JP2020128311A - Hydrogen generation 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、ガス供給装置から供給される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。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a hydrogen generation system that uses an electrochemical device to generate high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas supplied from a gas supply device, and a method for operating the same.
水素生成システムは、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、高純度水素を生成するシステムである。この水素生成システムは、例えば、水素イオン(プロトン)を選択的に輸送する電解質膜の両側に、それぞれアノード及びカソードを設けた、電解質膜−電極接合体(MEA)を、セパレータによって挟持した電気化学デバイスを備えている。 The hydrogen generation system is a system that generates high-purity hydrogen by utilizing an electrochemical reaction from a hydrogen-containing gas. This hydrogen generation system is, for example, an electrochemical method in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode and a cathode are provided on both sides of an electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions (protons) is sandwiched by separators. Equipped with a device.
アノードに加湿された水素含有ガス(水素のほかに不純物を含む)を供給して、アノードとカソードの間に所定方向の電流(アノードから電解質膜を介してカソードに流れる電流)を流すことで、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。 By supplying a humidified hydrogen-containing gas (including impurities in addition to hydrogen) to the anode, and flowing a current in a predetermined direction (current flowing from the anode to the cathode through the electrolyte membrane) between the anode and the cathode, At the anode, an oxidation reaction occurs in which hydrogen shown in (Chemical formula 1) dissociates into protons (H + ) and electrons, and at the cathode, a reduction reaction in which hydrogen is generated from protons (H + ) shown in (Chemical formula 2 ) and electrons occurs. Occur.
これにより生成された水素は、高圧で圧縮して貯蔵、低温で液化して貯蔵、金属などに吸蔵・吸着させて貯蔵、または他の物質に変換して貯蔵、気体のまま高圧で貯蔵等して利用する。 The hydrogen generated by this is compressed and stored at high pressure, liquefied and stored at low temperature, stored by adsorbing/adsorbing on metal or the like, or converted to another substance and stored, or stored as gas at high pressure. To use.
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る。 The hydrogen-containing gas supplied to the hydrogen generation system is subjected to steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming of a hydrocarbon-based fuel such as 13A gas or propane gas by a fuel processor, for example. Generated.
このような水素製造発電システム(以降、水素生成システムという)は、水素含有ガスから純度の高い水素を生成する燃料電池−イオンポンプ結合体(以降、電気化学デバイスという)を備えている。 Such a hydrogen production power generation system (hereinafter referred to as a hydrogen generation system) includes a fuel cell-ion pump combination (hereinafter referred to as an electrochemical device) that generates high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas.
電気化学デバイスは、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極(以降、アノードという)及びカソード側電極(以降、カソードという)を設けた電解質膜−電極構造体(MEA)を備えている。 The electrochemical device is an electrolyte membrane-electrode structure (MEA) in which an anode-side electrode (hereinafter, referred to as an anode) and a cathode-side electrode (hereinafter, referred to as a cathode) are provided on both sides of an electrolyte membrane made of a polymer ion exchange membrane. Equipped with.
さらに、電気化学デバイスは、この電解質膜−電極構造体をセパレータによって挟持した電気化学セル(以降、セルという)を備えている。 Further, the electrochemical device includes an electrochemical cell (hereinafter referred to as a cell) in which the electrolyte membrane-electrode structure is sandwiched by separators.
この電気化学デバイスのカソード側入口と接続したカソードオフガス流路とカソード側出口と接続した水素ガス流路にそれぞれ電磁弁が設けられている。 Electromagnetic valves are respectively provided in the cathode off-gas passage connected to the cathode side inlet and the hydrogen gas passage connected to the cathode side outlet of this electrochemical device.
水素生成システムを、水素製造モードで起動する際、電気化学デバイスのカソード側に精製される精製水素ガス(以降、水素という)は、カソード側に残存する低純度の水素を伴いカソードオフガス流路からカソードパージ流路を介して、触媒燃焼器に排出される。これにより、カソード側に残存する低純度の水素は、カソード側から、確実にパージされる。 When the hydrogen generation system is started in the hydrogen production mode, purified hydrogen gas (hereinafter referred to as hydrogen) purified on the cathode side of the electrochemical device is accompanied by low-purity hydrogen remaining on the cathode side from the cathode off-gas passage. It is discharged to the catalytic combustor via the cathode purge flow path. This ensures that the low-purity hydrogen remaining on the cathode side is purged from the cathode side.
