JP2003112901A

JP2003112901A - 水素生成装置およびそれを用いた燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003112901A
Application number: JP2001305012A
Authority: JP
Inventors: Yuji Mukai; 裕二向井; Tomomichi Asou; 智倫麻生; Yutaka Yoshida; 豊吉田; Akira Maenishi; 晃前西
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-10-01
Filing date: 2001-10-01
Publication date: 2003-04-18

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の水蒸気改質反応を用いる燃料電池用水
素生成器では、発生した一酸化炭素を除去するために複
数の触媒反応を行う水素生成器を用いていた。そのため
に水素生成器の構成が複雑で高価なものとなっていた。
また、生成した水素中に二酸化炭素や窒素などの不純物
が多く含まれているために燃料電池の発電効率が低く、
その分燃料電池を大きくしなければならないという課題
もあった。【解決手段】炭化水素化合物を含有する原料から熱分
解により水素を生成する水素生成器を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、炭化水素化合物を
含む原料から水素を生成する水素生成装置とこれを用い
た燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】炭化水素化合物を含む原料から水素を生
成する燃料電池用水素生成器の従来技術としては、例え
ば特開平０７−１２６００１号公報がある。

【０００３】この技術は改質原料と水を原料とし、次の
３段階の反応を行なって水素を生成するものである。

【０００４】１．改質反応：６５０〜７００℃で次の反
応により水素と二酸化炭素を生成する。

【０００５】

【化１】

【０００６】ただし、同時に次の反応も同時に起こるた
め、一酸化炭素も生成してしまう。

【０００７】

【化２】

【０００８】２．シフト反応：上記一酸化炭素は燃料電
池の触媒毒として作用する。そこで、一酸化炭素を水と
反応させて二酸化炭素に変化させる。

【０００９】

【化３】

【００１０】３．選択酸化反応：シフト反応で除去でき
ずに残留する一酸化炭素を、空気と反応させて燃焼して
二酸化炭素に変化させる。

【００１１】

【化４】

【００１２】各々の反応には反応の選択性の理由から、
各々に特有の触媒が利用される。例えば改質反応にはニ
ッケル系触媒、シフト反応には銅−亜鉛系触媒、選択酸
化反応には貴金属系触媒等が一般的に利用される。

【００１３】これらの反応を用いることにより、燃料電
池の発電に必要な量の水素、すなわち１分あたり数十〜
数百リットルもの多量の水素を効率的に生成することが
できる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では水素の生成に３段階の反応を用いるため水素生成器
が少なくとも３種類必要であり、構成が複雑であるとい
う課題があった。

【００１５】また、３段階の反応には各々に最適な触媒
が必要であるが、触媒は使用することにより徐々に劣化
してしまう。改質反応触媒が劣化すると水素の生成量が
減少してしまい、燃料電池で所定の発電量を得ることが
できなくなってしまうという課題もあった。

【００１６】シフト反応触媒や選択酸化触媒の劣化は、
更に深刻である。改質反応ではおよそ１０〜１５％の一
酸化炭素が生成するが、シフト反応と選択酸化反応によ
りこれを数十ｐｐｍにまで低減しないと、一酸化炭素が
燃料電池の触媒を著しく劣化させてしまい燃料電池の発
電が不能となってしまう。そのため、シフト反応触媒や
選択酸化触媒の寿命と信頼性には厳しい仕様が求めら
れ、必要以上に十分な量の触媒を充填しておく等の対策
が採られている。しかしながら過剰な量の触媒の使用は
装置を大型化するとともに、コストを高価なものとして
しまう。しかも十分な量の触媒量を充填していても、燃
料電池はさまざまな条件で使用されるため、運転条件に
よっては一酸化炭素が予測値以上に発生し、燃料電池の
運転ができなくなってしまうという課題もあった。

【００１７】一方、従来の技術では生成した水素の中
に、二酸化炭素と水蒸気および選択酸化反応で供給した
空気に由来する窒素等の余分な成分が多量に含まれてい
た。本来、燃料電池は純粋な水素を供給して運転した方
が特性が良くしかも小型にできる。しかし、従来の技術
で生成した水素には余分な成分によって水素が希釈され
ているために発電効率が低く、その分燃料電池を大きく
設計せざるを得ないという課題もあった。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の水素生成装置は、炭化水素化合物を含有す
る原料から熱分解により水素を生成する水素生成器を備
えることを特徴とする。

