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燃料電池水素オフガスの
低コスト無触媒酸化処理装置
岐阜大学・大学院・工学研究科
環境エネルギーシステム専攻
准教授神原信志
1
研究背景
高効率・低環境負荷の燃料電池は，次世代の電気エネルギー源とし
て期待されているが，実用化にはまだいくつかの課題が残っている。
Air
H2
高濃度の水素を含む水素
オフガスを，どう処理する
かが問題
eO2
2H+
+
=
H2O
H2
N2
H2
Ｎ2
H2
H2O
図1 固体高分子型燃料電池の概要
2
水素オフガス処理の必要性
オフガス中の水素濃度
30 -95 vol%
H2
水素オフガス排出量　（L）
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
20
40
60
燃料電池始動時間　（秒）
80
図2 水素オフガスの排出パターン
Fuel Cell Vehicles
地下駐車場や自宅ガレージなど，半
密閉空間では，爆発の危険性あり
水素オフガスは，完全に酸化処理すべきである
3
従来技術
従来技術は，「空気希釈」と「触媒燃焼」
表1 特許調査にみる水素オフガス処理法の分類
4
従来技術の問題点
安価
空気希釈法：水素オフガスを爆発下限界（４％）以下に
空気で希釈し，大気に放出。しかし，水素
は拡散速度が速いため，半密閉空間では
局所に滞留し，爆発の恐れあり。
安全
触媒燃焼法：水素を完全燃焼処理できるが，白金触媒
を用いるため高価。また，触媒燃焼で発
生する高温度を冷却する必要あり。
まだ，決定的な（安価，安全）なオフガス処理装置はない
5
新技術の概念
H2
大気圧非平衡プラズマで，水素と空気を原子
化（ラジカル化）し，ラジカル反応で完全酸化
する方法
H
高電圧パルス
電源：12 kV
OH
O
ラジカル反応
H+O=OH
H+OH=H2O
高電圧電極
H
OH
H2O
O
接地電極
※紫の部分がプラズマ
Air
図3 大気圧非平衡プラズマを利用した新しい水素酸化処理法の概念
6
プラズマとは
放電場に気体分子（例えばH2）を通過させると，分子は解離し，
ラジカルを生成する。 H2 + e- → H + H
高電圧電極
電子
原子
イオン
H2
O
H
O2
O
H
生成したラジカルの活性
化エネルギーはほぼ0であ
り，簡単に反応する。
H + H + O = H2O
接地電極
図4 プラズマの概念図
7
実験装置
(a) 側面図
(b) A矢視
高電圧
電源高電圧電極
接地電極
石英外管
A
H2O
石英内管
ギャップ
300 mm
H2
Air
反応ガス入口
単純な幾何構造で安価
図5 水素オフガス酸化処理装置の概要
図6 プラズマ点灯の様子（例）
8
高電圧電源の波形
20
T1
Voltage [kV]
10
電圧の立ち上がりと
戻りの早い波形がラ
ジカル生成に有利
T0
0
V pp
-10
-20
0
50
100
Time [µs]
150
200
電圧Vpp = 31.0 kV, T0 = 10 μs, T1 = 100 μs (10 kHz)
図7 高電圧パルス電源の波形例
9
実験パラメータ
処理ガス組成： H2 = 2.0 vol%, O2, N2 balance
酸素濃度
： 0.5～19.8 %
酸素当量比
： 0.05～2.0
処理ガス温度：室温～100℃（実オフガス温度は80℃）
処理ガス流量： 4.0 ℓ/min ～ 8.0 ℓ/min
電圧
： 31.0 kV
周波数
： 7～15 kHz
10
実験結果
100
空気中で水素は572℃
にならないと着火しな
いが，プラズマではわ
ずか80～100℃で完全
に酸化処理できる。
H2 conversion [%]
80
60
7kHz
10kHz
15kHz
40
F 0 = 8 ℓ/min
V PP = 31 kV
P = 0.38-1.11 kW
φ = 0.05
20
0
0
20
40
60
80
100
Exhaust gas temperature [℃]
プラズマ装置を覆うカ
バーは，安価な絶縁プ
ラスチックでＯＫ。
図8 水素酸化率に及ぼすガス温度の影響
11
水素酸化率の支配因子
反応器単位体積（1 cm3）あたりに与える電気エネルギーとガス
温度によって，水素酸化率は決定される。
H2 conversion [%]
