JP2001106503A - 水素富化装置および燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水素を含有するガス中の水素分圧をより高く
する。 【解決手段】 水素富化部１０のアルカリ金属貯蔵部１
２には、ナトリウムを被膜１８で被覆して成るアルカリ
金属塊１３が備えられている。アルカリ金属貯蔵部１２
に水タンク２４から水を供給すると共に、アルカリ金属
塊１３を損傷させると、ナトリウムと水とが反応して水
素と水酸化ナトリウムとが生じる。この水酸化ナトリウ
ムが溶解した水溶液は、アルカリ水溶液貯蔵部１４に送
られ、ここでは、水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガス
を通過させることによって、改質ガス中の二酸化炭素量
が低減される。二酸化炭素量を低減した改質ガスは、上
記反応で生じた水素と混合されて、燃料ガスとして、燃
料ガス供給路６６を介して燃料電池に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素富化装置およ
び燃料電池装置に関し、詳しくは、炭化水素を改質した
ガスのような水素を含有するガスの水素分圧をさらに高
める水素富化装置、および、このような水素富化装置を
備え、得られたより水素分圧の高いガスを燃料電池にお
ける電気化学反応に供する燃料電池装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料電池を用いて発電を行なう方
法としては、燃料電池に供給する水素を含有する燃料ガ
スに、炭化水素を改質して得られる改質ガスを用いる方
法が知られている。炭化水素を原燃料として、例えば水
蒸気改質反応を行なうと、水素と二酸化炭素とを生成す
ることができるため、このような炭化水素の改質によっ
て得られる改質ガスを燃料ガスとして、燃料電池におい
て電気化学反応を進行させることができる。

【０００３】ここで、燃料電池の電池性能を向上させ、
出力電圧をより高めるためには、各電極に供給するガス
中の電極活物質の分圧を上昇させると共に、電極活物質
の濃度（純度）を上昇させることが有用である。すなわ
ち、アノード側に供給する燃料ガスではガス中の水素分
圧および水素濃度を、カソード側に供給する酸化ガスで
はガス中の酸素分圧および酸素濃度を、より上昇させる
ことが望ましい。

【０００４】したがって、燃料ガスとして上記改質ガス
を用いる場合にも、改質ガス中の水素分圧および水素濃
度をさらに高めることによって、燃料電池の電池性能の
向上を図ることが考えられる。改質ガス中の水素濃度を
高める方法としては、改質ガスを燃料ガスとして燃料電
池に供給するのに先立って、改質ガスを間接的にアルカ
リ水溶液と接触させて、改質ガス中の二酸化炭素とアル
カリ水溶液中のアルカリとを反応させる方法が提案され
ている（例えば、特開平３−２９５１７５公報等）。こ
のような方法によれば、二酸化炭素とアルカリとを反応
させて改質ガス中の二酸化炭素量を削減することによ
り、改質ガス中の水素濃度を上昇させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに二酸化炭素とアルカリとを反応させることで改質ガ
ス中の二酸化炭素量を削減しても、水素濃度が高まるこ
とによる所定の効果（反応に寄与しない他の成分の存在
によって反応が妨げられるのを防ぐ効果）は得られるも
のの、二酸化炭素を除去することだけにより水素分圧を
充分に高めることは困難であって、充分に水素分圧を高
めるためには、改質ガスの総量を増やす必要があった。
改質ガスの総量を増やそうとすると、改質ガスを生成す
るための原燃料である炭化水素の消費量が増大してしま
う（運転効率が低下してしまう）ため、採用し難い場合
がある。したがって、このような運転効率の低下を伴う
ことなく、燃料電池の電池性能をさらに向上させること
が望まれていた。

【０００６】本発明の水素富化装置および燃料電池装置
は、こうした問題を解決し、水素を含有するガス中の水
素分圧をより高めることを目的として、次の構成を採っ
た。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の水素富化装置は、水素と二酸化炭素とを含有する
混合ガスの供給を受け、前記混合ガスよりも水素濃度の
高い水素リッチガスを排出する水素富化装置であって、
アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成
り、前記水素富化装置における所定の運転条件下で、前
記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、お
よび水と接触しても、充分に安定である材料から成る被
膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備
える水素生成部と、前記水素生成部に水を供給する水供
給手段と、前記水素生成部において、前記アルカリ金属
塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前
記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは
前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段により供
給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化
物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前
記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反
応誘発手段と、前記混合ガスの供給を受け、前記アルカ
リ金属の水酸化物が溶解する水溶液中の前記アルカリ金
属の水酸化物と、前記混合ガス中の二酸化炭素とを反応
させることによって、前記混合ガスから二酸化炭素を除
去し、前記混合ガスから、二酸化炭素量を低減した二酸
化炭素低減ガスを生成する二酸化炭素除去手段と、前記
二酸化炭素除去手段が生成した前記二酸化炭素低減ガス
と、前記誘発手段における前記反応で生じた前記水素と
を混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッ
チガス排出手段とを備えることを要旨とする。

【０００８】以上のように構成された本発明の水素富化
装置は、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物
から成り、前記水素富化装置における所定の運転条件下
で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合
物、および水と接触しても、充分に安定である材料から
成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属
塊を備える水素生成部に対して水を供給する。水素生成
部では、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷さ
せ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成す
る前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物
と、供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の
水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生
じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生
じる。また、水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスの
供給を受け、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水
溶液中の前記アルカリ金属の水酸化物と、前記混合ガス
中の二酸化炭素とを反応させることによって、前記混合
ガスから二酸化炭素を除去し、前記混合ガスから、二酸
化炭素量を低減した二酸化炭素低減ガスを生成する。さ
らに、この二酸化炭素低減ガスと、前記反応で生じた前
記水素とを混合し、前記水素リッチガスとして排出す
る。

【０００９】このような水素富化装置によれば、アルカ
リ金属あるいは該アルカリ金属の化合物と、水との反応
により生じたアルカリ金属の水酸化物を用いて、水素と
二酸化炭素とを含有する混合ガス中の二酸化炭素を除去
する。したがって、混合ガス中の二酸化炭素濃度を充分
に低くすることができる。また、上記反応により生じた
水素を、混合ガスの二酸化炭素濃度を低減して得られる
二酸化炭素低減ガスに混合するため、水素と二酸化炭素
とを含有する混合ガスを基にして、二酸化炭素濃度が充
分に低く、水素分圧が充分に高いガスを得ることができ
る。

【００１０】水素と二酸化炭素とを含有する混合ガスを
得る方法としては、炭化水素を改質する方法が良く知ら
れているが、このような改質ガスを混合ガスとして本発
明を適用すれば、炭化水素を改質して得られる改質ガス
から、二酸化炭素濃度が充分に低く極めて水素純度の高
いガスを得ることができる。

【００１１】ここで、水素生成部が備えるアルカリ金属
塊は、粒状、球形、不定形などいかなる形状であっても
よく、前記被膜が損傷された結果、アルカリ金属と水と
が反応するのを妨げない形状であればよい。また、前記
被膜を構成する充分に安定である材料とは、前記水素富
化装置における所定の条件下で、前記アルカリ金属ある
いは前記アルカリ金属の化合物、および水と接触して
も、これらのうちの少なくとも一つ、あるいは酸素など
周囲の動作環境中に存在する物質との間で化学反応を起
こす活性が充分に低く、非所望時に溶融や気化などの変
化を起こさない材料であればよい。このような性質の材
料によって被膜を形成することによって、非所望時にア
ルカリ金属と水とが接触して反応を起こすのを防ぐこと
ができる。

