JP2004247290A - Hydrogen feeder - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To efficiently generate hydrogen from a raw material gas, in a hydrogen feeder to generate electric power and hydrogen by using a fuel cell. <P>SOLUTION: This hydrogen feeder 1 is provided with a reformer 2 to reform a natural gas, a fuel cell 3 to generate electric power by the reformed gas from the reformer 2, and a refiner 4 to refine hydrogen from the exhaust gas of the fuel cell 3. The refiner 4 is provided with a PEM 9 to carry out refining by a membrane separation method and a PSA 11 to carry out refining by a pressure swing adsorption method. The reformed gas from the reformer 2 is used for power generation of the fuel cell 3 without refining it, and hydrogen is refined from the exhaust gas of the fuel cell 3 in the refiner 4. In addition, the off-gas of the PEM 9 is used in a heater 8, and the off-gas of the PSA 11 is used in the fuel cell 3. Thereby, since an amount of hydrogen burnt in the heater 8 reduces in comparison with the past, electric power and hydrogen can be generated by further efficiently using hydrogen contained in the raw material gas. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本発明は、各家庭や燃料スタンドにおいて、天然ガス等の原料ガスを改質し、水素を精製すると共に燃料電池により発電を行う水素供給装置に関する。   The present invention relates to a hydrogen supply device that reforms a raw material gas such as natural gas, purifies hydrogen, and generates power using a fuel cell in each home or fuel station.

近年、一般家庭で燃料電池を用いて発電し、家庭内で用いられる電気機器に電力を供給することが検討されている。また、近年は燃料電池により発電を行い発電された電力でモータを駆動して走行を行う自動車(以下「燃料電池車」という。)を普及させる努力が続けられている。これら燃料電池の利用にあたっては、燃料となる水素ガスをどのように供給するかが問題となっており、現在のガソリンスタンドのような水素スタンドをいかに確立するかが急務となっている。   2. Description of the Related Art In recent years, it has been considered to generate power using a fuel cell in a general home and supply power to electric equipment used in the home. In recent years, efforts have been made to spread the use of automobiles (hereinafter, referred to as “fuel cell vehicles”) that generate electric power using a fuel cell and drive by driving a motor with the generated electric power. When using these fuel cells, how to supply hydrogen gas as a fuel is a problem, and there is an urgent need to establish a hydrogen station such as a current gas station.

従来の水素供給装置31としては、下記特許文献1に開示されているものが知られている。当該水素供給装置31を簡略化して説明すると、図4に示すように、都市ガス等の原料ガスを改質する改質器32と、改質器32により改質された改質ガスから水素を精製する精製装置33と、精製された水素により発電を行う燃料電池34と、精製装置33により精製された水素と燃料電池34で使用されなかった水素とを貯蔵する貯蔵タンク35とを備えている。尚、図4において符号36で示す機器は燃料電池34からの排ガスを引き出すブロアである。また、燃料電池34により発電された電力はバッテリ37に蓄えられると共に、精製装置33等の機器において使用される。   As a conventional hydrogen supply device 31, one disclosed in Patent Document 1 below is known. The hydrogen supply device 31 will be described in a simplified manner. As shown in FIG. 4, a reformer 32 for reforming a raw material gas such as a city gas, and hydrogen from the reformed gas reformed by the reformer 32 are provided. It is provided with a purifying device 33 for purifying, a fuel cell 34 for generating electric power with the purified hydrogen, and a storage tank 35 for storing the hydrogen purified by the purifying device 33 and the hydrogen not used in the fuel cell 34. . 4 is a blower that extracts exhaust gas from the fuel cell 34. The electric power generated by the fuel cell 34 is stored in the battery 37 and is used in devices such as the refining device 33.

ここで、改質器32は原料ガスを加熱して改質を行うものであるため加熱器38を備えている。一方、精製装置33からのオフガスには、一酸化炭素の他水素も含まれているため、燃料として使用することができる。そこで、従来の水素供給装置31においては、精製装置33からのオフガスを補助燃料として加熱器38で燃焼させることにより原料ガスの改質を行っていた。尚、精製装置33からのオフガスのみでは加熱器38において十分な熱量が得られないときは、原料ガスをそのまま加熱器38に供給することも行われている(図示せず)。
特開平5−182683号(第3頁、第1図)
Here, the reformer 32 is provided with a heater 38 for heating and reforming the raw material gas. On the other hand, since the off-gas from the refining device 33 contains hydrogen in addition to carbon monoxide, it can be used as fuel. Therefore, in the conventional hydrogen supply device 31, the raw material gas is reformed by burning the off-gas from the purification device 33 with the heater 38 as an auxiliary fuel. In addition, when a sufficient amount of heat cannot be obtained in the heater 38 by only the off-gas from the refining device 33, the raw material gas is supplied to the heater 38 as it is (not shown).
JP-A-5-182683 (page 3, FIG. 1)

以上のように、従来の水素供給装置31においては、精製装置33からのオフガスを加熱器38の補助燃料として利用していたため、原料ガスの無駄を抑制できるが、このオフガスの中にも水素が少なからず残存している。このため、従来から、さらに原料ガスから効率よく水素を生成することができる装置が望まれていた。   As described above, in the conventional hydrogen supply device 31, the off-gas from the refining device 33 is used as the auxiliary fuel for the heater 38, so that the waste of the source gas can be suppressed. Not a little remains. For this reason, there has been a demand for an apparatus capable of efficiently generating hydrogen from a raw material gas.

