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JP2001015142A - 燃料電池車両の走行方法及び燃料電池車両 - Google Patents

燃料電池車両の走行方法及び燃料電池車両

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Publication number
JP2001015142A
JP2001015142A JP11185191A JP18519199A JP2001015142A JP 2001015142 A JP2001015142 A JP 2001015142A JP 11185191 A JP11185191 A JP 11185191A JP 18519199 A JP18519199 A JP 18519199A JP 2001015142 A JP2001015142 A JP 2001015142A
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JP
Japan
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hydrogen
fuel
fuel cell
reformer
cell vehicle
Prior art date
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Application number
JP11185191A
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English (en)
Inventor
Masaki Iijima
正樹 飯嶋
Kazuto Kobayashi
一登 小林
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Priority to CA002307971A priority patent/CA2307971C/en
Priority to US09/606,753 priority patent/US6649291B1/en
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料から得られた水素を効率よく、かつ高純
度で回収して燃料電池に供給することができるようにし
た燃料電池車両の走行方法及び燃料電池車両を提供す
る。 【解決手段】 水素を選択的に透過する水素透過性分離
膜を具備したリフォーマ２に燃料を供給して水素を生成
し、該生成された水素を燃料電池３に供給し、該燃料電
池３により得られた電力により駆動装置４を作動させ、
車両を走行させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池車両の走
行方法及び燃料電池車両に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、燃料電池自動車の開発が盛んに行
われている。燃料電池自動車は、水素を燃料からリフォ
ーマによって製造し、得られた水素を燃料電池に供給し
て電気を得て、得られた電気によってモータを回転させ
るといった原理を採用している。このような原理は、４
輪で走行する自動車はもちろん、２輪自動車や軌道上を
走行する列車等の車両全般に適用できる。燃料電池を採
用し駆動装置を作動させるシステムとすることにより、
エネルギー効率が高く、地球環境問題にもなっているＣ
Ｏ2の排出が少なく、ＮＯxの排出がほとんどないものと
することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】燃料電池に供給する水
素はより高純度のものが好ましい。例えば、ＣＯを含ん
で供給されると燃料電池の寿命を大幅に低下させるし、
水素以外の成分は燃料電池の性能に寄与せず、その成分
が入り込むだけ燃料電池を大きくする必要も生じる。ま
た、車両に積載する都合や車両の性能や機能を向上させ
る必要から、より小型な装置とすることが望まれてお
り、この点からも、より高純度な水素を、より高効率に
得て燃料電池に供給する必要がある。本発明は、上記事
情に鑑みなされたものであり、燃料から得られた水素を
効率よく、かつ高純度で回収して燃料電池に供給するこ
とができるようにした燃料電池車両の走行方法及び燃料
電池車両を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る燃料電池車両の走行方法は、水素を選
択的に透過する水素透過性分離膜を具備したリフォーマ
