JP2020200211A - Hydrogen production apparatus and its operation method - Google Patents

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康章 嶋田
Yasuaki Shimada
康章 嶋田
繁 飯山
Shigeru Iiyama
繁 飯山
貴広 楠山
Takahiro Kusuyama
貴広 楠山
田口 清
Kiyoshi Taguchi
清 田口
憲有 武田
Kenyu Takeda
憲有 武田
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Abstract

To provide a hydrogen production apparatus with which a starting time when restarting a hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus is shortened.SOLUTION: A controller 80 stops the operation of a raw material feeder 13, a water feeder 14, a power source 30, and a heater 12 when the hydrogen production operation of a hydrogen production apparatus 100 is stopped, closes a purified hydrogen gas passage opening/closing valve 54 and an off-gas passage opening/closing valve 52, and when the hydrogen production operation is resumed, opens a reflux passage opening/closing valve 53 to allow a purified hydrogen gas passage 45 and a raw material supply passage 40 to communicate with each other via a reflux passage 44 before the raw material feeder 13 is operated for operating the power source 30 and the heater 12, so that hydrogen gas of a hydrogen-containing gas and purified hydrogen gas remaining inside the hydrogen production apparatus 100 circulates through the annular passage and heats a CO reducer 16. At this time, since it is not necessary to intermittently operate the heater 12 so as not to reach a temperature at which carbon deposition occurs in a reformer 11, the starting time can be shortened.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、改質器とCO低減器を用いて、炭化水素系の原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、その水素含有ガスから水素純度の高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、を備える水素製造装置と、その運転方法に関するものである。 The present invention uses a reformer and a CO reducer to generate a hydrogen-containing gas from a hydrocarbon-based raw material, and an electrochemical device that generates purified hydrogen gas having high hydrogen purity from the hydrogen-containing gas. The present invention relates to a hydrogen production apparatus including the above, and an operation method thereof.

水素製造装置は、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスを生成(分離)する装置である。この水素製造装置は、例えば、水素イオンを選択的に輸送(透過)する電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体(MEA)を、一対の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 production device is a device that produces (separates) purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the hydrogen-containing gas by utilizing an electrochemical reaction from the hydrogen-containing gas. In this hydrogen production apparatus, for example, an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) having a structure in which an electrolyte membrane that selectively transports (permeates) hydrogen ions is sandwiched between an anode and a cathode is sandwiched between a pair of separators. Equipped with a device.

そして、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードの電位をカソードの電位よりも高くして、アノードから電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、アノードでは、(化1)に示す、水素が水素イオンと電子とに解離する酸化反応が、カソードでは、(化2)に示す、水素イオンと電子とが結合して水素になる還元反応が、それぞれ起こる。 Then, the hydrogen-containing gas is supplied to the anode, the potential of the anode is made higher than the potential of the cathode, and a current is passed from the anode to the cathode through the electrolyte membrane. An oxidation reaction in which hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons occurs, and a reduction reaction in which hydrogen ions and electrons combine to form hydrogen, as shown in (Chemical Formula 2), occurs at the cathode.

Figure 2020200211
Figure 2020200211

Figure 2020200211
以上の反応により、アノードに供給された水素を含む混合ガスから、水素をカソードに分離することができる。
Figure 2020200211
By the above reaction, hydrogen can be separated into the cathode from the mixed gas containing hydrogen supplied to the anode.

この電気化学デバイスに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料処理器(改質器)を有する水素生成装置によって炭化水素系の原料(例えば13Aガスや液化石油ガスなど)を改質(水蒸気改質や部分酸化改質)して生成される(例えば、特許文献1参照)。このようにして生成された水素含有ガスには、二酸化炭素、メタン、窒素、一酸化炭素、水蒸気などの不純物が含まれている。 The hydrogen-containing gas supplied to this electrochemical device reforms hydrocarbon-based raw materials (for example, 13A gas, liquefied petroleum gas, etc.) by a hydrogen generator having a fuel processor (reformer) (steam reforming). It is produced by quality or partial oxidation reforming (see, for example, Patent Document 1). The hydrogen-containing gas produced in this way contains impurities such as carbon dioxide, methane, nitrogen, carbon monoxide, and water vapor.

改質器から生成される水素含有ガスには、水素と同時に生成される一酸化炭素(CO)が含まれるため、固体高分子形燃料電池などの一酸化炭素によって被毒する材料を用いた機器に水素含有ガスを供給する場合は、改質器の後段にCO低減器を設けて、CO低減器によって水素含有ガスのCO濃度を低減している。 Since the hydrogen-containing gas generated from the reformer contains carbon monoxide (CO) generated at the same time as hydrogen, equipment using a material poisoned by carbon monoxide such as a solid polymer fuel cell. When the hydrogen-containing gas is supplied to the hydrogen-containing gas, a CO-reducing device is provided after the reformer, and the CO concentration of the hydrogen-containing gas is reduced by the CO-reducing device.

改質器およびCO低減器をそれぞれの反応に適切な温度にするため、改質器およびCO低減器を加熱器で加熱している。加熱器としては、改質器から排出され燃料電池で利用されなかった可燃ガスを含むオフガスや、炭化水素の燃料を燃焼させたときに発生する熱で改質器とCO低減器の両方を加熱する燃焼器(バーナー)が一般的に用いられる。 In order to bring the reformer and the CO reducer to a temperature suitable for each reaction, the reformer and the CO reducer are heated by a heater. As a heater, both the reformer and the CO reducer are heated by off-gas including combustible gas discharged from the reformer and not used in the fuel cell, and heat generated when burning hydrocarbon fuel. A combustor (burner) is generally used.

通常、改質器の温度は約700℃に、CO低減器の温度は約300℃にすることが一般的である。このように改質器とCO低減器の温度を、それぞれの触媒の反応に最適な温度に保つために、加熱器は最も温度を高くする必要がある改質部の近傍に設置し、起動時の
改質器とCO低減器の昇温にも加熱器を用いている。
Generally, the temperature of the reformer is about 700 ° C. and the temperature of the CO reducer is about 300 ° C. In this way, in order to keep the temperature of the reformer and CO reducer at the optimum temperature for the reaction of each catalyst, the heater is installed near the reformer where the temperature needs to be the highest, and at startup. A heater is also used to raise the temperature of the reformer and CO reducer.

また、CO低減器は改質器に比べて加熱器による昇温に時間が掛かるため、CO低減器に専用の起動用ヒーターを設けることも提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Further, since the CO reducer takes longer to raise the temperature by the heater than the reformer, it has been proposed to provide the CO reducer with a dedicated starter heater (see, for example, Patent Document 2).

特表2016−530188号公報Special Table 2016-530188 特開2008−156154号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-156154

しかしながら、特許文献2に開示された水素生成装置では、改質器に比べて加熱器による昇温に時間が掛かるCO低減器に専用の起動用ヒーターを設けたことによって、水素生成装置の起動時間は短縮できたが、水素生成装置の構成が複雑になり、水素生成装置のコストが高くなり、起動用ヒーターを動作させるためのエネルギーが必要となるという課題があった。 However, in the hydrogen generator disclosed in Patent Document 2, the start-up time of the hydrogen generator is increased by providing a dedicated start-up heater in the CO-reducer, which takes longer to raise the temperature by the heater than the reformer. However, there is a problem that the configuration of the hydrogen generator becomes complicated, the cost of the hydrogen generator becomes high, and energy for operating the starter heater is required.

そこで、CO低減器に専用の起動用ヒーターを設けずに、起動時に、原料を改質器に流しつつ、改質器とCO低減器の両方を加熱器で、水素生成動作時よりも加熱量を多くして加熱昇温すると、CO低減器の温度が、原料と水蒸気とを流通させた場合のCO低減器における露点に達する前に、改質器の温度が炭素析出を生じる温度に達してしまう。 Therefore, instead of providing a dedicated starter heater in the CO reducer, the amount of heating is higher than in the hydrogen generation operation by using a heater for both the reformer and the CO reducer while flowing the raw material to the reformer at the time of start-up. When the temperature is increased by heating and raising the temperature, the temperature of the reformer reaches the temperature at which carbon precipitation occurs before the temperature of the CO reducer reaches the dew point in the CO reducer when the raw material and steam are circulated. It ends up.

そのため、改質器の温度が炭素析出を生じる温度を超えないように、改質器の温度が炭素析出を生じる温度に達したら所定条件を満たすまで加熱器を停止し、加熱器の停止中に所定条件を満たしたら加熱器の加熱動作を再開するということが繰り返されるように、加熱器を間欠動作させて、CO低減器の温度を原料と水蒸気とを流通させた場合のCO低減器における露点にまで昇温することになる。 Therefore, when the temperature of the reformer reaches the temperature at which carbon precipitation occurs, the heater is stopped until a predetermined condition is satisfied so that the temperature of the reformer does not exceed the temperature at which carbon precipitation occurs, and the heater is stopped while the heater is stopped. The dew point in the CO reducer when the heater is operated intermittently and the temperature of the CO reducer is changed between the raw material and steam so that the heating operation of the heater is restarted when the predetermined conditions are satisfied. The temperature will rise to.

しかしながら、改質器の過昇温を抑えるために、加熱器の加熱動作を停止している時には、CO低減器の温度上昇も抑制されるため、改質器とCO低減器の両方を反応に適した温度に昇温する時間を短縮させる目的で加熱器の加熱量を増加させても、加熱器の加熱動作とその停止とを繰返す回数が増えるだけで、起動に掛かる時間を十分に短縮できないという課題を有していた。 However, in order to suppress the overheating of the reformer, when the heating operation of the heater is stopped, the temperature rise of the CO reducer is also suppressed, so that both the reformer and the CO reducer are reacted. Even if the heating amount of the heater is increased for the purpose of shortening the time for raising the temperature to a suitable temperature, the number of times the heating operation of the heater and its stop are repeated only increases, and the time required for starting cannot be sufficiently shortened. Had the problem.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、CO低減器に専用の起動用ヒーターを設けることなく、水素製造装置の起動時間を短縮することができる水素製造装置および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 provides a hydrogen production apparatus and an operation method thereof capable of shortening the activation time of the hydrogen production apparatus without providing a dedicated activation heater in the CO reducer. The purpose is.

前記従来の課題を解決するために、本発明の水素製造装置は、電解質膜をアノードとカソードとの間に有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、アノードとカソードとの間に電流を流す電源と、炭化水素系の原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成されアノードに供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO低減器と、原料供給流路を介して改質器に原料を供給する原料供給器と、改質器及びCO低減器を加熱する加熱器と、精製水素ガスを水素利用機器に供給するための精製水素ガス流路と、精製水素ガス流路を開閉可能に精製水素ガス流路に設けられた精製水素ガス流路開閉弁と、精製水素ガス流路における精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側の流路から分岐して原料供給流路に合流する還流流
路と、還流流路を開閉可能に還流流路に設けられ還流流路開閉弁と、制御器と、を備えた水素製造装置であって、制御器が、原料供給器と電源と加熱器とが、それぞれ動作することにより水素製造装置が水素製造動作をしているときは、還流流路開閉弁の閉状態と精製水素ガス流路開閉弁の開状態とを維持して、水素製造装置の水素製造動作を停止するときに、原料供給器と電源と加熱器のそれぞれの動作を停止させるとともに、精製水素ガス流路開閉弁を閉状態にし、水素製造動作を再開するときに、原料供給器を動作させる前に、精製水素ガス流路開閉弁が閉状態、且つ還流流路開閉弁が開状態で、電源と加熱器を動作させるものである。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the hydrogen production apparatus of the present invention has an electrolyte membrane between the anode and the cathode, supplies hydrogen-containing gas to the anode, and has a predetermined direction between the anode and the cathode. An electrochemical device that generates purified hydrogen gas at the cathode, a power source that allows current to flow between the anode and the cathode, and a modification that reforms hydrocarbon-based raw materials to generate hydrogen-containing gas. A pawnbroker, a CO reducer that reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated by the reformer and supplied to the anode, and a raw material that supplies the raw material to the reformer via the raw material supply flow path. A feeder, a heater that heats a reformer and a CO reducer, a purified hydrogen gas flow path for supplying purified hydrogen gas to a hydrogen utilization device, and a refined hydrogen gas flow that can open and close the purified hydrogen gas flow path. A refined hydrogen gas flow path on-off valve provided in the path, and a return flow path that branches from the flow path on the upstream side of the refined hydrogen gas flow path on-off valve in the refined hydrogen gas flow path and joins the raw material supply flow path. A hydrogen production device provided with a recirculation flow path on-off valve and a controller, which are provided in the recirculation flow path so as to be able to open and close the recirculation flow path. The controller is a raw material supply device, a power source, and a heater, respectively. When the hydrogen production device is operating to produce hydrogen by operating, the hydrogen production operation of the hydrogen production device is maintained by maintaining the closed state of the recirculation flow path on-off valve and the open state of the purified hydrogen gas flow path on-off valve. When the operation of the raw material supply device, the power supply, and the heater is stopped, the refined hydrogen gas flow path on-off valve is closed, and when the hydrogen production operation is restarted, the raw material supply device is operated. Previously, the power supply and the heater are operated with the purified hydrogen gas flow path on-off valve closed and the recirculation flow path on-off valve open.

上記構成の水素製造装置は、水素製造動作を再開するときに、水素製造装置の内部に残っている水素含有ガスと精製水素ガスの水素ガスを、還流流路と、水素ポンプとして機能する電気化学デバイスとにより、循環させながら、加熱器で、改質器とCO低減器を加熱する。 The hydrogen production device having the above configuration uses the hydrogen gas of the hydrogen-containing gas and the purified hydrogen gas remaining inside the hydrogen production device as a recirculation flow path and an electrochemical function as a hydrogen pump when the hydrogen production operation is restarted. The reformer and the CO reducer are heated by the heater while circulating by the device.