【００１２】本発明の水素富化装置において、前記アル
カリ金属は、ナトリウムまたはカリウムであることとし
てもよい。

【００１３】また、本発明の水素富化装置において、前
記アルカリ金属の化合物は、前記アルカリ金属の水素化
物であることとしてもよい。アルカリ金属の水素化物
も、水と反応して水素とアルカリ金属の水酸化物を生じ
る活性が充分に高い。

【００１４】このようなアルカリ金属あるいはアルカリ
金属の化合物を用いれば、上記反応で生じるアルカリ金
属の水酸化物や、これが二酸化炭素と反応して生じるア
ルカリ金属の炭酸塩は、水に対する溶解度が充分に高い
ため、上記反応で生じたアルカリ金属の水酸化物やアル
カリ金属の炭酸塩を、水溶液の状態で、容易に移送し、
貯蔵し、その後の反応に供し、また排出することができ
て有利である。

【００１５】また、本発明の水素富化装置において、前
記反応誘発手段は、物理的な力によって前記被膜を損傷
させることとしてもよい。

【００１６】本発明の第１の燃料電池装置は、水素を含
有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受
け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える
燃料電池装置であって、請求項１ないし４いずれか記載
の水素富化装置と、前記水素富化装置が排出した前記水
素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池に供
給する燃料ガス供給手段とを備えることを要旨とする。

【００１７】以上のように構成された本発明の第１の燃
料電池装置は、請求項１ないし４記載の水素富化装置が
排出した水素リッチガスを、燃料ガスとして燃料電池に
供給し、燃料電池では、この燃料ガスと共に酸素を含有
する酸化ガスをさらに供給され、電気化学反応により起
電力を得る。

【００１８】このような燃料電池装置によれば、本発明
の水素富化装置を用いて、水素と二酸化炭素とを含有す
る混合ガスを基にして、より水素濃度および水素分圧が
高い水素リッチガスを生じ、この水素リッチガスを燃料
ガスとして燃料電池で発電を行なうため、燃料電池の性
能をより向上させることができる。例えば、燃料電池に
供給する燃料ガスとしては、炭化水素を改質した改質ガ
スが広く知られているが、水素と二酸化炭素とを含有す
るこのような改質ガスを、上記水素富化装置によってよ
り水素濃度を高めて燃料電池に供給することにより、燃
料電池の性能を大きく向上させることができる。

【００１９】このような本発明の第１の燃料電池装置に
おいて、前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解
液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化
物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、前記
燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発手段
による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が
溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質層に
供給する電解液交換手段をさらに備えることとしてもよ
い。

【００２０】このような場合には、既述した効果に加え
てさらに、以下のような効果を奏する。すなわち、水素
富化装置が備える反応誘発手段による前記反応で生じた
前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新た
な電解液として、アルカリ型燃料電池の電解質層に供給
することができるため、アルカリ型燃料電池の電解液が
劣化して電池性能が低下してしまうのを抑えることがで
きる。

【００２１】このような燃料電池装置において、前記燃
料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する電解液
劣化状態検知手段と、前記反応誘発手段による前記反応
で生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液
の流路を切り替えて、該水溶液を、前記電解液交換手段
によって前記電解液の交換に用いるか、あるいは、前記
二酸化炭素除去手段によって前記混合ガス中の二酸化炭
素の除去に用いるかを、選択可能である切り替え手段
と、前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を
検知したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換
を行なうように、前記切り替え手段を切り替える制御手
段とをさらに備えることとしてもよい。

【００２２】このような構成とすれば、アルカリ型燃料
電池を備える燃料電池装置において、燃料電池の電解液
の劣化を検知したときには、前記アルカリ金属の水酸化
物が溶解する水溶液を用いて前記電解液の交換を行なう
ことができるので、電解液の劣化に起因して電池性能が
低下してしまうのを防ぐことができる。また、それ以外
の場合には、前記アルカリ金属の水酸化物が溶解する水
溶液を用いて混合ガス中の二酸化炭素の除去を行ない、
二酸化炭素が低減されたガスを燃料ガスとして燃料電池
に供給することができるため、燃料ガス中に含まれる二
酸化炭素によって電解液が劣化してしまうのを抑えるこ
とができる。

【００２３】本発明の第２の燃料電池装置は、水素を含
有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガスの供給を受
け、電気化学反応により起電力を得る燃料電池を備える
燃料電池装置であって、少なくとも水素を含有する水素
含有ガスの供給を受け、水素濃度の高い水素リッチガス
を排出する水素富化部と、前記水素富化部が排出した前
記水素リッチガスを、前記燃料ガスとして前記燃料電池
に供給する燃料ガス供給手段とを備えると共に、前記水
素富化部は、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化
合物から成り、前記水素富化部における所定の運転条件
下で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化
合物、および水と接触しても、充分に安定である材料か
ら成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金
属塊を備える水素生成部と、前記水素生成部に水を供給
する水供給手段と、前記水素生成部において、前記アル
カリ金属塊を覆う前記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の
結果、前記アルカリ金属塊を構成する前記アルカリ金属
あるいは前記アルカリ金属の化合物と、前記水供給手段
により供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属
の水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で
生じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を
生じる反応誘発手段と、前記反応誘発手段における前記
反応で生じた前記水素と、前記水素含有ガスとを混合
し、前記水素リッチガスとして排出する水素リッチガス
排出手段とを備え、前記燃料電池は、その電解質層を構
成する電解液として、前記アルカリ金属の水酸化物と同
種の水酸化物の水溶液を用いるアルカリ型燃料電池であ
って、前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反
応誘発手段における前記反応で生じた前記アルカリ金属
の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前
記電解質層に供給する電解液交換手段をさらに備えるこ
とを要旨とする。

【００２４】以上のように構成された本発明の第２の燃
料電池装置は、アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の
化合物から成り、水素富化部における所定の運転条件下
で、前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合
物、および水と接触しても、充分に安定である材料から
成る被膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属
塊を備える水素生成部に対して水を供給する。水素生成
部では、前記アルカリ金属塊を覆う前記被膜を損傷さ
せ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ金属塊を構成す
る前記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物
と、供給された水とを接触させて、前記アルカリ金属の
水酸化物と水素とを生じる反応を起こさせ、該反応で生
じた前記アルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液を生
じる。このアルカリ金属の水酸化物が溶解した水溶液
は、この燃料電池装置が備えるアルカリ型燃料電池の電
解質層に対して、新たな電解液として供給される。ま
た、前記反応により生じた水素と、前記混合ガスとを混
合し、前記混合ガスよりも水素濃度が高い水素リッチガ
スを生じる。前記燃料電池は、この水素リッチガスを燃
料ガスとして供給され、酸素を含有する酸化ガスをさら
に供給されて、電気化学反応により起電力を得る。