【００１９】また、本発明の水素生成装置は、前記水素
生成器に加え前記水素生成器を加熱する加熱手段と、前
記水素生成器に空気を供給する空気供給手段と、原料と
空気とを前記水素生成器に交互に切り替えて供給するた
めの切替手段１と、前記水素生成器から排出されるガス
の供給先を燃料電池と外気とに交互に切り替えるための
切替手段２とを備えると有効である。

【００２０】また、本発明の水素生成装置は、前記水素
生成器に加え、前記水素生成器を加熱する加熱手段と、
前記水素生成器に空気を供給する空気供給手段と、前記
水素生成器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段と、水素
原料と空気と水蒸気とを前記水素生成器に交互に切り替
えて供給するための切替手段１と、前記水素生成器から
排出されるガスの供給先を燃料電池と外気とに交互に切
り替えるための切替手段２とを備えると有効である。

【００２１】また、本発明の水素生成装置は、前記水素
生成器に加え、前記水素生成器を加熱する加熱手段と、
前記水素生成器に空気を供給する空気供給手段と、前記
水素生成器に原料と空気とを交互に切り替えて供給する
切替手段１と、前記水素生成器から排出されるガスの供
給先を燃料電池と外気と前記加熱手段とに交互に切り替
える切替手段２とを備えると有効である。

【００２２】また、本発明の水素生成装置は、前記水素
生成器が複数であると有効である。

【００２３】また、本発明の水素生成装置は、前記複数
の水素生成器が互いに熱交換可能であると有効である。

【００２４】また、本発明の水素生成装置は、前記水素
生成器の内面に突起部または凸凹部を設けると有効であ
る。

【００２５】また、本発明の燃料電池発電システムは、
前記水素生成装置と、前記水素生成器において生成され
た水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガス
とを用いて発電する燃料電池とを備えることを特徴とす
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】第１の本発明の水素生成装置は、
炭化水素化合物を含む原料を熱分解することにより炭素
を析出させると共に水素を生成する。すなわち、熱分解
により二酸化炭素や一酸化炭素をほとんど含まない水素
を、触媒を用いることなく生成し、かつ燃料電池に供給
することができる。ここで言う炭化水素化合物とは、メ
タン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素や、アル
コールや灯油、ガソリン等の炭化水素化合物である。ま
た、前記炭化水素を含む都市ガスやプロパンガスが、前
記原料として有効であることは言うまでもない。

【００２７】第２の本発明の水素生成装置は、炭化水素
化合物を含む原料を熱分解することにより炭素を析出さ
せると共に水素を生成する。さらに、空気を供給し、こ
の析出した炭素を燃焼して除去する際に、水素生成器か
ら排出されるガスの供給先を外気に切替えることで、燃
焼により生成したガスを外気へ放出し、この生成ガスに
含まれる一酸化炭素による燃料電池の触媒の劣化の防止
することができる。

【００２８】第３の本発明の水素生成装置は、炭化水素
化合物を含む原料を熱分解することにより炭素を析出さ
せると共に水素を生成した後、空気を供給することによ
り析出した炭素を燃焼して外気へ放出し除去する点は、
第２の本発明の水素生成装置と同様である。しかし、そ
の次に水素生成器内に水蒸気を供給することにより、水
素生成器内の酸素や炭素が燃焼して発生した二酸化炭素
や一酸化炭素の残留分を完全に水蒸気で置換して外気へ
放出した後、これらの残留分を全く含まない水素を燃料
電池へ供給することができる。つまり、第２の本発明の
水素生成装置では、水素生成を再開して燃料電池に水素
を供給する際に、炭素を燃焼して発生した二酸化炭素や
一酸化炭素の残留ガスが燃料電池本体に流入してしま
い、一酸化炭素による触媒の被毒や運転効率の低下など
を引き起こす可能性があるが、本発明の水素生成装置
は、この点において有効である。

