JP2020097507A - 水素生成システムおよびその運転方法 - Google Patents

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千絵 原田
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Abstract

【課題】電気化学デバイス停止時に、カソード側の精製水素ガスが水素生成装置の燃焼器に供給され、水素生成装置が過熱されるのを抑制する。【解決手段】水素生成システム100は、水素精製動作終了後に、カソード3からアノード2に透過して燃焼器11に供給される精製水素ガスの流量が、燃焼器11での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置10を過熱することにならない流量になるように、水素精製動作終了後に圧力検知器6で検知するカソード3の精製水素ガスの圧力を基に、アノード2とカソード3との間に流す電源5の電流量を制御するとともに、カソード3からアノード2に透過する精製水素ガスの流量に応じた流量の燃焼空気を燃焼空気供給器16によって燃焼器11に供給するので、水素精製動作の終了後の水素生成装置10の過熱を抑制できる。【選択図】図1

Description

本発明は、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイスを備えた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。
従来のこの種の水素生成システムとしては、炭化水素系の燃料、例えば都市ガスや液化石油ガスなどを水蒸気改質や部分酸化改質、またはオートサーマル改質して生成された水素含有ガスから、電気化学反応を利用して、水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイスを備えた水素生成システムがあった(例えば、特許文献1参照)。
この電気化学デバイスは、例えば、水素イオンを選択的に透過する電解質膜がアノードとカソードとの間に配置された電解質膜−電極接合体を、セパレータによって挟持している。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、アノードでは、(化1)の酸化反応が起こり、カソードでは、(化2)の還元反応が起こる。
Figure 2020097507
Figure 2020097507
以上の反応により、従来の水素生成システムは、電気化学デバイスを用いて、電気化学的に水素含有ガスの水素をアノードからカソードに移動させて、水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成することができる。
特許文献1に開示された水素生成システムは、水素生成装置から排出される水素含有ガスを、電気化学デバイスと燃料電池とに供給している。電気化学デバイスは、電気化学デバイスのアノード側に供給される水素含有ガス中の水素を精製および昇圧してカソード側出口に送出して精製水素ガスを生成する。燃料電池は、燃料電池のアノード側に供給される水素含有ガスと、カソード側に供給される酸化ガスを用いて発電する。
また、電気化学デバイスおよび燃料電池のアノードから排出されるオフガスは、アノードオフガス供給流路を経由して水素生成装置の燃焼器に供給され、水素生成装置は水素含有ガスを生成するのに適した温度に保たれている。
特開2016−94308号公報
しかしながら、従来の水素生成システムでは、電気化学デバイスを停止すると、昇圧されたカソードの精製水素ガスが、アノードに透過して水素生成装置の燃焼器に供給されるが、過剰な流量の精製水素ガスが燃焼器に流れた場合には、水素生成装置が過熱されるという課題があった。
本発明は、従来の課題を解決するもので、水素精製動作終了後に、過剰な流量の精製水素ガスが燃焼器に流れないようにして水素生成装置の過熱を抑制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。
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、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、燃料を燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、電解質膜と電解質膜を挟んで電解質膜の一方の面に配置されるアノードと電解質膜の他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、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、カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、アノードに水