JP2020117412A - Hydrogen production system and operation method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから純度の高い水素を生成する水素生成システムとその運転方法に関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generation system for generating high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas using an electrochemical device and a method for operating the same.
この種の水素生成システムは、プロトン透過性の電解質膜がアノードとカソードの間に配置された電解質膜−電極接合体を有する電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、高純度の水素を生成するシステムである。 This type of hydrogen generation system utilizes an electrochemical reaction from a hydrogen-containing gas using an electrochemical device having an electrolyte membrane-electrode assembly in which a proton-permeable electrolyte membrane is arranged between an anode and a cathode. , A system that produces high-purity hydrogen.
電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給し、アノード側がカソード側よりも高電位になるようにして、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すと、アノードでは、(化1)に示す水素がプロトン(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)に示すプロトン(H+)と電子から水素が生成する還元反応が起こる。 When a hydrogen-containing gas is supplied to the anode of the electrochemical device so that the anode side has a higher potential than the cathode side, and a current in a predetermined direction is passed between the anode and the cathode, An oxidation reaction occurs in which hydrogen shown is dissociated into protons (H + ) and electrons, and a reduction reaction occurs in the cathode, where hydrogen is produced from the protons (H + ) shown in (Formula 2 ) and electrons.
ここで、アノードとカソードとの間に流す電流値を大きくすると、カソードで生成される水素量が多くなり、逆に、アノードとカソードとの間に流す電流値を小さくすると、カソードで生成される水素量は少なくなる。 Here, when the value of the current flowing between the anode and the cathode is increased, the amount of hydrogen generated at the cathode is increased, and conversely, when the value of the current flowing between the anode and the cathode is decreased, the hydrogen is generated at the cathode. The amount of hydrogen decreases.
上記水素生成システム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炭化水素系の燃料、例えば13Aガスやプロパンガス等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。ここで生成された水素含有ガスには、窒素や一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニアなどの不純物が含まれており、水素純度が低い。 The hydrogen-containing gas supplied to the hydrogen generation system is obtained by steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming of a hydrocarbon-based fuel such as 13A gas or propane gas by a fuel processor. Is generated. The hydrogen-containing gas generated here contains impurities such as nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and ammonia, and has a low hydrogen purity.
例えば、特許文献1では、純度の低い水素含有ガスを電気化学デバイスのアノードに供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の直流電流を流すことで、水素導出口から純度の高い水素を導出する方法が開示されている。
For example, in
しかしながら、前記従来の構成では、要求される水素量に基づいて通電する電流値を決定していない。このため、電気化学デバイスに流す電流値が供給する水素含有ガスに含まれる水素量より小さい場合は、アノードから水素を含むガスが無駄に排出されるという課
題を有していた。
However, in the above-mentioned conventional configuration, the current value to be applied is not determined based on the required amount of hydrogen. Therefore, when the value of the current passed through the electrochemical device is smaller than the amount of hydrogen contained in the supplied hydrogen-containing gas, there is a problem that the gas containing hydrogen is wastefully discharged from the anode.
また、電気化学デバイスに流す電流値が供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して大きい場合は、アノードでは(化1)の反応式で示す水素が欠乏した状態となるので、水素の欠乏を補うため、(化3)の反応式に示す反応が起きる。 Further, when the value of the current flowing through the electrochemical device is large with respect to the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas supplied, the hydrogen becomes deficient in the anode because the hydrogen expressed by the reaction formula (Formula 1) is deficient. In order to compensate for the above, the reaction shown in the reaction formula (Formula 3) occurs.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素欠乏によるアノードの触媒劣化を抑制し、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を安定して生成することができる水素生成システムと、その運転方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and suppresses the catalyst deterioration of the anode due to hydrogen deficiency, and it is possible to stably generate high-purity hydrogen without wastefully discharging a mixed gas containing hydrogen. An object of the present invention is to provide a hydrogen generation system that can be performed and a method of operating the hydrogen generation system.
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、第1電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第1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、アノードから第1電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、第1電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第1電極と第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段が第1電極に水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、第1電極から排出された水素含有ガスがアノードに供給され、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードから第1電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有オフガスが第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器が、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段に供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更するように構成されているものである。 In order to solve the conventional problems, the hydrogen generation system of the present invention has a first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, and supplies a hydrogen-containing gas to the anode, An electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by passing a current from the anode to the cathode through the first electrolyte membrane, and a second electrolyte membrane-electrode in which the second electrolyte membrane is sandwiched between the first electrode and the second electrode. An electrochemical sensor having a joined body, a gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the first electrode, a voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode, a power supply for supplying a current, and control And a gas supply means supplies the hydrogen-containing gas to the first electrode and the power source is passing an electric current, the hydrogen-containing gas discharged from the first electrode is supplied to the anode and is supplied to the anode. In a hydrogen generating system configured to discharge hydrogen-containing off gas discharged from the anode without passing through the anode from the anode through the first electrolyte membrane among the hydrogen-containing gas via the second electrode. Therefore, when the controller starts the hydrogen generation operation using the electrochemical device, it is calculated based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means after causing the gas supply means to perform the supply operation. When the voltage value measured by the voltmeter does not meet the specified conditions, the current value of the current supplied by the power source is based on the voltage value. It is configured to change.
これによって、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対し、電気化学デバイスに流す電流の電流量(電流値)を高精度で決定(補正)するので、高純度の水素を高効率で生成することができるとともに、アノードの触媒の劣化が抑制され、耐久性を向上させることができる。 With this, the current amount (current value) of the current flowing through the electrochemical device is accurately determined (corrected) with respect to the hydrogen amount contained in the hydrogen-containing gas to be supplied, so that highly pure hydrogen is generated with high efficiency. In addition, deterioration of the anode catalyst can be suppressed, and durability can be improved.
これは以下のように説明できる。電気化学センサーの第1電極には、水素含有ガスが供給され、電気化学センサーの第2電極には電気化学デバイスからの水素含有オフガスが供給される。電気化学センサーの第1電極と第2電極との間の電圧は、電極間の水素分圧の違いにより発生し、(数1)に示すネルンスト式により求めることができる。 This can be explained as follows. A hydrogen-containing gas is supplied to the first electrode of the electrochemical sensor, and a hydrogen-containing off-gas from the electrochemical device is supplied to the second electrode of the electrochemical sensor. The voltage between the first electrode and the second electrode of the electrochemical sensor is generated due to the difference in hydrogen partial pressure between the electrodes, and can be determined by the Nernst equation shown in (Equation 1).
体定数、Tは電気化学センサーの絶対温度、Fはファラデー定数、PH2(2)は第2電極の水素分圧、PH2(1)は第1電極の水素分圧である。
よって、水素含有オフガスに含まれる水素濃度が変化すれば、電気化学センサーの第1電極と第2電極との間の電圧が変化する。この電圧の変化を検知し電気化学デバイスに流す電流の電流値を決定(補正)することにより、水素含有オフガスに含まれる水素濃度を制御することで、高純度の水素を高効率で生成することができるとともに、アノード触媒の劣化を抑制し、耐久性を向上させることができる。 Therefore, if the hydrogen concentration contained in the hydrogen-containing off gas changes, the voltage between the first electrode and the second electrode of the electrochemical sensor changes. By detecting the change in this voltage and determining (correcting) the current value of the current flowing through the electrochemical device, the hydrogen concentration contained in the hydrogen-containing off-gas is controlled, so that high-purity hydrogen is generated with high efficiency. In addition, it is possible to suppress deterioration of the anode catalyst and improve durability.
