(57)【要約】    【課題】外部からのエネルギー供給をうけずに起動可能な水素製造装置を提供する。    【解決手段】水素製造装置１は、水素源４１に接続した入力部１１と、水素含有ガスを製造する改質器１２と、水素貯蔵容器１３と、水素含有ガスを使用して発電する燃料電池１５と、制御部１８と、を備えている。水素貯蔵容器１３は、燃料電池１５に水素を供給する燃料用水素供給路１６と、外部負荷４２に水素を供給する外部供給路１７とに接続されている。本発明の制御部１８は、燃料電池１５の起動に必要な水素含有ガスのしきい値を記憶しており、水素貯蔵容器１３の貯蔵量を燃料電池１５の起動に必要な量以上に制御する。そして、水素製造装置の起動時には、燃料電池１５が、水素貯蔵容器１３で貯蔵していた水素含有ガスの供給を受けて発電して、電力供給路３０から改質器１２に電力を供給する。改質器１２が起動し、水素を製造する。    【選択図】図１
2018080093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素源に接続しており、水素を含有する原料を導入する入力部と、
前記入力部が導入した前記原料を分解して水素含有ガスを製造する改質器と、
前記改質器が製造した水素含有ガスを一時貯蔵する水素貯蔵容器と、
前記水素貯蔵容器内の水素含有ガスの貯蔵量を計測する計測部と、
前記改質器が製造した水素を使用して発電し、前記改質器に電力を供給する燃料電池と、
前記改質器が製造した水素の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する燃料用水素供給路と、
前記改質器が製造した水素の一部を外部に供給する外部供給路と、
前記計測部の計測データを受領して、前記改質器の水素含有ガスの製造量と、前記水素貯蔵容器の水素含有ガスの貯蔵量と、前記燃料電池の発電量とを制御する制御部と、
を備えており、
前記制御部が、前記燃料電池の起動に必要な水素含有ガスの最低量に対応する前記計測データのしきい値を記憶しており、受領した前記計測データと前記しきい値とを比較して前記計測データが前記しきい値を下回った場合に、前記水素貯蔵容器の貯蔵量を増加させる制御を行っており、
起動時の前記燃料電池が、前記水素貯蔵容器で貯蔵していた水素を用いて発電し、電力を前記改質器に供給することを特徴とする水素製造装置。
【請求項２】
前記燃料電池の出力電力が、前記改質器の消費する電力より大であることを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【請求項３】
前記燃料電池の動作温度が、前記改質器の動作温度以上であることを特徴とする請求項１または２記載の水素製造装置。
【請求項４】
前記改質器が，
前記原料を分解してプラズマとするための、原料供給口および水素出口を備えたプラズマ反応容器と、
前記燃料電池から電力の供給を受けるプラズマ発生用電源と、
当該プラズマ反応容器の水素出口側を区画する水素分離部と、
を備えており、
前記水素分離部が、前記プラズマ反応容器内でプラズマとなっている原料から水素を分離して、前記水素出口側に通過させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の水素製造装置。
【請求項５】
前記水素分離部が前記プラズマ発生用電源に接続されている水素分離膜であり、
前記水素分離膜は、電力を供給されることで高電圧電極として機能し、接地電極との間で放電して原料をプラズマとすることを特徴とする請求項４記載の水素製造装置。
【請求項６】
水素を含有する原料が、アンモニアまたは尿素であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の水素製造装置。
【請求項７】
水素源に接続しており、水素を含有する原料を導入する入力部と、
前記入力部が導入した前記原料を分解して水素含有ガスを製造する改質器と、
前記改質器が製造した水素含有ガスを一時貯蔵する水素貯蔵容器と、
前記水素貯蔵容器内の水素含有ガスの貯蔵量を計測する計測部と、
前記改質器が製造した水素を使用して発電し、前記改質器に電力を供給する燃料電池と、
前記改質器が製造した水素の少なくとも一部を前記燃料電池に供給する燃料用水素供給路と、
前記改質器が製造した水素の一部を外部に供給する外部供給路と、
