(57)【要約】  【課題】  水素発生媒体を利用した水素発生装置で生成する水素を燃料電池に供給するシステムにおいて、水素発生装置の供給応答性及び供給速度を向上させるとともに、水素発生装置の作製コストを低減し、簡素化した燃料電池発電システムを提供する。  【解決手段】  本発明の燃料電池発電システムは、水分解媒体30を収納した反応容器２に水を供給する機構を備えた水素発生装置１と、燃料電池11とを組み合わせてなり、水素発生装置１と燃料電池11との間に水素を貯蔵するためのリザーブタンク６を備え、水素発生装置１で生成した水素をリザーブタンク６に充填し、リザーブタンク６から燃料電池11に水素を供給する。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水分解媒体を収納した反応容器に水を供給する機構を備えた水素発生装置と、燃料電池とを組み合わせた燃料電池発電システムであって、前記水素発生装置と前記燃料電池との間に水素を貯蔵するためのリザーブタンクを備え、前記水素発生装置で生成した水素を前記リザーブタンクに充填し、前記リザーブタンクから前記燃料電池に水素を供給することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項２】
水分解媒体を収納した反応容器に水を供給する機構を備えた水素発生装置と、燃料電池とを組み合わせた燃料電池発電システムであって、前記水素発生装置の反応容器を最高使用圧力が0.2〜３MPaの耐圧容器とすることを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池発電システムにおいて、前記水分解媒体がFe、Ni及びCoからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク又は反応容器の内部圧力を計測する圧力計測手段と、得られた圧力計測値に基づいて前記反応容器への水の注入量を制御する水注入制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク又は反応容器の内部圧力が所定の水素貯蔵圧力下限値より低くなると前記反応容器に水を供給して水素を発生させ、前記リザーブタンク又は前記反応容器の内部圧力が所定の水素貯蔵圧力上限値より高くなると前記反応容器への水の供給を停止して水素の発生を止め、もって前記リザーブタンク又は前記反応容器の内部圧力を制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク又は前記反応容器内の湿度を計測する湿度計測手段を備え、得られた湿度計測値を用いて前記リザーブタンク又は前記反応容器内の圧力計測値を補正し、得られた圧力補正値に基づいて前記反応容器への水の供給を制御し、もって前記リザーブタンク又は前記反応容器の内部圧力を制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池発電システムにおいて、前記リザーブタンク又は前記反応容器内の湿度を計測する湿度計測手段と、前記燃料電池に水素を供給するための水素ガスラインに水分を補給する加湿機構を備え、前記湿度計測手段により計測した湿度計測値に基づき、前記水素ガスラインに補給する水分量を調整し、もって前記燃料電池に供給する水素の湿度を制御することを特徴とする燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池発電システムに関し、特に自動車車載用燃料電池の燃料補給を目的とする水素発生装置を備えた燃料電池発電システム、並びに燃料電池発電システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の燃料として、水素、メタン、メタノール、ガソリン等の種々の物質が検討されているが、水素が最も理想的な燃料であると考えられる。水素の利点としては、排出ガスがクリーンであること、電極反応が進行しやすいこと、改質器が不要であること、技術的な課題が少ないこと等が挙げられる。このため、水素の発生と貯蔵技術は燃料電池システム、特に自動車車載用燃料電池システムにとって非常に重要な技術であり、コスト、可搬性、安全性、将来性等の様々な角度から検討されている。特に世界のエネルギー事情及び地球環境の保護の観点から、自動車車載用燃料電池は早い段階から研究されるとともに、水素の貯蔵及び供給も重要な課題として取り上げられている。これまでの水素貯蔵技術をまとめて表１に示す。
【０００３】
【表１】
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【０００４】
