JP2003206102A - 水素生成装置および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の水素生成装置では、触媒を必要とした
り、加熱するには長時間を要し、起動時間が長いという
課題があった。 【解決手段】 炭化水素化合物を含有する原料から熱分
解により水素ガスを生成する水素ガス生成筒４と、水素
ガス生成筒４の発熱部Ａ内を、原料が熱分解する温度ま
で、誘導加熱により加熱する発熱体５および誘導加熱コ
イル７とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
成する燃料電池用反応器の第一の従来技術としては、例
えば特開平０７−１２６００１号公報に記載されたもの
がある。この技術は改質原料と水を原料とし、以下に番
号を付して示す各反応を行なって水素を生成するもので
ある。

【０００３】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。

【０００４】

【化１】 ただし、改質反応においては、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。そこで次に
示すシフト反応を行う。

【０００５】

【化２】 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。そこで、さらに次に示す選択酸
化反応を行う。

【０００６】

【化３】 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。

【０００７】

【化４】 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。

【０００８】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。

【０００９】しかし、上記の第一の従来技術では水素の
生成に３段階の反応を用いるため、反応器が少なくとも
３種類必要であり、構成が複雑になってしまう。

【００１０】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。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。

【００１１】しかしながら、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。

【００１２】一方、上述したような、改質原料と水を用
いた水素ガス生成における問題を解消できる技術とし
て、炭化水素化合物を含む原料から水素を生成する第二
の従来技術が知られており、例えば第８６回触媒討論
会、４２巻６号（２０００年）Ｐ３５１に記載の原料の
熱分解によるものがある。

【００１３】この技術は先ずニッケル系の触媒を用い
て、４５０℃程度でメタンを熱分解することによって水
素を生成し、次にこの水素によって酸化鉄を還元し、更
にこの還元された鉄に水蒸気を反応させて鉄を酸化する
と同時に水素を生成するものである。

【００１４】この方法では、一酸化炭素を含まない水素
を得ることができるという特徴があり、第１の従来技術
と比較した場合、必要な反応器の個数を削減できるとい
う利点を有する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
二の従来技術においても、熱分解には触媒を用いる必要
があるため、触媒の劣化による性能の低下は避けられな
いという課題があった。また熱分解によって析出した炭
素は触媒の表面に付着し触媒表面を覆ってしまう。その
ため比較的短時間のうちに触媒作用が失われるため、触
媒の頻繁な再生処理が必要となる。

【００１６】更に、反応器を起動して定常に達するまで
には、約３０分から１時間程度もの長い起動時間が必要
であるという課題があった。これは触媒および各反応装
置を所定の温度に上昇するために必要な時間であり、装
置が大きいほど熱容量も大きく長時間を要する。また所
要電力負荷に応じて水素の生成量を調節する必要がある
が、反応装置の熱容量が大きいために温度変化は緩慢で
あり、電力負荷に速やかに追従することはできないとい
う課題があった。

【００１７】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであり、触媒によらず熱分解を行って、一酸化炭素
を発生させることなく、迅速に水素ガスを得ることがで
き、燃料電池システムにおいて動作させた際に、電力負
荷に速やかに追従することのできる水素生成装置を得る
ことを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、第１の本発明（請求項１に対応）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ガスを生成す
る反応器と、前記反応器内を、前記原料が熱分解する温
度まで、誘導加熱により加熱する誘導加熱手段とを備え
た水素生成装置である。

【００１９】これにより、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する
ことができる。しかも誘導加熱によって発熱体を直接加
熱し、その発熱体と原料を直接接触して熱分解するた
め、水素生成装置の起動時間が極めて短い。

【００２０】また、第２の本発明（請求項２に対応）
は、前記誘導加熱手段は、前記反応器内に設けられた発
熱体と、前記反応器外に設けられた、前記発熱体を誘導
加熱する誘導加熱駆動手段とを有する第１の本発明の水
素生成装置である。

【００２１】また、第３の本発明（請求項３に対応）
は、前記発熱体は、前記誘導加熱駆動手段により発熱さ
れる第１の発熱部と、前記第１の発熱部からの輻射熱に
よって加熱される第２の発熱部とを有する第１の本発明
の水素生成装置である。

【００２２】これにより、第２の発熱部も第１の発熱部
の放射するの輻射熱によって高温に加熱することができ
る。原料の熱分解は、原料が高温の物体に接触して生じ
るため、発熱体の面積が大きい方が効率的に熱分解を行
なうことができる。本発明により高温となる表面積を拡
大でき、その結果として水素生成装置を小型化すること
ができる。