したがって、改質器とCO低減器の昇温用ガスに、水素ガスを用いるので、改質器とCO低減器の昇温時に、改質器の温度を、改質器で炭素析出が起こる温度にならないように加熱器を動作させる必要が無いために、加熱器を連続的に動作させて、水素製造動作を再開する場合の起動時間を従来よりも短縮することができる。そのため、稼働率を向上した水素製造装置を提供することができる。 Therefore, since hydrogen gas is used as the heating gas of the reformer and the CO reducer, the temperature of the reformer is set to the temperature at which carbon precipitation occurs in the reformer when the temperature of the reformer and the CO reducer is raised. Since it is not necessary to operate the heater so as not to cause the problem, the start-up time when the heater is continuously operated and the hydrogen production operation is restarted can be shortened as compared with the conventional case. Therefore, it is possible to provide a hydrogen production apparatus having an improved operating rate.

本発明は、水素製造動作を再開するときに、水素製造装置の内部に残っている水素含有ガスと精製水素ガスの水素ガスを、還流流路と、水素ポンプとして機能する電気化学デバイスとにより、循環させながら、加熱器で、改質器とCO低減器を加熱する。 According to the present invention, when the hydrogen production operation is restarted, the hydrogen gas of the hydrogen-containing gas and the purified hydrogen gas remaining inside the hydrogen production apparatus is separated by a recirculation flow path and an electrochemical device functioning as a hydrogen pump. The reformer and the CO reducer are heated by the heater while circulating.

したがって、改質器とCO低減器の昇温用ガスに、水素ガスを用いるので、改質器とCO低減器の昇温時に、改質器の温度を、改質器で炭素析出が起こる温度にならないように加熱器を動作させる必要が無いために、加熱器を連続的に動作させて、水素製造動作を再開する場合の起動時間を従来よりも短縮することができる。そのため、稼働率を向上した水素製造装置を提供することができる。 Therefore, since hydrogen gas is used as the heating gas of the reformer and the CO reducer, the temperature of the reformer is set to the temperature at which carbon precipitation occurs in the reformer when the temperature of the reformer and the CO reducer is raised. Since it is not necessary to operate the heater so as not to cause the problem, the start-up time when the heater is continuously operated and the hydrogen production operation is restarted can be shortened as compared with the conventional case. Therefore, it is possible to provide a hydrogen production apparatus having an improved operating rate.

本発明の実施の形態1における水素製造装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the hydrogen production apparatus in Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1における水素製造装置の水素製造動作を再開するときの動作を示すフローチャートA flowchart showing an operation when restarting the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態2における水素製造装置の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the hydrogen production apparatus in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2における水素製造装置の水素製造動作を再開するときの動作を示すフローチャートA flowchart showing an operation when restarting the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus according to the second embodiment of the present invention.

第1の発明は、電解質膜をアノードとカソードとの間に有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、アノードとカソードとの間に電流を流す電源と、炭化水素系の原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成されアノードに供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO低減器と、原料供給流路を介して改質器に原料を供給する原料供給器と、改質器及びCO低減器を加熱する加熱器と、精製水素ガスを水素利用機器に供給するための精製水素ガス流路と、精製水素ガス流路を開閉可能に精製水素ガス流路に設けられた精製水素ガス流路開閉弁と、精製水素ガス流路における精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側の流路から分岐して原料供給流路に合流する還流流路と、還流流路を開閉可能に還流流路に設けら
れ還流流路開閉弁と、制御器と、を備えた水素製造装置であって、制御器が、原料供給器と電源と加熱器とが、それぞれ動作することにより、水素製造装置が水素製造動作をしているときは、還流流路開閉弁の閉状態と精製水素ガス流路開閉弁の開状態とを維持し、水素製造装置の水素製造動作を停止するときに、原料供給器と電源と加熱器のそれぞれの動作を停止させるとともに、精製水素ガス流路開閉弁を閉状態にし、水素製造動作を再開するときに、原料供給器を動作させる前に、精製水素ガス流路開閉弁が閉状態、且つ還流流路開閉弁が開状態で、電源と加熱器を動作させることを特徴とする。
The first invention has an electrolyte membrane between an anode and a cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and allows a current in a predetermined direction to flow between the anode and the cathode to purify hydrogen gas at the cathode. A power supply that allows current to flow between the anode and cathode, a reformer that reforms hydrocarbon-based raw materials to generate hydrogen-containing gas, and a reformer that produces hydrogen-containing gas. A CO reducer that reduces the concentration of carbon monoxide contained in the supplied hydrogen-containing gas, a raw material supply device that supplies raw materials to the reformer via the raw material supply flow path, a reformer, and a CO reducer. A heater for heating, a purified hydrogen gas flow path for supplying purified hydrogen gas to a hydrogen utilization device, and a refined hydrogen gas flow path on-off valve provided in the purified hydrogen gas flow path so that the purified hydrogen gas flow path can be opened and closed. A recirculation flow path that branches from the flow path on the upstream side of the purification hydrogen gas flow path on-off valve in the refined hydrogen gas flow path and joins the raw material supply flow path, and a recirculation flow path that can be opened and closed are provided in the recirculation flow path. It is a hydrogen production device provided with a recirculation flow path on-off valve and a controller. The controller operates the raw material supply device, the power supply, and the heater, respectively, so that the hydrogen production device operates to produce hydrogen. When the flow path on-off valve is closed and the refined hydrogen gas flow path on-off valve is open, and the hydrogen production operation of the hydrogen production device is stopped, the raw material supply and power supply are used. When each operation of the heater is stopped, the refined hydrogen gas flow path on-off valve is closed, and the hydrogen production operation is restarted, the refined hydrogen gas flow-off valve is closed before the raw material feeder is operated. It is characterized in that the power supply and the heater are operated in the state and the return flow path on-off valve is in the open state.

上記構成の水素製造装置は、水素製造動作を再開するときに、水素製造装置の内部に残っている水素含有ガスと精製水素ガスの水素ガスを、還流流路と、水素ポンプとして機能する電気化学デバイスとにより、循環させながら、加熱器で、改質器とCO低減器を加熱する。 The hydrogen production device having the above configuration uses the hydrogen gas of the hydrogen-containing gas and the purified hydrogen gas remaining inside the hydrogen production device as a recirculation flow path and an electrochemical function as a hydrogen pump when the hydrogen production operation is restarted. The reformer and the CO reducer are heated by the heater while circulating by the device.

したがって、改質器とCO低減器の昇温用ガスに、水素ガスを用いるので、改質器とCO低減器の昇温時に、改質器の温度を、改質器で炭素析出が起こる温度にならないように加熱器を動作させる必要が無いために、加熱器を連続的に動作させて、水素製造動作を再開する場合の起動時間を従来よりも短縮することができる。そのため、稼働率を向上した水素製造装置を提供することができる。 Therefore, since hydrogen gas is used as the heating gas of the reformer and the CO reducer, the temperature of the reformer is set to the temperature at which carbon precipitation occurs in the reformer when the temperature of the reformer and the CO reducer is raised. Since it is not necessary to operate the heater so as not to cause the problem, the start-up time when the heater is continuously operated and the hydrogen production operation is restarted can be shortened as compared with the conventional case. Therefore, it is possible to provide a hydrogen production apparatus having an improved operating rate.

第2の発明は、特に、第1の発明に加えて、精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側の精製水素ガス流路または還流流路開閉弁よりも上流側の還流流路に連通する水素貯蔵器を備えることを特徴とする。 In particular, in addition to the first invention, the second invention communicates with the purified hydrogen gas flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve or the recirculation flow path on the upstream side of the recirculation flow path on-off valve. It is characterized by being provided with a hydrogen reservoir.

これによって、水素製造装置が水素製造動作を停止するまでに、水素貯蔵器に貯めておいた精製水素ガスも、水素製造動作を再開するときに、原料供給器を動作させる前に、還流流路を利用して循環させることができるので、水素貯蔵器が無い場合よりも、精製水素ガスの循環流量を増やすことができるとともに、水素貯蔵器が無い場合よりも、循環するガスの水素の濃度が高くなるので、精製水素ガスが循環する直前において、原料供給流路と改質器に原料が残っている場合であっても、改質器が高温に加熱される前に、原料供給流路と改質器に残っていた原料を改質器から排出できる可能性が高くなり、熱媒体となる精製水素ガスの循環流量が増えることにより、CO低減器の温度上昇が速くなるので、水素製造動作を再開する場合の起動時間を更に短縮することができる。 As a result, the purified hydrogen gas stored in the hydrogen storage until the hydrogen production device stops the hydrogen production operation is also a reflux flow path before the raw material supply device is operated when the hydrogen production operation is restarted. Since it can be circulated using hydrogen, the circulating flow rate of purified hydrogen gas can be increased compared to the case without a hydrogen storage, and the concentration of hydrogen in the circulating gas is higher than that without a hydrogen storage. Since it becomes high, even if the raw material remains in the raw material supply flow path and the reformer immediately before the purified hydrogen gas circulates, it becomes the raw material supply flow path before the reformer is heated to a high temperature. There is a high possibility that the raw materials remaining in the reformer can be discharged from the reformer, and the circulating flow rate of purified hydrogen gas as a heat medium increases, so that the temperature of the CO reducer rises faster, so hydrogen production operation The start-up time when restarting can be further shortened.

第3の発明は、特に、第2の発明に加えて、アノードに供給された水素含有ガスのうちでカソードに移動しないガスをアノードから排出するためのオフガス流路と、オフガス流路を開閉可能にオフガス流路に設けられ、水素製造装置が水素製造動作をしているときは開状態を維持し、水素製造装置が水素製造動作を停止しているときは閉状態を維持するオフガス流路開閉弁と、を備え、制御器が、水素製造動作を再開するときに、オフガス流路開閉弁を開状態にして、電源と加熱器を動作させることを特徴とする。 In the third invention, in particular, in addition to the second invention, an off-gas flow path for discharging a hydrogen-containing gas supplied to the anode that does not move to the cathode from the anode and an off-gas flow path can be opened and closed. Off-gas flow path opening and closing, which is provided in the off-gas flow path and maintains an open state when the hydrogen production device is operating hydrogen production, and maintains a closed state when the hydrogen production device is stopped in hydrogen production operation. A valve is provided, and when the controller restarts the hydrogen production operation, the off-gas flow path on-off valve is opened to operate the power supply and the heater.

これによって、水素製造動作を再開するときに、アノードのガスに含まれる水素以外の不純物を、オフガス流路を使って外部に放出することができ、アノードに不純物が蓄積することによる電気化学デバイスの性能劣化を抑制できる。 As a result, when the hydrogen production operation is restarted, impurities other than hydrogen contained in the gas of the anode can be released to the outside using the off-gas flow path, and the impurities are accumulated in the anode to cause the electrochemical device. Performance deterioration can be suppressed.

なお、精製水素ガスを循環させているときに、オフガス流路から外部に不純物を多く含む水素含有ガスが放出されるが、還流流路内の精製水素ガスの圧力が水素貯蔵器内の精製水素ガスの圧力よりも低下すると、水素貯蔵器から循環用の精製水素ガスが還流流路に補充されるので、オフガス流路から放出されるガス量に対して水素貯蔵器に貯える精製水素ガスの量を充分な量に(水素貯蔵器の容積を充分な容積に)しておけば、循環用の精製水素ガスが不足する虞はない。 When the purified hydrogen gas is circulated, a hydrogen-containing gas containing a large amount of impurities is released from the off-gas flow path to the outside, but the pressure of the purified hydrogen gas in the recirculation flow path is the purified hydrogen in the hydrogen storage. When the pressure drops below the gas pressure, the reflux channel is replenished with purified hydrogen gas for circulation from the hydrogen reservoir, so the amount of purified hydrogen gas stored in the hydrogen reservoir relative to the amount of gas released from the off-gas channel. If the amount is sufficient (the volume of the hydrogen reservoir is sufficient), there is no risk of running out of purified hydrogen gas for circulation.

第4の発明は、特に、第3の発明において、加熱器はオフガス流路から供給されたガスを燃焼するように構成されていることを特徴とする。 The fourth invention is characterized in that, in particular, in the third invention, the heater is configured to burn the gas supplied from the off-gas flow path.

これによって、アノードからオフガス流路に排出するガスを、加熱器の燃料として有効活用でき、そのようにしない場合に比べて、水素製造装置のエネルギー効率を向上させることができる。 As a result, the gas discharged from the anode to the off-gas flow path can be effectively used as fuel for the heater, and the energy efficiency of the hydrogen production apparatus can be improved as compared with the case where this is not done.

第5の発明は、電解質膜をアノードとカソードとの間に有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、アノードとカソードとの間に電流を流す電源と、炭化水素系の原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器で生成されアノードに供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO低減器と、原料供給流路を介して改質器に原料を供給する原料供給器と、改質器及びCO低減器を加熱する加熱器と、精製水素ガスを水素利用機器に供給するための精製水素ガス流路と、精製水素ガス流路を開閉可能に精製水素ガス流路に設けられた精製水素ガス流路開閉弁と、精製水素ガス流路における精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側の流路から分岐して原料供給流路に合流する還流流路と、還流流路を開閉可能に還流流路に設けられ還流流路開閉弁と、を備えた水素製造装置の運転方法であって、原料供給器と電源と加熱器とが、それぞれ動作することにより、水素製造装置が水素製造動作をしているときには、還流流路開閉弁の閉状態と精製水素ガス流路開閉弁の開状態とを維持し、水素製造装置の水素製造動作を停止するときに、原料供給器と電源と加熱器のそれぞれの動作を停止させるとともに、精製水素ガス流路開閉弁を閉状態にし、水素製造動作を再開するときには、原料供給器を動作させる前に、精製水素ガス流路開閉弁が閉状態、且つ還流流路開閉弁が開状態で、電源と加熱器を動作させることを特徴とする。 A fifth invention has an electrolyte membrane between an anode and a cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and allows a current in a predetermined direction to flow between the anode and the cathode to purify hydrogen gas at the cathode. A power supply that allows current to flow between the anode and cathode, a reformer that reforms hydrocarbon-based raw materials to generate hydrogen-containing gas, and a reformer that produces hydrogen-containing gas. A CO reducer that reduces the concentration of carbon monoxide contained in the supplied hydrogen-containing gas, a raw material supply device that supplies raw materials to the reformer via the raw material supply flow path, a reformer, and a CO reducer. A heater for heating, a purified hydrogen gas flow path for supplying purified hydrogen gas to a hydrogen utilization device, and a refined hydrogen gas flow path on-off valve provided in the purified hydrogen gas flow path so that the purified hydrogen gas flow path can be opened and closed. A recirculation flow path that branches from the flow path on the upstream side of the refined hydrogen gas flow path on-off valve in the refined hydrogen gas flow path and joins the raw material supply flow path, and a recirculation flow path that can be opened and closed are provided in the recirculation flow path. When the hydrogen production apparatus is operating hydrogen production by operating the raw material supply device, the power supply, and the heater, respectively, in the operation method of the hydrogen production apparatus provided with the return flow path on-off valve. When the closed state of the recirculation flow path on-off valve and the open state of the purified hydrogen gas flow path on-off valve are maintained and the hydrogen production operation of the hydrogen production device is stopped, the operation of the raw material supply device, the power supply, and the heater, respectively. When the refined hydrogen gas flow path on-off valve is closed and the hydrogen production operation is restarted, the refined hydrogen gas flow path on-off valve is closed and the recirculation flow path is opened and closed before the raw material feeder is operated. It is characterized in that the power supply and the heater are operated with the valve open.