本発明は、水素供給装置の改良を目的とし、さらに詳しくは前記不都合を解消するために、原料ガスから効率よく水素を生成することができる水素供給装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to improve a hydrogen supply device, and more specifically, to provide a hydrogen supply device capable of efficiently generating hydrogen from a raw material gas in order to solve the above-mentioned disadvantages.

前記目的を達成するために、本発明の水素供給装置は、炭化水素を含む原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質手段と、前記改質ガスにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスから水素を精製する精製手段とを備えたことを特徴とする。   In order to achieve the above object, a hydrogen supply device of the present invention includes a reforming unit that reforms a raw material gas containing a hydrocarbon to generate a hydrogen-rich reformed gas, and a fuel that generates power using the reformed gas. A fuel cell; and a purifying unit for purifying hydrogen from exhaust gas discharged from the fuel cell.

本発明の水素供給装置によれば、前記改質手段により改質された改質ガスによって燃料電池で発電を行い、その後に前記燃料電池の排ガスから前記精製手段により水素を精製する。即ち、従来のように改質手段からの改質ガスから精製手段により水素を精製し、精製された水素により燃料電池で発電を行うのではなく、改質ガスにより燃料電池で発電を行い、その後に燃料電池の排ガスから水素を精製している。このように、前記燃料電池の排ガスを前記精製手段により精製することにより、前記精製手段から排出されるオフガスの量を減少させることができる。本願発明者等の実験によれば、本発明の水素供給装置は原料ガスから効率よく水素を生成することができるため、同量の原料ガスを用いて同一の電力を発電した場合であっても、従来の装置に比べて貯蔵可能な水素が大幅に増加した。   According to the hydrogen supply device of the present invention, power is generated in the fuel cell by the reformed gas reformed by the reforming means, and then hydrogen is purified from the exhaust gas of the fuel cell by the purifying means. That is, instead of purifying hydrogen from the reformed gas from the reforming means by the purifying means as in the related art, and performing power generation in the fuel cell using the purified hydrogen, power generation is performed in the fuel cell using the reformed gas. Hydrogen is purified from the exhaust gas of fuel cells. Thus, by purifying the exhaust gas of the fuel cell by the purifying means, the amount of off-gas discharged from the purifying means can be reduced. According to experiments performed by the inventors of the present application, since the hydrogen supply device of the present invention can efficiently generate hydrogen from a source gas, even when the same power is generated using the same amount of the source gas, However, the amount of hydrogen that can be stored has been greatly increased as compared with the conventional apparatus.

また、本発明の水素供給装置においては、前記精製手段は水素透過膜による膜分離法と圧力スイング吸着法とにより水素の精製を行うことが好ましい。前記膜分離法においては、原料ガスからCO等を効率よく分離することができるが、水分は除去することができない。そこで、水分の除去を効率よく行うことができる圧力スイング吸着法によって水分を除去している。ここで、水素透過膜による膜分離法はPEM(Proton Exchange Membrane)精製と呼ばれており、圧力スイング吸着法は一般にPSA(Pressure Swing Adsorption)と呼ばれ、水素の精製の方法として知られている方法である。 Further, in the hydrogen supply device of the present invention, it is preferable that the purifying unit purifies the hydrogen by a membrane separation method using a hydrogen permeable membrane and a pressure swing adsorption method. In the membrane separation method, CO 2 and the like can be efficiently separated from a raw material gas, but water cannot be removed. Therefore, water is removed by a pressure swing adsorption method that can efficiently remove water. Here, the membrane separation method using a hydrogen permeable membrane is called PEM (Proton Exchange Membrane) purification, and the pressure swing adsorption method is generally called PSA (Pressure Swing Adsorption), which is known as a method for purifying hydrogen. Is the way.

さらに具体的には、前記精製手段は、水素透過膜による膜分離を行う膜分離器と、前記膜分離器により精製されたガスを加圧する精製用加圧器と、前記精製用加圧器により加圧されたガスを圧力スイング吸着法により精製する吸着器とにより行う。また、前記精製手段は、前記膜分離器に水素加圧機能を持たせ、その後の精製用加圧器を不要としてもよい。また、前記圧力スイング吸着法を行う吸着器は、吸着剤が充填された複数の容器を備え、精製されるガスの圧力を変動させながら前記複数の容器を通過させることにより水素を精製する。   More specifically, the refining means includes a membrane separator for performing membrane separation using a hydrogen permeable membrane, a refining pressurizer for pressurizing a gas purified by the membrane separator, and pressurization by the refining pressurizer. And an adsorber for purifying the gas by a pressure swing adsorption method. Further, the purifying means may make the membrane separator have a hydrogen pressurizing function, so that a subsequent purifying press may not be required. Further, the adsorber for performing the pressure swing adsorption method includes a plurality of containers filled with an adsorbent, and purifies hydrogen by passing the plurality of containers while changing the pressure of the gas to be purified.

前記精製手段における膜分離法を行う膜分離器は、前記水素透過膜の両面に電極を設け、前記水素透過膜の表裏に電位差を与えて水素イオンを透過させることにより水素の分離を行うことが好ましい。前記水素透過膜は、その表裏に電位差がない場合であっても圧力を加えることにより水素を透過させることができるが、電位差を与えて水素イオンを透過させることによりさらに速やかに水素を透過させることができる。   The membrane separator performing the membrane separation method in the purifying means may perform hydrogen separation by providing electrodes on both sides of the hydrogen permeable membrane and applying a potential difference to the front and back of the hydrogen permeable membrane to allow hydrogen ions to pass therethrough. preferable. The hydrogen permeable membrane can transmit hydrogen by applying pressure even when there is no potential difference between the front and back surfaces.However, it is possible to transmit hydrogen ions more quickly by applying a potential difference and transmitting hydrogen ions. Can be.