【００２３】また、第４の本発明（請求項４に対応）
は、前記反応器の下流に設けられた熱交換手段を備え、
前記熱交換手段は、前記反応器と接続された、前記水素
ガスが通過する水素ガス通過室と、前記原料が通過する
原料通過室とを有し、前記水素ガス通過室を通過する水
素ガスと、前記原料通過室を通過する原料とが熱交換を
行う第１の本発明の水素生成装置である。これにより、
高温の生成ガスから熱を回収することができる。

【００２４】また、第５の本発明（請求項５に対応）
は、前記熱交換手段は、前記水素ガス通過室内に設けら
れた熱吸収体をさらに備え、前記反応器の壁部と、前記
水素ガス通過室の壁部とは、赤外線に対して実質透明な
いし半透明な素材で一体成形されている第４の本発明の
水素生成装置である。

【００２５】また、第６の本発明（請求項６に対応）
は、前記反応器の下流に設けられた放熱部を備え、前記
放熱部は、前記水素ガスが通過する、赤外線に対して壁
面が実質透明ないし半透明な素材で形成された水素ガス
通過室と、前記水素ガス通過室内に設けられた熱吸収体
とを有する第１の本発明の水素生成装置である。

【００２６】また、第７の本発明（請求項７に対応）
は、前記反応器に空気を交互に切替えて供給する原料・
空気供給手段と、前記反応器によって生成された生成ガ
スを大気へ放出させる生成ガス排出手段とをさらに備
え、前記原料・空気供給手段が前記空気を前記反応器に
供給しているとき、前記生成ガス排出手段は、前記生成
ガスを大気へ放出させる第１の本発明の水素生成装置で
ある。

【００２７】また、第８の本発明（請求項８に対応）
は、炭化水素化合物を含有する原料から熱分解により水
素ガスを生成する複数の反応器と、前記反応器内を、前
記原料が熱分解する温度まで、誘導加熱により加熱する
誘導加熱手段と、前記複数の反応器のそれぞれに空気を
交互に切替えて供給する原料・空気供給手段と、前記複
数の反応器のそれぞれによって生成された生成ガスを大
気へ放出させる生成ガス排出手段とをさらに備え、前記
原料・空気供給手段が前記空気を所定の対応する反応器
に供給しているとき、前記生成ガス排出手段は、前記対
応する所定の反応器が生成した生成ガスを大気へ放出さ
せる排出動作を行い、前記複数の反応器の一部が生成し
た水素ガスを供給する動作と、前記複数の反応器の他の
部分が生成した生成ガスの排出動作とが平行して行われ
る水素生成装置である。

【００２８】これにより、連続して水素の供給を可能と
するとともに、炭素を燃焼する際に発生する熱を原料の
熱分解に利用することができ、誘導加熱に要する消費電
力を抑制することができる。

【００２９】また、第９の本発明（請求項９に対応）
は、前記誘導加熱手段は、前記複数の反応器内にそれぞ
れ設けられた発熱体と、前記複数の反応器の外に設けら
れ、前記発熱体を誘導加熱する誘導加熱駆動手段とを有
し、前記誘導加熱駆動手段は、前記複数の反応器で共有
されるものである第７の本発明の水素生成装置である。
これにより、連続的に水素を生成し得る構成で誘導加熱
手段の実施にかかる費用を低減することができる。

【００３０】また、第１０の本発明（請求項１０に対
応）は、水素を供給する水素供給部と、前記水素供給部
から供給される水素および酸化剤ガスを用いて発電する
燃料電池とを備え、前記水素供給部として第１から第９
のいずれかの本発明の水素生成装置を用いた燃料電池シ
ステムである。

【００３１】また、第１１の本発明（請求項１１に対
応）は、前記水素供給部と前記燃料電池との間に設けら
れ、前記水素供給部から前記燃料電池に供給される水素
を加湿する加湿器をさらに備えた第１０の本発明の燃料
電池システムである。

【００３２】これにより、燃料電池に不可欠な水蒸気の
供給に要するエネルギーを別途供給する必要がなく、燃
料電池システムの動作に必要な消費エネルギー量を抑制
することができる。

【００３３】また、第１２の本発明（請求項１２に対
応）は、前記燃料電池から放出された放出ガスの少なく
とも一部を前記水素供給部の入口部へ帰還させる環流回
路をさらに備えた第１０の本発明の燃料電池システムで
ある。