上記運転方法で運転される水素製造装置は、水素製造動作を再開するときに、水素製造装置の内部に残っている水素含有ガスと精製水素ガスの水素ガスを、還流流路と、水素ポンプとして機能する電気化学デバイスとにより、循環させながら、加熱器で、改質器とCO低減器を加熱する。 When the hydrogen production apparatus operated by the above operation method restarts the hydrogen production operation, the hydrogen gas of the hydrogen-containing gas and the purified hydrogen gas remaining inside the hydrogen production apparatus is used as a recirculation flow path and a hydrogen pump. A functioning electrochemical device heats the reformer and the CO reducer with a heater while circulating.

したがって、改質器とCO低減器の昇温用ガスに、水素ガスを用いるので、改質器とCO低減器の昇温時に、改質器の温度を、改質器で炭素析出が起こる温度にならないように加熱器を動作させる必要が無いために、加熱器を連続的に動作させて、水素製造動作を再開する場合の起動時間を従来よりも短縮することができる。そのため、水素製造装置の稼働率を向上することができる。 Therefore, since hydrogen gas is used as the heating gas of the reformer and the CO reducer, the temperature of the reformer is set to the temperature at which carbon precipitation occurs in the reformer when the temperature of the reformer and the CO reducer is raised. Since it is not necessary to operate the heater so as not to cause the problem, the start-up time when the heater is continuously operated and the hydrogen production operation is restarted can be shortened as compared with the conventional case. Therefore, the operating rate of the hydrogen production apparatus can be improved.

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、本発明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 the embodiments of the present invention.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における水素製造装置の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における水素製造装置の水素製造動作を再開するときの動作を示すフローチャートである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen production apparatus according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing an operation when restarting the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus according to the first embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施の形態の水素製造装置100は、水素生成装置10と、原料供給器13と、水供給器14と、電気化学デバイス20と、電源30と、原料供給流路40と、水供給流路41と、水素含有ガス流路42と、オフガス流路43と、還流流路44と、精製水素ガス流路45と、オフガス流路開閉弁52と、還流流路開閉弁53と、精製水素ガス流路開閉弁54と、制御器80と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus 100 of the present embodiment includes a hydrogen generation apparatus 10, a raw material supply device 13, a water supply device 14, an electrochemical device 20, a power source 30, and a raw material supply flow path. 40, water supply flow path 41, hydrogen-containing gas flow path 42, off-gas flow path 43, recirculation flow path 44, purified hydrogen gas flow path 45, off-gas flow path on-off valve 52, recirculation flow path on / off. A valve 53, a purified hydrogen gas flow path on-off valve 54, and a controller 80 are provided.

水素生成装置10は、改質器11と、加熱器12と、改質器温度検知器15と、CO低減器16と、CO低減器温度検知器17と、を備えている。 The hydrogen generator 10 includes a reformer 11, a heater 12, a reformer temperature detector 15, a CO reducer 16, and a CO reducer temperature detector 17.

改質器11は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。原料は、本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを用いた。本実施の形態の改質反応は、都市ガスと水蒸気を反応させる水蒸気改質反応を用いた。改質器11の内部には改質触媒(図示せず)が搭載さている。 The reformer 11 generates hydrogen-containing gas by a reforming reaction using raw materials and steam. In the present embodiment, the raw material used is city gas containing methane as a main component. As the reforming reaction of the present embodiment, a steam reforming reaction in which city gas and steam are reacted was used. A reforming catalyst (not shown) is mounted inside the reformer 11.

CO低減器16は、改質器11で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応により低減する。CO低減器16の内部には、変成触媒(図示せず)が搭載されている。 The CO reducer 16 reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated by the reformer 11 by a metamorphic reaction. A metamorphic catalyst (not shown) is mounted inside the CO reducer 16.

加熱器12は、燃料と空気を混合して燃焼させることで、改質器11とCO低減器16とを加熱する。また、加熱器12の燃料には、メタンを主成分とする都市ガスを用いた。 The heater 12 heats the reformer 11 and the CO reducer 16 by mixing and burning fuel and air. Further, as the fuel of the heater 12, city gas containing methane as a main component was used.

改質器温度検知器15は、改質器11に搭載されている改質触媒の温度を検出する熱電対である。 The reformer temperature detector 15 is a thermocouple that detects the temperature of the reforming catalyst mounted on the reformer 11.

CO低減器温度検知器17は、CO低減器16に搭載されている変成触媒の温度を検出するサーミスタである。 The CO reducer temperature detector 17 is a thermistor that detects the temperature of the metamorphic catalyst mounted on the CO reducer 16.

原料供給器13は、都市ガスを、原料供給流路40を介して改質器11に供給するガス用ポンプである。原料供給器13は、原料供給動作を停止している時には、原料供給流路40内のガスが原料供給器13を逆流しないように構成されている。 The raw material supply device 13 is a gas pump that supplies city gas to the reformer 11 via the raw material supply flow path 40. The raw material supply device 13 is configured so that the gas in the raw material supply flow path 40 does not flow back through the raw material supply device 13 when the raw material supply operation is stopped.

水供給器14は、水を、水供給流路41を介して、改質器11に供給する水用ポンプである。 The water supply device 14 is a water pump that supplies water to the reformer 11 via the water supply flow path 41.

電気化学デバイス20は、電解質膜21と、電解質膜21の一方の主面に配置されたアノード22と、電解質膜21の他方の主面に配置されたカソード23と、を備えている。 The electrochemical device 20 includes an electrolyte membrane 21, an anode 22 arranged on one main surface of the electrolyte membrane 21, and a cathode 23 arranged on the other main surface of the electrolyte membrane 21.

電解質膜21は、水素イオンを選択的に輸送(透過)する高分子膜である。 The electrolyte membrane 21 is a polymer membrane that selectively transports (permeates) hydrogen ions.

アノード22は、電解質膜21の一方の主面に結合されて、水素が水素イオンと電子とに解離する酸化反応を起こすアノード電極と、アノード入口とアノード出口との間に、アノード電極に供給する水素含有ガスの流路が形成されたアノードセパレータと、で構成されている。 The anode 22 is supplied to the anode electrode between the anode electrode, which is bonded to one main surface of the electrolyte membrane 21 and causes an oxidation reaction in which hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons, and the anode inlet and anode outlet. It is composed of an anode separator in which a flow path for a hydrogen-containing gas is formed.

カソード23は、電解質膜21の他方の主面に結合されて、水素イオンと電子とが結合して水素になる還元反応を起こすカソード電極と、還元反応によりカソード電極で生成された精製水素ガスをカソード出口に排出する精製水素ガスの流路が形成されたカソードセパレータと、で構成されている。 The cathode 23 is bonded to the other main surface of the electrolyte membrane 21 to cause a reduction reaction in which hydrogen ions and electrons are combined to form hydrogen, and a purified hydrogen gas generated by the cathode electrode by the reduction reaction. It is composed of a cathode separator in which a flow path for purified hydrogen gas discharged to the cathode outlet is formed.

電源30は、アノード22の電位をカソード23の電位よりも高くして、アノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと電流を流す直流電源である。電源30のプラス側端子はアノード22に電気的に接続され、電源30のマイナス側端子はカソード23に電気的に接続されている。 The power supply 30 is a DC power supply in which the potential of the anode 22 is made higher than the potential of the cathode 23 and a current is passed from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21. The positive terminal of the power supply 30 is electrically connected to the anode 22, and the negative terminal of the power supply 30 is electrically connected to the cathode 23.

水素含有ガス流路42は、水素生成装置10の出口とアノード22のアノード入口とを
接続して、水素生成装置10で生成された水素含有ガスをアノード22に供給する流路である。
The hydrogen-containing gas flow path 42 is a flow path that connects the outlet of the hydrogen generation device 10 and the anode inlet of the anode 22 to supply the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generation device 10 to the anode 22.

オフガス流路43は、一端がアノード22のアノード出口に接続され、アノード22から余分な水素含有ガスを外部へ排出するための流路である。 The off-gas flow path 43 is a flow path in which one end is connected to the anode outlet of the anode 22 and excess hydrogen-containing gas is discharged from the anode 22 to the outside.

オフガス流路開閉弁52は、オフガス流路43上に設けられ、オフガス流路43を開閉する電磁弁である。 The off-gas flow path on-off valve 52 is a solenoid valve provided on the off-gas flow path 43 to open and close the off-gas flow path 43.

精製水素ガス流路45は、カソード23のカソード出口と水素利用機器90とを接続して、カソード23から排出される精製水素ガスを、水素利用機器90に供給する流路である。 The purified hydrogen gas flow path 45 is a flow path that connects the cathode outlet of the cathode 23 and the hydrogen utilization device 90 and supplies the purified hydrogen gas discharged from the cathode 23 to the hydrogen utilization device 90.

精製水素ガス流路開閉弁54は、精製水素ガス流路45上に設けられ、精製水素ガス流路45を開閉する電磁弁である。 The purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 is an electromagnetic valve provided on the purified hydrogen gas flow path 45 to open and close the purified hydrogen gas flow path 45.

還流流路44は、精製水素ガス流路45における精製水素ガス流路開閉弁54よりも上流側の流路から分岐して、原料供給流路40に合流する流路である。 The reflux flow path 44 is a flow path that branches from the flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 in the purified hydrogen gas flow path 45 and joins the raw material supply flow path 40.

還流流路開閉弁53は、還流流路44上に設けられ、還流流路44を開閉する電磁弁である。 The recirculation flow path on-off valve 53 is an electromagnetic valve provided on the recirculation flow path 44 to open and close the recirculation flow path 44.

制御器80は、水素製造装置100の運転を制御するものである。制御器80は、信号入出力部(図示せず)と、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)と、を備える。 The controller 80 controls the operation of the hydrogen production apparatus 100. The controller 80 includes a signal input / output unit (not shown), an arithmetic processing unit (not shown), and a storage unit (not shown) for storing a control program.

水素利用機器90は、水素製造装置100から供給される精製水素ガスを貯留するタンクである。 The hydrogen utilization device 90 is a tank for storing purified hydrogen gas supplied from the hydrogen production device 100.

以上のように構成された本実施の形態の水素製造装置100について、以下その動作と作用を説明する。以下の動作は、制御器80が、原料供給器13と、水供給器14と、水素生成装置10と、電源30と、オフガス流路開閉弁52と、還流流路開閉弁53と、精製水素ガス流路開閉弁54と、を制御することによって行われる。 The operation and operation of the hydrogen production apparatus 100 of the present embodiment configured as described above will be described below. In the following operation, the controller 80 uses the raw material supply device 13, the water supply device 14, the hydrogen generator 10, the power supply 30, the off-gas flow path on-off valve 52, the reflux flow path on-off valve 53, and purified hydrogen. This is done by controlling the gas flow path on-off valve 54.

水素製造装置100が水素製造動作をしている時は、還流流路開閉弁53が閉状態であり、オフガス流路開閉弁52と精製水素ガス流路開閉弁54がそれぞれ開状態であり、原料供給器13が改質器11に都市ガスを供給しており、水供給器14が改質器11に水を供給しており、加熱器12が都市ガスを燃焼させて改質器11とCO低減器16とをそれぞれ加熱しており、改質器11は改質反応により水素含有ガスを生成しており、CO低減器16は改質器11で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応により低減しており、電源30はアノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと電流を流しており、電気化学デバイス20は、アノード22に供給された水素含有ガスから、カソード23において水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスを生成しており、電気化学デバイス20で生成された精製水素ガスは精製水素ガス流路45を介して水素利用機器90に供給されている。アノード22で余った水素含有ガスはオフガス流路43から排出される。 When the hydrogen production apparatus 100 is operating hydrogen production, the recirculation flow path on-off valve 53 is in the closed state, the off-gas flow path on-off valve 52 and the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 are in the open state, respectively, and the raw materials are used. The feeder 13 supplies city gas to the reformer 11, the water supply 14 supplies water to the reformer 11, and the heater 12 burns the city gas to burn the reformer 11 and CO. The reducer 16 and the reducer 16 are heated respectively, the reformer 11 generates hydrogen-containing gas by the reforming reaction, and the CO reducer 16 is monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated by the reformer 11. The concentration of carbon is reduced by a transformation reaction, the power supply 30 is passing a current from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21, and the electrochemical device 20 is a hydrogen-containing gas supplied to the anode 22. Therefore, purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than hydrogen-containing gas is generated at the cathode 23, and the purified hydrogen gas generated by the electrochemical device 20 is supplied to the hydrogen utilization device 90 via the purified hydrogen gas flow path 45. Has been done. The hydrogen-containing gas surplus at the anode 22 is discharged from the off-gas flow path 43.