【００２５】このような燃料電池装置によれば、水素富
化部が備える反応誘発手段による前記反応で生じた前記
アルカリ金属の水酸化物が溶解する水溶液を、新たな電
解液として、アルカリ型燃料電池の電解質層に供給する
ことができるため、アルカリ型燃料電池の電解液が劣化
して電池性能が低下してしまうのを抑えることができ
る。さらに、前記反応で生じた水素を、前記水素含有ガ
スと混合して水素リッチガスとし、この水素リッチガス
を燃料ガスとして燃料電池に供給するため、前記水素含
有ガスが水素以外の成分を含有する場合にはより水素濃
度が高いガスを燃料ガスとすることができると共に、水
素分圧が高いガスを燃料ガスとすることができるため、
燃料電池の性能をさらに向上させることができる。ま
た、前記反応で生じた水素を前記水素含有ガスと混合し
て用いることにより、所定量の発電に要する前記水素含
有ガスの量を削減することができる。

【００２６】このような本発明の第２の燃料電池装置に
おいて、前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を
検知する電解液劣化状態検知手段をさらに備え、前記電
解液交換手段は、前記電解液劣化状態検知手段が前記電
解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用いて前記
電解液の交換を行なうように、前記水溶液を前記燃料電
池に供給することとしても良い。

【００２７】このような構成とすれば、電解液の劣化を
検知した上で前記電解液の交換を行なうため、電解液の
劣化に起因して電池性能が低下してしまうのを確実に防
ぐことができる。

【００２８】なお、本発明の第１および第２の燃料電池
装置において、電解液劣化の検知は、例えば、電解液の
ｐＨを検出することによって容易に検知することができ
る。アルカリ金属の水酸化物の水溶液からなる電解液
が、燃料電池に供給されるガス中の二酸化炭素によって
劣化すると、上記アルカリ金属の水酸化物と二酸化炭素
とが反応し、これに伴って電解液のｐＨの値が次第に小
さくなる。したがって、電解液のｐＨを検出すること
で、電解液の劣化状態を知ることができる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を
実施例に基づき説明する。 （１）装置の全体構成：図１は、本発明の好適な第１実
施例である水素富化部１０の構成を表わす説明図、図２
は、この水素富化部１０を備える燃料電池装置２０の構
成を例示する概略構成図である。まず、図２に基づい
て、燃料電池装置２０の構成について説明する。燃料電
池装置２０は、メタノールを貯蔵する原燃料タンク２
２、水を貯蔵する水タンク２４、メタノールおよび水を
気化するための蒸発器３２、蒸発器３２に併設されて燃
焼ガスを発生するバーナ２８、改質反応によって水素を
含有する改質ガスを生成する改質器３４、改質ガス中の
水素濃度を高める水素富化部１０、電気化学反応により
起電力を得る燃料電池４０、空気を圧縮して燃料電池４
０に供給するブロワ３８、コンピュータにより構成され
る制御部５０を主な構成要素とする。以下、それぞれの
構成要素について順に説明する。

【００３０】原燃料タンク２２に貯蔵されるメタノール
は、蒸発器３２およびバーナ２８に供給される。原燃料
タンク２２と蒸発器３２とを接続するメタノール流路６
０には第２ポンプ７１が設けられており、メタノール流
路６０から分岐してバーナ２８に通じるメタノール分岐
路６１には第１ポンプ７０が設けられている。第１ポン
プ７０および第２ポンプ７１は、制御部５０に接続され
ており、制御部５０から出力される信号によって駆動さ
れ、蒸発器３２およびバーナ２８に供給されるメタノー
ルの量を制御する。

【００３１】水タンク２４に貯蔵される水は、蒸発器３
２および水素富化部１０に供給される。水タンク２４と
蒸発器３２とを接続する水流路６２には第３ポンプ７２
が設けられており、水流路６２から分岐して水素富化部
１０に通じる水分岐路７４には第４ポンプ７３が設けら
れている。第３ポンプ７２および第４ポンプ７３は、制
御部５０に接続されており、制御部５０から出力される
信号によって駆動され、蒸発器３２および水素富化部１
０に供給する水量を調節する。水流路６２は、メタノー
ル流路６０と合流して原燃料供給路６３となり、所定量
ずつ混合されたメタノールと水とが、蒸発器３２に供給
される。

【００３２】蒸発器３２は、原燃料タンク２２から供給
されるメタノールと、水タンク２４から供給される水と
を気化させる装置であり、上記したようにメタノールと
水の供給を受けて、昇温したメタノールと水との混合気
体を排出する。蒸発器３２から排出された水蒸気とメタ
ノールとの混合気体は、原燃料ガス供給路６４を介して
改質器３４に供給される。蒸発器３２には、メタノール
および水を気化させる熱源としてバーナ２８が併設され
ている。バーナ２８は、燃焼のための燃料を、燃料電池
４０のアノード側および原燃料タンク２２から供給され
る。燃料電池４０は、メタノールを改質器３４で改質し
て生成した水素を含有するガスを燃料として電気化学反
応を行なうが、燃料電池４０に供給されたすべての水素
が電気化学反応において消費されるわけではなく、消費
されずに残った水素を含む燃料排ガスは燃料排出路６７
に排出される。バーナ２８は、この燃料排出路６７に接
続して燃料排ガスの供給を受け、消費されずに残った水
素を完全燃焼させて燃料の利用率の向上を図っている。
通常はこのような排燃料だけではバーナ２８における燃
焼反応のための燃料として不足するため、この不足分に
相当する燃料、および燃料電池装置２０の起動時のよう
に燃料電池４０から排燃料の供給を受けられないとき
の、バーナ２８における燃焼反応のための燃料は、既述
したメタノール分岐路６１を介して、原燃料タンク２２
から供給される。

【００３３】改質器３４は、供給されたメタノールと水
との混合気体である原燃料ガスを改質して、水素を含有
する改質ガスを生成する。以下に、メタノールの水蒸気
改質反応を表わす反応式を示す。

【００３４】 ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋３Ｈ₂−４９．５（kJ/mol） …（１）

【００３５】改質器３４は、このような改質反応を促進
する改質触媒を備えている。本実施例では、メタノール
の水蒸気改質反応を促進する触媒としてＣｕ−Ｚｎ触媒
を用いた。改質器３４内で上記改質触媒を保持する形状
としては、種々のものを選択可能であるが、例えば、こ
の改質触媒を粒子状に成形して成るペレットを改質器の
内部に充填することとしてもよいし、あるいは、改質器
をハニカム状に形成してその表面に上記改質触媒を担持
させることとしてもよい。本実施例の改質器３４では、
ハニカム上に改質触媒を担持することとした。また、改
質器３４は、さらに、図示しない熱源（例えばヒータ）
を備えている。改質器３４で進行する水蒸気改質反応は
（１）式に示したように吸熱反応であるため、改質器３
４で水素を生成する際には、この熱源によって、水蒸気
改質反応で要する熱を賄っている。あるいは、バーナ２
８を備える蒸発器３２において、メタノールと水とから
なる混合ガスを充分に昇温させ、水蒸気改質反応で要す
る熱を混合ガス自身によって蒸発器３２から改質器３４
に持ち込むこととしてもよい。改質器３４に導入された
メタノールと水とからなる混合気体は、（１）式に示す
水蒸気改質反応によって水素を含有する改質ガスとな
り、改質ガス流路６５を介して水素富化部１０に供給さ
れる。