表１に示す方法について具体的に説明すると、水素吸蔵合金を用いる場合水素を吸蔵させるために高圧水素が必要であり、そのための水素製造装置と高圧設備が必要となる。また水素吸蔵合金は重量効率が低く、循環寿命（数百回）にも問題がある。
【０００５】
メタノール又はガソリンの改質により水素を生成する場合、改質器、CO変成器等の設備が必要なこと、COを完全に取り除けないこと（<10ppm）、車載の改質器の水素発生効率が低いこと、改質器の昇温に時間を要すること等の問題があり、必ずしも有利ではない。
【０００６】
高圧水素を搭載する方法は比較的簡単であるが、容器容積の制限とガス漏れの危険性が心配される。特に液体水素を積載する場合、水素を液化するためのエネルギー消費の問題及び充填された液体水素が数日間しか持たないという問題があり、個人用自動車に用いるのは適当でないと考えられる。
【０００７】
ケミカルハイドライドの場合、現在ベンゼン又はデカリンの有機化合物を媒体とする検討が進められているが、事故等によるガス状ケミカルハイドライドの流出の問題があり、環境への影響が心配される。水素化硼素化合物を用いる方法もあるが、媒体再生の問題、技術面の複雑さによる問題、及びアルカリ性溶液を使用する問題がある。
【０００８】
最近カーボンナノチューブを用いる水素貯蔵も研究されているが、カーボンナノチューブは比重が小さく充填するタンクの容積が大きくなるという問題があり、また製造コストに対して水素吸蔵量の十分な増加が見られない。
【０００９】
上記水素貯蔵方法のうち現在採用されている方法は高圧水素タンクを用いる方法である。しかしながら、この方法では水素が高圧ガスの状態で貯蔵されるので、保管場所が厳しく規制されるだけでなく、車載の場合の危険性も指摘されている。
【００１０】
これらの水素貯蔵方法の問題点に鑑み、最近酸化鉄を利用した水素媒体が研究されている。これは元々CH4等の炭化水素を分解して得た水素を貯蔵する媒体として研究されてきたが、鉄粉に水を分解して水素を発生させる機能があることが発見され、水素発生媒体として利用することが提案されている。例えばWO 01/96233 A1（特許文献１）及びWO 02/081368 A1（特許文献２）は、鉄又は鉄基合金を利用した水素発生媒体を提案している。しかし、これらの文献は水素発生媒体、又は燃料電池に水素を供給する方法を記載しているが、水素供給システムの構成については何も記載していない。
【００１１】
【特許文献１】WO 01/96233 A1公報
【特許文献２】WO 02/081368 A1公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
鉄等の水素発生媒体を利用した水素発生装置で生成した水素を燃料電池に供給して発電する燃料電池発電システムにおいては、燃料電池の負荷変化に従って水素の供給量を常に変動させ、水素発生装置で製造する水素量を供給に必要な量に調整しなければならない。またこれと連動し、温度を保持するための加熱（又は冷却）、水蒸気の供給等を調整しなければならない。このようなシステムを稼動させるためには、水素発生装置の応答性（水素供給の指令が出されてから、実際に水素を供給するまでの時間）、及び最大水素発生能力（単位時間内の最大水素発生量）をかなり高くする必要がある。
【００１３】
従って本発明の目的は、水素発生媒体を利用する水素発生装置で生成した水素を燃料電池に供給するシステムにおいて、水素発生装置の水素供給応答性及び供給速度を向上させるとともに、水素発生装置のコストを低減し、簡素化した燃料電池発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
水素発生装置の制御の簡略化、水素供給応答性の向上、反応条件の最適化、及びエネルギー利用効率の向上の観点から、水素発生装置ができるだけ安定した温度及び水素発生量で連続して作動されるとともに、燃料電池に必要量の水素が常に供給されるようになっていなければならない。このような目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、(a) 水素発生装置と燃料電池との間に水素を一時的に充填するためのリザーブタンクを設置するか、(b) 耐圧性反応容器を用い、生成された水素を反応容器内に貯蔵するとともに、加圧下で水素生成反応を進行させることにより、水素の消費速度が変化しても水素を定常的に供給することが可能になることを発見し、本発明に想到した。
【００１５】
すなわち、本発明に係る第一の燃料電池発電システムは、水分解媒体を収納した反応容器に水を供給する機構を備えた水素発生装置と、燃料電池とを組み合わせたもので、前記水素発生装置と前記燃料電池との間に水素を貯蔵するためのリザーブタンクを備え、前記水素発生装置で生成した水素を前記リザーブタンクに充填し、前記リザーブタンクから前記燃料電池に水素を供給することを特徴とする。