従って、カソード側出口の下流側に配置されている除湿及び精製部と、水素を圧縮する圧縮部に、窒素ガス等を含んだ低純度の水素が供給されることを確実に阻止し、高純度な水素を供給できる(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, it is possible to reliably prevent low-purity hydrogen containing nitrogen gas and the like from being supplied to the dehumidifying and refining unit disposed downstream of the cathode side outlet and the compressing unit that compresses hydrogen, thereby ensuring high purity. Hydrogen can be supplied (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、前記従来の構成では、電気化学デバイスのカソード側出口から排出される高純度な水素は、下流側に配置されている除湿及び精製部を経て、水素を圧縮する圧縮部に送られる。カソード側を昇圧した場合、アノード側と圧力差が生じ、カソードで生成した水素が、電解質膜の空間を介してアノードへ逆透過する。このためカソード側出口から排出される水素量が減り、水素純化効率が低くなるという課題を有していた。 However, in the above-described conventional configuration, high-purity hydrogen discharged from the cathode side outlet of the electrochemical device is sent to the compression unit that compresses hydrogen via the dehumidification and purification unit arranged on the downstream side. When the pressure on the cathode side is increased, a pressure difference is generated on the anode side, and hydrogen generated at the cathode reversely permeates to the anode through the space of the electrolyte membrane. Therefore, there is a problem that the amount of hydrogen discharged from the cathode side outlet is reduced and the hydrogen purification efficiency is lowered.
ここで逆透過とは、電気化学デバイスのカソードで生成した水素が、電解質膜を介してアノードへ透過する現象である。水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対するカソード側出口から排出される水素のエネルギーの割合である。 Here, the reverse permeation is a phenomenon in which hydrogen generated at the cathode of the electrochemical device permeates to the anode through the electrolyte membrane. The hydrogen purification efficiency is the ratio of the energy of hydrogen discharged from the cathode side outlet to the electric energy input to the electrochemical device.
逆透過が小さいと、電気化学デバイスのカソードで生成した水素の一部が、電解質膜を介してアノードへ透過する量が少なくなり、電気化学デバイスのカソード側出口から排出される水素量が多くなるため、水素純化効率が高くなる。一方、逆透過が大きいと、カソードで生成した水素の一部がアノードへ透過する量が多くなり、電気化学デバイスのカソード側出口から排出される水素量が減るため、水素純化効率が低下する。 When the reverse permeation is small, a part of the hydrogen generated at the cathode of the electrochemical device permeates to the anode through the electrolyte membrane, and the amount of hydrogen discharged from the cathode side outlet of the electrochemical device increases. Therefore, the hydrogen purification efficiency becomes high. On the other hand, if the reverse permeation is large, a part of hydrogen generated at the cathode permeates to the anode, and the amount of hydrogen exhausted from the cathode side outlet of the electrochemical device decreases, so that the hydrogen purification efficiency decreases.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、カソードにおいて生成された水素がアノード側へ逆透過することによる水素純化効率の低下を抑制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 an object of the present invention is to provide a hydrogen generation system and a method for operating the same, which can suppress a decrease in hydrogen purification efficiency due to reverse permeation of hydrogen generated at the cathode to the anode side. And
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成システムは、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと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−電極接合体と、アノードとカソードとの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を備え、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、制御器と、を備え、アノード側セパレータは、アノードと当接する面に形成された水素含有ガスが流れるアノード側ガス流路を有し、カソード側セパレータは、カソードと当接する面に形成されたカソードにおいて生成された水素が流れるカソード側ガス流路と、水素をカソードから排出するためのカソード側出口と、を
有し、制御器は、カソード側セパレータのカソード側ガス流路に水を貯留させた状態で、カソードにおいて水素を生成させるものである。
In order to solve the conventional problems, the hydrogen generation system of the present invention is an electrolyte membrane composed of an electrolyte membrane and an anode arranged on one surface with the electrolyte membrane sandwiched therebetween and a cathode arranged on the other surface. -It comprises an electrode assembly, an anode-side separator and a cathode-side separator that are arranged on both outsides of the anode and the cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and supplies a current in a predetermined direction between the anode and the cathode. The electrochemical device for generating hydrogen at the cathode by flowing the gas, a gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas, a power supply for flowing an electric current between the anode and the cathode, and a controller. The side separator has an anode-side gas flow path formed on the surface in contact with the anode and through which hydrogen-containing gas flows, and the cathode-side separator is formed on the surface in contact with the cathode, and the hydrogen generated in the cathode flows through the cathode. Has a side gas flow path and a cathode side outlet for discharging hydrogen from the cathode, and the controller generates hydrogen at the cathode in a state where water is stored in the cathode side gas flow path of the cathode side separator. It is what makes me.