水素製造装置100の水素製造動作を停止(終了)するときは、制御器80が、電源30の電流を停止させ、精製水素ガス流路開閉弁54を閉じ、原料供給器13と水供給器14と加熱器12をそれぞれ制御して、水素生成装置10の水素含有ガスの生成動作を停止
させ、オフガス流路開閉弁52を閉じる。
When the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus 100 is stopped (finished), the controller 80 stops the current of the power supply 30, closes the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54, and feeds the raw material supply device 13 and the water supply device 14. And the heater 12 are controlled respectively to stop the hydrogen-containing gas generation operation of the hydrogen generation device 10 and close the off-gas flow path on-off valve 52.

このとき、原料供給器13と水供給器14と加熱器12を停止してから、オフガス流路開閉弁52を閉じるまでの間に、還流流路開閉弁53を一時的に開いて、原料供給流路40と改質器11とCO低減器16を精製水素ガスでパージしても構わないが、後の改質器11とCO低減器16の昇温時に循環させる水素ガスが不足しないようにする。 At this time, the recirculation flow path on-off valve 53 is temporarily opened to supply the raw material between the time when the raw material supply device 13, the water supply device 14, and the heater 12 are stopped and the time when the off-gas flow path on-off valve 52 is closed. The flow path 40, the reformer 11, and the CO reducer 16 may be purged with purified hydrogen gas, but the hydrogen gas to be circulated when the temperature of the reformer 11 and the CO reducer 16 is raised later is not insufficient. To do.

水素製造装置100が水素製造動作の停止動作を完了させてから水素製造動作を再開するまでの間は、オフガス流路開閉弁52と還流流路開閉弁53と精製水素ガス流路開閉弁54のそれぞれの閉状態は維持される。 From the time when the hydrogen production apparatus 100 completes the stop operation of the hydrogen production operation to the time when the hydrogen production operation is restarted, the off-gas flow path on-off valve 52, the recirculation flow path on-off valve 53, and the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 Each closed state is maintained.

そのため、水素製造装置100が水素製造動作を停止している間は、カソード23と、還流流路開閉弁53よりもカソード23側の還流流路44と、精製水素ガス流路開閉弁54よりもカソード23側の精製水素ガス流路45には、大気圧よりも高圧の精製水素ガスが残っている。 Therefore, while the hydrogen production apparatus 100 is stopped from the hydrogen production operation, the cathode 23, the recirculation flow path 44 on the cathode 23 side of the recirculation flow path on-off valve 53, and the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 Purified hydrogen gas having a pressure higher than that of atmospheric pressure remains in the purified hydrogen gas flow path 45 on the cathode 23 side.

また、水素製造装置100が水素製造動作を停止している間に、カソード23の精製水素ガスの一部は、カソード23から電解質膜21を透過してアノード22に移動してアノード22に残っている水素含有ガスと混合されるが、その混合ガス(水素含有ガス)は、オフガス流路開閉弁52が閉状態であるため、オフガス流路開閉弁52よりも上流のガス流路内とアノード22に滞留する。 Further, while the hydrogen production apparatus 100 is stopped from the hydrogen production operation, a part of the purified hydrogen gas of the cathode 23 passes through the electrolyte membrane 21 from the cathode 23, moves to the anode 22, and remains in the anode 22. The mixed gas (hydrogen-containing gas) is mixed with the existing hydrogen-containing gas, but since the off-gas flow path on-off valve 52 is closed, the gas flow path upstream of the off-gas flow path on-off valve 52 and the anode 22 are mixed. Stay in.

水素製造装置100が起動動作を開始するときは、まず、制御器80が、精製水素ガス流路開閉弁54の閉状態と、オフガス流路開閉弁52の閉状態とを維持しながら、還流流路開閉弁53を開状態にして、精製水素ガス流路45と原料供給流路40とを還流流路44によって連通させる(S101)。 When the hydrogen production apparatus 100 starts the start-up operation, first, the controller 80 maintains the closed state of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 and the closed state of the off-gas flow path on-off valve 52, and the reflux flow. The path on-off valve 53 is opened, and the purified hydrogen gas flow path 45 and the raw material supply flow path 40 are communicated with each other by the return flow path 44 (S101).

これにより、還流流路開閉弁53よりもカソード23側の還流流路44内の精製水素ガスと精製水素ガス流路開閉弁54よりもカソード23側の精製水素ガス流路45内の精製水素ガスは、還流流路開閉弁53を通過して還流流路開閉弁53よりも原料供給流路40側の還流流路44内に拡散する。 As a result, the purified hydrogen gas in the recirculation flow path 44 on the cathode 23 side of the recirculation flow path on-off valve 53 and the purified hydrogen gas in the purified hydrogen gas flow path 45 on the cathode 23 side of the recirculation flow path on-off valve 54. Passes through the recirculation flow path on-off valve 53 and diffuses into the recirculation flow path 44 on the raw material supply flow path 40 side of the recirculation flow path on-off valve 53.

次に、電源30を制御してアノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと電流を流し、アノード22に滞留する混合ガス(水素含有ガス)に含まれる水素ガスをカソード23に移動させる(S102)。 Next, the power supply 30 is controlled to pass a current from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21, and the hydrogen gas contained in the mixed gas (hydrogen-containing gas) staying in the anode 22 is moved to the cathode 23. (S102).

このとき、カソード23に移動した水素ガスは、還流流路44を通って改質器11に供給され、改質器11とCO低減器16を通過した水素ガスがアノード22に供給される(水素ガスが、改質器11とCO低減器16と電気化学デバイス20とを環状につなぐ流路を循環する)こととなる。 At this time, the hydrogen gas that has moved to the cathode 23 is supplied to the reformer 11 through the reflux channel 44, and the hydrogen gas that has passed through the reformer 11 and the CO reducer 16 is supplied to the anode 22 (hydrogen). The gas circulates in the flow path connecting the reformer 11, the CO reducer 16, and the electrochemical device 20 in a ring shape).

次に、制御器80が、加熱器12への都市ガスと燃焼用空気との供給を開始するとともに、加熱器12の点火動作を行って、都市ガスと燃焼用空気の混合ガスを加熱器12で燃焼させて、加熱器12の燃焼熱による改質器11とCO低減器16の加熱を開始する(S103)。改質器11を通過するときに加熱された(改質器11から熱を奪った)水素ガスは、CO低減器16を通過するときに、CO低減器16を加熱する。 Next, the controller 80 starts supplying the city gas and the combustion air to the heater 12, and also ignites the heater 12 to produce a mixed gas of the city gas and the combustion air in the heater 12. (S103), the reformer 11 and the CO reducer 16 are started to be heated by the combustion heat of the heater 12. The hydrogen gas heated when passing through the reformer 11 (which has taken heat from the reformer 11) heats the CO reducer 16 as it passes through the CO reducer 16.

次に、改質器温度検知器15によって検知される温度が第1温度以上で、かつ、CO低減器温度検知器17によって検知される温度が第2温度以上の条件を満たしているか否かを判定する(S104)。そして、判定の結果、S104の条件を満たしていなければ、
条件を満たすまで、S104の判定を繰返す。
Next, whether or not the temperature detected by the reformer temperature detector 15 is equal to or higher than the first temperature and the temperature detected by the CO reducer temperature detector 17 satisfies the condition of the second temperature or higher. Judgment (S104). Then, as a result of the determination, if the condition of S104 is not satisfied,
The determination of S104 is repeated until the condition is satisfied.

ここで、第1温度とは、改質反応によって都市ガスから電気化学デバイス20での水素製造動作に必要な濃度の水素を含む水素含有ガスが生成する温度であり、本実施の形態では600℃とした。第2温度とは、変成反応によって水素含有ガスに含まれる一酸化炭素濃度が十分低減される温度であり、本実施の形態では200℃とした。 Here, the first temperature is a temperature at which a hydrogen-containing gas containing hydrogen having a concentration required for hydrogen production operation in the electrochemical device 20 is generated from the city gas by the reforming reaction, and is 600 ° C. in the present embodiment. And said. The second temperature is a temperature at which the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas is sufficiently reduced by the metamorphism reaction, and is set to 200 ° C. in the present embodiment.

S104で、改質器温度検知器15によって検知される温度が第1温度以上で、かつ、CO低減器温度検知器17によって検知される温度が第2温度以上の条件を満たしていれば、S104をYes側に分岐して、還流流路開閉弁53を閉状態、オフガス流路開閉弁52を開状態にするとともに、電源30を停止する(S105)。 In S104, if the temperature detected by the reformer temperature detector 15 is the first temperature or higher and the temperature detected by the CO reducer temperature detector 17 satisfies the condition of the second temperature or higher, S104. Is branched to the Yes side, the reflux flow path on-off valve 53 is closed, the off-gas flow path on-off valve 52 is opened, and the power supply 30 is stopped (S105).

次に、原料供給器13を制御して、都市ガスの供給を開始するとともに、水供給器14を制御して水の供給を開始する(S106)。 Next, the raw material supply device 13 is controlled to start the supply of city gas, and the water supply device 14 is controlled to start the water supply (S106).

次に、改質器11への都市ガスと水の供給を開始してから第1時間を経過したか否かを判定する(S107)。そして、改質器11への都市ガスと水の供給を開始してから第1時間を経過していない場合は、第1時間を経過するまで、S107の判定を繰り返す。 Next, it is determined whether or not the first time has elapsed since the supply of city gas and water to the reformer 11 was started (S107). Then, if the first time has not passed since the supply of city gas and water to the reformer 11 was started, the determination of S107 is repeated until the first time has passed.

ここで、第1時間とは、水素生成装置10で生成した水素含有ガスでアノード22を十分パージする(水素生成装置10からアノード22に供給される水素含有ガスの流量と成分の両方が、電気化学デバイス20の動作開始に適した状態になる)のに要する時間であり、本実施の形態では、第1時間を2分とした。 Here, the first time means that the anode 22 is sufficiently purged with the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generation device 10 (both the flow rate and the components of the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generation device 10 to the anode 22 are electric. It is the time required for the chemical device 20 to be in a state suitable for starting the operation), and in the present embodiment, the first time is set to 2 minutes.

改質器11への都市ガスと水の供給を開始してから第1時間を経過すると、S107をYes側に分岐して、精製水素ガス流路開閉弁54を開状態とする(S108)。 When the first hour has passed since the supply of city gas and water to the reformer 11 was started, S107 was branched to the Yes side, and the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 was opened (S108).

次に、電源30を制御してアノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと電流を流し、起動動作を完了する(S109)。 Next, the power supply 30 is controlled to pass a current from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21, and the start-up operation is completed (S109).

起動動作完了後は、水素製造動作に移行する。水素製造動作とは、電気化学デバイス20で水素含有ガスから精製した精製水素ガスを、水素利用機器90に安定的に継続して供給する動作である。制御器80は、電気化学デバイス20で精製される水素量が、水素利用機器92が必要とする量に足るよう、原料供給器13と、電源30を操作する。 After the start-up operation is completed, the operation shifts to the hydrogen production operation. The hydrogen production operation is an operation in which the purified hydrogen gas purified from the hydrogen-containing gas by the electrochemical device 20 is stably and continuously supplied to the hydrogen utilization device 90. The controller 80 operates the raw material supply device 13 and the power supply 30 so that the amount of hydrogen purified by the electrochemical device 20 is sufficient for the amount required by the hydrogen utilization device 92.

以上のように、本実施の形態の水素製造装置100は、電解質膜21をアノード22とカソード23との間に有し、アノード22に水素含有ガスを供給するとともに、アノード22とカソード23との間に所定方向の電流(アノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと流れる電流)を流すことで、カソード23において精製水素ガスを生成する電気化学デバイス20と、所定方向の電流を流す電源30と、炭化水素系の原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器11と、改質器11で生成されアノード22に供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO低減器16と、原料供給流路40を介して改質器11に原料を供給する原料供給器13と、改質器11及びCO低減器16を加熱する加熱器12と、精製水素ガスを水素利用機器90に供給するための精製水素ガス流路45と、精製水素ガス流路45を開閉可能に精製水素ガス流路45に設けられた精製水素ガス流路開閉弁54と、精製水素ガス流路45における精製水素ガス流路開閉弁54よりも上流側の流路から分岐して原料供給流路40に合流する還流流路44と、還流流路44を開閉可能に還流流路44に設けられ還流流路開閉弁53と、制御器80と、を備えた水素製造装置100である。 As described above, the hydrogen production apparatus 100 of the present embodiment has the electrolyte membrane 21 between the anode 22 and the cathode 23, supplies the hydrogen-containing gas to the anode 22, and has the anode 22 and the cathode 23. A current in a predetermined direction (a current flowing from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21) is passed between them, so that a current in the predetermined direction is passed through the electrochemical device 20 that generates purified hydrogen gas at the cathode 23. The concentration of carbon monoxide contained in the power supply 30, the reformer 11 that reforms the hydrocarbon-based raw material to generate hydrogen-containing gas, and the hydrogen-containing gas generated by the reformer 11 and supplied to the anode 22. The CO reducer 16 for reducing the amount of water, the raw material supply device 13 for supplying the raw material to the reformer 11 via the raw material supply flow path 40, the heater 12 for heating the reformer 11 and the CO reducer 16, and purification. A purified hydrogen gas flow path 45 for supplying hydrogen gas to the hydrogen utilization device 90, a purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 provided in the purified hydrogen gas flow path 45 so that the purified hydrogen gas flow path 45 can be opened and closed, and a valve 54. The recirculation flow path 44 in the refined hydrogen gas flow path 45, which branches from the flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 and joins the raw material supply flow path 40, and the recirculation flow path 44 can be opened and closed. The hydrogen production apparatus 100 is provided on the road 44 and includes a recirculation flow path on-off valve 53 and a controller 80.