【００３４】これにより、水素生成装置で未分解であっ
た原料ガスを再度水素生成装置へ戻して原料として使用
することができ、原料の利用効率を向上し、燃料電池シ
ステムの原料使用量を低減することができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】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。

【００３６】（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燃料電池システムの概略構成図であ
る。

【００３７】図１に示すように、本発明の水素生成装置
１は、水素貯蔵器２を介して燃料電池３に接続されてい
る。水素生成装置１において、水素ガス生成筒４は熱分
解により原料から水素を生成する高温部Ａと生成ガスを
冷却する冷却部Ｂを有する手段であり、石英管からなる
ものである。発熱体５はニッケルにより構成された手段
であり、二重円筒型を有する。誘導加熱コイル７は発熱
体５を誘導加熱するための手段、放熱体６は反応ガスを
冷却するための手段であって、発熱体５と同様、二重円
筒形を有するものである。発熱体５および放熱体６は水
素ガス生成筒４内に設けられており、全体として三重円
筒型を有する構成となっている。

【００３８】原料供給配管９は水素の原料となる都市ガ
スを水素ガス生成筒４に供給する手段、空気配管８は空
気を供給する手段、原料ガス切替え弁１０は都市ガスと
空気の供給を切替える手段、輻射型熱交換器１１は水素
ガス生成筒４に供給するガスを予熱する手段であって、
円筒状の形状を有する。入口ガス配管１２は輻射型熱交
換器１１から反応器４に接続された配管、出口ガス配管
１３は反応器４から水素ガスを出力するための配管であ
る。ここで輻射型熱交換器１１は反応器４に直接接触せ
ず、しかも放熱体６の周囲を囲むように配置している。

【００３９】この水素生成装置１の動作を次に説明す
る。先ず、水素ガス生成筒４において高温部Ａの発熱体
５を誘導加熱コイル７によりメタンの熱分解に必要な約
１０００〜１２００℃の高温に加熱する。本発明では発
熱体５の加熱に誘導加熱を用いているため、発熱体５は
僅か数分で所定の温度にまで加熱できる。次に、水素の
原料となる都市ガスを入口ガス配管１２から水素ガス生
成筒４に供給する。水素ガス生成筒４内で都市ガスの主
成分であるメタンは、高温の発熱体５に接触して、その
表面で次の反応により水素と炭素に分解する。

【００４０】

【化５】 この際、炭素は発熱体５の表面に付着し、１０００〜１
２００℃の高温の水素ガスは放熱体６が配置された冷却
部Ｂへ供給される。放熱体６は誘導加熱コイル７の発生
する電磁界から離れているため、誘導加熱コイル７によ
って加熱されることはないが、放熱体６を通過する高温
の水素ガスにより加熱され、輻射熱を発するまでに加熱
される。この輻射熱は、水素ガス生成筒４を通過し輻射
型熱交換器１１を加熱する。輻射型熱交換器１１は更に
その中を流れている都市ガスを加熱する。放熱体６の保
持する熱量は輻射によって都市ガスに移動するが、放熱
体６は周囲を流れる水素により加熱され続けるので、放
熱体６自体の熱収支は結局一定となり、輻射熱を発し続
ける。

【００４１】このようにして高温の水素の熱は都市ガス
に移動し、水素は冷却される一方、都市ガスは予熱され
て水素ガス生成筒４に供給される。

【００４２】ここで発熱体５を誘導加熱コイル７により
誘導加熱する理由を説明しておく。発熱体５を加熱する
手段として発熱体５自身に直接通電する方法や、表面を
保護材料で被ったヒータを用いる方法もある。しかしい
ずれの方法も本発明のように高温で炭素と接触すると、
表面から炭素が拡散し浸炭されてしまう。材料が浸炭す
ると組織変化により硬化等の現象が生じ、機械的強度は
低下する。そこで発熱体５は定期的に交換するする必要
があるが、ヒータ自身を交換すると交換に要する費用が
高価なものとなってしまう。本発明では発熱体５の加熱
を誘導加熱で行なっているため発熱体５自身は単なる板
材であり交換費用を低価格に抑えることができる。

【００４３】次に発熱体５の具体的な構成を図２に示
す。発熱体５は外筒１８と内筒１９から構成されてお
り、外筒１８、内筒１９ともにガスを流通して混合する
ためのスリット２０が設けられている。外筒１８は誘導
加熱コイル７により直接加熱され短時間のうちに高温に
加熱されるが、誘導加熱コイル７の発生する電磁界は外
筒１８によってほぼ吸収されるため内筒１９を誘導加熱
することはできない。本発明の熱分解による水素生成で
は、炭素が析出する高温表面の面積が大きいほど水素の
生成量も多いために発熱体５の高温部の表面積を大きく
する必要がある。

