JP2000327306A

JP2000327306A - 高純度水素製造装置及び燃料電池システム

Info

Publication number: JP2000327306A
Application number: JP11144043A
Authority: JP
Inventors: Shinji Otsuka; 真志大塚
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1999-05-24
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】改質ガスを水素透過膜を用いて粗精製水素とし
た後、さらに精製し且つ吸蔵するようにしてなる高純度
水素の製造装置及び該高純度水素を燃料電池の燃料とし
て利用する燃料電池システムを得る。【解決手段】メンブレンリフォーマ又は高分子膜に通し
て得られた粗精製水素を少なくとも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高純度水素製造装置。該吸蔵水素を
放出させて燃料電池の燃料極に供給し、また電池冷却水
を吸蔵水素の放出に利用する。

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
質して得られる水素を含む改質ガスを精製して高純度水
素を製造するに際し、該改質ガスを粗精製水素ガスとし
た後、さらに精製且つ吸蔵するようにしてなる高純度水
素製造装置及び該高純度水素を燃料電池の燃料として利
用するようにしてなる燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】水素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、燃料
電池用の燃料としても利用される。水素の工業的製造方
法としては、水の電解法、石炭やコークスのガス化法、
液体燃料のガス化法、ガス体燃料の変成法、コークス炉
ガスの液化分離法、メタノールやアンモニアの分解法な
ど各種の方法が知られている。

【０００３】このうちガス体燃料、すなわち天然ガスや
都市ガス等の炭化水素ガスの変成法は通常水蒸気改質に
より行われる。水蒸気改質用の改質器には各種のタイプ
がある。図１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の空気に
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。

【０００４】一方、導管７から導入される炭化水素ガス
は第１触媒層８及び第２触媒層９を通して接触反応によ
り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。触媒としてはＮｉ系、Ｒｕ系等の
適当な触媒が使用される。図１中二系統の矢印は、それ
ぞれ加熱ガス及び炭化水素ガス（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４００〜７００℃という温度で排出され、改
質器に低温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。

【０００５】水蒸気改質により得られる改質ガスには主
成分である水素のほか、ＣＯ、ＣＯ ₂等の副生成分や余
剰Ｈ₂Ｏが含まれている。このため改質ガスを例えば燃
料電池にそのまま使用したのでは電池性能を阻害してし
まう。燃料電池のうちリン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）で
用いる水素ガス中のＣＯは１％、固体高分子型燃料電池
（ＰＥＦＣ）では１００ｐｐｍ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。このためそれら副
生成分は燃料電池へ導入する前に除去する必要がある。
また不飽和結合への水素添加用あるいは酸水素炎用の水
素は通常ボンベに詰めたものが使用されており、純度は
５Ｎ以上が要求されている。

【０００６】そのような高純度の水素を得るための水素
の精製法の１つとして水素透過膜法がある。水素透過膜
法は、Ｐｄ膜やＰｄ合金膜などの水素透過膜が水素以外
のガスは透過せず、水素のみを選択的に透過させる特性
を利用するものである。水素含有ガスは水素透過膜に通
すことにより精製されるが、この場合、水素透過膜の膜
厚は０．５〜２０μｍ程度というように極薄のシート
（箔）であるため、水素透過膜を支持するための多孔質
の支持体が必要である。

【０００７】この点、水素透過膜として高分子膜を用い
る場合についても同様である。図２はそれらの態様例を
模式的に示した図である。水素含有ガス中の水素は、図
２中矢印の方向から水素透過膜を選択的に透過した後、
多孔質支持体を通って精製水素として取り出される。こ
こで多孔質支持体は水素透過膜を支持するのに加え、水
素透過膜を通過した精製水素を通すことが必要であり、
このため該支持体は多孔質体として構成される。水素透
過膜は板状や管状その他の多孔質支持体に対して配置さ
れる。

