JP6820219B2 - 水素製造システム - Google Patents

Description

本発明は、水素製造システムに関する。

特許文献１には、燃料電池のオフガスを精製装置で精製して水素を得る技術が開示されている。特許文献１では、精製装置で精製された水素を高圧タンクに貯蔵すると共に、精製装置から排出されるオフガスを改質器の燃焼器で燃焼させたり、燃料電池の発電に再利用したりしている。

このように、燃料電池のオフガスを精製して水素を得る場合には、燃料電池への水素供給が継続している限り水素が生成され続ける。したがって、時間によって発電の需要に比して水素の需要が少ない場合には、水素の貯留量が増加し、貯留用の大容量のタンクが必要になる。

特開２００４−２４７２９０号公報

本発明は、上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池のオフガスを精製して水素を得る水素製造システムにおいて、水素の精製量を調整することを課題とする。

請求項１に係る水素製造システムは、燃料ガスと酸素との反応により発電する燃料電池と燃焼器とを有する発電部と、水素を精製する水素精製部と、前記燃料電池からのオフガスを前記水素精製部へ導くオフガス導入路と、前記オフガス導入路から分岐され、前記オフガスを前記発電部の前記燃焼器へ戻す戻流路と、前記オフガスの前記水素精製部への送出を停止させる水素停止部と、を備えている。

請求項１に係る水素製造システムは、オフガス導入路と戻流路を有している。オフガス導入路は、燃料電池から排出されたオフガスを水素精製部へ導く。ここでのオフガスは、燃料電池の燃料極（アノード）からのオフガスをいい、未反応の水素を含んでいる。水素精製部では、オフガスから水素が精製される。戻流路は、オフガスを発電部へ戻す。発電部へ戻されたオフガスは再利用される。そして、オフガスの水素精製部への送出を停止させる水素停止部を有しているので、水素の精製が不要な時には、オフガスの水素精製部への送出を停止させる。これにより、燃料電池での発電を継続しつつ水素の精製を停止させることができる。したがって、水素の精製量を調整でき、貯留が必要とされる水素量を抑制することができる。

請求項２に係る水素製造システムは、前記オフガスの前記戻流路への送出を停止させるオフガス停止部、をさらに備えている。

請求項２に係る水素製造システムによれば、オフガスを直接は発電部へ戻すことなく、水素精製部へ導いて、水素の製造に供することができる。

請求項３に係る水素製造システムは、前記水素停止部により前記オフガスの前記水素精製部への送出が停止されているときには、前記オフガスは前記発電部へ戻され、前記オフガス停止部により前記オフガスの前記戻流路への送出が停止されている時には、前記オフガスは前記水素精製部へ導入されるように、前記水素停止部及び前記オフガス停止部を制御する制御部を備えている。

請求項３に係る水素製造システムによれば、水素の精製が必要な時に水素精製部へオフガスを集中して導入し、水素の精製が不要の時にオフガスを水素精製部へ送ることなく発電部へ戻して使用することができる。

請求項４に係る水素製造システムは、前記水素精製部から、精製された水素から分離されて排出された分離オフガスを前記発電部へ戻す分離オフガス戻流路、をさらに備えている。

請求項４に係る水素製造システムによれば、分離オフガス中に含まれた水素などを発電用に再利用することができる。

本発明に係る水素製造システムによれば、燃料電池のオフガスを精製して水素を得る水素製造システムにおいて、水素の精製量を調整することができる。

本実施形態に係る水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 本実施形態に係る水素製造システムの制御系に関する主要部分のブロック図である。 本実施形態での運転処理のフローチャートである。 本実施形態での水素製造処理のフローチャートである。 水素製造停止状態におけるガス経路を示す図である。 水素製造中におけるガス経路を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る水素製造システム１０が示されている。水素製造システム１０は、発電部１８を有し、発電部１８は、燃料電池１２、燃焼器１４、を備えている。また、水素製造システム１０は、水素精製部２６を有し、水素精製部２６は、ＣＯシフト部２０、分離膜２２、ＰＳＡ(Pressure Swing Adsorption)装置２４を備えている。