に燃料を供給して水素を生成し、該生成された水素を燃
料電池に供給し、該燃料電池により得られた電力により
駆動装置を作動させ、車両を走行させることを特徴とす
る。前記水素透過性分離膜を具備したリフォーマは、メ
ンブレンリフォーマとすることができる。また、前記リ
フォーマで生成した水素は、水素吸蔵合金に一旦貯蔵
し、該水素吸蔵合金からの該水素を燃料電池に供給する
ようにすることができる。さらに、水素吸蔵合金を内蔵
する水素貯蔵装置を複数具備し、一部の水素貯蔵装置が
リフォーマから供給される水素を吸蔵しているときに他
部の水素貯蔵装置からは水素を排出して燃料電池に供給
するようにすることができる。
【０００５】本発明は、別の側面として燃料電池車両で
あり、燃料タンクと、該燃料タンクから供給される燃料
から水素を生成する水素透過性の分離膜を具備したリフ
ォーマと、該水素を供給されて電力を得る燃料電池と、
該電力により作動する駆動装置を具備することを特徴と
する。前記水素透過性の分離膜を具備したリフォーマ
は、メンブレンリフォーマとすることができる。また、
前記水素透過性の分離膜を具備したリフォーマは、燃料
の部分酸化を経てＣＯシフト反応により水素を生成し、
水素透過性の分離膜により選択的に水素を得るリフォー
マとすることができる。また、前記水素透過性の分離膜
を具備したリフォーマは、燃料の水蒸気による改質反応
を経てＣＯシフト反応により水素を生成し、水素透過性
の分離膜により選択的に水素を得るリフォーマとするこ
とができる。
【０００６】さらに、前記水素透過性の分離膜を具備し
たリフォーマからの水素を燃料電池に供給する前に一旦
貯蔵する水素吸蔵合金を内蔵した水素貯蔵装置を具備す
ることもできる。前記燃料は、CNG、エタン、プロパ
ン、ブタン、ガソリン、ナフサ、ジメチルエーテル、メ
タノールの何れか１つ、又は２つ以上の混合物とするこ
とができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下に本発明に係る実施の形態の
例を図面にもとづいて説明する。図１は、本発明に係る
燃料電池自動車について、その一実施の形態のシステム
を説明する概念図である。この概念図に示すように燃料
電池自動車は、燃料タンク１と、該燃料タンク１から供
給される燃料から水素を製造するためのリフォーマ２
と、該水素の供給を受けて電力を発生する燃料電池３
と、該燃料電池３によって得られる電力によって回転す
るホイール駆動モータ（駆動装置）４とを備えている。
燃料電池３は、固体高分子型（ＰＥＦＣ）である。本発
明で使用する燃料電池は、一般的に、電池活性物質（燃
料）を連続的に外部から供給し、放電生成物を逐次系外
へ除去し、燃焼反応を電気化学的に行わせ、直接電気エ
ネルギーに変換する電池である。従来、リン酸型（ＰＡ
ＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体電解質型（Ｓ
ＯＦＣ）あるいは固体高分子型（ＰＥＦＣ）などの燃料
電池がある。このうち、固体高分子型のものが本発明に
おいては特に好適である。リフォーマ２は、図２及び図
３に示すようにメンブレンリフォーマである。各種のリ
フォーマのうちメンブレンリフォーマは後述するよう
に、燃料改質における反応温度を低く押さえることがで
きるなどの理由により、本発明の実施にあたっては特に
好適である。なお、図１では省略しているが、本発明に
係る燃料電池自動車は、走行に必要な他の制御機器を含
めて各種パーツなどを備える。
【０００８】図２、３に示すように、このメンブレンリ
フォーマ（水素製造装置）２では、燃料と水蒸気の混合
ガスを原料供給口２００から導入する。導入された混合
ガスは、改質触媒層２０１で改質されて、水素ガスを含
むガスを発生する。発生したガス中の水素ガスは、水素
透過管（メンブレンチューブ）２０３を透過して水素出
口２０２から流出する。また、水素透過管２０３を透過
しなかったガス（ＣＯ 2、ＣＯ、Ｈ2０、未反応燃料）
は、図示しないオフガス出口から排出し、リサイクルあ
るいは排出される。改質触媒層２０１及び水素透過管２
０３は、内筒２０４内に収納される。
【０００９】一方、このメンブレンリフォーマ２では、
バーナータイル２０５の中央に設けた燃焼バーナ２０６
を備えている。この燃焼バーナ２０６は、燃料ガス管２
０７を介して導入した燃料ガスを、空気取り入れ管２０
８を介入して取り入れた空気によって燃焼する。これに
よって、水蒸気改質反応に必要な熱エネルギーを改質触
媒層２０１に供給して所定の温度に維持する。内筒２０
４は、ケーシング２０９によってカバーされており、燃
焼排ガスは、排ガス出口２１０より排出される。