【００２９】第４の本発明の水素生成装置は、炭化水素
化合物を含む原料を熱分解することにより、炭素を析出
させると共に水素を生成し、さらに空気を供給すること
で析出した炭素を燃焼して外気へ放出し除去する点は第
２および第３の本発明の水素生成装置と同様である。し
かし、その次に原料を供給した際に、水素生成器内に残
留した酸素や炭素が燃焼して発生した二酸化炭素や一酸
化炭素および生成した水素を水素生成器を加熱するため
の加熱手段へ供給し燃料として燃焼させることにより残
留ガスを完全に置換する。これは、残留ガス中に含まれ
る水素が、外気へ放出すると危険であるため、バーナー
で燃焼して安全に処理するためである。その後、水素生
成器で生成した水素を燃料電池へ供給することによっ
て、残留ガスを全く含まない水素を燃料電池へ供給する
ことができる。また、第３の本発明の水素生成装置で
は、水蒸気で置換していたので、水の供給手段が必要で
あったり、水素生成器内に残った水蒸気が燃料電池へ送
られていたが、本発明の水素生成装置においては、水の
供給手段が不要になり、かつこの残留水蒸気が燃料電池
へ供給されることがなくなる。さらには、本発明によれ
ば、原料がメタン、エタン等の炭化水素のみからなる場
合、純粋な水素のみを燃料電池へ供給することが可能に
なる。

【００３０】第５の本発明の水素生成装置では、複数の
水素生成器と、前記複数の水素生成器を加熱する手段を
有し、前記複数の水素生成器で炭化水素原料を供給する
工程と空気を供給する工程を、並列して行うことによ
り、水素を連続して燃料電池へ供給することができる。

【００３１】第６の本発明の水素生成装置では、複数の
水素生成器を互いに熱交換可能としたことにより、水素
生成器内に析出した炭素を空気で燃焼する際に発生する
燃焼熱を用いて炭化水素原料を熱分解する工程にある水
素生成器を加熱することができる。そのため、炭化水素
原料の熱分解に要する加熱エネルギー量を大幅に削減す
ることができる。

【００３２】第７の本発明の水素生成装置は、水素生成
器の内面に突起部または凹凸部を設けたことにより、炭
素が析出する水素生成器の内面積を拡大することがで
き、より長時間の水素生成運転が可能にすることができ
る。また、伝熱フィンとしての役割も果たし、水素の生
成をより効率的に行うことができる。

【００３３】以下本発明の具体的な実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。

【００３４】（実施の形態１）図１は、本発明の第１の
実施の形態における水素生成装置の概略構成図である。

【００３５】図１において、１は都市ガス供給配管、２
は都市ガス中に付臭剤として添加されている硫化物を吸
着除去するための吸着剤、３と４は脱硫された都市ガス
を各々管状の水素生成器５と６に供給するための分岐し
た配管、７と８は都市ガス用開閉弁、９と１０は空気供
給配管１１と１２に設けられた空気用開閉弁、１３と１
４は供給された都市ガスまたは空気を吸引して加圧して
水素生成器５および６に送るための加圧機、１５と１６
は加熱炉１７の出口部１８に設けられ加熱炉１７の排ガ
スによって都市ガスまたは空気を加熱する予熱器であ
る。一方、加熱炉１７内には水素生成器５と６を加熱す
るための都市ガスを燃料とする加熱手段としてバーナー
１９を設ける。このバーナー１９の燃料は都市ガス供給
配管１から分岐したバーナー用配管２０から供給してお
り、配管途中で燃焼燃焼空気供給用ファン２１を用いて
所定の空燃比となるように燃焼空気配管２２から空気を
混合する。水素生成器５と６から出た反応ガスは各々出
口配管２３、２４を通り、合流して燃料電池へ接続され
た水素供給配管２５へ送られる。出口配管２３と２４と
には出口用開閉弁２６、２７と反応ガスを外気中へ放出
するための放出配管２８、２９と放出用開閉弁３０、３
１が接続されている。なお、この構成において、吸着剤
２は水素生成器の必須要素ではなく付帯要素である。ま
た、本実施の形態では、都市ガス用開閉弁７、８と空気
用開閉弁９、１０と水用開閉弁３５、３６とが原料と空
気と水蒸気とを水素生成器５、６に交互に切り替えて供
給するための切替手段１に相当し、出口用開閉弁２６、
２７および放出用開閉弁３０、３１が前記水素生成器か
ら排出されるガスの供給先を燃料電池と外気とに交互に
切り替えるための切替手段２に相当する。なお、前記切
替手段１、２は本実施の形態に限定されるものではなく
切替手段１については都市ガス用開閉弁７と空気用開閉
弁９とを一つにした切り替え弁であっても構わないし、
部分的に一つにした切替弁であっても構わない。さら
に、複数の水素生成器に対して一つの切替弁で上述の切
替を行っても構わない。切替手段２についても同様であ
る。

