JP2020056087A - Hydrogen generation system and operation method thereof - Google Patents

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美穂 玄番
Miho Gemba
美穂 玄番
安本 栄一
Eiichi Yasumoto
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Abstract

To restore the hydrogen purification efficiency of a hydrogen generation system by removing carbon monoxide adsorbed to a catalyst of an anode when the hydrogen purification efficiency decreases.SOLUTION: A hydrogen generation system comprises: an electrochemical device 10 for generating hydrogen at a cathode 5C by comprising an electrolyte membrane-electrode conjugant 9, supplying hydrogen-containing gas to an anode 5A, and flowing an electric current between the anode 5A and the cathode 5C; gas supplying means 16 for supplying the hydrogen-containing gas to the anode 5A; a power supply 13 for flowing the electric current between the anode 5A and the cathode 5C; and a controller 15. The controller 15 increases the current value of the power supply 13 to 110A so that a hydrogen utilization rate becomes 110% when the hydrogen utilization rate is 90% and the hydrogen generation system 20 is operated so that the current value is kept 90A, and when the hydrogen purification efficiency decreases to 18 or lower.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電気化学的な反応を利用して、水素含有ガスから高純度の水素ガスを生成する水素生成システムおよびその運転方法に関するものである。   The present invention relates to a hydrogen generation system that generates high-purity hydrogen gas from a hydrogen-containing gas using an electrochemical reaction, and a method of operating the same.

従来、アノードとカソードとの間に水素イオンを選択的に輸送する電解質膜が配置された電解質膜−電極接合体を用いて、水素含有ガスから高純度の水素ガスを生成する電気化学デバイスが知られている。   BACKGROUND ART Conventionally, there is known an electrochemical device that generates high-purity hydrogen gas from a hydrogen-containing gas by using an electrolyte membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions is disposed between an anode and a cathode. Have been.

このような電気化学デバイスのアノードに、露点が高い状態になるように加湿された、不純物を含む水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を経由してカソードに電流を流すことで、アノードでは、(化1)に示す、水素が水素イオン(H)と電子に解離する酸化反応が起こり、カソードでは、(化2)に示す、水素イオン(H)と電子が結びついて水素が生成される還元反応が起こる。 An anode of such an electrochemical device is supplied with a hydrogen-containing gas containing impurities, which is humidified so as to have a high dew point, and a current flows from the anode to the cathode via the electrolyte membrane. Then, an oxidation reaction occurs in which hydrogen dissociates into hydrogen ions (H + ) and electrons as shown in (Chem. 1). At the cathode, hydrogen ions (H + ) and electrons shown in (Chem. 2 ) combine to form hydrogen. The resulting reduction reaction takes place.

Figure 2020056087
Figure 2020056087

Figure 2020056087
(化1)と(化2)に示す電気化学反応により、アノードに供給された水素含有ガスから、カソードにおいて水素ガスが生成される。このとき、水素含有ガス中の水素のみがアノード側からカソード側へ移動するため、高純度の水素ガスを得ることができる。
Figure 2020056087
By the electrochemical reaction shown in (Chemical Formula 1) and (Chemical Formula 2), hydrogen gas is generated at the cathode from the hydrogen-containing gas supplied to the anode. At this time, only hydrogen in the hydrogen-containing gas moves from the anode side to the cathode side, so that high-purity hydrogen gas can be obtained.

電気化学デバイスのアノードに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料処理器によって、例えば、13Aガスやプロパンガスなどの炭化水素系の燃料を、水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質することにより生成される。   The hydrogen-containing gas supplied to the anode of the electrochemical device is supplied, for example, by a fuel processor to convert a hydrocarbon-based fuel such as 13A gas or propane gas into steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming. It is generated by quality.

このような改質反応を利用して得られた水素含有ガスには、一酸化炭素や二酸化炭素などの不純物が含まれている。一酸化炭素は、電気化学デバイスのアノードの触媒を被毒して、触媒性能を低下させることが知られている(例えば、特許文献1参照)。   The hydrogen-containing gas obtained by using such a reforming reaction contains impurities such as carbon monoxide and carbon dioxide. It is known that carbon monoxide poisons the catalyst of the anode of the electrochemical device and lowers the catalytic performance (for example, see Patent Document 1).

図9は、特許文献1に開示された従来の電気化学デバイスの概略図である。図9に示すように、従来の電気化学デバイス200は、電解質膜−電極接合体と、アノードセパレータ101Aと、カソードセパレータ101Cと、アノード端板108Aと、カソード端板108Cと、電圧印加部113とを備えている。   FIG. 9 is a schematic diagram of a conventional electrochemical device disclosed in Patent Document 1. As shown in FIG. 9, the conventional electrochemical device 200 includes an electrolyte membrane-electrode assembly, an anode separator 101A, a cathode separator 101C, an anode end plate 108A, a cathode end plate 108C, a voltage application unit 113, It has.

電解質膜−電極接合体は、電解質膜104の一方の主面にアノード触媒層103Aが配置され、電解質膜104の他方の主面にカソード触媒層103Cが配置され、アノード触媒層103Aにおける電解質膜104と対向しない面にアノードガス拡散層102Aが設けられ、カソード触媒層103Cにおける電解質膜104と対向しない面にカソードガス拡散層102Cが設けられている。   The electrolyte membrane-electrode assembly has an anode catalyst layer 103A disposed on one main surface of the electrolyte membrane 104, a cathode catalyst layer 103C disposed on the other main surface of the electrolyte membrane 104, and an electrolyte membrane 104 on the anode catalyst layer 103A. The anode gas diffusion layer 102A is provided on a surface that does not face the cathode gas diffusion layer 102C, and the cathode gas diffusion layer 102C is provided on a surface of the cathode catalyst layer 103C that does not face the electrolyte membrane 104.

アノードセパレータ101Aは、アノードガス拡散層102Aと当接する面に溝状のアノードガス流路114Aが形成されている。カソードセパレータ101Cは、カソードガス拡散層102Cと当接する面に溝状のカソードガス流路114Cが形成されている。   The anode separator 101A has a groove-shaped anode gas flow path 114A formed on a surface that contacts the anode gas diffusion layer 102A. The cathode separator 101C has a groove-shaped cathode gas flow channel 114C formed on a surface that contacts the cathode gas diffusion layer 102C.

そして、アノードセパレータ101Aと、カソードセパレータ101Cとの間に、電解質膜−電極接合体が配置されている。   Then, an electrolyte membrane-electrode assembly is arranged between the anode separator 101A and the cathode separator 101C.

アノード端板108Aは、アノードセパレータ101Aにおけるアノードガス流路114Aが形成された面とは反対側の面に配置されている。   The anode end plate 108A is arranged on the surface of the anode separator 101A opposite to the surface on which the anode gas flow paths 114A are formed.

アノード端板108Aにおけるアノードセパレータ101Aと対向する面とは反対側の面には、アノードガス流路114Aに水素含有ガスを供給するアノード入口配管が接続されている。また、アノード端板108Aは、アノードガス流路114Aとアノード入口配管とを連通させている。   An anode inlet pipe for supplying a hydrogen-containing gas to the anode gas flow path 114A is connected to a surface of the anode end plate 108A opposite to the surface facing the anode separator 101A. The anode end plate 108A makes the anode gas flow passage 114A communicate with the anode inlet pipe.

カソード端板108Cは、カソードセパレータ101Cにおけるカソードガス流路114Cが形成された面とは反対側の面に配置されている。   The cathode end plate 108C is arranged on the surface of the cathode separator 101C opposite to the surface on which the cathode gas flow channel 114C is formed.

カソード端板108Cにおけるカソードセパレータ101Cと対向する面とは反対側の面には、カソードガス流路114Cから水素ガスを排出するカソード出口配管が接続されている。また、カソード端板108Cは、カソードガス流路114Cとカソード出口配管とを連通させている。   A cathode outlet pipe for discharging hydrogen gas from the cathode gas flow channel 114C is connected to a surface of the cathode end plate 108C opposite to a surface facing the cathode separator 101C. The cathode end plate 108C makes the cathode gas flow path 114C communicate with the cathode outlet pipe.

電圧印加部113は、プラス極端子とマイナス極端子とを有する直流電源であり、電圧印加部113のプラス極端子がアノードセパレータ101Aに接続され、電圧印加部113のマイナス極端子がカソードセパレータ101Cに接続される。   The voltage application unit 113 is a DC power supply having a positive electrode terminal and a negative electrode terminal. The positive electrode terminal of the voltage application unit 113 is connected to the anode separator 101A, and the negative electrode terminal of the voltage application unit 113 is connected to the cathode separator 101C. Connected.

そして、電圧印加部113は、アノードセパレータ101Aとカソードセパレータ101Cとの間に、アノードセパレータ101Aから、アノードガス拡散層102A、アノード触媒層103A、電解質膜104、カソード触媒層103C、カソードガス拡散層102Cを、この順に通って、カソードセパレータ101Cに流れる電流を流す。   Then, the voltage applying unit 113 is provided between the anode separator 101A and the cathode separator 101C, from the anode separator 101A, to the anode gas diffusion layer 102A, the anode catalyst layer 103A, the electrolyte membrane 104, the cathode catalyst layer 103C, and the cathode gas diffusion layer 102C. Is passed in this order, and a current flowing through the cathode separator 101C is passed.

特開2017−145187号公報JP-A-2017-145187

しかしながら、従来の構成では、アノード触媒層103Aに供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素等の不純物によってアノード触媒層103Aの触媒が被毒して、アノード触媒層103Aの触媒の活性部位が減少することで、水素純化効率の低下が起こるという課題を有していた。   However, in the conventional configuration, the catalyst of the anode catalyst layer 103A is poisoned by impurities such as carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas supplied to the anode catalyst layer 103A, and the active site of the catalyst of the anode catalyst layer 103A is reduced. There was a problem that the reduction in hydrogen purification efficiency would be reduced.

ここで、水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対する生成する水素のエネルギーの割合である。   Here, the hydrogen purification efficiency is the ratio of the energy of the generated hydrogen to the electric energy input to the electrochemical device.

本発明は、従来の課題を解決するもので、電気化学デバイスの水素純化効率の低下が起こった際に、アノード触媒層の触媒に吸着した被毒物質を取り除き、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることのできる水素生成システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the conventional problems, and removes poisonous substances adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer when the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device decreases, thereby reducing the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device. It is an object of the present invention to provide a hydrogen generation system capable of recovering a reduced amount and an operation method thereof.

従来の課題を解決するために、本発明の水素生成システムは、電解質膜と電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、電流によりカソードで生成される水素量をアノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、電源による電流の電流値が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、電源に投入する電気エネルギーに対してカソードから得られる水素エネルギーの割合を示す水素純化効率が閾値以下に低下した場合とアノードとカソードとの間の電圧が閾値以上に上昇した場合のどちらかの場合、もしくは、燃料利用率が100%未満で、アノードとカソードとの間の電圧が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、電源の電流値が閾値以下に小さくなった場合とカソードから排出される水素の流量が閾値以下に減少した場合とアノードから排出される水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加した場合のいずれかの場合に、燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも電源の電流値を大きくすること又はガス供給手段から供給する水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うこと、を特徴としたものである。   In order to solve the conventional problems, the hydrogen generation system of the present invention comprises an electrolyte membrane, an anode disposed on one main surface of the electrolyte membrane, and a cathode disposed on the other main surface of the electrolyte membrane. An electrochemical device that constitutes an electrode assembly, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and flows a current in a predetermined direction between the anode and the cathode to generate hydrogen at the cathode, and a gas that supplies the hydrogen-containing gas. A supply means, and a power supply for causing a current to flow between the anode and the cathode of the electrochemical device, wherein the amount of hydrogen generated at the cathode by the current is divided by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplied by 100 When the hydrogen generation system is operating, the electric energy supplied to the power supply is controlled so that the fuel utilization rate indicating that the fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power supply is constant. Either the case where the hydrogen purification efficiency indicating the ratio of the hydrogen energy obtained from the cathode falls below the threshold value or the case where the voltage between the anode and the cathode rises above the threshold value, or the fuel utilization rate becomes 100%. %, The voltage between the anode and the cathode is constant, so that when the current value of the power supply decreases below the threshold value and when the hydrogen discharged from the cathode is At least when the flow rate is reduced below the threshold value or when the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode is increased above the threshold value, at least the power supply current value is set so that the fuel utilization exceeds 100%. Either increasing the flow rate or decreasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means is performed.

この構成において、一酸化炭素等の不純物によってアノード触媒層の触媒が被毒して、水素純化効率が閾値以下に低下する等の現象が起こった際に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うと、(化1)に示す電気化学反応に加えて、(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応がアノードで起こる。   In this configuration, when the catalyst of the anode catalyst layer is poisoned by impurities such as carbon monoxide and a phenomenon such as a reduction in hydrogen purification efficiency below a threshold occurs, a hydrogen gas having a fuel utilization rate exceeding 100% is generated. When the starvation operation is performed, in addition to the electrochemical reaction shown in (Chem. 1), the electrochemical reactions shown in (Chem. 3), (Chem. 4) and (Chem. 5) occur at the anode.

Figure 2020056087
Figure 2020056087

Figure 2020056087
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Figure 2020056087
ここで、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転とは、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に流す電流によりカソードで生成される水素量に対して、アノードに供給する水素含有ガス中の水素量が少ない状態で運転することである。
Figure 2020056087
Here, the hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% refers to the hydrogen-containing gas supplied to the anode with respect to the amount of hydrogen generated at the cathode by the current flowing between the anode and the cathode of the electrochemical device. It is to operate in a state where the amount of hydrogen is small.

このような水素ガス欠乏運転では、(化1)に示す電気化学反応で水素から作られる水素イオンだけでは、水素イオンの量が足りなくなるので、(化1)に示す電気化学反応に加えて、不足分の水素イオンを作るために、(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応がアノードで起こる。   In such a hydrogen gas deficient operation, the amount of hydrogen ions becomes insufficient with only the hydrogen ions produced from hydrogen by the electrochemical reaction shown in (Chemical Formula 1). Therefore, in addition to the electrochemical reaction shown in (Chemical Formula 1), In order to produce the shortage of hydrogen ions, the electrochemical reactions shown in (Chem. 3), (Chem. 4) and (Chem. 5) occur at the anode.