また、別の本発明の水素生成システムは、第1電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第1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、アノードから第1電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第1電極に空気を供給する空気供給手段と、第1電極と第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段がアノードに水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードから第1電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有ガスが第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器が、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段と空気供給手段とに供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更するように構成されているものである。 Further, another hydrogen generating system of the present invention has a first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, and supplies a hydrogen-containing gas to the anode, It has an electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by passing a current through the electrolyte membrane to the cathode, and a second electrolyte membrane-electrode assembly in which the second electrolyte membrane is sandwiched between the first electrode and the second electrode. An electrochemical sensor, a gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the anode, an air supply means for supplying air to the first electrode, and a voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode, A first power supply for supplying an electric current and a controller are provided, and when the gas supply unit supplies the hydrogen-containing gas to the anode and the power supply is supplying the electric current, the first hydrogen-containing gas from the anode is supplied from the anode. A hydrogen generation system configured such that a hydrogen-containing gas discharged from an anode without permeating to a cathode through an electrolyte membrane is discharged via a second electrode, wherein a controller controls an electrochemical device. When the hydrogen generating operation is started using the gas supply means and the air supply means, the current is calculated based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means. When the voltage is measured by the voltmeter while being supplied to the power supply and the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy the predetermined condition, the current value of the current supplied by the power supply is changed based on the voltage value. Is what
これによって、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を、酸化剤ガスを用いることでより高精度で決定(補正)するので、高純度の水素を高効率で生成することができるとともに、耐久性をより向上させることができる。 As a result, the current value of the current flowing through the electrochemical device relative to the amount of hydrogen contained in the supplied hydrogen-containing gas is determined (corrected) with higher accuracy by using the oxidant gas, so that highly pure hydrogen can be produced with high efficiency. It is possible to improve the durability as well as to be produced by.
本発明の水素生成システムは、電気化学デバイスに流す電流の電流値を、電圧計により計測された電気化学センサーの電圧により決定(補正)するので、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を安定して生成することができる。 Since the hydrogen generation system of the present invention determines (corrects) the current value of the current passed through the electrochemical device based on the voltage of the electrochemical sensor measured by the voltmeter, it does not wastefully discharge the mixed gas containing hydrogen. Thus, high-purity hydrogen can be stably generated.
また、本発明の水素生成システムは、電気化学デバイスに流す電流の電流値を、電圧計により計測された電気化学センサーの電圧により決定(補正)するので、水素欠乏によるアノードの触媒劣化を抑制できる。これにより、耐久性が高く、メンテナンス頻度の少ない水素生成システムを提供することができる。 Further, the hydrogen generation system of the present invention determines (corrects) the current value of the current passed through the electrochemical device based on the voltage of the electrochemical sensor measured by the voltmeter, so that the catalyst deterioration of the anode due to hydrogen deficiency can be suppressed. .. This makes it possible to provide a hydrogen generation system having high durability and low maintenance frequency.
第1の本発明は、第1電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第1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、アノードから第1電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、第1電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第1電極と第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段が第1電極に水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、第1電極から排出された水素含有ガスがアノードに供給され、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードから第1電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有オフガスが第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器が、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段に供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムである。 A first aspect of the present invention has a first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and from the anode through the first electrolyte membrane. An electrochemical device having an electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by passing an electric current through the cathode, and an electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode, The gas supply means comprises a gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the first electrode, a voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode, a power supply for supplying an electric current, and a controller. Is supplying a hydrogen-containing gas to the first electrode and the power supply is passing an electric current, the hydrogen-containing gas discharged from the first electrode is supplied to the anode, and the hydrogen-containing gas supplied to the anode is supplied from the anode. A hydrogen generation system configured such that hydrogen-containing off-gas discharged from an anode without permeating to a cathode via a first electrolyte membrane is discharged via a second electrode, wherein the controller is an electrochemical device. When starting the hydrogen generation operation using the device, after the gas supply means is caused to perform a supply operation, a current having a current value calculated based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means is supplied to the power supply. In addition, the voltage is measured by the voltmeter, and if the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy the predetermined condition, the current value of the current supplied by the power supply is changed based on the voltage value. System.
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を高精度で決定(補正)するので、高純度の水素を高効率で生成することができる。 Thus, the current value of the current flowing through the electrochemical device with respect to the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas to be supplied is determined (corrected) with high accuracy, so that highly pure hydrogen can be produced with high efficiency.
第2の本発明は、特に、第1の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第1所定値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直すことを特徴とする水素生成システムである。 In the second aspect of the present invention, in particular, when the controller of the first aspect of the present invention reduces the current value of the current passed by the power source when the voltage value measured by the voltmeter exceeds the first predetermined value, The hydrogen generation system is characterized in that the voltage is measured again by the voltmeter.
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイスに流す電流が過大にならないため、水素欠乏の発生を抑制することができる。このため、アノードの触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システムとすることができる。 Accordingly, the current flowing through the electrochemical device does not become excessive with respect to the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas to be supplied, so that the occurrence of hydrogen deficiency can be suppressed. Therefore, the deterioration of the catalyst of the anode can be more reliably suppressed, and the hydrogen generation system with higher durability can be obtained.
第3の本発明は、特に、第1の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が所定上限値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直し、電圧計により計測される電圧値が所定下限値未満の場合は、電源が流す電流の電流値を大きくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直すことを特徴とする水素生成システムである。 In a third aspect of the present invention, in particular, when the voltage value measured by the voltmeter exceeds a predetermined upper limit value, the controller in the first aspect of the present invention reduces the current value of the current passed by the power source and then reduces the voltage. When the voltage value measured by the voltmeter is redone and the voltage value measured by the voltmeter is less than the predetermined lower limit value, the current value of the current flowing from the power supply is increased and then the voltage measurement by the voltmeter is redone. It is a hydrogen generation system that does.
これにより、電気化学デバイスに供給する水素含有ガスの含まれる水素量に基づいて算出された電流値をより高精度に補正することができるので、信頼性の高い水素生成システムとすることができる。 As a result, the current value calculated based on the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas supplied to the electrochemical device can be corrected with higher accuracy, and a highly reliable hydrogen generation system can be obtained.
第4の本発明は、特に、第1の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第2所定値を超えた場合は、異常を報知する、又は運転を停止する、もしくはガス供
給手段から供給される水素含有ガス量を増加させることを特徴とする水素生成システムである。
In a fourth aspect of the present invention, particularly, when the voltage value measured by the voltmeter exceeds a second predetermined value, the controller in the first aspect of the present invention reports an abnormality or stops the operation, or A hydrogen generation system characterized by increasing the amount of hydrogen-containing gas supplied from a gas supply means.
これにより、異常が発生した場合には、安全に停止することができる、もしくはガス供給手段からの水素含有ガス供給量を増やすことで異常状態から正常状態に移行することがき、より信頼性の高い水素生成システムとすることができる。 With this, when an abnormality occurs, it can be stopped safely, or the abnormal state can be changed to the normal state by increasing the hydrogen-containing gas supply amount from the gas supply means, which is more reliable. It can be a hydrogen generation system.
第5の本発明は、第1電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第1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、アノードから第1電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第1電極に空気を供給する空気供給手段と、第1電極と第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段がアノードに水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードから第1電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有ガスが第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器は、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段と空気供給手段とに供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムである。 A fifth aspect of the present invention has a first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and from the anode through the first electrolyte membrane. An electrochemical device having an electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by passing an electric current through the cathode, and an electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode, Gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the anode, air supply means for supplying air to the first electrode, a voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode, and a power supply for supplying a current. A controller, wherein the gas supply means supplies the hydrogen-containing gas to the anode and the power source is passing an electric current, and among the hydrogen-containing gas supplied to the anode from the anode through the first electrolyte membrane. A hydrogen generation system configured to discharge a hydrogen-containing gas discharged from an anode without passing through a cathode via a second electrode, wherein the controller uses an electrochemical device to generate hydrogen. At the start of, the gas supply means and the air supply means are caused to perform a supply operation, and then a current having a current value calculated based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means is caused to flow in the power source. In a hydrogen generation system, the voltage is measured by a voltmeter, and if the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy a predetermined condition, the current value of the current supplied by the power supply is changed based on the voltage value. is there.
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を、酸化剤ガスを用いることでより高精度で決定(補正)するので、高純度の水素を高効率で生成することができる。 As a result, the current value of the current flowing through the electrochemical device with respect to the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas to be supplied is determined (corrected) with higher accuracy by using the oxidant gas, so that highly pure hydrogen can be produced with high efficiency. Can be generated with.