【０００８】改質器による改質ガスの生成と改質ガスの
水素透過膜による精製とは別個に行ってもよいが、両者
を１つの装置で行うよう一体化した装置すなわちメンブ
レンリフォーマ（メンブレンリアクタ）でも実施され
る。図３はそのメンブレンリフォーマを原理的に示す図
である。原料ガスである炭化水素ガスはバーナでの発生
熱が原料ガスの改質用に利用されて触媒層で改質され、
水素を含む改質ガスとなる。改質ガス中の水素はＰｄ膜
やＰｄ合金膜などの水素透過膜を選択的に透過して精製
水素として取り出される。これは１例であるが、それら
改質及び精製を行い得る適宜の構成とされる。

【０００９】ところが、メンブレンリフォーマでは、精
製水素の収率を上げるために水素透過膜の表面積が多く
必要であり、このため装置が大型化し、コスト高とな
る。また精製水素の収率を上げるために、膜の１次側と
２次側の圧差を大きくする必要がある。このために１次
側の圧力を高くしたり、２次側にスイープガス(水蒸気)
を流す必要がある。このためシステムのエネルギー効率
が低下するばかりか、水蒸気の分離装置が必要となる。
図４（ａ）はこの態様を示す図である。それでも精製さ
れた水素の純度は水素透過膜の品質に依存するため、ピ
ンホールのない高品質な膜を製造しなくてはならず、こ
の点でもコストアップになる。

【００１０】一方、水素透過膜として高分子膜を用いる
場合、耐熱性等の点からメンブレンリフォーマ形式とす
ることはできない。高分子膜法では、１段の精製で９０
％程度の水素濃度にしかならず、多段式に行う必要があ
る。また作動圧力として数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す
る。図４（ｂ）はこの態様を示した図である。改質器か
らの改質ガスは第１の高分子膜に通され、得られた精製
ガスは第２の高分子膜に通される。こうして必要数の高
分子膜に通される。このためシステムが複雑となるばか
りか、精製水素の収率は低い。しかも、これら水素透過
膜を用いる方法は、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水素貯蔵機能は
有していない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、炭化水
素ガスを改質し、水素透過膜を使用して精製する場合に
おいては、上記のように高純度水素の収率を上げること
は困難である。また水素透過膜を用いる方法は、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
量を供給する水素貯蔵機能は有していない。

【００１２】そこで、本発明は、改質ガスを水素透過膜
を用いて粗精製水素ガスとした後、さらに精製し且つ吸
蔵するようにしてなる高純度水素の製造装置及び該高純
度水素を燃料電池の燃料として利用するようにしてなる
燃料電池システム（燃料電池装置）を提供することを目
的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は（１）炭化水素
ガスをメンブレンリフォーマにより改質し、精製した粗
精製水素を水素吸蔵合金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高純度
水素製造装置を提供し、また本発明は（２）炭化水素ガ
スをメンブレンリフォーマにより改質し、精製した粗精
製水素を少なくとも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
なることを特徴とする高純度水素製造装置を提供する。

【００１４】本発明は（３）炭化水素ガスをメンブレン
リフォーマにより改質し、精製した粗精製水素を少なく
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。

【００１５】本発明は（４）炭化水素ガスをメンブレン
リフォーマにより改質し、精製した粗精製水素を少なく
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、該吸蔵水素を放出させて燃
料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池冷却水を
水素吸蔵合金充填容器からの吸蔵水素の放出用に利用す
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。

【００１６】本発明は（５）炭化水素ガスをメンブレン
リフォーマにより改質し、精製した粗精製水素を少なく
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、該吸蔵水素を放出させて燃
料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池冷却水を
水素吸蔵合金からの吸蔵水素の放出用に利用した後、水
素を分離精製且つ吸蔵中の水素吸蔵合金充填容器に通し
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。

【００１７】本発明は（６）炭化水素ガスをメンブレン
リフォーマにより改質し、精製した粗精製水素を少なく
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、該吸蔵水素を放出させて燃
料電池の燃料極に供給するとともに、燃料電池冷却水を
水素吸蔵合金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
中の水素吸蔵合金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。

【００１８】本発明は（７）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高分子膜に通し
て粗精製水素を生成した後、該粗精製水素を水素吸蔵合
金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高純度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で生成さ
れた水素を主成分とする改質ガスを高分子膜に通して精
製された粗精製水素を生成した後、該粗精製水素を少な
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ことを特
徴とする高純度水素製造装置を提供する。

