JP4741568B2 - 水素製造発電システムの水素製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも改質装置と、前記改質装置からアノード側に改質ガスが供給されることにより水素製造モードと発電モードとを選択的に行う燃料電池−イオンポンプ結合体と、を備える水素製造発電システムの水素製造方法に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックは、例えば、自動車等の車両に搭載して使用される一方、家庭の電力需要を賄う家庭用エネルギステーションに用いられている。

この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスとしては、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。

改質装置により生成される燃料ガスは、さらに高純度の水素ガス（精製水素ガス）に転換させる必要があるとともに、貯蔵用に圧縮する場合がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池−イオンポンプ結合体が採用されている。

この燃料電池−イオンポンプ結合体は、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製酸素と精製水素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備える電気化学セル及び、前記第１及び第２のコネクタに電荷を与え、前記電気化学セルが発電する燃料電池として作用し、前記第１及び第２のコネクタに電位を与え、前記電気化学セルが、水素を精製する水素ポンプと酸素を精製する酸素ポンプとの少なくとも１つとして作用するための制御装置、を備えている。

特表２００７−５０５４７２号公報

ところで、上記の燃料電池−イオンポンプ結合体は、水素製造（水素ポンプ）モードと発電（燃料電池）モードとを有している。このため、運転停止状態のカソード側には、例えば、最終運転が発電モード運転であると、システム停止状態で酸化剤ガス（空気）が滞留している。

従って、水素製造モードによる起動時には、アノード側に供給される水素とカソード側に滞留する酸化剤ガスとが反応し、前記水素製造モードとは逆側の電圧（電位）が発生してしまう。これにより、燃料電池−イオンポンプ結合体には、水素製造モード用の電圧を外部から付与することができないという問題がある。

そこで、上記のように、カソード側に酸化剤ガスが残存した状態で、燃料電池−イオンポンプ結合体に水素製造モード用の電位を付与することにより、前記水素製造モードによる運転を強制的に行うことが考えられる。しかしながら、燃料電池−イオンポンプ結合体には、逆方向の電圧が発生しており、電源系が破壊される可能性がある。しかも、カソード側には、酸化剤ガスが存在した状態で水素イオンを透過させるため、この水素イオンが燃焼する可能性がある。

一方、アノード側からカソード側に水素ガスを透過させることにより、前記カソード側の酸素消費を行う方法が考えられる。ところが、アノード側からカソード側に水素ガスを透過させるためには、相当な時間が必要である。さらに、その間、システムを運転させなければならず、エネルギ消費が増大して経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、カソード側に酸化剤ガスが残存していても、前記酸化剤ガスを迅速にパージすることができ、水素製造モードを円滑且つ効率的に開始することが可能な水素製造発電システムの水素製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を受容する吸着塔を設け、前記水素中の不要成分を除去するＰＳＡ機構とを備える水素製造発電システムの水素製造方法に関するものである。

この水素製造方法は、改質装置の改質運転を開始する工程と、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側に酸化剤ガスが残存してるか否かを判断する工程と、前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していると判断された際、ＰＳＡ機構内に残存するガスを前記カソード側に供給して前記酸化剤ガスをパージする工程と、前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していないと判断された際、前記燃料電池−イオンポンプ結合体による水素製造モードを開始する工程とを有している。

また、本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を貯蔵可能なタンクとを備える水素製造発電システムの水素製造方法に関するものである。

この水素製造方法は、改質装置の改質運転を開始する工程と、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側に酸化剤ガスが残存してるか否かを判断する工程と、前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していると判断された際、タンク内に残存するガスを前記カソード側に供給して前記酸化剤ガスをパージする工程と、前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していないと判断された際、前記燃料電池−イオンポンプ結合体による水素製造モードを開始する工程とを有している。

さらに、本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、前記カソード側に連通し、前記原燃料を供給可能な原燃料供給部とを備える水素製造発電システムの水素製造方法に関するものである。

この水素製造方法は、改質装置の改質運転を開始する工程と、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側に酸化剤ガスが残存してるか否かを判断する工程と、前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していると判断された際、原燃料供給部から前記カソード側に原燃料を供給して前記酸化剤ガスをパージする工程と、前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していないと判断された際、前記燃料電池−イオンポンプ結合体による水素製造モードを開始する工程とを有している。

