JP6291402B2 - Compressed hydrogen supply device - Google Patents

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Description

本発明は、圧縮水素供給装置に関する。   The present invention relates to a compressed hydrogen supply apparatus.

特許文献1には、電気化学的な反応を利用してガスを圧縮するための電気化学的ガス圧縮機が開示されている。具体的には、電気化学的ガス圧縮の原理を利用した圧縮装置、該圧縮装置に水分補給するための水分補給路、ガス圧縮に必要な電力を供給するための外部電気回路、圧縮装置内のイオン導電性固体電解質体のための補強体等が記載されている。   Patent Document 1 discloses an electrochemical gas compressor for compressing a gas using an electrochemical reaction. Specifically, a compression device using the principle of electrochemical gas compression, a hydration passage for hydrating the compression device, an external electric circuit for supplying power necessary for gas compression, A reinforcing body for an ion conductive solid electrolyte body is described.

特許文献2には、電気化学的ガス圧縮装置のセル構造が開示されている。   Patent Document 2 discloses a cell structure of an electrochemical gas compression apparatus.

特許文献3には、電気化学的ガス圧縮と同様の原理を利用して、常圧水素の排出流量を制御する装置が開示されている。   Patent Document 3 discloses an apparatus for controlling the discharge flow rate of atmospheric hydrogen using the same principle as electrochemical gas compression.

特許文献4には、水素生成反応器と一体で、電気化学的ガス圧縮器(水素分離手段)を設けることが開示されている。具体的には、反応器から水素分離室へ水素を移動させる(除去する)ことで、化学反応の平衡を水素生成側へ移し水素製造効率を高めること、燃料電池をガス圧縮器の電源として用いると共に、燃料電池により得られた水を反応器で用いることが記載されている。この技術は、分離膜を用いて水素製造効率を高めることを目的としている。   Patent Document 4 discloses that an electrochemical gas compressor (hydrogen separation means) is provided integrally with the hydrogen generation reactor. Specifically, by transferring (removing) hydrogen from the reactor to the hydrogen separation chamber, the equilibrium of the chemical reaction is shifted to the hydrogen production side to increase hydrogen production efficiency, and the fuel cell is used as a power source for the gas compressor. In addition, it is described that water obtained by a fuel cell is used in a reactor. This technique aims to increase hydrogen production efficiency using a separation membrane.

特許文献5には、電気化学的に水を分解し、水素を製造すると同時に圧縮水素を得る方法及び装置が開示されている。   Patent Document 5 discloses a method and apparatus for electrochemically decomposing water to produce hydrogen and simultaneously obtaining compressed hydrogen.

特許文献6には、固体高分子型水電解装置を用いて、電気化学的に水を分解して中圧水素を製造し、中圧タンクに貯める装置が開示されている。この装置は、燃料電池自動車のタンク残圧が低い場合は水素を中圧で供給する一方、高圧が必要な場合には中圧水素を更に圧縮して高圧化させる。この際、固体高分子型水電解装置を利用して、電気化学的ガス圧縮の原理で水素を圧縮できるため、装置全体を小型化できるとされている。   Patent Document 6 discloses an apparatus for producing medium pressure hydrogen by electrochemically decomposing water using a solid polymer water electrolysis apparatus and storing it in an intermediate pressure tank. This device supplies hydrogen at an intermediate pressure when the tank residual pressure of the fuel cell vehicle is low, while further compressing the intermediate pressure hydrogen to increase the pressure when a high pressure is required. At this time, since it is possible to compress hydrogen by the principle of electrochemical gas compression using a solid polymer type water electrolysis apparatus, it is said that the entire apparatus can be reduced in size.

特許文献7には、水素製造装置において、ダクトから漏れる騒音を低減させる技術が開示されている。   Patent Document 7 discloses a technique for reducing noise leaking from a duct in a hydrogen production apparatus.

特開平5−242850号公報JP-A-5-242850 特開2003−213471号公報JP 2003-213471 A 特開2003−313691号公報JP 2003-313691 A 特開2004−311159号公報JP 2004-31159 A 特開2007−100204号公報JP 2007-100204 A 特開2005−324584号公報JP-A-2005-324584 特開2010−281288号公報JP 2010-281288 A

例えば、燃料電池自動車(FCV)は、走行距離を長くするために70MPa以上の圧縮水素を充填できる高圧水素タンクを搭載している。高圧水素タンクへの水素の充填は、例えば水素ステーションで行われる。水素ステーションでは、燃料電池自動車の高圧水素タンクに対して差圧で水素を充填するため、該水素を例えば82MPa以上まで高圧化させる。   For example, a fuel cell vehicle (FCV) is equipped with a high-pressure hydrogen tank that can be filled with compressed hydrogen of 70 MPa or more in order to increase the travel distance. The high-pressure hydrogen tank is filled with hydrogen, for example, at a hydrogen station. In the hydrogen station, in order to fill hydrogen with a differential pressure with respect to the high-pressure hydrogen tank of the fuel cell vehicle, the hydrogen is increased to, for example, 82 MPa or more.

また、水素ステーションは、1時間に5台分程度の燃料電池自動車搭載の高圧水素タンクにフル充填できる300Nm3 /hの水素製造能力を有する大型のステーションが主流である。例えばオンサイト型水素ステーションで効率よく圧縮水素を製造するためには、化石燃料等から水素を合成する工程(水素製造)、製造された水素から不純物を除く工程(水素精製)、精製水素の圧力を上げる工程(水素圧縮)等の各工程での効率を上げることが求められる。 The hydrogen station is mainly a large-sized station having a hydrogen production capacity of 300 Nm 3 / h that can be fully filled in a high-pressure hydrogen tank mounted on a fuel cell vehicle for about five vehicles per hour. For example, in order to efficiently produce compressed hydrogen at an on-site hydrogen station, the process of synthesizing hydrogen from fossil fuels (hydrogen production), the process of removing impurities from the produced hydrogen (hydrogen purification), the pressure of purified hydrogen It is required to increase the efficiency in each step such as the step of increasing the pressure (hydrogen compression).

一方で、水素ステーションの規模も検討が必要である。都市部で燃料電池自動車への水素供給インフラを普及させるためには、前述の300Nm3 /h級の大型水素ステーションだけでなく、電気自動車の充填スタンドのように家庭や駐車場等で水素を充填できる、例えば50Nm3 /h以下の小規模な水素ステーション(本明細書において「水素スタンド」という。)も求められる。水素スタンドの実現のためには、上記の水素製造、水素精製、水素圧縮のすべての工程で、小型で高効率な装置が必要となる。 On the other hand, the scale of the hydrogen station needs to be examined. In order to spread the hydrogen supply infrastructure for fuel cell vehicles in urban areas, not only the large hydrogen station of 300Nm 3 / h class mentioned above, but also hydrogen filling at home or parking lot like electric vehicle filling station There is also a need for a small hydrogen station (referred to herein as a “hydrogen station”) that is capable of being, for example, 50 Nm 3 / h or less. In order to realize a hydrogen stand, a small and highly efficient apparatus is required in all the processes of hydrogen production, hydrogen purification, and hydrogen compression.