【００１６】
また本発明に係る第二の燃料電池発電システムは、水分解媒体を収納した反応容器に水を供給する機構を備えた水素発生装置と、燃料電池とを組み合わせたもので、前記水素発生装置の反応容器を0.2〜３MPaの耐圧性（最高使用圧力）としたことを特徴とする。この燃料電池発電システムでは、生成された水素を反応容器内に貯蔵するとともに、加圧下で水素生成反応を進行させる。
【００１７】
水分解媒体はFe、Ni及びCoからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有するのが好ましい。いずれの燃料電池発電システムも、リザーブタンク又は反応容器の内部圧力を計測する圧力計測手段と、得られた圧力計測値に基づいて反応容器への水の注入量を制御する水注入制御手段を備えているのが好ましい。圧力計測手段として、例えばリザーブタンク又は反応容器内に圧力センサを備えることができる。水注入制御手段として、圧力センサにより計測したリザーブタンク又は反応容器の内部圧力値に基づいて反応容器への水の注入量を調整し、注入口の開閉を制御する制御装置を備えることができる。圧力計測手段と水注入制御手段を備えることにより、リザーブタンク又は反応容器内の水素圧力を常に所定の範囲内に維持することができ、燃料電池の負荷が変化しても、それに対応できる水素を供給することが可能となる。
【００１８】
リザーブタンク又は反応容器の内部圧力の制御方法としては、リザーブタンク又は反応容器の内部圧力が所定の水素貯蔵圧力下限値より低くなると反応容器に水を供給して水素を発生させ、リザーブタンク又は反応容器の内部圧力が所定の水素貯蔵圧力上限値より高くなると反応容器への水の供給を停止して水素の発生を止めるのが好ましい。このような制御を行うことにより燃料電池に対する水素供給の応答性を向上させ、水素供給能力を短時間で大幅に向上させることが可能となる。
【００１９】
さらにリザーブタンク内の湿度を計測する湿度計測手段を備え、得られた湿度計測値を用いてリザーブタンクの内部圧力計測値を補正し、得られた圧力補正値に基づいて反応容器への水の供給を制御することにより、リザーブタンクの内部圧力をより精密に制御することが可能となる。同様に反応容器内の湿度の計測によって内部の水蒸気量が分かり、これを除けば正確な水素量が分かる。
【００２０】
燃料電池に供給する水素の湿度を制御するため、リザーブタンク又は反応容器内の湿度を計測する湿度計測手段と、燃料電池に水素を供給するための水素ガスラインに水分を補給する加湿機構を備え、湿度計測手段により計測した湿度計測値に基づき、水素ガスラインに補給する水分量を調整するのも好ましい。例えば、リザーブタンク内に湿度センサを備え、湿度センサにより計測したリザーブタンク内の湿度計測値に基づいて、加湿器から水素ガスラインに水分を補給することができる。リザーブタンク内の湿度の計測結果は、反応容器の内部状態、及び燃料電池に供給する水素の加湿程度を判断する根拠となり、この計測結果に基づいて水分解媒体の劣化を判断し、また水素への加湿量を決めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の第一の燃料電池発電システムは、水素発生装置と燃料電池の間にリザーブタンクを具備するので、燃料電池の負荷が変化しても安定して水素を供給することができる。さらにリザーブタンク内の圧力を計測し、水素発生装置への水蒸気の供給を制御することにより、燃料電池への水素供給の応答性及び短時間内の水素供給能力を大幅に向上させることができる。また本発明の第二の燃料電池発電システムは、反応容器を最高使用圧力が0.2〜３MPaの耐圧容器としているので、水素の消費速度が変化しても水素を定常的に供給することができる。
【００２２】
本発明の燃料電池発電システムは、特に自動車車載用燃料電池発電システムに要求される高効率で、安全性が高く、かつコンパクトであることを満たすのみならず、車両の始動及び加速に要求される高出力密度及び短時間の水素供給応答性を満たすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明に係る第一の燃料電池発電システムは、水素発生装置、燃料電池、及び水素発生装置と燃料電池の間に設置した水素を貯蔵するためのリザーブタンクを備える。また本発明に係る第二の燃料電池発電システムは、水素発生装置に耐圧性反応容器を備える。以下燃料電池発電システムを詳細に説明するが、特に断りがない限り説明は第一及び第二の両方の燃料電池発電システムに適用できる。
【００２４】