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給流路と、水素含有ガス供給流路上に設けられ、電気化学デバイスで精製水素ガスを生成する水素精製動作中は水素含有ガス供給流路を開放し、水素精製動作の終了後に水素含有ガス供給流路を閉塞する第1の開閉弁と、アノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス供給流路と、カソードから水素利用機器へ精製水素ガスを供給する精製水素ガス供給流路と、精製水素ガス供給流路上に設けられ、水素精製動作中は精製水素ガス供給流路を開放し、水素精製動作の終了後に精製水素ガス供給流路を閉塞する第2の開閉弁と、カソードの精製水素ガスの圧力を検知する圧力検知器と、制御器と、を備える水素生成システムであって、制御器が、水素精製動作の終了後に、カソードからアノードに透過して燃焼器に供給される精製水素ガスの流量が、燃焼器での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置を過熱することにならない流量になるように、水素精製動作の終了後に、圧力検知器によって検知される圧力が所定圧力以上の場合には、所定圧力未満になるまで、圧力検知器によって検知される圧力に応じた電流量の所定方向の電流を電源によってアノードとカソードとの間に流すものである。
これにより、水素精製動作終了後に、過剰な流量の精製水素ガスが燃焼器に流れないようにして水素生成装置の過熱を抑制できる。
本発明の水素生成システムは、水素精製動作終了後に、カソードの精製水素ガスの圧力を基に、アノードとカソードとの間に流す電流量を制御して、カソードからアノードに透過して燃焼器に供給される精製水素ガスの流量を、燃焼器での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置を過熱することにならない流量にするので、水素精製動作の終了後の水素生成装置の過熱を抑制でき、水素生成システムの耐久性が向上する。
本発明の実施の形態1および実施の形態2における水素生成システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態1における水素生成システムのパージ動作を示すフローチャート
第1の発明は、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、燃料を燃焼して水素
生成装置を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、電解質膜と電解質膜を挟んで電解質膜の一方の面に配置されるアノードと電解質膜の他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、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、カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、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、アノードに水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給流路と、水素含有ガス供給流路上に設けられ、電気化学デバイスで精製水素ガスを生成する水素精製動作中は水素含有ガス供給流路を開放し、水素精製動作の終了後に水素含有ガス供給流路を閉塞する第1の開閉弁と、アノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス供給流路と、カソードから水素利用機器へ精製水素ガスを供給する精製水素ガス供給流路と、精製水素ガス供給流路上に設けられ、水素精製動作中は精製水素ガス供給流路を開放し、水素精製動作の終了後に精製水素ガス供給流路を閉塞する第2の開閉弁と、カソードの精製水素ガスの圧力を検知する圧力検知器と、制御器と、を備える水素生成システムであって、制御器が、水素精製動作の終了後に、カソードからアノードに透過して燃焼器に供給される精製水素ガスの流量が、燃焼器での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置を過熱することにならない流量になるように、水素精製動作の終了後に、圧力検知器によって検知される圧力が所定圧力以上の場合には、所定圧力未満になるまで、圧力検知器によって検知される圧力に応じた電流量の所定方向の電流を電源によってアノードとカソードとの間に流すことを特徴とするものである。
これにより、水素精製動作終了後に、圧力検知器で検知するカソードの精製水素ガスの圧力を基に、アノードとカソードとの間に流す電源の電流量を制御して、カソードからアノードに透過して燃焼器に供給される精製水素ガスの流量を、燃焼器での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置を過熱することにならない流量にするので、水素精製動作の終了後の水素生成装置の過熱を抑制でき、水素生成システムの耐久性が向上する。