さらにまた、カソード側に酸化剤ガスが残存してるか否かは、燃料電池−イオンポンプ結合体の電圧に基づいて判断することが好ましい。

また、改質装置から得られる改質ガス中の一酸化炭素濃度が、設定濃度以下に低下したか否かを検出する工程と、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度が、前記設定濃度以下に低下したことを検出した後、燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側に改質ガスを供給する工程とを有することが好ましい。

さらに、少なくとも改質装置の温度及び運転時間に基づいて、改質ガス中の一酸化炭素濃度が、設定濃度以下に低下したか否かを検出することが好ましい。

本発明では、カソード側に酸化剤ガスが残存している際、ＰＳＡ機構内に残存するガスを前記カソード側に供給して前記酸化剤ガスをパージする工程、タンク内に残存するガスを前記カソード側に供給して前記酸化剤ガスをパージする工程、又は原燃料供給部から前記カソード側に原燃料を供給して前記酸化剤ガスをパージする工程を有している。

このため、カソード側に残存する酸化剤ガスを、短時間で確実にパージすることができ、水素製造モードによる運転が、円滑且つ効率的に開始される。しかも、水素製造発電システムに予め存在するガスを用いて、カソード側のパージを行うため、外部からパージガスを補給する必要がない。これにより、効率的且つ経済的なパージ処理が行われ、水素製造モードへの移行が円滑に遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る水素製造方法を実施するための水素製造発電システム１０の全体構成図である。この水素製造発電システム１０は、例えば、家庭用エネルギステーションとして利用され、系統電源に接続されるとともに、家庭の要求電力に対応して、すなわち、負荷変動に追従して電力を供給する。

水素製造発電システム１０は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置１２と、後述する発電モード及び水素製造モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体１４と、前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４に接続されるとともに、前記水素製造発電システム１０全体の制御を行うコントローラ１６と、精製された水素ガスを除湿及びさらに精製するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）機構１８と、精製水素ガスを圧縮する圧縮部２０と、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池車２２に充填する充填部２４とを備える。

コントローラ１６は、発電モード時に燃料電池−イオンポンプ結合体１４に電荷を印加する一方、水素製造モード時に前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４に電位を印加する機能を有する。

図２に示すように、改質装置１２は、都市ガス中に含まれるメタン（ＣＨ₄）、エタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₆）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の炭化水素に水蒸気を混合して混合燃料を得るための熱交換器２８と、前記熱交換器２８に水蒸気発生用の熱を付与するための触媒燃焼器３０と、前記混合燃料を水蒸気改質して改質ガスを得るための改質器３２と、シフト反応により前記改質ガス中の一酸化炭素及び水蒸気を二酸化炭素及び水素に変換させるＣＯ変成器（シフト反応器）３４と、少量の空気を改質ガスに付加し、選択的に吸収した一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素に変換させるＣＯ除去器（選択酸化反応器）３６とを備える。

触媒燃焼器３０には、この触媒燃焼器３０の温度を測定するための温度センサ３７ａが配設される。同様に、改質器３２、ＣＯ変成器３４及びＣＯ除去器３６には、これらの温度を測定するための温度センサ３７ｂ、３７ｃ及び３７ｄが配設される。

燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、固体高分子電解質膜３８をアノード側電極４０とカソード側電極４２とで挟持した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体は、図示しないがセパレータと交互に積層されてスタックを構成する。固体高分子電解質膜３８としては、例えば、炭化水素系の電解質膜又はパーフルオロカーボン等のフッ素系の電解質膜が使用される。

燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、改質ガスをアノード側電極４０に供給するためのアノード側入口４４ａと、前記アノード側電極４０から使用済みの改質ガス（アノードオフガス）を排出するためのアノード側出口４４ｂと、カソード側電極４２に酸化剤ガスとして空気を供給するとともに、水素製造モードにより改質ガスから取り出された精製水素ガスを排出するためのカソード側入口４６ａと、前記カソード側電極４２から使用済みの空気を排出するためのカソード側出口４６ｂとを設ける。

アノード側入口４４ａと改質装置１２を構成するＣＯ除去器３６とは、改質ガス流路４８により接続されるとともに、アノード側出口４４ｂと前記改質装置１２を構成する触媒燃焼器３０とは、アノードオフガス流路５０により接続される。

改質ガス流路４８には、空気（ブリードエア）投入口５２及び三方電磁弁（弁機構）５４が配置される。三方電磁弁５４には、アノードバイパス流路５６の一端が接続されるとともに、前記アノードバイパス流路５６の他端は、アノードオフガス流路５０に連通する。アノードオフガス流路５０には、アノードバイパス流路５６との合流部位の上流側に電磁弁５７が配置される。