第6の本発明は、特に、第5の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第1所定値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直すことを特徴とする水素生成システムである。 In a sixth aspect of the present invention, in particular, when the voltage value measured by the voltmeter exceeds the first predetermined value, the controller of the fifth aspect of the present invention reduces the current value of the current supplied by the power source, The hydrogen generation system is characterized in that the voltage is measured again by the voltmeter.
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイスに流す電流が過大にならないため、水素欠乏の発生を抑制することができる。そのため、アノードの触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システムとすることができる。 Accordingly, the current flowing through the electrochemical device does not become excessive with respect to the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas to be supplied, so that the occurrence of hydrogen deficiency can be suppressed. Therefore, the deterioration of the catalyst of the anode can be more surely suppressed, and the hydrogen generation system having higher durability can be obtained.
第7の本発明は、特に、第5の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が所定上限値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直し、電圧計により計測される電圧値が所定下限値未満の場合は、電源が流す電流の電流値を大きくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直すことを特徴とする水素生成システムである。 In a seventh aspect of the present invention, in particular, when the voltage value measured by the voltmeter exceeds a predetermined upper limit value, the controller in the fifth aspect of the present invention reduces the current value of the current passed by the power source and then reduces the voltage. When the voltage value measured by the voltmeter is redone and the voltage value measured by the voltmeter is less than the predetermined lower limit value, the current value of the current flowing from the power supply is increased and then the voltage measurement by the voltmeter is redone. It is a hydrogen generation system that does.
これにより、電気化学デバイスに供給する水素含有ガスの含まれる水素量に基づいて算出された電流値をより高精度に補正することができるので、より信頼性の高い水素生成システムとすることができる。 Accordingly, the current value calculated based on the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas supplied to the electrochemical device can be corrected with higher accuracy, so that a more reliable hydrogen generation system can be obtained. ..
第8の本発明は、特に、第5の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第2所定値を超えた場合は、異常を報知する、又は運転を停止する、もしくはガス供給手段から供給される水素含有ガス量を増加させることを特徴とする水素生成システムである。 According to an eighth aspect of the present invention, in particular, when the voltage value measured by the voltmeter exceeds a second predetermined value, the controller according to the fifth aspect of the present invention notifies the abnormality or stops the operation, or A hydrogen generation system characterized by increasing the amount of hydrogen-containing gas supplied from a gas supply means.
これにより、異常が発生した場合には、安全に停止することができる、もしくはガス供給手段からの水素含有ガス供給量を増やすことで異常状態から正常状態に移行することがき、信頼性の高い水素生成システムとすることができる。 With this, when an abnormality occurs, it can be stopped safely, or an abnormal state can be changed to a normal state by increasing the amount of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means. It can be a generation system.
第9の本発明は、第1電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第1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、アノードから第1電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、第1電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第1電極と第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、を備え、ガス供給手段が第1電極に水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、第1電極から排出された水素含有ガスがアノードに供給され、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードから第1電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有オフガスが第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段に供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムの運転方法である。 A ninth aspect of the present invention has a first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and from the anode through the first electrolyte membrane. An electrochemical device having an electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by passing an electric current through the cathode, and an electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode, Gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the first electrode, a voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode, and a power supply for supplying a current, the gas supply means is the first electrode The hydrogen-containing gas discharged from the first electrode is supplied to the anode when the hydrogen-containing gas is supplied to the anode and the power source is flowing an electric current, and the first electrolyte membrane is supplied from the anode among the hydrogen-containing gas supplied to the anode. A method for operating a hydrogen generation system configured to discharge hydrogen-containing off-gas discharged from an anode via a second electrode without passing through a cathode through a cathode. When starting the generation operation, the gas supply means is caused to perform a supply operation, and then a current having a current value calculated based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means is caused to flow through the power supply, and a voltmeter is also provided. Voltage is measured by the voltmeter, and if the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy the predetermined condition, the current value of the current supplied by the power supply is changed based on the voltage value. is there.
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を高精度で決定(補正)する運転方法となるので、高純度の水素を高効率で生成することができる。 As a result, it becomes an operating method that determines (corrects) the current value of the current flowing in the electrochemical device with respect to the amount of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas to be supplied with high accuracy, so that highly pure hydrogen can be produced with high efficiency. it can.
第10の本発明は、第1電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第1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、アノードから第1電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第1電極に空気を供給する空気供給手段と、第1電極と第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、を備え、ガス供給手段がアノードに水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードから第1電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有ガスが第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段と空気供給手段とに供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムの運転方法である。 A tenth aspect of the present invention has a first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and through the first electrolyte membrane from the anode. An electrochemical device having an electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by passing an electric current through the cathode, and an electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode, Gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the anode, air supply means for supplying air to the first electrode, a voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode, and a power supply for supplying a current. And, when the gas supply means supplies the hydrogen-containing gas to the anode and the power source is passing an electric current, the hydrogen-containing gas supplied to the anode is permeated from the anode to the cathode through the first electrolyte membrane. A method of operating a hydrogen generation system configured such that a hydrogen-containing gas discharged from an anode without being discharged via a second electrode is provided when starting a hydrogen generation operation using an electrochemical device. After making the gas supply means and the air supply means perform the supply operation, a current having a current value calculated based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means is caused to flow through the power supply, and the voltage is measured by the voltmeter. Is measured, and when the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy the predetermined condition, the current value of the current passed by the power source is changed based on the voltage value.