【００３６】水素富化部１０は、水素を含有する改質ガ
スの供給を受けて、改質ガス中の二酸化炭素を除去する
と共に、この改質ガスにさらに水素を加えることで、ガ
ス中の水素濃度がより高い水素リッチガスとする装置で
ある。この水素富化部１０の構成は、本発明の要部に対
応するものであり、後で詳しく説明する。

【００３７】水素富化部１０で上記のように水素濃度が
上昇した水素リッチガスは、燃料ガス供給路６６によっ
て燃料電池４０に導かれ、燃料ガスとしてアノード側に
おける電池反応に供される。なお、燃料電池４０で電池
反応に供された後の燃料排ガスは、既述したように燃料
排出路６７に排出されてバーナ２８に導かれ、この燃料
排ガス中に残っている水素が燃焼のための燃料として消
費される。一方、燃料電池４０のカソード側における電
池反応に関わる酸化ガスは、ブロワ３８から酸化ガス供
給路６８を介して圧縮空気として供給される。電池反応
に用いられた残りの酸化排ガスは、酸化排ガス路６９を
介して外部に排出される。

【００３８】燃料電池４０は、固体高分子電解質型の燃
料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したス
タック構造を有している。各々の単セルのアノード側に
水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を
含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進
行し、起電力を生じる。以下に、固体高分子型燃料電池
で進行する電気化学反応を示す。

【００３９】 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（２） （１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（３） Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（４）

【００４０】（２）式はアノード側で進行する反応、
（３）式はカソード側で進行する反応を示し、燃料電池
全体では（４）式に示す反応が進行する。燃料電池４０
が生じた電力は、燃料電池４０に接続される所定の負荷
に供給される。

【００４１】制御部５０は、マイクロコンピュータを中
心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定
された制御プログラムに従って所定の演算などを実行す
るＣＰＵ５４と、ＣＰＵ５４で各種演算処理を実行する
のに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納さ
れたＲＯＭ５６と、同じくＣＰＵ５４で各種演算処理を
するのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲ
ＡＭ５８と、燃料電池装置２０が備える各種センサから
の検出信号を入力すると共にＣＰＵ５４での演算結果に
応じて既述したブロワ３８やポンプなどに駆動信号を出
力する入出力ポート５２等を備える。制御部５０は、こ
のように各種の信号を入出力することによって、燃料電
池装置２０全体の運転状態を制御する。

【００４２】（２）第１実施例としての水素富化部１０
の構成：図１に示すように、水素富化部１０は、アルカ
リ金属貯蔵部１２と、アルカリ水溶液貯蔵部１４とを備
えている。水素富化部１０は、アルカリ金属貯蔵部１２
において水素を生成すると共に、アルカリ水溶液貯蔵部
１４において改質ガス中の二酸化炭素の低減を行ない、
上記生成した水素と、二酸化炭素を低減した改質ガスと
を混合して、水素濃度および水素分圧の高い燃料ガスと
して排出する。

【００４３】既述したように、水タンク２４に貯蔵した
水を導く水流路６２から分岐する水分岐路７４は、水素
富化部１０に接続しているが、水素富化部１０内では、
上記水分岐路７４は、アルカリ金属貯蔵部１２に接続し
ている。アルカリ金属貯蔵部１２は、その内部に、アル
カリ金属から成るアルカリ金属塊１３を備えている。ア
ルカリ金属塊１３は、アルカリ金属の固まりであって、
その表面は、樹脂から成る被膜１８によって覆われてい
る。なお、本実施例では、アルカリ金属塊１３を構成す
るアルカリ金属として、ナトリウムを採用した。

【００４４】図１には記載を省略しているが、アルカリ
金属貯蔵部１２は、上記アルカリ金属塊１３が備える被
膜１８を徐々に損傷させるための構造を備えている。図
３は、アルカリ金属塊１３が備える被膜１８を損傷させ
る動作を表わす説明図である。アルカリ金属貯蔵部１２
は、その内部に潰し棒１５を備えており、この潰し棒１
５をアルカリ金属塊１３に接触させて所定の押圧力を加
えることで、アルカリ金属塊１３表面の被膜１８を徐々
に損傷させることができる。この潰し棒１５の動作、す
なわち潰し棒１５によって被膜１８を損傷させる速度
は、制御部５０によって制御されている。

【００４５】上記したように、アルカリ金属貯蔵部１２
には水タンク２４から水が供給され、供給された水は、
潰し棒１５によってアルカリ金属塊１３の被膜１８が損
傷されるのにしたがって、アルカリ金属塊１３を構成す
るナトリウムと反応する。以下に、ナトリウムと水との
反応を示す。

【００４６】 Ｎａ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＮａＯＨ ＋（１／２）Ｈ₂ …（５）

【００４７】上記（５）式に示すように、アルカリ金属
貯蔵部１２では、ナトリウムと水とが反応することで水
素と水酸化ナトリウムとが生じる。生じた水素は、アル
カリ金属貯蔵部１２に接続する水素排出路１９に排出さ
れる。また、生じた水酸化ナトリウムは、アルカリ金属
貯蔵部１２に供給された上記水中に溶解するため、アル
カリ金属塊１３と接触するようアルカリ金属貯蔵部１２
に供給された水は、水酸化ナトリウム水溶液となる。ア
ルカリ金属貯蔵部１２は、さらに、アルカリ水溶液供給
路１６を介してアルカリ水溶液貯蔵部１４に接続してお
り、アルカリ金属貯蔵部１２で生成された上記水酸化ナ
トリウム水溶液は、アルカリ水溶液供給路１６を介して
アルカリ水溶液貯蔵部１４に送られる。

【００４８】なお、アルカリ水溶液供給路１６には、制
御部５０に接続される図示しないバルブが設けられてお
り、アルカリ金属貯蔵部１２からアルカリ水溶液貯蔵部
１４に送られる水酸化ナトリウムの量を制御している。
制御部５０は、上記バルブと、既述した第４ポンプ７３
および潰し棒１５の動作を制御することで、充分量の水
をアルカリ金属貯蔵部１２に供給しつつ所望の速度で被
膜１８を損傷させて、所望量の水素を生成すると共に、
濃度が上昇した水酸化ナトリウム水溶液をアルカリ水溶
液貯蔵部１４に送り、さらなる水の供給を行なうこと
で、引き続きアルカリ金属貯蔵部１２で水素を生成可能
としている。

【００４９】アルカリ水溶液貯蔵部１４は、上記したよ
うにアルカリ金属貯蔵部１２から送られた水酸化ナトリ
ウム水溶液を貯蔵すると共に、改質ガスの供給を受ける
部材である。図２に示したように、水素富化部１０は、
改質ガス流路６５を介して改質器３４から改質ガスを供
給されるが、水素富化部１０では、改質ガス流路６５は
アルカリ水溶液貯蔵部１４に接続されており、改質ガス
はアルカリ水溶液貯蔵部１４に供給される。アルカリ水
溶液貯蔵部１４では、貯蔵した水酸化ナトリウム水溶液
中に改質ガスをバブリングさせることで両者を接触させ
る。このように水酸化ナトリウム水溶液と改質ガスとを
接触させると、改質ガス中の二酸化炭素と水酸化ナトリ
ウムとが容易に反応する。以下に、この反応式を示す。