【００３６】ここで、都市ガスの主成分であるメタンを
例にして、メタンから炭素と水素が分離する反応につい
て図２を用いて簡単に説明する。

【００３７】図２はメタンと炭素と水素のギブスの生成
自由エネルギーΔＧｆを温度に対して図示したものであ
る。メタンの生成自由エネルギーは温度とともに増加
し、約５５０℃以上で正の値となる。一方、炭素と水素
は元素であるためそれらの生成自由エネルギーはゼロで
ある。化合物は生成自由エネルギーの小さな物質へと反
応して変化することから、メタンは約５５０℃以上に加
熱されると炭素と水素に分解することがわかる。すなわ
ちメタンを約５５０℃以上に加熱することにより、炭素
を析出して水素を得ることができる。都市ガス中には、
メタン以外にエタン、プロパン、ブタン等の炭化水素が
含まれているが、これらの生成自由エネルギーはメタン
よりも大きく、より低い温度で炭素と水素に分解する。
生成自由エネルギーの値は物質によって異なるが、アル
コールや灯油、ガソリン等燃料電池の水素生成原料とし
て利用される炭化水素化合物の生成自由エネルギーは、
メタンと同様に温度とともに上昇し、加熱によって熱分
解して炭素と水素を生成する。一例として，メタノール
を原料として用いる場合について簡単に説明をする。上
述のように原料としてメタンを用いた場合は、熱分解に
よって生成するものは水素と炭素のみであった。しかし
アルコールのように，炭素と水素以外の元素を含む原料
では，熱分解によって生じる物質は水素と炭素だけでは
ない。メタノールの場合は，次の反応によって一酸化炭
素，二酸化炭素，水および酸素も生じる可能性がある。

【００３８】

【化５】

【００３９】

【化６】

【００４０】

【化７】

【００４１】

【化８】

【００４２】しかし，図３に示したこれらの物質の自由
エネルギーから，一酸化炭素よりも二酸化炭素の方が生
成しやすく，また酸素よりも水の方が生成しやすいこと
がわかる。従って，メタノールの熱分解では上記の（化
５）と（化８）の反応は発生し難く、（化６）と（化
７）の反応によって水素と炭素と水と二酸化炭素が生成
する。

【００４３】このように酸素を含む炭化水素化合物を原
料として用いると、水素と炭素以外にも水や二酸化炭素
が生じるが、これらの物質は燃料電池の作用に何ら悪影
響を及ぼすものではない。

【００４４】図１の水素生成器５と６に都市ガスを供給
してバーナー１９により６００℃〜７００℃程度に加熱
すると、都市ガスが熱分解して水素生成器５、６の内壁
には炭素が析出し反応ガスとして水素が生成する。

【００４５】次に図１の水素生成器の動作を説明する。
この水素生成器を起動する際には、先ず図１中の全ての
開閉弁を閉じ、バーナー１９を点火して水素生成器５と
６を６００℃〜７００℃程度に加熱する。次に都市ガス
用開閉弁７と出口用開閉弁２６を開くと水素生成器５内
には炭素が析出するとともに水素が生成される。生成し
た水素は水素供給配管２５を通って燃料電池へ供給され
る。

【００４６】しばらくの間この状態で運転すると、水素
生成器５内には大量の炭素が蓄積され都市ガスの流量が
低下する。そこで、次に都市ガス用開閉弁８と出口用開
閉弁２７を開き、水素生成器６内に都市ガスを供給し、
水素生成器６から燃料電池へ水素を供給する。次に都市
ガス用開閉弁７と出口用開閉弁２６を閉じ、空気用開閉
弁９と放出用開閉弁３０を開く。水素生成器５には空気
供給配管１１から空気が供給され、水素生成器５内に蓄
積された炭素は空気中の酸素によって燃焼されて二酸化
炭素および少量の一酸化炭素となって放出配管２８から
外気へ放出される。