[水素製造についての課題]
小型水素製造装置としては、エネファーム(登録商標)に搭載されているような燃料処理装置が挙げられる。燃料処理装置は、都市ガスや灯油等の化石燃料由来の一次エネルギーから、水蒸気改質反応によって高効率、省スペースで水素を効率的に合成することができる。しかし、例えばメタンを燃料として燃料処理装置で得られる燃料ガス中には、水素の他、25%程度の二酸化炭素が混在する。燃料電池自動車に水素を供給するための水素スタンドでは、二酸化炭素を例えば2ppm以下にする必要がある。
[Problems about hydrogen production]
Examples of the small hydrogen production apparatus include a fuel processing apparatus mounted on ENE-FARM (registered trademark). The fuel processor can efficiently synthesize hydrogen from primary energy derived from fossil fuels such as city gas and kerosene by a steam reforming reaction with high efficiency and space saving. However, for example, about 25% of carbon dioxide is mixed in addition to hydrogen in the fuel gas obtained from the fuel processing apparatus using methane as fuel. In a hydrogen stand for supplying hydrogen to a fuel cell vehicle, carbon dioxide needs to be 2 ppm or less, for example.

更に、燃料ガスに水素と二酸化炭素を含む場合、前述の例では水素のモル分率が75%である。燃料処理装置の出口側が常圧の場合、水素の分圧は常圧より低くなる。その場合、圧縮機により水素の圧力を82MPa以上にするためには、圧縮比=出口圧/入口圧を大きくする必要があり(例えば82/0.075=1093)、圧縮動力が非常に大きくなる。   Further, when hydrogen and carbon dioxide are included in the fuel gas, the molar fraction of hydrogen is 75% in the above example. When the outlet side of the fuel processor is at normal pressure, the hydrogen partial pressure is lower than normal pressure. In that case, in order to increase the hydrogen pressure by the compressor to 82 MPa or more, it is necessary to increase the compression ratio = outlet pressure / inlet pressure (for example, 82 / 0.075 = 1093), and the compression power becomes very large. .

この他、特許文献5に係る、水の電気分解による水素製造方法によれば、水素純度が高くなり精製機が不要となる。しかしながら、水素製造に必要なエネルギー(水の電気分解のための電力)が燃料処理装置に比べて大きく、水素スタンド全体の効率が低くなる。   In addition, according to the hydrogen production method based on electrolysis of water according to Patent Document 5, the hydrogen purity becomes high and a purifier is not required. However, the energy required for hydrogen production (electric power for water electrolysis) is larger than that of the fuel processor, and the efficiency of the entire hydrogen station is lowered.

[水素精製についての課題]
圧力スイング吸着式によるガス精製分離技術で、水素精製を行う場合には、装置の小型化が難しい点や、多くのエネルギー(電気)を消費する点などの課題がある。また、吸着塔以外にもポンプなどの補機も必要となるため、圧力スイング吸着式によるガス精製分離技術は水素スタンドには適さない。
[Problems with hydrogen purification]
When hydrogen purification is performed by a gas purification separation technique using a pressure swing adsorption method, there are problems such as difficulty in downsizing the apparatus and consumption of a large amount of energy (electricity). Moreover, since auxiliary equipment such as a pump is required in addition to the adsorption tower, the gas purification separation technique based on the pressure swing adsorption method is not suitable for the hydrogen stand.

[水素圧縮についての課題]
水素圧縮機としては、レシプロ式、ダイアフラム式等、容積圧縮機が広く知られており、水素ステーションでの実績もある。しかしながら、水素を82MPa以上の超高圧にするためには圧縮段数を増やす必要があり、装置が大きくなるため水素スタンドには適さない。また、容積圧縮機は機械的に動くため騒音が大きく、上記した特許文献7に記載されているような防音対策が別途必要になる。
[Problems with hydrogen compression]
As the hydrogen compressor, volumetric compressors such as a reciprocating type and a diaphragm type are widely known and have a track record in a hydrogen station. However, it is necessary to increase the number of compression stages in order to bring hydrogen to an ultrahigh pressure of 82 MPa or more, and the apparatus becomes large, which is not suitable for a hydrogen stand. In addition, since the volume compressor moves mechanically, the noise is high, and a soundproofing measure as described in Patent Document 7 is required separately.

以上のことから、都市部や家庭での水素充填を考えた場合、特許文献1に記載されているような電気化学的水素圧縮技術が重要となる。この技術では、電解質膜を介して水素のみがカソードに移動することから、該電気化学的水素圧縮機を水素圧縮機として用いるだけでなく、精製機として用いることもでき、別途精製機を必要としない水素スタンドを構築可能である。   From the above, when considering hydrogen filling in urban areas and homes, an electrochemical hydrogen compression technique as described in Patent Document 1 is important. In this technique, since only hydrogen moves to the cathode through the electrolyte membrane, the electrochemical hydrogen compressor can be used not only as a hydrogen compressor but also as a purifier, and a separate purifier is required. It is possible to construct a hydrogen stand that does not.

[電気化学的水素圧縮機の課題]
しかしながら電気化学的水素圧縮機では、電気化学的水素圧縮機に供給されるガスが、水素と二酸化炭素を含む混合ガスであり、かつその二酸化炭素濃度が高いと、特許文献2のような密閉系の電気化学的水素圧縮機では、濃度分極により運転効率が低下する。ここで、濃度分極とは、水素が消費されることで、その他不純物ガスの濃度が、電解質膜近傍で高くなる現象である。特許文献4のような密閉系でないシステムを用いても、電気化学的水素圧縮機で利用されずに排出される未利用水素が過剰となり、水素スタンド全体の運転効率が低下すると考えられる。
[Challenges of electrochemical hydrogen compressor]
However, in an electrochemical hydrogen compressor, if the gas supplied to the electrochemical hydrogen compressor is a mixed gas containing hydrogen and carbon dioxide, and the concentration of carbon dioxide is high, a closed system as in Patent Document 2 is used. In such an electrochemical hydrogen compressor, the operation efficiency decreases due to concentration polarization. Here, the concentration polarization is a phenomenon in which the concentration of other impurity gas increases near the electrolyte membrane due to consumption of hydrogen. Even when a non-closed system such as Patent Document 4 is used, unused hydrogen discharged without being used in the electrochemical hydrogen compressor becomes excessive, and it is considered that the operation efficiency of the entire hydrogen station is lowered.

さらに、電気化学的水素圧縮機に固体高分子膜を用いる場合は、水分バランスが重要になる。膜の性能を維持するために、供給される低圧の水素の露点は高いほうが望ましい。しかし、露点を高めるためには別途水供給設備や加湿器などを搭載する必要があり、設備や制御が複雑になると考えられる。   Furthermore, moisture balance is important when using a solid polymer membrane in an electrochemical hydrogen compressor. In order to maintain the membrane performance, it is desirable that the dew point of the low-pressure hydrogen supplied is higher. However, in order to increase the dew point, it is necessary to install a separate water supply facility, a humidifier, etc., and it is thought that facilities and control become complicated.