【００１０】本実施の形態では、燃料としては、天然ガ
ス、ナフサ、軽質炭化水素（メタン、エタン、プロパ
ン、ブタンを含む）、ジメチルエーテル及びメタノール
などのアルコールに代表される含酸素炭化水素を挙げる
ことができる。さらに、イオウを含まないガソリンもそ
の対象とすることができる。しかし、ＣＮＧといわれる
圧縮天然ガス、プロパンガス、ブタンガスは、社会的供
給基盤が既にできており、発熱量も高くタンク容量を小
さくすることができるので本発明に特に好適である。
【００１１】本実施の形態では、使用する改質触媒は、
上述の原料ガスから水素を水蒸気改質方法により製造す
る場合に従来から使用してきたいずれの触媒も採用する
ことができる。上記水素透過管２０３は、製造された水
素のみを透過して上記燃料電池に供給する水素透過性の
金属膜より構成されている。水素透過性の金属膜は、水
素のみを選択的に透過させるので、分離された水素の純
度は、９９．９９９％以上と極めて高く、固体高分子燃
料電池用の水素として最適である。
【００１２】加えて、反応に従って生成物から生成水素
を水素透過管２０３により、直ちに選択的に分離して生
成物中の水素分圧を低下させる。このため、反応は水素
増大側に進み、結果的に同じ反応温度での転化率が大き
くなる。換言すれば、従来のメタン改質法などでは反応
域の温度を約８００℃にすることが必要であったが、水
素透過管２０３を使用することにより、本実施の形態の
メンブレンリフォーマ２では、同じ値の転化率を５００
〜６００℃の温度で達成することができる。このよう
に、水素透過管２０３で水素を透過して化学反応を水素
増大側に移行させることができるので、改質温度が２０
０〜３００℃程度低下する。それにより、反応ガスを加
熱する熱量が節減され、熱効率が大幅に向上する。ま
た、反応温度が低いので、装置には耐熱性の高くない廉
価な材料を使用でき、したがって装置のコストを軽減で
きる。このようなことから本実施の形態は、燃料電池自
動車に特に適している。
【００１３】水素透過性金属膜はその厚さが５〜５０μ
ｍであって、無機多孔層上に形成されて選択的に水素を
透過させることができるものである。その下の無機多孔
層は水素透過性の金属膜を保持するための担体であっ
て、厚さが０．１ｍｍから１ｍｍの範囲で多孔性のステ
ンレス鋼不織布、セラミックス、ガラスなどから形成さ
れる。さらに、その内側には構造強度部材として単層も
しくは複数層からなる金網を配置することが好適であ
る。好適には、水素透過性の金属膜は、Ｐｄを含む合
金、Ｎｉを含む合金又はＶを含む合金のいずれかの無孔
質層であることが好ましい。Ｐｄを含む合金にはＰｄ・
Ａｇ合金、Ｐｄ・Ｙ合金、Ｐｄ・Ａｇ・Ａｕ合金などを
挙げることができ、Ｖを含む合金にはＶ・Ｎｉ、Ｖ・Ｎ
ｉ・Ｃｏなどを挙げることができ、またＮｉを含む合金
にはＬａＮｉ5などを挙げることができる。また、無孔
質Ｐｄ層の製作方法は例えば米国特許第３１５５４６７
号明細書に開示されている。
【００１４】本実施の形態に係る燃料電池自動車は、図
１に示すように、さらに水素吸蔵合金を内蔵する水素貯
蔵装置５を備えてもよく、これは、上記メンブレンリフ
ォーマ２の水素出口を、この水素貯蔵装置５に接続可能
としている。これによって、メンブレンリフォーマ２の
回収側の水素分圧を下げて、水素を迅速にメンブレンリ
フォーマ２から引き出すことができる。また、水素貯蔵
装置５に貯蔵した水素は、自動車の運転始動時に燃料電
池３に供給することができる。したがって、運転開始と
同時に発車ができるといった効果を期待することができ
る。なお、水素吸蔵合金は、多量の水素を貯蔵すること
が可能であり、その水素は、加熱又は減圧によって放出
し、冷却又は加圧によって吸蔵することが可能である。
また、その放出・吸蔵は可逆的である。
【００１５】ここで、図４、図５に水素貯蔵装置５を二
つ並列に備えた実施の形態を示す。この実施の形態で
は、図１の実施の形態と異なり、常時いずれかの水素貯
蔵装置５Ａ、５Ｂをメンブレンリフォーマ２と接続して
いる。なお、図１と同一参照番号を付けた要素は、図1
と同様の機能をはたす。図４では、メンブレンリフォー
マ２と水素貯蔵装置５Ａが接続し、水素貯蔵装置５Ｂが
燃料電池３と接続している。ここで、水素貯蔵装置５Ａ
を２０〜４０℃に冷却し、水素貯蔵装置５Ｂを５０〜１
００℃に加熱する。そうすると、水素貯蔵装置５Ａが水
素を貯蔵し、水素貯蔵装置５Ｂが水素を放出し、燃料電
池３に供給する。図５では、メンブレンリフォーマ２と
水素貯蔵装置５Ｂが接続し、水素貯蔵装置５Ａが燃料電
池３と接続している。ここで、水素貯蔵装置５Ｂを２０
〜４０℃に冷却し、水素貯蔵装置５Ａを５０〜１００℃