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を、酸化剤ガスを用いることでより高精度で決定(補正)する運転方法となるので、高純度の水素を高効率で生成することができる。 Accordingly, the current value of the current flowing through the electrochemical device with respect to the amount of hydrogen contained in the supplied hydrogen-containing gas becomes an operating method that determines (corrects) with higher accuracy by using the oxidant gas. Hydrogen can be produced with high efficiency.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. 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構成を示すブロック図
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の制御処理を示すフローチャートである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen generation system according to
図1に示すように、本実施の形態の水素生成システム1は、電気化学デバイス2と、電気化学センサー3と、ガス供給手段7と、電圧計6と、電源4と、制御器5とで構成されている。
As shown in FIG. 1, the
電気化学デバイス2は、第1電解質膜8をアノード10とカソード11とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体9を有する。
The
第1電解質膜8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である。
The
アノード10とカソード11は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第1電解質膜8の両主面に塗布形成したものである。
The
電源4は、アノード10に水素含有ガスが供給されているときに、アノード10において酸化反応が起こり、酸化反応で発生したプロトンが第1電解質膜8を透過してカソード11に移動し、カソード11において、還元反応が起こって、水素が生成されるように、アノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に電流を流すための直流電源であり、電源4のプラス端子がアノード10に電気的に接続され、電源4のマイナス端子がカソード11に電気的に接続されている。
In the
電気化学センサー3は、第2電解質膜12を第1電極14と第2電極15とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体13を有する。
The
第2電解質膜12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である。
The
第1電極14と第2電極15は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第2電解質膜12の両主面に塗布形成したものである。
The
ガス供給手段7は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素含有ガスを生成する燃料改質器であり、水素の含有比率が80%で二酸化炭素の含有比率が20%の水素含有ガスを、水素含有ガス供給一次配管16、第1電極14、水素含有ガス供給二次配管17を経由させて、アノード10に供給する。なお、含有比率の数値は、水素含有ガスに含まれる水蒸気を考慮していない数値である。
The gas supply means 7 is a fuel reformer that produces a humidified hydrogen-containing gas from a city gas by using a reforming reaction, and hydrogen having a hydrogen content rate of 80% and a carbon dioxide content rate of 20%. The contained gas is supplied to the
アノード10に供給された水素含有ガスのうちでカソード11に移動(透過)せずにアノード10から排出される水素含有オフガスは、水素含有オフガス配管18、第2電極15、水素含有オフガス排出配管20を経由して排出される。
Of the hydrogen-containing gas supplied to the
電圧計6は、電気化学センサー3の第1電極14と第2電極15との間の電圧を計測する。
The
ガス供給手段7と、電気化学センサー3の第1電極14とは、水素含有ガスを供給するための水素含有ガス供給一次配管16で接続されている。また、電気化学センサー3の第1電極14と電気化学デバイス2のアノード10とは、水素含有ガス供給二次配管17で
接続されている。
The gas supply means 7 and the
電気化学デバイス2のアノード10と、電気化学センサー3の第2電極15とは、水素含有オフガス配管18で接続されている。さらに、電気化学デバイス2には、カソード11で生成された水素を排出する生成水素排出配管19が、電気化学センサー3の第2電極15には、水素含有オフガスを排出する水素含有オフガス排出配管20が、それぞれ接続されている。
The
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1について、図1を参照しながら、その動作、作用を、図2を用いて説明する。
The operation and action of the
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段7より、水素含有ガス供給一次配管16、電気化学センサー3の第1電極14、水素含有ガス供給二次配管17を経由して、電気化学デバイス2のアノード10へ供給し(S001)、電源4をONにする(S002)。
First, the hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 7 through the hydrogen-containing gas supply
次に、ガス供給手段7から供給される水素含有ガスの供給量F(L/min)と水素ガス濃度Yとから、水素含有ガスに含まれる水素量H(L/min)を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により(数2)を用いて電気化学デバイス2へ流す電流値C(A)を算出する(S003)。
Next, the amount H (L/min) of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is calculated from the amount F (L/min) of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 7 and the concentration Y of hydrogen gas. Further, according to Faraday's law of electrolysis, the current value C(A) flowing to the
次に、電圧計6で電気化学センサー3の第1電極14と第2電極15との間の電圧を測定し、測定した値を測定値V(V)とする(S005)。
Next, the voltage between the
次に、測定値V(V)が、基準電圧V0(V)よりも小さいか否かを判定する(S006)。そして、測定値V(V)が、基準電圧V0(V)以下の場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流の電流値Cを変えずに、S006の判定を繰り返し、測定値V(V)が基準電圧V0(V)よりも大きい場合は、S007に移行する。本実施の形態では、V0は30mVとする。次に、電源4で設定する電流値Cを1%小さくし(S007)、再びS005に戻る。
Next, it is determined whether the measured value V (V) is smaller than the reference voltage V0 (V) (S006). When the measured value V (V) is equal to or lower than the reference voltage V0 (V), the determination of S006 is repeated without changing the current value C of the current that the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム1は、第1電解質膜8をアノード10とカソード11とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体9を有し、アノード10に水素含有ガスを供給するとともに、アノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に電流を流すことで、カソード11において水素を生成する電気化学デバイス2と、第2電解質膜12を第1電極14と第2電極15とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体13を有する電気化学センサー3と、第1電極14に水素含有ガスを供給するガス供給手段7と、第1電極14と第2電極15との間の電圧を計測する電圧計6と、アノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に電流を流す電源4と、制御器5と、ガス供給手段7から第1電極14に水素含有ガスを供給可能にガス供給手段7と第1電極14を接続する水素含有ガス供給一次配管16と、第1電極14からアノード10に水素含有ガスを供給可能に第1電極14とアノード10を接続する水素含有ガス供給二次配管17と、アノード10から第2電極15に水素含有オフガスを供給可能にアノード10と第2電極15を接続する水素含有オフガス配管18と、カソード11で生成された水素をカソード11から排出
する生成水素排出配管19と、第2電極15に供給された水素含有オフガスを第2電極15から排出する水素含有オフガス排出配管20と、を備え、ガス供給手段7が第1電極14に水素含有ガスを供給し電源4が電流を流しているときに、第1電極14から排出された水素含有ガスがアノード10に供給され、アノード10に供給された水素含有ガスのうちでアノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に透過せずにアノード10から排出される水素含有オフガスが第2電極15を経由して排出されるように構成された水素生成システム1である。
As described above, the
そして、制御器5が、電気化学デバイス2を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段7に供給動作をさせた後に、ガス供給手段7から供給される水素含有ガスの供給量Fと水素ガス濃度Yを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Hから算出した電流値Cの電流を電源4に流させるとともに、電圧計6により第1電極14と第2電極15との間の電圧を計測し、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0以下であれば、電源4が電気化学デバイス2に流す電流の電流値Cを変えずに、電圧計6により電圧を計測する工程に戻り、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0を超える場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流の電流値Cを1%小さくしてから、電圧計6による電圧の計測をやり直し、このやり直しを電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0以下になるまで繰り返すのである。
Then, when the
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイス2に流す電流が過大にならなくなり、水素欠乏の発生を抑制することができる。
This prevents the current flowing through the
そのため、アノード10の触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システム1を提供することができる。
Therefore, the deterioration of the catalyst of the
また、水素を含む混合ガスを無駄に排出されないため、高純度の水素を安定して生成する水素生成システム1を提供することができる。
Further, since the mixed gas containing hydrogen is not wastefully discharged, it is possible to provide the
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図1に示す実施の形態1の水素生成システム1の概略構成を示すブロック図と同じである。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1の制御処理を示すフローチャートである。
(Embodiment 2)
The block diagram showing the schematic configuration of the hydrogen generation system of the second embodiment of the present invention is the same as the block diagram showing the schematic configuration of the
なお、本実施の形態において、実施の形態1の水素生成システム1と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
In addition, in the present embodiment, the same components as those of the
本実施の形態2の水素生成システム1について、図1を参照しながら、その動作、作用を、図3を用いて説明する。
The operation and action of the
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段7より、水素含有ガス供給一次配管16、電気化学センサー3の第1電極14、水素含有ガス供給二次配管17を経由して、電気化学デバイス2のアノード10へ供給し(S101)、電源4をONにする(S102)。
First, the hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 7 through the hydrogen-containing gas supply
次に、ガス供給手段7から供給される水素含有ガスの供給量F(L/min)と水素ガス濃度Yとから、水素含有ガスに含まれる水素量H(L/min)を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により(数2)を用いて電気化学デバイス2へ流す電流値C(A)を算出する(S103)。
Next, the amount H (L/min) of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is calculated from the amount F (L/min) of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 7 and the concentration Y of hydrogen gas. Further, according to Faraday's law of electrolysis, the current value C(A) flowing into the
次に、電源4により、電気化学デバイス2のアノード10から第1電解質膜8を介して
カソード11へ、算出された電流値C(A)の電流を流す(S104)。
Next, the
次に、電圧計6で電気化学センサー3の第1電極14と第2電極15との間の電圧を測定し、測定した値を測定値V(V)とする(S105)。
Next, the voltage between the
次に、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入るか否かを判定する(S106)。ここで、α(V)は許容電圧値である。本実施の形態では、V0は30mVで、αは3mVとする。 Next, it is determined whether the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V) (S106). Here, α(V) is an allowable voltage value. In this embodiment, V0 is 30 mV and α is 3 mV.