さらに(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応がアノードで起こる際に、
アノード触媒層の触媒の活性部位に吸着した被毒物質が酸化して除去できる被毒物質の場合に、その被毒物質を除去することができる。
Further, when the electrochemical reactions shown in (Chem. 3), (Chem. 4) and (Chem. 5) occur at the anode,
When the poisoning substance adsorbed on the active site of the catalyst in the anode catalyst layer is a poisoning substance that can be removed by oxidation, the poisoning substance can be removed.

このように、被毒物質の吸着により減少したアノード触媒層の触媒の活性部位が回復するため、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることができる。   As described above, since the active site of the catalyst in the anode catalyst layer, which has been reduced by the adsorption of the poisonous substance, recovers, the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device can be recovered.

本発明の水素生成システムおよびその運転方法は、アノード触媒層の触媒に吸着した一酸化炭素等の酸化除去できる被毒物質を除去することができる。これにより、アノード触媒層の触媒に被毒物質が吸着して、アノード触媒層の触媒の活性部位が減少しても、アノード触媒層の触媒に吸着した被毒物質を取り除くことで、アノード触媒層の触媒の活性部位が回復して元に戻るため、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION The hydrogen generation system of this invention and its operating method can remove the poisoning substance which can be oxidized and removed, such as carbon monoxide adsorbed by the catalyst of the anode catalyst layer. As a result, even if the poisoning substance is adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer and the active site of the catalyst on the anode catalyst layer is reduced, the poisoning substance adsorbed on the catalyst on the anode catalyst layer is removed. Since the active site of the catalyst recovers and returns to its original state, the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device can be recovered.

また、水素純化効率を回復させることで、水素生成システムに用いる電気エネルギーを小さくできるので、省エネ性の高い水素生成システムを提供することができる。   Further, by recovering the hydrogen purification efficiency, electric energy used for the hydrogen generation system can be reduced, so that a hydrogen generation system with high energy saving can be provided.

本発明の実施の形態1〜3における水素生成システムの概略図Schematic diagram of the hydrogen generation system according to Embodiments 1 to 3 of the present invention 本発明の実施の形態1の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートFlow chart showing a flow of processing executed by the controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態2の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートFlowchart showing the flow of processing executed by the controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施の形態3の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートFlow chart showing a flow of processing executed by a controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態4の水素生成システムにおける水素生成システムの概略図Schematic diagram of a hydrogen generation system in a hydrogen generation system according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態4の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートFlow chart showing a flow of a process executed by a controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 4 of the present invention. 本発明の実施の形態5の水素生成システムにおける水素生成システムの概略図Schematic diagram of a hydrogen generation system in a hydrogen generation system according to Embodiment 5 of the present invention. 本発明の実施の形態5の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートFlow chart showing a flow of a process executed by a controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 5 of the present invention. 従来の電気化学デバイスの概略図Schematic diagram of a conventional electrochemical device

第1の発明は、電解質膜と電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、制御器と、を備える水素生成システムであって、制御器は、電流によりカソードで生成される水素量をアノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、電源による電流の電流値が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、電源に投入する電気エネルギーに対してカソードから得られる水素エネルギーの割合を示す水素純化効率が閾値以下に低下した場合に、燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも電源の電流値を大きくすること又はガス供給手段から供給する水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴としたものである。   In the first invention, an electrolyte membrane-electrode assembly is constituted by an electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode contains hydrogen. A gas is supplied, and an electric current in a predetermined direction is caused to flow between the anode and the cathode, so that an electrochemical device that generates hydrogen at the cathode, a gas supply unit that supplies a hydrogen-containing gas, and a gas supply unit between the anode and the cathode A hydrogen generation system comprising a power supply for flowing an electric current and a controller, wherein the controller divides the amount of hydrogen generated at the cathode by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplies the ratio by 100. When the hydrogen generation system is operating, the cathode is not used for the electric energy supplied to the power supply so that the indicated fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power supply is constant. When the hydrogen purification efficiency indicating the ratio of the obtained hydrogen energy falls below the threshold, at least the current value of the power supply is increased or the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means is increased so that the fuel utilization exceeds 100%. The method is characterized in that one of the steps of reducing the flow rate is performed.

この構成によって、一酸化炭素等の不純物によってアノード触媒層の触媒が被毒して、
水素純化効率が閾値以下に低下したときに燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うので、その水素ガス欠乏運転によって(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応が起こると同時にアノード触媒層の触媒に吸着していた被毒物質が酸化除去されるので、アノード触媒層の触媒の活性部位が回復し、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることができる。
With this configuration, the catalyst of the anode catalyst layer is poisoned by impurities such as carbon monoxide,
When the hydrogen purification efficiency falls below the threshold value, the fuel gas is operated in a hydrogen gas deficient state in which the fuel utilization rate exceeds 100%. At the same time as the chemical reaction occurs, the poisoning substances adsorbed on the catalyst in the anode catalyst layer are oxidized and removed, so the active site of the catalyst in the anode catalyst layer is restored and the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device is recovered. Can be done.

第2の発明は、電解質膜と電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、アノードとカソードとの間の電圧を計測する測定器と、制御器と、を備える水素生成システムであって、制御器は、電流によりカソードで生成される水素量をアノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、電源による電流の電流値が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、測定器により計測したアノードとカソードとの間の電圧が閾値以上に上昇した場合に、燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも電源の電流値を大きくすること又はガス供給手段から供給する水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴としたものである。   According to a second invention, an electrolyte membrane-electrode assembly is constituted by an electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode contains hydrogen. A gas is supplied, and an electric current in a predetermined direction is caused to flow between the anode and the cathode, so that an electrochemical device that generates hydrogen at the cathode, a gas supply unit that supplies a hydrogen-containing gas, and a gas supply unit between the anode and the cathode A hydrogen generation system including a power supply for flowing a current, a measuring device for measuring a voltage between an anode and a cathode, and a controller, wherein the controller determines an amount of hydrogen generated at the cathode by the current. When the hydrogen generation system is operated such that the fuel utilization rate, which is a ratio obtained by dividing by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplied by 100, is less than 100% and the current value of the current from the power supply is constant. When the voltage between the anode and the cathode measured by the measuring device rises above the threshold, at least the current value of the power supply is increased or supplied from the gas supply means so that the fuel utilization exceeds 100%. It is characterized in that either one of reducing the flow rate of the hydrogen-containing gas is performed.

この構成によって、電気化学デバイスを電流一定で運転する場合に、アノードとカソードとの間の電圧を測定器により計測して、その電圧が閾値以上に上昇したときに燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うので、その水素ガス欠乏運転によってアノード触媒層の触媒に吸着していた被毒物質を酸化除去することができる。よって、アノード触媒層の触媒の活性部位が回復し、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることができる。   With this configuration, when the electrochemical device is operated at a constant current, the voltage between the anode and the cathode is measured by a measuring device, and when the voltage rises above a threshold, the fuel utilization exceeds 100%. Since the hydrogen gas deficient operation is performed, the poisoning substances adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer can be oxidized and removed by the hydrogen gas deficient operation. Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer is recovered, and the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device can be recovered.

第3の発明は、電解質膜と電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、制御器と、を備える水素生成システムであって、制御器は、電流によりカソードで生成される水素量をアノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、アノードとカソードとの間の電圧が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、電源の電流値が閾値以下に小さくなった場合に、燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも電源の電流値を大きくすること又はガス供給手段から供給する水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴としたものである。   According to a third invention, an electrolyte membrane-electrode assembly is constituted by an electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode contains hydrogen. A gas is supplied, and an electric current in a predetermined direction is caused to flow between the anode and the cathode, so that an electrochemical device that generates hydrogen at the cathode, a gas supply unit that supplies a hydrogen-containing gas, and a gas supply unit between the anode and the cathode A hydrogen generation system comprising a power supply for flowing an electric current and a controller, wherein the controller divides the amount of hydrogen generated at the cathode by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplies the ratio by 100. When the current value of the power supply becomes smaller than the threshold value when the hydrogen generation system is operated so that the indicated fuel utilization is less than 100% and the voltage between the anode and the cathode is constant. In addition, at least one of increasing the current value of the power supply or decreasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means is performed so that the fuel utilization exceeds 100%. Things.

この構成によって、電気化学デバイスを電圧一定で運転する場合に、電源の電流値を検知して、その電流値が閾値以下に小さくなったときに燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うので、その水素ガス欠乏運転によってアノード触媒層の触媒に吸着していた被毒物質を酸化除去することができる。よって、アノード触媒層の触媒の活性部位が回復し、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることができる。   With this configuration, when the electrochemical device is operated at a constant voltage, the current value of the power supply is detected, and when the current value becomes smaller than the threshold, the hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed. The poisoning substance adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer can be oxidized and removed by the hydrogen gas deficient operation. Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer is recovered, and the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device can be recovered.

第4の発明は、電解質膜と電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、カソードから排出される水素量を計測する第1流量計と、制御器と、を備える水素生成システムであって、制御器は、電流によ
りカソードで生成される水素量をアノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、アノードとカソードとの間の電圧が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、第1流量計で計測した水素の流量が閾値以下に減少した場合に、燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも電源の電流値を大きくすること又はガス供給手段から供給する水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴としたものである。
In a fourth aspect, an electrolyte membrane-electrode assembly is constituted by an electrolyte membrane and an anode disposed on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode disposed on the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode contains hydrogen. A gas is supplied, and an electric current in a predetermined direction is caused to flow between the anode and the cathode, so that an electrochemical device that generates hydrogen at the cathode, a gas supply unit that supplies a hydrogen-containing gas, and a gas supply unit between the anode and the cathode A hydrogen generation system comprising: a power supply for flowing an electric current; a first flow meter for measuring an amount of hydrogen discharged from a cathode; and a controller, the controller comprising: an amount of hydrogen generated at the cathode by the electric current Is divided by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplied by 100 to operate the hydrogen generation system so that the fuel utilization is less than 100% and the voltage between the anode and the cathode is constant. When the flow rate of hydrogen measured by the first flow meter decreases below the threshold value, at least the current value of the power supply is increased or supplied from the gas supply means so that the fuel utilization exceeds 100%. It is characterized in that either one of reducing the flow rate of the hydrogen-containing gas is performed.

この構成によって、電気化学デバイスを電圧一定で運転する場合に、カソードで生成する水素量を、カソードから排出される水素量を計測する第1流量計で計測して、その水素量が閾値よりも下がったときに燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うので、その水素ガス欠乏運転によってアノード触媒層の触媒に吸着していた被毒物質を酸化除去することができる。よって、アノード触媒層の触媒の活性部位が回復し、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることができる。   With this configuration, when the electrochemical device is operated at a constant voltage, the amount of hydrogen generated at the cathode is measured by the first flow meter that measures the amount of hydrogen discharged from the cathode, and the amount of hydrogen is smaller than the threshold. Since the hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization rate exceeds 100% is performed when the fuel gas decreases, the poisoning substances adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer can be oxidized and removed by the hydrogen gas deficient operation. Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer is recovered, and the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device can be recovered.

第5の発明は、電解質膜と電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、アノードから排出される水素含有オフガスの流量を計測するための第2流量計と、制御器と、を備える水素生成システムであって、制御器は、電流によりカソードで生成される水素量をアノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、アノードとカソードとの間の電圧が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、第2流量計で計測した水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加した場合に、燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも電源の電流値を大きくすること又はガス供給手段から供給する水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴としたものである。   In a fifth aspect, an electrolyte membrane-electrode assembly is constituted by an electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode contains hydrogen. A gas is supplied, and an electric current in a predetermined direction is caused to flow between the anode and the cathode, so that an electrochemical device that generates hydrogen at the cathode, a gas supply unit that supplies a hydrogen-containing gas, and a gas supply unit between the anode and the cathode A hydrogen generation system comprising: a power supply for flowing a current; a second flow meter for measuring a flow rate of a hydrogen-containing off-gas discharged from an anode; and a controller, wherein the controller is configured to control a cathode at a cathode by the current. The amount of hydrogen generated is divided by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplied by 100, so that the fuel utilization is less than 100% and the water between the anode and the cathode is constant. If the flow rate of the hydrogen-containing off-gas measured by the second flow meter increases above the threshold value during operation of the generation system, at least the current value of the power supply is increased so that the fuel utilization exceeds 100%. Or reducing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means.

この構成によって、電気化学デバイスを電圧一定で運転する場合に、第2流量計でアノードから排出される水素含有オフガスの流量を計測して、その流量が閾値以上に増加したときに燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うので、その水素ガス欠乏運転によってアノード触媒層の触媒に吸着していた被毒物質を酸化除去することができる。よって、アノード触媒層の触媒の活性部位が回復し、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させることができる。   With this configuration, when the electrochemical device is operated at a constant voltage, the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode is measured by the second flow meter, and when the flow rate increases to a threshold or more, the fuel utilization rate increases. Since the hydrogen gas deficient operation exceeding 100% is performed, the poisoning substance adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer can be oxidized and removed by the hydrogen gas deficient operation. Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer is recovered, and the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device can be recovered.