なお、特許文献4の技術は、自動車への搭載が念頭にあり、水素スタンドのような定置型の圧縮水素製造装置への適用は考慮されていない。燃料電池は、電気化学的水素圧縮に必要な動力分の発電を行うものであり、低出力である。更に、電気化学的水素圧縮部のオフガス(未反応ガス)を燃料電池に用いるため、発電効率が低くなる。また、燃料電池で全ての水素を消費する想定であるため、水素生成反応器への新たな熱(燃料)供給が必要となる。   In addition, the technique of patent document 4 has mounted in the motor vehicle in mind, and application to the stationary type compressed hydrogen production apparatus like a hydrogen stand is not considered. The fuel cell generates power for the power required for electrochemical hydrogen compression and has a low output. Furthermore, since the off gas (unreacted gas) of the electrochemical hydrogen compression part is used for the fuel cell, the power generation efficiency is lowered. In addition, since it is assumed that all hydrogen is consumed in the fuel cell, new heat (fuel) supply to the hydrogen generation reactor is required.

特許文献5に記載の装置単独では、水素を40MPa程度までしか昇圧できないため、圧力を水素スタンドに求められる高圧(70MPa以上)にする場合は、別途圧縮機が必要である。   In the apparatus described in Patent Document 5 alone, hydrogen can be boosted only to about 40 MPa. Therefore, when the pressure is set to a high pressure (70 MPa or more) required for a hydrogen stand, a separate compressor is required.

特許文献6に記載の装置では、圧縮水素の供給が中圧タンクからしかできず、水素を製造しながら圧縮できないため、超大型のタンクを搭載しない限り連続運転が難しい。   In the apparatus described in Patent Document 6, compressed hydrogen can be supplied only from an intermediate pressure tank and cannot be compressed while producing hydrogen. Therefore, continuous operation is difficult unless an ultra-large tank is installed.

本発明は、上記事実を考慮して、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、1つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができるようにすることを目的とする。   In consideration of the above facts, the present invention supplies hydrogen gas necessary for hydrogen production so that hydrogen production, hydrogen purification, hydrogen compression and power generation can be performed independently in one system. The purpose is to do.

請求項1に係る圧縮水素供給装置は、原料ガスから水素を製造する触媒と、前記触媒を加熱するバーナとを有し、水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、触媒を配したガス拡散電極がイオン導電体の両側に夫々設けられ、前記燃料ガス中の前記水素が一方の前記ガス拡散電極上でイオン化されて、前記イオン導電体をイオンとして移動し、他方の前記ガス拡散電極上でガスに戻ることにより、他方のガス拡散電極側で精製及び圧縮された圧縮水素を得る水素圧縮機と、前記圧縮水素から水を除去すると共に、除去した水を前記燃料処理装置へ供給する第1水供給器と、前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行い、発電された電力の少なくとも一部を前記水素圧縮機に供給する燃料電池と、前記燃料電池から排出される水を前記燃料処理装置へ供給する第2水供給器と、前記燃料ガスのうち、前記水素圧縮機及び前記燃料電池で利用されずに排出されるオフガスを前記バーナに送るオフガス供給手段と、を有する。   A compressed hydrogen supply device according to claim 1 includes a catalyst that produces hydrogen from a raw material gas, a burner that heats the catalyst, a fuel processing device that produces fuel gas containing hydrogen, and a gas in which the catalyst is arranged Diffusion electrodes are provided on both sides of the ionic conductor, and the hydrogen in the fuel gas is ionized on one of the gas diffusion electrodes to move the ionic conductor as ions, and on the other gas diffusion electrode The hydrogen compressor obtains compressed hydrogen that has been purified and compressed on the other gas diffusion electrode side by returning to the gas, and removes water from the compressed hydrogen and supplies the removed water to the fuel processor. 1 a water supply device, a fuel cell that generates power using the fuel gas supplied from the fuel processor, and supplies at least a part of the generated power to the hydrogen compressor; A second water supplier for supplying the water to be supplied to the fuel processor, and an off-gas supply means for sending off-gas out of the fuel gas that is not used in the hydrogen compressor and the fuel cell to the burner Have.

この圧縮水素供給装置では、燃料処理装置において、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、水素圧縮機及び燃料電池に供給される。水素圧縮機では、燃料ガスから水素を分離し、更に圧力制御器などで背圧を制御することで任意の圧力の水素を得ることができる。圧縮水素に含まれる水は、第1水供給器により除去される。これにより、乾燥した圧縮水素を得ることができる。除去された水は、第1水供給器から燃料処理装置に供給されて、原料ガスからの水素の製造に利用される。   In this compressed hydrogen supply device, a fuel gas containing hydrogen is generated from the raw material gas in the fuel processing device. This fuel gas is supplied to the hydrogen compressor and the fuel cell. In the hydrogen compressor, hydrogen at an arbitrary pressure can be obtained by separating hydrogen from the fuel gas and further controlling the back pressure with a pressure controller or the like. Water contained in the compressed hydrogen is removed by the first water supplier. Thereby, dry compressed hydrogen can be obtained. The removed water is supplied from the first water supplier to the fuel processor and used for producing hydrogen from the raw material gas.

燃料電池では、燃料ガスを用いて発電が行われる。燃料電池により得られた電力の少なくとも一部は、水素圧縮機に供給される。これにより、水素圧縮機のガス拡散電極に電位を与えることができる。燃料電池から排出される水は、燃料処理装置に供給されて、原料ガスからの水素の製造に利用される。   In a fuel cell, power generation is performed using fuel gas. At least a part of the electric power obtained by the fuel cell is supplied to the hydrogen compressor. Thereby, a potential can be applied to the gas diffusion electrode of the hydrogen compressor. The water discharged from the fuel cell is supplied to the fuel processor and used for producing hydrogen from the raw material gas.

燃料ガスのうち、水素圧縮機及び燃料電池で利用されずに排出されるオフガスは、オフガス供給手段により燃料処理装置のバーナに送られ、該バーナの燃料とされる。   Of the fuel gas, the off gas discharged without being used in the hydrogen compressor and the fuel cell is sent to the burner of the fuel processing apparatus by the off gas supply means, and is used as fuel for the burner.

上記のように、この圧縮水素供給装置では、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、1つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができる。ここで言う自立的とは、水素製造用の水や、燃料処理装置を高温に保つための燃料を外部から新たに追加する必要がないことを意味する。   As described above, in this compressed hydrogen supply apparatus, hydrogen production, hydrogen purification, hydrogen compression, and power generation can be performed independently in one system by supplying the raw material gas necessary for hydrogen production. The term “self-supporting” as used herein means that it is not necessary to newly add water for hydrogen production or fuel for keeping the fuel processing device at a high temperature from the outside.

請求項2の発明は、請求項1に記載の圧縮水素供給装置において、前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に並列に配置されている。   According to a second aspect of the present invention, in the compressed hydrogen supply device according to the first aspect, the fuel cell and the hydrogen compressor are arranged in parallel in the flow path of the fuel gas.

この圧縮水素供給装置では、燃料電池と水素圧縮機が、燃料ガスの流路に並列に配置されているので、水素圧縮機及び燃料電池には、同質の燃料ガスが夫々供給される。このため、水素の分圧を水素圧縮機及び燃料電池の夫々で高く保つことができるため、運転効率を高めることができる。   In this compressed hydrogen supply device, since the fuel cell and the hydrogen compressor are arranged in parallel in the fuel gas flow path, the same quality fuel gas is supplied to the hydrogen compressor and the fuel cell, respectively. For this reason, since the partial pressure of hydrogen can be kept high in each of the hydrogen compressor and the fuel cell, the operation efficiency can be improved.