前記計測部の計測データを受領して、前記改質器の水素含有ガスの製造量と、前記水素貯蔵容器の水素含有ガスの貯蔵量と、前記燃料電池の発電量とを制御する制御部と、
を備えている水素製造装置の運転方法であって、
前記制御部が、前記燃料電池の起動に必要な水素含有ガスの最低量に対応する前記計測データのしきい値を記憶しており、受領した前記計測データと前記しきい値とを比較して前記計測データが前記しきい値を下回った場合に、前記水素貯蔵容器の貯蔵量を増加させる制御を行っており、
起動時に、前記制御部が前記水素貯蔵容器から水素を前記燃料電池に供給する工程と、
供給された水素によって前記燃料電池が発電を開始する工程と、
前記燃料電池が発電した電力を前記改質器に供給する工程と、
前記改質器が、原料を分解してプラズマとすることによって水素を製造する工程と、
製造した水素を前記燃料電池に供給して発電を継続する工程と、
を備えていることを特徴とする水素製造装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素製造装置に関する。特に、蓄電池や外部からのエネルギー供給手段を用いることなく起動して、水素の製造を継続することが可能な水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は、輸送や貯蔵のための費用が他の燃料に較べて高額となる傾向にある。このため、水素を使用する装置に隣接して水素製造装置を設置したり、あるいは水素を使用する設備の中に水素製造装置を組み込むことによって、水素をオンサイト製造したいという潜在的な需要が存在する。
【０００３】
水素製造方法の一つとして、アンモニア、尿素、または炭化水素系の気体等の水素源を分解して水素を製造する方法が知られている。水素源の分解に用いられる装置は、一般に改質器と呼ばれている。改質器は起動時に外部からエネルギーを供給する必要があり、平常時の水素製造装置は、例えば外部電源に接続することで、改質器に起動時のエネルギーを供給している。しかし、停電や災害等の理由で外部エネルギーの供給が途絶えて停止した場合、外部エネルギーが復旧するまで水素製造装置の起動は困難となっていた。
【０００４】
非常時に、水素製造装置の起動に必要なエネルギーを供給する手段として、蓄電池が知られている。しかし、水素製造装置の起動が可能となる程度に容量の大きな蓄電池は大型且つ高価であり、水素製造装置全体の大型化と高額化を招く一因となっていた。さらに、非常用のエネルギー貯蔵手段として蓄電池を用いた場合、充電と放電を繰り返すことで徐々に蓄電池の容量が少なくなり、一定期間の使用後に必要な電力を供給できなくなるおそれがあった。
【０００５】
外部エネルギーの供給を受けずに水素製造装置を起動するための技術が種々提案されている。特許文献１には、自立起動用電源を備えた水素生成装置の起動時の消費電力を抑制する技術が開示されている。特許文献２には、予め取得した停電情報に基づいて、水素生成装置の起動工程が停電期間に重ならないようにする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１６−３４８８１号公報
【特許文献２】特開２０１６−９４３２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の改質器を用いた水素製造装置は、電気エネルギー等のエネルギーを外部から供給しないと起動できなかった。このため、停電時や災害時には自立起動できないことが問題となっていた。そこで、外部エネルギーの供給が得られない場合であっても、水素製造装置を容易且つ確実に起動できる技術が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記解決すべき課題を克服するために、本発明は、外部からのエネルギー供給をうけずに起動することが可能な水素製造装置を提供する。発明の水素製造装置は、水素源に接続しており、水素を含有する原料を導入する入力部と、入力部が導入した原料を分解して水素含有ガスを製造する改質器と、改質器が製造した水素含有ガスを一時貯蔵する水素貯蔵容器と、水素貯蔵容器内の水素含有ガスの貯蔵量を計測する計測部と、改質器が製造した水素を使用して発電し、改質器に電力を供給する燃料電池と、改質器が製造した水素の少なくとも一部を燃料電池に供給する燃料用水素供給路と、改質器が製造した水素の一部を外部に供給する外部供給路と、計測部の計測データを受領して、改質器の水素含有ガスの製造量と、水素貯蔵容器の水素含有ガスの貯蔵量と、燃料電池の発電量とを制御する制御部と、を備えている。本発明の水素製造装置の制御部は、制御部が、燃料電池の起動に必要な水素含有ガスの最低量に対応する計測データのしきい値を記憶しており、受領した計測データとしきい値とを比較して計測データがしきい値を下回った場合に、水素貯蔵容器の貯蔵量を増加させる制御を行っている。そして、起動時の燃料電池が、水素貯蔵容器で貯蔵していた水素を用いて発電し、電力を改質器に供給することを特徴とする。