【００４７】この時、炭素の燃焼によって生じた熱は輻
射熱となって水素生成器５から放射され、水素生成器６
を加熱する。すなわち、本発明では２つの水素生成器５
と６を同一の加熱炉１７内で近接して配置しているた
め、互いに輻射によって熱交換が可能であり、炭素の燃
焼熱を都市ガスの熱分解に要するエネルギーとして有効
に利用することができる。

【００４８】やがて水素生成器６内に炭素が大量に蓄積
される頃には水素生成器５内の炭素は完全に除去されて
いるので、今度は空気用開閉弁９と放出用開閉弁３０を
閉じ、都市ガス用開閉弁７と出口用開閉弁２６を開いて
水素生成器５を用いて燃料電池に水素を供給する。一
方、都市ガス用開閉弁８と出口用開閉弁２７を閉じ、空
気用開閉弁１０と放出配管２９を開いて水素生成器６内
に空気を供給して水素生成器６内に蓄積した炭素を燃焼
して外気中へ放出する。この時は炭素の燃焼によって発
生した熱は輻射によって水素生成器５を加熱する。

【００４９】このように、本発明の水素生成器は水素生
成器内に炭化水素原料と空気を交互に供給するすること
によって水素の生成と、蓄積した炭素の燃焼を交互に行
う。また、複数の水素生成器を用い、各水素生成器で炭
化水素原料を供給する工程と空気を供給する工程を並列
して行うことにより、燃料電池に連続して水素を供給す
ることができる。また、複数の水素生成器を互いに熱交
換可能とすることによって、炭素の燃焼によって生じる
熱を、炭化水素原料の熱分解に要するエネルギーの一部
として利用することができ、結果としてバーナー１９に
よる燃料の燃焼量を低減することができる。

【００５０】このように、本発明の水素生成器は触媒を
用いることがなく、従来の水素生成器の触媒の劣化によ
って生じるさまざまな課題を解決することができる。し
かも、本発明の水素生成器では基本的に酸素の存在しな
い状態で、原料の熱分解によって水素を生成するため、
燃料電池を劣化させる一酸化炭素が発生しない。そのた
めに、従来の水素生成器では不可欠であった一酸化炭素
を除去するためのシフト反応や選択酸化が一切不要であ
り、装置構成を大幅に簡単化することができる。

【００５１】なお、本実施の形態では水素生成器を２本
用いたが、複数の水素生成器を用いる理由は連続的に水
素を生成するためと、炭素の燃焼熱を他の水素生成器の
加熱に利用するためであり、更に多くの水素生成器を用
いてもよい。また、本実施の形態では水素生成器間の伝
熱を輻射によって行なったが、水素生成器どうしを接触
させ、伝導によって伝熱を行なってもよい。

【００５２】水素生成器５、６に都市ガスを供給して加
熱することによって、水素生成器５、６の内面には炭素
が析出するが、密度の低い煤状の炭素が析出すると水素
生成器５、６は短時間のうちに閉塞してしまい、頻繁に
空気を供給して炭素を燃焼させなければならない。経験
的には都市ガスの供給量を低く抑え、水素生成器５、６
の温度を高めに設定すると水素生成器５、６の内面に付
着する炭素は緻密なものとなり長時間の水素生成が可能
となる。しかし、より長時間の運転を行なうため、本発
明では図４（Ａ）に示すように水素生成器５、６の内面
全体に水素生成器の長さ方向に突起３２を設け、炭素の
析出する水素生成器の内面積を大きくしている。炭素は
図４（Ｂ）のように、この突起３２の表面にも析出する
ため、突起３２がない場合よりもより多くの炭素を析出
させることができ、より長時間の運転が可能となる。

【００５３】また、この突起３２は伝熱フィンとしての
作用も有している。すなわち、水素生成時のバーナー１
９による加熱熱量を水素生成器５、６内の都市ガスへ速
やかに伝え、水素の生成速度を向上するという効果、お
よび炭素燃焼時の燃焼熱を水素生成器５、６の表面へ速
やかに伝え、伝熱速度を増大するという効果がある。