【００４４】そこで本発明では、外筒１８と内筒１９と
を二重筒状の形状とし、外筒１８の壁面と内筒１９の壁
面とが対向するように配置し、外筒１８の輻射熱によっ
て内筒１９を加熱する構成としている。このように、内
筒１９を、外筒１８の輻射熱によって間接的に加熱し得
る構成とすることにより、発熱体５全体の表面積を拡大
し、水素の生成効率を向上して水素生成装置１の大きさ
を小型化可能としている。なお、図２において、外筒１
８の構成は実線で、内筒１９の構成は点線にて、それぞ
れ示した。また、水素ガス生成筒４を一点鎖線で記し、
内筒、外筒との位置関係を示した。また、各筒の厚みは
省略して示した。

【００４５】図１の実施例では、放熱体６の構造は発熱
体５と同じとしている。放熱体６では外筒１８と内筒１
９は水素によって加熱され、先ず輻射型熱交換器１１へ
の外筒１８の輻射により外筒１８の温度が低下し、続い
て内筒１９から外筒１８への輻射によって内筒１９の温
度も低下し、これらに接する水素の温度が低下する。ま
た、本実施例では発熱体５と放熱体６を切り離して配置
しているが、これらは同一の構造物であっても良く、冷
却部Ｂに位置する部分が誘導加熱コイル７によって加熱
されないような配置にしておけば良い。発熱体５と放熱
体６を同一の構造体にすることにより、構成や組立てを
簡単化することができる。

【００４６】さらに本発明では発熱体５を浸炭され難い
材料であるニッケルで構成しているため交換頻度を少な
くすることができる。なおかつ、ニッケルは第二の従来
の技術で説明したようにメタンの熱分解に触媒として利
用される材料でもあるため、水素生成装置１の起動初期
の状態で発熱体５が加熱途中の低温の状態であってもメ
タンを熱分解することができ、水素を生成することがで
きる。すなわち発熱体５の構成材料としてニッケルまた
はニッケル合金を用いることにより、水素生成装置１の
起動時間をより短縮することができる。なお、発熱体５
の表面を炭素が覆ってしまうと触媒作用は失われるが、
その時には誘導加熱により発熱体５は所定の温度に達し
ているため、触媒作用がなくても熱分解を起こすことが
できる。

【００４７】次に、輻射型熱交換器１１を用いる理由を
説明しておく。水素生成装置では高温の水素を扱うた
め、通常の金属壁を介して熱交換を行なう通常の熱交換
器に高温の気体を流して熱交換を行なうと、装置の起動
と停止により熱交換器の構成材料に大きな熱ストレスが
生じる。そのために熱交換器にひび割れが生じ、高温の
気体が外部へ流出してしまう危険性がある。とくに長期
間運転を行なった場合、クリープ現象により構成材料の
強度が低下してしまい、破壊が生じやすくなる。特に、
本実施の形態の水素生成装置では、生成される水素が高
温であるため、その冷却に熱交換器を用いた場合、熱交
換器が破壊すると高温の水素が大気中へ放出され、発火
あるいは爆発を起こす危険性がある。

【００４８】そこで本実施の形態のように、高温の水素
が熱交換器に直接触れることのない輻射型熱交換器１１
を用いることによって熱交換器の破壊による水素の放出
の危険性を回避でき、安全性の高い水素生成装置を構成
することができる。また、熱交換によって水素ガス生成
筒４内の高温ガスを用いて原料ガスの予熱を行なうた
め、水素生成装置１の起動後は誘導加熱コイル７に供給
する電力を下げて運転することができ、低消費電力で水
素を生成することができる。

【００４９】次に、燃料電池はその動作を行なうために
は、原料となる水素が加湿されている必要があるが、本
実施の形態では、水素の加湿を、水素生成装置１の後に
設けられた加湿器１４によって行なう。放熱体６により
冷却された水素は、出口ガス配管１３に連通して接続さ
れた加湿器１４に供給され、水配管１５から供給された
水と直接接触を行なう。加湿器１４の内部には水素と水
蒸気の混合と熱移動を促進するために充填材が充填され
ており、直接接触により水は蒸発し水素は加湿される。
水の蒸発潜熱は大きいため、蒸発させるためには比較的
大きな熱交換器を必要とするが、本発明では水素との直
接接触によって蒸発させているため、熱交換器が不要で
あり、非常に小型の加湿器１４で水素を加湿することが
できる。