【０００９】
本発明の水素製造装置は、水素と酸素を燃料としてこれらの化学反応によって発電を行う燃料電池を備えている。そして、改質器が供給する水素含有ガスを貯蔵する水素貯蔵容器は、燃料電池の起動に必要な量を、定常運転時に常時貯蔵している。水素製造装置の起動が必要となった場合には、水素貯蔵容器から燃料電池に貯蔵していた水素含有ガスを供給することで、燃料電池が発電を開始する。さらに、燃料電池が電力を供給することで、改質器が水素製造を開始する。燃料電池は、改質器が製造した水素を使用して発電を続け、改質器に必要なエネルギーを安定して供給することができる。
【００１０】
本発明の水素製造装置が備えている燃料電池の出力電力は、改質器の消費する電力より大であることが好ましい。また本発明の水素製造装置は、燃料電池の動作温度が、改質器の動作温度以上であることが好ましい。
【００１１】
本発明の水素製造装置が備えている改質器は、原料を分解してプラズマとするための、原料供給口および水素出口を備えたプラズマ反応容器と、燃料電池から電力の供給を受けるプラズマ発生用電源と、プラズマ反応容器の水素出口側を区画する水素分離部と、を備えており、水素分離部が、プラズマ反応容器内でプラズマとなっている原料から水素を分離して、水素出口側に通過させることが好ましい。
【００１２】
さらに本発明の水素製造装置は、水素分離部がプラズマ発生用電源に接続されている水素分離膜であり、この水素分離膜が電力を供給されることで高電圧電極として機能し、接地電極との間で放電して原料をプラズマとすることが好ましい。
【００１３】
本発明の水素製造装置は、水素を含有する原料が、アンモニアまたは尿素であることが望ましい。
【００１４】
本発明はまた、水素製造装置の運転方法を提供する。本発明の運転方法は、水素源に接続しており、水素を含有する原料を導入する入力部と、入力部が導入した原料を分解して水素含有ガスを製造する改質器と、改質器が製造した水素含有ガスを一時貯蔵する水素貯蔵容器と、水素貯蔵容器内の水素含有ガスの貯蔵量を計測する計測部と、改質器が製造した水素を使用して発電し、改質器に電力を供給する燃料電池と、改質器が製造した水素の少なくとも一部を燃料電池に供給する燃料用水素供給路と、改質器が製造した水素の一部を外部に供給する外部供給路と、計測部の計測データを受領して、改質器の水素含有ガスの製造量と、水素貯蔵容器の水素含有ガスの貯蔵量と、燃料電池の発電量とを制御する制御部と、を備えている水素製造装置の運転方法である。本発明の水素製造装置の運転方法においては、制御部が、燃料電池の起動に必要な水素含有ガスの最低量に対応する計測データのしきい値を記憶しており、受領した計測データとしきい値とを比較して計測データがしきい値を下回った場合に、水素貯蔵容器の貯蔵量を増加させる制御を行っている。そして起動時には、制御部が水素貯蔵容器から水素を燃料電池に供給する工程と、供給された水素によって燃料電池が発電を開始する工程と、燃料電池が発電した電力を改質器に供給する工程と、改質器が原料を分解してプラズマとすることによって水素を製造する工程と、製造した水素を燃料電池に供給して発電を継続する工程と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の水素製造装置は、電気エネルギー等の外部からのエネルギー供給を受けることなく自立起動して水素を製造することができる。また本発明の水素製造装置は、改質器を起動するための蓄電池を備えることなく自立起動して水素を製造することが可能である。
【００１６】
本発明の水素製造装置は、燃料電池の出力電力が、改質器の消費する電力より大であることで、燃料電池から供給される電力のみで改質器の起動を確実に行うことができる。この結果、一旦起動した改質器は、燃料電池が継続して運転するために必要な水素を安定して供給することができ、燃料電池は発電を継続する。すなわち、本発明の水素製造装置は、構成要素である燃料電池が供給する電力によって、自立起動に加えて、自立運転が可能である。