また、本発明の水素供給装置において、前記改質手段が原料ガスを燃料とする加熱手段により加熱を行って前記原料ガスを改質するものであるときは、改質を行う際に前記加熱手段の燃料として前記原料ガスに加えて前記膜分離法により分離されたオフガスを使用し、前記燃料電池は前記改質ガスに加えて前記圧力スイング吸着法により分離されたオフガスを使用して発電を行うことが好ましい。前記膜分離法により分離されたオフガスには、一酸化炭素や水素といった燃料にすることができる成分が含まれているため、このオフガスを前記加熱手段により燃焼させることにより原料ガスを無駄なく使用することができる。また、前記圧力スイング吸着法により分離されたオフガスには水素と水分のみであるので、水素の純度が高いため、当該オフガスを前記燃料電池に供給することにより原料ガス中の水素をより有効に発電に用いることができる。   Further, in the hydrogen supply device of the present invention, when the reforming means reforms the raw material gas by heating with a heating means using the raw material gas as a fuel, the reforming means performs the reforming when performing the reforming. The off-gas separated by the membrane separation method is used as the fuel in addition to the source gas, and the fuel cell generates power using the off-gas separated by the pressure swing adsorption method in addition to the reformed gas. Is preferred. Since the offgas separated by the membrane separation method contains components that can be used as fuel, such as carbon monoxide and hydrogen, the offgas is burned by the heating means to use the raw material gas without waste. be able to. Further, since only hydrogen and moisture are contained in the off-gas separated by the pressure swing adsorption method, the purity of hydrogen is high. Therefore, the off-gas is supplied to the fuel cell to more effectively generate hydrogen in the source gas. Can be used.

さらに具体的には、前記改質手段は原料ガスを燃料とする加熱器により加熱を行って前記原料ガスを改質し、改質を行う際に前記加熱器の燃料として前記原料ガスに加えて前記膜分離器により分離されたオフガスを使用し、前記燃料電池は前記改質ガスに加えて前記吸着器により分離されたオフガスを使用して発電を行うものであることが好ましい。   More specifically, the reforming means reforms the raw material gas by heating with a heater using the raw material gas as a fuel, and in addition to the raw material gas as a fuel of the heater when performing the reforming. It is preferable that the off-gas separated by the membrane separator is used, and the fuel cell generates power using the off-gas separated by the adsorber in addition to the reformed gas.

また、本発明の水素供給装置においては、前記精製手段により精製された水素を使用する自動車に直接供給してもよいが、前記精製手段により精製された水素を貯蔵する貯蔵手段を備えていてもよい。また、前記貯蔵手段は、貯蔵される水素ガスを加圧する貯蔵用加圧手段と、水素を使用する自動車に接続される接続手段とを備えていることが好ましい。前記自動車に水素を供給する場合、前記貯蔵手段から前記自動車へ速やかに水素を移動させることが望ましいが、前記貯蔵手段は貯蔵用加圧手段を備えているため、水素を加圧することにより速やかに前記自動車に水素を供給することができる。   Further, in the hydrogen supply device of the present invention, the hydrogen purified by the purifying means may be directly supplied to an automobile using the hydrogen, but the hydrogen supplying apparatus may include a storage means for storing the hydrogen purified by the purifying means. Good. Preferably, the storage means includes a storage pressurizing means for pressurizing the stored hydrogen gas, and a connection means connected to a vehicle using hydrogen. When supplying hydrogen to the vehicle, it is desirable to move hydrogen from the storage unit to the vehicle promptly.However, since the storage unit is provided with a pressurizing unit for storage, the hydrogen is quickly pressurized by pressurizing the hydrogen. Hydrogen can be supplied to the vehicle.

さらに具体的には、前記精製手段により精製された水素を貯蔵する貯蔵手段を備え、前記貯蔵手段は、前記吸着器から供給されるガスを貯蔵する第1タンクと、前記第1タンクから供給されるガスを加圧する貯蔵用加圧器と、前記貯蔵用加圧器から供給されるガスを貯蔵する第2タンクと、前記第2タンクと水素を燃料として利用する自動車とを接続するためのコネクタとを備えたものとなる。   More specifically, a storage unit for storing hydrogen purified by the purification unit is provided, and the storage unit is provided with a first tank that stores gas supplied from the adsorber, and a storage unit that is supplied from the first tank. A pressurizing device for pressurizing gas, a second tank for storing gas supplied from the pressurizing device, and a connector for connecting the second tank to a vehicle using hydrogen as fuel. Will be provided.

次に、本発明の水素供給装置の実施形態の一例について、図1乃至図3を参照して説明する。図1は本実施形態の水素供給装置の構成を示すブロック図、図2はPEM精製の要部を示す説明図、図3は本発明の他の実施形態の精製装置を示すブロック図である。   Next, an example of an embodiment of the hydrogen supply device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen supply device of the present embodiment, FIG. 2 is an explanatory diagram showing a main part of PEM purification, and FIG. 3 is a block diagram showing a purification device of another embodiment of the present invention.