これによって、電気化学デバイスのカソード側ガス流路内に水を貯留した状態で、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生成された水素は、水中で速やかに気泡となり電解質膜と接触しにくくなる。これにより、水素がカソード側からアノード側へ逆透過することを抑制でき、水素純化効率の低下を抑制することができる。 As a result, in a state where water is stored in the cathode-side gas flow path of the electrochemical device, the hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current in a predetermined direction is caused to flow between the anode and the cathode to generate water at the cathode. Hydrogen quickly becomes bubbles in water and becomes difficult to contact with the electrolyte membrane. As a result, hydrogen can be prevented from permeating from the cathode side to the anode side, and a reduction in hydrogen purification efficiency can be suppressed.
本発明の水素生成システムは、水素純化効率の低下を抑制することができるので、水素生成時の電力コストを低く抑えられる。これにより経済性に優れた水素生成システムを提供できる。 Since the hydrogen generation system of the present invention can suppress a decrease in hydrogen purification efficiency, the electric power cost at the time of hydrogen generation can be suppressed low. This makes it possible to provide an economical hydrogen production system.
第1の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと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−電極接合体と、アノードとカソードとの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を備え、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、制御器と、を備え、アノード側セパレータは、アノードと当接する面に形成された水素含有ガスが流れるアノード側ガス流路を有し、カソード側セパレータは、カソードと当接する面に形成されたカソードにおいて生成された水素が流れるカソード側ガス流路と、水素をカソードから排出するためのカソード側出口と、を有し、制御器は、カソード側セパレータのカソード側ガス流路に水を貯留させた状態で、カソードにおいて水素を生成させることを特徴とした水素生成システムである。 A first invention is an electrolyte membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane and an anode arranged on one surface with the electrolyte membrane sandwiched therebetween and a cathode arranged on the other surface, and both an anode and a cathode. An electricity generator that includes an anode-side separator and a cathode-side separator that are disposed outside, supplies hydrogen-containing gas to the anode, and causes a current in a predetermined direction to flow between the anode and the cathode to generate hydrogen at the cathode. A chemical device, a gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas, a power supply for passing an electric current between the anode and the cathode, and a controller are provided, and the anode-side separator is formed on the surface that contacts the anode. And a cathode-side separator that discharges hydrogen from the cathode, and a cathode-side gas flow channel in which hydrogen generated in the cathode flows in the cathode-side separator, and a cathode-side gas flow channel in which the hydrogen-containing gas flows. The hydrogen generating system is characterized in that the controller has a cathode-side outlet for producing hydrogen in the cathode in a state where water is stored in the cathode-side gas flow path of the cathode-side separator.
これによって、水素生成システムは、電気化学デバイスのカソード側ガス流路内に水を貯留した状態で、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してカソードにおいて生成された水素は、水中で速やかに気泡となり電解質膜と接触しにくくなる。これにより水素がカソード側からアノード側へ逆透過することを抑制でき、水素純化効率の低下を抑制することができる。 As a result, the hydrogen generation system supplies the hydrogen-containing gas to the anode while flowing water in the cathode-side gas flow path of the electrochemical device and causes a current in a predetermined direction to flow between the anode and the cathode to cause the cathode to flow. The hydrogen generated in step (3) quickly becomes bubbles in water, making it difficult to contact with the electrolyte membrane. As a result, hydrogen can be prevented from permeating from the cathode side to the anode side, and a reduction in hydrogen purification efficiency can be suppressed.