請求項3の発明は、請求項2に記載の圧縮水素供給装置において、前記水素圧縮機から排出される前記オフガスの流路と、前記燃料電池から排出される前記オフガスの流路は、一つの循環戻り流路に合流しており、前記オフガス供給手段は、前記循環戻り流路に配置されている。   The invention according to claim 3 is the compressed hydrogen supply apparatus according to claim 2, wherein the flow path of the off gas discharged from the hydrogen compressor and the flow path of the off gas discharged from the fuel cell are one. The off-gas supply means is arranged in the circulation return flow path.

この圧縮水素供給装置では、水素圧縮機からのオフガスの流路と燃料電池からのオフガスの流路とオフガス供給手段を別々に設ける場合と比較して、燃料処理装置のバーナへのオフガスの回収ラインを大幅に削減することができる。   In this compressed hydrogen supply device, the off gas recovery line to the burner of the fuel processing device is compared with the case where the off gas flow channel from the hydrogen compressor, the off gas flow channel from the fuel cell, and the off gas supply means are provided separately. Can be greatly reduced.

請求項4の発明は、請求項1に記載の圧縮水素供給装置において、前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に直列に配置されている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the compressed hydrogen supply device according to the first aspect, the fuel cell and the hydrogen compressor are arranged in series in the flow path of the fuel gas.

この圧縮水素供給装置では、燃料電池と水素圧縮機が、燃料ガスの流路に直列に配置されているので、該流路を少なくして装置をより小型化することができる。   In this compressed hydrogen supply apparatus, since the fuel cell and the hydrogen compressor are arranged in series in the fuel gas flow path, the flow path can be reduced and the apparatus can be further downsized.

請求項1に記載の圧縮水素供給装置によれば、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、1つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができる、という優れた効果が得られる。   According to the compressed hydrogen supply apparatus of claim 1, by supplying the raw material gas necessary for hydrogen production, hydrogen production, hydrogen purification, hydrogen compression and power generation can be performed independently in one system. The excellent effect of being able to be obtained is obtained.

請求項2に記載の圧縮水素供給装置によれば、水素圧縮機及び燃料電池の運転効率を高めることができる、という優れた効果が得られる。   According to the compressed hydrogen supply apparatus of the second aspect, it is possible to obtain an excellent effect that the operation efficiency of the hydrogen compressor and the fuel cell can be increased.

請求項3に記載の圧縮水素供給装置によれば、装置をより小型化することができる、という優れた効果が得られる。   According to the compressed hydrogen supply apparatus of the third aspect, an excellent effect that the apparatus can be further reduced in size can be obtained.

請求項4に記載の圧縮水素供給装置によれば、燃料処理装置のバーナへのオフガスの回収ラインを削減することができる、という優れた効果が得られる。   According to the compressed hydrogen supply apparatus of the fourth aspect, it is possible to obtain an excellent effect that the off-gas recovery line to the burner of the fuel processing apparatus can be reduced.

第1実施形態に係る圧縮水素供給装置の構成を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically the composition of the compressed hydrogen supply device concerning a 1st embodiment. 容積圧縮機と水素圧縮機(EHC)において、圧縮比と理論圧縮動力との関係を比較した線図である。It is the diagram which compared the relationship between compression ratio and theoretical compression power in a volumetric compressor and a hydrogen compressor (EHC). 第2実施形態に係る圧縮水素供給装置の構成を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram which shows typically the structure of the compressed hydrogen supply apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。   Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置10は、燃料処理装置12と、水素圧縮機14と、第1水供給器16と、燃料電池18と、第2水供給器22と、オフガス供給手段の一例たる循環ブロワ24とを有している。
[First Embodiment]
In FIG. 1, a compressed hydrogen supply device 10 according to the present embodiment includes a fuel processing device 12, a hydrogen compressor 14, a first water supply device 16, a fuel cell 18, a second water supply device 22, and an off-gas. And a circulation blower 24 as an example of a supply means.

燃料処理装置12は、原料ガスから水素を製造する触媒12Aと、触媒12Aを加熱するバーナ12Bとを有し、水素を含む燃料ガスを生成する装置(FPS:Fuel Processing System)である。触媒12Aは、例えば改質触媒、CO選択酸化触媒、シフト反応触媒である。触媒12Aには、原料ガス管26が接続されており、該原料ガス管26を通じて原料ガスが供給されるようになっている。また、触媒12Aには、第1水供給器16に接続された水供給管30と、第2水供給器22に接続された水供給管32とに夫々接続されている。触媒12Aは、水供給管30,32を通じて供給された水を利用して、原料ガスを例えば水蒸気改質して水素を製造する。   The fuel processing apparatus 12 is an apparatus (FPS: Fuel Processing System) that includes a catalyst 12A that produces hydrogen from a raw material gas and a burner 12B that heats the catalyst 12A, and generates a fuel gas containing hydrogen. The catalyst 12A is, for example, a reforming catalyst, a CO selective oxidation catalyst, or a shift reaction catalyst. A raw material gas pipe 26 is connected to the catalyst 12 </ b> A, and a raw material gas is supplied through the raw material gas pipe 26. The catalyst 12 </ b> A is connected to a water supply pipe 30 connected to the first water supplier 16 and a water supply pipe 32 connected to the second water supplier 22. The catalyst 12A uses the water supplied through the water supply pipes 30 and 32 to produce hydrogen by, for example, steam reforming the raw material gas.

燃料処理装置12のバーナ12Bには、空気供給管(図示せず)と、後述する循環戻り流路34とが接続されている。このバーナ12Bは、空気供給管を通じて供給された空気と、循環戻り流路34を通じて供給されたバーナガス(後述するオフガス)との混合ガスを燃焼させ、触媒12Aを加熱する。   An air supply pipe (not shown) and a circulation return flow path 34 to be described later are connected to the burner 12B of the fuel processing device 12. The burner 12B burns a mixed gas of air supplied through the air supply pipe and burner gas (off gas described later) supplied through the circulation return flow path 34 to heat the catalyst 12A.

以上より、燃料処理装置12では、原料ガスから、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。燃料ガスには、水素の他、例えば水蒸気や二酸化炭素が含まれる。この燃料ガスは、燃料ガスの流路である燃料ガス管36を通じて、水素圧縮機14のアノード14A及び燃料電池18のアノード18Aに夫々供給される。燃料電池18と水素圧縮機14は、燃料ガス管36に並列に配置されているので、燃料ガス管36は途中で分岐し、水素圧縮機14と燃料電池18に夫々接続されている。   As described above, in the fuel processing apparatus 12, fuel gas containing hydrogen gas is generated from the raw material gas. In addition to hydrogen, the fuel gas includes, for example, water vapor and carbon dioxide. The fuel gas is supplied to the anode 14A of the hydrogen compressor 14 and the anode 18A of the fuel cell 18 through a fuel gas pipe 36 that is a fuel gas flow path. Since the fuel cell 18 and the hydrogen compressor 14 are arranged in parallel to the fuel gas pipe 36, the fuel gas pipe 36 branches off in the middle and is connected to the hydrogen compressor 14 and the fuel cell 18, respectively.