第2の発明は、特に、第1の発明における制御器が、水素精製動作の終了後に、カソードからアノードに透過して燃焼器に供給される精製水素ガスの流量に応じて燃焼空気供給器による燃焼空気の供給流量を制御して、アノードに移動した精製水素ガスを燃焼器で燃焼させることを特徴とするものである。
これにより、水素精製動作の終了後に、カソードからアノードに透過する精製水素ガスの流量に応じた、適切な流量の燃焼空気を燃焼器に供給できるので、燃焼器で不完全燃焼が起きたり、失火したりすることなく、燃焼器に供給される精製水素ガスを適切に燃焼処理することができる。
第3の発明は、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、燃料を燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、電解質膜と電解質膜を挟んで電解質膜の一方の面に配置されるアノードと電解質膜の他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、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、カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、アノードに水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給流路と、水素含有ガス供給流路上に設けられ、電気化学デバイスで精製水素ガスを生成する水素精製動作中は水素含有ガス供給流路を開放し、水素精製動作の終了後に水素含有ガス供給流路を閉塞する第1の開閉弁と、アノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス供給流路と、カソードから水素利用機器へ精製水素ガスを供給する精製水素ガス供給流路と、精製水素ガス供給流路上に設けられ、水素精製動作中は精製水素ガス供給流路を開放し、水素精製動作の終了後に精製水素ガス供給流路を閉塞する第2の開閉弁と、カソードの精製水素ガスの圧力を検知する圧力
検知器と、を備えた水素生成システムの運転方法であって、水素精製動作の終了後に、カソードからアノードに透過して燃焼器に供給される精製水素ガスの流量が、燃焼器での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置を過熱することにならない流量になるように、水素精製動作の終了後に、圧力検知器によって検知される圧力が所定圧力以上の場合には、所定圧力未満になるまで、圧力検知器によって検知される圧力に応じた電流量の所定方向の電流を電源によってアノードとカソードとの間に流すことを特徴とするものである。
これにより、水素精製動作終了後に、圧力検知器で検知するカソードの精製水素ガスの圧力を基に、アノードとカソードとの間に流す電源の電流量を制御して、カソードからアノードに透過して燃焼器に供給される精製水素ガスの流量を、燃焼器での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置を過熱することにならない流量にするので、水素精製動作の終了後の水素生成装置の過熱を抑制でき、水素生成システムの耐久性が向上する。
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。なお、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。
(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構成を示すブロック図である。
図1に示すように、本実施の形態の水素生成システム100は、水素生成装置10と、水素生成装置10に原料を供給する原料供給器14と、水素生成装置10に水を供給する水供給器15と、水素生成装置10を加熱する燃焼器11と、燃焼器11に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器16と、水素生成装置10で生成した水素含有ガスから精製水素ガスを生成する電気化学デバイス1と、を備える。
また、水素生成システム100は、水素生成装置10で生成した水素含有ガスを電気化学デバイス1に供給するための水素含有ガス供給流路21と、水素含有ガス供給流路21を開閉する第1の開閉弁22と、電気化学デバイス1のアノードオフガスを燃焼器11に供給するためのアノードオフガス供給流路13と、電気化学デバイス1で生成された精製水素ガスを水素利用機器に供給するための精製水素ガス供給流路23と、精製水素ガス供給流路23を開閉する第2の開閉弁24と、制御器200と、を備える。