第2の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと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−電極接合体と、アノードとカソードとの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を備え、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、アノード側セパレータは、アノードと当接する面に形成された水素含有ガスが流れるアノード側ガス流路を有し、カソード側セパレータは、カソードと当接する面に形成されたカソードにおいて生成された水素が流れるカソード側ガス流路と、水素をカソードから排出するためのカソード側出口と、を有する、水素生成システムの運転方法であって、カソード側セパレータのカソード側ガス流路に水を貯留させた状態で、カソードにおいて水素を生成させることを特徴としたものである。 A second invention is an electrolyte membrane-electrode assembly including an electrolyte membrane and an anode arranged on one surface with the electrolyte membrane sandwiched therebetween and a cathode arranged on the other surface, and both an anode and a cathode. An electricity generator that includes an anode-side separator and a cathode-side separator that are disposed outside, supplies hydrogen-containing gas to the anode, and causes a current in a predetermined direction to flow between the anode and the cathode to generate hydrogen at the cathode. A chemical device, a gas supply means for supplying a hydrogen-containing gas, and a power supply for supplying an electric current between the anode and the cathode, and the anode-side separator is a hydrogen-containing gas formed on a surface in contact with the anode. The cathode side separator has a cathode side gas flow path through which hydrogen generated in the cathode flows, and a cathode side for discharging hydrogen from the cathode. An operating method of a hydrogen generation system having an outlet, characterized in that hydrogen is generated at the cathode in a state where water is stored in the cathode gas flow path of the cathode separator.
これによって、水素生成システムは、電気化学デバイスのカソード側ガス流路内に水を貯留した状態で、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水素を生成させる。 As a result, the hydrogen generation system can supply hydrogen-containing gas to the anode and supply a current in a predetermined direction between the anode and the cathode while water is stored in the cathode-side gas flow path of the electrochemical device. Hydrogen is produced at the cathode.
カソードにおいて生成した水素は、水中で速やかに気泡となり電解質膜と接触しにくくなる。これにより水素がカソード側からアノード側へ逆透過することを抑制でき、水素純化効率の低下を抑制する運転をすることができる。 The hydrogen generated at the cathode quickly becomes bubbles in water, making it difficult to contact the electrolyte membrane. As a result, hydrogen can be suppressed from permeating from the cathode side to the anode side, and operation can be performed to suppress a decrease in hydrogen purification 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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to this embodiment.
(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図、図2は、図1のA部の拡大図である。
(Embodiment 1)
1 is a schematic configuration diagram of a hydrogen generation system according to
図1に示すように、水素生成システム100には、電気化学デバイス1と、ガス供給手段30と、電源40と、制御器60と、が設けられている。
As shown in FIG. 1, the
電気化学デバイス1は、電解質膜6の一方の主面にアノード7を設けるとともに電解質膜6の他方の主面にカソード8を設けた電解質膜−電極接合体9を、一対のアノード側セパレータ11とカソード側セパレータ16によって挟持した構成となっている。
In the
ここで、電解質膜6には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。アノード7とカソード8には、白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。アノード側セパレータ11とカソード側セパレータ16は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
Here, as the
アノード側セパレータ11には、水素含有ガスをアノード7に供給するためのアノード側入口13と、アノード7と当接する面に溝状に形成され一端がアノード側入口13と連通したアノード側ガス流路15と、アノード側ガス流路15の他端と連通し水素含有ガスを排出するためのアノード側出口14が設けられている。
The anode-
一方、カソード側セパレータ16は、カソード8と当接する面に形成され、カソード8において生成された水素が流れるカソード側ガス流路17を有しており、カソード側ガス流路17には水がカソード8と当接する範囲を満たして貯留されている。
On the other hand, the cathode-