水素発生装置は、水分解媒体を収納した反応容器に水を供給する機構を具備する。反応容器としては、耐熱性金属容器（例えばステンレススチール（SUS）製容器等）を用いるのが好ましい。反応容器に水を供給する機構は特に制限されず、反応容器に水を液体として添加してもよいし、水蒸気として添加してもよい。また超音波振動子等により発生するエアロゾルの状態で添加してもよい。媒体温度を所定の温度以上に維持する観点からは、供給する水を加熱し水蒸気として加えるのが好ましい。
【００２５】
本発明に用いる水分解媒体は、好ましくはFe、Ni及びCoからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を含有する。水分解媒体の好ましい例としては、Fe、Ni又はCoの金属単体、これらの元素を少なくとも一種含有する合金等を主成分とする媒体が挙げられる。これらの水分解媒体は球状、柱状、粉末状、多孔体等の形状に成形したものを用いるのが好ましい。水分解媒体をペレットに成形する場合、ペレットの大きさは特に限定されないが、平均粒径で１〜10 mmが好ましく、３〜７mmがより好ましい。
【００２６】
水分解媒体により水が分解して水素を発生する反応は、例えば水分解媒体としてFeを用いる場合、次式で表される。
【化１】
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【００２７】
図１は本発明の第一の燃料電池発電システムの構成例を示す模式図である。水素発生装置１は水分解媒体30を収納した反応容器２、反応容器２の上部に取り付けられた流量制御可能な水蒸気注入装置３、及び貯水タンク14を有し、反応容器２には発生した水素を排出するための水素導出口13が設けられている。水蒸気注入装置３から出た配管26は貯水タンク14に連結しており、水素導出口13から出た配管21はリザーブタンク６に連結している。水素発生装置１とリザーブタンク６の間に、リザーブタンク６の利用率を高めることを目的として水素の貯蔵圧力を高めるためのコンプレッサー７、逆流防止弁９等を設置するのが好ましい。燃料電池11に水素を一定の圧力で供給できるように、リザーブタンク６から減圧弁10を介して燃料電池11に配管22が連結している。燃料電池11は特に限定されず、固体高分子型、リン酸型、溶融炭素塩型、固体酸化物型等の公知の燃料電池を用いることができる。特に自動車車載用燃料電池としては固体高分子型燃料電池を用いるのが好ましい。
【００２８】
反応容器２には外部加熱装置４が取り付けられており、反応容器２内には温度センサ15が備えられ、温度センサ15は配線31により温度制御装置５に電気接続している。温度センサ15により反応容器２内の反応温度を計測することができる。水蒸気注入装置３には加熱装置及び流量計（図示せず）が備えられている。温度制御装置５から配管25が水蒸気注入装置３の加熱装置に連結しており、配管24が外部加熱装置４に連結している。燃料電池11の燃料極側から排出された水素を含有するオフガスは反応容器２の加熱、及び反応容器２に注入する水蒸気を発生させるための水の加熱に利用される。このため、燃料電池11から温度制御装置５にオフガスを送給する配管23が設けられている。温度制御装置５は燃料ガス及びオフガスを、必要に応じてその比率を調整して外部加熱装置４及び水蒸気注入装置３の加熱装置に送給する。
【００２９】
リザーブタンク６内には水素圧力を計測するための圧力センサ16が備えられており、圧力センサ16は配線32により水注入制御装置８に電気接続している。圧力センサ16からの信号に基づき、水蒸気注入装置３からの水蒸気噴射の流量及びコンプレッサー７の動作を制御するため、水注入制御装置８と水蒸気注入装置３との間及び水注入制御装置８とコンプレッサー７との間をそれぞれ配線33及び34により電気接続し、水注入制御装置８からの指令を送信できるようにしている。
【００３０】
図１に示す燃料電池発電システムでは、反応容器２に充填された水分解媒体30に水蒸気を噴射し、反応容器２内で水分解媒体30と水との反応により水を分解して水素を発生させる。まず外部加熱装置４に燃料ガスを送給し、反応容器２を加熱する。水素発生効率を高めるため反応温度を好ましくは200〜400℃、より好ましくは250〜350℃にする。また水蒸気注入装置３に備えられた加熱装置に燃料ガスを送給し、貯水タンク14から供給する水を加熱装置により水蒸気にして、水蒸気注入装置３の噴射口から反応容器２内に注入する。反応温度を上記の範囲に維持するために、水蒸気の温度を好ましくは200〜400℃、より好ましくは250〜350℃にする。反応容器２内で水分解反応により発生した水素を水素導出口13から配管21を通してコンプレッサー７に送り、コンプレッサー７により圧力を高めてリザーブタンク６内に貯蔵する。
【００３１】