【００５０】加湿された水素は生成ガス切替え弁１６を
通って水素貯蔵器２に貯えられた後、燃料電池３へ供給
される。

【００５１】一方、水素生成装置１の運転時間が長くな
ると、発熱体５に大量の炭素が析出し、この炭素により
原料ガスの流路が塞がれてしまう恐れがあるため、一定
時間ごとに炭素を除去する必要がある。そこで本実施の
形態では一定時間水素を生成した後、原料ガス切替え弁
１０と生成ガス切替え弁１６との切替えを行い、水素ガ
ス生成筒４には空気配管９から空気を取り入れて、水素
ガス生成筒４から排出されるガスが大気放出配管１７か
ら大気へ放出されるような回路へ切替える。空気は輻射
型熱交換器１１によって加熱された後水素ガス生成筒４
に供給される。水素ガス生成筒４内では、発熱体５表面
に析出した炭素は、供給された空気によって燃焼する。
燃焼により生じた生成ガスである二酸化炭素は、大気放
出配管１７から大気へ放出される。

【００５２】このようにして本実施の形態では原料の熱
分解による水素の生成と、析出した炭素の除去を交互に
行なう。炭素の除去時には水素を生成することはできな
いが、その間は水素貯蔵器２に貯えた水素を燃料電池３
へ供給することによって、燃料電池３は停止することな
く連続的に発電を行なうことができる。本実施の形態の
水素生成装置１は加熱手段として誘導加熱を用いている
ため、起動時間が数分程度と極めて短時間であるため、
このように水素生成と炭素燃焼の交互の運転が可能とな
る。

【００５３】また、本実施の形態の水素生成装置１では
電力負荷が変動して燃料電池が必要とする水素量が変化
した場合でも、原料である都市ガスの供給量と誘導加熱
コイル７への供給電力量を調節すれば、生成する水素量
を直ちに変化させることができる。すなわち急激な電力
需要にも充分に対応できる。この特徴も、誘導加熱によ
り発熱体５を加熱する本発明により得られるものであ
る。

【００５４】なお、図２に示す発熱体５の構成は一例で
あり、二重筒構造の発熱体を三重以上の筒構造にした
り、ガスの混合を促すために、筒の壁面に各種のスリッ
トや切り起こし等の工夫を施せば、更に水素の生成効率
を向上することができる。また、誘導加熱だけで充分な
量の水素ガスが得られる場合は、一重筒構造としてもよ
い。

【００５５】また、発熱体５の構成は、いずれもニッケ
ルまたはニッケル合金であって、外筒１８と内筒１９の
二重筒状の形状であるとしたが、内筒１９をニッケルま
たはニッケル合金とし、外筒１８をセラミックなどの、
誘導加熱コイル７からの磁界を透過するような材質とし
てもよい。この場合、内筒１９が誘導加熱コイル７によ
り加熱され、その輻射熱により外筒１８が加熱される。
要するに、発熱体５は、誘導加熱コイル７から誘導加熱
される本発明の第１の発熱部に相当する部分と、誘導加
熱された部分からの輻射熱により加熱される本発明の第
２の発熱部に相当する部分を有していればよく、とくに
輻射熱により加熱される部分は、誘導加熱コイル７から
の磁界の影響を受けられないような部位であって、原料
ガスとの接触面積が大きくとれることが望ましい。

【００５６】また、発熱体５の材質は、ニッケルまたは
ニッケル合金であるとして説明を行ったが、誘導加熱可
能な素材であれば触媒作用をもたないものでもよく、鉄
等を用いてもよい。

【００５７】また、放熱体６の構成は、本実施の形態で
は、図２に示す発熱体５の構成と同一であるとして説明
を行ったが、発熱体５とは異なる構成であってもよい。
例えば、図５に示すように、コイル状の構成であっても
よい。要するに、水素ガスから熱を受けて、輻射熱とし
て水素ガス生成筒４の外部へ放出できるものであればよ
く、その具体的な形状によって限定されるものではな
い。

【００５８】また、本実施例では輻射型熱交換器１１を
水素ガス生成筒４の供給ガスの加熱に用いたが、加湿器
１４に使用する水の加熱や、あるいは別途給湯用設備を
用意してその給湯用水の加熱等に用いても良い。