水素圧縮機14は、触媒を配したガス拡散電極であるアノード14Aとカソード14Cが、イオン導電体14Bの両側に夫々設けられた装置であり、電気化学的に水素を精製及び圧縮することができる装置(EHC:Electric Hydrogen Compressor)である。イオン導電体14Bは、例えばイオン導電性固体電解質体である。アノード14Aとカソード14Cに、所定の電位が与えられると、燃料ガス中の水素が一方のガス拡散電極(アノード14A)上でイオン化されて、イオン導電体14Bをイオンとして移動し、他方のガス拡散電極上でガスに戻ることにより、他方のガス拡散電極(カソード14C)側で精製及び圧縮された圧縮水素を得ることができるようになっている。水素圧縮機14におけるアノード14Aとカソード14Cに与えられる電力は、燃料電池18から供給される。アノード14Aには、水素圧縮機14で利用されなかった水素を含むオフガスを排出するための流路40が接続されている。   The hydrogen compressor 14 is an apparatus in which an anode 14A and a cathode 14C, which are gas diffusion electrodes provided with a catalyst, are provided on both sides of the ion conductor 14B, respectively, and can purify and compress hydrogen electrochemically. This is an apparatus (EHC: Electric Hydrogen Compressor). The ion conductor 14B is, for example, an ion conductive solid electrolyte body. When a predetermined potential is applied to the anode 14A and the cathode 14C, hydrogen in the fuel gas is ionized on one gas diffusion electrode (anode 14A) and moves as ions in the ion conductor 14B, and the other gas diffusion By returning to the gas on the electrode, compressed hydrogen purified and compressed on the other gas diffusion electrode (cathode 14C) side can be obtained. The electric power supplied to the anode 14A and the cathode 14C in the hydrogen compressor 14 is supplied from the fuel cell 18. A flow path 40 for discharging off gas containing hydrogen that has not been used in the hydrogen compressor 14 is connected to the anode 14A.

第1水供給器16は、圧縮水素から水を除去すると共に、除去した水を燃料処理装置12へ供給する機器であり、ガス管28により水素圧縮機14のカソード14Cと接続されている。第1水供給器16により水分が除去された圧縮水素は、ガス管38、圧力制御器50を通じて燃料電池自動車、ガスタンク、ガスボンベ、ガスカートリッジ等(何れも図示せず)に供給可能である。第1水供給器16は、水供給管30により燃料処理装置12に接続されている。第1水供給器16で除去された水は、該水供給管30を通じて燃料処理装置12に供給されるようになっている。   The first water supplier 16 is a device that removes water from the compressed hydrogen and supplies the removed water to the fuel processor 12, and is connected to the cathode 14 </ b> C of the hydrogen compressor 14 through a gas pipe 28. The compressed hydrogen from which moisture has been removed by the first water supplier 16 can be supplied to a fuel cell vehicle, a gas tank, a gas cylinder, a gas cartridge, etc. (all not shown) through the gas pipe 38 and the pressure controller 50. The first water supplier 16 is connected to the fuel processor 12 by a water supply pipe 30. The water removed by the first water supplier 16 is supplied to the fuel processor 12 through the water supply pipe 30.

燃料電池18は、燃料処理装置12から供給される燃料ガスを用いて発電を行い、発電された電力の少なくとも一部を水素圧縮機14に供給するものである。この燃料電池18は、電解質層18Bと、この電解質層18Bの表裏面にそれぞれ積層されたアノード18A及びカソード18Cとを有している。アノード18Aは燃料極であり、カソード18Cは空気極である。   The fuel cell 18 generates power using the fuel gas supplied from the fuel processor 12 and supplies at least a part of the generated power to the hydrogen compressor 14. The fuel cell 18 includes an electrolyte layer 18B, and an anode 18A and a cathode 18C that are respectively stacked on the front and back surfaces of the electrolyte layer 18B. The anode 18A is a fuel electrode, and the cathode 18C is an air electrode.

アノード18Aには、燃料ガス管36を通じて、燃料処理装置12から燃料ガスが供給される。アノード18Aでは、燃料ガス中の水素が水素イオンと電子とに分解される。アノード18Aで生成された水素イオンは、電解質層18Bを通ってカソード18Cに移動し、アノード18Aで生成された電子は、外部回路を通ってカソード18Cに移動する。   Fuel gas is supplied from the fuel processing device 12 to the anode 18A through the fuel gas pipe. At the anode 18A, hydrogen in the fuel gas is decomposed into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions generated at the anode 18A move to the cathode 18C through the electrolyte layer 18B, and the electrons generated at the anode 18A move to the cathode 18C through an external circuit.

一方、カソード18Cには、ガス管52を通じて酸化ガス(空気)が供給される。このカソード18Cでは、電解質層18Bを通ってきた水素イオンと、外部回路を通ってきた電子が、酸化ガス中の酸素と反応して、水が生成される。   On the other hand, the oxidizing gas (air) is supplied to the cathode 18C through the gas pipe 52. In the cathode 18C, hydrogen ions that have passed through the electrolyte layer 18B and electrons that have passed through the external circuit react with oxygen in the oxidizing gas to generate water.

そして、このようにして電子がアノード18Aからカソード18Cに移動することにより、燃料電池18において発電が行われる。カソード18Cでは、反応によって生成された水、または水蒸気が排出される。   Then, the electrons move from the anode 18A to the cathode 18C in this way, thereby generating power in the fuel cell 18. At the cathode 18C, water generated by the reaction or water vapor is discharged.

アノード18Aには、燃料電池18で利用されなかった水素を含むオフガスを排出するための流路42が接続されている。この流路42と、水素圧縮機14から排出されるオフガスの流路40とは、一つの循環戻り流路34に合流している。この循環戻り流路34には、循環ブロワ24が配置されている。循環ブロワ24は、燃料ガスのうち、水素圧縮機14及び燃料電池18で利用されずに排出されるオフガスを、バーナガスとして燃料処理装置12のバーナ12Bに送る送風機である。   A flow path 42 for discharging off gas containing hydrogen that has not been used in the fuel cell 18 is connected to the anode 18A. The flow path 42 and the off-gas flow path 40 discharged from the hydrogen compressor 14 merge into one circulation return flow path 34. A circulation blower 24 is disposed in the circulation return channel 34. The circulation blower 24 is a blower that sends off-gas out of fuel gas that is not used in the hydrogen compressor 14 and the fuel cell 18 to the burner 12B of the fuel processing apparatus 12 as burner gas.