リザーブタンク６内に水素を貯蔵する際に、予め水素貯蔵圧力下限値及び水素貯蔵圧力上限値を設定することにより、リザーブタンク６内の水素量（圧力）を設定した範囲内に制御するのが好ましい。これにより燃料電池の負荷が変化しても、変化に対応した水素を供給することができる。例えば、燃料電池の作動ガス圧力（約150〜200 kPa）に、減圧弁の最小圧力損失（100 kPa）と、配管の圧力損失より大きい値（約20〜100 kPa）とを加算した圧力値をリザーブタンク６の水素貯蔵圧力下限値（上記数値中の最小値を取ると約270 kPa）として設定するとともに、反応容器２の水素圧力、リザーブタンク６の定格圧力、コンプレッサー７の使用圧力上限値及びコンプレッサー７の作動エネルギー効率から水素貯蔵圧力上限値を設定する。設定した水素貯蔵圧力の下限値及び上限値を水注入制御装置８に入力し、入力値に基づいてリザーブタンク６の内部圧力を制御する。
【００３２】
具体的には、リザーブタンク６内に設けられた圧力センサ16によりリザーブタンク６の内部圧力を計測し、圧力信号を水注入制御装置８に送る。内部圧力の計測値と設定した水素貯蔵圧力下限値を比較し、リザーブタンク６内の圧力が設定した水素貯蔵圧力下限値より低い場合、水注入制御装置８から水蒸気注入装置３に駆動信号を送り、水蒸気注入装置３の噴射口を開いて水蒸気を反応容器２に供給し、水素を発生させる。水素発生装置１での反応の進行に伴い、リザーブタンク６内の圧力が上昇する。リザーブタンク６内の圧力が設定した水素貯蔵圧力上限値より高くなると、水注入制御装置８から水蒸気注入装置３に停止信号を送り、水蒸気注入装置３の噴射口を閉じて反応容器２への水蒸気の供給を停止する。水蒸気注入装置３から水蒸気を噴射する際に、水蒸気注入装置３に設けられた流量計（図示せず）により水蒸気の流量を計測してもよい。計測した信号を水注入制御装置８に送り、信号に基づき水注入制御装置８により水噴射の流量及びＯＮ／OFFを調整することができる。
【００３３】
上記のように圧力センサ16からの圧力信号に基づいて水素発生装置１への水の供給を制御することにより、リザーブタンク６内の水素圧力を常に所定の範囲内に維持し、燃料電池の負荷が変化しても、その変化に対応できる水素燃料を供給することが可能となる。
【００３４】
リザーブタンク６内に充填された水素を配管22を通して燃料電池11に定常的に供給する。その際、リザーブタンク６と燃料電池11の間に設けられた減圧弁10により減圧して一定の圧力の水素を燃料電池11に供給する。燃料電池11は、供給された水素と酸化剤ガスにより発電を行う。具体的には水素と酸化剤ガスによる電気化学的反応により電子を発生し、この電子を負荷モータ（外部回路）12に取り出すことにより、電気エネルギーを発生させる。また水素を有効利用する観点から、発電により燃料電池11の燃料極側から排出されたオフガス（水素含有ガス）を配管23を通して温度制御装置５に送給する。反応容器２内に設けられた温度センサ15により計測した温度信号を温度制御装置５に送り、温度制御装置５は温度信号に基づき水素発生装置１の外部加熱装置４及び水蒸気注入装置３に送るオフガスの量を制御する。外部加熱装置４及び水蒸気注入装置３はオフガスを燃料ガスとともに燃焼させ、反応容器２内の反応温度及び反応容器２に注入する水蒸気の温度を所定の範囲に維持する。
【００３５】
図２は本発明の第一の燃料電池発電システムの別の構成例を示す模式図である。リザーブタンク６内には燃料電池11に供給する水素の湿度を計測するための湿度センサ17が備えられ、湿度センサ17は配線35により湿度制御装置18に電気接続している。減圧弁10と燃料電池11の間にはガス混合器20が設けられており、湿度制御装置18は配線36により加湿装置19に電気接続しており、加湿装置19から水を補給するための配管27がガス混合器20に連結している。上記以外の構成は図１の実施例と同じであるので説明を省略する。
【００３６】
燃料電池の反応は、例えば固体高分子型燃料電池の場合、アノード反応（H2 → 2H+ + 2e-）により水素イオンが発生する。発生した水素イオンは水和状態で電解質膜中をカソードへ移動する。このため、電極反応を連続して行うと水和した水素イオンの移動により電解質膜のアノード側表面付近の水分が不足してくる。固体高分子型燃料電池に用いる電解質膜は湿潤状態で良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると電気抵抗が大きくなり電解質膜として十分に機能しなくなる。このため、燃料電池発電システムに加湿機構を備え、水素発生装置１で発生した水素を途中で加湿してから燃料電池11に供給するのが好ましい。
【００３７】