そして、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入る場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流の電流値Cを変えずに、S106の判定を繰り返し、基準電圧V0(V)±α(V)の範囲外の場合は、S107に移行して、測定値V(V)が、基準電圧V0+α(V)よりも大きいか否かを判定する(S107)。
When the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V), the determination of S106 is made without changing the current value C of the current supplied from the
そして、測定値V(V)が、基準電圧V0+α(V)よりも大きい場合は、S108に移行して、電気化学デバイス2に流す電流値Cを1%小さくし(S108)、S105に戻る。また、S107の判定で、測定値V(V)が、基準電圧V0−α(V)よりも小さい(基準電圧V0+α(V)よりも大きくない)場合はS109に移行して、電気化学デバイス2に流す電流値Cを1%大きくし(S109)、S105に戻る。
When the measured value V (V) is larger than the reference voltage V0+α (V), the process proceeds to S108, the current value C flowing in the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム1は、第1電解質膜8をアノード10とカソード11とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体9を有し、アノード10に水素含有ガスを供給するとともに、アノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に電流を流すことで、カソード11において水素を生成する電気化学デバイス2と、第2電解質膜12を第1電極14と第2電極15とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体13を有する電気化学センサー3と、第1電極14に水素含有ガスを供給するガス供給手段7と、第1電極14と第2電極15との間の電圧を計測する電圧計6と、アノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に電流を流す電源4と、制御器5と、ガス供給手段7から第1電極14に水素含有ガスを供給可能にガス供給手段7と第1電極14を接続する水素含有ガス供給一次配管16と、第1電極14からアノード10に水素含有ガスを供給可能に第1電極14とアノード10を接続する水素含有ガス供給二次配管17と、アノード10から第2電極15に水素含有オフガスを供給可能にアノード10と第2電極15を接続する水素含有オフガス配管18と、カソード11で生成された水素をカソード11から排出する生成水素排出配管19と、第2電極15に供給された水素含有オフガスを第2電極15から排出する水素含有オフガス排出配管20と、を備え、ガス供給手段7が第1電極14に水素含有ガスを供給し電源4が電流を流しているときに、第1電極14から排出された水素含有ガスがアノード10に供給され、アノード10に供給された水素含有ガスのうちでアノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に透過せずにアノード10から排出される水素含有オフガスが第2電極15を経由して排出されるように構成された水素生成システム1である。
As described above, the
そして、制御器5が、電気化学デバイス2を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段7に供給動作をさせた後に、ガス供給手段7から供給される水素含有ガスの供給量Fと水素ガス濃度Yを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Hから算出した電流値Cの電流を電源4に流させるとともに、電圧計6により第1電極14と第2電極15との間の電圧を計測し、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0±α(V)の範囲内に入る場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流の電流値Cを変えずに、電圧計6により電圧を計測する工程に戻り、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0+α(V)よりも大きい場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流値Cを1%小さくしてから、電圧計6による電圧の計測をやり直し、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電
圧V0−α(V)よりも小さい場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流値Cを1%大きくしてから、電圧計6による電圧の計測をやり直すのである。
Then, when the
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイス2に流す電流値を高精度で決定するので、高純度の水素を高効率で生成する水素生成システム1を提供することができる。
As a result, the value of the current flowing through the
また、水素欠乏によるアノード10の触媒の劣化をより確実に抑制することができるので、より耐久性の高い水素生成システム1を提供することができる。
Further, deterioration of the catalyst of the
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図1に示す実施の形態1の水素生成システム1の概略構成を示すブロック図と同じである。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1の制御処理を示すフローチャートである。
(Embodiment 3)
The block diagram showing the schematic configuration of the hydrogen generation system of
なお、本実施の形態において、実施の形態1の水素生成システム1と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
In addition, in the present embodiment, the same components as those of the
本実施の形態3の水素生成システム1について、図1を参照しながら、その動作、作用を、図4を用いて説明する。
The operation and action of the
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段7より、水素含有ガス供給一次配管16、電気化学センサー3の第1電極14、水素含有ガス供給二次配管17を経由して、電気化学デバイス2のアノード10へ供給し(S201)、電源4をONにする(S202)。
First, the hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 7 through the hydrogen-containing gas supply
次に、ガス供給手段7から供給される水素含有ガスの供給量F(L/min)と水素ガス濃度Yとから、水素含有ガスに含まれる水素量H(L/min)を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により(数2)を用いて電気化学デバイス2へ流す電流値C(A)を算出する(S203)。
Next, the amount H (L/min) of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is calculated from the amount F (L/min) of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 7 and the concentration Y of hydrogen gas. Further, according to Faraday's law of electrolysis, the current value C(A) flowing to the
次に、電源4により、電気化学デバイス2のアノード10から第1電解質膜8を介してカソード11へ、算出された電流値C(A)の電流を流す(S204)。
Next, the
次に、電圧計6で電気化学センサー3の第1電極14と第2電極15との間の電圧を測定し、測定した値を測定値V(V)とする(S205)。
Next, the voltage between the
次に、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入るか否かを判定する(S206)。ここで、α(V)は許容電圧値である。本実施の形態では、V0は30mVで、αは3mVとする。 Next, it is determined whether the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V) (S206). Here, α(V) is an allowable voltage value. In this embodiment, V0 is 30 mV and α is 3 mV.
そして、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入る場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流の電流値Cを変えずに、S206の判定を繰り返し、基準電圧V0(V)±α(V)の範囲外の場合には、電源4の電流値を0にして(S207)、電源4をOFFにし(S208)、ガス供給手段7から電気化学デバイス2への水素含有ガスの供給を停止する(S209)。
When the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V), the determination in S206 is made without changing the current value C of the current supplied from the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム1は、第1電解質膜8をアノード10とカソード11とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体9を有し、アノード10に水素含有ガスを供給するとともに、アノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に電流
を流すことで、カソード11において水素を生成する電気化学デバイス2と、第2電解質膜12を第1電極14と第2電極15とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体13を有する電気化学センサー3と、第1電極14に水素含有ガスを供給するガス供給手段7と、第1電極14と第2電極15との間の電圧を計測する電圧計6と、アノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に電流を流す電源4と、制御器5と、ガス供給手段7から第1電極14に水素含有ガスを供給可能にガス供給手段7と第1電極14を接続する水素含有ガス供給一次配管16と、第1電極14からアノード10に水素含有ガスを供給可能に第1電極14とアノード10を接続する水素含有ガス供給二次配管17と、アノード10から第2電極15に水素含有オフガスを供給可能にアノード10と第2電極15を接続する水素含有オフガス配管18と、カソード11で生成された水素をカソード11から排出する生成水素排出配管19と、第2電極15に供給された水素含有オフガスを第2電極15から排出する水素含有オフガス排出配管20と、を備え、ガス供給手段7が第1電極14に水素含有ガスを供給し電源4が電流を流しているときに、第1電極14から排出された水素含有ガスがアノード10に供給され、アノード10に供給された水素含有ガスのうちでアノード10から第1電解質膜8を介してカソード11に透過せずにアノード10から排出される水素含有オフガスが第2電極15を経由して排出されるように構成された水素生成システム1である。
As described above, the
そして、制御器5が、電気化学デバイス2を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段7に供給動作をさせた後に、ガス供給手段7から供給される水素含有ガスの供給量Fと水素ガス濃度Yを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Hから算出した電流値Cの電流を電源4に流させるとともに、電圧計6により第1電極14と第2電極15との間の電圧を計測し、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0±α(V)の範囲内に入る場合は、電源4が電気化学デバイス2に流す電流の電流値Cを変えずに、電圧計6により電圧を計測する工程に戻り、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0±α(V)の範囲を外れた場合は、電源4による電流と、ガス供給手段7による水素含有ガスの供給を停止するのである。
Then, when the
これにより、異常が発生した場合には、安全に停止することができ、信頼性の高い水素生成システム1を提供することができる。
As a result, when an abnormality occurs, it can be stopped safely, and the highly reliable
なお、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0+α(V)よりも大きい場合は、ガス供給手段7からの水素含有ガス供給量を増やし、電圧計6による電圧の測定値Vが基準電圧V0−α(V)よりも小さい場合は、ガス供給手段7からの水素含有ガス供給量を減らすことで異常状態から正常状態に移行させるようにしても、信頼性の高い水素生成システム1を提供することができる。
When the voltage measurement value V measured by the
なお、本実施の形態では、電気化学センサー3の第1電極14と第2電極15との間の電圧値が所定の範囲を超えたら運転を停止したが、電気化学センサー3の第1電極14と第2電極15との間の電圧値が所定の範囲を超えたら、異常であることを報知するように構成しても構わない。
In the present embodiment, the operation is stopped when the voltage value between the
(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構成を示すブロック図である。図6は、本発明の実施の形態4における水素生成システムの制御処理を示すフローチャートである。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a hydrogen generation system according to
図5に示すように、本実施の形態の水素生成システム101は、電気化学デバイス102と、電気化学センサー103と、ガス供給手段107と、空気供給手段120と、電圧計106と、電源104と、制御器105とで構成されている。
As shown in FIG. 5, the