第2水供給器22は、燃料電池18から排出される水を燃料処理装置12へ供給するものであり、例えば、燃料電池18から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器である。燃料電池18のカソード18Cには、ガス管44を介して第2水供給器22が接続されている。第2水供給器22は、この水供給管32を介して燃料処理装置12に接続されている。水供給管32には、水を送る手段の一例たる水ポンプ46が配置されている。第2水供給器22において凝縮された水は、水ポンプ46により燃料処理装置12へ供給されるようになっている。水を送る手段は水ポンプ46に限られるものではなく、例えば水にかかる重力(水頭)による供給であってもよい。第2水供給器22で水分が除去されたカソードオフガスは、ガス管54を通じて排出されるようになっている。   The second water supply unit 22 supplies water discharged from the fuel cell 18 to the fuel processing device 12, and is, for example, a condenser that condenses water vapor contained in the cathode offgas discharged from the fuel cell 18. . A second water supplier 22 is connected to the cathode 18 </ b> C of the fuel cell 18 through a gas pipe 44. The second water supplier 22 is connected to the fuel processor 12 via the water supply pipe 32. The water supply pipe 32 is provided with a water pump 46 as an example of means for feeding water. The water condensed in the second water supplier 22 is supplied to the fuel processor 12 by the water pump 46. The means for sending water is not limited to the water pump 46, and supply by gravity (water head) applied to water may be used, for example. The cathode off gas from which moisture has been removed by the second water supplier 22 is discharged through the gas pipe 54.

(作用)
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図1において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置10では、燃料処理装置12において、触媒12Aをバーナ12Bで加熱することで、原料ガスが例えば水蒸気改質されて、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス管36を通じて水素圧縮機14及び燃料電池18に供給される。水蒸気改質された水素は水蒸気を多く含んでおり、露点が高い。従って、加湿器などを別途搭載する必要がなく、システムが簡素になる。
(Function)
This embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below. In FIG. 1, in the compressed hydrogen supply apparatus 10 according to the present embodiment, in the fuel processing apparatus 12, by heating the catalyst 12 </ b> A with the burner 12 </ b> B, the raw material gas is steam-reformed, for example, and a fuel gas containing hydrogen is generated. Is done. This fuel gas is supplied to the hydrogen compressor 14 and the fuel cell 18 through the fuel gas pipe 36. Steam reformed hydrogen contains a lot of steam and has a high dew point. Therefore, it is not necessary to separately install a humidifier or the like, and the system is simplified.

水素圧縮機14では、ガス拡散電極であるアノード14A及びカソード14Cに所定の電位を与えることにより、電気化学的に、燃料ガスから精製された圧縮水素を得ることができる。具体的には、この水素圧縮機14は、水の電気分解のように、アノード14A及びカソード14Cに電気を流すことで、アノード14Aで水素ガスから水素イオンを生成する酸化反応、カソード14Cで逆の水素イオンの還元反応を起こさせ水素ガスを生成し、水素を精製及び圧縮する。アノード14A及びカソード14Cに電気を流し続ける限り、アノード14Aからカソード14Cに水素が移動し、カソード14Cの圧縮制御器50により出口背圧を制御することで圧縮水素を得ることができる。   In the hydrogen compressor 14, by applying a predetermined potential to the anode 14A and the cathode 14C that are gas diffusion electrodes, it is possible to obtain compressed hydrogen purified electrochemically from the fuel gas. Specifically, the hydrogen compressor 14 causes the anode 14A to generate electricity from hydrogen gas by flowing electricity to the anode 14A and the cathode 14C, as in water electrolysis. The hydrogen ions are reduced to generate hydrogen gas, and the hydrogen is purified and compressed. As long as electricity continues to flow through the anode 14A and the cathode 14C, hydrogen moves from the anode 14A to the cathode 14C, and the compressed back pressure can be obtained by controlling the outlet back pressure by the compression controller 50 of the cathode 14C.

圧縮水素に含まれる水は、第1水供給器16により除去される。水分が除去された圧縮水素は、ガス管38、圧力制御器50を通じて燃料電池自動車、ガスタンク、ガスボンベ、ガスカートリッジ等(何れも図示せず)に供給可能である。一方、第1水供給器16により除去された水は、圧縮水素の圧力により水供給管30に送り出され、該水供給管30を通じて燃料処理装置12に供給され、原料ガスからの水素の製造に利用される。   The water contained in the compressed hydrogen is removed by the first water supplier 16. The compressed hydrogen from which moisture has been removed can be supplied to a fuel cell vehicle, a gas tank, a gas cylinder, a gas cartridge, and the like (all not shown) through the gas pipe 38 and the pressure controller 50. On the other hand, the water removed by the first water supplier 16 is sent out to the water supply pipe 30 by the pressure of compressed hydrogen and supplied to the fuel processor 12 through the water supply pipe 30 to produce hydrogen from the raw material gas. Used.

燃料電池18では、燃料ガスを用いて発電が行われる。燃料電池18により得られた電力の少なくとも一部は、水素圧縮機14に供給される。これにより、水素圧縮機14のガス拡散電極(アノード14A及びカソード14C)に電位を与えることができる。燃料電池18から排出される水蒸気は、第2水供給器22により凝縮される。凝縮により得られた水は、燃料処理装置12に供給されて、原料ガスからの水素の製造に利用される。   In the fuel cell 18, power generation is performed using fuel gas. At least a part of the electric power obtained by the fuel cell 18 is supplied to the hydrogen compressor 14. Thereby, a potential can be applied to the gas diffusion electrodes (the anode 14A and the cathode 14C) of the hydrogen compressor 14. The water vapor discharged from the fuel cell 18 is condensed by the second water supplier 22. The water obtained by the condensation is supplied to the fuel processor 12 and used for producing hydrogen from the raw material gas.

燃料ガスのうち、水素圧縮機14及び燃料電池18で利用されずに排出されるオフガスは、循環ブロワ24により燃料処理装置12のバーナ12Bに送られ、該バーナ12Bの燃料とされる。本実施形態では、水素圧縮機14からのオフガスの流路と燃料電池18からのオフガスの流路と循環ブロワ24を別々に設ける場合と比較して、燃料処理装置12のバーナ12Bへのオフガスの回収ラインを削減することができる。   Of the fuel gas, off-gas discharged without being used in the hydrogen compressor 14 and the fuel cell 18 is sent to the burner 12B of the fuel processing device 12 by the circulation blower 24, and used as fuel for the burner 12B. In this embodiment, the off gas flow path from the hydrogen compressor 14, the off gas flow path from the fuel cell 18, and the circulation blower 24 are separately provided. The collection line can be reduced.

上記のように、この圧縮水素供給装置では、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、1つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができる。また、燃料電池18と水素圧縮機14が、燃料ガスの流路に並列に配置されているので、水素圧縮機14及び燃料電池18には、夫々同質の燃料ガスが供給される。このため、水素圧縮機14及び燃料電池18の運転効率を高めることができる。   As described above, in this compressed hydrogen supply apparatus, hydrogen production, hydrogen purification, hydrogen compression, and power generation can be performed independently in one system by supplying the raw material gas necessary for hydrogen production. Further, since the fuel cell 18 and the hydrogen compressor 14 are arranged in parallel in the fuel gas flow path, the same quality fuel gas is supplied to the hydrogen compressor 14 and the fuel cell 18, respectively. For this reason, the operating efficiency of the hydrogen compressor 14 and the fuel cell 18 can be increased.