水素を加湿する機構は特に限定されず、公知の機構であってよい。例えば、加湿装置19で水蒸気を発生させ、発生した水蒸気をガス混合器20内でリザーブタンク６から送給される水素に添加してもよいし、ガス混合器20内に多孔質膜を設け、加湿装置19から送給する水とリザーブタンク６から送給する水素を混合器20内の多孔質膜を通過させることにより、水素を加湿してもよい。
【００３８】
図２の例では、水素発生装置１で発生した水素をリザーブタンク６に送り、湿度センサ17により貯蔵された水素の湿度を計測する。湿度センサ17からの信号が設定した湿度より低い場合、湿度制御装置18は燃料電池11に供給する水素の湿度が所定の範囲内になるように加湿装置19に水分補給の指令を送る。加湿装置19は水蒸気を発生させ、ガス混合器20に水蒸気を送給し、ガス混合器20により加湿装置19から送給される水蒸気とリザーブタンク６から送給される水素を混合し、燃料電池11に供給する。またリザーブタンク６内の湿度を計測することにより、湿度計測値に基づいて水素の圧力計測値を補正し、正確な水素圧力を計測することができる。この補正された計測値を用いることによりリザーブタンク６の内部圧力をより精密に制御することが可能となる。さらに水素の湿度計測値から水分解媒体の水素生成能をモニタリングすることもできる。すなわち、反応容器２内での反応が進行すると水分解媒体が酸化（例えばFeがFe3O4に酸化）され、水分解媒体の水素生成能が低下し、発生した水素の湿度が上昇する。従って、リザーブタンク６内の湿度を計測することにより水分解媒体の水素生成能をモニタリングすることが可能となる。
【００３９】
図３は本発明の第二の燃料電池発電システムの構成例を示す模式図である。第二の燃料電池発電システムは、水素発生装置１と燃料電池11との間にリザーブタンクを設けていないこと、及び反応容器２内に圧力センサ16が備えられていること以外、基本的に図１に示す第一の燃料電池発電システムの構成と同じである。第二の燃料電池発電システムでは、水素発生装置１の反応容器２として、最高使用圧力0.2〜３MPaの耐圧容器を用いる。耐圧容器の最高使用圧力が0.2 MPa未満であると、生成された水素の貯蔵能力が不十分であり、また３MPaを超えると、配管なども耐圧性にしなければならず、コスト高と重量アップにつながる。耐圧容器の最高使用圧力の下限は好ましくは0.5 MPaであり、上限は好ましくは1.5 MPaである。耐圧容器の最高使用圧力が0.5〜1.5 MPaの範囲内であると、装置効率が良い。
【００４０】
最高使用圧力0.2〜３MPaの耐圧容器を用いることにより、生成された水素を反応容器２内に貯蔵することができ、上述したリザーブタンクを設置する必要がなく、水素供給システムの小型軽量化及びコストの低減を図ることができる。また加圧下で水素生成反応を進行させることにより、常圧に比べ反応効率を向上させることができる。さらに反応容器２内が加圧状態であるため、生成された水素ガスを導出するためのコンプレッサーを用いる必要がなく、水素供給システムが簡略化される。もちろんこの構成にリザーブタンクを設けて、さらに多量の水素を貯蔵することもできる。
【００４１】
反応容器２は、予め水素貯蔵圧力の下限値及び上限値を設定することにより、水素量（圧力）を設定した範囲内に制御する。反応容器２内に設けられた圧力センサ16により反応容器２の内部圧力を計測し、圧力信号を水注入制御装置８に送る。内部圧力の計測値と設定した水素貯蔵圧力下限値とを比較し、反応容器２内の圧力が設定した水素貯蔵圧力下限値より低いと、水注入制御装置８から水蒸気注入装置３に駆動信号を送り、水蒸気注入装置３の噴射口を開いて水蒸気を反応容器２に供給し、水素を発生させる。水素生成反応の進行に伴い、反応容器２内の圧力が上昇する。反応容器２内の圧力が設定した水素貯蔵圧力上限値より高くなると、水注入制御装置８から水蒸気注入装置３に停止信号を送り、水蒸気注入装置３の噴射口を閉じて反応容器２への水蒸気の供給を停止する。
【００４２】
図４は、本発明の燃料電池発電システムにおいて、反応容器２の水素導出口13に水素透過膜52を設置した例を示す。これにより、反応容器２中のH2O（水蒸気）の導出を遮断して、水素のみを導出することができる。水素透過膜52として、Pd膜やLaNi5膜等を用いることができる。例えば、アルミナ多孔質体に無電解めっきによりPdを被覆した膜等を用いることができる。このような構成とすることにより、貯水タンク14のH2O（水蒸気）を確実に水素生成反応に利用することができ、貯水タンク14の小型化が図れる。また添加したH2Oの量から水素生成反応に使用されたH2Oの量を正確に把握することが可能となり、水分解媒体30の消費量（水分解媒体30がFeの場合には、Fe3O4の生成量）を検知することが可能となる。H2Oの消費量（添加量）から水分解媒体30の寿命を検知する方法は、水素生成量から検知する方法に比べて構成が簡略であり、検知精度も高いという利点を有する。