電気化学デバイス1は、電解質膜4と、電解質膜4を挟んで電解質膜4の一方の面に配置されるアノード2と、電解質膜4の他方の面に配置されるカソード3と、で構成される電解質膜−電極接合体7と、アノード2およびカソード3のそれぞれに連通する流路(図示せず)と、で構成されている。
アノード2は、水素分子を水素イオンと電子とに解離する電極であり、電極に水素含有ガスを供給する流路(図示せず)が設けられている。
カソード3は、水素イオンと電子を結合させて、水素分子を生成する電極であり、電極から精製水素ガスを排出する流路(図示せず)が設けられている。
電解質膜4は、アノード2とカソード3との間に配置され、水素イオンを選択的に透過する高分子膜である。
電源5は、アノード2で水素分子を水素イオンと電子とに解離する反応が起こるとともに、カソード3で水素イオンと電子が結合して水素分子を生成する反応が起こるように、電気化学デバイス1のアノード2とカソード3との間に電流を流す直流電源であり、電源
5の正極がアノード2に電気的に接続され、電源5の負極がカソード3に電気的に接続されている。
圧力検知器6は、カソード3内の精製水素ガスの圧力を検知するセンサである。
水素生成装置10は、原料である都市ガスおよび水を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。水素生成装置10の内部には改質触媒(図示せず)が搭載されている。
燃焼器11は、バーナであり、燃料と燃焼空気を混合して燃焼させることで水素生成装置10を加熱する。
アノードオフガス供給流路13は、アノード2から排出されるアノードオフガスを、燃焼器11に供給する流路である。
原料供給器14は、都市ガスを水素生成装置10に供給するポンプである。
水供給器15は、水を水素生成装置10に供給するポンプである。
燃焼空気供給器16は、燃焼器11に燃焼空気を供給するポンプである。
温度検知器17は、水素生成装置10内部の改質触媒の温度を検知する熱電対である。
水素含有ガス供給流路21は、流路の途中に第1の開閉弁22が設けられ、水素生成装置10から排出される水素含有ガスをアノード2に供給する流路である。水素含有ガス供給流路21のうち、水素生成装置10から第1の開閉弁22までの流路を第1の水素含有ガス供給流路21a、第1の開閉弁22からアノード2までの流路を第2の水素含有ガス供給流路21bとする。
第1の開閉弁22は、水素含有ガス供給流路21上に設けられた電磁弁である。
精製水素ガス供給流路23は、流路の途中に第2の開閉弁24が設けられ、カソード3から排出される精製水素ガスを、水素利用機器である水素タンク30に供給する流路である。精製水素ガス供給流路23のうち、カソード3から第2の開閉弁24までの流路を第1の精製水素ガス供給流路23a、第2の開閉弁24から水素タンク30までの流路を第2の精製水素ガス供給流路23bとする。
第2の開閉弁24は、精製水素ガス供給流路23上に設けられた電磁弁である。
制御器200は、水素生成システム100の運転を制御する。制御器200は、信号入出力部(図示せず)と、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)とを備える。
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100について、以下、その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器200が、水素生成システム100の、原料供給器14、水供給器15、燃焼空気供給器16、電源5、第1の開閉弁22、第2の開閉弁24を制御することによって行われる。
初めに、待機状態の水素生成システム100の起動動作から水素精製動作に至るまでの動作について説明する。
待機状態では、原料供給器14、水供給器15、燃焼空気供給器16、電源5、はいずれも動作していない。また、第1の開閉弁22、第2の開閉弁24はいずれも閉状態である。
まず、起動動作に入ると、制御器200は、原料供給器14、燃焼空気供給器16に起動の指示を送信する。原料供給器14が動作すると、都市ガスが、水素生成装置10に供給され、水素生成装置10から排出された後、水素含有ガス供給流路21と、アノード2と、アノードオフガス供給流路13とを経由して燃焼器11に供給される。また、燃焼空気供給器16が動作すると、燃焼空気が燃焼器11に供給される。このとき、第1の開閉弁22は開状態、第2の開閉弁24は閉状態である。
また、制御器200は、燃焼器11に指令を送信し、燃焼器11に着火動作を実施させる。燃焼器11において、燃焼空気と都市ガスの混合ガスを燃焼させることにより、水素生成装置10に搭載された改質触媒が300℃になるまで加熱する。
改質触媒が300℃に加熱されたことを温度検知器17により検知したら、制御器200は、水供給器15に起動の指示を送信する。水供給器15が動作すると、水が水素生成装置10に供給される。水は300℃の高温となった水素生成装置10の内部で水蒸気となり、都市ガスと混合された状態で、改質触媒に供給され、水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する。