また、水素製造システム１０は、図２に示されるように、制御部３０を備えている。制御部３０は、水素製造システム１０の全体を制御する機能を有しており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する運転処理や、運転時における各種の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。なお、図２には、制御部３０と本実施形態で特に説明を要する主要な部分との接続のみが示されている。

燃料電池１２には、原料ガスを供給する原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は不図示の原料ガス源と接続されている。この原料ガス管Ｐ１は、分岐部Ｂ１で分岐されており、一方が燃料電池１２と接続され、他方は燃焼器１４と接続されている。原料ガスとしては、一例としてメタンやメタンを主成分とする都市ガス等を用いることができる。燃料電池１２内では、原料ガスの改質が行われて水素が生成され、不図示の空気導入路から導入された空気中の酸素と水素とを反応させて発電が行われる。

燃料電池１２内の不図示の燃料極（アノード）には、オフガス導入路Ｐ２の一端が接続されている。オフガス導入路Ｐ２の他端側は水素精製部２６の分離膜２２と接続されている。オフガス導入路Ｐ２には、ポンプ４０が設けられている。また、オフガス導入路Ｐ２のポンプ４０よりも下流側には、水素停止部としてのバルブＶ１が設けられている。バルブＶ１は、後述する分岐部Ｂ２よりも下流側でオフガス導入路Ｐ２を開閉する開閉バルブである。バルブＶ１は、制御部３０と接続されており、バルブＶ１の開閉は、制御部３０に制御されている。燃料電池１２の燃料極から排出されるアノードオフガス（以下、単に「オフガス」という）は、オフガス導入路Ｐ２へ送出され、水素精製部２６または燃焼器１４へ導入される。

オフガス導入管Ｐ２は、ポンプ４０の下流側、バルブＶ１の上流側の分岐部Ｂ２で、戻流路Ｐ３へ分岐されている。戻流路Ｐ３の他端は、発電部１８内に設けられた燃焼器１４と接続されている。戻流路Ｐ３には、バルブＶ２が設けられている。バルブＶ２は、戻流路Ｐ３を開閉する開閉バルブである。バルブＶ２は、制御部３０と接続されており、バルブＶ２の開閉は、制御部３０に制御されている。

燃焼器１４は、発電部１８内に設けられている。燃焼器１４は、内部で可燃性ガス（原料ガス等）を燃焼させ高温高圧ガスを発生させる。燃焼器１４には、分岐部Ｂ１で分岐された原料ガス管Ｐ１の他方側の端部が接続されている。また、燃焼器１４には、戻流路Ｐ３が接続されている。燃焼器１４には、原料ガス管Ｐ１から原料ガスが導入され、戻流路Ｐ３からオフガス等が導入される。

燃焼器１４からの高温高圧ガスは、排出管Ｐ１０から外部に排出される。

オフガス導入路Ｐ２のバルブＶ１の下流側には、水素精製部２６としてのＣＯシフト部２０が設けられている。ＣＯシフト部２０は、オフガス中の一酸化炭素を酸化反応により除去する。ＣＯシフト部２０には、内部の温度を検出する温度センサ２０Ｔが設けられている。温度センサ２０Ｔは、制御部３０と接続されており、検出された温度は制御部３０へ出力される。ＣＯシフト部２０での酸化反応は、発熱反応であるため、ＣＯシフト部２０の温度により、酸化反応が安定しているかどうかを確認することができる。制御部３０内のメモリ（不図示）には、当該酸化反応が安定していると判断できる温度Ｔ０が記憶されており、温度センサ２０Ｔで検出された温度が、温度Ｔ０以上となった場合に、当該酸化反応が安定していると判断される。

ＣＯシフト部２０には、ＣＯ下流管Ｐ４が接続されておりＣＯ下流管Ｐ４の他端は分離膜２２に接続されている。ＣＯ下流管Ｐ４には、バルブＶ４が設けられている。バルブＶ４は、ＣＯ下流管Ｐ４を開閉する開閉バルブである。バルブＶ４は、制御部３０と接続されており、バルブＶ４の開閉は、制御部３０に制御されている。