第6の発明は、電解質膜と電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備える水素生成システムの運転方法であって、電流によりカソードで生成される水素量をアノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、電源による電流の電流値が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、電源に投入する電気エネルギーに対してカソードから得られる水素エネルギーの割合を示す水素純化効率が閾値以下に低下した場合とアノードとカソードとの間の電圧が閾値以上に上昇した場合のどちらかの場合、もしくは、燃料利用率が100%未満で、アノードとカソードとの間の電圧が一定となるように、水素生成システムを運転しているときに、電源の電流値が閾値以下に小さくなった場合とカソードから排出される水素の流量が閾値以下に減少した場合とアノードから排出される水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加した場合のいずれかの場合に、燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも、電源の電流値を大きくすること又はガス供給手段から供給する水素含有ガスの流量を少なくすることのいず
れか一つを行うことを特徴とした運転方法である。
In a sixth aspect, an electrolyte membrane-electrode assembly is constituted by an electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane, and the anode contains hydrogen. An electrochemical device that generates hydrogen at the cathode by supplying a gas and flowing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode, a gas supply unit that supplies a hydrogen-containing gas, and an anode and a cathode of the electrochemical device. And a power supply for causing a current to flow between the hydrogen supply system and the power supply, wherein the ratio is obtained by dividing the amount of hydrogen generated at the cathode by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplying by 100. When the hydrogen generation system is operated, the electric energy supplied to the power source is controlled so that the fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power source is constant. Either the case where the hydrogen purification efficiency indicating the ratio of the hydrogen energy obtained from the battery drops below the threshold value or the case where the voltage between the anode and the cathode rises above the threshold value, or the fuel utilization rate becomes 100%. %, The voltage between the anode and the cathode is constant, so that when the current value of the power supply decreases below the threshold value and when the hydrogen discharged from the cathode is At least when the flow rate decreases below the threshold value or when the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode increases above the threshold value, at least the current value of the power supply so that the fuel utilization exceeds 100%. Or increasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means.

この運転方法によって、一酸化炭素等の不純物によってアノード触媒層の触媒が被毒して、水素純化効率が閾値以下に低下する等の現象が起こった際に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うので、その水素ガス欠乏運転によって(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応が起こると同時にアノード触媒層の触媒に吸着していた被毒物質が酸化除去されるので、アノード触媒層の触媒の活性部位が回復する。よって、電気化学デバイスの水素純化効率の低下分を回復させる運転方法とすることができる。   According to this operation method, when the catalyst of the anode catalyst layer is poisoned by impurities such as carbon monoxide, and a phenomenon such as a reduction in hydrogen purification efficiency lowers below a threshold occurs, the fuel utilization rate exceeds 100%. Since the gas deficient operation is performed, the electrochemical reaction shown in (Chem. 3), (Chem. 4) and (Chem. 5) occurs by the hydrogen deficient operation, and at the same time, the poisoning substance adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer is removed. Since it is oxidized and removed, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer is restored. Therefore, it is possible to provide an operation method for recovering a decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における水素生成システムの概略図を示すものである。また、図2は、本発明の実施の形態1の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing a flow of processing executed by the controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、実施の形態1における水素生成システム20は、電気化学デバイス10と、電源13と、制御器15と、ガス供給手段16と、測定器17とで構成される。   As shown in FIG. 1, the hydrogen generation system 20 according to the first embodiment includes an electrochemical device 10, a power supply 13, a controller 15, a gas supply unit 16, and a measuring device 17.

電気化学デバイス10は、電解質膜4がアノード5Aとカソード5Cとで挟まれた電解質膜−電極接合体9を、アノードセパレータ1Aとカソードセパレータ1Cとによって挟持した構成になっている。   The electrochemical device 10 has a configuration in which an electrolyte membrane-electrode assembly 9 in which an electrolyte membrane 4 is sandwiched between an anode 5A and a cathode 5C is sandwiched between an anode separator 1A and a cathode separator 1C.

アノード5Aはアノード触媒層3Aとアノードガス拡散層2Aとで構成され、カソード5Cはカソード触媒層3Cとカソードガス拡散層2Cとで構成される。電解質膜4はアノード5Aとカソード5Cとの間に配置されている。   The anode 5A includes an anode catalyst layer 3A and an anode gas diffusion layer 2A, and the cathode 5C includes a cathode catalyst layer 3C and a cathode gas diffusion layer 2C. The electrolyte membrane 4 is disposed between the anode 5A and the cathode 5C.

電解質膜−電極接合体9は、電解質膜4の一方の主面に、アノード触媒層3Aとアノードガス拡散層2Aとが積層され、電解質膜4の他方の主面に、カソード触媒層3Cとカソードガス拡散層2Cとが積層された構成である。   The electrolyte membrane-electrode assembly 9 has an anode catalyst layer 3A and an anode gas diffusion layer 2A laminated on one main surface of the electrolyte membrane 4, and a cathode catalyst layer 3C and a cathode catalyst on the other main surface of the electrolyte membrane 4. The gas diffusion layer 2C and the gas diffusion layer 2C are stacked.

アノード触媒層3Aは電解質膜4の一方の主面に配置される。カソード触媒層3Cは電解質膜4の他方の主面に配置される。アノードガス拡散層2Aはアノード触媒層3Aにおける電解質膜4と対向しない面に配置される。カソードガス拡散層2Cはカソード触媒層3Cにおける電解質膜4と対向しない面に配置される。   The anode catalyst layer 3A is disposed on one main surface of the electrolyte membrane 4. Cathode catalyst layer 3C is arranged on the other main surface of electrolyte membrane 4. The anode gas diffusion layer 2A is arranged on a surface of the anode catalyst layer 3A that does not face the electrolyte membrane 4. The cathode gas diffusion layer 2C is disposed on a surface of the cathode catalyst layer 3C that does not face the electrolyte membrane 4.

ここで電解質膜4には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。アノード触媒層3Aとカソード触媒層3Cには、白金を担持したカーボン粒子を塗布形成したものを用いる。また、アノードガス拡散層2Aとカソードガス拡散層2Cには、カーボン製フェルトを用いる。   Here, a polymer electrolyte membrane of a perfluorocarbon sulfonic acid group having a sulfonic acid group is used as the electrolyte membrane 4. As the anode catalyst layer 3A and the cathode catalyst layer 3C, those formed by coating and forming carbon particles carrying platinum are used. Further, carbon felt is used for the anode gas diffusion layer 2A and the cathode gas diffusion layer 2C.

アノードセパレータ1Aとカソードセパレータ1Cは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。   The anode separator 1A and the cathode separator 1C are made of compressed carbon which is a conductive member having no gas permeability.

アノードセパレータ1Aには、アノード側入口11Aと、アノード側出口12Aと、アノードガス流路14Aと、が設けられている。   The anode separator 1A is provided with an anode-side inlet 11A, an anode-side outlet 12A, and an anode gas flow path 14A.

アノードガス流路14Aは、アノードセパレータ1Aにおけるアノードガス拡散層2A(アノード5A)と当接する面に溝状に形成され上流端がアノード側入口11Aと連通し
下流端がアノード側出口12Aと連通している。
The anode gas flow path 14A is formed in a groove shape on the surface of the anode separator 1A that contacts the anode gas diffusion layer 2A (anode 5A), and the upstream end communicates with the anode inlet 11A and the downstream end communicates with the anode outlet 12A. ing.

アノード側入口11Aは、アノードガス流路14Aを介して水素含有ガスをアノード5Aに供給するための水素含有ガス供給用通路である。アノード側出口12Aは、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)をアノード5A(アノードガス流路14A)から排出するための水素含有ガス排出用通路である。   The anode-side inlet 11A is a hydrogen-containing gas supply passage for supplying a hydrogen-containing gas to the anode 5A via the anode gas flow path 14A. The anode-side outlet 12A discharges the hydrogen-containing gas remaining on the anode 5A without passing through the cathode 5C (the hydrogen-containing gas not used for hydrogen generation at the cathode 5C) from the anode 5A (anode gas flow path 14A). For discharging hydrogen-containing gas.

カソードセパレータ1Cには、カソード側出口12Cと、カソードガス流路14Cと、が設けられている。   The cathode separator 1C is provided with a cathode-side outlet 12C and a cathode gas flow path 14C.

カソードガス流路14Cは、カソードセパレータ1Cにおけるカソードガス拡散層2C(カソード5C)と当接する面に溝状に形成され下流端がカソード側出口12Cと連通している。   The cathode gas flow path 14C is formed in a groove shape on a surface of the cathode separator 1C that contacts the cathode gas diffusion layer 2C (cathode 5C), and has a downstream end communicating with the cathode-side outlet 12C.

カソード側出口12Cは、カソード5Cに透過した水素含有ガス(水素イオンと電子がカソード5Cで結びついて生成された水素ガス)をカソード5C(カソードガス流路14C)から排出するための水素ガス排出用通路である。   The cathode-side outlet 12C is used for discharging a hydrogen-containing gas (hydrogen gas generated by combining hydrogen ions and electrons at the cathode 5C) permeated to the cathode 5C from the cathode 5C (cathode gas passage 14C). It is a passage.

電源13は、アノード5Aとカソード5Cとの間に所定方向の電流を流す直流電源である。ここで、所定方向の電流とは、電気化学デバイス10のアノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流である。電源13のプラス極端子はアノードセパレータ1Aに接続され、電源13のマイナス極端子はカソードセパレータ1Cに接続される。   The power supply 13 is a DC power supply that allows a current in a predetermined direction to flow between the anode 5A and the cathode 5C. Here, the current in the predetermined direction is a current flowing from the anode 5A of the electrochemical device 10 to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4. The positive terminal of the power supply 13 is connected to the anode separator 1A, and the negative terminal of the power supply 13 is connected to the cathode separator 1C.

そして、電源13は、アノードセパレータ1Aとカソードセパレータ1Cとの間に、アノードセパレータ1Aから、アノード5A、電解質膜4、カソード5Cを、この順に通って、カソードセパレータ1Cに流れる電流を流す。   Then, the power supply 13 causes a current to flow through the anode separator 1A, the electrolyte membrane 4, and the cathode 5C from the anode separator 1A to the cathode separator 1C in this order between the anode separator 1A and the cathode separator 1C.

ガス供給手段16は、アノード側入口11Aから電気化学デバイス10に加湿された水素含有ガスを供給する。ガス供給手段16は、都市ガスから改質反応を利用して水素含有ガスを生成し、供給する燃料改質器で構成されている。   The gas supply means 16 supplies the humidified hydrogen-containing gas to the electrochemical device 10 from the anode-side inlet 11A. The gas supply unit 16 is configured by a fuel reformer that generates and supplies a hydrogen-containing gas from a city gas using a reforming reaction.

測定器17は、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値を計測する。   The measuring device 17 measures a voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10.

制御器15は、電源13とガス供給手段16と測定器17に接続され、測定器17からアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値を入手し、ガス供給手段16から電気化学デバイス10に供給する水素含有ガスの供給量と、電源13から電気化学デバイス10に流す電流値とを制御する。   The controller 15 is connected to the power supply 13, the gas supply unit 16, and the measuring device 17, obtains a voltage value between the anode 5 </ b> A and the cathode 5 </ b> C from the measuring device 17, and supplies the voltage value to the electrochemical device 10 from the gas supplying unit 16. The supply amount of the hydrogen-containing gas to be supplied and the current value flowing from the power supply 13 to the electrochemical device 10 are controlled.

なお、ガス供給手段16は、制御器15から指示された水素含有ガス供給量の水素含有ガスを電気化学デバイス10に供給可能に構成され、電源13は、制御器15から指示された電流値の電流を、電気化学デバイス10のアノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流すことが可能に構成されている。   The gas supply unit 16 is configured to be able to supply the hydrogen-containing gas at the supply amount of the hydrogen-containing gas specified by the controller 15 to the electrochemical device 10, and the power supply 13 controls the current value of the current value specified by the controller 15. It is configured such that a current can flow from the anode 5A of the electrochemical device 10 to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4.

電気化学デバイス10には、その温度を調整するための温度調整器(図示しない)が設置されており、温度調整器は設定された温度を一定に保つための熱交換器やラバーヒータを用いる。   The electrochemical device 10 is provided with a temperature controller (not shown) for adjusting the temperature, and the temperature controller uses a heat exchanger or a rubber heater for keeping the set temperature constant.

以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム20について、動作、作用を図1、図2を参照しながら説明する。   The operation and operation of the hydrogen generation system 20 according to the present embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS.

まず、S1において、ガス供給手段16から、電気化学デバイス10のアノード側入口11Aを介して、アノード5Aに、水素含有ガスを供給する。   First, in S1, a hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 16 to the anode 5A via the anode-side inlet 11A of the electrochemical device 10.

ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、ガス温度が85℃で、相対湿度が90%に加湿されている。また、ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.002%で、二酸化炭素の含有比率が20%で、水素の含有比率が79.998%である。   The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a gas temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 90%. The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a content ratio of carbon monoxide of 0.002%, a content ratio of carbon dioxide of 20%, and a content ratio of hydrogen of 79.998%.

次に、S2において、電源13により、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90Aの電流値で流し、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。   Next, in S2, a current in the direction of flowing from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 to the cathode 5C with a current value of 90A is supplied between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 by the power source 13, The supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 to the electrochemical device 10 is adjusted so that the utilization rate becomes 90%.

S2では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後も、90Aの電流値は維持されるように電流一定で水素生成運転する。   In S2, even after the supply rate of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization rate becomes 90%, the hydrogen generation operation is performed at a constant current so that the current value of 90A is maintained.

アノード5Aに水素含有ガスが供給されている状態で、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流を流すことにより、アノード5Aでは、水素含有ガスに含まれる水素が水素イオンと電子に解離し、その水素イオンが電解質膜4を透過してカソード5Cに移動し、電子が電源13を介してカソード5Cに移動し、カソード5Cにおいて、水素イオンと電子が結びついて水素ガスを生成する。   By supplying a current from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 while the hydrogen-containing gas is being supplied to the anode 5A, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode 5A. Then, the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 4 and move to the cathode 5C, and the electrons move to the cathode 5C via the power supply 13, where the hydrogen ions and the electrons combine to generate hydrogen gas.

アノード5Aに供給された水素含有ガスのうちで、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)は、水素含有オフガスとなって、アノード側出口12Aから排出される。   Of the hydrogen-containing gas supplied to the anode 5A, the hydrogen-containing gas remaining on the anode 5A without permeating the cathode 5C (the hydrogen-containing gas not used for hydrogen generation at the cathode 5C) is a hydrogen-containing off-gas. And discharged from the anode side outlet 12A.