燃焼器11は、水素生成装置10に搭載された改質触媒が所定の温度になるまでさらに加熱昇温する。改質触媒の所定の温度とは、改質反応によって都市ガスから電気化学デバイス1での水素精製動作に必要な純度の水素を含む水素含有ガスが生成する温度であり、本実施の形態では600℃にする。水素生成装置10が600℃に達したことを温度検知器17により検知した時点で起動動作は完了して、水素精製動作に移行する。
水素精製動作とは、電源5を動作させ電気化学デバイス1のアノード2とカソード3との間に所定方向の電流を流し、水素含有ガスから生成した精製水素ガスを、水素利用機器である水素タンク30に安定的に継続して供給する動作である。このとき、第1の開閉弁22および第2の開閉弁24は開状態である。
制御器200は、電気化学デバイス1で生成される精製水素ガス流量が、水素タンク30が必要とする量に足るよう、原料供給器14、水供給器15および電源5を操作する。具体的には、制御器200は、水素利用機器である水素タンク30に供給する精製水素ガス流量に応じた電流値を算出し、電源5に電流値を指示する。このとき、電源5の動作によりアノード2から電解質膜4を介してカソード3へ電流が流れる。
また、水素利用機器である水素タンク30に精製水素ガスを供給するために、カソード3は昇圧されており、カソード3内の精製水素ガスの圧力は圧力検知器6で検知されている。
また、制御器200は、温度検知器17の温度を監視しながら、原料供給器14と水供給器15のそれぞれの供給流量を制御する。水素生成装置10においては、改質反応によって都市ガスから水素含有ガスが生成され、電気化学デバイス1のアノード2に供給される。
また、電気化学デバイス1で精製水素ガスの生成に利用されずにアノード2から排出されるアノードオフガス中には、水素が残存し、これはアノードオフガス供給流路13を経由して燃焼器11へと供給される。
アノードオフガス供給流路13から供給されるアノードオフガスと燃焼空気供給器16からの燃焼空気との混合ガスを燃焼器11で燃焼させて水素生成装置10を加熱することにより、水素生成装置10の温度が600℃に維持され、水素生成装置10で水素含有ガスを安定的に生成することができる。
本実施の形態では、燃焼空気とアノードオフガス中に残存する水素との比が、理論的に精製水素ガスを燃焼するのに必要な燃焼空気量(理論空燃比)の2.0倍となるよう制御する。
原料供給器14と水供給器15と電源5は、制御器200から、水素精製動作終了の指示が送信されるまで、水素精製動作を保持する。
水素精製動作終了後はパージ動作を行う。パージ動作とは、水素精製動作終了後に、カソード3内および第1の精製水素ガス供給流路23aに残存する精製水素ガスを排出する動作である。
図2は、本発明の実施の形態1における水素生成システム100のパージ動作を示すフローチャートである。
まず、外部から制御器200の信号入力部に水素精製動作終了の指令が入ったかどうかを判定し(S101)、水素精製動作終了の指令が入っていなければ、水素精製動作終了の指令が入るまでS101の判定を繰り返す。水素精製動作終了の指令が入れば、制御器200により原料供給器14、水供給器15、電源5の動作を停止する(S102)。次に、第1の開閉弁22および第2の開閉弁24を閉止する(S103)。
次に、圧力検知器6で検知されるカソード3内の圧力Pが10.1325MPa(100atm)以上であるかを判定し(S104)、10.1325MPa(100atm)以上であればS105に移行し、10.1325MPa(100atm)未満の場合はS106に移行する。
S104の判定でカソード3内の圧力Pが10.1325MPa(100atm)以上である場合は、電源5により順方向にカソード3内の圧力Pに応じた大きさの電流を流す(S105)。順方向とは、アノード2から電解質膜4を介してカソード3へ電流が流れる方向である。
また、カソード3内の圧力Pに応じた大きさの電流とは、カソード3内の圧力Pが10.1325MPa(100atm)以上であっても電流を流すことによってカソード3からアノード2に精製水素ガスが移動する流量が2.5L/minを超えないようにできる電流である。
S106では、制御器200は、燃焼器11に供給される精製水素ガス供給流量ΔV(L/min)に応じて、温度検知器17で検知される水素生成装置10の改質触媒の温度が400℃を超えないよう、燃焼空気供給器16に燃焼空気流量調整の指令を送り、精製水素ガスを燃焼排気する。
400℃とは、予め実験的に得られた本実施の形態の改質触媒の熱劣化や炭素析出を抑制する温度である。
本実施の形態においては、カソード3内の圧力Pが10.1325MPa(100a
tm)以上であって、カソード3からアノード2に精製水素ガスが移動する流量が2.5L/minを超えないように電流を流しているときは、燃焼空気流量が12.5L/minとなるよう、燃焼空気流量を制御する。