【００５４】なお、図４に示した水素生成器の形状は一
例であり、必要に応じて部分的な突起やさまざまな形状
の凹凸部を設けて内面積を広くするようにすれば良い。

【００５５】（実施の形態２）次に、本発明の第２の実
施の形態を図５を用いて説明する。図５は上述の第１の
実施の形態と同様に、炭化水素原料として都市ガスを用
い、水素生成器を２本用いた場合の燃料電池用水素生成
器の概略構成図である。

【００５６】本実施の形態において、第１の実施の形態
と同等の構成要素には同じ符号を付している。本実施の
形態の発明が第１の実施の実施の形態と異なる点は、水
供給配管３３から水素生成器５、６に水を供給するため
のポンプ３４と水用開閉弁３５、３６および水用配管３
７、３８を設けていることである。また、本実施の形態
では、都市ガス用開閉弁７、８および空気用開閉弁９、
１０が原料と空気とを水用開閉弁３５、３６に交互に切
り替えて供給するための切替手段１に相当し、切替手段
２は、第１の実施の形態と同様である。なお、前記切替
手段１は、本実施の形態に限定されるものではなく、都
市ガス用開閉弁７と空気用開閉弁９と水用開閉弁３５と
を一つにした切り替え弁であっても構わないし、複数の
水素生成器に対して一つの切替弁で上述の切替を行って
も構わない。切替手段２についても同様である。

【００５７】第１の実施の実施の形態では、空気によっ
て水素生成器５、６内に析出した炭素を燃焼して除去し
た後、水素生成器５、６に直ちに都市ガスを供給してい
た。しかしこの場合、都市ガスを供給した直後は水素生
成器５、６内に残留した空気や二酸化炭素、および燃焼
電池を劣化させるごく少量の一酸化炭素が燃料電池へ送
られてしまう。炭素を燃焼させた後、水素生成器５、６
に都市ガスを供給する時点では炭素はほとんど残ってお
らず、また、炭素が残っていたとしても過剰量の空気に
よって燃焼されるため一酸化炭素が発生する可能性は極
めて僅かであるが、燃料電池を長期間にわたってその特
性を劣化させることなく運転するには、残留する可能性
の拭いきれない一酸化炭素を完全に除去する必要があ
る。

【００５８】そこで本実施の形態では、析出した炭素を
空気で燃焼した後、水素生成器に水蒸気を供給して水素
生成器内の残留ガスを水蒸気で置換した後に都市ガスを
供給して水素を生成するものである。

【００５９】水素生成器５内の炭素を燃焼している状態
から都市ガスを供給するまでの工程を、図５を用いて説
明する。

【００６０】水素生成器５内の炭素を燃焼している状態
では、都市ガス用開閉弁７と出口用開閉弁２６は閉、空
気用開閉弁９と放出用開閉弁３０は開となっており、新
たに追加した水用開閉弁３５は閉としておく。炭素の燃
焼が終了した時点で、空気用開閉弁９を閉じ水用開閉弁
３５を開いて、水を予熱器１５を経て蒸発させて水素生
成器５へ供給する。供給された水蒸気は放出用開閉弁３
０から外気へ放出されるが、その際に水素生成器５内の
残留ガスも同時に外気へ放出する。水蒸気を水素生成器
５内へ供給する時間は短時間で良い。次に水用開閉弁３
５と放出用開閉弁３０を閉じ、都市ガス用開閉弁７と出
口用開閉弁２６を開いて都市ガスから水素を生成して燃
料電池へ供給する。水素生成器６内に蓄積した炭素を燃
焼している状態から、水素生成器６に都市ガスを供給し
て水素を生成する場合も同様に対応する開閉弁を切り替
えれば良い。

【００６１】本発明を用いると、この残留ガス中の空気
や二酸化炭素や一酸化炭素を全く含まない水素を燃料電
池に供給することができる。

【００６２】（実施の形態３）次に、本発明の第３の実
施の形態を図６を用いて説明する。図６は上述の第１、
第２の実施の形態と同様に、炭化水素原料として都市ガ
スを用い、水素生成器を２本用いた場合の燃料電池用水
素生成器の概略構成図である。

