転ー１０時間停止」のサイクルで操作し、これ
らの操作、運転を３日間継続して実施した。この結果、
高純度の水素が分離精製・吸蔵され、また放出された。
また燃料電池の運転、停止をきわめて順調に継続させる
ことができ、運転時においては予め得られた電池性能に
近い電力が得られた。

【００７７】

【発明の効果】本発明によれば、水素吸蔵合金が水素の
吸蔵機能のみでなく、水素含有ガスの分離精製機能を有
する特性を利用することにより、高純度の水素を有効に
製造し且つ貯蔵することができ、こうして得られる水素
を高純度が要求される燃料電池システムに有効に利用す
ることができる。また、水素含有ガスとして炭化水素ガ
スの水蒸気改質器で得られる改質ガスを利用することに
より、該改質器を昼夜を問わず常時連続運転しながら、
高純度の水素を製造且つ貯蔵することができ、これを燃
料電池に利用することにより、別途設備を必要とせずに
例えばＤＳＳ運転ができるなど各種優れた効果が得られ
る。

【００７８】さらに本発明によれば、該改質器の燃焼部
へ導入する燃料、空気、都市ガス等の原料ガス、ＨＳＡ
充填容器からのオフガス、燃料電池の冷却媒体、空気極
へ導入する空気等の関連する流体流を燃料電池システム
の中に有機的に組み込むことで、それら流体の熱又は冷
熱を効率よく利用することにより高効率の燃料電池シス
テムが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水蒸気改質システムの一例を模式的に示す図。

【図２】水蒸気改質器の態様例を縦断面図として示す
図。

【図３】燃料電池のうちリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）
の態様例を原理的に示す図（概略図）。