次に、圧力検知器6で検知されるカソード3内の圧力P(Pa)が10.1325kPa(0.1atm)未満になったかを判定し(S107)、カソード3内の圧力P(Pa)が10.1325kPa(0.1atm)以上であれば、再びS104に戻り、S107でカソード3内の圧力P(Pa)が10.1325kPa(0.1atm)未満になれば、パージ動作を終了する。
S107において、10.1325kPa(0.1atm)とは、本実施の形態においてカソード3およびアノード2の圧力が一致し、精製水素ガスがカソード3からアノード2へ電解質膜4を透過することがなくなる圧力を実験的に取得した圧力である。
水素生成システム100は、パージ動作終了後、待機状態へ移行する。
ここで、燃焼器11に供給される精製水素ガス供給流量ΔVは、(数1)により求める。
Figure 2020097507
ΔP(Pa/min)は、圧力検知器6で検知されるカソード3内の圧力変化(圧力の単位時間当たりの減少量)である。V(L)は、第1の精製水素ガス供給流路23aとカソード3の各流路容積の合計である。
また、P(Pa)は、燃焼器11への精製水素ガス供給圧力であり、本実施の形態では101.325kPa(1atm)とする。
S104の10.1325MPa(100atm)とは、(数1)により求められる精製水素ガス供給流量ΔVが2.5L/minとなるカソード3内の圧力Pを実験的に取得した圧力である。
また、S106における燃焼空気流量の12.5L/minとは、燃焼器11に供給される精製水素ガス(2.5L/min)を理論的に燃焼するのに必要な燃焼空気量(理論空燃比)6.25L/minの2.0倍となる燃焼空気量である。燃焼器11に2.5L/minで供給される精製水素ガスを理論空燃比の2.0倍の燃焼空気で燃焼させると、水素生成装置10の改質触媒は400℃となる。
つまり、本実施の形態の水素生成システム100において、カソード3内の圧力Pが10.1325MPa(100atm)以上であるとき、電源5により電流を流さなければ、燃焼器11に供給される精製水素ガス供給流量ΔVが2.5L/minよりも多くなる。このため、燃焼器11での燃焼量が多くなり、水素生成装置10が過熱され、改質触媒の熱劣化や炭素析出が進行する400℃を超える。
よって、水素生成装置10の過熱を抑制するために、カソード3内の圧力Pが10.1325MPa(100atm)以上であるとき(S104をYes側に分岐するとき)に、S105でカソード3からアノード2に精製水素ガスが移動する流量が2.5L/minを超えないように、電源5に順方向の電流を流す。
順方向の電流を流すことにより、カソード3から電解質膜4を介してアノード2に透過した精製水素ガスを再びアノード2で酸化させ、カソード3で還元して精製水素ガスを生成する。順方向の電流を流すことで燃焼器11へ供給される精製水素ガスの量を2.5L/min以下とし、水素生成装置10が過熱されない、つまり、水素生成装置10の改質触媒が400℃を超えないよう制御する。
ここで、電源5に流す順方向の電流の大きさは、カソード3内の圧力Pに応じて異なり、Pが15.19875MPa(150atm)のとき、60Aである。
以上のように本実施の形態の水素生成システム100は、原料としての都市ガスと水から水素含有ガスを生成する水素生成装置10と、燃料を燃焼して水素生成装置10を加熱する燃焼器11と、燃焼器11に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器16と、電解質膜4と電解質膜4を挟んで電解質膜4の一方の面に配置されるアノード2と電解質膜4の他方の面に配置されるカソード3とで構成される電解質膜−電極接合体7を有し、アノード2に水素含有ガスを供給するとともに、アノード2とカソード3との間に所定方向の電流を流すことで、カソード3において精製水素ガスを生成する電気化学デバイス1と、電気化学デバイス1のアノード2とカソード3との間に所定方向の電流を流すための電源5と、アノード2に水素生成装置10の水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給流路21と、水素含有ガス供給流路21上に設けられ、電気化学デバイス1で精製水素ガスを生成する水素精製動作中は水素含有ガス供給流路21を開放し、水素精製動作の終了後に水素含有ガス供給流路21を閉塞する第1の開閉弁22と、アノード2から燃焼器11へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス供給流路13と、カソード3から水素利用機器の水素タンク30へ精製水素ガスを供給する精製水素ガス供給流路23と、精製水素ガス供給流路23上に設けられ、水素精製動作中は精製水素ガス供給流路23を開放し水素精製動作の終了後に精製水素ガス供給流路23を閉塞する第2の開閉弁24と、カソード3の精製水素ガスの圧力を検知する圧力検知器6と、制御器200と、を備え、制御器200が、水素精製動作の終了後