カソード側入口４６ａには、カソード側入口流路５８が接続される。このカソード側入口流路５８には、電磁弁６０と、この電磁弁６０の上流に位置してブロア（コンプレッサ）６２とが配設される。カソード側入口流路５８には、水素ガス流路６４が合流しており、前記水素ガス流路６４の下流には、電磁弁６５を介してＰＳＡ機構１８が配設される。カソード側出口４６ｂには、カソードオフガス流路６６が接続される。カソードオフガス流路６６には、遮断機構である電磁弁６８が設けられる。

カソードオフガス流路６６には、電磁弁６８の上流に位置してカソードパージ流路７０が分岐して形成される。カソードパージ流路７０は、電磁弁７２を介装してアノードオフガス流路５０に連通する。電磁弁７２は、カソード側出口４６ｂから流れてくるカソードオフガスを遮断する一方、前記カソード側出口４６ｂに向かう流れを有効に阻止する逆圧対応構造を有することが好ましい。

ＰＳＡ機構１８は、例えば、２塔式圧力スイング吸着装置を構成しており、主に水素に含まれる水蒸気（水分）及び二酸化炭素を高圧下で吸着し、減圧下で脱着する機能を有する。

このように構成される水素製造発電システム１０の水素製造モードの起動運転時の動作について、図３に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

先ず、水素製造発電システム１０では、改質装置１２の運転が開始される（ステップＳ１）。改質装置１２では、図４に示すように、例えば、都市ガス等の原燃料（改質原燃料）と改質水とが熱交換器２８に供給されるとともに、この熱交換器２８では、触媒燃焼器３０による燃焼熱が付与される。このため、改質水が蒸発して水蒸気が得られ、原燃料と前記水蒸気との混合燃料が改質器３２に供給される。

改質器３２では、水蒸気改質が行われて改質ガスが得られ、この改質ガスは、ＣＯ変成器３４に供給されることにより、シフト反応が行われる。さらに、改質ガスは、ＣＯ除去器３６に送られて選択酸化反応が行われた後、改質ガス流路４８に導入される。

この始動時には、改質ガス流路４８は、三方電磁弁５４を介してアノードバイパス流路５６からアノードオフガス流路５０に連通している。さらに、電磁弁５７、６０、６５、６８及び７２が閉塞されている。従って、改質装置１２により得られる全ての改質ガスは、燃料電池−イオンポンプ結合体１４をバイパスして触媒燃焼器３０に直接供給される。すなわち、改質装置１２は、全量循環により安定運転できる最小の熱量で運転されている（所謂、ベースロード、図５参照）。

次いで、ステップＳ２に進んで、コントローラ１６は、温度センサ３７を介して触媒燃焼器３０の温度Ｔｃ℃を検出し、改質装置１２を監視する。ベースロード運転では、改質装置１２から得られる改質ガス中のＣＯ濃度が高く、このＣＯ濃度が所定濃度になったか否かを、触媒燃焼器３０の温度Ｔｃ₁℃及び前記改質装置１２の運転時間等から判断する。なお、改質ガス中のＣＯ濃度を検出するためのパラメータとしては、例えば、この改質ガスの圧力等を用いてもよい。

そして、検出温度Ｔｃ１℃が、設定温度Ｔ１℃以上となると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、改質器３２の温度Ｔｃ２℃が、Ｔ２℃≦Ｔｃ２℃≦Ｔ３℃の範囲内であるか否かが判断される。そして、Ｔ２℃≦Ｔｃ２℃≦Ｔ３℃であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む。このステップＳ４では、ＣＯ変成器３４の温度Ｔｃ３℃が、Ｔ４℃≦Ｔｃ３℃≦Ｔ５℃の範囲内であると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進む。

このステップＳ５において、ＣＯ除去器３６温度Ｔｃ４℃が、Ｔ６℃≦Ｔｃ４℃≦Ｔ７℃の範囲内であると判断されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、三方電磁弁５４が操作され、図６に示すように、改質ガス流路４８が、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側入口４４ａに連通する。このため、改質装置１２により製造された改質ガスは、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側電極４０に供給された後、アノード側出口４４ｂからアノードオフガス流路５０を通って、触媒燃焼器３０に送られる。この状態で、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側電極４０に空気（酸化剤ガス）が残存しているか否かが判断される（ステップＳ７）。

このカソード側の空気の有無判断は、例えば、コントローラ１６が燃料電池−イオンポンプ結合体１４の電圧を測定し、この電圧が略０である際に、カソード側に酸素がないと判断する。なお、空気の有無判断は、電圧測定の他、各種のガス検出センサ等を用いて行ってもよい。