電解質膜4は、特に、高分子で構成された電解質膜4は、わずかではあるが、一酸化炭素や二酸化炭素が透過するため、カソード側出口12Cからは、一酸化炭素や二酸化炭素が微量含まれた、例えば水素純度が99.97%の水素含有ガスが排出される。   The electrolyte membrane 4 is made of a polymer. In particular, although the electrolyte membrane 4 is composed of a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide, it permeates a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide from the cathode outlet 12C. For example, a hydrogen-containing gas having a hydrogen purity of 99.97% is discharged.

S3において、制御器15は、カソード5Cにおいて生成された水素ガス流量、電源13に指示した電流値及び測定器17により計測した電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値より水素純化効率を算出する。   In S3, the controller 15 determines the hydrogen gas flow rate based on the flow rate of the hydrogen gas generated at the cathode 5C, the current value instructed by the power supply 13, and the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17. Calculate the purification efficiency.

水素純化効率は、電源13に投入する電気エネルギーに対するカソード5Cから得られる水素のエネルギーの割合で表すものとする。   The hydrogen purification efficiency is represented by the ratio of the energy of hydrogen obtained from the cathode 5C to the electric energy supplied to the power supply 13.

カソード5Cにおいて生成される水素ガス流量(NL/s)は、電流値(A)と、カソード5Cからアノード5Aへ電解質膜4を透過して戻る戻り水素ガス流量と、を用いて下記の(数1)で表すことができる。   The flow rate (NL / s) of the hydrogen gas generated at the cathode 5C is calculated using the current value (A) and the flow rate of the returning hydrogen gas that passes through the electrolyte membrane 4 from the cathode 5C to the anode 5A and returns as follows. It can be represented by 1).

Figure 2020056087
ここで、戻り水素ガス流量は、電解質膜4の種類、厚み、含水率及びアノード5Aとカ
ソード5Cの水素ガスの分圧に依存する。本実施の形態においては、戻り水素ガス流量は0.0035(NL/s)であり、電流値は90(A)であるので、水素ガス流量は0.1114NL/sとなる。
Figure 2020056087
Here, the flow rate of the returned hydrogen gas depends on the type, thickness, and water content of the electrolyte membrane 4 and the partial pressure of the hydrogen gas at the anode 5A and the cathode 5C. In the present embodiment, since the return hydrogen gas flow rate is 0.0035 (NL / s) and the current value is 90 (A), the hydrogen gas flow rate is 0.1114 NL / s.

従って、カソード5Cから得られる水素エネルギーは、水素ガス流量(NL/s)、22.4及び水素の高位発熱量285800(kJ/mol)を用いて下記の(数2)で表すことができる。   Accordingly, the hydrogen energy obtained from the cathode 5C can be expressed by the following (Equation 2) using the hydrogen gas flow rate (NL / s), 22.4, and the higher calorific value of hydrogen 285800 (kJ / mol).

Figure 2020056087
また、電源13に投入する電気エネルギーは、電流値(A)と電圧(V)から計算できる。したがって、水素純化効率は、下記の(数3)で計算することができる。
Figure 2020056087
The electric energy to be supplied to the power supply 13 can be calculated from the current value (A) and the voltage (V). Therefore, the hydrogen purification efficiency can be calculated by the following (Equation 3).

Figure 2020056087
S4において、水素純化効率が18以下に低下したかどうかを判定する。そして、水素純化効率が18以下に低下した場合はS5に移行し、S5において、電流一定で運転することを取りやめ、燃料利用率が110%となるように電流値を110Aに大きくして、水素ガス欠乏運転を行い、S6に進む。S4において、水素純化効率が18よりも高い場合は、再びS3に戻る。
Figure 2020056087
In S4, it is determined whether the hydrogen purification efficiency has decreased to 18 or less. When the hydrogen purification efficiency drops to 18 or less, the process proceeds to S5, in which the operation at a constant current is stopped, and the current value is increased to 110A so that the fuel utilization rate becomes 110%, and the hydrogen value is increased. A gas-deficient operation is performed, and the process proceeds to S6. In step S4, if the hydrogen purification efficiency is higher than 18, the process returns to step S3.

S6において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したかどうかを判定する。   In S6, it is determined whether or not the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 has dropped to −0.8 V or less.

そして、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に下がったら、S2に戻り、S2において、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流の電流値を90Aにし、燃料利用率が90%となるようにガス供給手段16で供給する水素含有ガスの供給量を調整する。   Then, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 falls below −0.8 V, the process returns to S2, and in S2, the electrolyte membrane 4 is removed from the anode 5A. The current value of the current flowing in the direction to the cathode 5C via the cathode is set to 90A, and the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization becomes 90%.

S2では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後も、90Aの電流値は維持されるように電流一定で運転する。   In S2, even after adjusting the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 so that the fuel utilization becomes 90%, the operation is performed at a constant current so that the current value of 90A is maintained.

S6において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8Vよりも高い場合は、再びS6に戻る。   In S6, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is higher than −0.8 V, the process returns to S6.

以上のように、本実施の形態の水素生成システム20は、電解質膜4と電解質膜4の一方の主面に配置されるアノード5Aと電解質膜4の他方の主面に配置されるカソード5Cとで電解質膜−電極接合体9を構成し、アノード5Aに水素含有ガスを供給し、アノード5Aとカソード5Cとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード5Cにおいて水素を生成する電気化学デバイス10と、水素含有ガスを供給するガス供給手段16と、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に電流を流すための電源13と、制御器15と、を備え、制御器15は、電流によりカソード5Cで生成される水素量をアノード5Aに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満
(90%)で、電源13による電流の電流値が(90Aで)一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、電源13に投入する電気エネルギーに対してカソード5Cから得られる水素エネルギーの割合を示す水素純化効率が閾値(18)以下に低下した場合に、電流一定運転を取り止めて、燃料利用率が110%となるように、電源13の電流値を110Aに大きくすることを特徴としたものである。
As described above, the hydrogen generation system 20 of the present embodiment includes the electrolyte membrane 4, the anode 5 </ b> A disposed on one main surface of the electrolyte membrane 4, and the cathode 5 </ b> C disposed on the other main surface of the electrolyte membrane 4. To form an electrolyte membrane-electrode assembly 9, supplying a hydrogen-containing gas to the anode 5A and flowing a current in a predetermined direction between the anode 5A and the cathode 5C, thereby generating hydrogen at the cathode 5C. 10, a gas supply means 16 for supplying a hydrogen-containing gas, a power supply 13 for flowing a current between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10, and a controller 15. The fuel utilization rate, which is a ratio obtained by dividing the amount of hydrogen generated at the cathode 5C by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode 5A and multiplying by 100, is less than 100% (90%). Hydrogen purification indicating the ratio of the hydrogen energy obtained from the cathode 5C to the electric energy supplied to the power supply 13 when the hydrogen generation system 20 is operating so that the current value of the flow is constant (at 90 A). When the efficiency drops below the threshold (18), the constant current operation is stopped, and the current value of the power supply 13 is increased to 110 A so that the fuel utilization becomes 110%.

これにより、水素純化効率が閾値(18)以下に低下した場合に燃料利用率が110%の水素ガス欠乏運転を行うと(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応が起こると同時に、アノード触媒層3Aの触媒に吸着していた一酸化炭素(被毒物質)が下記の(化6)に示す電気化学反応によって酸化除去される。(化6)において、Pt−COadは、触媒であるPtに一酸化炭素が吸着した状態を示している。   Thereby, when the hydrogen purifying efficiency is reduced to the threshold (18) or less and the hydrogen gas deficient operation with the fuel utilization of 110% is performed, the electrochemical reactions shown in (Chem. 3), (Chem. 4) and (Chem. 5) At the same time, carbon monoxide (poisoning substance) adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer 3A is oxidized and removed by an electrochemical reaction shown in the following (Chem. 6). In Chemical Formula 6, Pt-COad indicates a state in which carbon monoxide is adsorbed on Pt as a catalyst.

Figure 2020056087
(化6)に示す電気化学反応により、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位に吸着した一酸化炭素が酸化除去して取り除かれ、一酸化炭素の吸着により減少したアノード触媒層3Aの触媒の活性部位が回復する。
Figure 2020056087
The carbon monoxide adsorbed on the active site of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is oxidized and removed by the electrochemical reaction shown in Chemical formula 6, and the activity of the catalyst of the anode catalyst layer 3A reduced by the adsorption of carbon monoxide is reduced. The part recovers.

これによって、電気化学デバイス10の水素純化効率の低下分を回復させることができる。この水素ガス欠乏運転を、水素純化効率が閾値以下に低下したタイミングで行うことにより、水素生成システム20の水素純化効率を常に高い状態で運転することができる。   This makes it possible to recover the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device 10. By performing this hydrogen gas deficient operation at the timing when the hydrogen purification efficiency has dropped below the threshold value, it is possible to operate the hydrogen generation system 20 with the hydrogen purification efficiency always high.

なお、アノード触媒層3Aの触媒を被毒する被毒物質については、一酸化炭素に限らず、他の物質でも酸化して除去できる被毒物質であれば、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位を回復させることができる。   The poisoning substance that poisons the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to carbon monoxide, and any poisoning substance that can be oxidized and removed by other substances can be used as the active site of the catalyst of the anode catalyst layer 3A. Can be recovered.

なお、燃料利用率を上げる判断をするための水素純化効率の閾値は、本実施の形態で採用した18に限らず、使用する電気化学デバイスや運転条件に合わせて、初期状態から許容できる性能低下状態に合わせて、設定することができる。   In addition, the threshold value of the hydrogen purification efficiency for making the determination to increase the fuel utilization rate is not limited to 18 employed in the present embodiment, but may be reduced from the initial state according to the electrochemical device used and the operating conditions. It can be set according to the state.

なお、アノード触媒層3Aの触媒の水素ガス欠乏運転で用いる燃料利用率は、本実施の形態で採用した110%に限らず、100%を超える燃料利用率であればよい。酸化還元電位が高い物質が吸着している場合は、燃料利用率を大きく設定、もしくは水素ガス欠乏運転の時間を長くすることにより、除去することができる。   Note that the fuel utilization rate used in the hydrogen gas deficient operation of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to 110% used in the present embodiment, but may be any fuel utilization rate exceeding 100%. When a substance having a high oxidation-reduction potential is adsorbed, it can be removed by setting a large fuel utilization rate or lengthening the operation time of the hydrogen gas deficient operation.

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における水素生成システムの概略図は、図1に示す実施の形態1における水素生成システム20の概略図と同じである。図3は、本発明の実施の形態2における水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 2)
The schematic diagram of the hydrogen generation system in the second embodiment of the present invention is the same as the schematic diagram of hydrogen generation system 20 in the first embodiment shown in FIG. FIG. 3 is a flowchart showing a flow of processing executed by the controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 2 of the present invention.

実施の形態2の水素生成システム20において、実施の形態1と同一構成については同一符号を付し、その説明を省略する。実施の形態2が実施の形態1と異なる点は、制御器15の制御動作(水素ガス欠乏運転に移行する条件)である。   In the hydrogen generation system 20 of the second embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The second embodiment is different from the first embodiment in the control operation of the controller 15 (the condition for shifting to the hydrogen gas deficient operation).

実施の形態1の水素生成システム20は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、電源13による電流の電流値が一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、水素純化効率が閾値以下に低下した場合に、燃料利用率が100
%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としていた。
The hydrogen generation system 20 according to the first embodiment operates under the control of the controller 15 so that the fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power supply 13 is constant. Sometimes, when the hydrogen purification efficiency drops below the threshold, the fuel utilization rate becomes 100
% Of hydrogen gas deficient operation.

これに対して、実施の形態2の水素生成システム20は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、電源13による電流の電流値が一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、測定器17により計測したアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が閾値以上に上昇した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としている。   On the other hand, the hydrogen generation system 20 according to the second embodiment is controlled by the controller 15 so that the fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power supply 13 is constant. When the voltage between the anode 5A and the cathode 5C measured by the measuring device 17 rises above the threshold value during the operation of the fuel cell, a hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed. And

以下、実施の形態2における水素生成システム20について、動作、作用を図1及び図3を参照しながら説明する。   Hereinafter, the operation and operation of the hydrogen generation system 20 according to Embodiment 2 will be described with reference to FIGS. 1 and 3.

まず、S11において、ガス供給手段16から、電気化学デバイス10のアノード側入口11Aを介して、アノード5Aに、水素含有ガスを供給する。   First, in S11, a hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 16 to the anode 5A via the anode-side inlet 11A of the electrochemical device 10.

ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、ガス温度が85℃で、相対湿度が90%に加湿されている。また、ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.002%で、二酸化炭素の含有比率が20%で、水素の含有比率が79.998%である。   The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a gas temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 90%. The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a content ratio of carbon monoxide of 0.002%, a content ratio of carbon dioxide of 20%, and a content ratio of hydrogen of 79.998%.

次に、S12において、電源13により、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90Aの電流値で流し、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。   Next, in S12, a current in a direction of flowing from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 to the cathode 5C at a current value of 90A is supplied between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 by the power source 13, The supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 to the electrochemical device 10 is adjusted so that the utilization rate becomes 90%.

S12では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後も、90Aの電流値は維持されるように電流一定で水素生成運転する。   In S12, even after the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization rate becomes 90%, the hydrogen generation operation is performed at a constant current so that the current value of 90A is maintained.

アノード5Aに水素含有ガスが供給されている状態で、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流を流すことにより、アノード5Aでは、水素含有ガスに含まれる水素が水素イオンと電子に解離し、その水素イオンが電解質膜4を透過してカソード5Cに移動し、電子が電源13を介してカソード5Cに移動し、カソード5Cにおいて、水素イオンと電子が結びついて水素ガスを生成する。   By supplying a current from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 while the hydrogen-containing gas is being supplied to the anode 5A, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode 5A. Then, the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 4 and move to the cathode 5C, and the electrons move to the cathode 5C via the power supply 13, where the hydrogen ions and the electrons combine to generate hydrogen gas.