に加熱する。そうすると、水素貯蔵装置５Ｂが水素を貯
蔵し、水素貯蔵装置５Ａが水素を放出し、燃料電池３に
供給する。
【００１６】本実施の形態では、水素貯蔵装置５Ａ、５
Ｂを図示しない制御装置によって切り換えて作動させ
る。これによって、水素吸蔵合金によるメンブレンリフ
ォーマ２からの水素引き出しが常時行われることにな
る。この結果、メンブレンリフォーマ２の金属膜の膜面
積を小さくすることができ、したがって、コストダウン
を図ることができる。また、燃料電池３へ供給する水素
の圧力を上げることができるので、燃料電池の性能を向
上させることができる。勿論、図１の実施の形態と同
様、スタート時に貯蔵した水素を利用することもでき
る。さらに、リフォーマ自体の負荷変動が小さくなるの
で、耐久性が向上する。なお、上記は水素貯蔵装置を二
つ備えた場合の説明であるが、勿論３つ以上の水素貯蔵
装置を備えて制御装置によって連動作動させてもよい。
【００１７】次に、リフォーマ２に関し、別の種類のも
のを採用した他の実施の形態を図６、図７に示す。図６
の（Ａ）は、燃料の部分酸化を（８００〜１０００℃）
経てＣＯシフト反応により水素を生成し、水素透過性分
離膜により高純度水素を得るようにした形態の例であ
る。図７の（Ａ）は、燃料の水蒸気による改質反応（７
００〜８００℃）を経てＣＯシフト反応により水素を生
成し、水素透過性分離膜により高純度水素を得るように
した形態の例である。なお、これら図６の（Ａ）、図７
の（Ａ）の実施の形態において、図１と同一参照番号を
付けた要素は、リフォーマ２の形態が異なることを除
き、実質的に図1と同様の機能をはたす。これらの実施
の形態は、メンブレンリフォーマを採用した図１〜３の
実施の形態に対して、反応温度が高く、装置も大きくな
るが、水素透過性分離膜と組み合わせることにより、生
成した水素を含むガスから燃料電池に適した高純度な水
素を得ることができる。一方、図６の（Ｂ）、図７の
（Ｂ）は、リフォーマの後に水素貯蔵装置を設けたもの
である。水素貯蔵装置５は、図４，５について前述した
ようにこれを複数並列して設けたタイプとし、複数の水
素貯蔵装置を制御装置によって切り換え作動させること
ができる。これらの実施の形態においても、図１と同一
参照番号を付けた要素は、リフォーマ２の形態が異なる
ことを除き、実質的に図1と同様の機能をはたす。
【００１８】さらに他の実施の形態 本発明に係る燃料電池自動車は、図１〜図３、図４、図
５、図６、図７について説明した実施の形態に限らず、
他の形態を含むものである。例えば、上記したメンブレ
ンリフォーマに限らず、他の型のものであっても良い。
要するに改質触媒層に隣接して水素透過型の金属膜を配
置し、金属膜を水素のみが透過するタイプのものであれ
ば本発明の目的に反しない限り採用することができる。
【００１９】さらに、図１の実施の形態において、図
４，５の実施の形態と同様の複数の水素貯蔵装置を切り
換えて使用する経路と、水素を直接燃料電池に送る経路
とを並列することができる。これによって、水素を直接
燃料電池に送る状態と、常時いずれかの水素貯蔵装置を
使用する状態とを切り換えるようにすることができる。
また同様に、図６の（Ｂ）、図７の（Ｂ）の実施の形態
においても、水素を直接燃料電池に送る経路を並列した
形態を採用することができる
【００２０】
【発明の効果】上記したところから明かなように、本発
明によれば、燃料から得られた水素を効率よく、かつ高
純度で回収して燃料電池に適した水素を供給することが
できる燃料電池車両の走行方法及び燃料電池車両が提供
される。また、リフォーマとしてメンブレンリフォーマ
を採用した場合には、燃料改質における反応温度を低く
できる。さらに、本発明に係る燃料電池自動車は、水素
吸蔵合金を内蔵する水素貯蔵装置を備え、上記メンブレ
ンリフォーマあるいは水素透過性の分離膜の水素出口
を、該水素貯蔵装置に接続可能とすることができる。こ
れによって、回収側の水素分圧を下げて、水素を迅速に
メンブレンリフォーマから引き出すことができる。さら
に、水素貯蔵装置に貯蔵した水素は、自動車の運転始動
時に活用することができるので、運転開始と同時に発車
ができるといった効果を期待することができる。複数の
水素貯蔵装置を並列した場合には、前記したように、コ
ストダウン、装置性能の向上をさらに図ることができ
る。またさらに、ＣＮＧといわれる圧縮天然ガス、プロ
パンガス、ブタンガス、ジメチルエーテルを燃料として
採用すれば、社会的供給基盤が既にできており、発熱量
も高く、タンク容量を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池自動車の一実施の形態を