そして、カソード側に酸素があると判断されると（ステップＳ７中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、ＰＳＡパージが行われる。具体的には、図７に示すように、電磁弁６５、７２が開放されることにより、ＰＳＡ機構１８の塔内に残存する水素ガスが、水素ガス流路６４を通ってカソード側電極４２に供給される。従って、水素ガスは、カソード側電極４２に残存する空気をパージしてカソードオフガス流路６６に排出される。

さらに、カソードパージ流路７０に導入された水素ガス及び空気は、アノードオフガス流路５０を通って触媒燃焼器３０に送られる。これにより、カソード側電極４２に残存する空気は、水素ガスによりパージされる。そして、カソード側に酸素がないと判断されると（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、水素製造モードが開始される。

この水素製造モードでは、図２に示すように、電磁弁７２が閉塞されるとともに、コントローラ１６を介してアノード側電極４０とカソード側電極４２とに電位が印加される。従って、改質装置１２から改質ガス流路４８に供給される改質ガスは、アノード側入口４４ａからアノード側電極４０に供給される一方、ブロア６２からカソード側電極４２に空気の供給が行われていない。

その際、アノード側電極４０にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側電極４２にマイナス極の電位が印加されている。このため、アノード側電極４０では、Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-の反応が起こり、水素イオン（Ｈ⁺）は、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード側電極４２に移動する。このカソード側電極４２で、２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂の反応が惹起するとともに、昇圧されている。

従って、アノード側電極４０からカソード側電極４２には、プロトン（水素イオン）が移動し、前記カソード側電極４２に高純度の水素ガスが精製される。この水素ガスは、カソード側入口流路５８から水素ガス流路６４に導入され、ＰＳＡ機構１８により主に除湿（及び精製）処理が施される。図１に示すように、水素ガスは、さらに圧縮部２０で圧縮されるとともに、必要に応じて充填部２４により燃料電池車２２に充填される。

図２に示すように、アノード側電極４０で使用された改質ガス（未燃の水素ガスを含む）は、未燃ガスとしてアノード側出口４４ｂからアノードオフガス流路５０を通って触媒燃焼器３０に送られる。未燃ガスは、触媒燃焼器３０に供給される燃焼空気によって燃焼され、熱交換器２８に熱を供給する。

また、燃料電池−イオンポンプ結合体１４が、発電モードで運転される際には、図８に示すように、電磁弁５７、６０及び６８が開放されるとともに、電磁弁６５、７２が閉塞される。そして、コントローラ１６を介してアノード側電極４０とカソード側電極４２とに電荷が印加される。この状態で、改質ガスが、改質ガス流路４８を介してアノード側電極４０に供給されるとともに、空気（酸化剤ガス）が、ブロア６２の作用下に、カソード側入口流路５８を介してカソード側電極４２に供給される。

従って、燃料電池−イオンポンプ結合体１４では、アノード側電極４０に供給される改質ガス中の水素と、カソード側電極４２に供給される空気中の酸素とを介し、電気化学反応により発電が行われる。この発電により得られた電力は、例えば、家庭用電力として利用される。

また、カソード側電極４２で使用された空気は、カソード側出口４６ｂからカソードオフガス流路６６を通って外部に排出されるとともに、アノード側電極４０で使用された改質ガス（未燃の水素ガスを含む）は、未燃ガスとしてアノード側出口４４ｂからアノードオフガス流路５０を通って触媒燃焼器３０に送られる。

なお、水素製造発電システム１０の停止運転は、図５に示すように、改質装置１２の負荷が、段階的又は連続的に減少される（ターンダウン）。そして、改質装置１２がベースロード運転に移行されて全量循環された後、水素製造発電システム１０が停止される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池−イオンポンプ結合体１４が、水素製造モードによる運転を開始する際、先ず、改質装置１２により改質運転が行われるとともに、前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側に酸化剤ガスが残存しているか否かが判断される（ステップＳ４）。

そして、カソード側に酸化剤ガスが残存している際（ステップＳ４中、ＮＯ）、ＰＳＡ機構１８が駆動されることにより、このＰＳＡ機構１８内に残存する水素ガスが、前記カソード側に供給されている。このため、カソード側に残存する酸化剤ガスは、ＰＳＡ機構１８から供給される水素ガスを介して短時間で確実にパージされる。従って、燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、前記カソード側に酸化剤ガスがない状態で、水素製造モードによる運転が、円滑且つ効率的に開始されるという効果が得られる。