電気化学デバイス102は、第1電解質膜108をアノード110とカソード111とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体109を有する。
The
第1電解質膜108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である。
The
アノード110とカソード111は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第1電解質膜108の両主面に塗布形成したものである。
Each of the
電源104は、アノード110に水素含有ガスが供給されているときに、アノード110において酸化反応が起こり、酸化反応で発生したプロトンが第1電解質膜108を透過してカソード111に移動し、カソード111において還元反応が起こって、水素が生成されるように、アノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に電流を流すための直流電源であり、電源104のプラス端子がアノード110に電気的に接続され、電源104のマイナス端子がカソード111に電気的に接続されている。
In the
電気化学センサー103は、第2電解質膜112を第1電極114と第2電極115とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体113を有する。
The
第2電解質膜112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である。
The
第1電極114と第2電極115は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第2電解質膜112の両主面に塗布形成したものである。
For the
ガス供給手段107は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素含有ガスを生成する燃料改質器であり、水素の含有比率が80%で二酸化炭素の含有比率が20%の水素含有ガスを、水素含有ガス供給配管116を介して、アノード110に供給する。ここで、含有比率の数値は、水素含有ガスに含まれる水蒸気を考慮していない数値である。
The
アノード110に供給された水素含有ガスのうちでカソード111に移動(透過)せずにアノード110から排出される水素含有オフガスは、水素含有オフガス配管117、第2電極115、水素含有オフガス排出配管119を経由して排出される。
Of the hydrogen-containing gas supplied to the
空気供給手段120は、空気を供給可能なブロアで構成されており、空気供給配管121を介して、第1電極114に空気を供給する。
The
電圧計106は、電気化学センサー103の第1電極114と第2電極115との間の電圧を計測する。
The
ガス供給手段107と、電気化学デバイス102のアノード110とは、水素含有ガスを供給するための水素含有ガス供給配管116で接続されている。また、空気供給手段120と、電気化学センサー103の第1電極114とは、空気を供給するための空気供給配管121で接続されている。
The gas supply means 107 and the
また、電気化学デバイス102のアノード110と、電気化学センサー103の第2電極115とは、水素含有オフガス配管117で接続されている。さらに、電気化学デバイ
ス102には、カソード111で生成された水素を排出する生成水素排出配管118が、電気化学センサー103の第2電極115には、水素含有オフガスを排出する水素含有オフガス排出配管119が、それぞれ接続されている。
Further, the
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101について、図5を参照しながら、その動作、作用を、図6を用いて説明する。
The operation and action of the
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段107より、水素含有ガス供給配管116を介して、電気化学デバイス102のアノード110へ供給する(S301)。
First, the hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 107 to the
次に、空気供給手段120から電気化学センサー103の第1電極114へ空気を供給し(S302)、電源104をONにする(S303)。
Next, air is supplied from the air supply means 120 to the
次に、ガス供給手段107から供給される水素含有ガスの供給量F(L/min)と水素ガス濃度Yとから、水素含有ガスに含まれる水素量H(L/min)を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により(数2)を用いて電気化学デバイス102へ流す電流値C(A)を算出する(S304)。
Next, the amount H (L/min) of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is calculated from the amount F (L/min) of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 107 and the concentration Y of hydrogen gas. Further, the current value C(A) flowing to the
次に、電源104により、電気化学デバイス102のアノード110から第1電解質膜108を介してカソード111へ算出された電流値C(A)の電流を流す(S305)。
Next, the
次に、電圧計106で電気化学センサー103の第1電極114と第2電極115との間の電圧を測定し、測定した値を測定値V(V)とする(S306)。
Next, the voltage between the
次に、測定値V(V)が、基準電圧V0(V)よりも小さいか否かを判定する(S307)。そして、測定値V(V)が、基準電圧V0(V)以下の場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流の電流値Cを変えずに、S307の判定を繰り返し、測定値V(V)が、基準電圧V0(V)よりも大きい場合は、S308に移行する。本実施の形態では、V0は30mVとする。次に、電源104で設定する電流値Cを1%小さくし(S308)、再びS306に戻る。
Next, it is determined whether the measured value V(V) is smaller than the reference voltage V0(V) (S307). Then, when the measured value V (V) is equal to or lower than the reference voltage V0 (V), the determination of S307 is repeated without changing the current value C of the current that the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム101は、第1電解質膜108をアノード110とカソード111とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体109を有し、アノード110に水素含有ガスを供給するとともに、アノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に電流を流すことで、カソード111において水素を生成する電気化学デバイス102と、第2電解質膜112を第1電極114と第2電極115とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体113を有する電気化学センサー103と、アノード110に水素含有ガスを供給するガス供給手段107と、第1電極114に空気を供給する空気供給手段120と、第1電極114と第2電極115との間の電圧を計測する電圧計106と、アノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に電流を流す電源104と、制御器105と、ガス供給手段107からアノード110に水素含有ガスを供給可能に、ガス供給手段107とアノード110を接続する水素含有ガス供給配管116と、アノード110から第2電極115に水素含有オフガスを供給可能にアノード110と第2電極115を接続する水素含有オフガス配管117と、カソード111で生成された水素をカソード111から排出する生成水素排出配管118と、第2電極115に供給された水素含有オフガスを第2電極115から排出する水素含有オフガス排出配管119と、を備え、ガス供給手段107がアノード110に水素含有ガスを供給し電源104が電流を流しているときに、アノード110に供給された水素含有ガスのうちでアノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に透過せずにアノード110から排出される水素含有オフガスが第2電極115を経由して排出されるように構成された水素
生成システム101である。
As described above, the
そして、制御器105が、電気化学デバイス102を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段107に供給動作をさせた後に、ガス供給手段107から供給される水素含有ガスの供給量Fと水素ガス濃度Yを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Hから算出した電流値Cの電流を電源104に流させるとともに、電圧計106により第1電極114と第2電極115との間の電圧を計測し、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0以下であれば、電源104が電気化学デバイス102に流す電流の電流値Cを変えずに、電圧計106により電圧を計測する工程に戻り、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0を超える場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流の電流値Cを1%小さくしてから、電圧計106による電圧の計測をやり直し、このやり直しを電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0以下になるまで繰り返すのである。
Then, when the
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイス102に流す電流が過大にならないため、水素欠乏の発生を抑制することができる。
As a result, the current flowing through the
そのため、アノード110の触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システム101を提供することができる。
Therefore, the deterioration of the catalyst of the
また、水素を含む混合ガスを無駄に排出されないため、高純度の水素を安定して生成する水素生成システム101を提供することができる。
Moreover, since the mixed gas containing hydrogen is not wastefully discharged, it is possible to provide the
(実施の形態5)
本発明の実施の形態5の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図5に示す実施の形態4の水素生成システム101の概略構成を示すブロック図と同じである。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101の制御処理を示すフローチャートである。
(Embodiment 5)
The block diagram showing the schematic configuration of the hydrogen generation system of the fifth embodiment of the present invention is the same as the block diagram showing the schematic configuration of the
なお、本実施の形態において、実施の形態4の水素生成システム101と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
In addition, in the present embodiment, the same components as those of the
本実施の形態5の水素生成システム101について、図5を参照しながら、その動作、作用を、図7を用いて説明する。
The operation and action of the
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段107より、水素含有ガス供給配管116を介して、電気化学デバイス102のアノード110へ供給する(S401)。
First, the hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 107 to the
次に、空気供給手段120から電気化学センサー103の第1電極114へ空気を供給し(S402)、電源104をONにする(S403)。
Next, air is supplied from the air supply means 120 to the
次に、ガス供給手段107から供給される水素含有ガスの供給量F(L/min)と水素ガス濃度Yとから、水素含有ガスに含まれる水素量H(L/min)を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により(数2)を用いて電気化学デバイス102へ流す電流値C(A)を算出する(S404)。
Next, the amount H (L/min) of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is calculated from the amount F (L/min) of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 107 and the concentration Y of hydrogen gas. Further, according to Faraday's law of electrolysis, the current value C(A) flowing to the
次に、電源104により、電気化学デバイス102のアノード110から第1電解質膜108を介してカソード111へ算出された電流値C(A)の電流を流す(S405)。
Next, the
次に、電圧計106で電気化学センサー103の第1電極114と第2電極115との
間の電圧を測定し、測定した値を測定値V(V)とする(S406)。
Next, the voltage between the
次に、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入るか否かを判定する(S407)。ここで、α(V)は許容電圧値である。本実施の形態では、V0は30mVで、αは4mVとする。 Next, it is determined whether the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V) (S407). Here, α(V) is an allowable voltage value. In this embodiment, V0 is 30 mV and α is 4 mV.
