JP2020169359A - 水素生成システム並びにその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から供給する水の量を低減でき、これによりイオン交換樹脂の量を削減し、水素生成システムのコストを削減した、水素生成システムの提供。【解決手段】水素生成システム１００は、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器２と、電解質膜４ｃの一方の面にアノード４ａ、他方の面にカソード４ｂが配置された電解質膜−電極接合体を有し、アノード４ａに水素含有ガスを供給し、アノード４ａとカソード４ｂとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード４ｂにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイス４とを有する。電気化学デバイス４にて精製水素ガスを生成する際に、加湿手段９によって精製水素ガスまたは水素含有ガスに含まれる水蒸気を原料ガスへと供給することにより、外部から供給する水の量を低減できた。【選択図】図１

Description

本発明は、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質器と、水素含有ガスから高純度の精製水素ガスを精製する電気化学デバイスとを備える水素生成システム並びにその運転方法に関するものである。

従来、この種水素生成システム（特許文献１では、水素製造発電システムと記載）は、改質器に原料ガス（特許文献１では、原燃料と記載）と水とを供給する。改質器では、水を水蒸気の状態で原料ガスと改質反応させることで生成した水素含有ガス（特許文献１では、改質ガスと記載）を電気化学デバイス（特許文献１では、燃料電池−イオンポンプ結合体と記載）に導入し、電気化学デバイスに電力を加えることで、カソードに高純度の精製水素ガス（特許文献１では、水素ガスと記載）を精製している（例えば、特許文献１参照）。改質器に供給する水は水素生成システムの外部から供給している。この水には不純物が含まれるため、改質器に供給する前にイオン交換樹脂などで不純物を除去する必要がある。外部からの水の供給量が多いほど、イオン交換樹脂の量が増加する。

図４は、前記公報に記載された従来の水素生成システムのブロック図を示すものである。

図４に示すように、水素生成システム４００は、原料ガス供給器１、原料ガス供給経路１ａ、改質器２、水素含有ガス排出経路３、電気化学デバイス４、アノード４ａ、カソード４ｂ、電解質膜４ｃ、アノードオフガス経路５、燃焼排ガス経路６、精製水素ガス排出経路７、水供給器５０、水供給経路５０ａ、電源７０、浄水器８０から構成されている。

水素生成システム４００において、水素含有ガスから精製水素ガスを精製する方法として、電気化学反応を利用する電気化学デバイス４が用いられている。電気化学デバイス４は、例えば、プロトンを選択的に輸送する電解質膜４ｃの両側に、それぞれアノード４ａ及びカソード４ｂ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ている。

アノード４ａに水素含有ガスを供給し、アノード４ａからカソード４ｂへ電流を流すことで、アノード４ａでは（化１）の酸化反応が、カソード４ｂでは（化２）の還元反応が起こる。

以上の反応により、アノード４ａに供給された水素含有ガスから、水素をカソード４ｂに移動することで精製水素ガスを精製することができる。

特開２００９−１１７１２０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、改質反応を維持するために必要な水のほとんどを外部から水素生成システムへ供給しなければならないため、多くのイオン交換樹脂が必要となり、水素生成システムのコストが高くなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加湿手段によって精製水素ガス、または水素含有ガスに含まれる水蒸気を原料ガスへと供給することで、水を外部から供給する量を低減する構成とした水素生成システム並びにその運転方法を提供することを目的とする。

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、原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給器と、改質器に水を供給する水供給器と、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−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイスと、改質器から生成した水素含有ガスを電気化学デバイスに排出する水素含有ガス排出経路と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器に供給する加湿手段と、を備えたものである。

これによって、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器に供給する加湿手段を備えることで、精製水素ガス、または水素含有ガスに含まれる水蒸気を原料ガスへと供給し、水を外部から供給する量を低減することとなり、イオン交換樹脂の量を削減し、水素生成システムのコストを低減することとなる。