そして、制御器80が、原料供給器13と電源30と加熱器12とが、それぞれ動作することにより、水素製造装置100が水素製造動作をしているときは、還流流路開閉弁53の閉状態と精製水素ガス流路開閉弁54の開状態とを維持し、水素製造装置100の水素製造動作を停止するときに、原料供給器13と電源30と加熱器12のそれぞれの動作を停止させるとともに、精製水素ガス流路開閉弁54を閉状態にし、水素製造動作を再開するときに、原料供給器13を動作させる前に、精製水素ガス流路開閉弁54が閉状態、且つ還流流路開閉弁53が開状態で、電源30と加熱器12を動作させることを特徴とする。 Then, when the controller 80 operates the raw material supply device 13, the power supply 30, and the heater 12, respectively, and the hydrogen production device 100 operates the hydrogen production operation, the recirculation flow path on-off valve 53 is closed. When the state and the open state of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 are maintained and the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus 100 is stopped, the operations of the raw material supply device 13, the power supply 30, and the heater 12 are stopped. At the same time, when the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 is closed and the hydrogen production operation is restarted, the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 is closed and the recirculation flow path is before the raw material supply device 13 is operated. The on-off valve 53 is open, and the power supply 30 and the heater 12 are operated.

上記構成の水素製造装置100は、水素製造動作を再開するときに、水素製造装置100の内部に残っている水素含有ガスと精製水素ガスの水素ガスを、還流流路44と、水素ポンプとして機能する電気化学デバイス20とにより、循環させながら、加熱器12で、改質器11とCO低減器16を、都市ガスと水を改質器11に供給して改質器11で改質反応させるのに適した温度に昇温する。 When the hydrogen production device 100 having the above configuration resumes the hydrogen production operation, the hydrogen gas of the hydrogen-containing gas and the purified hydrogen gas remaining inside the hydrogen production device 100 functions as a recirculation flow path 44 and a hydrogen pump. In the heater 12, the reformer 11 and the CO reducer 16 are supplied with city gas and water to the reformer 11 to undergo a reforming reaction in the reformer 11 while being circulated by the electrochemical device 20. The temperature is raised to a suitable temperature.

このとき、改質器11とCO低減器16の昇温用ガスに、都市ガスではなく水素ガスを用いており、昇温時の改質器11の改質触媒の周囲には水素ガスが存在しており、改質触媒が高温化しても、炭素析出による改質触媒の劣化が抑制されるので、改質器11とCO低減器16の昇温時に、改質器11の温度を、改質器11で炭素析出が起こる温度にならないように加熱器12を動作させる必要が無い。 At this time, hydrogen gas is used as the temperature raising gas of the reformer 11 and the CO reducer 16 instead of city gas, and hydrogen gas exists around the reforming catalyst of the reformer 11 at the time of temperature rise. Therefore, even if the temperature of the reforming catalyst becomes high, the deterioration of the reforming catalyst due to carbon precipitation is suppressed. It is not necessary to operate the heater 12 so that the temperature at which carbon precipitation occurs in the pawn 11 is not reached.

したがって、加熱器12を連続的に動作させて、水素製造動作を再開する場合の起動時間を従来よりも短縮することができ、従来よりも稼働率を向上させることができる。 Therefore, when the heater 12 is continuously operated and the hydrogen production operation is restarted, the start-up time can be shortened as compared with the conventional case, and the operating rate can be improved as compared with the conventional case.

なお、本実施の形態の水素製造装置100は、アノード22に供給された水素含有ガスのうちでカソード23に移動しないガスをアノード22から排出するためのオフガス流路43に、水素製造装置100が水素製造動作をしているときは開状態を維持(オフガス流路43を開放)し、水素製造装置100が水素製造動作を停止しているときは閉状態を維持(オフガス流路43を閉塞)するオフガス流路開閉弁52を備えているが、水素製造動作を再開する(改質器11とCO低減器16を昇温する)ときに、制御器80が、オフガス流路開閉弁52の閉状態を維持しながら、電源30と加熱器12を動作させるので、還流流路44と、水素ポンプとして機能する電気化学デバイス20とによって循環している水素ガスが、オフガス流路43からの流出により減少するのを抑制できる。 In the hydrogen production device 100 of the present embodiment, the hydrogen production device 100 is provided in the off-gas flow path 43 for discharging the hydrogen-containing gas supplied to the anode 22 that does not move to the cathode 23 from the anode 22. The open state is maintained (the off-gas flow path 43 is opened) when the hydrogen production operation is being performed, and the closed state is maintained (the off-gas flow path 43 is closed) when the hydrogen production device 100 is stopped from the hydrogen production operation. The off-gas flow path on-off valve 52 is provided, but when the hydrogen production operation is restarted (the temperature of the reformer 11 and the CO reducer 16 is raised), the controller 80 closes the off-gas flow path on-off valve 52. Since the power supply 30 and the heater 12 are operated while maintaining the state, the hydrogen gas circulated by the recirculation flow path 44 and the electrochemical device 20 functioning as a hydrogen pump flows out from the off-gas flow path 43. It can be suppressed from decreasing.

なお、本実施の形態では、水素利用機器90として水素タンクを用いたが、水素タンクの代わりに、水素と空気中の酸素を利用して発電する燃料電池を用いても構わない。 In the present embodiment, the hydrogen tank is used as the hydrogen utilization device 90, but a fuel cell that generates electricity by using hydrogen and oxygen in the air may be used instead of the hydrogen tank.

また、オフガス流路43から排出されるガスは、加熱器12で燃焼させても構わない。オフガス流路43から排出されるガスを加熱器12で燃焼させる場合は、オフガス流路開閉弁52が閉状態で加熱器12の加熱が必要な場合に加熱器12に都市ガスを供給する。また、オフガス流路43から排出されるガスの燃焼だけでは加熱量が足りない場合に、不足分を都市ガスで補うようにする。 Further, the gas discharged from the off-gas flow path 43 may be burned by the heater 12. When the gas discharged from the off-gas flow path 43 is burned by the heater 12, city gas is supplied to the heater 12 when the off-gas flow path on-off valve 52 is closed and the heater 12 needs to be heated. Further, when the amount of heating is insufficient only by burning the gas discharged from the off-gas flow path 43, the shortage is supplemented with city gas.

また、電気化学デバイス20が熱で劣化するのを抑制するために、水素製造装置100が動作するときに循環する冷却水と電気化学デバイス20とが熱交換するように構成しても構わない。 Further, in order to prevent the electrochemical device 20 from being deteriorated by heat, the cooling water circulating when the hydrogen production apparatus 100 operates may be configured to exchange heat with the electrochemical device 20.

(実施の形態2)
図3は、本発明の実施の形態2における水素製造装置の構成を示すブロック図である。図4は、本発明の実施の形態2における水素製造装置の水素製造動作を再開するときの動
作を示すフローチャートである。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen production apparatus according to a second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a flowchart showing an operation when restarting the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus according to the second embodiment of the present invention.

なお、本実施の形態の水素製造装置101において、図1に示す実施の形態1の水素製造装置100と同一構成については同一符号を付している。 In the hydrogen production apparatus 101 of the present embodiment, the same reference numerals are given to the same configurations as the hydrogen production apparatus 100 of the first embodiment shown in FIG.

図3に示すように、本実施の形態の水素製造装置101は、水素生成装置10と、原料供給器13と、水供給器14と、電気化学デバイス20と、電源30と、原料供給流路40と、水供給流路41と、水素含有ガス流路42と、オフガス流路43と、還流流路44と、精製水素ガス流路45と、オフガス流路開閉弁52と、還流流路開閉弁53と、精製水素ガス流路開閉弁54と、制御器81と、水素貯蔵器91と、を備えている。 As shown in FIG. 3, the hydrogen production apparatus 101 of the present embodiment includes a hydrogen generation apparatus 10, a raw material supply device 13, a water supply device 14, an electrochemical device 20, a power source 30, and a raw material supply flow path. 40, water supply flow path 41, hydrogen-containing gas flow path 42, off-gas flow path 43, recirculation flow path 44, purified hydrogen gas flow path 45, off-gas flow path on-off valve 52, recirculation flow path on / off. It includes a valve 53, a purified hydrogen gas flow path on-off valve 54, a controller 81, and a hydrogen reservoir 91.

水素生成装置10は、改質器11と、加熱器12と、改質器温度検知器15と、CO低減器16と、CO低減器温度検知器17と、を備えている。 The hydrogen generator 10 includes a reformer 11, a heater 12, a reformer temperature detector 15, a CO reducer 16, and a CO reducer temperature detector 17.

改質器11は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。原料は、本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを用いた。本実施の形態の改質反応は、都市ガスと水蒸気を反応させる水蒸気改質反応を用いた。改質器11の内部には改質触媒(図示せず)が搭載さている。 The reformer 11 generates hydrogen-containing gas by a reforming reaction using raw materials and steam. In the present embodiment, the raw material used is city gas containing methane as a main component. As the reforming reaction of the present embodiment, a steam reforming reaction in which city gas and steam are reacted was used. A reforming catalyst (not shown) is mounted inside the reformer 11.

CO低減器16は、改質器11で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応により低減する。CO低減器16の内部には、変成触媒(図示せず)が搭載されている。 The CO reducer 16 reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated by the reformer 11 by a metamorphic reaction. A metamorphic catalyst (not shown) is mounted inside the CO reducer 16.

加熱器12は、燃料と空気を混合して燃焼させることで、改質器11とCO低減器16とを加熱する。また、加熱器12の燃料には、電気化学デバイス20より排出される都市ガスと水素含有ガスとの少なくともいずれか1つが用いられる。 The heater 12 heats the reformer 11 and the CO reducer 16 by mixing and burning fuel and air. Further, as the fuel of the heater 12, at least one of the city gas and the hydrogen-containing gas discharged from the electrochemical device 20 is used.

改質器温度検知器15は、改質器11に搭載されている改質触媒の温度を検出する熱電対である。 The reformer temperature detector 15 is a thermocouple that detects the temperature of the reforming catalyst mounted on the reformer 11.

CO低減器温度検知器17は、CO低減器16に搭載されている変成触媒の温度を検出するサーミスタである。 The CO reducer temperature detector 17 is a thermistor that detects the temperature of the metamorphic catalyst mounted on the CO reducer 16.

原料供給器13は、都市ガスを、原料供給流路40を介して改質器11に供給するガス用ポンプである。原料供給器13は、原料供給動作を停止している時には、原料供給流路40内のガスが原料供給器13を逆流しないように構成されている。 The raw material supply device 13 is a gas pump that supplies city gas to the reformer 11 via the raw material supply flow path 40. The raw material supply device 13 is configured so that the gas in the raw material supply flow path 40 does not flow back through the raw material supply device 13 when the raw material supply operation is stopped.

水供給器14は、水を、水供給流路41を介して、改質器11に供給する水用ポンプである。 The water supply device 14 is a water pump that supplies water to the reformer 11 via the water supply flow path 41.

電気化学デバイス20は、電解質膜21と、電解質膜21の一方の主面に配置されたアノード22と、電解質膜21の他方の主面に配置されたカソード23と、を備えている。 The electrochemical device 20 includes an electrolyte membrane 21, an anode 22 arranged on one main surface of the electrolyte membrane 21, and a cathode 23 arranged on the other main surface of the electrolyte membrane 21.

電解質膜21は、水素イオンを選択的に輸送(透過)する高分子膜である。 The electrolyte membrane 21 is a polymer membrane that selectively transports (permeates) hydrogen ions.

アノード22は、電解質膜21の一方の主面に結合されて、水素が水素イオンと電子とに解離する酸化反応を起こすアノード電極と、アノード入口とアノード出口との間に、アノード電極に供給する水素含有ガスの流路が形成されたアノードセパレータと、で構成されている。 The anode 22 is supplied to the anode electrode between the anode electrode, which is bonded to one main surface of the electrolyte membrane 21 and causes an oxidation reaction in which hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons, and the anode inlet and anode outlet. It is composed of an anode separator in which a flow path for a hydrogen-containing gas is formed.

カソード23は、電解質膜21の他方の主面に結合されて、水素イオンと電子とが結合して水素になる還元反応を起こすカソード電極と、還元反応によりカソード電極で生成された精製水素ガスをカソード出口に排出する精製水素ガスの流路が形成されたカソードセパレータと、で構成されている。 The cathode 23 is bonded to the other main surface of the electrolyte membrane 21 to cause a reduction reaction in which hydrogen ions and electrons are combined to form hydrogen, and a purified hydrogen gas generated by the cathode electrode by the reduction reaction. It is composed of a cathode separator in which a flow path for purified hydrogen gas discharged to the cathode outlet is formed.

電源30は、アノード22の電位をカソード23の電位よりも高くして、アノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと電流を流す直流電源である。電源30のプラス側端子はアノード22に電気的に接続され、電源30のマイナス側端子はカソード23に電気的に接続されている。 The power supply 30 is a DC power supply in which the potential of the anode 22 is made higher than the potential of the cathode 23 and a current is passed from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21. The positive terminal of the power supply 30 is electrically connected to the anode 22, and the negative terminal of the power supply 30 is electrically connected to the cathode 23.

水素含有ガス流路42は、水素生成装置10の出口とアノード22のアノード入口とを接続して、水素生成装置10で生成された水素含有ガスをアノード22に供給する流路である。 The hydrogen-containing gas flow path 42 is a flow path that connects the outlet of the hydrogen generation device 10 and the anode inlet of the anode 22 to supply the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generation device 10 to the anode 22.

オフガス流路43は、一端がアノード22のアノード出口に接続され、アノード22から余分な水素含有ガスを加熱器12に供給する流路である。 The off-gas flow path 43 is a flow path in which one end is connected to the anode outlet of the anode 22 and excess hydrogen-containing gas is supplied from the anode 22 to the heater 12.

オフガス流路開閉弁52は、オフガス流路43上に設けられ、オフガス流路43を開閉する電磁弁である。 The off-gas flow path on-off valve 52 is a solenoid valve provided on the off-gas flow path 43 to open and close the off-gas flow path 43.

精製水素ガス流路45は、カソード23のカソード出口と水素利用機器92とを接続して、カソード23から排出される精製水素ガスを、水素利用機器92に供給する流路である。 The purified hydrogen gas flow path 45 is a flow path that connects the cathode outlet of the cathode 23 and the hydrogen utilization device 92 and supplies the purified hydrogen gas discharged from the cathode 23 to the hydrogen utilization device 92.