説明する概念図である。
【図２】本発明に係る燃料電池自動車の図１の実施の形
態に採用したメンブレンリフォーマを説明する部分断面
斜視図である。
【図３】図２のＡ部拡大図である。
【図４】水素貯蔵装置を複数設けた別の実施の形態を説
明する概念図である。
【図５】水素貯蔵装置を複数設けた別の実施の形態を説
明する概念図である。
【図６】他のリフォーマを設けた実施の形態を説明する
概念図である。
【図７】さらに他のリフォーマを設けた実施の形態を説
明する概念図である。
【符号の説明】
１ 燃料タンク ２ リフォーマ ３ 燃料電池 ４ 駆動装置 ５、５Ａ、５Ｂ 水素貯蔵装置 ２０１ 改質触媒層 ２０３ 水素透過管 ２０４ 内筒 ２０５ バーナータイル ２０６ 燃焼バーナ ２０７ 燃料ガス管 ２０８ 空気取り入れ管 ２０９ ケーシング ２１０ 排ガス出口
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ０１Ｂ 3/56 Ｈ０１Ｍ 8/04 Ｊ Ｈ０１Ｍ 8/04 8/10 8/10 Ｂ６０Ｋ 15/02 Ｚ Ｆターム(参考） 3D038 CA11 CB01 CC05 CC07 4D006 GA41 HA21 MA02 MA31 MB04 MC02 PB18 PB66 PC80 4G040 AA12 EA02 EA03 EA06 EA07 EB31 EB33 FA04 FB02 FB04 FC01 FE01 FE04 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA14 BA16 BA17

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 水素を選択的に透過する水素透過性分離
    膜を具備したリフォーマに燃料を供給して水素を生成
    し、該生成された水素を燃料電池に供給し、該燃料電池
    により得られた電力により駆動装置を作動させ、車両を
    走行させることを特徴とする燃料電池車両の走行方法。
  2. 【請求項２】 水素透過性分離膜を具備したリフォーマ
    がメンブレンリフォーマであることを特徴とする請求項
    １に記載の燃料電池車両の走行方法。
  3. 【請求項３】 リフォーマで生成した水素を水素吸蔵合
    金に一旦貯蔵し、該水素吸蔵合金からの該水素を燃料電
    池に供給することを特徴とする請求項１又は２に記載の
    燃料電池車両の走行方法。
  4. 【請求項４】 水素吸蔵合金を内蔵する水素貯蔵装置を
    複数具備し、一部の水素貯蔵装置がリフォーマから供給
    される水素を吸蔵しているときに他部の水素貯蔵装置か
    らは水素を排出して燃料電池に供給することを特徴とす
    る請求項１又は２に記載の燃料電池車両の走行方法。
  5. 【請求項５】 燃料タンクと、該燃料タンクから供給さ
    れる燃料から水素を生成する水素透過性の分離膜を具備
    したリフォーマと、該水素を供給されて電力を得る燃料
    電池と、該電力により作動する駆動装置を具備すること
    を特徴とする燃料電池車両。
  6. 【請求項６】 水素透過性の分離膜を具備したリフォー
    マがメンブレンリフォーマであることを特徴とする請求
    項５に記載の燃料電池車両。
  7. 【請求項７】 水素透過性の分離膜を具備したリフォー
    マが、燃料の部分酸化を経てＣＯシフト反応により水素
    を生成し、水素透過性の分離膜により選択的に水素を得
    るリフォーマであることを特徴とする請求項５に記載の
    燃料電池車両。
  8. 【請求項８】 水素透過性の分離膜を具備したリフォー
    マが、燃料の水蒸気による改質反応を経てＣＯシフト反
    応により水素を生成し、水素透過性の分離膜により選択
    的に水素を得るリフォーマであることを特徴とする請求
    項５に記載の燃料電池車両。
  9. 【請求項９】 水素透過性の分離膜を具備したリフォー
    マからの水素を燃料電池に供給する前に一旦貯蔵する水
    素吸蔵合金を内蔵した水素貯蔵装置を具備することを特
    徴とする請求項５から８の何れかに記載の燃料電池車
    両。
  10. 【請求項１０】 燃料がCNG、エタン、プロパン、ブタ
    ン、ガソリン、ナフサ、ジメチルエーテル、メタノール
    の何れか１つ、又は２つ以上の混合物であることを特徴
    とする請求項５から９の何れかに記載の燃料電池車両。
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