本発明の水素生成システムは、加湿手段によって精製水素ガス、または水素含有ガスに含まれる水蒸気を改質器へ供給することで、水を外部から供給する量を低減でき、これによって、イオン交換樹脂の量を削減し、水素生成システムのコストを低減できる。さらに、イオン交換樹脂の量を削減することで、水素生成システムを小型化することができる。

本発明の実施の形態１における水素生成システムのブロック図 本発明の実施の形態２における水素生成システムのブロック図 本発明の実施の形態３における水素生成システムのブロック図 従来の水素生成システムのブロック図

第１の発明は、原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給器と、改質器に水を供給する水供給器と、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−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイスと、改質器から生成した水素含有ガスを電気化学デバイスに排出する水素含有ガス排出経路と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器に供給する加湿手段と、を備えたものである。これによって、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器に供給するため、水を外部から供給する量を低減することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の水素生成システムを、改質器に接続され加湿手段から水蒸気を供給する水蒸気供給部と、電気化学デバイスのカソードから精製水素ガスを排出する精製水素ガス排出経路と、を備え、加湿手段は精製水素ガス排出経路に設けられ、加湿手段を流通する精製水素ガスと水蒸気供給部との圧力差を調整する圧力調整手段を有しているものである。これによって、精製水素ガス排出経路から改質器に供給する水蒸気量を制御することで、改質反応において必要な水の一部を水素生成システム内部で賄う量を調整することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の水素生成システムを、改質器に接続され加湿手段から水蒸気を供給する水蒸気供給部を備え、加湿手段は水素含有ガス排出経路に設けられ、加湿手段を流通する水素含有ガスと水蒸気供給部との圧力差を調整する圧力調整手段を有しているものである。これによって、水素含有ガスから改質器に供給する水蒸気量を制御することで、改質反応において必要な水の一部を水素生成システム内部で賄う量を調整することができる。さらに、水素含有ガスは精製水素ガスよりも高温高露点であるため、精製水素ガス排出経路から改質器に水蒸気を供給するよりも、多くの水蒸気を改質器に供給することができる。

第４の発明は、原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器と、改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給器と、改質器に水を供給する水供給器と、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−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイスと、改質器から生成した水素含有ガスを電気化学デバイスに排出する水素含有ガス排出経路と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器に供給する加湿手段と、を備えた水素生成システムの運転方法であって、加湿手段において精製水素ガスまたは水素含有ガスに含有された水蒸気を改質器に供給する工程、を備えるものである。これによって、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器に供給するため、水を外部から供給する量を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムのブロック図を示すものである。図１において、水素生成システム１００は、原料ガス供給器１と、原料ガス供給経路１ａと、改質器２と、水素含有ガス排出経路３と、電気化学デバイス４と、アノードオフガス経路５と、燃焼排ガス経路６と、精製水素ガス排出経路７と、制御部８と、加湿手段９と、圧力計１０と、圧力計測器１１と、水供給器５０と、水供給経路５０ａと、電源７０と、浄水器８０と、を備える。

原料ガス供給器１は、所定の圧力の供給圧を有する原料ガスインフラである。原料ガスは、メタンを主成分とした都市ガスを用いる。

原料ガス供給経路１ａは、原料ガス供給器１から原料ガスを改質器２へと供給する経路である。

改質器２は、原料ガスおよび水を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。改質器２の内部には改質触媒および加熱器（図示せず）が搭載されている。水は改質器２内部において加熱され、水蒸気となり、改質触媒において原料ガスと反応して水素含有ガスを生成する。

水素含有ガス排出経路３は改質器２によって生成された水素含有ガスを電気化学デバイス４へと供給する経路である。

電気化学デバイス４は、電解質膜４ｃを挟んでアノード４ａとカソード４ｂとが配置されている。アノード４ａに水素含有ガスを供給し、アノード４ａからカソード４ｂへ電流を流すことで、（化１）、（化２）の反応により、アノード４ａに供給された水素含有ガスから、水素をカソード４ｂに移動する。