精製水素ガス流路開閉弁54は、精製水素ガス流路45上に設けられ、精製水素ガス流路45を開閉する電磁弁である。 The purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 is an electromagnetic valve provided on the purified hydrogen gas flow path 45 to open and close the purified hydrogen gas flow path 45.

還流流路44は、精製水素ガス流路45における精製水素ガス流路開閉弁54よりも上流側の流路から分岐して、原料供給流路40に合流する流路である。 The reflux flow path 44 is a flow path that branches from the flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 in the purified hydrogen gas flow path 45 and joins the raw material supply flow path 40.

還流流路開閉弁53は、還流流路44上に設けられ、還流流路44を開閉する電磁弁である。 The recirculation flow path on-off valve 53 is an electromagnetic valve provided on the recirculation flow path 44 to open and close the recirculation flow path 44.

制御器81は、水素製造装置101の運転を制御するものである。制御器81は、信号入出力部(図示せず)と、演算処理部(図示せず)と、制御プログラムを記憶する記憶部(図示せず)と、を備える。 The controller 81 controls the operation of the hydrogen production apparatus 101. The controller 81 includes a signal input / output unit (not shown), an arithmetic processing unit (not shown), and a storage unit (not shown) for storing a control program.

水素貯蔵器91は、還流流路開閉弁53よりも上流側の還流流路44に連通する所定容量の容器であって、還流流路開閉弁53よりもカソード23側の還流流路44内の精製水素ガスの圧力が水素貯蔵器91内の精製水素ガスの圧力よりも高い時に圧力差が無くなるように水素貯蔵器91内に精製水素ガスを貯蔵し、還流流路開閉弁53よりもカソード23側の還流流路44内の精製水素ガスの圧力が水素貯蔵器91内の精製水素ガスの圧力よりも低い時に圧力差が無くなるように水素貯蔵器91内の精製水素ガスを還流流路44内に供給する。 The hydrogen reservoir 91 is a container having a predetermined capacity communicating with the recirculation flow path 44 on the upstream side of the recirculation flow path on-off valve 53, and is in the recirculation flow path 44 on the cathode 23 side of the recirculation flow path on-off valve 53. Purified hydrogen gas is stored in the hydrogen reservoir 91 so that there is no pressure difference when the pressure of the purified hydrogen gas is higher than the pressure of the purified hydrogen gas in the hydrogen reservoir 91, and the cathode 23 is more than the recirculation flow path on-off valve 53. The purified hydrogen gas in the hydrogen reservoir 91 is placed in the reflux channel 44 so that the pressure difference disappears when the pressure of the purified hydrogen gas in the return channel 44 on the side is lower than the pressure of the purified hydrogen gas in the hydrogen reservoir 91. Supply to.

水素利用機器92は、精製水素ガス流路45から供給される水素(精製水素ガス)と空気中の酸素を反応させて発電する燃料電池である。 The hydrogen utilization device 92 is a fuel cell that generates electricity by reacting hydrogen (purified hydrogen gas) supplied from the purified hydrogen gas flow path 45 with oxygen in the air.

以上のように構成された本実施の形態の水素製造装置101について、以下その動作と作用を説明する。以下の動作は、制御器81が、原料供給器13と、水供給器14と、水
素生成装置10と、電源30と、オフガス流路開閉弁52と、還流流路開閉弁53と、精製水素ガス流路開閉弁54と、を制御することによって行われる。
The operation and operation of the hydrogen production apparatus 101 of the present embodiment configured as described above will be described below. In the following operation, the controller 81 uses the raw material supply device 13, the water supply device 14, the hydrogen generator 10, the power supply 30, the off-gas flow path on-off valve 52, the reflux flow path on-off valve 53, and purified hydrogen. This is done by controlling the gas flow path on-off valve 54.

水素製造装置101が水素製造動作をしている時は、還流流路開閉弁53が閉状態であり、オフガス流路開閉弁52と精製水素ガス流路開閉弁54がそれぞれ開状態であり、原料供給器13が改質器11に都市ガスを供給しており、水供給器14が改質器11に水を供給しており、加熱器12が、アノード22からオフガス流路43に排出された水素含有ガスを燃焼させて改質器11とCO低減器16とをそれぞれ加熱しており、改質器11は改質反応により水素含有ガスを生成しており、CO低減器16は改質器11で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を変成反応により低減しており、電源30はアノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと電流を流しており、電気化学デバイス20は、アノード22に供給された水素含有ガスから、カソード23において水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスを生成しており、電気化学デバイス20で生成された精製水素ガスは精製水素ガス流路45を介して水素利用機器92に供給されている。また、水素貯蔵器91は精製水素ガスを貯蔵している。 When the hydrogen production apparatus 101 is operating hydrogen production, the recirculation flow path on-off valve 53 is in the closed state, the off-gas flow path on-off valve 52 and the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 are in the open state, respectively, and the raw materials are used. The supply device 13 supplies city gas to the reformer 11, the water supply device 14 supplies water to the reformer 11, and the heater 12 is discharged from the anode 22 to the off-gas flow path 43. The hydrogen-containing gas is burned to heat the reformer 11 and the CO reducer 16, respectively. The reformer 11 generates hydrogen-containing gas by a reforming reaction, and the CO-reducer 16 is a reformer. The concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated in No. 11 is reduced by a transformation reaction, and the power supply 30 sends a current from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21 and is electrochemical. The device 20 generates purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the hydrogen-containing gas at the cathode 23 from the hydrogen-containing gas supplied to the anode 22, and the purified hydrogen gas generated by the electrochemical device 20 is purified hydrogen. It is supplied to the hydrogen utilization device 92 via the gas flow path 45. Further, the hydrogen reservoir 91 stores purified hydrogen gas.

水素製造装置101の水素製造動作を停止(終了)するときは、制御器81が、電源30の電流を停止させ、精製水素ガス流路開閉弁54を閉じ、原料供給器13と水供給器14と加熱器12をそれぞれ制御して、水素生成装置10の水素含有ガスの生成動作を停止させ、オフガス流路開閉弁52を閉じる。 When the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus 101 is stopped (finished), the controller 81 stops the current of the power supply 30, closes the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54, and closes the raw material supply device 13 and the water supply device 14. And the heater 12 are controlled respectively to stop the hydrogen-containing gas generation operation of the hydrogen generation device 10 and close the off-gas flow path on-off valve 52.

このとき、原料供給器13と水供給器14を停止してから、オフガス流路開閉弁52を閉じるまでの間に、還流流路開閉弁53を一時的に開いて、原料供給流路40と改質器11とCO低減器16を精製水素ガスでパージしても構わないが、後の改質器11とCO低減器16の昇温時に循環させる水素ガスが不足しないようにする。 At this time, between the time when the raw material supply device 13 and the water supply device 14 are stopped and the time when the off-gas flow path on-off valve 52 is closed, the reflux flow path on-off valve 53 is temporarily opened to form the raw material supply flow path 40. The reformer 11 and the CO reducer 16 may be purged with purified hydrogen gas, but the hydrogen gas to be circulated when the temperature rise of the reformer 11 and the CO reducer 16 is not insufficient.

水素製造装置101が水素製造動作の停止動作を完了させてから水素製造動作を再開するまでの間は、オフガス流路開閉弁52と還流流路開閉弁53と精製水素ガス流路開閉弁54のそれぞれの閉状態は維持される。 From the time when the hydrogen production apparatus 101 completes the stop operation of the hydrogen production operation to the time when the hydrogen production operation is restarted, the off-gas flow path on-off valve 52, the recirculation flow path on-off valve 53, and the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 Each closed state is maintained.

そのため、水素製造装置101が水素製造動作を停止している間は、カソード23と、還流流路開閉弁53よりもカソード23側の還流流路44と、水素貯蔵器91内と、精製水素ガス流路開閉弁54よりもカソード23側の精製水素ガス流路45には、大気圧よりも高圧の精製水素ガスが残っている。 Therefore, while the hydrogen production apparatus 101 is stopped from the hydrogen production operation, the cathode 23, the recirculation flow path 44 on the cathode 23 side of the recirculation flow path on-off valve 53, the inside of the hydrogen storage 91, and the purified hydrogen gas. Purified hydrogen gas having a pressure higher than that of atmospheric pressure remains in the purified hydrogen gas flow path 45 on the cathode 23 side of the flow path on-off valve 54.

また、水素製造装置101が水素製造動作を停止している間に、カソード23の精製水素ガスの一部は、カソード23から電解質膜21を透過してアノード22に移動してアノード22に残っている水素含有ガスと混合されるが、その混合ガス(水素含有ガス)は、オフガス流路開閉弁52が閉状態であるため、オフガス流路開閉弁52よりも上流のガス流路内とアノード22に滞留する。 Further, while the hydrogen production apparatus 101 is stopped from the hydrogen production operation, a part of the purified hydrogen gas of the cathode 23 passes through the electrolyte membrane 21 from the cathode 23, moves to the anode 22, and remains in the anode 22. The mixed gas (hydrogen-containing gas) is mixed with the existing hydrogen-containing gas, but since the off-gas flow path on-off valve 52 is closed, the gas flow path upstream of the off-gas flow path on-off valve 52 and the anode 22 are mixed. Stay in.

水素製造装置101が起動動作を開始するときは、まず、制御器81が、精製水素ガス流路開閉弁54の閉状態を維持しながら、オフガス流路開閉弁52と還流流路開閉弁53をそれぞれ開状態にして、精製水素ガス流路45と原料供給流路40とを還流流路44によって連通させる(S201)。 When the hydrogen production apparatus 101 starts the start-up operation, first, the controller 81 opens the off-gas flow path on-off valve 52 and the return flow path on-off valve 53 while maintaining the closed state of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54. Each is opened, and the purified hydrogen gas flow path 45 and the raw material supply flow path 40 are communicated with each other by the reflux flow path 44 (S201).

これにより、還流流路開閉弁53よりもカソード23側の還流流路44内の精製水素ガスと水素貯蔵器91内の精製水素ガスと精製水素ガス流路開閉弁54よりもカソード23側の精製水素ガス流路45内の精製水素ガスは、還流流路開閉弁53を通過して還流流路開閉弁53よりも原料供給流路40側の還流流路44内に拡散する。 As a result, the purified hydrogen gas in the recirculation flow path 44 on the cathode 23 side of the recirculation flow path on-off valve 53, the purified hydrogen gas in the hydrogen reservoir 91, and the purification of the cathode 23 side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54. The purified hydrogen gas in the hydrogen gas flow path 45 passes through the recirculation flow path on-off valve 53 and diffuses into the recirculation flow path 44 on the raw material supply flow path 40 side of the recirculation flow path on-off valve 53.

また、オフガス流路開閉弁52よりもアノード22側のオフガス流路43内の水素含有ガスは、オフガス流路開閉弁52を通過してオフガス流路開閉弁52よりも加熱器12側のオフガス流路43内に拡散する。 Further, the hydrogen-containing gas in the off-gas flow path 43 on the anode 22 side of the off-gas flow path on-off valve 52 passes through the off-gas flow path on-off valve 52 and flows off-gas on the heater 12 side of the off-gas flow path on-off valve 52. It diffuses in the road 43.

次に、電源30を制御してアノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと電流を流し、アノード22に滞留する混合ガス(水素含有ガス)に含まれる水素ガスをカソード23に移動させる(S202)。また、制御器81が、加熱器12に燃焼用空気の供給を開始する。 Next, the power supply 30 is controlled to pass a current from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21, and the hydrogen gas contained in the mixed gas (hydrogen-containing gas) staying in the anode 22 is moved to the cathode 23. (S202). Further, the controller 81 starts supplying combustion air to the heater 12.

このとき、カソード23に移動した水素ガスは、還流流路44を通って改質器11に供給され、改質器11とCO低減器16を通過した水素ガスがアノード22に供給される(水素ガスが、改質器11とCO低減器16と電気化学デバイス20とを環状につなぐ流路を循環する)こととなる。また、アノード22に供給された水素含有ガスのうちでカソード23に移動できなかった残余の水素含有ガスはアノード22からオフガス流路43を通って加熱器12に供給される。 At this time, the hydrogen gas that has moved to the cathode 23 is supplied to the reformer 11 through the reflux channel 44, and the hydrogen gas that has passed through the reformer 11 and the CO reducer 16 is supplied to the anode 22 (hydrogen). The gas circulates in the flow path connecting the reformer 11, the CO reducer 16, and the electrochemical device 20 in a ring shape). Further, of the hydrogen-containing gas supplied to the anode 22, the residual hydrogen-containing gas that could not move to the cathode 23 is supplied from the anode 22 to the heater 12 through the off-gas flow path 43.

そして、還流流路開閉弁53よりもカソード23側の還流流路44内の精製水素ガスの圧力が水素貯蔵器91内の精製水素ガスの圧力よりも低くなると、圧力差が無くなるように水素貯蔵器91内の精製水素ガスが還流流路44内に供給される。 Then, when the pressure of the purified hydrogen gas in the recirculation flow path 44 on the cathode 23 side of the recirculation flow path on-off valve 53 becomes lower than the pressure of the purified hydrogen gas in the hydrogen storage device 91, hydrogen is stored so that the pressure difference disappears. The purified hydrogen gas in the vessel 91 is supplied into the recirculation flow path 44.

次に、制御器81が、加熱器12の点火動作を行って、オフガス流路43から供給される水素含有ガスと燃焼用空気との混合ガスを加熱器12で燃焼させて、加熱器12の燃焼熱による改質器11とCO低減器16の加熱を開始する(S203)。改質器11を通過するときに加熱された(改質器11から熱を奪った)水素ガスは、CO低減器16を通過するときに、CO低減器16を加熱する。 Next, the controller 81 ignites the heater 12 to burn the mixed gas of the hydrogen-containing gas supplied from the off-gas flow path 43 and the combustion air in the heater 12, and the heater 12 causes the heater 12. Heating of the reformer 11 and the CO reducer 16 by the heat of combustion is started (S203). The hydrogen gas heated when passing through the reformer 11 (which has taken heat from the reformer 11) heats the CO reducer 16 as it passes through the CO reducer 16.