100
ガス温度が決まれば，
反応器が設計できる。
80
60
40
V PP = 31 kV
R R = 7 - 15 kHz
F 0 = 4 - 12 ℓ/min
φ = 0.05
20
（a）
25℃
40℃
60℃
80℃
100℃
0
0
10
20
30
40
Energy density [J/cm3]
図9 プラズマエネルギー密度と水素酸化率の関係
12
消費電力と水素酸化率
H2 conversion rate, Xh [%]
100
水素オフガスの排出温
度である80℃で処理す
る場合，約1.2 kWの電
力が必要
80
60
Vpp= 17.5 - 37.5 kV
RR =2.1 - 49.6 kHz
40
20 oC
40 oC
20
60 oC
80 oC
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Discharge power, P [kW]
1.4
1.6
図10 消費電力と水素酸化率の関係
13
水素のラジカル酸化反応
O
H
+O2 (R9)
+O (R6)
O2
+H (R9)
HO2
プラズマ内で生成するHO2
とOHが重要なラジカル
+H (R11), +O (R12)
+H2 (R2)
OH
+OH (R13)
+H (R8)
+H2 (R3)
H2O
図11 プラズマ内での水素酸化反応の経路
14
燃料電池車を例としたエネルギー割合の試算
水素オフガス排出量　（L）
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
0
20
40
60
燃料電池始動時間　（秒）
80
H2
FCVが1時間定常走行すると，
60 ℓの水素オフガスが発生する。
これを処理するための電源電力は，
20 Wh 必要。
これは，一般的FCV出力90 kWhの
わずか0.02 %の消費電力である。
安価・安全を兼ね備えた水素処理装置。
Fuel Cell Vehicles (FCVs)
従来技術をこえて
出力90 kWh
実用化への可能性大
15
新技術の特徴・従来技術との比較
• 従来技術の問題点であった，安価・安全を両立する
ことに成功した。
• 本技術の適用により，白金触媒を削減できるため，
装置コストが1/3～1/4程度まで削減されることが期
待される。
• FCVの普及（2030年100万台：NEDO予測）や家庭
用燃料電池の普及が，本技術の普及の前提となる。
16
用途の応用
• 燃料電池の水素オフガス処理以外に，各種
製造工場から排出される有機物質の酸化処
理装置として展開することも期待される。
17
想定される業界
• 想定されるユーザー
燃料電池，燃料電池車製造メーカー
• 想定される市場規模
燃料電池車数：100万台/年
装置価格：20万円，シェア50%と想定
→1000億円/年の市場規模
18
実用化に向けた課題
• 現在，低濃度水素について完全な酸化処理が可能
なところまで開発済み。しかし，高濃度水素処理の
データが不足している。
• 酸化処理にともない，窒素酸化物（NO）が生成する
ことがわかった。生成しない条件の探索が必要。
• 今後，窒素酸化物についての実験データを取得し，
実用化に向けた酸化条件の設定を行なう。
19
企業への期待
• 未解決の窒素酸化物抑制については，反応条件の
工夫により克服できると考えている。
• 新たな特許出願と製品化を推進いただける企業と
の共同研究（例えば，JST委託開発事業など）を希
望。
• また，種々の環境汚染物質の酸化処理装置を開発
中の企業には，本技術の応用が有効と思われる。
20
本技術に関する知的財産権
• 発明の名称：水素オフガス処理装置及びそ
れを用いた燃料電池システム並びに水素オフ
ガスの処理法
• 出願番号
：特願2007-173175
• 出願人
：岐阜大学，小島プレス工業（株）
• 発明者
：神原信志，刑部友敬
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お問い合わせ先
岐阜大学
産官学融合センター
コーディネーター
ＴＥＬ
e-mail
丸井
肇
０５８－２９３－３１９３
marupon＠ gifu-u.ac.jp
22

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