アノードオフガス経路５は、電気化学デバイス４から排出される未使用の水素含有ガスを改質器２の加熱器の燃焼バーナ―（図示せず）へと供給する経路である。

燃焼排ガス経路６は、改質器２の加熱器の燃焼バーナ―（図示せず）で燃焼した後の燃焼排ガスを水素生成システム１００外へ排気する経路である。燃焼排ガス経路６の下流端は水素生成システム１００の筐体外に大気開放される。

精製水素ガス排出経路７は、電気化学デバイス４によって精製された精製水素ガスを排出する経路である。

制御部８は、制御機能を有するものであればよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える。演算処理部としては、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。

加湿手段９は、精製水素ガス排出経路７から精製水素ガスに含まれる水蒸気を原料ガス供給経路１ａへと供給する中空糸膜の加湿器である。

圧力計１０は、精製水素ガス排出経路７において、加湿手段９よりも上流の精製水素ガスが流通する部分の精製水素ガス圧力を計測し、制御部８へ圧力情報を返す。制御部８によって、精製水素ガス排出経路７において、加湿手段９内の精製水素ガスが流通する部分の精製水素ガス圧力を推定する。

圧力計測器１１は、原料ガス供給経路１ａにおいて、加湿手段９よりも上流の原料ガスが流通する部分の原料ガス圧力を計測し、制御部８へ圧力情報を返す。制御部８によって、原料ガス供給経路１ａにおいて、加湿手段９内の原料ガスが流通する部分の原料ガス圧力を推定する。

水供給器５０は、水を水素生成システムに供給するための供給器である。

水供給経路５０ａは、水供給器５０から水を改質器２へと供給する経路である。

電源７０は、電気化学デバイス４へ所定方向の電流を流してアノード４ａの水素をカソード４ｂへと移動する。所定方向の電流とは、アノード４ａから電解質膜４ｃを介してカソード４ｂへ流れる電流である。電源７０には直流電源を用いる。

浄水器８０は、水供給経路５０ａを流れる水に含まれる不純物を除去するためのイオン交換樹脂である。

以上のように構成された水素生成システム１００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、水素生成システム１００における水素精製動作について説明する。原料ガス供給器１から改質器２に供給された原料ガスは、改質器２において、水供給器５０から供給された水が加熱されて変化した水蒸気と混合され、改質器２内部の改質反応により、水素含有ガスとなる。水が加熱されて変化した水蒸気の内、改質器２において、原料ガスと反応しなかった水蒸気は水素含有ガスに含まれることになる。

水素含有ガスは水素含有ガス排出経路３を経て電気化学デバイス４のアノード４ａに供給される。アノード４ａとカソード４ｂには電源７０から電流が供給され、アノード４ａでは（化１）の酸化反応が、カソード４ｂでは（化２）の還元反応が起こり、水素含有ガスに含まれている水素が精製され、カソード４ｂの水素純度が所定の水素純度まで高められた精製水素ガスとなり、精製水素ガス排出経路７を経て水素生成システム１００外へと排出される。

（化１）、（化２）の反応において水素が電解質膜４ｃを移動する際、水素含有ガスに含まれる水蒸気も水素に同伴されてカソード４ｂへ運ばれるため、精製水素ガスには水蒸気が含まれることとなる。

次に加湿手段９を介して精製水素ガスから原料ガスへと移動する水蒸気移動量について述べる。

精製水素ガスの水蒸気分圧をＰｎ（ｋＰａ）、原料ガスの水蒸気分圧をＰｎ１（ｋＰａ）とする。単位時間当たりに加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量をＳｎ（ｋｇ／ｓ）、加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気の透過係数をλｎ（ｓ）とする。また、加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する際の加湿手段９面積をＡｎ（ｍ２）、加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する際の加湿手段９厚みをＬｎ（ｍ）とする。単位時間当たりに加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓｎ（ｋｇ／ｓ）は以下の（数１）で表される。「＊」は、乗算を表す記号である。