アノード5Aに供給された水素含有ガスのうちで、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)は、水素含有オフガスとなって、アノード側出口12Aから排出される。   Of the hydrogen-containing gas supplied to the anode 5A, the hydrogen-containing gas remaining on the anode 5A without permeating the cathode 5C (the hydrogen-containing gas not used for hydrogen generation at the cathode 5C) is a hydrogen-containing off-gas. And discharged from the anode side outlet 12A.

電解質膜4は、特に、高分子で構成された電解質膜4は、わずかではあるが、一酸化炭素や二酸化炭素が透過するため、カソード側出口12Cからは、一酸化炭素や二酸化炭素が微量含まれた、例えば水素純度が99.97%の水素含有ガスが排出される。   The electrolyte membrane 4 is made of a polymer. In particular, although the electrolyte membrane 4 is composed of a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide, it permeates a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide from the cathode outlet 12C. For example, a hydrogen-containing gas having a hydrogen purity of 99.97% is discharged.

S13において、測定器17で計測される電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、閾値の30mV以上に上昇したかどうかを判定する。   In S13, it is determined whether or not the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 has risen to a threshold value of 30 mV or more.

そして、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が30mV以上に上昇した場合は、S14に移行し、S14において、燃料利用率が110%となるようにガス供給手段16で供給する水素含有ガスの供給量を下げて、水素ガス欠乏運転を行い、S15に進む。   When the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 rises to 30 mV or more, the process proceeds to S14, and the fuel utilization rate becomes 110% in S14. As described above, the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 is reduced, the hydrogen gas deficient operation is performed, and the process proceeds to S15.

S13において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソ
ード5Cとの間の電圧値が30mVよりも低い場合は、再びS13に戻る。
In S13, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is lower than 30 mV, the process returns to S13 again.

次にS15において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したら、再びS12へ移行し、S12において、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流の電流値を90Aにし、燃料利用率が90%となるようにガス供給手段16で供給する水素含有ガスの供給量を調整する。   Next, in S15, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 drops to −0.8 V or less, the process returns to S12, and in S12, the anode 5A The current value of the current flowing in the direction from the flow through the electrolyte membrane 4 to the cathode 5C is set to 90 A, and the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization becomes 90%.

S12では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後も、90Aの電流値は維持されるように電流一定で運転する。   In S12, even after the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization becomes 90%, the operation is performed at a constant current so that the current value of 90A is maintained.

S15において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8Vよりも高い場合は、再びS15に戻る。   In S15, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is higher than −0.8 V, the process returns to S15.

以上のように、本実施の形態の水素生成システム20は、電解質膜4と電解質膜4の一方の主面に配置されるアノード5Aと電解質膜4の他方の主面に配置されるカソード5Cとで電解質膜−電極接合体9を構成し、アノード5Aに水素含有ガスを供給し、アノード5Aとカソード5Cとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード5Cにおいて水素を生成する電気化学デバイス10と、水素含有ガスを供給するガス供給手段16と、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に電流を流すための電源13と、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値を計測する測定器17と、制御器15と、を備え、制御器15は、電流によりカソード5Cで生成される水素量をアノード5Aに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満(90%)で、電源13による電流の電流値が(90Aで)一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、測定器17で計測した電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が閾値(30mV)以上に上昇した場合に、電流一定運転を取り止めて、燃料利用率が110%となるようにガス供給手段16からアノード5Aに供給する水素含有ガスの供給量を少なくすることを特徴としたものである。   As described above, the hydrogen generation system 20 of the present embodiment includes the electrolyte membrane 4, the anode 5 </ b> A disposed on one main surface of the electrolyte membrane 4, and the cathode 5 </ b> C disposed on the other main surface of the electrolyte membrane 4. To form an electrolyte membrane-electrode assembly 9, supplying a hydrogen-containing gas to the anode 5A and flowing a current in a predetermined direction between the anode 5A and the cathode 5C, thereby generating hydrogen at the cathode 5C. 10, a gas supply means 16 for supplying a hydrogen-containing gas, a power supply 13 for flowing a current between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10, and a voltage value between the anode 5A and the cathode 5C. The measuring device 17 includes a measuring device 17 and a controller 15. The controller 15 divides the amount of hydrogen generated at the cathode 5C by the electric current by the amount of hydrogen supplied to the anode 5A and multiplies by 100. When the hydrogen generation system 20 is operated so that the fuel utilization indicating the ratio is less than 100% (90%) and the current value of the current from the power supply 13 is constant (at 90 A), When the measured voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 rises to a threshold value (30 mV) or more, the constant current operation is stopped and the gas supply means is set so that the fuel utilization becomes 110%. It is characterized in that the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied from 16 to the anode 5A is reduced.

これにより、測定器17で計測した電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が閾値以上に上昇した場合に燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うと、(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応が起こると同時に、アノード触媒層3Aの触媒に吸着していた一酸化炭素(被毒物質)が(化6)に示す電気化学反応によって酸化除去される。   With this, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 rises above the threshold value, when the hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed, At the same time as the electrochemical reactions shown in Chemical Formulas 3), 4) and 5) occur, the carbon monoxide (poisoning substance) adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer 3A is converted into the electric chemical shown in Chemical Formula 6 It is oxidized and removed by a chemical reaction.

よって、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位が回復し、電気化学デバイス10の水素純化効率の低下分を回復させることができる。   Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer 3A is recovered, and the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device 10 can be recovered.

この水素ガス欠乏運転を、測定器17で計測した電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が閾値以上に上昇したタイミングで行うことにより、水素生成システム20の水素純化効率を常に高い状態で運転することができる。   This hydrogen gas deficient operation is performed at the timing when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 rises above the threshold value, thereby improving the hydrogen purification efficiency of the hydrogen generation system 20. You can always drive in a high state.

なお、アノード触媒層3Aの触媒を被毒する被毒物質については一酸化炭素に限らず、他の物質でも酸化して除去できる被毒物質であれば、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位を回復させることができる。   The poisoning substance that poisons the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to carbon monoxide. If the poisoning substance can be oxidized and removed by other substances, the active site of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is reduced. Can be recovered.

なお、燃料利用率を上げる判断をするためのアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値(閾値)は、本実施の形態で採用した30mVに限らず、使用する電気化学デバイスや運転条件に合わせて、初期状態から許容できる性能低下状態に合わせて、設定することができる。   Note that the voltage value (threshold) between the anode 5A and the cathode 5C for making a decision to increase the fuel utilization rate is not limited to 30 mV employed in the present embodiment, but may be adjusted according to the electrochemical device used and operating conditions. Thus, it can be set in accordance with an acceptable performance degradation state from the initial state.

なお、アノード触媒層3Aの触媒の水素ガス欠乏運転で用いる燃料利用率は、本実施の形態で採用した110%に限らず、100%を超える燃料利用率であればよい。酸化還元電位が高い物質が吸着している場合は、燃料利用率を大きく設定、もしくは水素ガス欠乏運転の時間を長くすることにより、除去することができる。   Note that the fuel utilization rate used in the hydrogen gas deficient operation of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to 110% used in the present embodiment, but may be any fuel utilization rate exceeding 100%. When a substance having a high oxidation-reduction potential is adsorbed, it can be removed by setting a large fuel utilization rate or lengthening the operation time of the hydrogen gas deficient operation.

(実施の形態3)
本発明の実施の形態3における水素生成システムの概略図は、図1に示す実施の形態1における水素生成システム20の概略図と同じである。図4は、本発明の実施の形態3における水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 3)
The schematic diagram of the hydrogen generation system in the third embodiment of the present invention is the same as the schematic diagram of hydrogen generation system 20 in the first embodiment shown in FIG. FIG. 4 is a flowchart showing a flow of processing executed by the controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 3 of the present invention.

実施の形態3の水素生成システム20において、実施の形態1と同一構成については同一符号を付し、その説明を省略する。実施の形態3が実施の形態1と異なる点は、制御器15の制御動作(水素ガス欠乏運転に移行する条件)である。   In the hydrogen generation system 20 of the third embodiment, the same components as those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. The third embodiment is different from the first embodiment in the control operation of the controller 15 (the condition for shifting to the hydrogen gas deficient operation).

実施の形態1の水素生成システム20は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、電源13による電流の電流値が一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、水素純化効率が閾値以下に低下した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としていた。   The hydrogen generation system 20 according to the first embodiment operates under the control of the controller 15 so that the fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power supply 13 is constant. Sometimes, when the hydrogen purification efficiency drops below the threshold value, a hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed.

これに対して、実施の形態3の水素生成システム20は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、電源13の電流値が閾値以下に小さくなった場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としている。   On the other hand, the hydrogen generation system 20 according to the third embodiment operates under the control of the controller 15 such that the fuel utilization is less than 100% and the voltage between the anode 5A and the cathode 5C is constant. When the generation system 20 is operating, when the current value of the power supply 13 becomes smaller than the threshold value, a hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed.

以下、実施の形態3における水素生成システム20について、動作、作用を図1及び図4を参照しながら説明する。   Hereinafter, the operation and operation of the hydrogen generation system 20 according to Embodiment 3 will be described with reference to FIGS. 1 and 4.

まず、S21において、ガス供給手段16から、電気化学デバイス10のアノード側入口11Aを介して、アノード5Aに、水素含有ガスを供給する。   First, in S21, a hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 16 to the anode 5A via the anode-side inlet 11A of the electrochemical device 10.

ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、ガス温度が85℃で、相対湿度が90%に加湿されている。また、ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.002%で、二酸化炭素の含有比率が20%で、水素の含有比率が79.998%である。   The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a gas temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 90%. The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a content ratio of carbon monoxide of 0.002%, a content ratio of carbon dioxide of 20%, and a content ratio of hydrogen of 79.998%.

次に、S22において、電源13により、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90Aの電流値で流し、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。   Next, in S22, the power source 13 causes a current of 90 A to flow between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 in a direction from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4, thereby causing the fuel to flow. The supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 to the electrochemical device 10 is adjusted so that the utilization rate becomes 90%.

S22では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後は、測定器17で計測される電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が維持されるように電圧一定で水素生成運転する。   In S22, after adjusting the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 so that the fuel utilization rate becomes 90%, the distance between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is measured. The hydrogen generation operation is performed at a constant voltage so that the above voltage value is maintained.

アノード5Aに水素含有ガスが供給されている状態で、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流を流すことにより、アノード5Aでは、水素含有ガスに含まれる水素が水素イオンと電子に解離し、その水素イオンが電解質膜4を透過してカソード5
Cに移動し、電子が電源13を介してカソード5Cに移動し、カソード5Cにおいて、水素イオンと電子が結びついて水素ガスを生成する。
By supplying a current from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 while the hydrogen-containing gas is being supplied to the anode 5A, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode 5A. The hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 4 and pass through the cathode 5
C, the electrons move to the cathode 5C via the power source 13, and at the cathode 5C, hydrogen ions and electrons are combined to generate hydrogen gas.

アノード5Aに供給された水素含有ガスのうちで、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)は、水素含有オフガスとなって、アノード側出口12Aから排出される。   Of the hydrogen-containing gas supplied to the anode 5A, the hydrogen-containing gas remaining on the anode 5A without permeating the cathode 5C (the hydrogen-containing gas not used for hydrogen generation at the cathode 5C) is a hydrogen-containing off-gas. And discharged from the anode side outlet 12A.

電解質膜4は、特に、高分子で構成された電解質膜4は、わずかではあるが、一酸化炭素や二酸化炭素が透過するため、カソード側出口12Cからは、一酸化炭素や二酸化炭素が微量含まれた、例えば水素純度が99.97%の水素含有ガスが排出される。   The electrolyte membrane 4 is made of a polymer. In particular, although the electrolyte membrane 4 is composed of a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide, it permeates a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide from the cathode outlet 12C. For example, a hydrogen-containing gas having a hydrogen purity of 99.97% is discharged.

S23において、電源13の電流値が、閾値の70A以下に小さくなったかどうかを判定する。そして、電源13の電流値が、70A以下になった場合はS24に移行し、S24において、電圧一定運転を取りやめ、燃料利用率が110%となるように電源13の電流値を大きくして、水素ガス欠乏運転を行い、S25に進む。S23において、電源13の電流値が70Aよりも大きい場合は、再びS23に戻る。   In S23, it is determined whether the current value of the power supply 13 has become smaller than the threshold value of 70A or less. Then, when the current value of the power supply 13 becomes 70 A or less, the process proceeds to S24. In S24, the constant voltage operation is canceled, and the current value of the power supply 13 is increased so that the fuel utilization becomes 110%. A hydrogen gas deficient operation is performed, and the process proceeds to S25. In S23, when the current value of the power supply 13 is larger than 70A, the process returns to S23 again.

S25において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したかどうかを判定する。   In S25, it is determined whether or not the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 has dropped to −0.8 V or less.

そして、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したら、再びS22へ移行し、S22において、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流の電流値を90Aにし、燃料利用率が90%となるようにガス供給手段16で供給する水素含有ガスの供給量を調整する。   Then, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 decreases to −0.8 V or less, the process returns to S22. The current value of the current flowing in the direction to the cathode 5C via the line 4 is set to 90A, and the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization rate becomes 90%.

S22では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後は、測定器17で計測される電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が維持されるように電圧一定で水素生成運転する。   In S22, after adjusting the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 so that the fuel utilization rate becomes 90%, the distance between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is measured. The hydrogen generation operation is performed at a constant voltage so that the above voltage value is maintained.

S25において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8Vよりも高い場合は、再びS25に戻る。   In S25, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is higher than −0.8 V, the process returns to S25.

