JP2020097507A

JP2020097507A - 水素生成システムおよびその運転方法

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Publication number: JP2020097507A
Application number: JP2018237257A
Authority: JP
Inventors: 千絵原田; Chie Harada; 繁飯山; Shigeru Iiyama; 田口　清; Kiyoshi Taguchi; 清田口
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-25

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。

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。

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_２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_２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_２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_２に応じた大きさの電流とは、カソード３内の圧力Ｐ_２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_１（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_２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_２（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_２（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_２（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_１は、（数１）により求める。

ΔＰ_２（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_２（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_１（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_１が２．５Ｌ／ｍｉｎとなるカソード３内の圧力Ｐ_２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_２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_１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_２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_２に応じて異なり、Ｐ_２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_２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_２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_２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_２の単位時間当たりの減少量ΔＰ_２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_１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

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。
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。
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。