【００４３】
図５は、本発明のさらに別の実施例として、水素導出口13に連結した配管21にH2Oトラップ用多孔質体62を充填し、その周囲に冷媒を流すための配管63を設置した構成を示す。この実施例では、H2Oトラップ用多孔質体62と水蒸気注入装置３又は貯水タンク14とは配管64により接続され、H2Oトラップ用多孔質体62中で液化したH2Oは水蒸気注入装置３又は貯水タンク14に環流させられて、再び水素生成のため反応容器２に導入される。図示のように、H2Oトラップ用多孔質体62と水蒸気注入装置３又は貯水タンク14との間にH2Oタンク65を設置し、一定量の水を貯蔵してもよい。またH2Oトラップ用多孔質体62の代わりに、冷却用フィンやその他のH2Oトラップ手段を設置しても同様の効果が得られる。
【００４４】
本発明の燃料電池発電システムは上記の例に限られず、本発明の目的を損なわない範囲で構成要素を変更してもよいし、新たな構成要素を付加してもよい。例えば、温度制御装置５、水注入制御装置８及び湿度制御装置18を統合した制御装置を備える構成としてもよいし、温度センサ15の温度信号に基づいて水蒸気注入装置３を制御する機構等を付加してもよい。
【００４５】
本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００４６】
図１に示す燃料電池発電システムを用いて、水素発生実験を行った。この燃料電池発電システムは、水素発生装置１、リザーブタンク６及び燃料電池11を有する。SUS製の反応容器２の底部には外部加熱装置（ガスバーナー）４が取り付けられており、反応容器２の上部にはヒーターと流量計を組み合せた水蒸気注入装置３が取り付けられ、水蒸気注入装置３から出た配管26が貯水タンク14に連結している。水素導出口13からリザーブタンク６（容量約10 L）にコンプレッサー７及び逆流防止弁９を介して配管21が連結し、リザーブタンク６から燃料電池11に減圧弁10を介して配管22が連結している。燃料電池11の出口から温度制御装置５にオフガス（水素含有ガス）を送給するための配管23が連結している。反応容器２内には温度センサ（熱電対）15が備えられ、温度センサ15からの温度信号に基づき、水蒸気注入装置３に設けられたヒーター及び外部加熱装置（ガスバーナー）４に供給する燃料ガスを制御する温度制御装置５が備えられている。またリザーブタンク６内には圧力センサ16が備えられ、圧力センサ16からの圧力信号に基づき反応容器２に供給する水量及びコンプレッサー７を制御する水注入制御装置８が備えられている。
【００４７】
上記構成の水素供給装置における反応容器２に、97モル％のFeと３モル％のAlからなる直径５mm×長さ５mmの円柱状ペレットの水分解媒体30を充填し、発電システムを以下のように作動させた。まず水注入制御装置８からの指令により水蒸気注入装置３の噴射口を開いて200℃の水蒸気を反応容器２に供給し、水素を発生させた。その際、外部加熱装置（ガスバーナー）４に供給する燃料ガスの流量を温度制御装置５によって調整することにより、反応容器２内の反応温度を340℃に保持した。また燃料電池11の出口から排出された水素含有ガスを温度制御装置５に戻し、水蒸気注入装置３に設けられたヒーター及び外部加熱装置（ガスバーナー）４の燃料とすることにより水素の利用率を高めた。
【００４８】
反応容器２で発生した水素をリザーブタンク６に送り、リザーブタンク６内に貯蔵した後、減圧弁10を介して一定圧力で燃料電池11に供給した。発電システムの作動中、リザーブタンク６内に備えた圧力センサ16による計測値に基づいて反応容器２への水蒸気の供給量を制御し、リザーブタンク６の内部圧力を所定の範囲に保持した。水素供給システムの応答性と５秒間における供給最大速度を測定した。結果を表２に示す。燃料電池11の負荷を変動させても、良好な応答性（＜１秒）及び５秒間供給最大速度（＞25 L/分）を示した。
【実施例２】
【００４９】
図２に示す燃料電池発電システムを用いて、水素発生の実験を行った。この燃料電池発電システムは、湿度センサ17、湿度制御装置18、加湿装置19及びガス混合器20を新たに装備した以外実施例１の燃料電池発電システムと同じである。実施例１と同様にして水素供給システムと燃料電池を組み合わせて発電システムを作動させた。その際、湿度センサ17によりリザーブタンク６（容量約10 L）内の水素の湿度を計測し、得られた湿度信号に基づいて湿度制御装置18から加湿装置19に指令し、加湿装置19からガス混合器20に水蒸気を送給した。これにより燃料電池11に供給する水素の湿度を所定の範囲に調整した。水素発生装置１により生成した水素の湿度の経時変化を図６に示す。図６から反応の進行により水素の湿度が上昇し、水分解媒体30の酸化が経時的に進行していることがわかる。従って、リザーブタンク６内の湿度を計測することにより水分解媒体30の水素生成能をモニタリングできることが分かる。