次に、改質器温度検知器15によって検知される温度が第3温度以上で、かつ、CO低減器温度検知器17によって検知される温度が第4温度以上の条件を満たしているか否かを判定する(S204)。そして、判定の結果、S204の条件を満たしていなければ、条件を満たすまで、S204の判定を繰返す。 Next, whether or not the temperature detected by the reformer temperature detector 15 is equal to or higher than the third temperature and the temperature detected by the CO reducer temperature detector 17 satisfies the condition of the fourth temperature or higher. Judgment (S204). Then, as a result of the determination, if the condition of S204 is not satisfied, the determination of S204 is repeated until the condition is satisfied.

ここで、第3温度とは、改質反応によって都市ガスから電気化学デバイス20での水素製造動作に必要な濃度の水素を含む水素含有ガスが生成する温度であり、本実施の形態では610℃とした。第4温度とは、変成反応によって水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度が十分低減される温度であり、本実施の形態では210℃とした。 Here, the third temperature is a temperature at which a hydrogen-containing gas containing hydrogen having a concentration required for hydrogen production operation in the electrochemical device 20 is generated from the city gas by the reforming reaction, and is 610 ° C. in the present embodiment. And said. The fourth temperature is a temperature at which the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas is sufficiently reduced by the transformation reaction, and is set to 210 ° C. in the present embodiment.

S204で、改質器温度検知器15によって検知される温度が第3温度以上で、かつ、CO低減器温度検知器17によって検知される温度が第4温度以上の条件を満たしていれば、S204をYes側に分岐して、還流流路開閉弁53を閉状態にするとともに、電源30を停止する(S205)。 In S204, if the temperature detected by the reformer temperature detector 15 is the third temperature or higher and the temperature detected by the CO reducer temperature detector 17 satisfies the condition of the fourth temperature or higher, S204 Is branched to the Yes side, the return flow path on-off valve 53 is closed, and the power supply 30 is stopped (S205).

次に、原料供給器13を制御して、都市ガスの供給を開始するとともに、水供給器14を制御して水の供給を開始する(S206)。 Next, the raw material supply device 13 is controlled to start the supply of city gas, and the water supply device 14 is controlled to start the supply of water (S206).

次に、改質器11への都市ガスと水の供給を開始してから第2時間を経過したか否かを判定する(S207)。そして、改質器11への都市ガスと水の供給を開始してから第2時間を経過していない場合は、第2時間を経過するまで、S207の判定を繰り返す。 Next, it is determined whether or not the second time has elapsed since the supply of city gas and water to the reformer 11 was started (S207). Then, if the second time has not elapsed since the supply of city gas and water to the reformer 11 was started, the determination of S207 is repeated until the second time elapses.

ここで、第2時間とは、水素生成装置10で生成した水素含有ガスでアノード22を十
分パージする(水素生成装置10からアノード22に供給される水素含有ガスの流量と成分の両方が、電気化学デバイス20の動作開始に適した状態になる)のに要する時間であり、本実施の形態では、第2時間を1分とした。
Here, the second time means that the anode 22 is sufficiently purged with the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generation device 10 (both the flow rate and the components of the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generation device 10 to the anode 22 are electric. It is the time required for the chemical device 20 to be in a state suitable for starting the operation), and in the present embodiment, the second time is set to 1 minute.

改質器11への都市ガスと水の供給を開始してから第2時間を経過すると、S207をYes側に分岐して、精製水素ガス流路開閉弁54を開状態とする(S208)。 When the second time elapses from the start of the supply of city gas and water to the reformer 11, S207 is branched to the Yes side, and the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 is opened (S208).

次に、電源30を制御して電気化学デバイス20に電流を流し、起動動作を完了する。(S209)
起動動作完了後は、水素製造動作に移行する。水素製造動作とは、電気化学デバイス20で水素含有ガスから精製した精製水素ガスを、水素利用機器92に安定的に継続して供給する動作である。制御器81は、電気化学デバイス20で精製される水素量が、水素利用機器92が必要とする量に足るよう、原料供給器13と、電源30を操作する。
Next, the power supply 30 is controlled to pass a current through the electrochemical device 20, and the start-up operation is completed. (S209)
After the start-up operation is completed, the operation shifts to the hydrogen production operation. The hydrogen production operation is an operation in which the purified hydrogen gas purified from the hydrogen-containing gas by the electrochemical device 20 is stably and continuously supplied to the hydrogen utilization device 92. The controller 81 operates the raw material supply device 13 and the power supply 30 so that the amount of hydrogen purified by the electrochemical device 20 is sufficient for the amount required by the hydrogen utilization device 92.

以上のように、本実施の形態の水素製造装置101は、電解質膜21をアノード22とカソード23との間に有し、アノード22に水素含有ガスを供給するとともに、アノード22とカソード23との間に所定方向の電流(アノード22から電解質膜21を経由してカソード23へと流れる電流)を流すことで、カソード23において精製水素ガスを生成する電気化学デバイス20と、所定方向の電流を流す電源30と、炭化水素系の原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器11と、改質器11で生成されアノード22に供給される水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO低減器16と、原料供給流路40を介して改質器11に原料を供給する原料供給器13と、改質器11及びCO低減器16を加熱する加熱器12と、精製水素ガスを水素利用機器92に供給するための精製水素ガス流路45と、精製水素ガス流路45を開閉可能に精製水素ガス流路45に設けられた精製水素ガス流路開閉弁54と、精製水素ガス流路45における精製水素ガス流路開閉弁54よりも上流側の流路から分岐して原料供給流路40に合流する還流流路44と、還流流路44を開閉可能に還流流路44に設けられ還流流路開閉弁53と、制御器81と、を備えた水素製造装置101である。 As described above, the hydrogen production apparatus 101 of the present embodiment has the electrolyte membrane 21 between the anode 22 and the cathode 23, supplies the hydrogen-containing gas to the anode 22, and has the anode 22 and the cathode 23. A current in a predetermined direction (a current flowing from the anode 22 to the cathode 23 via the electrolyte membrane 21) is passed between them, so that a current in the predetermined direction is passed through the electrochemical device 20 that generates purified hydrogen gas at the cathode 23. The concentration of carbon monoxide contained in the power supply 30, the reformer 11 that reforms the hydrocarbon-based raw material to generate hydrogen-containing gas, and the hydrogen-containing gas generated by the reformer 11 and supplied to the anode 22. The CO reducer 16 for reducing the amount of water, the raw material supply device 13 for supplying the raw material to the reformer 11 via the raw material supply flow path 40, the heater 12 for heating the reformer 11 and the CO reducer 16, and purification. A purified hydrogen gas flow path 45 for supplying hydrogen gas to the hydrogen utilization device 92, a purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 provided in the purified hydrogen gas flow path 45 so that the purified hydrogen gas flow path 45 can be opened and closed, and a valve 54. The recirculation flow path 44 in the refined hydrogen gas flow path 45, which branches from the flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 and joins the raw material supply flow path 40, and the recirculation flow path 44 can be opened and closed. The hydrogen production apparatus 101 is provided on the road 44 and includes a recirculation flow path on-off valve 53 and a controller 81.

そして、制御器81が、原料供給器13と電源30と加熱器12とが、それぞれ動作することにより、水素製造装置101が水素製造動作をしているときは、還流流路開閉弁53の閉状態と精製水素ガス流路開閉弁54の開状態とを維持し、水素製造装置100の水素製造動作を停止するときに、原料供給器13と電源30と加熱器12のそれぞれの動作を停止させるとともに、精製水素ガス流路開閉弁54を閉状態にし、水素製造動作を再開するときに、原料供給器13を動作させる前に、精製水素ガス流路開閉弁54が閉状態、且つ還流流路開閉弁53が開状態で、電源30と加熱器12を動作させることを特徴とする。 Then, when the controller 81 operates the raw material supply device 13, the power supply 30, and the heater 12, respectively, and the hydrogen production device 101 is in the hydrogen production operation, the recirculation flow path on-off valve 53 is closed. When the state and the open state of the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 are maintained and the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus 100 is stopped, the operations of the raw material supply device 13, the power supply 30, and the heater 12 are stopped. At the same time, when the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 is closed and the hydrogen production operation is restarted, the purified hydrogen gas flow path on-off valve 54 is closed and the recirculation flow path is before the raw material supply device 13 is operated. The on-off valve 53 is open, and the power supply 30 and the heater 12 are operated.

上記構成の水素製造装置101は、水素製造動作を再開するときに、以前の水素製造動作によって、水素製造装置101の内部に残っていた水素含有ガスと精製水素ガスの水素ガスを、還流流路44と、水素ポンプとして機能する電気化学デバイス20とにより、循環させながら、加熱器12で、改質器11とCO低減器16を、都市ガスと水を改質器11に供給して改質器11で改質反応させるのに適した温度に昇温する。 When the hydrogen production apparatus 101 having the above configuration resumes the hydrogen production operation, the hydrogen gas of the hydrogen-containing gas and the purified hydrogen gas remaining inside the hydrogen production apparatus 101 due to the previous hydrogen production operation is recirculated through the recirculation flow path. The reformer 11 and the CO reducer 16 are supplied to the reformer 11 by the heater 12 to reform the reformer 11 while being circulated by the 44 and the electrochemical device 20 functioning as a hydrogen pump. The temperature is raised to a temperature suitable for the reforming reaction in the vessel 11.

このとき、改質器11とCO低減器16の昇温用ガスに、都市ガスではなく水素ガスを用いており、昇温時の改質器11の改質触媒の周囲には水素ガスが存在しており、改質触媒が高温化しても、炭素析出による改質触媒の劣化が抑制されるので、改質器11とCO低減器16の昇温時に、改質器11の温度を、改質器11で炭素析出が起こる温度にならないように加熱器12を動作させる必要が無い。 At this time, hydrogen gas is used as the temperature raising gas of the reformer 11 and the CO reducer 16 instead of city gas, and hydrogen gas exists around the reforming catalyst of the reformer 11 at the time of temperature rise. Therefore, even if the temperature of the reforming catalyst becomes high, the deterioration of the reforming catalyst due to carbon precipitation is suppressed. It is not necessary to operate the heater 12 so that the temperature at which carbon precipitation occurs in the pawn 11 is not reached.

したがって、加熱器12を連続的に動作させて、水素製造動作を再開する場合の起動時間を従来よりも短縮することができ、従来よりも稼働率を向上させることができる。 Therefore, when the heater 12 is continuously operated and the hydrogen production operation is restarted, the start-up time can be shortened as compared with the conventional case, and the operating rate can be improved as compared with the conventional case.

また、本実施の形態の水素製造装置101は、さらに、還流流路開閉弁53よりも上流側の還流流路44に連通する水素貯蔵器91を備えることを特徴とする。 Further, the hydrogen production apparatus 101 of the present embodiment is further provided with a hydrogen storage device 91 communicating with the recirculation flow path 44 on the upstream side of the recirculation flow path on-off valve 53.

これによって、水素製造装置101が水素製造動作を停止するまでに、水素貯蔵器91に貯めておいた精製水素ガスも、水素製造動作を再開するときに、原料供給器13を動作させる前に、還流流路44を利用して循環させることができるので、水素貯蔵器91が無い場合よりも、精製水素ガスの循環流量を増やすことができるとともに、水素貯蔵器91が無い場合よりも、循環するガスの水素の濃度が高くなるので、精製水素ガスが循環する直前において、原料供給流路40と改質器11に原料が残っている場合であっても、改質器11が高温に加熱される前に、原料供給流路40と改質器11に残っている原料を改質器11から排出できる可能性が高くなり、熱媒体となる精製水素ガスの循環流量が増えることにより、CO低減器16の温度上昇が速くなるので、水素製造動作を再開する場合の起動時間を更に短縮することができる。 As a result, the purified hydrogen gas stored in the hydrogen storage container 91 before the hydrogen production apparatus 101 stops the hydrogen production operation is also before the raw material supply device 13 is operated when the hydrogen production operation is restarted. Since it can be circulated using the recirculation flow path 44, the circulating flow rate of the purified hydrogen gas can be increased as compared with the case without the hydrogen storage 91, and the circulation can be performed as compared with the case without the hydrogen storage 91. Since the hydrogen concentration of the gas becomes high, the reformer 11 is heated to a high temperature immediately before the purified hydrogen gas circulates, even if the raw material remains in the raw material supply flow path 40 and the reformer 11. There is a high possibility that the raw materials remaining in the raw material supply flow path 40 and the reformer 11 can be discharged from the reformer 11, and the circulating flow rate of purified hydrogen gas as a heat medium increases, thereby reducing CO. Since the temperature of the vessel 16 rises faster, the start-up time when restarting the hydrogen production operation can be further shortened.

なお、本実施の形態では、水素貯蔵器91を、還流流路開閉弁53よりも上流側の還流流路44に連通させたが、これに限らず、水素貯蔵器91を、精製水素ガス流路開閉弁54よりも上流側の精製水素ガス流路45に連通させても構わない。 In the present embodiment, the hydrogen reservoir 91 is communicated with the reflux channel 44 on the upstream side of the reflux channel on-off valve 53, but the present invention is not limited to this, and the hydrogen reservoir 91 is connected to the purified hydrogen gas flow. It may be communicated with the purified hydrogen gas flow path 45 on the upstream side of the path on-off valve 54.