【００５０】 ２ＮａＯＨ ＋ ＣＯ₂ → Ｎａ₂ＣＯ₃ ＋ Ｈ₂Ｏ …（６）

【００５１】水酸化ナトリウムと二酸化炭素とが反応し
て生じた炭酸ナトリウムは、アルカリ水溶液貯蔵部１４
に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に容易に溶解す
ると共に、上記反応で生じた水は、アルカリ水溶液貯蔵
部１４に貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に混合さ
れる。このように、水酸化ナトリウムと二酸化炭素とが
反応することによって、二酸化炭素が除去された改質ガ
スは、アルカリ水溶液貯蔵部１４から改質ガス排出路１
７に排出される。この改質ガス排出路１７は、既述した
水素排出路１９と合流し、二酸化炭素が除去された改質
ガスは、アルカリ金属貯蔵部１２で生成した水素と混合
される。改質ガス排出路１７と水素排出路１９とは合流
して既述した燃料ガス供給路６６となり、二酸化炭素を
除去した改質ガスと水素との混合ガスは、燃料ガスとし
て燃料電池４０に供給される。

【００５２】以上のように構成された本実施例の水素富
化部１０を備える燃料電池装置２０によれば、炭化水素
を改質して得た水素と二酸化炭素とを含有する改質ガス
中の二酸化炭素量を低減し、さらに、この二酸化炭素量
を低減した改質ガスに水素を付加して燃料ガスとするた
め、極めて水素濃度が高く、水素分圧も充分に高いガス
を燃料ガスとして燃料電池に供給することができ、燃料
電池の性能を高めることができる。ここで、二酸化炭素
を除去するために用いる水酸化ナトリウム水溶液は、水
素を生成する過程で得られるため、二酸化炭素の除去の
ために予め水酸化ナトリウム水溶液を備える必要が無
く、アルカリ金属塊を備えておけば、従来から炭化水素
の改質に用いていた水をさらに流用するだけで、水素の
さらなる生成と改質ガス中の二酸化炭素の除去との両方
を行なうことができる。したがって、移動体の移動用電
源として燃料電池を用い、燃料電池装置を移動体に搭載
する場合などには、装置を過度に大型化することなく、
電池性能を大きく向上させることができるため、特に有
利である。

【００５３】また、ナトリウムからなるアルカリ金属塊
は、水と反応することで多量の水素を発生するため、本
実施例によれば、所定量の電力を燃料電池から得るため
に必要な炭化水素量を削減することができる。したがっ
て、燃料電池装置を移動体に搭載する場合には、移動体
の航続距離（所定量の炭化水素を改質のための原燃料と
して搭載した場合に、この原燃料を改質して得た水素を
燃料として燃料電池の発電を行ない、移動体が移動可能
な距離）を充分に延ばすことができる。

【００５４】なお、既述したように、アルカリ水溶液貯
蔵部１４では、その内部に貯蔵される水酸化ナトリウム
水溶液中の水酸化ナトリウムは、改質ガス中の二酸化炭
素と反応することによって消費され、この反応によって
生じた炭酸ナトリウムは、アルカリ水溶液貯蔵部１４に
貯蔵される水酸化ナトリウム水溶液中に溶解する。その
ため、アルカリ水溶液貯蔵部１４では、アルカリ金属貯
蔵部１２から新たに水酸化ナトリウム水溶液が供給され
るのに従い、内部の水酸化ナトリウム水溶液を入れ替え
ることが望ましい。これにより、アルカリ水溶液貯蔵部
１４内は、充分量の水酸化ナトリウムを常に備えること
ができ、改質ガス中の二酸化炭素を充分に取り除くこと
ができる状態を維持することができる。

【００５５】また、上記実施例では、アルカリ水溶液貯
蔵部１４において、水酸化ナトリウム水溶液中に改質ガ
スをバブリングさせることで両者を直接に接触させて、
改質ガス中の二酸化炭素と水酸化ナトリウムとを反応さ
せ、改質ガスから二酸化炭素を除去したが、水酸化ナト
リウム水溶液と改質ガスとは間接的に接触させることと
しても良い。例えば、アルカリ水溶液貯蔵部１４内に、
気体は通過可能であって液体は通過不能である通気性の
膜を備える流路を設け、この流路内に改質ガスを通過さ
せて、上記膜を介して改質ガス中の二酸化炭素を水酸化
ナトリウムと反応させて、改質ガス中の二酸化炭素を除
去することとしても良い。

【００５６】さらに、本実施例の水素富化部１０におい
て、アルカリ金属貯蔵部１２が備えるアルカリ金属塊１
３の形状は、粒状、球形、不定形など、いかなる形状で
あっても良い。被膜１８を少なくとも部分的に除去した
際に、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムが、充
分な広さの接触面において水と反応可能であればよい。
アルカリ金属塊１３は、その大きさも任意に選択するこ
とができ、個々のアルカリ金属塊１３の大きさと、アル
カリ金属貯蔵部１２に予め貯蔵すべきナトリウムの総量
とに基づいて、アルカリ金属貯蔵部１２に貯蔵するアル
カリ金属塊１３の数量を決めればよい。ここで、アルカ
リ金属塊１３においてナトリウムを被覆する被膜１８
は、樹脂により形成することとしたが、この被膜１８を
構成する材料は、アルカリ金属貯蔵部１２内で、ナトリ
ウムと水とが反応するのを充分に妨げることができ、さ
らに、アルカリ金属塊１３を構成するナトリウムや供給
された水と反応したり、空気中の酸素などと反応して変
質し難い材料であればよい。潰し棒１５によって被膜１
８を損傷することによってナトリウムと水とが接触し、
（５）式に示した反応が進行するようになる構成とする
ことで、所望量の水素を生成させることが可能となる。

【００５７】また、上記実施例では、アルカリ金属塊１
３を構成するナトリウムと水とを反応させる際には、潰
し棒１５でアルカリ金属塊１３に押圧力を加えるという
方法で、アルカリ金属塊１３の表面を覆う被膜１８を損
傷させることとしたが、被膜１８を除去する方法は、被
膜１８を少なくとも部分的に取り除いてナトリウムと水
とを反応可能に接触させることができれば、いかなる方
法でも良い。実施例のような物理的な力を加えることで
被膜を損傷させる方法以外でも構わない。例えば、被膜
１８が、融点の比較的低い材料で形成されている場合に
は、アルカリ金属塊１３を所定の温度にまで加熱して被
膜を融解させるといった方法を採ることもできる。

【００５８】また、上記実施例では、アルカリ金属貯蔵
部１２が備えるアルカリ金属塊１３を構成する材料とし
てナトリウムを用いたが、水素化ナトリウムなどの化合
物を用いても良い。表面を被膜１８で覆ったアルカリ金
属塊１３を、水素化ナトリウムによって形成しても、上
記実施例と同様の動作を行なうことができる。以下に、
水素化ナトリウムでアルカリ金属塊１３を形成した場合
に、アルカリ金属貯蔵部１２において、水素化ナトリウ
ムと水との間で進行する反応（上記実施例の（５）式に
対応する反応）を示す。