【００１７】
本発明の水素製造装置は、燃料電池の動作温度が、改質器の動作温度以上であることにより、改質器の昇温手段、および改質器から供給する水素含有ガスの冷却手段が不要となる。これにより、水素製造装置全体をより簡易に構成し、消費電力量を低減することができる。また、設置箇所の条件を緩和することができる。
【００１８】
本発明の水素製造装置の改質器を，プラズマ反応容器と、プラズマ発生用電源と、水素分離部とを備えているプラズマ改質器とすることによって、常温大気圧の条件下で水素分離膜と接地電極との間で放電を行って水素を含む原料をプラズマとし、水素含有ガスを製造することができる。本発明のプラズマ改質器は室温で動作するので、動作温度が１００℃以下である固体高分子形燃料電池と組み合わせることによって昇温手段及び冷却手段が不要となり、水素製造装置全体の熱設計が容易となり、且つ改質器の制御が容易となる。
【００１９】
水素製造装置全体をより簡易に構成し，消費電力量を低減することができる結果、水素製造装置の低価格化と小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に従った水素製造装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に従った水素製造装置の起動手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に従った水素製造装置の停止手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に従った改質器の鉛直方向断面の模式的な図である。
【図５】実施例の改質器の消費電力と水素製造量との関係を示す図である。
【図６】実施例の燃料電池への水素供給量と発電量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の好適な実施の形態を列記する。
（１）本発明における水素製造装置の自立起動とは、外部から電気エネルギーまたはそれと同等のエネルギーの供給を受けることなく改質器と燃料電池とを起動し、水素の製造を開始して外部に水素の供給を行うことを言う。
（２）水素源とは、水素を含有する原料を保管しており、この物質を本発明の水素製造装置に原料として供給する手段である。より具体的には、水素を含有する原料の保管容器、またはこの保管容器に連通する供給配管のことを指す。水素源が保管または供給する物質は、アンモニア、尿素、またはメタン等の炭化水素系ガスである。
（３）改質器とは、水素を含有する物質を原料として水素を製造する装置のことを指す。最も好適な形態の改質器は、プラズマ反応容器と、プラズマ発生用電源と、高電圧電極として機能する水素分離部と、接地電極とを備えており、電極間の放電によって水素を含有する物質をプラズマとし、水素分離部で水素のみを透過させて分離するプラズマ改質器である。
（４）プラズマ改質器に準じる改質器として、触媒を用いて水素を含有する物質を分解して水素を取り出す改質器、およびプラズマ反応と触媒による反応を組み合わせた改質器が適用可能である。
（５）プラズマ改質器が製造する水素含有ガスとは、水素を主成分とするガスであって、特に、水素濃度が９９．９％以上の高純度水素である。
（６）制御部は定常運転時に、以下の内容の制御を行う。
−入力部に対する、水素を含有する原料の導入量の制御。
−改質器の起動および停止と、運転時の水素含有ガスの製造量の制御。
−検出部が検出した水素貯蔵容器の貯蔵量と記憶しているしきい値との比較結果を用いた、水素貯蔵容器の水素含有ガスの貯蔵量の監視と制御。
−燃料電池への酸素供給量の制御。
−水素貯蔵容器に接続されている第一の開閉弁の開閉量の制御と、それによる燃料電池の発電量の制御。
−水素貯蔵容器に接続されている第二の開閉弁の開閉量の制御と、それによる外部への水素供給量の制御。
−燃料電池の発電量の監視による改質器への電力供給量の制御。
（７）制御部は、停電や災害発生などの異常を検出したとき、及び外部から停止命令を受け取ったときに、水素貯蔵容器の貯蔵量の確認と水素の製造の停止を行う。
（８）制御部は、外部から水素製造の開始命令を受け取ったとき、及び予め計画された時刻となったときに、水素製造装置の起動手順を実施する。