そして、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入る場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流の電流値Cを変えずに、S407の判定を繰り返し、基準電圧V0(V)±α(V)の範囲外の場合は、S408に移行して、測定値V(V)が、基準電圧V0+α(V)よりも大きいか否かを判定する(S408)。
If the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V), the determination of S407 is made without changing the current value C of the current that the
そして、測定値V(V)が、基準電圧V0+α(V)よりも大きい場合は、S409に移行して、電気化学デバイス102に流す電流値Cを1%小さくし(S409)、S406に戻る。また、S408の判定で、測定値V(V)が、基準電圧V0−α(V)よりも小さい(基準電圧V0+α(V)よりも大きくない)場合はS410に移行して、電気化学デバイス102に流す電流値Cを1%大きくし(S410)、S406に戻る。
When the measured value V(V) is larger than the reference voltage V0+α(V), the process proceeds to S409, the current value C flowing through the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム101は、第1電解質膜108をアノード110とカソード111とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体109を有し、アノード110に水素含有ガスを供給するとともに、アノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に電流を流すことで、カソード111において水素を生成する電気化学デバイス102と、第2電解質膜112を第1電極114と第2電極115とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体113を有する電気化学センサー103と、アノード110に水素含有ガスを供給するガス供給手段107と、第1電極114に空気を供給する空気供給手段120と、第1電極114と第2電極115との間の電圧を計測する電圧計106と、アノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に電流を流す電源104と、制御器105と、ガス供給手段107からアノード110に水素含有ガスを供給可能に、ガス供給手段107とアノード110を接続する水素含有ガス供給配管116と、アノード110から第2電極115に水素含有オフガスを供給可能にアノード110と第2電極115を接続する水素含有オフガス配管117と、カソード111で生成された水素をカソード111から排出する生成水素排出配管118と、第2電極115に供給された水素含有オフガスを第2電極115から排出する水素含有オフガス排出配管119と、を備え、ガス供給手段107がアノード110に水素含有ガスを供給し電源104が電流を流しているときに、アノード110に供給された水素含有ガスのうちでアノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に透過せずにアノード110から排出される水素含有オフガスが第2電極115を経由して排出されるように構成された水素生成システム101である。
As described above, the
そして、制御器105が、電気化学デバイス102を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段107に供給動作をさせた後に、ガス供給手段107から供給される水素含有ガスの供給量Fと水素ガス濃度Yを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Hから算出した電流値Cの電流を電源104に流させるとともに、電圧計106により第1電極114と第2電極115との間の電圧を計測し、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0±α(V)の範囲内に入る場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流の電流値Cを変えずに、電圧計106により電圧を計測する工程に戻り、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0+α(V)よりも大きい場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流値Cを1%小さくしてから、電圧計106による電圧の計測をやり直し、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0−α(V)よりも小さい場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流値Cを1%大きくしてから、電圧計106による電圧の計測をやり直すのである。
Then, when the
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイス102に流す電流値を高精度で決定するので、高純度の水素を高効率で生成する水素生成システム101を提供することができる。
As a result, the value of the current flowing through the
また、水素欠乏によるアノード110の触媒の劣化をより確実に抑制することができるので、より耐久性の高い水素生成システム101を提供することができる。
In addition, since the deterioration of the catalyst of the
(実施の形態6)
本発明の実施の形態6の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図5に示す実施の形態4の水素生成システム101の概略構成を示すブロック図と同じである。図8は、本発明の実施の形態6における水素生成システム101の制御処理を示すフローチャートである。
(Embodiment 6)
The block diagram showing the schematic configuration of the hydrogen generation system of the sixth embodiment of the present invention is the same as the block diagram showing the schematic configuration of the
なお、本実施の形態において、実施の形態4の水素生成システム101と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
In addition, in the present embodiment, the same components as those of the
本実施の形態6の水素生成システム101について、図5を参照しながら、その動作、作用を、図8を用いて説明する。
The operation and action of the
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段107より、水素含有ガス供給配管116を介して、電気化学デバイス102のアノード110へ供給する(S501)。
First, the hydrogen-containing gas is supplied from the gas supply means 107 to the
次に、空気供給手段120から電気化学センサー103の第1電極114へ空気を供給し(S502)、電源104をONにする(S503)。
Next, air is supplied from the air supply means 120 to the
次に、ガス供給手段107から供給される水素含有ガスの供給量F(L/min)と水素ガス濃度Yとから、水素含有ガスに含まれる水素量H(L/min)を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により(数2)を用いて電気化学デバイス102へ流す電流値C(A)を算出する(S504)。
Next, the amount H (L/min) of hydrogen contained in the hydrogen-containing gas is calculated from the amount F (L/min) of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 107 and the concentration Y of hydrogen gas. Further, according to Faraday's law of electrolysis, the current value C(A) flowing to the
次に、電源104により、電気化学デバイス102のアノード110から第1電解質膜108を介してカソード111へ算出された電流値C(A)の電流を流す(S505)。
Next, the
次に、電圧計106で電気化学センサー103の第1電極114と第2電極115との間の電圧を測定し、測定した値を測定値V(V)とする(S506)。
Next, the voltage between the
次に、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入るか否かを判定する(S507)。ここで、α(V)は許容電圧値である。本実施の形態では、V0は30mVで、αは4mVとする。 Next, it is determined whether the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V) (S507). Here, α(V) is an allowable voltage value. In this embodiment, V0 is 30 mV and α is 4 mV.
そして、測定値V(V)が基準電圧V0(V)±α(V)の範囲内に入る場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流の電流値Cを変えずに、S507の判定を繰り返し、基準電圧V0(V)±α(V)の範囲外の場合は、S508に移行して、電源104の電流値を0にして(S508)、電源104をOFFにし(S509)、ガス供給手段107から電気化学デバイス102への水素含有ガスの供給を停止する(S510)。
When the measured value V(V) falls within the range of the reference voltage V0(V)±α(V), the determination of S507 is made without changing the current value C of the current that the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム101は、第1電解質膜108をアノード110とカソード111とで挟んだ第1電解質膜−電極接合体109を有し、アノー
ド110に水素含有ガスを供給するとともに、アノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に電流を流すことで、カソード111において水素を生成する電気化学デバイス102と、第2電解質膜112を第1電極114と第2電極115とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体113を有する電気化学センサー103と、アノード110に水素含有ガスを供給するガス供給手段107と、第1電極114に空気を供給する空気供給手段120と、第1電極114と第2電極115との間の電圧を計測する電圧計106と、アノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に電流を流す電源104と、制御器105と、ガス供給手段107からアノード110に水素含有ガスを供給可能に、ガス供給手段107とアノード110を接続する水素含有ガス供給配管116と、アノード110から第2電極115に水素含有オフガスを供給可能にアノード110と第2電極115を接続する水素含有オフガス配管117と、カソード111で生成された水素をカソード111から排出する生成水素排出配管118と、第2電極115に供給された水素含有オフガスを第2電極115から排出する水素含有オフガス排出配管119と、を備え、ガス供給手段107がアノード110に水素含有ガスを供給し電源104が電流を流しているときに、アノード110に供給された水素含有ガスのうちでアノード110から第1電解質膜108を介してカソード111に透過せずにアノード110から排出される水素含有オフガスが第2電極115を経由して排出されるように構成された水素生成システム101である。
As described above, the
そして、制御器105が、電気化学デバイス102を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段107に供給動作をさせた後に、ガス供給手段107から供給される水素含有ガスの供給量Fと水素ガス濃度Yを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Hから算出した電流値Cの電流を電源104に流させるとともに、電圧計106により第1電極114と第2電極115との間の電圧を計測し、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0±α(V)の範囲内に入る場合は、電源104が電気化学デバイス102に流す電流の電流値Cを変えずに、電圧計106により電圧を計測する工程に戻り、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0±α(V)の範囲を外れた場合には、電源104による電流と、ガス供給手段107による水素含有ガスの供給を停止するのである。
Then, when the
これにより、異常が発生した場合には、安全に停止することができ、信頼性の高い水素生成システム101を提供することができる。
As a result, when an abnormality occurs, it can be stopped safely and a highly reliable
なお、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0+α(V)よりも大きい場合は、ガス供給手段107からの水素含有ガス供給量を増やし、電圧計106による電圧の測定値Vが基準電圧V0−α(V)よりも小さい場合は、ガス供給手段107からの水素含有ガス供給量を減らすことで異常状態から正常状態に移行させるようにしても、信頼性の高い水素生成システム101を提供することができる。
When the voltage measurement value V measured by the
なお、本実施の形態では、電気化学センサー103の第1電極114と第2電極115との間の電圧値が所定の範囲を超えたら運転を停止したが、電気化学センサー103の第1電極114と第2電極115との間の電圧値が所定の範囲を超えたら、異常であることを報知するように構成しても構わない。
In the present embodiment, the operation is stopped when the voltage value between the
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素欠乏によるアノードの触媒劣化を抑制し、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を安定して生成することができるので、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから純度の高い水素を生成する、信頼性や安定性、耐久性が求められる水素生成システムに最適である。 As described above, the hydrogen generation system according to the present invention can suppress the catalyst deterioration of the anode due to hydrogen deficiency, and stably generate high-purity hydrogen without wastefully discharging the mixed gas containing hydrogen. Therefore, it is most suitable for a hydrogen generation system that uses an electrochemical device to generate high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas and requires reliability, stability, and durability.