に、カソード3からアノード2に透過して燃焼器11に供給される精製水素ガスの流量が、燃焼器11での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置10を過熱することにならない2.5L/min以下の流量になるように、水素精製動作の終了後に、圧力検知器6によって検知されるカソード3内の圧力Pが所定圧力10.1325MPa(100atm)以上の場合は、圧力検知器6によって検知されるカソード3内の圧力Pが所定圧力10.1325MPa(100atm)未満になるまで、カソード3からアノード2に精製水素ガスが移動する流量が2.5L/minを超えないように電源5によってアノード2とカソード3との間に電流を流すとともに、燃焼器11に供給される流量が2.5L/minの精製水素ガスを理論的に燃焼するのに必要な燃焼空気量(理論空燃比)6.25L/minの2.0倍となる12.5L/minの流量の燃焼空気が燃焼器11に供給されるように燃焼空気供給器16を制御し、圧力検知器6によって検知されるカソード3内の圧力Pが所定圧力10.1325MPa(100atm
)未満になると、電源5の電流を止めて、圧力検知器6によって検知されるカソード3内の圧力Pの単位時間当たりの減少量ΔPを基に(数1)により求められる燃焼器11に供給される精製水素ガス供給流量ΔVに応じた流量の燃焼空気が燃焼器11に供給されるように燃焼空気供給器16を制御して、カソード3から電解質膜4を透過してアノード2に移動した精製水素ガスを燃焼器11で燃焼させるように構成されている。
これにより、水素精製動作終了後に、圧力検知器6で検知するカソード3の精製水素ガスの圧力を基に、アノード2とカソード3との間に流す電源5の電流量を制御して、カソード3からアノード2に透過して燃焼器11に供給される精製水素ガスの流量を、燃焼器11での精製水素ガスの燃焼で水素生成装置10を過熱することにならない流量にするので、水素精製動作の終了後の水素生成装置10の過熱を抑制でき、水素生成システム100の耐久性が向上する。
また、水素精製動作の終了後に、カソード3からアノード2に透過する精製水素ガスの流量に応じた、適切な流量の燃焼空気を燃焼器11に供給できるので、燃焼器11で不完全燃焼が起きたり、失火したりすることなく、燃焼器11に供給される精製水素ガスを適切に燃焼処理することができる。
なお、本実施の形態では、水素生成装置10に改質触媒を備えたが、改質触媒の後段にCO低減触媒を備えてもよい。
また、本実施の形態では、水素生成装置10では水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成するとしたが、改質反応用の空気供給器を別途備えた部分酸化反応やオートサーマル反応によって水素含有ガスを生成してもよい。
また、本実施の形態では、水素利用機器として水素タンク30を用いたが、水素タンク30の代わりに水素利用機器として、水素と空気中の酸素とを利用して発電する燃料電池を用いることもできる。
以上のように、本発明の水素生成システムは、水素精製動作の終了後の水素生成装置の過熱を抑制でき、水素生成システムの耐久性が向上するので、アノードに供給される水素生成装置の水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスをカソードで生成する電気化学デバイスを備え、アノードから排出されるオフガスを水素生成装置の燃焼器で燃焼するように構成された水素生成システムで、耐久性が要求される用途に最適である。
1 電気化学デバイス
2 アノード
3 カソード
4 電解質膜
5 電源
6 圧力検知器
7 電解質膜−電極接合体
10 水素生成装置
11 燃焼器
13 アノードオフガス供給流路
14 原料供給器
15 水供給器
16 燃焼空気供給器
17 温度検知器
21 水素含有ガス供給流路
21a 第1の水素含有ガス供給流路
21b 第2の水素含有ガス供給流路
22 第1の開閉弁
23 精製水素ガス供給流路
23a 第1の精製水素ガス供給流路
23b 第2の精製水素ガス供給流路
24 第2の開閉弁
30 水素タンク
100 水素生成システム
200 制御器

Claims (3)

  1. 原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、
    燃料を燃焼して前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、
    前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、
    電解質膜と前記電解質膜を挟んで前記電解質膜の一方の面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに前記水素含有ガスを供給するとともに、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精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、