（９）計測部には、水素貯蔵容器の圧力を測定する圧力計を適用することができる。また、水素貯蔵容器に貯蔵されている気体の重量を測定する重量計を適用することができる。
（１０）本発明の水素製造装置に最も好適に用いられる燃料電池は、固体高分子形燃料電池である。その他、各種の燃料電池が適用可能である。
【００２２】
以下、本発明の実施形態の水素製造装置の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００２３】
図１から図４を参照して、本発明の水素製造装置とこの装置の運転方法を説明する。図１に示した水素製造装置１は、入力部１１と、改質器１２と、水素貯蔵容器１３と、計測部１４と、燃料電池１５と、制御部１８と、酸素供給手段４３とを備えている。燃料電池１５は、発電した電力を改質器１２に供給する電力供給路３０に接続されている。水素貯蔵容器１３には、水素を導出するための二つの配管が設けられており、それぞれに開閉弁が設けられている。第一の出力用配管は、燃料電池１５に連通している燃料用水素供給路１６であり、開閉弁１９が設けられている。第二の出力用配管は、外部に水素を供給する外部供給路１７であり、開閉弁２０が設けられている。制御部１８は、入力部１１と、改質器１２と、計測部１４と、燃料電池１５と、酸素供給手段４３と、開閉弁１９、２０のそれぞれと、通信可能な状態で接続されている。
【００２４】
入力部１１は、水素を含有する原料を保管し供給する水素源４１に接続しており、水素源４１から受け取った原料を原料導入路２９を経由して改質器１２に導入する。入力部１１は、好適には電磁弁で構成される。制御部１８は、入力部１１の開閉量を制御して、原料の導入量を制御し、改質器１２の水素含有ガスの製造量を制御する。
【００２５】
改質器１２は、原料導入路２９を通じて導入された所定の量の原料を分解して水素含有ガスを製造する。製造した水素含有ガスは、水素供給路２１を経由して水素貯蔵容器１３に一時貯蔵される。水素貯蔵容器１３には計測部１４が接続されており、水素貯蔵容器１３内の水素含有ガスの貯蔵量を計測する。計測部１４は、好適には圧力計であり、水素貯蔵容器１３内の圧力を測定する。測定した圧力は、制御部１８に入力される。
【００２６】
水素貯蔵容器１３には、水素を導出する配管として、燃料用水素供給路１６と外部供給路１７とが設けられている。燃料電池１５に連通している燃料用水素供給路１６には開閉弁１９が設けられている。制御部１８は、開閉弁１９の開閉量を制御して、燃料電池１５に供給する水素含有ガスの量を制御する。制御部１８はまた、外部供給路１７に設けられた開閉弁２０の開閉量を制御して、外部に供給する水素の量と水素貯蔵容器１３の貯蔵量とを制御する。開閉弁１９，２０は、好ましくは電磁弁で構成されている。
【００２７】
燃料電池１５は、水素貯蔵容器１３から供給される水素含有ガスと、酸素供給手段４３から供給される空気中に含まれる酸素とを使用して発電する。燃料電池１５は、動作温度が１００℃以下の固体高分子形燃料電池が最も好適に適用される。燃料電池１５は電力供給路３０を経由して発電した電力を改質器１２に供給する。制御部１８は、燃料電池１５の発電量を監視し、必要な量の発電量を制御するために、開閉弁１９の開閉量と酸素供給手段４３の酸素供給量を制御する。酸素供給手段４３には、通常の送風機（ファン）が好適に使用される。
【００２８】
定常運転時の制御部１８は、水素の外部供給量の確保と、水素貯蔵容器１３に燃料電池１５の起動に必要な水素含有ガスの貯蔵との二つの目的を達成するために、必要な制御を行う。制御部１８は、燃料電池１５の起動に必要な水素含有ガスの最低量（以下、この貯蔵量を「起動用水素量」と称する）を貯蔵したときの水素貯蔵容器１３内部の圧力をしきい値として記憶している。そして制御部１８は、計測部１４の計測データを受領して、しきい値と比較する。比較の結果、貯蔵している水素含有ガスが起動用水素量を下回っていると判定した場合、制御部１８は、改質器１２に供給する原料の量を増やすように入力部１１を制御し、水素含有ガスの製造量を増やして水素貯蔵容器１３の貯蔵量を起動用水素量以上となるように増加させる。
【００２９】