以上のように、本実施の形態の水素生成システム20は、電解質膜4と電解質膜4の一方の主面に配置されるアノード5Aと電解質膜4の他方の主面に配置されるカソード5Cとで電解質膜−電極接合体9を構成し、アノード5Aに水素含有ガスを供給し、アノード5Aとカソード5Cとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード5Cにおいて水素を生成する電気化学デバイス10と、水素含有ガスを供給するガス供給手段16と、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に電流を流すための電源13と、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値を計測する測定器17と、制御器15と、を備え、制御器15は、電流によりカソード5Cで生成される水素量をアノード5Aに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満(90%)で、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、電源13の電流値が閾値(70A)以下に小さくなった場合に、電圧一定運転を取り止めて、燃料利用率が110%となるように電源13の電流値を大きくすることを特徴としたものである。   As described above, the hydrogen generation system 20 of the present embodiment includes the electrolyte membrane 4, the anode 5 </ b> A disposed on one main surface of the electrolyte membrane 4, and the cathode 5 </ b> C disposed on the other main surface of the electrolyte membrane 4. To form an electrolyte membrane-electrode assembly 9, supplying a hydrogen-containing gas to the anode 5A and flowing a current in a predetermined direction between the anode 5A and the cathode 5C, thereby generating hydrogen at the cathode 5C. 10, a gas supply means 16 for supplying a hydrogen-containing gas, a power supply 13 for flowing a current between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10, and a voltage value between the anode 5A and the cathode 5C. The measuring device 17 includes a measuring device 17 and a controller 15. The controller 15 divides the amount of hydrogen generated at the cathode 5C by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode 5A and multiplies by 100. When the hydrogen generation system 20 is operated so that the fuel utilization indicating the ratio is less than 100% (90%) and the voltage between the anode 5A and the cathode 5C is constant, the current value of the power supply 13 Is smaller than the threshold value (70 A), the constant voltage operation is stopped, and the current value of the power supply 13 is increased so that the fuel utilization rate becomes 110%.

これにより、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように水素生成システム20を運転しているときに、電源13の電流値が閾値(70A)以下に小さくなった場合に燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うと、(化3)、(化4)
及び(化5)に示す電気化学反応が起こると同時に、アノード触媒層3Aの触媒に吸着していた一酸化炭素(被毒物質)が(化6)に示す電気化学反応によって酸化除去される。
Accordingly, when the hydrogen generation system 20 is operated so that the voltage between the anode 5A and the cathode 5C becomes constant, when the current value of the power supply 13 becomes smaller than the threshold value (70A), the fuel utilization is performed. When a hydrogen gas deficient operation with a rate exceeding 100% is performed, (Chem. 3), (Chem. 4)
At the same time as the electrochemical reaction shown in (Chem. 5) occurs, carbon monoxide (poisoning substance) adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer 3A is oxidized and removed by the electrochemical reaction shown in (Chem. 6).

よって、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位が回復し、電気化学デバイス10の水素純化効率の低下分を回復させることができる。この水素ガス欠乏運転を、電源13の電流値が閾値以下に小さくなったタイミングで行うことにより、水素生成システム20の水素純化効率を常に高い状態で運転することができる。   Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer 3A is recovered, and the decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device 10 can be recovered. By performing the hydrogen gas deficient operation at the timing when the current value of the power supply 13 becomes smaller than or equal to the threshold value, the hydrogen generation system 20 can always be operated with a high hydrogen purification efficiency.

なお、アノード触媒層3Aの触媒を被毒する被毒物質については一酸化炭素に限らず、他の物質でも酸化して除去できる被毒物質であれば、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位を回復させることができる。   The poisoning substance that poisons the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to carbon monoxide. If the poisoning substance can be oxidized and removed by other substances, the active site of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is changed. Can be recovered.

なお、燃料利用率を上げる判断をするための電流値(閾値)は、本実施の形態で採用した70Aに限らず、使用する電気化学デバイスや運転条件に合わせて、初期状態から許容できる性能低下状態に合わせて、設定することができる。   The current value (threshold value) for making a decision to increase the fuel utilization rate is not limited to 70 A adopted in the present embodiment, but may be reduced from the initial state according to the electrochemical device used and the operating conditions. It can be set according to the state.

なお、アノード触媒層3Aの触媒の水素ガス欠乏運転で用いる燃料利用率は、本実施の形態で採用した110%に限らず、100%を超える燃料利用率であればよい。酸化還元電位が高い物質が吸着している場合は、燃料利用率を大きく設定、もしくは水素ガス欠乏運転の時間を長くすることにより、除去することができる。   Note that the fuel utilization rate used in the hydrogen gas deficient operation of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to 110% used in the present embodiment, but may be any fuel utilization rate exceeding 100%. When a substance having a high oxidation-reduction potential is adsorbed, it can be removed by setting a large fuel utilization rate or lengthening the operation time of the hydrogen gas deficient operation.

(実施の形態4)
図5は、本発明の実施の形態4における水素生成システムの概略図を示すものである。また、図6は、本発明の実施の形態4の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 4)
FIG. 5 shows a schematic diagram of a hydrogen generation system according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 6 is a flowchart showing a flow of processing executed by the controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 4 of the present invention.

なお、図5に示す実施の形態4の水素生成システム30において、図1に示す実施の形態1の水素生成システム20と同一構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。   In the hydrogen generation system 30 of the fourth embodiment shown in FIG. 5, the same components as those of the hydrogen generation system 20 of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

実施の形態4の水素生成システム30は、実施の形態1の水素生成システム20において、電気化学デバイス10のカソード側出口12Cからカソード排出経路に排出する水素ガスの流量を計測する第1流量計18を設けた構成である。   The hydrogen generation system 30 according to the fourth embodiment is the same as the hydrogen generation system 20 according to the first embodiment, except that the first flow meter 18 measures the flow rate of hydrogen gas discharged from the cathode-side outlet 12C of the electrochemical device 10 to the cathode discharge path. Is provided.

さらに、実施の形態4の水素生成システム30が、実施の形態1の水素生成システム20と異なるのは、制御器15の制御動作(水素ガス欠乏運転に移行する条件)である。   Further, the hydrogen generation system 30 of the fourth embodiment differs from the hydrogen generation system 20 of the first embodiment in the control operation of the controller 15 (conditions for shifting to the hydrogen gas deficient operation).

実施の形態1の水素生成システム20は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、電源13による電流の電流値が一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、水素純化効率が閾値以下に低下した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としていた。   The hydrogen generation system 20 according to the first embodiment operates under the control of the controller 15 so that the fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power supply 13 is constant. Sometimes, when the hydrogen purification efficiency drops below the threshold value, a hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed.

これに対して、実施の形態4の水素生成システム30は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム30を運転しているときに、第1流量計18で計測した水素の流量が閾値以下に減少した測定器17により計測したアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が閾値以上に上昇した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としている。   On the other hand, the hydrogen generation system 30 according to the fourth embodiment operates under the control of the controller 15 so that the fuel utilization is less than 100% and the voltage between the anode 5A and the cathode 5C is constant. During the operation of the generation system 30, the flow rate of hydrogen measured by the first flow meter 18 decreased below the threshold. The voltage between the anode 5A and the cathode 5C measured by the measuring instrument 17 rose above the threshold. In this case, a hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed.

以下、実施の形態4の水素生成システム30について、動作、作用を図5及び図6を参
照しながら説明する。
Hereinafter, the operation and operation of the hydrogen generation system 30 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.

まず、S31において、ガス供給手段16から、電気化学デバイス10のアノード側入口11Aを介して、アノード5Aに、水素含有ガスを供給する。   First, in S31, a hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 16 to the anode 5A via the anode-side inlet 11A of the electrochemical device 10.

ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、ガス温度が85℃で、相対湿度が90%に加湿されている。また、ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.002%で、二酸化炭素の含有比率が20%で、水素の含有比率が79.998%である。   The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a gas temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 90%. The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a content ratio of carbon monoxide of 0.002%, a content ratio of carbon dioxide of 20%, and a content ratio of hydrogen of 79.998%.

次に、S32において、電源13により、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90Aの電流値で流し、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。   Next, in S32, a current in a direction of flowing from the anode 5A to the cathode 5C through the electrolyte membrane 4 to the cathode 5C at a current value of 90A is supplied between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 by the power source 13, The supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 to the electrochemical device 10 is adjusted so that the utilization rate becomes 90%.

S32では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後は、測定器17で計測される電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が維持されるように電圧一定で水素生成運転する。   In S32, after adjusting the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 so that the fuel utilization rate becomes 90%, the distance between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is measured. The hydrogen generation operation is performed at a constant voltage so that the above voltage value is maintained.

アノード5Aに水素含有ガスが供給されている状態で、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流を流すことにより、アノード5Aでは、水素含有ガスに含まれる水素が水素イオンと電子に解離し、その水素イオンが電解質膜4を透過してカソード5Cに移動し、電子が電源13を介してカソード5Cに移動し、カソード5Cにおいて、水素イオンと電子が結びついて水素ガスを生成する。   By supplying a current from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 while the hydrogen-containing gas is being supplied to the anode 5A, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode 5A. Then, the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 4 and move to the cathode 5C, and the electrons move to the cathode 5C via the power supply 13, where the hydrogen ions and the electrons combine to generate hydrogen gas.

アノード5Aに供給された水素含有ガスのうちで、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)は、水素含有オフガスとなって、アノード側出口12Aから排出される。   Of the hydrogen-containing gas supplied to the anode 5A, the hydrogen-containing gas remaining on the anode 5A without permeating the cathode 5C (the hydrogen-containing gas not used for hydrogen generation at the cathode 5C) is a hydrogen-containing off-gas. And discharged from the anode side outlet 12A.

電解質膜4は、特に、高分子で構成された電解質膜4は、わずかではあるが、一酸化炭素や二酸化炭素が透過するため、カソード側出口12Cからは、一酸化炭素や二酸化炭素が微量含まれた、例えば水素純度が99.97%の水素含有ガスが排出される。   The electrolyte membrane 4 is made of a polymer. In particular, although the electrolyte membrane 4 is composed of a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide, it permeates a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide from the cathode outlet 12C. For example, a hydrogen-containing gas having a hydrogen purity of 99.97% is discharged.

S33において、カソード側出口12Cからカソード排出経路に排出される水素ガスの流量を第1流量計18で計測し、第1流量計18で計測された水素ガスの流量が、閾値の0.07NL/s以下に減少したかどうかを判定する。   In S33, the flow rate of the hydrogen gas discharged from the cathode side outlet 12C to the cathode discharge path is measured by the first flow meter 18, and the flow rate of the hydrogen gas measured by the first flow meter 18 is 0.07 NL / threshold. It is determined whether it has decreased to s or less.

そして、第1流量計18で計測された水素ガスの流量が0.07NL/s以下に減少した場合はS34に移行し、S34において、電圧一定運転を取り止め、燃料利用率が110%となるようにガス供給手段16から電気化学デバイス10に供給する水素含有ガスの供給量を下げて、水素ガス欠乏運転を行い、S35に進む。   If the flow rate of the hydrogen gas measured by the first flow meter 18 has decreased to 0.07 NL / s or less, the process proceeds to S34, in which the constant voltage operation is stopped, and the fuel utilization rate becomes 110%. Then, the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 16 to the electrochemical device 10 is reduced, a hydrogen gas deficient operation is performed, and the process proceeds to S35.

S33において、第1流量計18で計測された水素ガスの流量が0.07NL/sよりも多い場合は、再びS33に戻る。   In S33, when the flow rate of the hydrogen gas measured by the first flow meter 18 is larger than 0.07 NL / s, the process returns to S33 again.

S35において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したかどうかを判定する。   In S35, it is determined whether or not the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 has dropped to −0.8 V or less.

そして、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したら、再びS32へ移行し、S32に
おいて、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流の電流値を90Aにし、燃料利用率が90%となるようにガス供給手段16で供給する水素含有ガスの供給量を調整する。
Then, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 drops to −0.8 V or less, the process returns to S32, and in S32, the electrolyte membrane is connected from the anode 5A to the electrolyte membrane. The current value of the current flowing in the direction to the cathode 5C via the line 4 is set to 90A, and the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization rate becomes 90%.

S32では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後は、測定器17で計測される電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が維持されるように電圧一定で水素生成運転する。   In S32, after adjusting the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 so that the fuel utilization rate becomes 90%, the distance between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is measured. The hydrogen generation operation is performed at a constant voltage so that the above voltage value is maintained.

S35において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8Vよりも高い場合は、再びS35に戻る。   In S35, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is higher than −0.8 V, the process returns to S35 again.

以上のように、本実施の形態の水素生成システム30は、電解質膜4と電解質膜4の一方の主面に配置されるアノード5Aと電解質膜4の他方の主面に配置されるカソード5Cとで電解質膜−電極接合体9を構成し、アノード5Aに水素含有ガスを供給し、アノード5Aとカソード5Cとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード5Cにおいて水素を生成する電気化学デバイス10と、水素含有ガスを供給するガス供給手段16と、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に電流を流すための電源13と、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値を計測する測定器17と、カソード5Cから排出される水素ガスの流量を計測する第1流量計18と、制御器15と、を備え、制御器15は、電流によりカソード5Cで生成される水素量をアノード5Aに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満(90%)で、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム30を運転しているときに、第1流量計18で計測された水素ガスの流量が閾値(0.07NL/s)以下に減少した場合に、電圧一定運転を取り止めて、燃料利用率が110%となるようにガス供給手段16からアノード5Aに供給する水素含有ガスの供給量を少なくすることを特徴としたものである。   As described above, the hydrogen generation system 30 of the present embodiment includes the electrolyte membrane 4, the anode 5 </ b> A disposed on one main surface of the electrolyte membrane 4, and the cathode 5 </ b> C disposed on the other main surface of the electrolyte membrane 4. To form an electrolyte membrane-electrode assembly 9, supplying a hydrogen-containing gas to the anode 5A and flowing a current in a predetermined direction between the anode 5A and the cathode 5C, thereby generating hydrogen at the cathode 5C. 10, a gas supply means 16 for supplying a hydrogen-containing gas, a power supply 13 for flowing a current between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10, and a voltage value between the anode 5A and the cathode 5C. A measuring device 17 for measuring, a first flow meter 18 for measuring a flow rate of hydrogen gas discharged from the cathode 5C, and a controller 15 are provided. When the fuel utilization rate, which is a ratio of the generated hydrogen amount divided by the hydrogen amount supplied to the anode 5A and multiplied by 100, is less than 100% (90%), the voltage between the anode 5A and the cathode 5C becomes constant. As described above, when the hydrogen generation system 30 is operating and the flow rate of the hydrogen gas measured by the first flow meter 18 decreases below the threshold value (0.07 NL / s), the constant voltage operation is stopped. In addition, the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 16 to the anode 5A is reduced so that the fuel utilization rate becomes 110%.