【００１９】本発明は（９）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高分子膜に通し
て精製された粗精製水素を少なくとも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。

【００２０】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高分子膜に通
して精製された粗精製水素を少なくとも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、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供
給するとともに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金充填容
器からの吸蔵水素の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。

【００２１】本発明は（１１）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高分子膜に通
して精製された粗精製水素ガスを少なくとも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、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極
に供給するとともに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金か
らの吸蔵水素の放出用に利用した後、水素を分離精製且
つ吸蔵中の水素吸蔵合金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。

【００２２】本発明は（１２）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高分子膜に通
して精製された粗精製水素ガスを少なくとも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、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極
に供給するとともに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金充
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水素吸蔵合
金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。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明においては、炭化水素ガス
を改質器で改質した改質ガスを一度精製して粗精製水素
とした後、その粗精製水素を水素吸蔵合金により分離精
製し且つ吸蔵するようにする。炭化水素ガスとしては改
質できる炭化水素ガスであれば用いられるが、好ましく
は天然ガスや都市ガス、或いは石油ガス等が用いられ
る。天然ガスや都市ガスは容易に入手でき安価でクリー
ンであることなどから特に有利に使用される。

【００２４】改質器で生成した改質ガスの精製は、改質
器と水素精製用水素透過膜を一体化したメンブレンリフ
ォーマを構成する水素透過膜で行うか、または改質器に
続いて設けた高分子膜（例えばポリイミド膜、酢酸セル
ロース膜、ポリスルホン、その他の高分子膜）により行
う。なお、本明細書中、改質ガスをそれら手段で一度精
製した水素含有ガスを適宜粗精製水素と称している。次
いで粗精製水素を水素吸蔵合金によりさらに分離精製し
且つ吸蔵する。前記のとおりメンブレンリフォーマで高
純度水素の収率を上げるには、装置が大型化し、１次側
の圧力を高くしたり、２次側にスイープガスを流す必要
があるなどの諸問題があったが、本発明によれば、水素
吸蔵合金を利用することによりそれら諸問題が解決され
る。

【００２５】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（ＨｙｄｒｏｇｅｎＳｔｏ
ｒａｇｅＡｌｌｏｙ）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
粗精製水素をさらに分離精製して高純度水素とし、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。本発明における水素吸蔵合金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。その例としては、例えばＴｉＦｅ_0.9Ｍｎ_0.1、Ｍｇ
₂Ｎｉ、ＣａＮｉＳ、ＬａＮｉ₅、ＬａＮｉ_4.7Ａｌ_0.3、
ＭｍＮｉ_4.5Ａｌ_0.5(Ｍｍ＝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。

【００２６】本発明において、粗精製水素（１次精製済
み水素含有ガス）からのさらなる水素の分離精製及び吸
蔵は、その水素を水素吸蔵合金を充填した容器に通すこ
とにより行われる。これにはバッチ式と通気式（流通
式）の２種の態様がある。バッチ式では、水素吸蔵合金
充填容器に、その出口を閉すなわち行き止まりにして粗
精製水素を供給する。この時、水素吸蔵合金に水素が選
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。このため水素吸蔵合金充填容器
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。

【００２７】図５（ａ）〜（ｂ）は上記バッチ式の態様
例を模式的に示す図である。図５（ａ）は水素吸蔵時の
状態を示し、図５（ｂ）は水素放出時の状態を示してい
る。水素吸蔵合金充填容器の空間に滞留した水素以外の
ガス（オフガス）は水素吸蔵合金充填容器からのガス放
出時の初期の段階で排出される。放出ガスはやがて高純
度水素（純粋な水素又はほぼ純粋な水素）となり、各種
用途に使用される。

【００２８】流通式の場合は、水素吸蔵合金充填容器に
粗精製水素を単純に流通させる。図６は流通式の場合を
模式的に示した図である。オフガスは水素の分離精製且
つ吸蔵時に排出される。図６（ｂ）は流通式の場合につ
いて、粗精製水素の分離精製且つ吸蔵時の操作態様例で
ある。図６中、１１が水素吸蔵合金である。１２は冷却
用熱媒体の導入管、１３はその導出管であり、１４は粗
精製水素の導入管、１５は導出管である。