水素製造装置１の停止方法について、図３を参照して説明する。水素製造装置１の一連の停止工程は、停止命令が制御部１８に入力されたときに開始し、全て制御部１８の制御によって行われる。停止命令を受けて、制御手段１８は、開閉弁２０を閉じて外部への水素供給を停止する（ステップＳ１１）。次に制御部１８は、計測部１４の計測データを確認して、水素貯蔵容器１３に起動用水素量が貯蔵されていることを確認する（ステップＳ１２）。確認後、入力部１３を閉鎖し（ステップＳ１３）、改質器１４を停止する（ステップＳ１４）。水素の製造が完全に停止した事を確認した後（ステップＳ１５）、制御手段１８は、開閉弁１９を閉鎖して水素貯蔵容器１３を封止し、燃料電池１５への水素供給を停止する（ステップＳ１６）。さらに、酸素供給を停止して（ステップＳ１７）、最後に燃料電池を停止する（ステップＳ１８）。この停止方法により、水素貯蔵容器１３には、起動用水素量以上の水素含有ガスが貯蔵されている状態で水素製造装置１が停止する。
【００３０】
水素製造装置１を起動する方法について、図２を参照して説明する。起動は全て、制御部１８の制御によって行われる。制御部１８は、計測部１４の計測データを確認して、水素貯蔵容器１３に起動用水素量が貯蔵されていることを確認する（ステップＳ１）。開閉弁１９を開放して、水素貯蔵容器１３から水素を燃料電池１５に供給する（ステップＳ２）。酸素供給手段を起動して酸素を燃料電池に供給し（ステップＳ３）、燃料電池が起動して発電が開始される（ステップＳ４）。発電した電力は、電力供給路３０を経由して改質器１２に供給され、改質器が起動する（ステップＳ５）。次に制御手段１８は、入力部１１を開放し、改質器１２に水素を含有する原料を供給する（ステップＳ６）。電力と原料が供給されたことで、改質器１２が水素の製造を開始する（ステップＳ７）。制御部１８は、計測部１４の計測データを逐次確認して、水素貯蔵容器１３に起動用水素量が貯蔵されていることを確認する（ステップＳ８）。起動用水素量が貯蔵されていることを確認したとき、ステップＳ８がｙｅｓとなって、外部に水素の供給を開始する（ステップＳ９）。
【００３１】
本実施形態に好適に使用される改質器１２について、図４を参照して説明する。改質器１２は、プラズマ反応器２３と、このプラズマ反応器２３の中に収容された高電圧電極２５と、プラズマ反応器２３の外側に接して配置された接地電極２７とを備えている。プラズマ反応器２３は、石英製であり、円筒形に形成されている。高電圧電極２５は、円筒形の水素分離膜３２と、水素分離膜３２の両端を支持する円盤状の支持体３３とを備えている。水素分離膜３２の好適な素材は、パラジウム合金の薄膜である。
【００３２】
高電圧電極２５は、燃料電池１５に電力供給路３０を介して接続された高電圧パルス電源２２に接続されており、高電圧が印加される。プラズマ反応器２３の内壁に対して水素分離膜３２が同心円状に配置されるように、プラズマ反応器２３と支持体３３との間にはＯリング３４が嵌め合わされている。この結果、プラズマ反応器２３の内壁と水素分離膜３２との間には、一定の間隔が維持された放電空間２４が形成されている。また、水素分離膜３２の内側には、水素分離膜３２と支持体３３とでとり囲まれて閉空間となっている内室２６が形成されている。接地電極２７は、プラズマ反応器２３および水素分離膜３２と同心円状に配置されている。本実施形態において、水素源４１から入力部１１と原料導入路２９を経由して供給される最も好適な原料はアンモニアガスである。アンモニアガスは、改質器１２の放電空間２４に供給される。
【００３３】
水素分離膜３２と接地電極２７が対向しており、且つその間に石英製のプラズマ反応器２３を配置したことで、プラズマ反応器２３が誘電体として機能して、高電圧電極２５の水素分離膜３２に高電圧を印加すると誘電体バリア放電を発生させることができる。高電圧電極２５に高電圧を印加する電源２２は、波形保持時間が１０μｓと極めて短い電圧を印加する。
【００３４】
改質器１２を使用した水素の製造は、所定の流量で放電空間にアンモニアガスを供給し、高電圧電極２５の水素分離膜３２と、接地電極２７との間で誘電体バリア放電を発生させて、放電空間２４の中にアンモニアの大気圧非平衡プラズマを発生させる事で行われる。アンモニアの大気圧非平衡プラズマから発生した水素ガスは、水素分離膜３２を通過して内室２６に移動し、分離する。アンモニアの大気圧非平衡プラズマから発生した水素は、水素原子の形態で水素分離膜３２に吸着し、水素分離膜３２の中を拡散しながら通過し、水素分離膜３２を通過後に再結合して水素分子となって内室２６に移動する。このようにして、水素のみが分離される。内室２６に移動した水素は、水素濃度が９９．９％以上の高純度水素として、水素供給路２１を経由して水素貯蔵容器１３に保管される。