本実施形態の水素供給装置1は、各家庭において都市ガスを利用して発電し、家庭内の電気機器に電力を供給すると共に、後述する燃料電池車19に補給するための水素を生成するものである。この水素供給装置1は、図1に示すように、原料ガスとなる天然ガスを改質する改質器2と、改質器2から送られてくる改質ガスにより発電を行う燃料電池3と、燃料電池3から送られてくる水素を精製する精製装置4と、精製装置4に接続される低圧タンク5(第1タンク)、高圧コンプレッサ6(貯蔵用加圧器)、及び高圧タンク7(第2タンク)とを備えている。   The hydrogen supply device 1 of the present embodiment generates electric power by using city gas in each household, supplies electric power to electric appliances in the household, and generates hydrogen for replenishing a fuel cell vehicle 19 described later. It is. As shown in FIG. 1, the hydrogen supply device 1 includes a reformer 2 that reforms natural gas as a raw material gas, and a fuel cell 3 that generates power using the reformed gas sent from the reformer 2. , A purifier 4 for purifying hydrogen sent from the fuel cell 3, a low-pressure tank 5 (first tank), a high-pressure compressor 6 (storage pressurizer), and a high-pressure tank 7 (first tank) connected to the purifier 4. 2 tanks).

また、改質器2は加熱器8を備えている。精製装置4は、水素透過膜16による膜分離を行うPEM9(膜分離器)と、PEM9からの水素ガスを低圧(約0.7MPa)で圧縮する低圧コンプレッサ10(精製用加圧器)と、低圧コンプレッサ10からの水素ガスを圧力スイング吸着法により精製するPSA11(吸着器)とを備えている。   The reformer 2 includes a heater 8. The purification device 4 includes a PEM 9 (membrane separator) for performing membrane separation by the hydrogen permeable membrane 16, a low-pressure compressor 10 (purification pressurizer) for compressing hydrogen gas from the PEM 9 at low pressure (about 0.7 MPa), and a low-pressure compressor. A PSA 11 (adsorber) for purifying hydrogen gas from the compressor 10 by a pressure swing adsorption method is provided.

また、水素供給装置1は、天然ガスが供給される図示しないガス管に接続されるコネクタ12と、燃料電池車19に接続されるコネクタ13と、燃料電池3により発電された電力を外部に送信するコネクタ14とを備えている。また、図1においては、燃料電池3により発電された電力の経路を点線で示している。燃料電池3により発電された電力はバッテリ15により蓄えられると共に、PEM9、低圧コンプレッサ10、PSA11及び高圧コンプレッサ6に供給され、さらにコネクタ14から外部の電気機器用に出力される。   Further, the hydrogen supply device 1 transmits a connector 12 connected to a gas pipe (not shown) to which natural gas is supplied, a connector 13 connected to a fuel cell vehicle 19, and electric power generated by the fuel cell 3 to the outside. And a connector 14 to be connected. In FIG. 1, the path of the electric power generated by the fuel cell 3 is indicated by a dotted line. The electric power generated by the fuel cell 3 is stored by the battery 15, supplied to the PEM 9, the low-pressure compressor 10, the PSA 11, and the high-pressure compressor 6, and further output from the connector 14 for external electric equipment.

本実施形態におけるPEM9は、図2に示すように、水素透過膜16と、その両面に取り付けられた陽極板17と陰極板18とを備えている。また、両電極にはバッテリ15からの電圧が印加される。この水素透過膜16は、水素イオン(プロトン)を通過させる性質を有するものである。本実施形態においては、デュポン社のナフィオン等のフッ素系イオン交換樹脂に触媒を塗布したものを用いている。陽極板17及び陰極板18は共に多孔性のシート状電気伝導性材料である。本実施形態では多孔性のカーボンペーパーを用いている。   As shown in FIG. 2, the PEM 9 according to the present embodiment includes a hydrogen permeable film 16 and an anode plate 17 and a cathode plate 18 attached to both surfaces thereof. A voltage from the battery 15 is applied to both electrodes. The hydrogen permeable film 16 has a property of passing hydrogen ions (protons). In the present embodiment, a material obtained by applying a catalyst to a fluorine-based ion exchange resin such as Nafion of DuPont is used. Both the anode plate 17 and the cathode plate 18 are a porous sheet-like electrically conductive material. In this embodiment, porous carbon paper is used.

本実施形態におけるPSA11は、活性炭等の吸着剤が充填された複数の吸着室を備えている(図示せず)。これらの複数の吸着室に低圧コンプレッサ10から水素ガスを供給し、吸着、減圧、洗浄及び昇圧を行うことにより水素の精製を行っている。   The PSA 11 in the present embodiment includes a plurality of adsorption chambers filled with an adsorbent such as activated carbon (not shown). Hydrogen gas is supplied to the plurality of adsorption chambers from the low-pressure compressor 10 and adsorption, decompression, washing, and pressure increase are performed to purify hydrogen.

燃料電池車19は、図1に示すように、水素タンク20と燃料電池21とを備えており、水素タンク20に蓄えられた水素を燃料として燃料電池21により発電し、図示しないモータを駆動して走行を行うものである。尚、本実施形態においては、改質器2、燃料電池3等は従来から用いられているものと同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell vehicle 19 includes a hydrogen tank 20 and a fuel cell 21. The fuel cell 21 uses the hydrogen stored in the hydrogen tank 20 as fuel to generate power, and drives a motor (not shown). Is to run. In the present embodiment, since the reformer 2, the fuel cell 3, and the like have the same configuration as those conventionally used, detailed description will be omitted.

次に、図1を参照して本実施形態の水素供給装置1の作動について説明する。まず、コネクタ12に接続された図示しないガス管から原料ガスとなる天然ガスが供給されると、改質器2により天然ガスの改質が行われる。ここで、天然ガスは、図1に示すように1時間当たり4.2mの量が供給される。尚、本実施形態においては、ガスの体積を示す「m」は1時間当たりの体積を示すものとする。 Next, the operation of the hydrogen supply device 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. First, when natural gas as a raw material gas is supplied from a gas pipe (not shown) connected to the connector 12, the reformer 2 reforms the natural gas. Here, the natural gas is supplied in an amount of 4.2 m 3 per hour as shown in FIG. In the present embodiment, “m 3 ” indicating the volume of the gas indicates the volume per hour.