（数１）で示されるように水蒸気の透過係数λｎ（ｓ）、加湿手段９面積Ａｎ（ｍ２）、加湿手段９厚みＬｎ（ｍ）は加湿手段９に固有の物性値であるため、水蒸気移動量Ｓｎ（ｋｇ／ｓ）は精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｎ（ｋＰａ）と原料ガスの水蒸気分圧Ｐｎ１（ｋＰａ）との差によって決まる。精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｎ（ｋＰａ）が原料ガスの水蒸気分圧Ｐｎ１（ｋＰａ）よりも大きく設計することで、水蒸気移動量Ｓｎ（ｋｇ／ｓ）は正の値となり、原料ガス供給経路１ａから改質器２へと水蒸気が供給されるため、水供給器５０から改質器２へと供給する水の量を低減することができる。

以上のように、本実施の形態においては水素生成システム１００の構成を、原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器２と、改質器２に原料ガスを供給する原料ガス供給器１と、改質器２に水を供給する水供給器５０と、電解質膜４ｃと電解質膜４ｃを挟んで一方の面に配置されるアノード４ａと他方の面に配置されるカソード４ｂとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノード４ａに水素含有ガスを供給し、アノード４ａとカソード４ｂとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード４ｂにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイス４と、改質器２から生成した水素含有ガスを電気化学デバイス４に排出する水素含有ガス排出経路３と、電気化学デバイス４のアノード４ａとカソード４ｂとの間に電流を流すための電源７０と、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器２に供給する加湿手段９と、を備え、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器２に供給することとなり、水を外部から供給する量を低減することができる。

なお、制御部８は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して、分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

なお、改質器２は改質触媒の後段にＣＯ低減触媒を備えてもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における水素生成システムのブロック図を示すものである。図２において、水素生成システム２００は、原料ガス供給器１と、原料ガス供給経路１ａと、改質器２と、水素含有ガス排出経路３と、電気化学デバイス４と、アノードオフガス経路５と、燃焼排ガス経路６と、精製水素ガス排出経路７と、制御部８と、加湿手段９と、圧力計１０と、圧力計測器１１と、圧力調整手段２０と、露点温度計３０と、水蒸気供給部４０と、水供給器５０と、水供給経路５０ａと、電源７０と、浄水器８０と、を備える。

実施の形態１と同一構成には同一符号を付与し、その説明は省略する。

圧力調整手段２０は、背圧弁であり、精製水素ガス排出経路７における加湿手段９の流通部分よりも下流に設けられ、精製水素ガス排出経路７における加湿手段９の圧力を調整する。

露点温度計３０は、精製水素ガス排出経路７における加湿手段９の流通部分の精製水素ガスの露点と温度を計測し、制御部８へ露点と温度の情報を返す。

水蒸気供給部４０は、原料ガス供給経路１ａの下流端と、改質器２とに接続され、原料ガスと、原料ガスに含まれる水蒸気と、が供給される。

以上のように構成された水素生成システム２００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、水素生成システム２００における水素精製動作について説明する。原料ガス供給器１から水蒸気供給部４０を介して改質器２に供給された原料ガスは、改質器２において、水供給器５０から供給された水が加熱されて変化した水蒸気と混合され、改質器２の内部の改質触媒の改質反応により、水素含有ガスとなる。改質器２の改質反応において、水が加熱されて変化した水蒸気の内、原料ガスと反応しなかった水蒸気は水素含有ガスに含まれることになる。

水素含有ガスは水素含有ガス排出経路３を経て電気化学デバイス４のアノード４ａに供給される。アノード４ａとカソード４ｂには電源７０から電流が供給され、アノード４ａでは（化１）の酸化反応が、カソード４ｂでは（化２）の還元反応が起こり、水素含有ガスに含まれている水素が精製され、カソード４ｂの水素純度が所定の水素純度まで高められた精製水素ガスとなり、精製水素ガス排出経路７を経て水素生成システム２００外へと排出される。

（化１）（化２）の反応において発生した水素が電解質膜４ｃを移動する際、水素含有ガスに含まれる水蒸気も水素に同伴されてカソード４ｂへ運ばれるため、精製水素ガスには水蒸気が含まれることとなる。