【００５９】 ＮａＨ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＮａＯＨ ＋ Ｈ₂ …（７）

【００６０】また、アルカリ金属塊１３を構成する材料
として、カリウムなど他種のアルカリ金属や、その水素
化物などの化合物を用いても良く、水と反応させること
で容易に水素を生成すると共に、その水酸化物が二酸化
炭素と容易に反応可能であれば、本発明を適用すること
ができる。

【００６１】また、改質器３４において炭化水素を改質
することで生成される改質ガスは、通常は所定量の一酸
化炭素を含有しているが、本実施例の燃料電池装置が備
える燃料電池のような固体高分子型燃料電池では特に、
供給する燃料ガス中の一酸化炭素濃度を極めて低くする
ことが求められる。したがって、上記実施例の燃料電池
装置２０において、改質ガス中の一酸化炭素濃度を充分
に低減したうえで燃料電池４０に供給するために、水素
富化部１０の上流側あるいは下流側に、さらに一酸化炭
素低減部を設けても良い。すなわち、改質ガス中の一酸
化炭素を選択的に酸化する一酸化炭素選択酸化触媒を備
える一酸化炭素低減部を設け、改質ガス中の一酸化炭素
を酸化することによって、改質ガス中の一酸化炭素量を
低減することとしてもよい。

【００６２】なお、上記実施例では、アルカリ金属貯蔵
部１２とアルカリ水溶液貯蔵部１４とを別体で設け、前
者では（５）式の反応を進行させることで水酸化ナトリ
ウムと水素とを生成し、後者では（６）式の反応を進行
させることで改質ガス中の二酸化炭素の除去を行なった
が、両者を一体で形成してもよい。アルカリ金属塊１３
表面の被膜１８を損傷させることによって（５）式の反
応を進行させて所望量の水素を生じさせることができ、
また、改質ガス中の二酸化炭素量を充分に低減可能であ
れば、（５）式の反応と（６）式の反応とは、同一の反
応槽内で進行させることとしても良い。

【００６３】また、上記実施例の水素富化部１０を用い
れば、改質ガス中の二酸化炭素量を低減することができ
るので、燃料電池が備える電解質の性質などから燃料ガ
ス中の二酸化炭素濃度が低いこと（あるいは燃料ガスが
二酸化炭素をほとんど含まないこと）が要求される燃料
電池においても、燃料ガスに改質ガスを適用することが
より容易となる。

【００６４】（３）第２実施例としての燃料電池装置１
２０の構成：以下に、図４に基づいて、第２実施例とし
ての水素富化部１１０を備える燃料電池装置１２０につ
いて説明する。燃料電池装置１２０は、第１実施例の燃
料電池装置２０とほぼ同様の構成を備えており、燃料電
池装置２０と共通する部材については、同じ部材番号を
付して詳しい説明を省略する。燃料電池装置１２０は、
燃料電池４０に代えて燃料電池１４０を備えている。こ
の燃料電池１４０は、水酸化ナトリウムを電解液として
電解質層に備えるアルカリ型燃料電池である。以下に、
アルカリ型燃料電池で進行する電気化学反応を示す。

【００６５】 Ｈ₂ ＋ ２ＯＨ^- → ２Ｈ₂Ｏ ＋ ２ｅ^- …（８） （１／２）Ｏ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ ＋ ２ｅ^- → ２ＯＨ^- …（９）

【００６６】（８）式はアノード側で進行する反応を示
し、（９）式はカソード側で進行する反応を示し、電池
全体では既述した（４）式に示す反応が進行する。この
ようなアルカリ型燃料電池としては、電解液の保持方法
によって、マトリクス型と自由電解液型とが知られてい
るが、本実施例の燃料電池１４０は、従来知られる自由
電解液型と同様の構成を有しており、電解液の交換が可
能となっている。

【００６７】さらに、本実施例の燃料電池装置１２０
は、水素富化部１０に代えて、水素富化部１１０を備え
ている。水素富化部１１０は、後述するように、水素富
化部１０とほぼ同様の構成を備えているが、燃料電池１
４０の電解質層に通じる電解液供給路８０と接続してお
り、この電解液供給路８０を介して、ナトリウムと水と
の反応で生じた水酸化ナトリウムの水溶液を、燃料電池
１４０が備える電解質層に供給することが可能となって
いる。すなわち、燃料電池１４０は、水素富化部１１０
から水酸化ナトリウム水溶液の供給を受けて電解液の交
換を行なうことができる。燃料電池１４０内で電解液と
して保持されていた液は、上記電解液の交換の動作に伴
って、電解液排出路８１を介して燃料電池１４０外に排
出される。

【００６８】燃料電池装置１２０では、改質器３４で生
成された改質ガスが、水素富化部１１０においてさらに
水素濃度が上昇され、燃料ガスとして燃料電池１４０に
供給される。また、燃料電池装置１２０は、ブロワ３８
に代えて、酸素ガスを貯蔵する酸素タンク２６を備えて
おり、この酸素タンク２６に貯蔵する酸素を、酸化ガス
供給路６８を介して酸化ガスとして燃料電池１４０に供
給する。

【００６９】（４）水素富化部１１０の構成：図５は、
水素富化部１１０の構成を表わす説明図である。本実施
例の水素富化部１１０は、第１実施例の水素富化部１０
とほぼ同様の構成を有しており、共通する部材について
は同じ部材番号を付した。水素富化部１１０では、アル
カリ金属貯蔵部１２とアルカリ水溶液貯蔵部１４とを接
続するアルカリ水溶液供給路１６において、切り替え弁
１１を備えている。この切り替え弁１１において、アル
カリ水溶液供給路１６は、既述した電解液供給路８０と
接続している。切り替え弁１１は、制御部５０に接続さ
れてその切り替え状態が制御されており、切り替え弁１
１を切り替えることによって、アルカリ金属貯蔵部１２
から排出された水酸化ナトリウム水溶液をアルカリ水溶
液貯蔵部１４に供給するか、アルカリ金属貯蔵部１２か
ら排出された水酸化ナトリウム水溶液を電解液として燃
料電池１４０に供給するかを切り替えることができる。

【００７０】このような水素富化部１１０では、水タン
ク２４から水分岐路７４を介してアルカリ金属貯蔵部１
２に供給された水は、第１実施例と同様に、アルカリ金
属塊１３を構成するナトリウムと反応して、水素と水酸
化ナトリウムを生じる。生じた水酸化ナトリウムは、水
溶液の状態でアルカリ水溶液供給路１６に排出され、切
り替え弁１１の切り替え状態に応じて、既述したよう
に、燃料電池１４０とアルカリ水溶液貯蔵部１４とのい
ずれかに供給される。アルカリ水溶液貯蔵部１４に供給
された水酸化ナトリウム水溶液は、第１実施例と同様
に、改質器３４から改質ガス流路６５を介して供給され
た改質ガス中の二酸化炭素量を削減するために用いられ
る。アルカリ水溶液貯蔵部１４を通過した改質ガスは、
アルカリ金属貯蔵部１２で生成された水素と混合され
て、燃料ガスとして燃料電池１４０に供給される。

【００７１】なお、切り替え弁１１の切替の動作は、燃
料電池１４０の電解液の劣化の程度に応じて行なうこと
とした。アルカリ型燃料電池では、供給するガス中に二
酸化炭素が混在している場合には、この二酸化炭素が電
解液中の水酸化物イオンと反応する。以下に、二酸化炭
素と水酸化物イオンの反応式を示す。