また、カソード側セパレータ16は、カソード側ガス流路17よりも鉛直方向上方に、カソード8において生成した水素をカソード側ガス流路17から排出するカソード側出口18を有している。
Further, the cathode-
電気化学デバイス1のアノード側入口13に加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段30は、加湿された二酸化炭素と水素とを含む水素含有ガスを供給可能なポンプで構成されている。
The gas supply means 30 for supplying the humidified hydrogen-containing gas to the
電気化学デバイス1には、アノード7とカソード8との間に所定方向の電流(アノード7から電解質膜6を介してカソード8に流れる電流)を流すための電源40が備えられている。
The
電源40には、プラスの端子がアノード7に電気的に接続されマイナスの端子がカソード8に電気的に接続された直流電源を用いる。また、ガス供給手段30と電源40は、それぞれ制御器60と接続されている。
As the
電気化学デバイス1のカソード側出口18から排出された水素は、図示しないが、除湿及び精製部を経て、水素を圧縮する圧縮部に送られる。
Although not shown, the hydrogen discharged from the
また、図2は、電気化学デバイス1のアノード7とカソード8との間に所定方向の電流を流したときの水素が生成する様子を示している。
Further, FIG. 2 shows a state in which hydrogen is generated when a current in a predetermined direction is applied between the anode 7 and the
アノード7では水素含有ガス中の水素がプロトン(H+)と電子に解離する酸化反応が起こり、プロトン(H+)が電解質膜6に移動し、電解質膜6内をカソード8側に移動する。さらにカソード8において、アノード7から電解質膜6を通ってカソード8に移動したプロトン(H+)と、アノード7から電源40を通ってカソード8に移動した電子とから水素が生成する還元反応が起きる。
At the anode 7, the hydrogen in the hydrogen-containing gas dissociates into protons (H + ) and electrons to cause an oxidation reaction, the protons (H + ) move to the
このとき、水素が生成するカソード8と当接する範囲のカソード側ガス流路17には水が貯留されており、生成した水素が速やかに気泡となりカソード8から離れ、カソード側ガス流路17内の水中に放たれる。
At this time, water is stored in the cathode-side
以上のように構成された水素生成システム100について、本実施の形態1における動作、作用を図1と図2を参照しながら説明する。
The operation and action of the
まず、電気化学デバイス1の水素が生成するカソード8と当接する範囲のカソード側ガス流路17にカソード8の範囲が水密になるようにあらかじめ水を貯留しておく。
First, water is stored in advance in the cathode-side
次に、ガス供給手段30から、ガスの温度が85℃で相対湿度が80%に加湿された露点が79.4℃の、二酸化炭素の含有比率が12%、水素の含有比率が46%、水蒸気の含有比率が42%の水素含有ガスを、電気化学デバイス1のアノード側入口13とアノード側ガス流路15とを介してアノード7に供給する。
Next, from the gas supply means 30, the gas temperature is 85° C., the relative humidity is 80%, the dew point is 79.4° C., the carbon dioxide content is 12%, the hydrogen content is 46%, A hydrogen-containing gas having a water vapor content ratio of 42% is supplied to the anode 7 via the anode-
電気化学デバイス1は、図示しないが、温度が85℃となるように温度調節器により調整され、電気化学デバイス1のアノード7から電解質膜6を介してカソード8に電源40から90Aの電流を流す。
Although not shown, the
ここでは、カソード側ガス流路17内に貯留された水中で、水素含有ガスからカソード8において水素が生成され速やかに水素の気泡となる。水中に発生した水素の気泡はカソード側ガス流路17内を移動し、カソード側出口18から排出される。
Here, in the water stored in the cathode-side
アノード7で酸化反応に利用されなかった水素含有ガスは、アノード側出口14から排出し再利用される。さらにカソード側出口18から排出される水素は40kPaまで昇圧するため、カソード側ガス流路17内は40kPaまで昇圧されている。
The hydrogen-containing gas that has not been used in the oxidation reaction at the anode 7 is discharged from the anode-
ところで、水素生成システム100の水素純化効率は、電気化学デバイス1の電源40に投入するエネルギーに対して、水素生成システム100から得られる水素のエネルギーの割合で表される。
By the way, the hydrogen purification efficiency of the
ここで得られる水素エネルギーは、電気化学デバイス1のカソード側出口18から得られる水素のエネルギーである。電気化学デバイスの電源に投入する単位時間当たりの電気エネルギーW(W)は、電流値I(A)と電圧V(V)から下記の(数1)で表すことが
できる。
The hydrogen energy obtained here is the energy of hydrogen obtained from the
よって、(数3)により水素生成システム100の水素純化効率は、44.7となる。
Therefore, the hydrogen purification efficiency of the
ここで、電気化学デバイス1のカソード側ガス流路17内に水が貯留されていない状態で、85℃に設定した電気化学デバイス1に電流I=90(A)を流した時は、カソード8において生成された水素は、気体の状態でカソード8に接している。
Here, when a current I=90 (A) is passed through the
この状態でカソード側は40MPaまで昇圧するため、アノード側とカソード側の水素の分圧差により、水素がカソード側からアノード側に逆透過し、生成した水素がアノード側に戻ってしまうので、水素純化効率は44.0となる。 In this state, the pressure on the cathode side is increased to 40 MPa. Due to the partial pressure difference between the hydrogen on the anode side and the hydrogen on the cathode side, hydrogen permeates back from the cathode side to the anode side, and the generated hydrogen returns to the anode side. The efficiency is 44.0.