次に加湿手段９を介して精製水素ガスから原料ガスへと移動する水蒸気移動量について述べる。

精製水素ガスの水蒸気分圧をＰｗ（ｋＰａ）、原料ガスの水蒸気分圧をＰｗ１（ｋＰａ）とする。単位時間当たりに加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量をＳ（ｋｇ／ｓ）、加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気の透過係数をλ（ｓ）とする。また、加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する際の加湿手段９面積をＡ（ｍ２）、加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する際の加湿手段９厚みをＬ（ｍ）とする。単位時間当たりに加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ（ｋｇ／ｓ）は以下の（数２）で表される。

（数２）で示されるように水蒸気の透過係数λ（ｓ）、加湿手段９面積Ａ（ｍ２）、加湿手段９厚みＬ（ｍ）は加湿手段９に固有の物性値であるため、水蒸気移動量Ｓ（ｋｇ／ｓ）を調整するためには精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）と原料ガスの水蒸気分圧Ｐｗ１（ｋＰａ）との差を制御する。原料ガスの水蒸気分圧Ｐｗ１（ｋＰａ）が一定であるとすると、精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）が原料ガスの水蒸気分圧Ｐｗ１（ｋＰａ）よりも大きくなるように制御することで、水蒸気移動量Ｓ（ｋｇ／ｓ）を調整することができる。

さらに、精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）の調整方法について述べる。
圧力計１０で計測した精製水素ガスの圧力をＰＴ（ｋＰａ）、精製水素ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分の分圧をＰｇ（ｋＰａ）とすると、精製水素ガスの圧力ＰＴ（ｋＰａ）はドルトンの法則から、以下の（数３）で表される。

精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）の最大圧力は精製水素ガスの温度によって決まる。精製水素ガスの水蒸気分圧の最大圧力をＰｗｓ（ｋＰａ）とすると、Ｐｗｓ（ｋＰａ）は飽和水蒸気圧となる。露点温度計３０で測定した精製水素ガスの温度と露点から、精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）が精製水素ガスの飽和水蒸気圧Ｐｗｓ（ｋＰａ）に達しているかが分かる。

ドルトンの法則から、圧力調整手段２０を用いて、精製水素ガスの圧力ＰＴ（ｋＰａ）を変化すると、水蒸気を含む全ての気体成分の分圧が影響を受ける。例えば、精製水素ガスの圧力ＰＴ（ｋＰａ）が２倍になれば、精製水素ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分の分圧Ｐｇ（ｋＰａ）と、精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）と、がそれぞれ２倍となる。ただし、精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）は精製水素ガスの水蒸気分圧の最大圧力Ｐｗｓ（ｋＰａ）以下の値となり、精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）が精製水素ガスの水蒸気分圧の最大圧力Ｐｗｓ（ｋＰａ）に達すると、精製水素ガスに含まれる水蒸気は凝結して水になる。

例えば、精製水素ガスの圧力ＰＴ＝１０１．３（ｋＰａ）、露点温度計３０で計測した精製水素ガスの温度Ｔ１＝８０℃、露点温度計３０で計測した精製水素ガスの露点Ｔｗ１＝６０℃とすると、精製水素ガスの水蒸気分圧Ｐｗ（ｋＰａ）＝１９．９（ｋＰａ）となる。原料ガスの水蒸気分圧をＰｗ１（ｋＰａ）＝０（ｋＰａ）と仮定すると、単位時間当たりに加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ（ｋｇ／ｓ）は（数２）から以下の（数４）で表される。

一方で、圧力調整手段２０を用いて、精製水素ガスの圧力ＰＴ（ｋＰａ）を２倍すなわち２０２．６（ｋＰａ）に設定すると、ドルトンの法則から精製水素ガスの圧力Ｐｗ（ｋＰａ）＝３９．８（ｋＰａ）となる。精製水素ガスの圧力Ｐｗ（ｋＰａ）＝３９．８（ｋＰａ）は精製水素ガスの露点では７５．８℃に相当し、露点温度計３０で計測した精製水素ガスの温度Ｔ１＝８０℃未満であるため、精製水素ガスの水蒸気分圧の最大圧力Ｐｗｓ（ｋＰａ）に達していないため、凝結した水は発生していない。同様に原料ガスの水蒸気分圧をＰｗ１（ｋＰａ）＝０（ｋＰａ）と仮定すると、単位時間当たりに加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ（ｋｇ／ｓ）は（数２）から以下の（数５）で表される。