分離膜２２は、オフガス（一酸化炭素除去後）から水素以外のガス、例えば、水及び二酸化炭素を分離する膜を有している。二酸化炭素、水を分離する膜としては、二酸化炭素、水を透過させて、非透過側から水素濃度の高い水素含有ガスを得るものであってもよいし、水素を透過させて、透過側から水素濃度の高い水素含有ガスを得るものであってもよい。本実施形態では、分離膜２２として水、二酸化炭素を透過させる膜を用いるとする。分離膜２２の透過側には分離オフガス路Ｐ５が接続され、非透過側には水素含有ガス路Ｐ６が接続されている。分離オフガス路Ｐ５には、水及び二酸化炭素を多く含む分離オフガスが送出される。また、水素含有ガス路Ｐ６には、水素を多く含む水素含有ガスが送出される。

分離膜２２には水素含有ガス路Ｐ６を介してＰＳＡ装置２４が接続されている。ＰＳＡ装置２４では、分離膜２２から送られてくる水素含有ガスが精製される。ＰＳＡ装置２４には、精製後オフガス路Ｐ７、及び、精製水素ガス路Ｐ８が接続されている。精製後オフガス路Ｐ７には、水素含有ガスに含まれている水素以外の物質（二酸化炭素、水など）及び僅かな水素を含む精製後オフガスが送出される。また、精製水素ガス路Ｐ８には、精製後の水素が送出される。精製水素ガス路Ｐ８から、需要に応じて水素が供給される。

分離オフガス路Ｐ５と精製後オフガス路Ｐ７は、合流部Ｊ１で合流し分離オフガス戻流路Ｐ９とされる。分離オフガス戻流路Ｐ９は、合流部Ｊ２で戻流路Ｐ３と合流される。分離オフガス戻流路Ｐ９には、バルブＶ３が設けられている。分離オフガス戻流路Ｐ９のバルブＶ３よりも上流側には、ポンプ４２が設けられている。バルブＶ３は、分離オフガス戻流路Ｐ９を開閉する開閉バルブである。バルブＶ３は、制御部３０と接続されており、バルブＶ３の開閉は、制御部３０に制御されている。

ＣＯ下流管Ｐ４のＣＯシフト部２０とバルブＶ４の間には、第１圧力ベント管ＰＢ１が接続されている。第１圧力ベント管ＰＢ１には、第１圧力計４４が設けられ、その下流側にバルブＶ５が設けられている。第１圧力計４４は、ＣＯ下流管Ｐ４の圧力を検出し、検出した圧力値を制御部３０へ出力する。なお、第１圧力計４４は、ＣＯ下流管Ｐ４に設けられていてもよい。バルブＶ５は、第１圧力計４４で検出された圧力に応じて開閉が制御される。バルブＶ５は、制御部３０と接続され制御部３０によって制御されている。

分離オフガス戻流路Ｐ９のバルブＶ３よりも上流側、ポンプ４２よりも下流側には、第２圧力ベント管ＰＢ２が接続されている。第２圧力ベント管ＰＢ２の他端は、第１圧力ベント管ＰＢ１のバルブよりも下流側に接続され制御部３０によって制御されている。第２圧力ベント管ＰＢ２には、第２圧力計４６が設けられ、その下流側にバルブＶ６が設けられている。第２圧力計４６は、分離オフガス戻流路Ｐ９の圧力を検出し、検出した圧力値を制御部３０へ出力する。なお、第２圧力計４６は、分離オフガス戻流路Ｐ９に設けられていてもよい。バルブＶ６は、第２圧力計４６で検出された圧力に応じて開閉が制御される。バルブＶ６は、制御部３０と接続されている。第１圧力ベント管ＰＢ１及び第２圧力ベント管ＰＢ２は、バルブ、Ｖ６よりも下流側が大気に開放されている。