【００７２】 ２ＯＨ^- ＋ ＣＯ₂ → ＣＯ₃ ^2- ＋ Ｈ₂Ｏ …（１０）

【００７３】このように、燃料電池１４０に供給される
ガス中に二酸化炭素が含まれると、電解液中の水酸化物
イオンと二酸化炭素とが反応して炭酸イオンが生成し、
これが電解液中に蓄積され、炭酸イオンによって電解液
のアルカリの性質が次第に希薄となる（以後、これを電
解液の劣化という）。アルカリ型燃料電池では、発電の
際に発電量に応じて水酸化物イオンがカソード側からア
ノード側に移動するが（既述した（８）式および（９）
式の反応を参照）、上記（１０）式の反応によって炭酸
イオンが生じて電解液のアルカリの性質が弱まると、電
解液の抵抗が増大して電池性能が低下してしまう。

【００７４】本実施例の燃料電池装置１２０では、アル
カリ水溶液貯蔵部１４に貯蔵した水酸化ナトリウム水溶
液中に改質ガスを通過させて、改質ガス中の二酸化炭素
を低減したうえで燃料電池に供給するため、このような
電解液の劣化は抑えられているが、水素富化部１１０か
ら排出される燃料ガス中に微量に残留する二酸化炭素に
よって、次第に電解液が劣化することがある。そこで、
電解液の劣化状態を検知し、電解液が劣化したと判断さ
れるときには、切り替え弁１１を切り替えて電解液の交
換を行ない、燃料電池１４０の性能を確保している。

【００７５】電解液の劣化状態を検知するために、本実
施例では、燃料電池１４０内に、電解液のｐＨを検出す
るｐＨセンサ１４２を設けている（図４参照）。ｐＨセ
ンサ１４２が検出した電解液のｐＨが、予め定めた所定
の値よりも小さくなり、燃料電池１４０において所望の
性能が得られなくなったと判断されたときには、切り替
え弁１１を所定の時間切り替えて、アルカリ金属貯蔵部
１２から排出される水酸化ナトリウム水溶液を燃料電池
１４０に供給して、電解液の交換を行なう。

【００７６】以上のように構成された水素富化部１１０
を備える燃料電池装置１２０によれば、第１実施例と同
様の効果を奏すると共に、さらに以下のような効果が得
られる。すなわち、燃料電池としてアルカリ型燃料電池
を備えており、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化
ナトリウム水溶液を、この燃料電池の電解液を交換する
ために用いることにより、燃料電池に供給されるガス中
に含まれる二酸化炭素に起因して電解液が劣化して燃料
電池の性能が低下してしまうのを防ぐことができる。

【００７７】上記実施例では、燃料電池１４０の電解液
のｐＨを検出することで電解液の劣化状態を判断し、電
解液が劣化したと判断されるときに電解液の交換を行な
うこととしたが、電解液の劣化状態を直接検出すること
に代えて、例えば、燃料電池による発電を所定時間行な
う毎に、あるいは、所定量のガスを燃料電池に供給する
毎に、あるいは、燃料電池による発電量が所定量を超え
る毎に、電解液の交換を行なうこととしてもよい。燃料
電池における発電状態がある程度安定していれば、発電
時間や、燃料電池に供給するガス量や、発電量等に基づ
いて、電解液の劣化状態を推定することができる。

【００７８】また、上記実施例では、電解液の交換を行
なうとき以外は、アルカリ水溶液貯蔵部１４において改
質ガス中の二酸化炭素量の低減を図ることができる構成
としたが、改質ガスのように燃料電池に燃料ガスとして
供給するガス中の二酸化炭素量を許容範囲とすることが
できれば、アルカリ金属貯蔵部１２で生成される水酸化
ナトリウム水溶液は、燃料ガスとして用いるガス中の二
酸化炭素量の削減には用いることなく、アルカリ型燃料
電池の電解液の交換だけに用いることとしても良い。燃
料電池に供給する燃料ガス中の二酸化炭素量が充分に少
なければ、電解液の交換を継続して行なうことで、アル
カリ型燃料電池の性能を確保することが可能となる。

【００７９】既述した第１および第２実施例では、アル
カリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液は
そのままアルカリ水溶液貯蔵部１４あるいは燃料電池１
４０に供給することとしたが、アルカリ金属貯蔵部１２
から排出される水酸化ナトリウム水溶液を一旦所定のタ
ンク内に貯蔵し、その後必要に応じて、このタンクか
ら、アルカリ水溶液貯蔵部１４あるいは燃料電池１４０
に、水酸化ナトリウム水溶液を供給することとしても良
い。このようなタンクを設けることで、アルカリ金属塊
１３を用いた水素の生成量と、改質ガスにおける二酸化
炭素の低減量と、燃料電池１４０における電解液の交換
量とを、ある程度切り離して制御することが可能とな
る。

【００８０】また、上記第２実施例では、酸化ガスとし
て、酸素タンク２６に貯蔵した酸素ガスを用いることと
したが、第１実施例と同様に酸化ガスとして空気を用
い、アルカリ金属貯蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム
水溶液によって、酸化ガスとして用いる空気中の二酸化
炭素を除去しても良い。この場合には、アルカリ金属貯
蔵部１２で生じた水酸化ナトリウム水溶液の流路を切り
替える手段をさらに設け、水酸化ナトリウム水溶液を、
電解液の交換と、燃料ガス中の二酸化炭素の除去と、酸
化ガス中の二酸化炭素の除去とのいずれに用いるかを、
燃料電池装置の運転状態などに応じて切り替える、ある
いは、それぞれに用いるアルカリ水溶液の量を制御する
こととすればよい。

【００８１】なお、上記第２実施例においても、既述し
た第１実施例と同様に、アルカリ金属貯蔵部１２が備え
るアルカリ金属塊１３は、ナトリウム以外に、水素化ナ
トリウムのような化合物や、カリウムや水素化カリウム
など他種のアルカリ金属やその化合物によって形成して
もよい。その際、第２実施例のように、アルカリ金属貯
蔵部１２で生じたアルカリ金属の水酸化物の水溶液を、
アルカリ型燃料電池の電解液の交換に用いる場合には、
アルカリ金属塊１３を構成するアルカリ金属と、燃料電
池の電解液であるアルカリ金属の水酸化物の水溶液を構
成するアルカリ金属とを、同種のアルカリ金属とすれば
よい。

【００８２】ここで、ナトリウムとカリウム以外に、他
種のアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属を用いた場
合にも、水と反応させることで同様に水素を発生させる
ことができる。しかしながら、ナトリウムとカリウム、
およびそれらの水素化物を用いる場合には、その水酸化
物および炭酸塩は、他種のアルカリ金属あるいはアルカ
リ土類を用いた場合に比べて水に対して高い溶解度を示
すため、生じた水酸化物および炭酸塩を水溶液の状態で
容易に移送し、貯蔵し、反応に供することができて特に
有利である。