【実施例】
【００３５】
改質器１２と燃料電池１５とを備えた水素製造装置１が自立起動する実施例を以下に示す。本実施例では、燃料電池１５として、起動用水素量が、０．１ＭＰａ（１気圧）で５０リットル（０．０５ｍ３）である固体高分子形燃料電池を用いている。
【００３６】
本実施例では、水素貯蔵容器１３の水素含有ガス貯蔵量の測定には、計測部１４として圧力計が用いられている。制御部１８は、燃料電池１５の起動に必要な水素含有ガスの量に対応する圧力のしきい値を記憶している。制御部１８は、水素の製造が行われている間、計測部１４の計測結果を監視し、記憶しているしきい値と計測結果との比較結果を用いて、改質器１２の水素含有ガスの製造量と水素製造容器１３の貯蔵量とをフィードバック制御し、水素貯蔵容器１３に、燃料電池１５起動時に必要な５０リットルの水素量に対応する水素含有ガスを常時貯蔵している。
【００３７】
本実施例の改質器１２は、プラズマ反応器２３と、このプラズマ反応器２３の中に収容された高電圧電極２５と、プラズマ反応器２３の外側に接して配置された接地電極２７とを備えたプラズマ改質器である。改質器１２の消費電力と水素製造量の関係の一例を、表１と図５に示す。なお、以下に示す水素の体積は、標準状態（１気圧、０℃）で換算したときの体積である。
【００３８】
【表１】
2018080093.tif 000003
【００３９】
表１及び図５に示したとおり、本実施例のプラズマ改質器１２は、供給された電力に比例して水素を製造することができる。具体的には、原料のアンモニアを毎分１．３９リットル（標準状態で換算した体積）で供給した場合、消費電力３７．５Ｗ当たり毎分２．０９リットルの水素を製造する。
【００４０】
燃料電池１５への水素供給量と発電量の関係の一例を、以下の表２と図６に示す。本実施例の燃料電池１５は、供給された水素の量に比例して発電することができる。
【００４１】
【表２】
2018080093.tif 000004
【００４２】
燃料電池１５が発電した電力は、電力供給路３０から改質器１２に供給される。電力の供給を受けて改質器１２が起動し、高電圧パルス電源２２から高電圧が印加された高電圧電極２５の水素分離膜３２と接地電極２７との間で誘電体バリア放電が行われて、水素の製造が開始される。図５に示した関係から明らかであるように、改質器１２は、１００Ｗの電力で毎分５．５７リットルの水素を製造することができる。制御部１８は、製造した水素を水素貯蔵容器１３に貯蔵する。そして貯蔵している水素の一部を燃料用水素供給路１６から燃料電池１５に供給して、燃料電池１５に発電を継続させる。こうして、燃料電池１５と改質器１２がそれぞれ起動して、電力が安定して供給されることで、水素の製造を継続することができる。
【００４３】
本実施例で説明した水素製造装置１の構成とその運転方法は、適宜変更が可能である。
本実施例で説明した燃料電池システム１の構成とその運転方法は、適宜変更が可能である。たとえば、改質器１２の変形例として、プラズマ反応器２３の中に収容された円筒形の水素分離膜３２を接地し、プラズマ反応器２３の外側に接して配置された電極を高電圧パルス電源２２に接続することができる。このとき、水素分離膜３２は接地電極として機能して、実施例と同様に誘電体バリア放電を発生させることができる。この場合であっても、水素分離膜３２は、プラズマに曝されることで水素を分離することができる。
【００４４】
また例えば、実施形態では、水素貯蔵容器１３と開閉弁１９、２０とが離れた位置に配置された例について説明したが、開閉弁１９、２０は、水素貯蔵容器１３と一体化した状態で、それぞれの水素供給路の出口に配置することができる。また、水素貯蔵容器１３の貯蔵量を測定する計測部１４は、圧力計以外の測定機器に代替が可能である。たとえば、水素の重量を測定する重量計などを適用することができる。燃料電池１５から改質器１２に電力を供給する電力供給路３０の配線と電流電圧の制御手段についても、機器全体の配置と機能に応じて適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１    水素製造装置
１１    入力部
１２    改質器
１３    水素貯蔵容器
１４    計測部
１５    燃料電池
１６    燃料用水素経路
１７    外部供給路
１８    制御部
１９、２０    開閉弁