（数４）と（数５）を比較すると、精製水素ガスの圧力ＰＴ（ｋＰａ）を２倍に設定すると、単位時間当たりに加湿手段９を介して精製水素ガス排出経路７から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ（ｋｇ／ｓ）は２倍となり、水供給器５０から改質器２へと供給する水の量を１９．９＊λ＊Ａ／Ｌ（ｋｇ／ｓ）だけ低減することができる。

以上のように、本実施の形態においては水素生成システム２００の構成を、原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器２と、改質器２に原料ガスを供給する原料ガス供給器１と、改質器２に水を供給する水供給器５０と、電解質膜４ｃと電解質膜４ｃを挟んで一方の面に配置されるアノード４ａと他方の面に配置されるカソード４ｂとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノード４ａに水素含有ガスを供給し、アノード４ａとカソード４ｂとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード４ｂにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイス４と、改質器２から生成した水素含有ガスを電気化学デバイス４に排出する水素含有ガス排出経路３と、電気化学デバイス４のアノード４ａとカソード４ｂとの間に電流を流すための電源７０と、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器２に供給する加湿手段９と、を備え、精製水素ガスまたは水素含有ガスと、原料ガスと、の水蒸気分圧差を調整することにより、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器２に供給することとなり、水を外部から供給する量を低減することができる。

なお、制御部８は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して、分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

なお、改質器２は改質触媒の後段にＣＯ低減触媒を備えてもよい。

なお、水蒸気供給部４０は、水が流通してもよく、水配管であってもよい。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における水素生成システムのブロック図を示すものである。図３において、水素生成システム３００は、原料ガス供給器１と、原料ガス供給経路１ａと、改質器２と、水素含有ガス排出経路３と、電気化学デバイス４と、アノードオフガス経路５と、燃焼排ガス経路６と、精製水素ガス排出経路７と、制御部８と、加湿手段９と、圧力計１０と、圧力計測器１１と、圧力調整手段２１と、露点温度計３０と、水蒸気供給部４０と、水供給器５０と、水供給経路５０ａと、電源７０と、浄水器８０と、を備える。

実施の形態１と同一構成には同一符号を付与し、その説明は省略する。

圧力調整手段２１は、水素含有ガスを昇圧するポンプであり、制御部８によって調整した所定圧の水素含有ガスを水素含有ガス排出経路３における加湿手段９の流通部分に供給する。

以上のように構成された水素生成システム３００について、以下その動作、作用を説明する。

まず、加湿手段９を介して水素含有ガスから原料ガスへと移動する水蒸気移動量について述べる。

水素含有ガスの水蒸気分圧をＰｗＨ（ｋＰａ）、原料ガスの水蒸気分圧をＰｗ２（ｋＰａ）とする。単位時間当たりに加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量をＳ２（ｋｇ／ｓ）、加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気の透過係数をλ２（ｓ）とする。また、加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する際の加湿手段９面積をＡ２（ｍ２）、加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する際の加湿手段９厚みをＬ２（ｍ）とする。単位時間当たりに加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ２（ｋｇ／ｓ）は以下の（数６）で表される。

（数６）で示されるように水蒸気の透過係数λ２（ｓ）、加湿手段９面積Ａ２（ｍ２）、加湿手段９厚みＬ２（ｍ）は加湿手段９に固有の物性値であるため、水蒸気移動量Ｓ２（ｋｇ／ｓ）を調整するためには水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）と原料ガスの水蒸気分圧Ｐｗ２（ｋＰａ）との差を制御する。原料ガスの水蒸気分圧Ｐｗ２（ｋＰａ）が一定であるとすると、水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）が原料ガスの水蒸気分圧Ｐｗ２（ｋＰａ）よりも大きくなるように制御することで、水蒸気移動量Ｓ２（ｋｇ／ｓ）を調整することができる。