【００６３】本実施の形態において、第１の実施の形態
と同等の構成要素には同じ符号を付している。本実施の
形態の発明が第１および第２の実施の実施の形態と異な
る構成は、出口配管２３、２４とバーナー用配管２０を
接続する燃焼用配管３９、４０、および燃焼用配管開閉
弁４１、４２を設けている点である。また、本実施の形
態では、出口用開閉弁２６、２７と放出用開閉弁３０、
３１と燃焼用配管開閉弁４１，４２とが水素生成器から
排出されるガスの供給先を燃料電池と外気と前記加熱手
段とに交互に切り替える切替手段２に相当し、切替手段
１は、第１の実施の形態と同様である。なお、前記切替
手段２は、本実施の形態に限定されるものではなく、出
口用開閉弁２６と放出用開閉弁３０と燃焼用配管開閉弁
４１とを一つにした切り替え弁であっても構わないし、
部分的に一つにした切替弁でも構わない。さらに、複数
の水素生成器に対して一つの切替弁で上述の切替を行っ
ても構わない。切替手段１についても同様である。

【００６４】本発明も第２の実施の形態と同様に、水素
生成器５、６内に析出した炭素を燃焼して除去した後に
水素生成器５、６内に残る残留ガスを完全に除去し、燃
料電池に残留ガスを含まない純粋な水素を供給するもの
である。

【００６５】本発明は、析出した炭素を空気で燃焼した
後、水素生成器に都市ガスをした際に短時間の間水素生
成器の出口ガスを全てバーナー１９を用いて燃焼するも
のである。

【００６６】水素生成器５内の炭素を燃焼している状態
から都市ガスを供給するまでの工程を、図６を用いて説
明する。

【００６７】水素生成器５内の炭素を燃焼している状態
では、都市ガス用開閉弁７と出口用開閉弁２６は閉、空
気用開閉弁９と放出用開閉弁３０は開となっており、新
たに追加した燃焼用配管開閉弁４１は閉としておく。炭
素の燃焼が終了した時点で、空気用開閉弁９と放出用開
閉弁３０を閉じ、都市ガス用開閉弁７と燃焼用配管開閉
弁４１を開き、水素生成器５の出口ガスをバーナー１９
で燃焼させる。これにより残留ガスは新たに生成した水
素と一緒に燃焼される。なお、出口ガスをバーナー１９
で燃焼させる目的は、都市ガスが水素生成器５に供給さ
れると炭素の析出とともに水素が生成されるが、この水
素を安全に処理するために燃焼するためである。

【００６８】出口ガスをバーナー１９で燃焼させる時間
は短時間で良い。次に燃焼用配管開閉弁４１を閉じ、出
口用開閉弁２６を開いて生成した水素を燃料電池へ供給
する。水素生成器６内に蓄積した炭素を燃焼している状
態から、水素生成器６に都市ガスを供給して水素を生成
する場合も同様に対応する開閉弁を切り替えれば良い。

【００６９】本発明を用いると、残留ガス中の空気や二
酸化炭素や一酸化炭素を全く含まない水素を燃料電池に
供給することができる。また、第２の実施の形態では水
蒸気で置換していたので、水の供給手段が必要であり、
また水素生成器内に残った水蒸気が燃料電池へ送られて
いたが、本発明の技術を用いると水の供給手段は不要と
なり、かつこの残留水蒸気が燃料電池へ供給されること
がなくなる。さらには、本発明によれば、原料がメタ
ン、エタン等の炭化水素のみからなる場合、純粋な水素
のみを燃料電池へ供給することが可能になる。

【００７０】なお、以上の実施の形態において炭化水素
化合物を含む原料としては都市ガスを用いたが、本発明
の水素生成器の原料は都市ガスに限るものではない。各
種アルコール系原料、プロパンガス、灯油、ガソリンな
どの炭化水素化合物は、一般に燃料電池の原料として使
用され、いずれも熱分解によって炭素の析出と同時に水
素を生成する。これらの原料に対しても本発明の技術は
有効に適用できるものである。