燃料処理装置と燃料電池を組み合わせた従来の発電装置(エネファーム(登録商標))では、低出力時に燃料処理装置の効率が大幅に低くなり、全体の発電効率が低下するという課題がある。この発電装置の日常運転は、夜間等電力需要が少ないとき発電を停止、或いは低出力運転をしている。装置の起動停止が多くなる場合、燃料処理装置の触媒や構造体金属、燃料電池の膜や触媒等の起動停止に対する耐性も必要になる。   In a conventional power generation device (ENEFARM (registered trademark)) that combines a fuel processing device and a fuel cell, there is a problem that the efficiency of the fuel processing device is greatly reduced at low output, and the overall power generation efficiency is reduced. In the daily operation of this power generation device, power generation is stopped or low output operation is performed when the power demand is low such as at night. When the number of start / stops of the apparatus increases, resistance to start / stop of the catalyst or structural metal of the fuel processing apparatus, the membrane or catalyst of the fuel cell is also required.

本実施形態の場合には、夜間等の低い電力需要時に水素圧縮を行うことで、燃料処理装置12の効率を高く保つことができ、燃料電池18の余剰発電電力も水素圧縮機14のために利用することができる。燃料電池18の電力で水素圧縮を行うことを考えれば、燃料処理装置12と燃料電池18を停止する必要がなく、起動停止耐性を考慮する必要がなくなる。   In the case of this embodiment, by performing hydrogen compression at low power demand such as at night, the efficiency of the fuel processing device 12 can be kept high, and surplus generated power of the fuel cell 18 is also used for the hydrogen compressor 14. Can be used. Considering that hydrogen compression is performed with the electric power of the fuel cell 18, it is not necessary to stop the fuel processing device 12 and the fuel cell 18, and it is not necessary to consider the start / stop tolerance.

燃料処理装置12と水素圧縮機14を組み合わせた水素圧縮においては、燃料処理装置12で生成された燃料ガスは、水蒸気を多く含んでおり、水素圧縮機14への水供給設備が不要となる。また、水素圧縮機14のアノード14Aからのオフガスをバーナ12Bの燃料にできるため、該アノード14Aにおいて濃度分極の影響が小さくなり、高効率で水素圧縮が可能となる。更に、本実施形態での水素圧縮の圧縮比は、例えば82MPa/0.75=1093倍と大きいが、水素圧縮機14での圧縮は等温圧縮であり、断熱圧縮の容積圧縮機(5段圧縮)に比べて、圧縮に必要な理論動力は約20%低くなる(図2参照)。従って、効率の観点からも、燃料処理装置12と水素圧縮機14を組み合わせたシステムは有用である。   In hydrogen compression in which the fuel processing device 12 and the hydrogen compressor 14 are combined, the fuel gas generated by the fuel processing device 12 contains a large amount of water vapor, and water supply equipment to the hydrogen compressor 14 becomes unnecessary. Further, since the off gas from the anode 14A of the hydrogen compressor 14 can be used as the fuel for the burner 12B, the influence of concentration polarization is reduced in the anode 14A, and hydrogen compression can be performed with high efficiency. Furthermore, the compression ratio of hydrogen compression in this embodiment is as large as, for example, 82 MPa / 0.75 = 1093 times, but compression in the hydrogen compressor 14 is isothermal compression, and a volumetric compressor (5 stage compression) of adiabatic compression. ), The theoretical power required for compression is about 20% lower (see FIG. 2). Therefore, a system that combines the fuel processor 12 and the hydrogen compressor 14 is also useful from the viewpoint of efficiency.

上記のように、燃料処理装置12、水素圧縮機14、燃料電池18を組み合わせた圧縮水素供給装置10においては、水素圧縮機14への電力供給を本装置内だけで賄うことができる。また、燃料電池18だけでなく、水素圧縮機14の水やオフガス(未利用水素)を燃料処理装置12で利用することができる。その結果、圧縮水素供給装置10は、新たに水供給が不要な水自立、燃料処理装置12への新たなバーナ燃料の供給が不要な熱自立を達成することができる。圧縮水素供給装置10は、家庭や駐車場等において燃料電池自動車に水素を高圧充填するための小型の水素スタンドとして利用可能である。   As described above, in the compressed hydrogen supply device 10 in which the fuel processing device 12, the hydrogen compressor 14, and the fuel cell 18 are combined, the power supply to the hydrogen compressor 14 can be provided only within the present device. Further, not only the fuel cell 18 but also water or off-gas (unused hydrogen) of the hydrogen compressor 14 can be used in the fuel processing device 12. As a result, the compressed hydrogen supply device 10 can achieve water self-supporting that does not require new water supply and heat self-supporting that does not require the supply of new burner fuel to the fuel processing device 12. The compressed hydrogen supply apparatus 10 can be used as a small hydrogen stand for filling a fuel cell vehicle with hydrogen at a high pressure in a home or a parking lot.

水素圧縮機14での水素の圧縮量は、電極面積及び電流に依存する。このため、電極面積及び電流を制御することで、水素の圧縮量を容易に制御することができる。なお、燃料ガス管36に弁(図示せず)を設けておき、水素圧縮を行わないときに、この弁を閉じて水素圧縮機14への燃料ガスの供給を停止することもできる。これにより、電力需要が大きい時間帯に、燃料電池18による発電を中心に圧縮水素供給装置10を運転することもできる。   The amount of hydrogen compression in the hydrogen compressor 14 depends on the electrode area and current. For this reason, the compression amount of hydrogen can be easily controlled by controlling the electrode area and the current. It is also possible to provide a valve (not shown) in the fuel gas pipe 36 and stop the supply of fuel gas to the hydrogen compressor 14 by closing this valve when hydrogen compression is not performed. Thereby, the compressed hydrogen supply apparatus 10 can also be operated centering on the power generation by the fuel cell 18 in the time zone when the power demand is large.

[第2実施形態]
図3において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置20では、燃料電池18と水素圧縮機14が、燃料ガスの流路に直列に配置されている。具体的には、燃料電池18のアノード18Aには、燃料電池18で利用されなかった水素を含むオフガスを排出するための流路48が接続され、該流路48が水素圧縮機14のアノード14Aに接続されている。つまり、燃料ガスの流路において、水素圧縮機14は燃料電池18の下流側に配置されている。
[Second Embodiment]
In FIG. 3, in the compressed hydrogen supply apparatus 20 according to the present embodiment, the fuel cell 18 and the hydrogen compressor 14 are arranged in series in the fuel gas flow path. Specifically, the anode 18 </ b> A of the fuel cell 18 is connected to a flow path 48 for discharging off gas containing hydrogen that has not been used in the fuel cell 18, and the flow path 48 is connected to the anode 14 </ b> A of the hydrogen compressor 14. It is connected to the. That is, the hydrogen compressor 14 is disposed downstream of the fuel cell 18 in the fuel gas flow path.

(作用)
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図3において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置20では、水素圧縮機14が、燃料電池18で使用されなかった水素を含むオフガスから、水素を精製及び圧縮して、圧縮水素を得ることができる。
(Function)
This embodiment is configured as described above, and the operation thereof will be described below. In FIG. 3, in the compressed hydrogen supply device 20 according to the present embodiment, the hydrogen compressor 14 purifies and compresses hydrogen from off-gas containing hydrogen that has not been used in the fuel cell 18 to obtain compressed hydrogen. it can.