改質器2においては、天然ガスと、図示しない給水源からの水及び空気(空気中の酸素)とを反応させて水素が多量に含まれる水素リッチな改質ガスを生成する。改質器2により生成される改質ガスは約10.0mであり、改質ガス中の水素濃度は約40%である。この改質ガス中には、水素の他、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素、未反応の天然ガス及び水分が含まれている。そして、この改質ガスに後述するPSA11からのオフガス約1.8m(水素約100%)が加わり、燃料電池3には約11.8m(水素約44%)のガスが供給される。 The reformer 2 reacts natural gas with water and air (oxygen in the air) from a water supply source (not shown) to generate a hydrogen-rich reformed gas containing a large amount of hydrogen. The reformed gas generated by the reformer 2 is about 10.0 m 3 , and the hydrogen concentration in the reformed gas is about 40%. The reformed gas contains carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen, unreacted natural gas, and moisture, in addition to hydrogen. Then, about 1.8 m 3 (about 100% of hydrogen) from the PSA 11 described later is added to the reformed gas, and about 11.8 m 3 (about 44% of hydrogen) is supplied to the fuel cell 3.

燃料電池3は、供給された水素含有ガスを燃料として発電を行う。その際、この燃料電池3によって約4.2mの水素が消費される。そして、燃料電池3から排出される排ガスは約7.6mであり、水素含有率は約34%となっている。 The fuel cell 3 generates electric power using the supplied hydrogen-containing gas as fuel. At this time, about 4.2 m 3 of hydrogen is consumed by the fuel cell 3. The exhaust gas discharged from the fuel cell 3 is about 7.6 m 3 , and the hydrogen content is about 34%.

次に、燃料電池3からの排ガスから、精製装置4によって水素を精製する。具体的には、PEM9によって水素約100%のガスを約5.8m精製する。このとき、精製ガスの中には水分も含まれている。ここで、PEM9による水素の精製について図2を参照して説明する。PEM9においては、陽極板17と陰極板18との間に電圧が印加されて水素透過膜16の表裏で電位差が生じている。 Next, hydrogen is purified from the exhaust gas from the fuel cell 3 by the purifier 4. Specifically, about 5.8 m 3 of a gas of about 100% hydrogen is purified by PEM9. At this time, the purified gas also contains moisture. Here, the purification of hydrogen by the PEM 9 will be described with reference to FIG. In the PEM 9, a voltage is applied between the anode plate 17 and the cathode plate 18 to generate a potential difference between the front and back of the hydrogen permeable film 16.

この状態で改質器2から改質ガスが供給されると、水素ガスは陽極板17上で電子を遊離して水素イオンとなり、遊離した電子はバッテリ15を介して陰極板18に移動される。一方、水素イオンは水素透過膜16内を透過して陰極板18に触れ、陽極板17から電子を受け取って水素ガスとなる。このように、PEM9においては、改質ガスから水素が精製されるが、水分も両電極17,18及び水素透過膜16を通過して下流側に導かれる。一方、PEM9からのオフガスには水素の他一酸化炭素と未反応の天然ガスも含まれているため、このオフガスは加熱器8において燃焼されて改質器2の加熱に利用される。   When the reforming gas is supplied from the reformer 2 in this state, the hydrogen gas releases electrons on the anode plate 17 to become hydrogen ions, and the released electrons are moved to the cathode plate 18 via the battery 15. . On the other hand, hydrogen ions permeate the hydrogen permeable membrane 16 and touch the cathode plate 18, receive electrons from the anode plate 17 and become hydrogen gas. As described above, in the PEM 9, hydrogen is purified from the reformed gas, but moisture is also guided to the downstream side through the electrodes 17 and 18 and the hydrogen permeable membrane 16. On the other hand, since the off-gas from the PEM 9 contains not only hydrogen but also natural gas which has not reacted with carbon monoxide, this off-gas is burned in the heater 8 and used for heating the reformer 2.

次に、水分を含む水素ガスを必要に応じて低圧コンプレッサ10で圧縮してPSA11に送り、PSA11によって水分を除去してさらに純度を向上させる。   Next, the hydrogen gas containing water is compressed by the low-pressure compressor 10 as necessary and sent to the PSA 11, and the PSA 11 removes the water to further improve the purity.

このようにPSA11によって精製された水素は、図1に示すように約4.0mとなり、一旦低圧タンク5に貯蔵される。また、低圧タンク5の貯蔵量を超える水素ガスは、高圧コンプレッサ6に送られて圧縮され(約30MPa)、高圧タンク7に貯蔵される。そして、燃料電池車19に水素を補給する際には、高圧タンク7から高圧の水素がコネクタ13を介して燃料電池車19の水素タンク20に補給される。 The hydrogen purified by the PSA 11 becomes about 4.0 m 3 as shown in FIG. 1, and is temporarily stored in the low-pressure tank 5. Further, the hydrogen gas exceeding the storage amount of the low-pressure tank 5 is sent to the high-pressure compressor 6 and compressed (about 30 MPa), and stored in the high-pressure tank 7. When hydrogen is supplied to the fuel cell vehicle 19, high-pressure hydrogen is supplied from the high-pressure tank 7 to the hydrogen tank 20 of the fuel cell vehicle 19 via the connector 13.