1 水素生成システム
2 電気化学デバイス
3 電気化学センサー
4 電源
5 制御器
6 電圧計
7 ガス供給手段
8 第1電解質膜
9 第1電解質膜−電極接合体
10 アノード
11 カソード
12 第2電解質膜
13 第2電解質膜−電極接合体
14 第1電極
15 第2電極
16 水素含有ガス供給一次配管
17 水素含有ガス供給二次配管
18 水素含有オフガス配管
19 生成水素排出配管
20 水素含有オフガス排出配管
101 水素生成システム
102 電気化学デバイス
103 電気化学センサー
104 電源
105 制御器
106 電圧計
107 ガス供給手段
108 第1電解質膜
109 第1電解質膜−電極接合体
110 アノード
111 カソード
112 第2電解質膜
113 第2電解質膜−電極接合体
114 第1電極
115 第2電極
116 水素含有ガス供給配管
117 水素含有オフガス配管
118 生成水素排出配管
119 水素含有オフガス排出配管
120 空気供給手段
121 空気供給配管
1
Claims (10)
第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、
前記第1電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第1電極と前記第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、
制御器と、を備え、
前記ガス供給手段が前記第1電極に水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流しているときに、前記第1電極から排出された水素含有ガスが前記アノードに供給され、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第1電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有オフガスが前記第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段に供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システム。 A first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode is provided, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current flows from the anode to the cathode through the first electrolyte membrane. An electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by flowing
An electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode,
Gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the first electrode,
A voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode,
A power supply for passing the current,
And a controller,
When the gas supply unit supplies the hydrogen-containing gas to the first electrode and the power source is flowing the current, the hydrogen-containing gas discharged from the first electrode is supplied to the anode and supplied to the anode. The hydrogen-containing off gas discharged from the anode without passing through the cathode from the anode through the first electrolyte membrane among the hydrogen-containing gas thus discharged is discharged through the second electrode. A hydrogen production system,
The controller calculates, based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means, after the gas supply means performs a supply operation when starting the hydrogen generation operation using the electrochemical device. The current of the current value is made to flow to the power source, the voltage is measured by the voltmeter, and if the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy a predetermined condition, A hydrogen generation system, wherein a current value is changed based on the voltage value.
第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、
前記アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第1電極に空気を供給する空気供給手段と、
前記第1電極と前記第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、
制御器と、を備え、
前記ガス供給手段が前記アノードに水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流して
いるときに、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第1電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有ガスが前記第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段と前記空気供給手段とに供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システム。 A first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode is provided, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current flows from the anode to the cathode through the first electrolyte membrane. An electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by flowing
An electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode,
Gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the anode,
Air supply means for supplying air to the first electrode,
A voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode,
A power supply for passing the current,
And a controller,
When the gas supply means supplies a hydrogen-containing gas to the anode and the power source is flowing the current, the hydrogen-containing gas supplied to the anode is passed from the anode through the first electrolyte membrane. A hydrogen generation system configured such that a hydrogen-containing gas discharged from the anode without passing through a cathode is discharged via the second electrode,
The controller, when starting a hydrogen generation operation using the electrochemical device, causes the gas supply means and the air supply means to perform a supply operation, and then supplies a hydrogen-containing gas from the gas supply means. While causing the current of the current value calculated based on the flow rate to flow into the power source, the voltage is measured by the voltmeter, and the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy a predetermined condition, the A hydrogen generation system, wherein a current value of the current supplied by a power source is changed based on the voltage value.
第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、
前記第1電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第1電極と前記第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、を備え、
前記ガス供給手段が前記第1電極に水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流しているときに、前記第1電極から排出された水素含有ガスが前記アノードに供給され、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第1電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有オフガスが前記第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、
前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段に供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムの運転方法。 A first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode is provided, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current flows from the anode to the cathode through the first electrolyte membrane. An electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by flowing
An electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode,
Gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the first electrode,
A voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode,
A power source for supplying the current,
When the gas supply unit supplies the hydrogen-containing gas to the first electrode and the power source is flowing the current, the hydrogen-containing gas discharged from the first electrode is supplied to the anode and supplied to the anode. The hydrogen-containing off gas discharged from the anode without passing through the cathode from the anode through the first electrolyte membrane among the hydrogen-containing gas thus discharged is discharged through the second electrode. And a method for operating the hydrogen generation system, comprising:
When starting the hydrogen generation operation using the electrochemical device, the current value of the current value calculated based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means after the supply operation to the gas supply means is started. While causing the current to flow in the power supply, the voltage is measured by the voltmeter, and when the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy a predetermined condition, the current value of the current passed by the power supply is set to the voltage. A method for operating a hydrogen generation system, characterized by changing the value based on a value.
第2電解質膜を第1電極と第2電極とで挟んだ第2電解質膜−電極接合体を有する電気
化学センサーと、
前記アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第1電極に空気を供給する空気供給手段と、
前記第1電極と前記第2電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、を備え、
前記ガス供給手段が前記アノードに水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流しているときに、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第1電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有ガスが前記第2電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、
前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段と前記空気供給手段とに供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムの運転方法。 A first electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode is provided, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current flows from the anode to the cathode through the first electrolyte membrane. An electrochemical device that produces hydrogen at the cathode by flowing
An electrochemical sensor having a second electrolyte membrane-electrode assembly in which a second electrolyte membrane is sandwiched between a first electrode and a second electrode,
Gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas to the anode,
Air supply means for supplying air to the first electrode,
A voltmeter for measuring the voltage between the first electrode and the second electrode,
A power source for supplying the current,
When the gas supply means supplies a hydrogen-containing gas to the anode and the power source is flowing the current, the hydrogen-containing gas supplied to the anode is passed from the anode through the first electrolyte membrane. A method for operating a hydrogen generation system, wherein the hydrogen-containing gas discharged from the anode without permeating to the cathode is discharged via the second electrode,
Based on the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means after the gas supply means and the air supply means are supplied when the hydrogen generation operation is started using the electrochemical device. The current of the calculated current value is caused to flow through the power supply, the voltage is measured by the voltmeter, and if the voltage value measured by the voltmeter does not satisfy a predetermined condition, the current flowed by the power supply. The method for operating a hydrogen generation system, characterized in that the current value of is changed based on the voltage value.
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