【実施例３】
【００５０】
図３に示す燃料電池発電システムを用いて、水素発生の実験を行った。この燃料電池発電システムは、リザーブタンクを設けず、耐圧性の反応容器２内に圧力センサ16が備えた以外、基本的に図１に示す燃料電池発電システムの構成と同じである。
【００５１】
耐圧性の反応容器２の底部には外部加熱装置（ガスバーナー）４が取り付けられており、反応容器２の上部にはヒーターと流量計を組み合わせた水蒸気注入装置３が取り付けられ、水蒸気注入装置３から配管26が貯水タンク14に連結している。水素導出口13から逆流防止弁９及び減圧弁10を介して燃料電池11に配管28が連結している。燃料電池の出口から温度制御装置５にオフガス（水素含有ガス）を送給するための配管23が連結している。反応容器２内には温度センサ15及び圧力センサ16が備えられ、温度センサ15からの温度信号に基づき水蒸気注入装置３に設けられたヒーター及び外部加熱装置（ガスバーナー）４に燃料ガス及びオフガスを供給する温度制御装置５が備えられている。また圧力センサ16からの圧力信号に基づき水蒸気注入装置３による水蒸気注入量を制御する水注入制御装置８が備えられている。
【００５２】
この燃料電池発電システムを用いて、耐圧性の反応容器２内の反応温度を340℃に保持し、内部圧力を0.5 MPaに保持した以外、実施例１と同じ条件で水素を発生させた。その結果、実施例１とほぼ同等の水素供給応答性及び供給最大速度が得られた。
【００５３】
比較例１
図３に示す燃料電池発電システムを用いて、水素発生の実験を行った。ただし、この例では反応容器２を耐圧容器とせず、その内部圧力をほぼ常圧（0.10〜0.15 MPa）に保持した。反応容器２に、97モル％のFeと３モル％のAlからなる直径５mm×５mmの円柱状ペレットの水分解媒体を充填し、発電システムを以下のように作動させた。まず水注入制御装置８からの指令により水蒸気注入装置３の噴射口を開いて水蒸気を反応容器２に供給し、水素を発生させた。その際、ガスバーナー４に供給する燃料ガスの流量を温度制御装置５によって調整することにより、反応容器２内の反応温度を340℃に保持した。また燃料電池の出口から排出された水素含有ガスを温度制御装置５に戻し、水蒸気注入装置３に設けられたヒーター及びガスバーナー４の燃料とすることにより水素の利用率を高めた。圧力センサ16により反応容器２内の圧力を計測し、圧力計測値に基づいて反応容器２内への水蒸気注入量を制御した。反応容器２で発生した水素は逆流防止弁９及び減圧弁10を介して燃料電池11に供給した。燃料電池の負荷を変動させると、水素供給システムの応答性は５秒以上かかり、５秒間における供給最大速度は実施例１の約１/５であった。結果を表２に示す。
【００５４】
【表２】
2004281393.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】第一の燃料電池発電システムの構成例を示す模式図である。
【図２】第一の燃料電池発電システムの別の構成例を示す模式図である。
【図３】第二の燃料電池発電システムの構成例を示す模式図である。
【図４】本発明の燃料電池発電システムにおいて、反応容器の水素導出口に水素透過膜を設置した例を示す模式図である。
【図５】本発明の燃料電池発電システムにおいて、反応容器の水素導出口に連結した配管にH2Oトラップ用多孔質体を充填した例を示す模式図である。
【図６】実施例２において燃料電池に供給する水素の湿度の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５６】
１・・・水素発生装置
２・・・反応容器
３・・・水蒸気注入装置
４・・・外部加熱装置
５・・・温度制御装置
６・・・リザーブタンク
７・・・コンプレッサー
８・・・水注入制御装置
９・・・逆流防止弁
10・・・減圧弁
11・・・燃料電池
12・・・負荷モータ
13・・・反応容器の水素導出口
14・・・貯水タンク
15・・・温度センサ
16・・・圧力センサ
17・・・湿度センサ
18・・・湿度制御装置
19・・・加湿装置
20・・・ガス混合器
21〜27・・・配管
31〜35・・・配線
52・・・水素透過膜
62・・・H2Oトラップ用多孔質体
63・・・冷却用配管
64・・・配管
65・・・H2Oタンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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