ここで、高圧コンプレッサ6により水素ガスを圧縮するためには、PSA11により水分を充分に除去することが必要である。仮に多湿な水素ガスを高圧で圧縮すると、多量のドレン水が生じるために、高圧コンプレッサ6においてシリンダ(図示せず)のウォーターロックや高圧タンク7の腐食など、様々な弊害が生じる。PSA11による精製後の水素ガスの露点は、高圧コンプレッサ6による圧縮条件にもよるが、大気圧下で−30℃以下が望ましい。   Here, in order to compress the hydrogen gas by the high-pressure compressor 6, it is necessary to sufficiently remove water by the PSA 11. If high-humidity hydrogen gas is compressed at high pressure, a large amount of drain water is generated, and various adverse effects such as water lock of a cylinder (not shown) in the high-pressure compressor 6 and corrosion of the high-pressure tank 7 occur. The dew point of the hydrogen gas after purification by the PSA 11 depends on the compression conditions of the high-pressure compressor 6, but is preferably -30 ° C or less at atmospheric pressure.

一方、PSA11においては水分を含む水素ガスから水素のみが精製されるが、PSA11からのオフガスには水分の他に約1.8mの水素も含まれている。本実施形態においては、このPSA11からのオフガスに含まれる水素を燃料電池3の燃料として使用している。 On the other hand, in the PSA 11, only hydrogen is purified from the hydrogen gas containing water, but the off-gas from the PSA 11 contains about 1.8 m 3 of hydrogen in addition to the water. In the present embodiment, hydrogen contained in the off-gas from the PSA 11 is used as fuel for the fuel cell 3.

以上のように、本実施形態の水素供給装置1においては、4.2mの天然ガスから最終的に4.0mの水素を生成することができる。 As described above, the hydrogen supply device 1 of the present embodiment can finally generate 4.0 m 3 of hydrogen from 4.2 m 3 of natural gas.

ここで、比較例として、図4に示す従来例において本実施形態と同様に4.2mの水素を用いて燃料電池34において本実施形態と同一の電力を発電する場合について説明する。図4における従来例では、水素の精製は精製装置33によってのみ行われているため貯蔵タンク35には3.8mの水素ガスが貯蔵されるようになっている。しかしながら、燃料電池34を通過した水素ガスは必ず水分を含むために、精製装置33のみによっては高圧コンプレッサで圧縮するのに適した乾燥した水素ガスを得ることができない。従って、本実施形態と同様にPSAによる精製によって水素ガス中の水分を除去することを条件に加えると、生成される水素は約2.6mとなる。 Here, as a comparative example, a case where the same electric power as that of the present embodiment is generated in the fuel cell 34 using 4.2 m 3 of hydrogen in the conventional example shown in FIG. In the conventional example shown in FIG. 4, 3.8 m 3 of hydrogen gas is stored in the storage tank 35 because the purification of hydrogen is performed only by the purification device 33. However, since the hydrogen gas that has passed through the fuel cell 34 always contains moisture, dry hydrogen gas suitable for compression by a high-pressure compressor cannot be obtained with only the purification device 33. Therefore, if the condition that the moisture in the hydrogen gas is removed by the purification using PSA is added as in the present embodiment, the generated hydrogen becomes about 2.6 m 3 .

ところで、本実施形態の燃料電池3と比較例における燃料電池34においては、同一の電力を発電させるようになっているが、本実施形態の燃料電池3において消費される水素の量は4.2mであり、比較例の燃料電池34における水素の消費量は3.8mとなっている。これは、本実施形態においては、100%に精製された水素を使用して燃料電池により発電を行うのではなく、改質器2により改質された水素リッチガスを使用して発電を行っているため、燃料電池3単体での発電効率が低下しているためと考えられる。 The fuel cell 3 of the present embodiment and the fuel cell 34 of the comparative example generate the same electric power, but the amount of hydrogen consumed in the fuel cell 3 of the present embodiment is 4.2 m. 3 , and the consumption of hydrogen in the fuel cell 34 of the comparative example is 3.8 m 3 . This is because, in the present embodiment, power is not generated by the fuel cell using 100% purified hydrogen, but is generated by using the hydrogen-rich gas reformed by the reformer 2. Therefore, it is considered that the power generation efficiency of the fuel cell 3 alone has decreased.

しかしながら、本実施形態においては、燃料電池3において発電が行われた後の排ガスからPEM9により水素を精製し、そのオフガスを加熱器8に供給しており、PSA11のオフガスは燃料電池3に供給して発電を行っている。このように、原料ガスの内、加熱器8により燃焼されるオフガスは、比較例では2.4mとなっているのに対し、本実施形態においては1.8mと少量である。本実施形態においては、このように原料ガス中の水素を効率よく使用することにより、システム全体としての水素の利用率を向上させている。 However, in this embodiment, hydrogen is purified from the exhaust gas after power generation in the fuel cell 3 by the PEM 9 and the off gas is supplied to the heater 8, and the off gas of the PSA 11 is supplied to the fuel cell 3. Power generation. As described above, of the raw material gas, the off-gas burned by the heater 8 is 2.4 m 3 in the comparative example, but is 1.8 m 3 in the present embodiment. In the present embodiment, the utilization rate of hydrogen in the entire system is improved by efficiently using the hydrogen in the raw material gas.

従って、両者の比較においては、同一の量の原料ガスを用いて燃料電池3及び34の発電量が同一となる条件において、従来例において貯蔵可能な水素は約2.6mであるのに対して、本実施形態においては4.0mと大幅に改善することができた。 Therefore, in the comparison between the two, under the condition that the power generation amounts of the fuel cells 3 and 34 are the same using the same amount of the source gas, the hydrogen that can be stored in the conventional example is about 2.6 m 3 , Thus, in the present embodiment, it was able to be greatly improved to 4.0 m 3 .