【００５９】（実施の形態２）本発明の第２の実施の形
態を図３に示した燃料電池システムの概略構成図を用い
て説明する。

【００６０】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、詳細な説明は省
略する。また図３において、空冷の冷却器２５は燃料電
池３の出口ガスに含まれる水蒸気を凝縮するための手
段、トラップ２６は凝縮した水を分離除去するための手
段である。還流配管２２は、燃料電池３の放出ガス配管
２１を分岐して原料供給配管８に接続する手段であり、
その途中にはポンプ２３と流量調節弁２４とが設けられ
ている。

【００６１】実施の形態１においては、発熱体５として
触媒として機能するニッケルやニッケル化合物を用いた
場合、その表面が露出している段階では、従来例と同
様、その触媒作用により比較的低温でも原料を分解して
水素を生成し得る。また、発熱体５の表面が炭素に被わ
れた状態では、熱による分解によって水素を生成する。

【００６２】後者による水素生成の場合は、上述したよ
うに発熱体５を高温に加熱する必要がある。しかし１０
００℃を超える高温では放熱によるエネルギーロスが大
きい。また、加熱温度を下げると放熱ロスは減少するも
のの、熱分解の速度が遅くなり、水素の生成効率が低下
する。水素生成効率を高めるには発熱体５および水素生
成装置１の大きさを大きくすればよいが、装置の大型化
は放熱面積の増大を招くため好ましくない。

【００６３】そこで本実施の形態では、発熱体５の加熱
温度を８００〜１０００℃に下げ、未反応の原料ガスを
含んだ水素を燃料電池３へ供給するとともに、燃料電池
３から放出された出口ガスの一部を原料として還流して
戻す構成としている。この還流の動作を次に説明する。

【００６４】燃料電池３は供給されたガスのうち水素の
みを利用して発電を行なう。そのため、水素と原料であ
るメタンの混合ガスが供給されると、燃料電池３の出口
ではメタンが高濃度に濃縮されて放出される。濃縮され
たメタンは、燃料電池３から排出されると、環流配管２
２へ流れ、冷却器２５にて冷却され、含有している水蒸
気が凝縮される。次いでトラップ２６にて、水蒸気が凝
縮した水分が、メタンと分離除去され、原料ガス切替え
弁１０を介して再び原料ガスとして水素ガス生成筒４に
供給される。メタンの供給量は、ポンプ２３と流量調節
弁２４にて調節される。

【００６５】本実施の形態では、以上のように、燃料電
池３内にて濃縮されたメタンを原料として再利用するこ
とによって、発熱体５の温度を下げて水素の生成効率が
低くても燃料電池システム全体としての原料の高い利用
効率を維持できるものである。

【００６６】なお、本実施例では燃料電池３の放出ガス
の一部を原料として再利用しているが、この再利用率は
各燃料電池システムの原料利用率や放熱ロス等を鑑みて
決定すればよく、また、必要であれば運転時間に応じて
変化させる等の工夫や、あるいは、１００％の再利用も
不可能ではない。

【００６７】（実施の形態３）本発明の第３の実施の形
態を図４に示した燃料電池システムの概略構成図を用い
て説明する。

【００６８】本実施の形態において、前述の実施の形態
と同等の構成要素には同じ符号を付し、詳細な説明は省
略する。本実施の形態の構成が、前述の実施の形態１と
異なる点は、実施の形態１の水素生成装置のうち誘導加
熱コイル７を除く各手段を２台分用い、近接して配置す
るとともに、２本の水素ガス生成筒の外を、一本の誘導
加熱コイル４７で覆うと共に、誘導加熱コイル４７のさ
らに外側を反射板２７により囲っている点である。

【００６９】このような構成を有する本実施の形態の燃
料電池システムの基本的な動作は、実施の形態１と同様
であるが、２本の水素ガス生成筒４のうち、一方が水素
生成を行なっている際に、他方は発熱体５の表面にて析
出した炭素の燃焼を行なうように動作を行うようにする
点が異なる。これにより、水素の生成と炭素の燃焼を交
互に行なうことにより連続的に水素を生成することがで
き、実施の形態１に必要であった水素貯蔵器２を不要と
することができる。

【００７０】さらに、２本の水素生成装置を近接して配
置して反射板２７で囲い、水素生成と炭素の燃焼を同時
に行なうことにより、炭素の燃焼により加熱された発熱
体５から放射される輻射熱を水素の生成を行なっている
水素ガス生成筒４の発熱体５の加熱に利用することがで
きる。そのため誘導加熱コイル７の消費電力を減少する
ことができる。また、誘導加熱コイル４７を複数の水素
ガス生成筒にて共有しているため、水素生成装置全体の
構成部品点数を減らして、製造費用を削減することがで
きる。