さらに、水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）の調整方法について述べる。
圧力計１０で計測した水素含有ガスの圧力をＰＴ２（ｋＰａ）、水素含有ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分の分圧をＰｇ２（ｋＰａ）とすると、水素含有ガスの圧力ＰＴ２（ｋＰａ）はドルトンの法則から、以下の（数７）で表される。

水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）の最大圧力は水素含有ガスの温度によって決まる。水素含有ガスの水蒸気分圧の最大圧力をＰｗｓ２（ｋＰａ）とすると、Ｐｗｓ２（ｋＰａ）は飽和水蒸気圧となる。露点温度計３０で測定した精製水素ガスの温度と露点から、水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）が水素含有ガスの飽和水蒸気圧Ｐｗｓ２（ｋＰａ）に達しているかが分かる。

ドルトンの法則から、圧力調整手段２１を用いて、水素含有ガスの圧力ＰＴ２（ｋＰａ）が変化すると、水蒸気を含む全ての気体成分の分圧が影響を受ける。例えば、水素含有ガスの圧力ＰＴ２（ｋＰａ）が２倍になれば、水素含有ガスに含まれる水蒸気以外のガス成分の分圧Ｐｇ２（ｋＰａ）と、水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）と、がそれぞれ２倍となる。ただし、水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）は水素含有ガスの水蒸気分圧の最大圧力Ｐｗｓ２（ｋＰａ）以下の値となり、水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）が水素含有ガスの水蒸気分圧の最大圧力Ｐｗｓ２（ｋＰａ）に達すると、水素含有ガスに含まれる水蒸気は凝結して水になる。

例えば、水素含有ガスの圧力ＰＴ２＝１０１．３（ｋＰａ）、露点温度計３０で計測した水素含有ガスの温度Ｔ２＝８０℃、露点温度計３０で計測した水素含有ガスの露点Ｔｗ２＝６０℃とすると、水素含有ガスの水蒸気分圧ＰｗＨ（ｋＰａ）＝１９．９（ｋＰａ）となる。原料ガスの水蒸気分圧Ｐｗ２（ｋＰａ）＝０（ｋＰａ）と仮定すると、単位時間当たりに加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ２（ｋｇ／ｓ）は（数６）から以下の（数８）で表される。

一方で、圧力調整手段２１を用いて、この水素含有ガスの圧力ＰＴ２（ｋＰａ）を２倍すなわち２０２．６（ｋＰａ）に設定すると、ドルトンの法則から水素含有ガスの圧力Ｐｗ２（ｋＰａ）＝３９．８（ｋＰａ）となる。水素含有ガスの圧力ＰｗＨ（ｋＰａ）＝３９．８（ｋＰａ）は水素含有ガスの露点では７５．８℃に相当し、露点温度計３０で計測した水素含有ガスの温度Ｔ２＝８０℃未満であるため、水素含有ガスの水蒸気分圧の最大圧力Ｐｗｓ２（ｋＰａ）に達していないため、凝結した水は発生していない。同様に原料ガスの水蒸気分圧をＰｗ２（ｋＰａ）＝０（ｋＰａ）と仮定すると、単位時間当たりに加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ（ｋｇ／ｓ）は（数６）から以下の（数９）で表される。

（数８）と（数９）を比較すると、水素含有ガスの圧力ＰＴ２（ｋＰａ）を２倍に設定することで、単位時間当たりに加湿手段９を介して水素含有ガス排出経路３から原料ガス供給経路１ａへと移動する水蒸気移動量Ｓ２（ｋｇ／ｓ）は２倍となる。これにより、水供給器５０から改質器２へと供給する水の量を１９．９＊λ２＊Ａ２／Ｌ２（ｋｇ／ｓ）だけ低減することができる。