【００８３】なお、既述した実施例では、改質ガスを生
成するための原燃料としてメタノールを用いたが、メタ
ノール以外の炭化水素を原燃料として用いても良く、ま
た、水蒸気改質反応以外の例えば部分酸化反応によっ
て、あるいはこれらの反応を組み合わせて炭化水素の改
質を行なってもよい。炭化水素を改質して得られる改質
ガスのように、水素と二酸化炭素とを含有するガスに対
して本発明を適用することによって、このガス中の水素
濃度および水素分圧を充分に高くする既述した効果を得
ることができる。

【００８４】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる
様態で実施し得ることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である水素富化部１０
の構成を表わす説明図である。

【図２】燃料電池装置２０の構成の概略を表わすブロッ
ク図である。

【図３】アルカリ金属塊１３を用いて水素を発生させる
動作を表わす説明図である。

【図４】燃料電池装置１２０の構成の概略を表わすブロ
ック図である。

【図５】水素富化部１１０の構成を表わす説明図であ
る。

【符号の説明】

１０，１１０…水素富化部 １１…切り替え弁 １２…アルカリ金属貯蔵部 １３…アルカリ金属塊 １４…アルカリ水溶液貯蔵部 １５…潰し棒 １６…アルカリ水溶液供給路 １７…改質ガス排出路 １８…被膜 １９…水素排出路 ２０，１２０…燃料電池装置 ２２…原燃料タンク ２４…水タンク ２６…酸素タンク ２８…バーナ ３２…蒸発器 ３４…改質器 ３８…ブロワ ４０，１４０…燃料電池 ５０…制御部 ５２…入出力ポート ５４…ＣＰＵ ５６…ＲＯＭ ５８…ＲＡＭ ６０…メタノール流路 ６１…メタノール分岐路 ６２…水流路 ６３…原燃料供給路 ６４…原燃料ガス供給路 ６５…改質ガス流路 ６６…燃料ガス供給路 ６７…燃料排出路 ６８…酸化ガス供給路 ６９…酸化排ガス路 ７０…第１ポンプ ７１…第２ポンプ ７２…第３ポンプ ７３…第４ポンプ ７４…水分岐路 ８０…電解液供給路 ８１…電解液排出路 １４２…ｐＨセンサ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素と二酸化炭素とを含有する混合ガス
   の供給を受け、前記混合ガスよりも水素濃度の高い水素
   リッチガスを排出する水素富化装置であって、 アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成
   り、前記水素富化装置における所定の運転条件下で、前
   記アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、お
   よび水と接触しても、充分に安定である材料から成る被
   膜によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備
   える水素生成部と、 前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、 前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前
   記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ
   金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカ
   リ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水
   とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素と
   を生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ
   金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段
   と、 前記混合ガスの供給を受け、前記アルカリ金属の水酸化
   物が溶解する水溶液中の前記アルカリ金属の水酸化物
   と、前記混合ガス中の二酸化炭素とを反応させることに
   よって、前記混合ガスから二酸化炭素を除去し、前記混
   合ガスから、二酸化炭素量を低減した二酸化炭素低減ガ
   スを生成する二酸化炭素除去手段と、 前記二酸化炭素除去手段が生成した前記二酸化炭素低減
   ガスと、前記誘発手段における前記反応で生じた前記水
   素とを混合し、前記水素リッチガスとして排出する水素
   リッチガス排出手段とを備える水素富化装置。
2. 【請求項２】 前記アルカリ金属は、ナトリウムまたは
   カリウムである請求項１記載の水素富化装置。
3. 【請求項３】 前記アルカリ金属の化合物は、前記アル
   カリ金属の水素化物である請求項１または２記載の水素
   富化装置。
4. 【請求項４】 前記反応誘発手段は、物理的な力によっ
   て前記被膜を損傷させる請求項１ないし３いずれか記載
   の水素富化装置。
5. 【請求項５】 水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有
   する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力
   を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、 請求項１ないし４いずれか記載の水素富化装置と、 前記水素富化装置が排出した前記水素リッチガスを、前
   記燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給
   手段とを備える燃料電池装置。
6. 【請求項６】 請求項５記載の燃料電池装置であって、 前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液とし
   て、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水
   溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、 前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発
   手段による前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸化
   物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解質
   層に供給する電解液交換手段をさらに備える燃料電池装
   置。
7. 【請求項７】 請求項６記載の燃料電池装置であって、 前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する
   電解液劣化状態検知手段と、 前記反応誘発手段による前記反応で生じた前記アルカリ
   金属の水酸化物が溶解する水溶液の流路を切り替えて、
   該水溶液を、前記電解液交換手段によって前記電解液の
   交換に用いるか、あるいは、前記二酸化炭素除去手段に
   よって前記混合ガス中の二酸化炭素の除去に用いるか
   を、選択可能である切り替え手段と、 前記電解液劣化状態検知手段が前記電解液の劣化を検知
   したときに、前記水溶液を用いて前記電解液の交換を行
   なうように、前記切り替え手段を切り替える制御手段と
   をさらに備える燃料電池装置。
8. 【請求項８】 水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有
   する酸化ガスの供給を受け、電気化学反応により起電力
   を得る燃料電池を備える燃料電池装置であって、 少なくとも水素を含有する水素含有ガスの供給を受け、
   水素濃度の高い水素リッチガスを排出する水素富化部
   と、 前記水素富化部が排出した前記水素リッチガスを、前記
   燃料ガスとして前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手
   段とを備えると共に、 前記水素富化部は、 アルカリ金属あるいは該アルカリ金属の化合物から成
   り、前記水素富化部における所定の運転条件下で、前記
   アルカリ金属あるいは前記アルカリ金属の化合物、およ
   び水と接触しても、充分に安定である材料から成る被膜
   によってさらにその表面を覆ったアルカリ金属塊を備え
   る水素生成部と、 前記水素生成部に水を供給する水供給手段と、 前記水素生成部において、前記アルカリ金属塊を覆う前
   記被膜を損傷させ、該被膜の損傷の結果、前記アルカリ
   金属塊を構成する前記アルカリ金属あるいは前記アルカ
   リ金属の化合物と、前記水供給手段により供給された水
   とを接触させて、前記アルカリ金属の水酸化物と水素と
   を生じる反応を起こさせ、該反応で生じた前記アルカリ
   金属の水酸化物が溶解した水溶液を生じる反応誘発手段
   と、 前記反応誘発手段における前記反応で生じた前記水素
   と、前記水素含有ガスとを混合し、前記水素リッチガス
   として排出する水素リッチガス排出手段とを備え、 前記燃料電池は、その電解質層を構成する電解液とし
   て、前記アルカリ金属の水酸化物と同種の水酸化物の水
   溶液を用いるアルカリ型燃料電池であって、 前記燃料電池の電解液を交換するために、前記反応誘発
   手段における前記反応で生じた前記アルカリ金属の水酸
   化物が溶解する水溶液を、新たな電解液として前記電解
   質層に供給する電解液交換手段をさらに備える燃料電池
   装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の燃料電池装置であって、 前記燃料電池が備える前記電解液の劣化状態を検知する
   電解液劣化状態検知手段をさらに備え、 前記電解液交換手段は、前記電解液劣化状態検知手段が
   前記電解液の劣化を検知したときに、前記水溶液を用い
   て前記電解液の交換を行なうように、前記水溶液を前記
   燃料電池に供給する燃料電池装置。