【００２９】粗精製水素を分離精製・吸蔵する時には、
導入管１２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(発生熱)を除去し、
水素の分離精製・吸蔵に最適な温度に保ちながら導出管
１３から排出される。一方、粗精製水素はメンブレンリ
フォーマから導入管１４を経て導入され、容器内に充填
された水素吸蔵合金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。この時水素以外の成分は水素吸蔵合金に吸蔵さ
れずにオフガスとして導管１５から排出される。

【００３０】このように、本発明においては、粗精製水
素をさらに精製して高純度水素とすることと、その貯蔵
を１つの設備である水素吸蔵合金充填容器で行うことが
できる。このため、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１５から排出されるオフガス
はメンブレンリフォーマ中の改質器における燃焼部へ送
られ燃料として利用することもできる。図６中１７はそ
の循環用導管であり、これを経て燃料導管１８又は空気
導管１９に導入される。

【００３１】こうして分離精製され、吸蔵された高純度
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、導管１２から水素放出用熱媒体
〔燃料電池冷却水（燃料電池を冷却して自らは加熱され
ている）等〕を供給し、高純度水素は導管２０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、該熱媒体供給後、初期の段階ではオフガ
スが排出されるので、弁１６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、燃料電池に高純度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。

【００３２】本発明における水素吸蔵合金充填容器とし
ては、図６（ｂ）のような水素吸蔵合金を管内に充填す
る管内充填式のほか、各種態様で構成することができ
る。図７はその水素吸蔵合金充填容器の幾つかの例であ
るが、これらに限定されない。図７（ａ）は套内充填
式、図７（ｂ）は内部熱交換器付、図７（ｃ）は内部２
回通過熱交換器付であり、各部分について図６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６（ｂ）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。

【００３３】燃料電池には、イオン伝導体すなわち電解
質として用いられる物質の違いによりリン酸型（ＰＡＦ
Ｃ）、固体高分子型（ＰＥＦＣ）、溶融炭酸塩型、固体
電解質型等各種あるが、本発明の水素製造装置はこれら
と連結して使用される。図８（ａ）は燃料電池のうちＰ
ＡＦＣの一態様例を原理的に説明する図である。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。

【００３４】図８（ｂ）はＰＥＦＣの一態様例を説明す
る概略図である。２１は高分子電解質膜、２２はカソー
ド電極（正極＝空気極又は酸素極）、２３はアノード電
極（負極＝燃料極又は水素極）であり、高分子電解質膜
２１は相対するこの正負両電極２２、２３間に当接して
配置されている。２４はカソード電極側集電体、２５は
アノード電極側集電体であり、それぞれ正負の電極２２
及び２３に当接されている。

【００３５】カソード電極側集電体２４の電極２２側に
は酸素又は空気供給用の溝が設けられ、アノード電極側
集電体２５の電極２３側には燃料ガス供給用の溝が設け
られている。正極側集電体２４の溝は酸素又は空気供給
管２６に、負極側集電体２５の溝は燃料供給管２７に連
通している。２８は正極側集電体２４に当接して設けら
れたカソード端子板、２９は負極側集電体２５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。３０は左右の
両枠体、３１はパッキンである。以上は電池本体が単一
の場合であり、通常、二つ以上積み重ねても構成される
が、基本的には単一の電池本体の場合と同様である。

【００３６】燃料電池は、その種類に応じて最適な運転
温度範囲が存在し、その発電に伴い生じる熱を除去しな
ければならない。このため電池冷却水等により冷却する
必要がある。ＰＥＦＣでは、作動時に温度８０〜１００
℃程度に維持する必要があるため、電池冷却水や冷空気
により冷却される。本発明においては、燃料電池におけ
る電池冷却水を水素吸蔵合金充填容器からの高純度水素
の放出に利用し、また水素吸蔵時の冷却に利用する。こ
れにより燃料電池システム内のエネルギーを有効に利用
することができる。