また、本実施の形態の水素製造装置101は、アノード22に供給された水素含有ガスのうちでカソード23に移動しないガスをアノード22から加熱器12に排出するためのオフガス流路43と、オフガス流路43を開閉可能にオフガス流路43に設けられ、水素製造装置101が水素製造動作をしているときは開状態を維持し、水素製造装置101が水素製造動作を停止しているときは閉状態を維持するオフガス流路開閉弁52とを備えており、制御器81が、水素製造動作を再開するときに、オフガス流路開閉弁52を開状態にして、電源30と加熱器12を動作させることを特徴とする。 Further, the hydrogen production apparatus 101 of the present embodiment has an off-gas flow path 43 for discharging the hydrogen-containing gas supplied to the anode 22 that does not move to the cathode 23 from the anode 22 to the heater 12, and an off-gas. The flow path 43 is provided in the off-gas flow path 43 so as to be openable and closable, and is maintained in an open state when the hydrogen production device 101 is in the hydrogen production operation, and when the hydrogen production device 101 is stopped in the hydrogen production operation. It is provided with an off-gas flow path on-off valve 52 that maintains a closed state, and when the controller 81 resumes the hydrogen production operation, the off-gas flow path on-off valve 52 is opened and the power supply 30 and the heater 12 are turned on. It is characterized by operating.

これによって、水素製造動作を再開するときに、アノード22のガスに含まれる水素以外の不純物を、オフガス流路43を使って加熱器12に排出できるので、アノード22に不純物が蓄積することによる電気化学デバイス20の性能劣化を抑制できる。 As a result, when the hydrogen production operation is restarted, impurities other than hydrogen contained in the gas of the anode 22 can be discharged to the heater 12 using the off-gas flow path 43, so that electricity due to the accumulation of impurities in the anode 22 Deterioration of performance of the chemical device 20 can be suppressed.

なお、水素ガスを循環させているときに、オフガス流路43から加熱器12に不純物を多く含む水素含有ガスが放出されるが、還流流路44内の精製水素ガスの圧力が水素貯蔵器91内の精製水素ガスの圧力よりも低下すると、水素貯蔵器91から循環用の精製水素ガスが還流流路44に補充されるので、オフガス流路43から加熱器12に排出されるガス量に対して水素貯蔵器91に貯える精製水素ガスの量を充分な量に(水素貯蔵器91の容積を充分な容積に)しておけば、循環用の精製水素ガスが不足する虞はない。 When the hydrogen gas is circulated, the hydrogen-containing gas containing a large amount of impurities is released from the off-gas flow path 43 to the heater 12, but the pressure of the purified hydrogen gas in the return flow path 44 is the hydrogen reservoir 91. When the pressure drops below the pressure of the purified hydrogen gas inside, the purified hydrogen gas for circulation is replenished from the hydrogen storage 91 to the recirculation flow path 44, so that the amount of gas discharged from the off-gas flow path 43 to the heater 12 is relative. If the amount of purified hydrogen gas stored in the hydrogen reservoir 91 is set to a sufficient amount (the volume of the hydrogen reservoir 91 is set to a sufficient volume), there is no possibility that the purified hydrogen gas for circulation will be insufficient.

また、加熱器12はオフガス流路43から供給されたガスを燃焼するように構成されているので、アノード22からオフガス流路43に排出するガスを、加熱器12の燃料として有効活用でき、そのようにしない場合に比べて、水素製造装置101のエネルギー効率を向上させることができる。 Further, since the heater 12 is configured to burn the gas supplied from the off-gas flow path 43, the gas discharged from the anode 22 to the off-gas flow path 43 can be effectively used as fuel for the heater 12. The energy efficiency of the hydrogen production apparatus 101 can be improved as compared with the case where this is not done.

また、電気化学デバイス20が熱で劣化するのを抑制するために、水素製造装置101が動作するときに循環する冷却水と電気化学デバイス20とが熱交換するように構成しても構わない。 Further, in order to prevent the electrochemical device 20 from being deteriorated by heat, the cooling water circulating when the hydrogen production apparatus 101 operates may be configured to exchange heat with the electrochemical device 20.

本発明は、水素製造動作を再開する場合の水素製造装置の起動時間を短縮することができるので、改質器とCO低減器を用いて水素含有ガスを生成し、その水素含有ガスから電気化学デバイス用いて水素純度の高い精製水素ガスを生成する水素製造装置で、特に運転と停止を繰返す用途に適用できる。 Since the present invention can shorten the start-up time of the hydrogen production apparatus when restarting the hydrogen production operation, a hydrogen-containing gas is generated using a reformer and a CO-reducer, and electrochemistry is performed from the hydrogen-containing gas. A hydrogen production device that produces purified hydrogen gas with high hydrogen purity using a device, and is particularly applicable to applications where operation and shutdown are repeated.

10 水素生成装置
11 改質器
12 加熱器
13 原料供給器
14 水供給器
15 改質器温度検知器
16 CO低減器
17 CO低減器温度検知器
20 電気化学デバイス
21 電解質膜
22 アノード
23 カソード
30 電源
40 原料供給流路
41 水供給流路
42 水素含有ガス流路
43 オフガス流路
44 還流流路
45 精製水素ガス流路
52 オフガス流路開閉弁
53 還流流路開閉弁
54 精製水素ガス流路開閉弁
80 制御器
81 制御器
90 水素利用機器
91 水素貯蔵器
92 水素利用機器
100 水素製造装置
101 水素製造装置
10 Hydrogen generator 11 Reformer 12 Heater 13 Raw material supply 14 Water supply 15 Reformer Temperature detector 16 CO reducer 17 CO reducer Temperature detector 20 Electrochemical device 21 Electrolyte membrane 22 Anode 23 Cone 30 Power supply 40 Raw material supply flow path 41 Water supply flow path 42 Hydrogen-containing gas flow path 43 Off-gas flow path 44 Circulation flow path 45 Purified hydrogen gas flow path 52 Off-gas flow path on-off valve 53 Recirculation flow path on-off valve 54 Purified hydrogen gas flow-off valve 80 Controller 81 Controller 90 Hydrogen utilization equipment 91 Hydrogen storage 92 Hydrogen utilization equipment 100 Hydrogen production equipment 101 Hydrogen production equipment

Claims (5)

電解質膜をアノードとカソードとの間に有し、前記アノードに水素含有ガスを供給するとともに、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流す電源と、
炭化水素系の原料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成され前記アノードに供給される前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO低減器と、
原料供給流路を介して前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
前記改質器及び前記CO低減器を加熱する加熱器と、
前記精製水素ガスを水素利用機器に供給するための精製水素ガス流路と、
前記精製水素ガス流路を開閉可能に前記精製水素ガス流路に設けられた精製水素ガス流路開閉弁と、
前記精製水素ガス流路における前記精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側の流路から分岐して前記原料供給流路に合流する還流流路と、
前記還流流路を開閉可能に前記還流流路に設けられ還流流路開閉弁と、
制御器と、を備えた水素製造装置であって、
前記制御器は、
前記原料供給器と前記電源と前記加熱器とが、それぞれ動作することにより、前記水素製造装置が水素製造動作をしているときは、前記還流流路開閉弁の閉状態と前記精製水素ガス流路開閉弁の開状態とを維持し、
前記水素製造装置の水素製造動作を停止するときに、前記原料供給器と前記電源と前記加熱器のそれぞれの動作を停止させるとともに、前記精製水素ガス流路開閉弁を閉状態にし、
前記水素製造動作を再開するときに、前記原料供給器を動作させる前に、前記精製水素ガス流路開閉弁が閉状態、且つ前記還流流路開閉弁が開状態で、前記電源と前記加熱器を動作させることを特徴とする水素製造装置。
A purified hydrogen gas is generated at the cathode by having an electrolyte film between the anode and the cathode, supplying a hydrogen-containing gas to the anode, and passing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode. Electrochemical devices and
A power source that allows the current to flow between the anode and the cathode,
A reformer that reforms a hydrocarbon-based raw material to generate the hydrogen-containing gas,
A CO reducer that reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated by the reformer and supplied to the anode, and
A raw material supply device that supplies the raw material to the reformer via the raw material supply flow path,
A heater that heats the reformer and the CO reducer,
A purified hydrogen gas flow path for supplying the purified hydrogen gas to a hydrogen utilization device, and
A purified hydrogen gas flow path on-off valve provided in the purified hydrogen gas flow path so that the purified hydrogen gas flow path can be opened and closed.
A reflux flow path that branches from a flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve in the purified hydrogen gas flow path and joins the raw material supply flow path.
A reflux flow path on-off valve provided in the reflux flow path so that the return flow path can be opened and closed,
A hydrogen production device equipped with a controller,
The controller
When the hydrogen production apparatus is operating hydrogen production by operating the raw material supply device, the power supply, and the heater, respectively, the closed state of the reflux flow path on-off valve and the purified hydrogen gas flow. Keep the road on-off valve open,
When the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus is stopped, the operations of the raw material supply device, the power supply, and the heater are stopped, and the purified hydrogen gas flow path on-off valve is closed.
When the hydrogen production operation is restarted, the purified hydrogen gas flow path on-off valve is in the closed state and the reflux flow path on-off valve is in the open state before the raw material supply device is operated, and the power supply and the heater are used. A hydrogen production device characterized by operating.
前記精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側の前記精製水素ガス流路または前記還流流路開閉弁よりも上流側の前記還流流路に連通する水素貯蔵器を備えることを特徴とする請求項1に記載の水素製造装置。 The claim is characterized by comprising a hydrogen reservoir communicating with the purified hydrogen gas flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve or the recirculation flow path on the upstream side of the recirculation flow path on-off valve. The hydrogen production apparatus according to 1. 前記アノードに供給された前記水素含有ガスのうちで前記カソードに移動しないガスを前記アノードから排出するためのオフガス流路と、
前記オフガス流路を開閉可能に前記オフガス流路に設けられ、前記水素製造装置が水素製造動作をしているときは開状態を維持し、前記水素製造装置が水素製造動作を停止しているときは閉状態を維持するオフガス流路開閉弁と、を備え、
前記制御器は、前記水素製造動作を再開するときに、前記オフガス流路開閉弁を開状態にして、前記電源と前記加熱器を動作させることを特徴とする請求項2に記載の水素製造装置。
An off-gas flow path for discharging the hydrogen-containing gas supplied to the anode, which does not move to the cathode, from the anode.
When the off-gas flow path is provided so as to be openable and closable, the hydrogen production apparatus is maintained in an open state when the hydrogen production apparatus is in operation, and the hydrogen production apparatus is stopped in the hydrogen production operation. Is equipped with an off-gas flow path on-off valve, which keeps it closed,
The hydrogen production apparatus according to claim 2, wherein the controller operates the power source and the heater by opening the off-gas flow path on-off valve when the hydrogen production operation is restarted. ..
前記加熱器は前記オフガス流路から供給されたガスを燃焼するように構成されていることを特徴とする請求項3に記載の水素製造装置。 The hydrogen production apparatus according to claim 3, wherein the heater is configured to burn the gas supplied from the off-gas flow path. 電解質膜をアノードとカソードとの間に有し、前記アノードに水素含有ガスを供給するとともに、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて精製水素ガスを生成する電気化学デバイスと、
前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流す電源と、
炭化水素系の原料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成され前記アノードに供給される前記水素含有ガスに含まれる一酸化炭素の濃度を低減させるCO低減器と、
原料供給流路を介して前記改質器に前記原料を供給する原料供給器と、
前記改質器及び前記CO低減器を加熱する加熱器と、
前記精製水素ガスを水素利用機器に供給するための精製水素ガス流路と、
前記精製水素ガス流路を開閉可能に前記精製水素ガス流路に設けられた精製水素ガス流路開閉弁と、
前記精製水素ガス流路における前記精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側の流路から分岐して前記原料供給流路に合流する還流流路と、
前記還流流路を開閉可能に前記還流流路に設けられ還流流路開閉弁と、を備えた水素製造装置の運転方法であって、
前記原料供給器と前記電源と前記加熱器とが、それぞれ動作することにより、前記水素製造装置が水素製造動作をしているときは、前記還流流路開閉弁の閉状態と前記精製水素ガス流路開閉弁の開状態とを維持し、
前記水素製造装置の水素製造動作を停止するときに、前記原料供給器と前記電源と前記加熱器のそれぞれの動作を停止させるとともに、前記精製水素ガス流路開閉弁を閉状態にし、
前記水素製造動作を再開するときに、前記原料供給器を動作させる前に、前記精製水素ガス流路開閉弁が閉状態、且つ前記還流流路開閉弁が開状態で、前記電源と前記加熱器を動作させることを特徴とする水素製造装置の運転方法。
A purified hydrogen gas is generated at the cathode by having an electrolyte film between the anode and the cathode, supplying a hydrogen-containing gas to the anode, and passing a current in a predetermined direction between the anode and the cathode. Electrochemical devices and
A power source that allows the current to flow between the anode and the cathode,
A reformer that reforms a hydrocarbon-based raw material to generate the hydrogen-containing gas,
A CO reducer that reduces the concentration of carbon monoxide contained in the hydrogen-containing gas generated by the reformer and supplied to the anode, and
A raw material supply device that supplies the raw material to the reformer via the raw material supply flow path,
A heater that heats the reformer and the CO reducer,
A purified hydrogen gas flow path for supplying the purified hydrogen gas to a hydrogen utilization device, and
A purified hydrogen gas flow path on-off valve provided in the purified hydrogen gas flow path so that the purified hydrogen gas flow path can be opened and closed.
A reflux flow path that branches from a flow path on the upstream side of the purified hydrogen gas flow path on-off valve in the purified hydrogen gas flow path and joins the raw material supply flow path.
It is a method of operating a hydrogen production apparatus provided with a reflux channel on-off valve provided in the reflux channel so that the reflux channel can be opened and closed.
When the hydrogen production apparatus is operating hydrogen production by operating the raw material supply device, the power supply, and the heater, respectively, the closed state of the reflux flow path on-off valve and the purified hydrogen gas flow. Keep the road on-off valve open,
When the hydrogen production operation of the hydrogen production apparatus is stopped, the operations of the raw material supply device, the power supply, and the heater are stopped, and the purified hydrogen gas flow path on-off valve is closed.
When the hydrogen production operation is restarted, the purified hydrogen gas flow path on-off valve is in the closed state and the reflux flow path on-off valve is in the open state before the raw material supply device is operated, and the power supply and the heater are used. A method of operating a hydrogen production apparatus, which comprises operating a hydrogen production apparatus.
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