【００７１】なお、本実施例では２本の水素ガス生成筒
４を備えた構成としたが、３本以上としても良い。この
ときも、複数の水素ガス生成筒のいずれかが水素生成を
行なっている際に、残りは発熱体５にて析出した炭素の
燃焼を行なうように動作を行わせるのが望ましい。

【００７２】なお、上記の各実施の形態において、水素
ガス生成筒４の高温部Ａは、本発明の反応器に相当す
る。また発熱体５および誘導加熱コイル７は本発明の誘
導加熱手段に相当し、さらに発熱体５は本発明の発熱体
に、また誘導加熱コイル７は本発明の誘導加熱駆動手段
に相当する。また、発熱体５の内筒１９は本発明の第２
の発熱部に相当し、外筒２０は本発明の第１の発熱部に
相当する。また、水素ガス生成筒の低温部Ｂは、本発明
の熱交換手段または放熱部に相当し、水素ガス生成筒４
の低温部Ｂに当たる部分は本発明の水素ガス通過室に相
当し、放熱体６は本発明の熱吸収体に相当する。また、
輻射型熱交換器１１は、本発明の原料通過室に相当す
る。また、空気配管９，原料供給配管８および原料ガス
切替弁は、本発明の原料・空気供給手段に相当し、出口
ガス配管１３，生成ガス切替弁１６および大気放出配管
１７は、本発明の水素ガス排出手段に相当し、加湿器１
４は本発明の加湿器に相当し、環流配管２２，冷却器２
５、トラップ２６、ポンプ２３および流量弁２４は本発
明の環流回路に相当するものである。

【００７３】したがって、本発明は上記の実施の形態に
限定されるものではなく、水素ガス生成筒は、高温部Ａ
と冷却部Ｂとで別構成になっていて、高温部Ａはセラミ
ック等の磁界を通過する素材で形成し、冷却部Ｂは、石
英管など放熱体６からの輻射熱が透過するような、赤外
線に対して実質透明ないし半透明の素材によって構成す
るようにしてもよい。ただし、クリープ現象による破壊
等を考慮した場合、実施の形態１のように高温部Ａとな
る反応器と、冷却部Ｂとなる熱交換手段または放熱部と
は、一体成形されるのが望ましい。このとき一体成形さ
れる素材は、例えば石英のように赤外線に対して実質透
明ないし半透明であることは、いうまでもない。

【００７４】また、上記の実施の形態においては、本発
明の熱交換手段に相当する輻射型熱交換器１１を必須の
構成としたが、これは省略して、放熱体６のみで水素ガ
スの放熱を行うようにしてもよい。また、輻射型熱交換
器１１は、その内部に原料ガスを通過させず、単に放熱
体６からの輻射熱を受けるようにしてもよい。

【００７５】また、本発明の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が含まれる。
また、炭化水素を含む都市ガスやプロパンガスが、本発
明の原料として有効であることは言うまでもない。

【００７６】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、触媒に
よらず熱分解を行って、一酸化炭素を発生させることな
く、迅速かつ電力負荷に速やかに追従して、起動時間が
数分程度で水素を生成することが可能な水素生成装置を
得られるとともに、電力需要の急激な変化にも追従して
対応できる燃料電池システムを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による燃料電池システム
の概略構成図

【図２】本発明の実施の形態による発熱体の概略構成図

【図３】本発明の実施の形態２による燃料電池システム
の概略構成図

【図４】本発明の実施の形態３による燃料電池システム
の概略構成図

【図５】本発明の実施の形態１による燃料電池システム
の他の構成図

【符号の説明】

１・・・水素生成装置 ２・・・水素貯蔵器 ３・・・燃料電池 ４・・・水素ガス生成筒 ５・・・発熱体 ６・・・放熱体 ７・・・誘導加熱コイル ８・・・原料供給配管 ９・・・空気配管 １０・・・原料ガス切替え弁 １１・・・輻射型熱交換器 １２・・・入口ガス配管 １３・・・出口ガス配管 １４・・・加湿器 １５・・・水配管 １６・・・生成ガス切替え弁 １７・・・大気放出配管 １８・・・外筒 １９・・・内筒 ２０・・・スリット ２１・・・放出ガス配管 ２２・・・還流配管 ２３・・・ポンプ ２４・・・流量調節弁 ２５・・・冷却器 ２６・・・トラップ ２７・・・反射板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 麻生 智倫 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 DA03 DB03 5H027 AA06 BA01