【００３７】

【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。

【００３８】《実施例１》図９は、炭化水素ガスをメン
ブレンリフォーマにより改質し且つ精製した粗精製水素
を水素吸蔵合金充填容器に通して水素を分離精製し且つ
吸蔵するようにしてなる水素製造装置の例である。メン
ブレンリフォーマに２基の水素吸蔵合金充填容器Ａ、Ｂ
が連結されている。メンブレンリフォーマからの粗精製
水素は例えば４００〜７００℃という温度で排出されの
で、水素吸蔵合金充填容器に供給する前に熱交換器等を
介して冷却される。

【００３９】図９中、Ｓ、Ｔは切換弁である。水素吸蔵
合金充填容器Ａのグループ、水素吸蔵合金充填容器Ｂの
グループとしてそれぞれ２個以上を連結してもよい。こ
の点以下の実施例でも同じである。メンブレンリフォー
マでは炭化水素ガスから改質ガスを生成させ、生成改質
ガスをその中の水素透過膜により精製して粗精製水素と
する。粗精製水素は引続き水素吸蔵合金充填容器に通さ
れる。

【００４０】本実施例における水素吸蔵合金充填容器は
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。粗精製水素は水素吸蔵
合金充填容器Ａで精製・吸蔵される。水素吸蔵合金充填
容器Ｂからは前段階で吸蔵された高純度水素が放出さ
れ、高純度水素は燃料電池用燃料その他各種利用に供さ
れる。切換弁Ｓ、Ｔを切り換えることにより、粗精製水
素は水素吸蔵合金充填容器Ｂで精製・吸蔵され、水素吸
蔵合金充填容器Ａからは高純度水素が放出され、各種利
用に供される。

【００４１】《実施例２》図１０は、改質器で生成した
改質ガスを高分子膜により精製し、得られた粗精製水素
を水素吸蔵合金充填容器に通して水素を分離精製し且つ
吸蔵するようにしてなる高純度水素製造装置の例であ
る。高分子膜を配置した分離精製容器に２基の水素吸蔵
合金充填容器Ａ、Ｂが連結されている。改質ガスは例え
ば４００〜７００℃という温度で排出されので、高分子
膜に供給する前に熱交換器等を介して冷却される。図１
０中、Ｓ、Ｔは切換弁である。

【００４２】分離精製容器では改質器からの改質ガスを
精製し粗精製水素とする。粗精製水素は水素吸蔵合金充
填容器Ａに通され、ここで粗精製水素は精製・吸蔵され
る。水素吸蔵合金充填容器Ｂからは前工程で吸蔵された
高純度水素が放出され、高純度水素は燃料電池用燃料そ
の他各種利用に供される。切換弁Ｓ、Ｔを切り換えるこ
とにより、粗精製水素は水素吸蔵合金充填容器Ｂで精製
・吸蔵され、水素吸蔵合金充填容器Ａからは高純度水素
が放出される。

【００４３】《実施例３》図１１は、メンブレンリフォ
ーマにより得られた粗精製水素を水素吸蔵合金充填容器
に通して水素を分離精製し且つ吸蔵するよう構成した水
素製造装置に燃料電池を連結し、燃料電池からの電池冷
却水を水素吸蔵合金からの高純度水素の放出に利用し、
また精製・吸蔵に利用する例である。燃料電池の例とし
てＰＥＦＣの場合を示しているが、他の燃料電池の場合
も同様である。燃料電池を冷却し、自らは温められた電
池冷却水を水素吸蔵合金充填容器Ｂに導き、ここでの間
接熱交換により前工程で水素を吸蔵した水素吸蔵合金を
加熱して高純度水素を放出させる。

【００４４】上記電池冷却水を必要に応じて放熱器（図
１１中：Ｃ／Ｔ）等により冷却した後、水素吸蔵合金充
填容器Ａに導入する。電池冷却水はここでの間接熱交換
により粗精製水素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。図１１
中、配管に記載の矢印（→）は電池冷却水の流れ方向を
示し、また各部における操作温度例を併記している。駆
動ポンプ等の記載は省略している。これらの点は図１２
〜１３の場合も同じである。