このことから、水がカソード側に貯留されていない場合と比べて、本実施の形態では、水素純化効率が0.7向上している。 From this, in the present embodiment, the hydrogen purification efficiency is improved by 0.7 as compared with the case where water is not stored on the cathode side.
以上のように、本実施の形態の水素生成システム100の電気化学デバイス1は、電解質膜−電極接合体9を一対のアノード側セパレータ11とカソード側セパレータ16によって挟持した構成となっている。
As described above, the
アノード側セパレータ11は、アノード7と当接する面に形成された水素含有ガスが流れるアノード側ガス流路15を有している。また、カソード側セパレータ16は、カソード8と当接する面に形成されたカソード8において生成された水素が流れるカソード側ガ
ス流路17と、水素をカソード8から排出するためのカソード側出口18と、を有している。
The anode-
水素生成システム100は、電気化学デバイス1のカソード側セパレータ16のカソード側ガス流路17に水を貯留させた状態で、アノード7に水素含有ガスを供給するとともに、アノード7とカソード8との間に所定方向の電流を流すことでカソード8において水素を生成させるものである。
The
これによって、カソード8において生成された水素は、水中で速やかに気泡となり電解質膜6と接触しにくくなる。これにより水素がカソード側からアノード側へ逆透過することを抑制でき、水素純化効率の低下を抑制することができる。
As a result, the hydrogen generated in the
さらにカソード側ガス流路17内は、水を貯留した状態なので、電気化学デバイス1の電解質膜6の含水率を多くさせることができ、電解質膜6のプロトン導伝性の低下を抑制できる。これにより電解質膜6の抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率の低下をさらに抑制することができる水素生成システム100を提供できる。
Further, since water is stored in the cathode side
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していればこれに限らない。 In the present embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon dioxide and hydrogen, but it is not limited to this as long as it contains hydrogen.
なお、本実施の形態では、電気化学デバイス1のカソード側ガス流路17に予め水を貯留しているが、カソード側出口18に水供給バルブを設けて入れることもできる。また、貯留した水は、カソード8に当接する面が水密であればよいので、循環していてもよい。また、貯留した水は、排水用出口をカソード側セパレータ16に設けて排出することもできる。
In this embodiment, water is stored in advance in the cathode-side
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素がカソード側からアノード側へ逆透過することが抑制できるので水素純化効率の低下を抑制することができ、さらに電解質膜の含水率を多くさせることができる。さらに電解質膜のプロトン導伝性の低下も抑制できるので、電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率の低下をさらに抑制することができる水素充填装置等の用途にも適応できる。 As described above, in the hydrogen generation system according to the present invention, it is possible to suppress reverse permeation of hydrogen from the cathode side to the anode side, so that it is possible to suppress a decrease in hydrogen purification efficiency, and further increase the water content of the electrolyte membrane. Can be made. Further, since it is also possible to suppress the decrease in the proton conductivity of the electrolyte membrane, it is possible to suppress the increase in the resistance of the electrolyte membrane of the electrochemical device, and to use it in applications such as a hydrogen filling device that can further suppress the decrease in hydrogen purification efficiency. Can also be adapted.