これにより、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム30を運転しているときに、第1流量計18で計測された水素ガスの流量が閾値以下に減少した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うと、(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応が起こると同時に、アノード触媒層3Aの触媒に吸着していた一酸化炭素(被毒物質)が(化6)に示す電気化学反応によって酸化除去される。   As a result, the flow rate of the hydrogen gas measured by the first flow meter 18 decreases below the threshold value while the hydrogen generation system 30 is operating so that the voltage between the anode 5A and the cathode 5C becomes constant. In this case, when a hydrogen gas deficiency operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed, the electrochemical reactions shown in (Chem. 3), (Chem. 4) and (Chem. 5) occur, and at the same time, the catalyst of the anode catalyst layer 3A The carbon monoxide (poisonous substance) adsorbed on the surface is oxidized and removed by an electrochemical reaction shown in (Chem. 6).

よって、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位が回復し、水素純化効率の低下分を回復させることができる。この水素ガス欠乏運転を、カソードにおいて生成する水素の量が閾値以下に減少したタイミングで行うことにより、水素生成システム30の水素純化効率を常に高い状態で運転することができる。   Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer 3A is recovered, and the decrease in hydrogen purification efficiency can be recovered. By performing the hydrogen gas deficient operation at a timing when the amount of hydrogen generated at the cathode is reduced to a threshold value or less, the hydrogen generation system 30 can always be operated with a high hydrogen purification efficiency.

なお、アノード触媒層3Aの触媒を被毒する被毒物質については一酸化炭素に限らず、他の物質でも酸化して除去できる被毒物質であれば、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位を回復させることができる。   The poisoning substance that poisons the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to carbon monoxide. If the poisoning substance can be oxidized and removed by other substances, the active site of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is changed. Can be recovered.

なお、燃料利用率を上げる判断をするための第1流量計18の流量値(閾値)は、本実施の形態で採用した0.07NL/sに限らず、使用する電気化学デバイスや運転条件に合わせて、初期状態から許容できる性能低下状態に合わせて、設定することができる。   The flow rate value (threshold value) of the first flow meter 18 for making a determination to increase the fuel utilization rate is not limited to 0.07 NL / s adopted in the present embodiment, but depends on the electrochemical device used and operating conditions. At the same time, the setting can be made in accordance with the permissible performance reduction state from the initial state.

なお、アノード触媒層3Aの触媒の水素ガス欠乏運転で用いる燃料利用率は、本実施の形態で採用した110%に限らず、100%を超える燃料利用率であればよい。酸化還元電位が高い物質が吸着している場合は、燃料利用率を大きく設定、もしくは水素ガス欠乏
運転の時間を長くすることにより、除去することができる。
Note that the fuel utilization rate used in the hydrogen gas deficient operation of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to 110% used in the present embodiment, but may be any fuel utilization rate exceeding 100%. When a substance having a high oxidation-reduction potential is adsorbed, it can be removed by setting a large fuel utilization rate or lengthening the operation time of the hydrogen gas deficient operation.

(実施の形態5)
図7は、本発明の実施の形態5における水素生成システムの概略図を示すものである。また、図8は、本発明の実施の形態5の水素生成システムにおける制御器によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。
(Embodiment 5)
FIG. 7 shows a schematic diagram of a hydrogen generation system according to Embodiment 5 of the present invention. FIG. 8 is a flowchart showing a flow of processing executed by the controller in the hydrogen generation system according to Embodiment 5 of the present invention.

なお、図7に示す実施の形態5の水素生成システム40において、図1に示す実施の形態1の水素生成システム20と同一構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。   In the hydrogen generation system 40 of the fifth embodiment shown in FIG. 7, the same components as those of the hydrogen generation system 20 of the first embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.

実施の形態5の水素生成システム40は、実施の形態1の水素生成システム20において、電気化学デバイス10のアノード側出口12Aからアノード排出経路に排出される水素含有オフガスの流量を計測する第2流量計19を設けた構成である。   The hydrogen generation system 40 according to the fifth embodiment is the same as the hydrogen generation system 20 according to the first embodiment, except that the second flow rate measures the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode-side outlet 12A of the electrochemical device 10 to the anode discharge path. In this configuration, a total of 19 is provided.

さらに、実施の形態5の水素生成システム40が、実施の形態1の水素生成システム20と異なるのは、制御器15の制御動作(水素ガス欠乏運転に移行する条件)である。   Furthermore, the hydrogen generation system 40 of the fifth embodiment is different from the hydrogen generation system 20 of the first embodiment in the control operation of the controller 15 (the condition for shifting to the hydrogen gas deficient operation).

実施の形態1の水素生成システム20は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、電源13による電流の電流値が一定となるように、水素生成システム20を運転しているときに、水素純化効率が閾値以下に低下した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としていた。   The hydrogen generation system 20 according to the first embodiment operates under the control of the controller 15 so that the fuel utilization is less than 100% and the current value of the current from the power supply 13 is constant. Sometimes, when the hydrogen purification efficiency drops below the threshold value, a hydrogen gas deficient operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed.

これに対して、実施の形態5の水素生成システム40は、制御器15の制御によって、燃料利用率が100%未満で、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム40を運転しているときに、第2流量計19で計測したアノード側出口12Aからアノード排出経路に排出される水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うことを特徴としている。   On the other hand, the hydrogen generation system 40 of the fifth embodiment operates under the control of the controller 15 so that the fuel utilization rate is less than 100% and the voltage between the anode 5A and the cathode 5C is constant. If the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode-side outlet 12A to the anode discharge path measured by the second flow meter 19 increases to a threshold value or more while operating the generation system 40, the fuel utilization rate becomes 100%. % Hydrogen-starved operation.

以下、実施の形態5の水素生成システム40について、動作、作用を図7及び図8を参照しながら説明する。   Hereinafter, the operation and operation of the hydrogen generation system 40 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 7 and 8.

まず、S41において、ガス供給手段16から、電気化学デバイス10のアノード側入口11Aを介して、アノード5Aに、水素含有ガスを供給する。   First, in S41, a hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 16 to the anode 5A via the anode-side inlet 11A of the electrochemical device 10.

ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、ガス温度が85℃で、相対湿度が90%に加湿されている。また、ガス供給手段16が供給する水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.002%で、二酸化炭素の含有比率が20%で、水素の含有比率が79.998%である。   The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a gas temperature of 85 ° C. and a relative humidity of 90%. The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 has a content ratio of carbon monoxide of 0.002%, a content ratio of carbon dioxide of 20%, and a content ratio of hydrogen of 79.998%.

次に、S42において、電源13により、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90Aの電流値で流し、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。   Next, in S42, a current in a direction of flowing from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 to the cathode 5C with a current value of 90A is supplied between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 by the power source 13, The supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 to the electrochemical device 10 is adjusted so that the utilization rate becomes 90%.

S42では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後は、測定器17で計測される電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が維持されるように電圧一定で水素生成運転する。   In S42, after adjusting the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 so that the fuel utilization rate becomes 90%, the distance between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is measured. The hydrogen generation operation is performed at a constant voltage so that the above voltage value is maintained.

アノード5Aに水素含有ガスが供給されている状態で、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流を流すことにより、アノード5Aでは、水素含有ガスに含まれる水素が水素イオンと電子に解離し、その水素イオンが電解質膜4を透過してカソード5Cに移動し、電子が電源13を介してカソード5Cに移動し、カソード5Cにおいて、水素イオンと電子が結びついて水素ガスを生成する。   By supplying a current from the anode 5A to the cathode 5C via the electrolyte membrane 4 while the hydrogen-containing gas is being supplied to the anode 5A, the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is dissociated into hydrogen ions and electrons at the anode 5A. Then, the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane 4 and move to the cathode 5C, and the electrons move to the cathode 5C via the power supply 13, where the hydrogen ions and the electrons combine to generate hydrogen gas.

アノード5Aに供給された水素含有ガスのうちで、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)は、水素含有オフガスとなって、アノード側出口12Aから排出される。   Of the hydrogen-containing gas supplied to the anode 5A, the hydrogen-containing gas remaining on the anode 5A without permeating the cathode 5C (the hydrogen-containing gas not used for hydrogen generation at the cathode 5C) is a hydrogen-containing off-gas. And discharged from the anode side outlet 12A.

電解質膜4は、特に、高分子で構成された電解質膜4は、わずかではあるが、一酸化炭素や二酸化炭素が透過するため、カソード側出口12Cからは、一酸化炭素や二酸化炭素が微量含まれた、例えば水素純度が99.97%の水素含有ガスが排出される。   The electrolyte membrane 4 is made of a polymer. In particular, although the electrolyte membrane 4 is composed of a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide, it permeates a small amount of carbon monoxide and carbon dioxide from the cathode outlet 12C. For example, a hydrogen-containing gas having a hydrogen purity of 99.97% is discharged.

S43において、電気化学デバイス10のアノード側出口12Aからアノード排出経路に排出される水素含有オフガスの流量を第2流量計19で計測し、第2流量計19で計測されたアノード側出口12Aからアノード排出経路に排出される水素含有オフガスの流量が、閾値の0.035NL/s以上に増加したかどうかを判定する。   In S43, the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode-side outlet 12A of the electrochemical device 10 to the anode discharge path is measured by the second flow meter 19, and the flow rate of the hydrogen-containing off-gas is measured by the second flow meter 19 from the anode-side outlet 12A. It is determined whether the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged to the discharge path has increased to a threshold value of 0.035 NL / s or more.

そして、第2流量計19で計測されたアノード側出口12Aからアノード排出経路に排出される水素含有オフガスの流量が、0.035NL/s以上に増加した場合はS44に移行し、S44において、電圧一定運転を取り止め、燃料利用率が110%となるように電源13の電流値を大きくして、水素ガス欠乏運転を行い、S45に進む。   When the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode-side outlet 12A to the anode discharge path measured by the second flow meter 19 has increased to 0.035 NL / s or more, the process proceeds to S44, and in S44, the voltage is The constant operation is stopped, the current value of the power supply 13 is increased so that the fuel utilization becomes 110%, a hydrogen gas deficient operation is performed, and the process proceeds to S45.

S43において、第2流量計19で計測されたアノード側出口12Aからアノード排出経路に排出される水素含有オフガスの流量が、0.035NL/sよりも少ない場合は、再びS43に戻る。   In S43, when the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode-side outlet 12A to the anode discharge path measured by the second flow meter 19 is less than 0.035 NL / s, the process returns to S43.

S45において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したかどうかを判定する。   In S45, it is determined whether or not the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 has dropped to −0.8 V or less.

そして、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8V以下に低下したら、再びS42へ移行し、S42において、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流の電流値を90Aにし、燃料利用率が90%となるようにガス供給手段16で供給する水素含有ガスの供給量を調整する。   Then, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 drops to −0.8 V or less, the process returns to S42. The current value of the current flowing in the direction to the cathode 5C via the line 4 is set to 90A, and the supply amount of the hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 is adjusted so that the fuel utilization rate becomes 90%.

S42では、燃料利用率が90%になるようにガス供給手段16からの水素含有ガス供給量を調整した後は、測定器17で計測される電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が維持されるように電圧一定で水素生成運転する。   In S42, after adjusting the supply amount of the hydrogen-containing gas from the gas supply means 16 so that the fuel utilization rate becomes 90%, the distance between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is measured. The hydrogen generation operation is performed at a constant voltage so that the above voltage value is maintained.

S45において、測定器17で計測された電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値が、マイナス0.8Vよりも高い場合は、再びS45に戻る。   In S45, when the voltage value between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10 measured by the measuring device 17 is higher than −0.8 V, the process returns to S45 again.

以上のように、本実施の形態の水素生成システム40は、電解質膜4と電解質膜4の一方の主面に配置されるアノード5Aと電解質膜4の他方の主面に配置されるカソード5Cとで電解質膜−電極接合体9を構成し、アノード5Aに水素含有ガスを供給し、アノード5Aとカソード5Cとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード5Cにおいて水素を生成する電気化学デバイス10と、水素含有ガスを供給するガス供給手段16と、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間に電流を流すための電源13と、ア
ノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値を計測する測定器17と、アノード5Aから排出される水素含有オフガスの流量を計測する第2流量計19と、制御器15と、を備え、制御器15は、電流によりカソード5Cで生成される水素量をアノード5Aに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満(90%)で、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム40を運転しているときに、第2流量計19で計測された水素含有オフガスの流量が閾値(0.035NL/s)以上に増加した場合に、電圧一定運転を取り止めて、燃料利用率が110%となるように電源13の電流値を大きくすることを特徴としたものである。
As described above, the hydrogen generation system 40 of the present embodiment includes the electrolyte membrane 4, the anode 5 </ b> A arranged on one main surface of the electrolyte membrane 4, and the cathode 5 </ b> C arranged on the other main surface of the electrolyte membrane 4. To form an electrolyte membrane-electrode assembly 9, supplying a hydrogen-containing gas to the anode 5A and flowing a current in a predetermined direction between the anode 5A and the cathode 5C, thereby generating hydrogen at the cathode 5C. 10, a gas supply means 16 for supplying a hydrogen-containing gas, a power supply 13 for flowing a current between the anode 5A and the cathode 5C of the electrochemical device 10, and a voltage value between the anode 5A and the cathode 5C. A measuring device 17 for measuring, a second flow meter 19 for measuring a flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode 5A, and a controller 15 are provided. The amount of hydrogen generated in the anode 5A is divided by the amount of hydrogen supplied to the anode 5A and multiplied by 100, and the fuel utilization is less than 100% (90%), and the voltage between the anode 5A and the cathode 5C is less than 100%. If the flow rate of the hydrogen-containing off-gas measured by the second flow meter 19 increases to be equal to or more than the threshold (0.035 NL / s) while operating the hydrogen generation system 40 so as to be constant, the voltage is kept constant. The operation is stopped, and the current value of the power supply 13 is increased so that the fuel utilization rate becomes 110%.