【００４５】水素吸蔵合金充填容器Ｂ中からの水素を消
費した後、切換弁Ｓ、Ｔを切り換えて、水素吸蔵合金充
填容器Ａ中の水素を放出して燃料電池へ供給する。同時
に、電池冷却水の流れ方向を逆にするか、または電池冷
却水の流れはそのままとし、弁操作により、燃料電池か
らの電池冷却水を水素吸蔵合金充填容器Ａに導き、ここ
での間接熱交換により前工程で水素を吸蔵した水素吸蔵
合金を加熱して高純度水素を放出させる。この電池冷却
水を必要に応じて放熱器（図中：Ｃ／Ｔ）等により冷却
した後、水素吸蔵合金充填容器Ｂに導入する。

【００４６】《実施例４》図１２は、メンブレンリフォ
ーマで得た粗精製水素を用いるのに代えて、改質器で生
成した改質ガスを高分子膜に通して得た粗精製水素を用
いる例である。粗精製水素を水素吸蔵合金充填容器に通
して水素を分離精製し且つ吸蔵するよう構成した水素製
造装置に燃料電池を連結する。燃料電池からの電池冷却
水を水素吸蔵合金からの高純度水素の放出に利用し、ま
た精製・吸蔵に利用する。水素吸蔵合金充填容器Ａ、
Ｂ、切換弁Ｓ、Ｔ等を配置する点や操作の仕方は実施例
３（図１１）の場合と同様である。

【００４７】《実施例５》図１３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。水素吸蔵合
金充填容器Ｂでの加熱に電池冷却水を利用するのに加
え、水素吸蔵合金充填容器Ａの冷却用には２次冷却水を
循環して使用する。電池冷却水は２次冷却水との熱交換
器Ｈを経て燃料電池へ戻される。２次冷却水は該熱交換
器Ｈで電池冷却水を冷却するのに続き（ここで２次冷却
水自体は加熱される）、必要に応じて放熱器（Ｃ／Ｔ）
により冷却された後、水素吸蔵合金充填容器Ａに循環さ
れ、ここで水素の吸蔵に伴う熱を吸収して再び該熱交換
器へと循環される。これにより水素吸蔵合金充填容器
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。

【００４８】水素吸蔵合金充填容器Ｂ中からの水素を消
費した後、切換弁Ｓ、Ｔを切り換えて、水素吸蔵合金充
填容器Ａ中の水素を放出して燃料電池へ供給する。この
場合は、水素吸蔵合金充填容器Ａ及び水素吸蔵合金充填
容器Ｂに対する電池冷却水及び２次冷却水の配管に関
し、例えば図１３に示す場合と上下対称とするが、図１
３中この配管系統の記載は省略している。水素吸蔵合金
充填容器Ａでの加熱に電池冷却水を利用するのに加え、
水素吸蔵合金充填容器Ｂの冷却用には２次冷却水を循環
して使用する。図１３には、メンブレンリフォーマで得
た粗精製水素を用いる場合と改質器で生成した改質ガス
を高分子膜に通して得た粗精製水素を用いる場合とを併
せて記載している。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、メンブレンリフォーマ
又は高分子膜に水素吸蔵合金充填容器を組み合わせるこ
とにより、メンブレンリフォーマや高分子膜では困難な
高純度水素を有効に製造し且つ貯蔵することができる。
また、こうして得られる高純度水素は燃料電池システム
に有効に利用し得る。その際、燃料電池の電池冷却水を
燃料電池システム中に有機的に組み込むことにより、電
池冷却水の熱又は冷熱を効率よく利用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】水蒸気改質器一例を示す図。