また、本実施形態では、燃料電池18と水素圧縮機14が、燃料ガスの流路に直列に配置されているので、該流路を少なくして装置をより小型化することができる。また、アノード18A,14Aの入口の遮断弁が何れも不要となる。必要な制御は、水素圧縮については電力量制御、発電については負荷制御だけであり、燃料ガスの流量制御は必要ない。   In the present embodiment, since the fuel cell 18 and the hydrogen compressor 14 are arranged in series in the fuel gas flow path, the number of the flow paths can be reduced to further reduce the size of the apparatus. Further, the shutoff valves at the inlets of the anodes 18A and 14A are not necessary. Necessary control is only electric power control for hydrogen compression and load control for power generation, and no flow control of fuel gas is necessary.

他の部分については、第1実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。   Since other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings, and the description thereof is omitted.

[他の実施形態]
以上、本発明の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although an example of the present invention has been described, the embodiment of the present invention is not limited to the above, and it can be implemented with various modifications within the scope not departing from the gist of the present invention. Of course.

燃料電池18は、例えば固体高分子型燃料電池(PEFC)であるが、固体酸化物形燃料電池(SOFC)等、他の方式の燃料電池であってもよい。燃料電池18を固体高分子型燃料電池(PEFC)とした場合、水素圧縮機14と同様の材料で製造できるため、コスト的に有利となる。   The fuel cell 18 is, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), but may be another type of fuel cell such as a solid oxide fuel cell (SOFC). When the fuel cell 18 is a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), it can be manufactured with the same material as the hydrogen compressor 14, which is advantageous in terms of cost.

水素圧縮機14や燃料電池18が発する熱で水を加熱して、給湯を行うようにしてもよい。この場合、1つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮、発電及び給湯を自立的に行うことができる。   Water may be supplied by heating water with heat generated by the hydrogen compressor 14 or the fuel cell 18. In this case, hydrogen production, hydrogen purification, hydrogen compression, power generation, and hot water supply can be performed independently in one system.

また、第1実施形態において、水素圧縮機14から排出されるオフガスの流路40と、燃料電池18から排出されるオフガスの流路42が、互いに合流することなく、燃料処理装置12のバーナ12Bに別々に送られるようにしてもよい。この場合、循環ブロワ24が夫々の流路に配置される。   Further, in the first embodiment, the burner 12 </ b> B of the fuel processing apparatus 12 does not join the off-gas flow path 40 discharged from the hydrogen compressor 14 and the off-gas flow path 42 discharged from the fuel cell 18. May be sent separately. In this case, the circulation blower 24 is disposed in each flow path.

オフガス供給手段の一例として循環ブロワ24を挙げたが、オフガス供給手段はこれに限られるものではなく、圧力差による供給等、オフガスをバーナ12Bに送ることができるものであればよい。   Although the circulation blower 24 has been described as an example of the off gas supply unit, the off gas supply unit is not limited to this, and any unit that can send off gas to the burner 12B, such as supply by a pressure difference, may be used.

10…圧縮水素供給装置、12…燃料処理装置、12A…触媒、12B…バーナ、14…水素圧縮機、14A…アノード(ガス拡散電極)、14B…イオン導電体、14C…カソード(ガス拡散電極)、16…第1水供給器、18…燃料電池、20…圧縮水素供給装置、22…第2水供給器、24…循環ブロワ(オフガス供給手段)、28…ガス管、34…循環戻り流路、36…燃料ガス管(燃料ガスの流路)、40…オフガスの流路、42…オフガスの流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Compressed hydrogen supply apparatus, 12 ... Fuel processing apparatus, 12A ... Catalyst, 12B ... Burner, 14 ... Hydrogen compressor, 14A ... Anode (gas diffusion electrode), 14B ... Ion conductor, 14C ... Cathode (gas diffusion electrode) , 16 ... 1st water supply device, 18 ... Fuel cell, 20 ... Compressed hydrogen supply device, 22 ... 2nd water supply device, 24 ... Circulation blower (off-gas supply means), 28 ... Gas pipe, 34 ... Circulation return flow path 36 ... Fuel gas pipe (fuel gas flow path), 40 ... Off gas flow path, 42 ... Off gas flow path

Claims (4)

原料ガスから水素を製造する触媒と、前記触媒を加熱するバーナとを有し、水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
触媒を配したガス拡散電極がイオン導電体の両側に夫々設けられ、前記燃料ガス中の前記水素が一方の前記ガス拡散電極上でイオン化されて、前記イオン導電体をイオンとして移動し、他方の前記ガス拡散電極上でガスに戻ることにより、他方のガス拡散電極側で精製及び圧縮された圧縮水素を得る水素圧縮機と、
前記圧縮水素から水を除去すると共に、除去した水を前記燃料処理装置へ供給する第1水供給器と、
前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行い、発電された電力の少なくとも一部を前記水素圧縮機に供給する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される水を前記燃料処理装置へ供給する第2水供給器と、
前記燃料ガスのうち、前記水素圧縮機及び前記燃料電池で利用されずに排出されるオフガスを前記バーナに送るオフガス供給手段と、
を有する圧縮水素供給装置。
A fuel processor that produces a fuel gas containing hydrogen, comprising a catalyst that produces hydrogen from a raw material gas, and a burner that heats the catalyst;
Gas diffusion electrodes provided with a catalyst are provided on both sides of the ionic conductor, and the hydrogen in the fuel gas is ionized on one of the gas diffusion electrodes to move the ionic conductor as ions, A hydrogen compressor that obtains compressed hydrogen purified and compressed on the other gas diffusion electrode side by returning to gas on the gas diffusion electrode;
A first water supplier for removing water from the compressed hydrogen and supplying the removed water to the fuel processor;
A fuel cell that generates power using the fuel gas supplied from the fuel processing device and supplies at least a part of the generated power to the hydrogen compressor;
A second water supplier for supplying water discharged from the fuel cell to the fuel processor;
Of the fuel gas, off gas supply means for sending off gas discharged without being used in the hydrogen compressor and the fuel cell to the burner;
Compressed hydrogen supply apparatus.
前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に並列に配置されている請求項1に記載の圧縮水素供給装置。   The compressed hydrogen supply apparatus according to claim 1, wherein the fuel cell and the hydrogen compressor are arranged in parallel in the flow path of the fuel gas. 前記水素圧縮機から排出される前記オフガスの流路と、前記燃料電池から排出される前記オフガスの流路は、一つの循環戻り流路に合流しており、
前記オフガス供給手段は、前記循環戻り流路に配置されている請求項2に記載の圧縮水素供給装置。
The flow path of the off gas discharged from the hydrogen compressor and the flow path of the off gas discharged from the fuel cell are joined to one circulation return flow path,
The compressed hydrogen supply apparatus according to claim 2, wherein the off-gas supply means is disposed in the circulation return flow path.
前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に直列に配置されている請求項1に記載の圧縮水素供給装置。   The compressed hydrogen supply apparatus according to claim 1, wherein the fuel cell and the hydrogen compressor are arranged in series in a flow path of the fuel gas.
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