しかも、水素製造発電システム１０に予め存在するガス、具体的には、ＰＳＡ機構１８の塔内に残存する水素ガスを用いて、カソード側のパージが行われるため、外部からパージガスを補給する必要がない。これにより、効率的且つ経済的にパージ処理が遂行され、水素製造モードへの移行が円滑に行われるという利点がある。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る水素製造方法を説明するフローチャートである。

この第２の実施形態では、先ず、コントローラ１６は、燃料電池−イオンポンプ結合体１４の電圧を測定し、この電圧が略０か否か、すなわち、カソード側に酸化剤ガスが残存しているか否かを判断する（ステップＳ１１）。そして、カソード側に、酸化剤ガスがないと判断されると（ステップＳ１１中、ＹＥＳ）、ステップＳ１２〜ステップＳ１８に沿って処理を行い、水素製造モードが開始される。

一方、カソード側に酸化剤ガスが存在していると判断されると（ステップＳ１１中、ＮＯ）、ステップＳ１９に進み、改質運転が開始される。さらに、ステップＳ２０及びステップＳ２４の各処理を施した後、ステップＳ２５に進んで、ＰＳＡ機構１８による水素ガスによる酸化剤ガスのパージが行われる。このＰＳＡ機構１８によるパージが終了すると、ステップＳ１８に進み、水素製造モードが開始される。

従って、第２の実施形態では、カソード側に酸化剤ガスが存在するか否かの判断が最初に行われる他、第１の実施形態と同様の処理が行われる。なお、カソード側に酸化剤ガスが存在するか否かの判断は、必要に応じて、適宜、任意の位置で行うことができる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る水素製造方法を実施するための水素製造発電システム８０の概略構成図である。なお、第１の実施形態に係る水素製造発電システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

水素製造発電システム８０は、水素ガス流路６４から分岐してバイパス流路８２を設ける。このバイパス流路８２には、電磁弁８４を介してパージ専用の貯蔵タンク８６が接続されるとともに、前記貯蔵タンク８６には、パージに必要な量の水素ガスが貯蔵可能である。

このように構成される水素製造発電システム８０では、水素製造モードの起動運転時に、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側に酸化剤ガスが残留していると判断されると、電磁弁６５が閉塞された状態で、電磁弁８４が開放される。このため、貯蔵タンク８６に予め貯蔵されている水素ガスは、バイパス流路８２から水素ガス流路６４を介してカソード側電極４２に送られる。

これにより、カソード側電極４２に残留する酸化剤ガスは、貯蔵タンク８６に貯蔵されている水素ガスを介してカソードオフガス流路６６からカソードパージ流路７０を通って、アノードオフガス流路５０に送られる。

従って、第３の実施形態では、カソード側に残存する酸化剤ガスを、短時間で確実にパージすることができ、水素製造モードによる運転が、円滑且つ効率的に開始される等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る水素製造方法を実施するための水素製造発電システム９０の概略構成図である。

この水素製造発電システム９０は、改質原燃料を供給する原燃料供給部９２に、原燃料流路９４の一端が接続される。原燃料流路９４の他端は、カソード側入口流路５８の途上に、電磁弁６０の下流に位置して接続される。この原燃料流路９４には、電磁弁９６が配置される。

このように構成される水素製造発電システム９０では、水素製造モードの起動運転時に、カソード側に酸化剤ガスが残存していると判断されると、電磁弁９６が開放される。このため、原燃料供給部９２から原燃料流路９４を介して、原燃料が供給される。この原燃料は、カソード側入口流路５８を通ってカソード側電極４２に供給される。

これにより、カソード側電極４２に残留する酸化剤ガスは、原燃料を介してカソードオフガス流路６６に排出され、触媒燃焼器３０に送られる。従って、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側に残存する酸化剤ガスは、短時間で確実にパージされ、水素製造モードによる運転が、円滑且つ効率的に遂行される等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る水素製造発電システム１００の全体構成図である。