次に、図3を参照して本発明の他の実施形態について説明する。この実施形態では、精製装置4’における水素ガスの圧縮に際して、低圧コンプレッサ10を用いずに水素圧縮機能を持たせたPEM9’により圧縮を行っている。精製装置4’では、PEM9’に供給されるバッテリ15の電圧を上記実施形態のPEM9に供給される電圧よりも高いものとしている。PEM9’では、その電気エネルギーの増加分に応じて水素透過膜16を透過した水素ガスに圧力を加えることができる。このように、PEM9’により水素ガスに圧力を加える方式であれば、通常のコンプレッサのような機械的ロスがないので、効率よく水素ガスの圧力を上げることができる。   Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, when compressing the hydrogen gas in the purifier 4 ', the compression is performed by the PEM 9' having a hydrogen compression function without using the low-pressure compressor 10. In the refining device 4 ', the voltage of the battery 15 supplied to the PEM 9' is higher than the voltage supplied to the PEM 9 of the above embodiment. In the PEM 9 ′, pressure can be applied to the hydrogen gas that has passed through the hydrogen permeable film 16 in accordance with the increase in the electric energy. As described above, if the pressure is applied to the hydrogen gas by the PEM 9 ′, the pressure of the hydrogen gas can be increased efficiently because there is no mechanical loss as in a normal compressor.

尚、本実施形態においては、各家庭において都市ガスを原料ガスとして燃料電池3で発電を行い、燃料電池車19に水素を供給するケースについて説明したが、これに限らず、現在のガソリンスタンドのように燃料電池車19や水素を燃料とする内燃機関を備えた水素自動車に水素を供給する水素スタンドに適用してもよい。   In the present embodiment, a case has been described in which each household uses city gas as a source gas to generate power using the fuel cell 3 and supplies hydrogen to the fuel cell vehicle 19. However, the present invention is not limited to this. As described above, the present invention may be applied to a hydrogen station that supplies hydrogen to a fuel cell vehicle 19 or a hydrogen vehicle equipped with an internal combustion engine using hydrogen as fuel.

また、本実施形態においては、一旦低圧タンク5及び高圧タンク7に水素を貯蔵しているが、これに限らず、PSA11からの水素ガスを高圧コンプレッサ6により圧縮し、燃料電池車19の水素タンク20に直接供給するようにしてもよい。   In the present embodiment, the hydrogen is temporarily stored in the low-pressure tank 5 and the high-pressure tank 7. However, the present invention is not limited to this, and the hydrogen gas from the PSA 11 is compressed by the high-pressure compressor 6 and the hydrogen tank of the fuel cell vehicle 19 is compressed. 20 may be supplied directly.

また、本実施形態においては、燃料電池車19に水素を供給する装置について説明したため、PSA11によって水素ガスの純度を高め、高圧タンク7に水素を貯蔵している。しかし、固定施設の発電用に水素を供給する場合は、PEM9によって精製された水素を低圧タンク5に貯蔵してもよい。この場合は、PSA11、高圧コンプレッサ6及び高圧タンク7は不要となる。   Further, in the present embodiment, since the apparatus for supplying hydrogen to the fuel cell vehicle 19 has been described, the purity of the hydrogen gas is increased by the PSA 11 and the hydrogen is stored in the high-pressure tank 7. However, when supplying hydrogen for power generation in a fixed facility, hydrogen purified by the PEM 9 may be stored in the low-pressure tank 5. In this case, the PSA 11, the high-pressure compressor 6, and the high-pressure tank 7 become unnecessary.

また、本実施形態においては、PEM9における水素透過膜16としてフッ素系イオン交換樹脂を用いているが、これに限らず、水素ガスや水素イオンを透過させることができる膜体であれば他の公知のものを使用してもよい。また、陽極板17及び陰極板18には多孔性のカーボンペーパーを使用しているが、これに限らず、水素透過膜16に金属を蒸着させて各電極とする等公知の技術を用いてもよい。   Further, in the present embodiment, the fluorine-based ion exchange resin is used as the hydrogen permeable membrane 16 in the PEM 9, but the present invention is not limited to this, and any other known membrane that can transmit hydrogen gas or hydrogen ions is used. May be used. In addition, although porous carbon paper is used for the anode plate 17 and the cathode plate 18, the invention is not limited thereto, and a known technique such as depositing a metal on the hydrogen permeable film 16 to form each electrode may be used. Good.

本実施形態の水素供給装置の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the hydrogen supply device according to the embodiment. PEM精製の要部を示す説明図。Explanatory drawing which shows the principal part of PEM purification. 本発明の他の実施形態の精製装置を示すブロック図。FIG. 6 is a block diagram showing a purification device according to another embodiment of the present invention. 従来の水素供給装置の構成を示すブロック図。FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of a conventional hydrogen supply device.

符号の説明Explanation of reference numerals

1…水素供給装置、2…改質器、3…燃料電池、4…精製装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Hydrogen supply apparatus, 2 ... Reformer, 3 ... Fuel cell, 4 ... Purification apparatus.