バルブＶ１とＣＯシフト部２０の間には、窒素ガスを送出する窒素ガス管ＰＮの一端が接続されている。窒素ガス管ＰＮの他端は、不図示の窒素ガス源と接続されている。

次に、本実施形態の水素製造システム１０の動作について説明する。

水素製造システム１０の起動時には、原料ガスが原料ガス管Ｐ１を通して燃料電池１２へ供給される。原料ガスは、改質されて水素を含む燃料ガスが生成され、当該水素と不図示の空気供給管を介して燃料電池１２の空気極へ供給された空気中の酸素との反応により、発電が行われる。ポンプ４０が駆動され、燃料電池１２からのオフガスはオフガス導入路Ｐ２へ送出される。また、原料ガスは、分岐部Ｂ１で分岐されて燃焼器１４へ供給される。燃焼器１４では、原料ガスが燃焼される。なお、水素製造システム１０Ａの起動前には、バルブＶ１〜Ｖ６は閉鎖されている。

制御部３０では、図３に示す運転処理が行われる。まず、ステップＳ１０で、バルブＶ２が開放される。これにより、燃料電池１２からのオフガスは、オフガス導入路Ｐ２から戻流路Ｐ３へ流れ、燃焼器１４へ供給される。燃焼器１４へ供給されたオフガスは、原料ガスと共に燃焼される。

ステップＳ１２で、水素精製要求があったかどうかを判断する。水素精製要求がない場合には、ステップＳ１２が繰り返され、水素精製要求があるまで待機する。このとき、図５に示されるように、水素製造システム１０では、発電部１８にのみ原料ガス及びオフガスが供給され、水素の製造は行われず発電のみ行われる。

水素精製要求は、例えば、不図示の指示装置からの入力により、指示が制御部３０へ送信される。ステップＳ１２で水素精製要求ありと判断された場合には、ステップＳ２０で水素精製処理が実行される。

水素精製処理は、図４に示されるように、ステップＳ２１でオフガス導入路Ｐ２のバルブＶ１よりも下流側へ窒素ガス管ＰＮから窒素を供給し、ステップＳ２２でオフガス導入路Ｐ２の圧力が発電部１８の圧力と同じになるように、圧力調整する。圧力調整は、第１圧力計４４で得られた圧力値に基づいてバルブＶ５の開度を調整することにより行うことができる。これにより、オフガス導入路Ｐ２の圧力が発電部１８の圧力と同程度になる。

次に、ステップＳ２３で、バルブＶ２を閉鎖すると共にバルブＶ１を開放し、ステップＳ２４で窒素の供給を停止する。これにより、オフガスがＣＯシフト部２０へ供給され、ＣＯシフト部２０では、オフガス中の一酸化炭素の酸化反応が進行する。ステップＳ２５で、温度センサ２０Ｔで検出された温度に基づいて、ＣＯシフト部２０における酸化反応が安定するまで待機する。酸化反応が安定しているかどうかは、温度センサ２０Ｔで検出された温度がＴ０を超えているかどうかで判断することができる。

酸化反応が安定したと判断された場合には、ステップＳ２６でバルブＶ４を開放する。これにより、オフガスが分離膜２２へ供給される。分離膜２２では、水素と水素以外のガス（主にメタン、水、二酸化炭素）が粗分離され、分離オフガス路Ｐ５へ送出されると共に、水素を多く含む水素含有ガスが、水素含有ガス路Ｐ６へ送出される。水素含有ガスは、水素含有ガス路Ｐ６を介してＰＳＡ装置２４へ送られ、水素が精製され、得られた水素が精製水素ガス路Ｐ８から、需要に応じて供給される。一方、ＰＳＡ装置２４で分離された精製後のオフガスは、精製後オフガス路Ｐ７へ送出され、分離オフガス路Ｐ５へ送出された水素以外のガスと合流する。

ステップＳ２７では、分離オフガス戻流路Ｐ９の圧力が発電部１８の圧力と同じになるように、圧力調整する。圧力調整は、第２圧力計４６で得られた圧力値に基づいてバルブＶ６の開度を調整することにより行うことができる。これにより、分離オフガス戻流路Ｐ９の圧力が発電部１８の圧力と同程度になる。

次に、ステップＳ２８で、バルブＶ３を開放する。これにより、分離オフガス戻流路Ｐ９から燃焼器１４へ水素と分離されたオフガスが供給される。燃焼器１４では、当該オフガス中の可燃性ガスが燃焼する。