水素製造発電システム１００は、改質装置１２、燃料電池−イオンポンプ結合体１４、コントローラ１６、ＰＳＡ機構１８、圧縮部２０及び充填部２４を備えるとともに、前記圧縮部２０から分岐して貯蔵部１０２が配置される。この貯蔵部１０２は、タンクを有しており、精製された水素ガスを一旦貯蔵する一方、必要に応じて前記水素ガスを充填部２４に供給する。なお、貯蔵部１０２は、上記の第３の実施形態に用いられた貯蔵タンク８６としての機能（パージ機能）を併用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る水素製造方法を実施するための水素製造発電システムの全体構成図である。 前記水素製造発電システムの概略構成図である。 前記水素製造方法を説明するフローチャートである。 前記水素製造方法における全量循環の説明図である。 前記水素製造方法のタイミングチャートである。 前記水素製造方法の説明図である。 前記水素製造方法における水素ガスによるパージの説明図である。 前記水素製造発電システムの発電モードの説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る水素製造方法を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係る水素製造方法を実施するための水素製造発電システムの概略構成図である。 本発明の第４の実施形態に係る水素製造方法を実施するための水素製造発電システムの概略構成図である。 本発明の第５の実施形態に係る水素製造発電システムの概略構成図である。

符号の説明

１０、８０、９０、１００…水素製造発電システム
１２…改質装置 １４…燃料電池−イオンポンプ結合体
１６…コントローラ １８…ＰＳＡ機構
２０…圧縮部 ２２…燃料電池車
２４…充填部 ２８…熱交換器
３０…触媒燃焼器 ３２…改質器
３４…ＣＯ変成器 ３６…ＣＯ除去器
３７…温度センサ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側電極 ４２…カソード側電極
４４ａ…アノード側入口 ４４ｂ…アノード側出口
４６ａ…カソード側入口 ４６ｂ…カソード側出口
４８…改質ガス流路 ５０…アノードオフガス流路
５４…三方電磁弁
５７、６０、６５、６８、７２、８４、９６…電磁弁
５８…カソード側入口流路 ６２…ブロア
６４…水素ガス流路 ６６…アノードオフガス流路
７０…カソードパージ流路 ８２…バイパス流路
８６…貯蔵タンク ９２…原燃料供給部
９４…原燃料流路 １０２…貯蔵部

Claims (6)

1. 炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、
   電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、
   前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を受容する吸着塔を設け、前記水素中の不要成分を除去するＰＳＡ機構と、
   を備える水素製造発電システムの水素製造方法であって、
   前記改質装置の改質運転を開始する工程と、
   前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存してるか否かを判断する工程と、
   前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していると判断された際、前記ＰＳＡ機構内に残存するガスを前記カソード側に供給して前記酸化剤ガスをパージする工程と、
   前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していないと判断された際、前記燃料電池−イオンポンプ結合体による前記水素製造モードを開始する工程と、
   を有することを特徴とする水素製造発電システムの水素製造方法。
2. 炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、
   電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、
   前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を貯蔵可能なタンクと、
   を備える水素製造発電システムの水素製造方法であって、
   前記改質装置の改質運転を開始する工程と、
   前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存してるか否かを判断する工程と、
   前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していると判断された際、前記タンク内に残存するガスを前記カソード側に供給して前記酸化剤ガスをパージする工程と、
   前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していないと判断された際、前記燃料電池−イオンポンプ結合体による前記水素製造モードを開始する工程と、
   を有することを特徴とする水素製造発電システムの水素製造方法。
3. 炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、
   電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、
   前記カソード側に連通し、前記原燃料を供給可能な原燃料供給部と、
   を備える水素製造発電システムの水素製造方法であって、
   前記改質装置の改質運転を開始する工程と、
   前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存してるか否かを判断する工程と、
   前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していると判断された際、前記原燃料供給部から前記カソード側に前記原燃料を供給して前記酸化剤ガスをパージする工程と、
   前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存していないと判断された際、前記燃料電池−イオンポンプ結合体による前記水素製造モードを開始する工程と、
   を有することを特徴とする水素製造発電システムの水素製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素製造方法であって、前記カソード側に前記酸化剤ガスが残存してるか否かは、前記燃料電池−イオンポンプ結合体の電圧に基づいて判断することを特徴とする水素製造発電システムの水素製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素製造方法であって、前記改質装置から得られる前記改質ガス中の一酸化炭素濃度が、設定濃度以下に低下したか否かを検出する工程と、
   前記改質ガス中の一酸化炭素濃度が、前記設定濃度以下に低下したことを検出した後、前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記アノード側に前記改質ガスを供給する工程と、
   を有することを特徴とする水素製造発電システムの水素製造方法。
6. 請求項５記載の水素製造方法であって、少なくとも前記改質装置の温度及び運転時間に基づいて、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度が、前記設定濃度以下に低下したか否かを検出することを特徴とする水素製造発電システムの水素製造方法。

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