Claims (11)

炭化水素を含む原料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質手段と、前記改質ガスにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスから水素を精製する精製手段とを備えたことを特徴とする水素供給装置。   Reforming means for reforming a raw material gas containing hydrocarbons to generate a hydrogen-rich reformed gas, a fuel cell for generating power using the reformed gas, and purifying hydrogen from exhaust gas discharged from the fuel cell A hydrogen supply device comprising: a purification unit. 前記精製手段は、水素透過膜による膜分離法と圧力スイング吸着法とにより水素の精製を行うことを特徴とする請求項1に記載の水素供給装置。   2. The hydrogen supply device according to claim 1, wherein the purification unit purifies the hydrogen by a membrane separation method using a hydrogen permeable membrane and a pressure swing adsorption method. 3. 前記精製手段は、水素透過膜による膜分離を行う膜分離器と、前記膜分離器により精製されたガスを加圧する精製用加圧器と、前記精製用加圧器により加圧されたガスを圧力スイング吸着法により精製する吸着器とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の水素供給装置。   The purification means includes a membrane separator for performing membrane separation using a hydrogen permeable membrane, a purification pressurizer for pressurizing the gas purified by the membrane separator, and a pressure swing of the gas pressurized by the purification pressurizer. The hydrogen supply device according to claim 1, further comprising an adsorber for purifying by an adsorption method. 前記精製手段は、水素加圧機能を備えた水素透過膜による膜分離を行う膜分離器と、前記膜分離器により加圧されたガスを圧力スイング吸着法により精製する吸着器とを備えていることを特徴とする請求項1に記載の水素供給装置。   The purifying means includes a membrane separator for performing membrane separation using a hydrogen permeable membrane having a hydrogen pressurizing function, and an adsorber for purifying a gas pressurized by the membrane separator by a pressure swing adsorption method. The hydrogen supply device according to claim 1, wherein: 前記精製手段における膜分離法を行う膜分離器は、前記水素透過膜の両面に電極を設け、前記水素透過膜の表裏に電位差を与えて水素イオンを透過させることにより水素の分離を行うことを特徴とする請求項2,3,4のいずれか1項に記載の水素供給装置。   The membrane separator performing the membrane separation method in the purifying means, by providing electrodes on both surfaces of the hydrogen permeable membrane, applying a potential difference to the front and back of the hydrogen permeable membrane to allow hydrogen ions to permeate to separate hydrogen. The hydrogen supply device according to any one of claims 2, 3, and 4, wherein: 前記圧力スイング吸着法を行う吸着器は、吸着剤が充填された複数の容器を備え、精製されるガスの圧力を変動させながら前記複数の容器を通過させることにより水素を精製することを特徴とする請求項2,3,4のいずれか1項に記載の水素供給装置。   The adsorber performing the pressure swing adsorption method includes a plurality of containers filled with an adsorbent, and purifies hydrogen by passing the plurality of containers while varying the pressure of the gas to be purified. The hydrogen supply device according to any one of claims 2, 3, and 4. 前記改質手段は原料ガスを燃料とする加熱手段により加熱を行って前記原料ガスを改質し、改質を行う際に前記加熱手段の燃料として前記原料ガスに加えて前記膜分離法により分離されたオフガスを使用し、前記燃料電池は前記改質ガスに加えて前記圧力スイング吸着法により分離されたオフガスを使用して発電を行うことを特徴とする請求項2に記載の水素供給装置。   The reforming means reforms the raw material gas by heating by a heating means using the raw material gas as a fuel, and separates by the membrane separation method in addition to the raw material gas as a fuel of the heating means when performing the reforming. 3. The hydrogen supply device according to claim 2, wherein the generated off-gas is used, and the fuel cell generates power using the off-gas separated by the pressure swing adsorption method in addition to the reformed gas. 4. 前記改質手段は原料ガスを燃料とする加熱器により加熱を行って前記原料ガスを改質し、改質を行う際に前記加熱器の燃料として前記原料ガスに加えて前記膜分離器により分離されたオフガスを使用し、前記燃料電池は前記改質ガスに加えて前記吸着器により分離されたオフガスを使用して発電を行うことを特徴とする請求項3又は4に記載の水素供給装置。   The reforming means reforms the raw material gas by heating with a heater using the raw material gas as a fuel, and separates by the membrane separator in addition to the raw material gas as a fuel of the heater when performing the reforming. 5. The hydrogen supply device according to claim 3, wherein the off-gas is used, and the fuel cell performs power generation using the off-gas separated by the adsorber in addition to the reformed gas. 6. 前記精製手段により精製された水素を貯蔵する貯蔵手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の水素供給装置。   The hydrogen supply device according to any one of claims 1 to 8, further comprising a storage unit configured to store the hydrogen purified by the purification unit. 前記貯蔵手段は、貯蔵される水素ガスを加圧する貯蔵用加圧手段と、水素を燃料として利用する自動車に接続される接続手段とを備えていることを特徴とする請求項9に記載の水素供給装置。   The hydrogen storage device according to claim 9, wherein the storage device includes a storage pressurizing device that pressurizes stored hydrogen gas, and a connection device that is connected to a vehicle that uses hydrogen as a fuel. Feeding device. 前記精製手段により精製された水素を貯蔵する貯蔵手段を備え、
前記貯蔵手段は、前記吸着器から供給されるガスを貯蔵する第1タンクと、前記第1タンクから供給されるガスを加圧する貯蔵用加圧器と、前記貯蔵用加圧器から供給されるガスを貯蔵する第2タンクと、前記第2タンクと水素を燃料として利用する自動車とを接続するためのコネクタとを備えていることを特徴とする請求項3,4,8のいずれか1項に記載の水素供給装置。
A storage unit for storing hydrogen purified by the purification unit,
The storage means includes a first tank that stores gas supplied from the adsorber, a storage pressurizer that pressurizes the gas supplied from the first tank, and a gas that is supplied from the storage pressurizer. 9. The vehicle according to claim 3, further comprising a second tank for storing, and a connector for connecting the second tank to a vehicle using hydrogen as fuel. Hydrogen supply equipment.
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