1 電気化学デバイス
6 電解質膜
7 アノード
8 カソード
9 電解質膜−電極接合体
11 アノード側セパレータ
13 アノード側入口
14 アノード側出口
15 アノード側ガス流路
16 カソード側セパレータ
17 カソード側ガス流路
18 カソード側出口
30 ガス供給手段
40 電源
60 制御器
100 水素生成システム
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
制御器と、を備え、
前記アノード側セパレータは、前記アノードと当接する面に形成された前記水素含有ガスが流れるアノード側ガス流路を有し、
前記カソード側セパレータは、前記カソードと当接する面に形成された前記カソードにおいて生成された前記水素が流れるカソード側ガス流路と、前記水素を前記カソードから排出するためのカソード側出口と、を有し、
前記制御器は、前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス流路に水を貯留させた状態で、前記カソードにおいて水素を生成させることを特徴とする水素生成システム。 An electrolyte membrane-electrode assembly composed of an electrolyte membrane and an anode arranged on one surface with the electrolyte membrane sandwiched therebetween and a cathode arranged on the other surface, and arranged on both outer sides of the anode and the cathode. Is provided with an anode-side separator and a cathode-side separator, and hydrogen is generated in the cathode by supplying a hydrogen-containing gas to the anode and passing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode. An electrochemical device,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing the current between the anode and the cathode,
And a controller,
The anode-side separator has an anode-side gas flow path in which the hydrogen-containing gas is formed, which is formed on a surface in contact with the anode,
The cathode-side separator has a cathode-side gas flow path formed on the surface in contact with the cathode, through which the hydrogen generated in the cathode flows, and a cathode-side outlet for discharging the hydrogen from the cathode. Then
The hydrogen generation system, wherein the controller causes the cathode to generate hydrogen in a state where water is stored in the cathode side gas flow path of the cathode side separator.
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、を備え、
前記アノード側セパレータは、前記アノードと当接する面に形成された前記水素含有ガスが流れるアノード側ガス流路を有し、
前記カソード側セパレータは、前記カソードと当接する面に形成された前記カソードにおいて生成された前記水素が流れるカソード側ガス流路と、前記水素を前記カソードから排出するためのカソード側出口と、を有する、水素生成システムの運転方法であって、
前記カソード側セパレータの前記カソード側ガス流路に水を貯留させた状態で、前記カソードにおいて前記水素を生成させることを特徴とする水素生成システムの運転方法。 An electrolyte membrane-electrode assembly composed of an electrolyte membrane and an anode arranged on one surface with the electrolyte membrane sandwiched therebetween and a cathode arranged on the other surface, and arranged on both outer sides of the anode and the cathode. Is provided with an anode-side separator and a cathode-side separator, and hydrogen is generated in the cathode by supplying a hydrogen-containing gas to the anode and passing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode. An electrochemical device,
Gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas,
A power supply for flowing the current between the anode and the cathode,
The anode-side separator has an anode-side gas flow path in which the hydrogen-containing gas is formed, which is formed on a surface in contact with the anode,
The cathode-side separator has a cathode-side gas flow path formed on the surface in contact with the cathode, through which the hydrogen generated in the cathode flows, and a cathode-side outlet for discharging the hydrogen from the cathode. A method of operating a hydrogen generation system,
A method of operating a hydrogen generation system, wherein the hydrogen is generated in the cathode in a state where water is stored in the cathode side gas passage of the cathode side separator.
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Cited By (1)
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CN115074764A (en) * | 2021-03-04 | 2022-09-20 | 本田技研工业株式会社 | Electrochemical reaction device, method for reducing carbon dioxide, and method for producing carbon compound |
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2019
- 2019-02-08 JP JP2019021380A patent/JP2020128311A/en active Pending
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CN115074764A (en) * | 2021-03-04 | 2022-09-20 | 本田技研工业株式会社 | Electrochemical reaction device, method for reducing carbon dioxide, and method for producing carbon compound |
CN115074764B (en) * | 2021-03-04 | 2024-05-07 | 本田技研工业株式会社 | Electrochemical reaction device, method for reducing carbon dioxide, and method for producing carbon compound |
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