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭化水素化合物を含有する原料から熱分
   解により水素ガスを生成する反応器と、 前記反応器内を、前記原料が熱分解する温度まで、誘導
   加熱により加熱する誘導加熱手段とを備えた水素生成装
   置。
2. 【請求項２】 前記誘導加熱手段は、 前記反応器内に設けられた発熱体と、前記反応器外に設
   けられた、前記発熱体を誘導加熱する誘導加熱駆動手段
   とを有する請求項１に記載の水素生成装置。
3. 【請求項３】 前記発熱体は、前記誘導加熱駆動手段に
   より発熱される第１の発熱部と、前記第１の発熱部から
   の輻射熱によって加熱される第２の発熱部とを有する請
   求項１に記載の水素生成装置。
4. 【請求項４】 前記反応器の下流に設けられた熱交換手
   段を備え、 前記熱交換手段は、前記反応器と接続された、前記水素
   ガスが通過する水素ガス通過室と、 前記原料が通過する原料通過室とを有し、 前記水素ガス通過室を通過する水素ガスと、前記原料通
   過室を通過する原料とが熱交換を行う請求項１に記載の
   水素生成装置。
5. 【請求項５】 前記熱交換手段は、 前記水素ガス通過室内に設けられた熱吸収体をさらに備
   え、 前記反応器の壁部と、前記水素ガス通過室の壁部とは、
   赤外線に対して実質透明ないし半透明な素材で一体成形
   されている請求項４に記載の水素生成装置。
6. 【請求項６】 前記反応器の下流に設けられた放熱部を
   備え、 前記放熱部は、前記水素ガスが通過する、赤外線に対し
   て壁面が実質透明ないし半透明な素材で形成された水素
   ガス通過室と、 前記水素ガス通過室内に設けられた熱吸収体とを有する
   請求項１に記載の水素生成装置。
7. 【請求項７】 前記反応器に空気を交互に切替えて供給
   する原料・空気供給手段と、 前記反応器によって生成された生成ガスを大気へ放出さ
   せる生成ガス排出手段とをさらに備え、 前記原料・空気供給手段が前記空気を前記反応器に供給
   しているとき、前記生成ガス排出手段は、前記生成ガス
   を大気へ放出させる請求項１に記載の水素生成装置。
8. 【請求項８】 炭化水素化合物を含有する原料から熱分
   解により水素ガスを生成する複数の反応器と、 前記反応器内を、前記原料が熱分解する温度まで、誘導
   加熱により加熱する誘導加熱手段と、 前記複数の反応器のそれぞれに空気を交互に切替えて供
   給する原料・空気供給手段と、 前記複数の反応器のそれぞれによって生成された生成ガ
   スを大気へ放出させる生成ガス排出手段とをさらに備
   え、 前記原料・空気供給手段が前記空気を所定の対応する反
   応器に供給しているとき、前記生成ガス排出手段は、前
   記対応する所定の反応器が生成した生成ガスを大気へ放
   出させる排出動作を行い、 前記複数の反応器の一部が生成した水素ガスを供給する
   動作と、前記複数の反応器の他の部分が生成した生成ガ
   スの排出動作とが平行して行われる水素生成装置。
9. 【請求項９】 前記誘導加熱手段は、 前記複数の反応器内にそれぞれ設けられた発熱体と、前
   記複数の反応器の外に設けられ、前記発熱体を誘導加熱
   する誘導加熱駆動手段とを有し、 前記誘導加熱駆動手段は、前記複数の反応器で共有され
   るものである請求項８に記載の水素生成装置。
10. 【請求項１０】 原料から水素を生成し、供給する水素
    供給部と、 前記水素供給部から供給される水素および酸化剤ガスを
    用いて発電する燃料電池とを備え、 前記水素供給部として請求項１から９のいずれかに記載
    の水素生成装置を用いた燃料電池システム。
11. 【請求項１１】 前記水素供給部と前記燃料電池との間
    に設けられ、前記水素供給部から前記燃料電池に供給さ
    れる水素を加湿する加湿器をさらに備えた請求項１０に
    記載の燃料電池システム。
12. 【請求項１２】 前記燃料電池から放出された放出ガス
    の少なくとも一部を、前記原料として前記水素供給部へ
    帰還させる環流回路をさらに備えた請求項１０に記載の
    燃料電池システム。