【図４】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の態様例を
示す図（概略図）。

【図５】改質器から得られる高純度水素を燃料として用
いて燃料電池を作動させる場合に考えられる態様例を示
す図。

【図６】ＨＳＡ充填容器の使用態様例を示す図。

【図７】ＨＳＡ充填容器及びその使用態様の一例を示す
図（通気式）。

【図８】ＨＳＡ充填容器の幾つかの例を示す図。

【図９】２個のＨＳＡ充填容器を用い、改質器を常時連
続運転しながら、純水素を断続的に使用する例を示す
図。

【図１０】２個のＨＳＡ充填容器を用い、改質器を常時
連続運転しながら、純水素を断続的に使用する例を示す
図（図９の操作を逆にした場合）。

【図１１】改質器からの改質ガスを一方のＨＳＡ充填容
器Ａに供給して水素を吸蔵し精製しながら、他の一方の
ＨＳＡ充填容器Ｂから放出させて使用する例を示す図。

【図１２】ＨＳＡ充填容器Ｂからのオフガスの冷熱をＨ
ＳＡ充填容器Ｂの冷却用に使用する例を示す図。

【図１３】改質器からの改質ガスの熱をＨＳＡ充填容器
Ｂからの水素放出用に利用する例を示す図。

【図１４】改質器からの改質ガスの熱をＨＳＡ充填容器
Ｂからの水素放出用に利用する他の例を示す図。

【図１５】２個のＨＳＡ充填容器を用い、改質器を常時
連続運転しながら、精製水素を用いて燃料電池を断続的
に使用する例を示す図。

【図１６】燃料電池の作動時の冷却水を利用する例を示
す図。

【図１７】燃料電池の作動時の冷却水を利用する他の例
を示す図。

【図１８】燃料電池の作動時の冷却水を利用する他の例
を示す図。

【図１９】燃料電池の空気極に供給する空気を水素の分
離精製且つ吸蔵用に利用し、また水素の放出用に利用す
る例を示す図。

【図２０】ＨＳＡ充填容器ＡとＨＳＡ充填容器Ｂとを併
置し、さらに水素の吸蔵と放出用のＨＳＡ充填容器Ｃを
設けた例を示す図。

【図２１】実験例で使用した装置構成を示す図。

【図２２】実験例における各操作の運転パターンを示す
図。

【図２３】実験例における各操作の経時的経過を示す
図。

【符号の説明】

１筒状容器２内外二重管３加熱用バーナ４〜７導管８第１触媒層９第２触媒層１０改質ガス導管Ｆバーナー燃料ガス導管Ｋバーナー燃焼用空気導管１１高分子電解質膜１２カソード電極（正極＝酸素極又は空気極）１３アノード電極（負極＝燃料極）１４カソード電極側集電体１５アノード電極側集電体１６酸素又は空気供給管１７燃料（通常は水素）供給管１８カソード端子板１９アノード端子板２０上部枠体２１下部枠体で２２パッキン２３、２４冷却水供給管２５ＨＳＡ（水素吸蔵合金）２６冷却用熱媒体の導入管２７導出管２８水素含有ガス（改質ガス）の導入管２９導出管３０切換弁３１循環用導管３２導出管Ｓ、Ｔ切換弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素を主成分とする水素含有ガスをＨＳＡ
充填容器に通して水素を分離精製且つ吸蔵するようにし
てなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】炭化水素ガスの改質器で生成された水素を
主成分とする改質ガスをＨＳＡ充填容器に通して水素を
分離精製且つ吸蔵するようにしてなることを特徴とする
水素製造装置。
【請求項３】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させ、貯蔵するようにしてなることを特徴と
する水素製造装置。
【請求項４】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させ、その際生じるオフガスを改質器燃焼部
の燃料として利用するようにしてなることを特徴とする
水素製造装置。
【請求項５】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させ、その際生じるオフガスを該分離精製且
つ吸蔵用の冷却に利用した後改質器燃焼部の燃料として
利用するようにしてなることを特徴とする水素製造装
置。
【請求項６】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させ、その際改質器改質部へ供給する炭化水
素ガスを該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用するように
してなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項７】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させ、その際改質器燃焼部へ供給する空気を
該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用するようにしてなる
ことを特徴とする水素製造装置。
【請求項８】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させるとともに、改質器燃焼部からの排ガス
を既に水素を吸蔵したＨＳＡ充填容器からの水素放出用
に利用するようにしてなることを特徴とする水素製造装
置。
【請求項９】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、生
成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくとも
２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離精
製且つ吸蔵させるとともに、該改質ガスの一部を既に水
素を吸蔵したＨＳＡ充填容器からの水素放出用に利用す
るようにしてなることを特徴とする水素製造装置。
【請求項１０】炭化水素ガスの改質器で生成された水素
を主成分とする改質ガスをＨＳＡ充填容器に通して水素
を分離精製且つ吸蔵させ、該吸蔵水素を放出させて燃料
電池の燃料極に供給するようにしてなることを特徴とす
る燃料電池システム。
【請求項１１】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させ、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の
燃料極に供給するようにしてなることを特徴とする燃料
電池システム。
【請求項１２】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させ、その際生じるオフガスを改質器燃焼
部の燃料として利用するようにし、該吸蔵水素を放出さ
せて燃料電池の燃料極に供給するようにしてなることを
特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させ、その際生じるオフガスを該分離精製
且つ吸蔵用の冷却に利用した後改質器燃焼部の燃料とし
て利用するとともに、該吸蔵水素を放出させて燃料電池
の燃料極に供給するようにしてなることを特徴とする燃
料電池システム。
【請求項１４】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させ、その際改質器改質部へ供給する炭化
水素ガスを該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用するとと
もに、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給
するようにしてなることを特徴とする燃料電池システ
ム。
【請求項１５】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させ、その際改質器燃焼部へ供給する空気
を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用するとともに、該
吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給するよう
にしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１６】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させ、その際改質器燃焼部へ供給する空気
を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用するとともに、該
吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給し、その
際改質器燃焼部からの排ガスをＨＳＡ充填容器からの水
素放出用に利用するようにしてなることを特徴とする燃
料電池システム。
【請求項１７】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させ、その際改質器燃焼部へ供給する空気
を該分離精製且つ吸蔵用の冷却に利用するとともに、該
吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給し、その
際該改質ガスの一部をＨＳＡ充填容器からの水素放出用
に利用するようにしてなることを特徴とする燃料電池シ
ステム。
【請求項１８】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵水素を放出させて
燃料電池の燃料極に供給し、その際燃料電池冷却水をＨ
ＳＡ充填容器からの水素放出用に利用するようにしてな
ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１９】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵水素を放出させて
燃料電池の燃料極に供給し、その際燃料電池の冷却水を
ＨＳＡ充填容器からの水素放出用に利用した後、水素を
分離精製且つ吸蔵中のＨＳＡ充填容器に通してその冷却
用に利用するようにしてなることを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項２０】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵水素を放出させて
燃料電池の燃料極に供給し、その際燃料電池の冷却水を
ＨＳＡ充填容器からの水素放出用に利用し、さらに燃料
電池冷却水との間に熱交換器を介した２次冷却水の回路
を設け、該２次冷却水を水素を分離精製且つ吸蔵中のＨ
ＳＡ充填容器に通してその冷却用に利用するようにして
なることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２１】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させるとともに、該吸蔵水素を放出させて
燃料電池の燃料極に供給し、その際燃料電池の空気極に
供給する空気を、水素を分離精製且つ吸蔵中のＨＳＡ充
填容器に通してその冷却に利用し、さらに該空気極から
排出される空気を水素放出中のＨＳＡ充填容器に通して
その加熱に利用するようにしてなることを特徴とする燃
料電池システム。
【請求項２２】炭化水素ガスの改質器を連続運転させ、
生成された水素ガスを主成分とする改質ガスを少なくと
も２基以上のＨＳＡ充填容器に交互に通して水素を分離
精製且つ吸蔵させるとともに、それらＨＳＡ充填容器に
連結して水素貯蔵用ＨＳＡ充填容器を設け、該水素貯蔵
用ＨＳＡ充填容器中の水素を放出させて燃料電池の燃料
極に供給するようにしてなることを特徴とする燃料電池
システム。
【請求項２３】請求項１０〜２２の各燃料電池システム
の２種以上を組み合わせてなることを特徴とする燃料電
池システム。
【請求項２４】上記炭化水素ガスが天然ガス又は都市ガ
スである請求項２〜２３の何れかに記載の燃料電池シス
テム。
【請求項２５】上記燃料電池がＰＡＦＣ又はＰＥＦＣで
ある請求項１０〜２４の何れかに記載の燃料電池システ
ム。