２１    水素供給路
２２    高電圧パルス電源
２３    プラズマ反応器
２４    放電空間
２５    高電圧電極
２７    接地電極
２９    原料導入路
３０    電力供給路
３２    水素分離膜
３３    支持体
４１    水素源
４２    外部負荷
４３    酸素供給手段
【図１】
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【図２】
2018080093.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月13日(2017.10.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
水素製造装置１の停止方法について、図３を参照して説明する。水素製造装置１の一連の停止工程は、停止命令が制御部１８に入力されたときに開始し、全て制御部１８の制御によって行われる。停止命令を受けて、制御手段１８は、開閉弁２０を閉じて外部への水素供給を停止する（ステップＳ１１）。次に制御部１８は、計測部１４の計測データを確認して、水素貯蔵容器１３に起動用水素量が貯蔵されていることを確認する（ステップＳ１２）。確認後、入力部１１を閉鎖し（ステップＳ１３）、改質器１２を停止する（ステップＳ１４）。水素の製造が完全に停止した事を確認した後（ステップＳ１５）、制御手段１８は、開閉弁１９を閉鎖して水素貯蔵容器１３を封止し、燃料電池１５への水素供給を停止する（ステップＳ１６）。さらに、酸素供給を停止して（ステップＳ１７）、最後に燃料電池を停止する（ステップＳ１８）。この停止方法により、水素貯蔵容器１３には、起動用水素量以上の水素含有ガスが貯蔵されている状態で水素製造装置１が停止する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
水素製造装置１を起動する方法について、図２を参照して説明する。起動は全て、制御部１８の制御によって行われる。制御部１８は、計測部１４の計測データを確認して、水素貯蔵容器１３に起動用水素量が貯蔵されていることを確認する（ステップＳ１）。開閉弁１９を開放して、水素貯蔵容器１３から水素を燃料電池１５に供給する（ステップＳ２）。酸素供給手段４３を起動して酸素を燃料電池１５に供給し（ステップＳ３）、燃料電池１５が起動して発電が開始される（ステップＳ４）。発電した電力は、電力供給路３０を経由して改質器１２に供給され、改質器１２が起動する（ステップＳ５）。次に制御手段１８は、入力部１１を開放し、改質器１２に水素を含有する原料を供給する（ステップＳ６）。電力と原料が供給されたことで、改質器１２が水素の製造を開始する（ステップＳ７）。制御部１８は、計測部１４の計測データを逐次確認して、水素貯蔵容器１３に起動用水素量が貯蔵されていることを確認する（ステップＳ８）。起動用水素量が貯蔵されていることを確認したとき、ステップＳ８がｙｅｓとなって、外部に水素の供給を開始する（ステップＳ９）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
本実施例では、水素貯蔵容器１３の水素含有ガス貯蔵量の測定には、計測部１４として圧力計が用いられている。制御部１８は、燃料電池１５の起動に必要な水素含有ガスの量に対応する圧力のしきい値を記憶している。制御部１８は、水素の製造が行われている間、計測部１４の計測結果を監視し、記憶しているしきい値と計測結果との比較結果を用いて、改質器１２の水素含有ガスの製造量と水素貯蔵容器１３の貯蔵量とをフィードバック制御し、水素貯蔵容器１３に、燃料電池１５起動時に必要な５０リットルの水素量に対応する水素含有ガスを常時貯蔵している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
本実施例で説明した水素製造装置１の構成とその運転方法は、適宜変更が可能である。たとえば、改質器１２の変形例として、プラズマ反応器２３の中に収容された円筒形の水素分離膜３２を接地し、プラズマ反応器２３の外側に接して配置された電極を高電圧パルス電源２２に接続することができる。このとき、水素分離膜３２は接地電極として機能して、実施例と同様に誘電体バリア放電を発生させることができる。この場合であっても、水素分離膜３２は、プラズマに曝されることで水素を分離することができる。