【図２】水素透過膜による水素含有ガスの精製態様例を
示した図。

【図３】メンブレンリフォーマを原理的に示す図。

【図４】従来におけるメンブレンリフォーマ又は高分子
膜による高純度水素の製造態様を示す図。

【図５】水素吸蔵合金充填容器の使用態様例を示す図
（バッチ式）。

【図６】水素吸蔵合金充填容器の使用態様例を示す図
（流通式）。

【図７】水素吸蔵合金充填容器の幾つかの例を示す図。

【図８】燃料電池のうちＰＡＦＣ及びＰＥＦＣの態様例
を示す図（概略図）。

【図９】高純度水素製造装置の例を示す図（実施例
１）。

【図１０】高純度水素製造装置の例を示す図（実施例
２）。

【図１１】高純度水素を燃料電池用燃料に利用し、燃料
電池からの電池冷却水を利用する例を示す図（実施例
３）。

【図１２】高純度水素を燃料電池用燃料に利用し、燃料
電池からの電池冷却水を利用する例を示す図（実施例
４）。

【図１３】高純度水素を燃料電池用燃料に利用し、燃料
電池からの電池冷却水を利用する例を示す図（実施例
５）。

【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、９第１触媒層、第２触媒層１０改質ガス導管１１水素吸蔵合金１２冷却用熱媒体の導入管１３同導出管１４粗精製水素の導入管１５同導出管１６切換弁１７循環用導管１８燃料導管１９空気導管２０導管２１高分子電解質膜２２、２３カソード電極、アノード電極２４、２５カソード電極側集電体、アノード電極側集
電体２６酸素又は空気供給管２７燃料供給管２８、２９カソード端子板、アノード端子板３０左右の両枠体３１パッキンＳ、Ｔ切換弁Ｈ熱交換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｈ０１Ｍ 8/06 Ｇ 8/10 8/10 Ｆターム(参考） 4D006 GA41 KA01 KA31 KA71 KB30 KE07P KE08P KE12P KE13P KE16P MA02 MA03 MA06 MC02 MC18 MC58 MC62 PA01 PB18 PB66 PC69 PC80 4G040 AA06 AA44 AA45 AA46 DA03 DB05 EA03 EA06 EB33 EB46 FA02 FC02 FD04 FD05 FD07 FE01 5H026 AA06 5H027 AA04 AA06 BA01 BA14 CC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素ガスをメンブレンリフォーマによ
り改質し、精製した粗精製水素を水素吸蔵合金充填容器
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
とを特徴とする高純度水素製造装置。
【請求項２】炭化水素ガスをメンブレンリフォーマによ
り改質し、精製した粗精製水素を少なくとも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ことを特徴とする高純度水
素製造装置。
【請求項３】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１又は２に記載の高純度水素製造装置。
【請求項４】炭化水素ガスをメンブレンリフォーマによ
り改質し、精製した粗精製水素を少なくとも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５】炭化水素ガスをメンブレンリフォーマによ
り改質し、精製した粗精製水素を少なくとも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、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極
に供給するとともに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金充
填容器からの吸蔵水素の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６】炭化水素ガスをメンブレンリフォーマによ
り改質し、精製した粗精製水素を少なくとも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、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極
に供給するとともに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金か
らの吸蔵水素の放出用に利用した後、水素を分離精製且
つ吸蔵中の水素吸蔵合金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７】炭化水素ガスをメンブレンリフォーマによ
り改質し、精製した粗精製水素を少なくとも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、該吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極
に供給するとともに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金充
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水素吸蔵合
金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８】上記燃料電池がＰＡＦＣ又はＰＥＦＣであ
る請求項４〜７の何れか１項に記載の燃料電池システ
ム。
【請求項９】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高分子膜に通して粗精製水素を
生成した後、該粗精製水素を水素吸蔵合金充填容器に通
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
特徴とする高純度水素製造装置。
【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高分子膜に通して精製された
粗精製水素を生成した後、該粗精製水素を少なくとも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ことを特徴とする
高純度水素製造装置。
【請求項１１】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９又は１０に記載の高純度水素製造装
置。
【請求項１２】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高分子膜に通して精製された
粗精製水素を少なくとも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１３】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高分子膜に通して精製された
粗精製水素を少なくとも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、該吸蔵
水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給するととも
に、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金充填容器からの吸蔵
水素の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１４】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高分子膜に通して精製された
粗精製水素ガスを少なくとも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、該
吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給するとと
もに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金からの吸蔵水素の
放出用に利用した後、水素を分離精製且つ吸蔵中の水素
吸蔵合金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１５】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高分子膜に通して精製された
粗精製水素ガスを少なくとも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、該
吸蔵水素を放出させて燃料電池の燃料極に供給するとと
もに、燃料電池冷却水を水素吸蔵合金充填容器からの水
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水素吸蔵合金充填容器に通
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１６】上記燃料電池がＰＡＦＣ又はＰＥＦＣで
ある請求項１２〜１５の何れか１項に記載の燃料電池シ
ステム。