以上のように、本実施の形態においては水素生成システム３００の構成を、原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器２と、改質器２に原料ガスを供給する原料ガス供給器１と、改質器２に水を供給する水供給器５０と、電解質膜４ｃと電解質膜４ｃを挟んで一方の面に配置されるアノード４ａと他方の面に配置されるカソード４ｂとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノード４ａに水素含有ガスを供給し、アノード４ａとカソード４ｂとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード４ｂにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイス４と、改質器２から生成した水素含有ガスを電気化学デバイス４に排出する水素含有ガス排出経路３と、電気化学デバイス４のアノード４ａとカソード４ｂとの間に電流を流すための電源７０と、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器２に供給する加湿手段９と、を備え、精製水素ガスまたは水素含有ガスと、原料ガスと、の水蒸気分圧差を調整することにより、精製水素ガスまたは水素含有ガスから水蒸気を改質器２に供給することとなり、水を外部から供給する量を低減することができる。

なお、制御部８は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して、分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

なお、改質器２は改質触媒の後段にＣＯ低減触媒を備えてもよい。

なお、水蒸気供給部４０は、水が流通してもよく、水配管であってもよい。

以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、加湿手段によって精製水素ガス、または水素含有ガスに含まれる水蒸気を原料ガスへと供給することにより、水を外部から供給する量を低減することが可能となるので、水に含まれる不純物を除去するために必要なイオン交換樹脂の量を削減できる水素生成システムとして有用であり、水素生成システムの低コスト化等の用途にも適用できる。

１００ 水素生成システム
２００ 水素生成システム
３００ 水素生成システム
４００ 水素生成システム
１ 原料ガス供給器
１ａ 原料ガス供給経路
２ 改質器
３ 水素含有ガス排出経路
４ 電気化学デバイス
４ａ アノード
４ｂ カソード
４ｃ 電解質膜
５ アノードオフガス経路
６ 燃焼排ガス経路
７ 精製水素ガス排出経路
８ 制御部
９ 加湿手段
１０ 圧力計
１１ 圧力計測器
２０ 圧力調整手段
２１ 圧力調整手段
３０ 露点温度計
４０ 水蒸気供給部
５０ 水供給器
５０ａ 水供給経路
７０ 電源
８０ 浄水器

Claims (4)

1. 原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給器と、
   前記改質器に前記水を供給する水供給器と、
   電解質膜と前記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−電極接合体を有し、前記アノードに前記水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイスと、
   前記改質器から生成した水素含有ガスを前記電気化学デバイスに排出する水素含有ガス排出経路と、
   前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、
   前記精製水素ガスまたは前記水素含有ガスから水蒸気を前記改質器に供給する加湿手段と、
   を備えた水素生成システム。
2. 前記改質器に接続され前記加湿手段から水蒸気を供給する水蒸気供給部と、
   前記電気化学デバイスの前記カソードから前記精製水素ガスを排出する精製水素ガス排出経路と、を備え、前記加湿手段は前記精製水素ガス排出経路に設けられ、前記加湿手段を流通する前記精製水素ガスと前記水蒸気供給部との圧力差を調整する圧力調整手段を有している請求項１記載の水素生成システム。
3. 前記改質器に接続され前記加湿手段から水蒸気を供給する水蒸気供給部を備え、
   前記加湿手段は前記水素含有ガス排出経路に設けられ、前記加湿手段を流通する前記水素含有ガスと前記水蒸気供給部との圧力差を調整する圧力調整手段を有している請求項１記載の水素生成システム。
4. 原料ガスと、水と、から水素含有ガスを生成する改質器と、
   前記改質器に原料ガスを供給する原料ガス供給器と、
   前記改質器に前記水を供給する水供給器と、
   電解質膜と前記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−電極接合体を有し、前記アノードに前記水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて精製水素ガスを精製する電気化学デバイスと、
   前記改質器から生成した水素含有ガスを前記電気化学デバイスに排出する水素含有ガス排出経路と、
   前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、
   前記精製水素ガスまたは前記水素含有ガスから水蒸気を前記改質器に供給する加湿手段と、を備えた水素生成システムの運転方法であって、
   前記加湿手段において前記精製水素ガスまたは前記水素含有ガスに含有された水蒸気を前記改質器に供給する工程、を備えた水素生成システムの運転方法。

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