【００７１】また、本実施の形態では管状の水素生成器
を用いた場合について説明したが、本発明は水素生成器
の外形形状を何ら規定するものではない。

【００７２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、一酸化
炭素を含まない水素を生成することができる。そのため
に、従来の技術では不可欠であった一酸化炭素を除去す
るためのシフト反応や選択酸化反応のための水素生成器
が不要となり、水素生成器の構成を大幅に簡単化するこ
とができる。

【００７３】また、本発明では触媒を用いないため、そ
の劣化による一酸化炭素の発生という問題、および触媒
を用いることによるコストの増大という問題も解決する
ことができる。

【００７４】しかも、本発明により生成される水素は二
酸化炭素や窒素などが含まれていない純粋な水素である
ため、燃料電池の発電効率が高く燃料電池を小型化する
ことができるという優れた特徴を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池用
水素生成装置の概略構成図

【図２】本発明においてメタンを原料とした場合の水素
生成原理の説明図

【図３】本発明においてメタノールを原料とした場合の
水素生成原理の説明図

【図４】本発明の水素生成器の断面図と炭素の析出状態
の説明図

【図５】本発明の第２の形態における燃料電池用水素生
成装置の概略構成図

【図６】本発明の第３の実施の形態における燃料電池用
水素生成装置の概略構成図

【符号の説明】

１都市ガス供給配管２吸着剤３配管４配管５水素生成器６水素生成器７都市ガス用開閉弁８都市ガス用開閉弁９空気用開閉弁１０空気用開閉弁１１空気供給配管１２空気供給配管１３加圧機１４加圧機１５予熱器１６予熱器１７加熱炉１８加熱炉出口部１９バーナー２０バーナー用配管２１燃焼空気供給用ファン２２燃焼空気配管２３出口配管２４出口配管２５水素供給配管２６出口用開閉弁２７出口用開閉弁２８放出配管２９放出配管３０放出用開閉弁３１放出用開閉弁３２突起３３水供給配管３４ポンプ３５水用開閉弁３６水用開閉弁３７水用配管３８水用配管３９燃焼用配管４０燃焼用配管４１燃焼用配管開閉弁４２燃焼用配管開閉弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田豊大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者前西晃大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 4G040 EA02 EA03 EA06 EA07 EB31 EB43 5H027 AA02 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭化水素化合物を含有する原料から熱分
解により水素を生成する水素生成器を備えることを特徴
とする水素生成装置。
【請求項２】さらに、前記水素生成器を加熱する加熱
手段と、前記水素生成器に空気を供給する空気供給手段
と、原料と空気とを前記水素生成器に交互に切り替えて
供給するための切替手段１と、前記水素生成器から排出
されるガスの供給先を燃料電池と外気とに交互に切り替
えるための切替手段２とを備えることを特徴とする請求
項１に記載の水素生成装置。
【請求項３】さらに、前記水素生成器を加熱する加熱
手段と、前記水素生成器に空気を供給する空気供給手段
と、前記水素生成器に水蒸気を供給する水蒸気供給手段
と、水素原料と空気と水蒸気とを前記水素生成器に交互
に切り替えて供給するための切替手段１と、前記水素生
成器から排出されるガスの供給先を燃料電池と外気とに
交互に切り替えるための切替手段２とを備えることを特
徴とする請求項１に記載の水素生成装置。
【請求項４】さらに、前記水素生成器を加熱する加熱
手段と、前記水素生成器に空気を供給する空気供給手段
と、前記水素生成器に原料と空気とを交互に切り替えて
供給する切替手段１と、前記水素生成器から排出される
ガスの供給先を燃料電池と外気と前記加熱手段とに交互
に切り替える切替手段２とを有する請求項１に記載の水
素生成装置。
【請求項５】前記水素生成器が複数であることを特徴
とする請求項１〜４のいずれかに記載の水素生成装置。
【請求項６】前記複数の水素生成器が互いに熱交換可
能であることを特徴とする請求項５に記載の水素生成装
置。
【請求項７】前記水素生成器の内面に突起部または凹
凸部を設けた請求項１〜６のいずれかに記載の水素生成
装置。
【請求項８】請求項１〜７のいずれかに記載の水素生
成装置と、前記水素生成器において生成された水素を含
有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとを用いて
発電する燃料電池とを備えることを特徴とする燃料電池
システム。