    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前記所定方向の電流を流すための電源と、
    前記アノードに前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給流路と、
    前記水素含有ガス供給流路上に設けられ、前記電気化学デバイスで前記精製水素ガスを生成する水素精製動作中は前記水素含有ガス供給流路を開放し、前記水素精製動作の終了後に前記水素含有ガス供給流路を閉塞する第1の開閉弁と、
    前記アノードから前記燃焼器へアノードオフガスを前記燃料として供給するアノードオフガス供給流路と、
    前記カソードから水素利用機器へ前記精製水素ガスを供給する精製水素ガス供給流路と、前記精製水素ガス供給流路上に設けられ、前記水素精製動作中は前記精製水素ガス供給流路を開放し、前記水素精製動作の終了後に前記精製水素ガス供給流路を閉塞する第2の開閉弁と、
    前記カソードの前記精製水素ガスの圧力を検知する圧力検知器と、
    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、前記水素精製動作の終了後に、前記カソードから前記アノードに透過して前記燃焼器に供給される前記精製水素ガスの流量が、前記燃焼器での前記精製水素ガスの燃焼で前記水素生成装置を過熱することにならない流量になるように、前記水素精製動作の終了後に、前記圧力検知器によって検知される圧力が所定圧力以上の場合には、所定圧力未満になるまで、前記圧力検知器によって検知される圧力に応じた電流量の前記所定方向の電流を前記電源によって前記アノードと前記カソードとの間に流すことを特徴とする水素生成システム。
  2. 前記制御器は、前記水素精製動作の終了後に、前記カソードから前記アノードに透過して前記燃焼器に供給される前記精製水素ガスの流量に応じて前記燃焼空気供給器による前記燃焼空気の供給流量を制御して、前記アノードに移動した前記精製水素ガスを前記燃焼器で燃焼させることを特徴とする請求項1に記載の水素生成システム。
  3. 原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、
    燃料を燃焼して前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、
    前記燃焼器に燃焼空気を供給する燃焼空気供給器と、
    電解質膜と前記電解質膜を挟んで前記電解質膜の一方の面に配置されるアノードと前記電解質膜の他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに前記水素含有ガスを供給するとともに、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精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、
    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前記所定方向の電流を流すための電源と、
    前記アノードに前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給流路と、
    前記水素含有ガス供給流路上に設けられ、前記電気化学デバイスで前記精製水素ガスを生
    成する水素精製動作中は前記水素含有ガス供給流路を開放し、前記水素精製動作の終了後に前記水素含有ガス供給流路を閉塞する第1の開閉弁と、
    前記アノードから前記燃焼器へアノードオフガスを前記燃料として供給するアノードオフガス供給流路と、
    前記カソードから水素利用機器へ前記精製水素ガスを供給する精製水素ガス供給流路と、前記精製水素ガス供給流路上に設けられ、前記水素精製動作中は前記精製水素ガス供給流路を開放し、前記水素精製動作の終了後に前記精製水素ガス供給流路を閉塞する第2の開閉弁と、
    前記カソードの前記精製水素ガスの圧力を検知する圧力検知器と、
    を備える水素生成システムの運転方法であって、
    前記水素精製動作の終了後に、前記カソードから前記アノードに透過して前記燃焼器に供給される前記精製水素ガスの流量が、前記燃焼器での前記精製水素ガスの燃焼で前記水素生成装置を過熱することにならない流量になるように、前記水素精製動作の終了後に、前記圧力検知器によって検知される圧力が所定圧力以上の場合には、所定圧力未満になるまで、前記圧力検知器によって検知される圧力に応じた電流量の前記所定方向の電流を前記電源によって前記アノードと前記カソードとの間に流すことを特徴とする水素生成システムの運転方法。
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