これにより、アノード5Aとカソード5Cとの間の電圧が一定となるように、水素生成システム40を運転しているときに、第2流量計19で計測された水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加した場合に、燃料利用率が100%を超える水素ガス欠乏運転を行うと、(化3)、(化4)及び(化5)に示す電気化学反応が起こると同時に、アノード触媒層3Aの触媒に吸着していた一酸化炭素(被毒物質)が(化6)に示す電気化学反応によって酸化除去される。   Thereby, when the hydrogen generation system 40 is operated so that the voltage between the anode 5A and the cathode 5C becomes constant, the flow rate of the hydrogen-containing off-gas measured by the second flow meter 19 becomes equal to or higher than the threshold value. When the hydrogen gas deficiency operation in which the fuel utilization exceeds 100% is performed in the case of the increase, the electrochemical reactions shown in (Chem. 3), (Chem. 4) and (Chem. 5) occur, and at the same time, the anode catalyst layer 3A The carbon monoxide (poisonous substance) adsorbed on the catalyst is oxidized and removed by an electrochemical reaction shown in (Chem. 6).

よって、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位が回復し、水素純化効率の低下分を回復させることができる。この水素ガス欠乏運転を、アノード5Aから排出される水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加したタイミングで行うことにより、水素生成システム40の水素純化効率を常に高い状態で運転することができる。   Therefore, the active site of the catalyst in the anode catalyst layer 3A is recovered, and the decrease in hydrogen purification efficiency can be recovered. By performing the hydrogen gas deficient operation at a timing when the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode 5A increases to a threshold value or more, the hydrogen purification system 40 can always be operated with a high hydrogen purification efficiency.

なお、アノード触媒層3Aの触媒を被毒する被毒物質については一酸化炭素に限らず、他の物質でも酸化して除去できる被毒物質であれば、アノード触媒層3Aの触媒の活性部位を回復させることができる。   The poisoning substance that poisons the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to carbon monoxide. If the poisoning substance can be oxidized and removed by other substances, the active site of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is changed. Can be recovered.

なお、燃料利用率を上げる判断をするための第2流量計19の流量値(閾値)は、本実施の形態で採用した0.035NL/sに限らず、使用する電気化学デバイスや運転条件に合わせて、初期状態から許容できる性能低下状態に合わせて、設定することができる。   In addition, the flow value (threshold) of the second flow meter 19 for determining to increase the fuel utilization rate is not limited to 0.035 NL / s adopted in the present embodiment, but depends on the electrochemical device used and the operating conditions. At the same time, the setting can be made in accordance with the permissible performance reduction state from the initial state.

なお、アノード触媒層3Aの触媒の水素ガス欠乏運転で用いる燃料利用率は、本実施の形態で採用した110%に限らず、100%を超える燃料利用率であればよい。酸化還元電位が高い物質が吸着している場合は、燃料利用率を大きく設定、もしくは水素ガス欠乏運転の時間を長くすることにより、除去することができる。   Note that the fuel utilization rate used in the hydrogen gas deficient operation of the catalyst of the anode catalyst layer 3A is not limited to 110% used in the present embodiment, but may be any fuel utilization rate exceeding 100%. When a substance having a high oxidation-reduction potential is adsorbed, it can be removed by setting a large fuel utilization rate or lengthening the operation time of the hydrogen gas deficient operation.

以上のように、本発明にかかる水素生成システムおよびその運転方法は、水素を生成する性能を高く維持したままで、アノード触媒層の触媒に吸着した不純物を除去し、電気化学デバイスの水素純化効率を回復させることができるので、別のガスの混入を嫌う電気化学デバイスの不純物除去等の用途にも適用できる。   As described above, the hydrogen generation system and the method for operating the same according to the present invention remove the impurities adsorbed on the catalyst of the anode catalyst layer while maintaining the performance of generating hydrogen at a high level, and improve the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device. Therefore, the present invention can also be applied to uses such as removal of impurities of an electrochemical device which refuses to mix another gas.

1A アノードセパレータ
1C カソードセパレータ
2A アノードガス拡散層
2C カソードガス拡散層
3A アノード触媒層
3C カソード触媒層
4 電解質膜
5A アノード
5C カソード
9 電解質膜−電極接合体
10 電気化学デバイス
11A アノード側入口
12A アノード側出口
12C カソード側出口
13 電源
14A アノードガス流路
14C カソードガス流路
15 制御器
16 ガス供給手段
17 測定器
18 第1流量計
19 第2流量計
20,30,40 水素生成システム
Reference Signs List 1A anode separator 1C cathode separator 2A anode gas diffusion layer 2C cathode gas diffusion layer 3A anode catalyst layer 3C cathode catalyst layer 4 electrolyte membrane 5A anode 5C cathode 9 electrolyte membrane-electrode assembly 10 electrochemical device 11A anode side inlet 12A anode side outlet 12C Cathode side outlet 13 Power supply 14A Anode gas flow path 14C Cathode gas flow path 15 Controller 16 Gas supply means 17 Measuring instrument 18 First flow meter 19 Second flow meter 20, 30, 40 Hydrogen generation system

Claims (6)

電解質膜と前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
制御器と、を備える水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電流により前記カソードで生成される水素量を前記アノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、前記電源による前記電流の電流値が一定となるように、前記水素生成システムを運転しているときに、前記電源に投入する電気エネルギーに対して前記カソードから得られる水素エネルギーの割合を示す水素純化効率が閾値以下に低下した場合に、前記燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも前記電源の電流値を大きくすること又は前記ガス供給手段から供給する前記水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴とする水素生成システム。
An electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane constitute an electrolyte membrane-electrode assembly, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode. An electrochemical device that generates hydrogen at the cathode by flowing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing the current between the anode and the cathode;
A hydrogen generation system comprising: a controller;
The controller determines that the fuel utilization rate, which is a ratio of the amount of hydrogen generated at the cathode by the current divided by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplied by 100, is less than 100%; As the value becomes constant, the hydrogen purification efficiency indicating the ratio of the hydrogen energy obtained from the cathode to the electric energy supplied to the power supply is reduced below the threshold when the hydrogen generation system is operating. In this case, at least one of increasing the current value of the power supply or decreasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply unit is performed so that the fuel utilization rate exceeds 100%. A hydrogen generation system, characterized in that:
電解質膜と前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
前記アノードと前記カソードとの間の電圧を計測する測定器と、
制御器と、を備える水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電流により前記カソードで生成される水素量を前記アノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、前記電源による前記電流の電流値が一定となるように、前記水素生成システムを運転しているときに、前記測定器により計測した前記アノードと前記カソードとの間の電圧が閾値以上に上昇した場合に、前記燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも前記電源の電流値を大きくすること又は前記ガス供給手段から供給する前記水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴とする水素生成システム。
An electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane constitute an electrolyte membrane-electrode assembly, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode. An electrochemical device that generates hydrogen at the cathode by flowing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing the current between the anode and the cathode;
A measuring instrument for measuring a voltage between the anode and the cathode,
A hydrogen generation system comprising: a controller;
The controller determines that the fuel utilization rate, which is a ratio of the amount of hydrogen generated at the cathode by the current divided by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplied by 100, is less than 100%; In order to keep the value constant, when operating the hydrogen generation system, when the voltage between the anode and the cathode measured by the measuring device rises above a threshold, the fuel utilization rate is increased. At least one of increasing the current value of the power supply or decreasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply unit so as to exceed 100% is performed. .
電解質膜と前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
前記アノードと前記カソードとの間の電圧を計測する測定器と、
制御器と、を備える水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電流により前記カソードで生成される水素量を前記アノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、前記アノードと前記カソードとの間の電圧が一定となるように、前記水素生成システムを運転しているときに、前記電源の電流値が閾値以下に小さくなった場合に、前記燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも前記電源の電流値を大きくすること又は前記ガス供給手段から供給する前記水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴とする水素生成システム。
An electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane constitute an electrolyte membrane-electrode assembly, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode. An electrochemical device that generates hydrogen at the cathode by flowing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing the current between the anode and the cathode;
A measuring instrument for measuring a voltage between the anode and the cathode,
A hydrogen generation system comprising: a controller;
The controller is configured to divide the amount of hydrogen generated at the cathode by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiply by 100 to obtain a fuel utilization ratio of less than 100%. When the hydrogen generation system is operated so that the voltage between them becomes constant, at least when the current value of the power supply becomes smaller than the threshold value, the fuel utilization exceeds 100%. A hydrogen generation system, which performs one of increasing a current value of the power supply or decreasing a flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply unit.
電解質膜と前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
前記カソードから排出される水素の流量を計測する第1流量計と、
制御器と、を備える水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電流により前記カソードで生成される水素量を前記アノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、前記アノードと前記カソードとの間の電圧が一定となるように、前記水素生成システムを運転しているときに、前記第1流量計で計測した水素の流量が閾値以下に減少した場合に、前記燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも前記電源の電流値を大きくすること又は前記ガス供給手段から供給する前記水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴とする水素生成システム。
An electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane constitute an electrolyte membrane-electrode assembly, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode. An electrochemical device that generates hydrogen at the cathode by flowing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing the current between the anode and the cathode;
A first flow meter for measuring a flow rate of hydrogen discharged from the cathode,
A hydrogen generation system comprising: a controller;
The controller is configured to divide the amount of hydrogen generated at the cathode by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiply by 100 to obtain a fuel utilization rate of less than 100%. During the operation of the hydrogen generation system, when the flow rate of hydrogen measured by the first flow meter decreases below a threshold so that the voltage between the fuel cells becomes constant, the fuel utilization rate decreases to 100%. A hydrogen generation system characterized by performing at least one of increasing the current value of the power supply or decreasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply unit so as to exceed the above value.
電解質膜と前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
前記アノードから排出される水素含有オフガスの流量を計測するための第2流量計と、
制御器と、を備える水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電流により前記カソードで生成される水素量を前記アノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、前記アノードと前記カソードとの間の電圧が一定となるように、前記水素生成システムを運転しているときに、前記第2流量計で計測した前記水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加した場合に、前記燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも前記電源の電流値を大きくすること又は前記ガス供給手段から供給する前記水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴とする水素生成システム。
An electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane constitute an electrolyte membrane-electrode assembly, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode. An electrochemical device that generates hydrogen at the cathode by flowing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing the current between the anode and the cathode;
A second flow meter for measuring the flow rate of the hydrogen-containing off-gas discharged from the anode,
A hydrogen generation system comprising: a controller;
The controller is configured to divide the amount of hydrogen generated at the cathode by the current by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiply by 100 to obtain a fuel utilization rate of less than 100%. During the operation of the hydrogen generation system, when the flow rate of the hydrogen-containing off-gas measured by the second flow meter increases to a threshold value or more, so that the voltage between the fuel cells becomes constant, the fuel utilization rate increases. At least one of increasing the current value of the power supply or decreasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply unit so as to exceed 100% is performed. .
電解質膜と前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、を備える水素生成システムの運転方法であって、
前記電流により前記カソードで生成される水素量を前記アノードに供給する水素量で割って100を掛けた割合を示す燃料利用率が100%未満で、前記電源による前記電流の電流値が一定となるように、前記水素生成システムを運転しているときに、前記電源に投入する電気エネルギーに対して前記カソードから得られる水素エネルギーの割合を示す水素純化効率が閾値以下に低下した場合と前記アノードと前記カソードとの間の電圧が閾値以上に上昇した場合のどちらかの場合、もしくは、
前記燃料利用率が100%未満で、前記アノードと前記カソードとの間の電圧が一定となるように、前記水素生成システムを運転しているときに、前記電源の電流値が閾値以下に小さくなった場合と前記カソードから排出される水素の流量が閾値以下に減少した場合と前記アノードから排出される水素含有オフガスの流量が閾値以上に増加した場合のいずれかの場合に、
前記燃料利用率が100%を超えるように、少なくとも、前記電源の電流値を大きくすること又は前記ガス供給手段から供給する前記水素含有ガスの流量を少なくすることのいずれか一つを行うことを特徴とする水素生成システムの運転方法。
An electrolyte membrane and an anode arranged on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other main surface of the electrolyte membrane constitute an electrolyte membrane-electrode assembly, and a hydrogen-containing gas is supplied to the anode. An electrochemical device that generates hydrogen at the cathode by flowing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing a current between the anode and the cathode of the electrochemical device, comprising:
The amount of hydrogen generated at the cathode by the current divided by the amount of hydrogen supplied to the anode and multiplied by 100 is less than 100%, and the current value of the current by the power supply is constant. As described above, when the hydrogen generation system is operating, when the hydrogen purification efficiency indicating the ratio of the hydrogen energy obtained from the cathode to the electric energy supplied to the power supply is reduced to a threshold or less, the anode and Either the case where the voltage between the cathode and the voltage rises above a threshold, or
When operating the hydrogen generation system, the current value of the power supply decreases below a threshold so that the fuel utilization is less than 100% and the voltage between the anode and the cathode is constant. Either when the flow rate of hydrogen discharged from the cathode decreases below a threshold or when the flow rate of hydrogen-containing off gas discharged from the anode increases above a threshold,
At least one of increasing the current value of the power supply or decreasing the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply unit so that the fuel utilization exceeds 100%. Characteristic method of operating a hydrogen generation system.
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