以上がステップＳ２０に示される水素精製処理である。

次に、ステップＳ１４で、水素精製の停止指示があるかどうか判断する。水素精製の停止指示があるまで、水素の精製が継続される。このとき、図６に示されるように、水素製造システム１０では、発電部１８に原料ガスが供給され、水素精製部２６にオフガスが供給される。また、水素精製部２６から排出されたオフガス（水素精製後のオフガス）が燃焼器１４へ供給される。これにより、水素製造システム１０では、発電が行われると共に水素の製造が行われる。

水素製造の停止指示がある場合には、ステップＳ１５で、水素精製停止処理を行う。水素精製停止処理は、バルブＶ１、Ｖ３〜Ｖ６を閉鎖することにより実行される。これにより、燃料電池１２からのオフガスの水素精製部２６への供給が停止される。

次に、ステップＳ１６で、水素製造システム１０の運転停止指示があったかどうかを判断し、運転停止の指示があった場合には、ステップＳ１８で運転停止される。運転指示がない場合には、ステップＳ１０へ戻り、上記の処理を繰り返す。

本実施形態では、オフガスを発電部１８の燃焼器１４へ戻す戻流路Ｐ３、及び、オフガスを水素精製部２６へ導入するオフガス導入路Ｐ２を有しており、バルブＶ１を閉鎖することにより、オフガスの水素精製部２６への供給を停止することができる。したがって、水素の精製が不要な時には、発電部１８での発電を継続しつつ水素の精製を停止させることができる。これにより、水素の精製量が調整され、貯留が必要とされる水素量が少なくなり、水素の貯留量を抑制することができる。

また、本実施形態では、戻流路Ｐ３をバルブＶ２で閉鎖することができるので、オフガスを直接は発電部１８へ戻さずに、水素精製部２６へ導いて、水素の製造に供することができる。

また、本実施形態では、制御部３０により、オフガスの水素精製部２６への送出が停止されているときには、オフガスは発電部１８へ戻され、オフガスの戻流路Ｐ３への送出が停止されている時には、オフガスは水素精製部２６へ導入されている。したがって、水素の精製が必要な時に水素精製部２６へオフガスを集中して導入し、水素の精製が不要の時にオフガスを発電部１８へ戻して使用することができる。

また、本実施形態では、水素精製部２６から、精製された水素から分離されて排出された分離オフガスを発電部１８へ戻す分離オフガス戻流路Ｐ９を備えているので、分離オフガス中の可燃ガスを有効に利用することができる。

なお、戻流路Ｐ３からのオフガスは、燃料電池１２のアノードへ戻してもよい。

また、本実施形態では、水素精製部２６で水素を生成する場合に、バルブＶ２を閉鎖したが、バルブＶ２の開度を調整しつつ開放してオフガスの一部を発電部１８へ送出してもよい。また、オフガスの一部を、常時、燃料電池１２の燃料極（アノード）へ供給してもよい。

また、本実施形態では、水素精製部２６にＣＯシフト部２０及び分離膜２２を設けたが、これらは必須ではない。本実施形態のように、ＣＯシフト部２０及び分離膜２２を設けることにより、ＰＳＡ装置２４の小型化を図ることができる。

また、本実施形態では、バルブＶ１、Ｖ２を別々の開閉弁としたが、これらのバルブ１個の三方弁で構成してもよい。

１０ 水素製造システム、 １２ 燃料電池、 １４ 燃焼器
１８ 発電部、 ２６ 水素精製部
３０ 制御部、 Ｐ２ オフガス導入路、 Ｐ１０ 戻流路
Ｐ９ 分離オフガス戻流路、 Ｖ１ バルブ（水素停止部）
Ｖ２ バルブ（オフガス停止部）

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸素との反応により発電する燃料電池と燃焼器とを有する発電部と、
   水素を精製する水素精製部と、
   前記燃料電池からのオフガスを前記水素精製部へ導くオフガス導入路と、
   前記オフガス導入路から分岐され、前記オフガスを前記発電部の前記燃焼器へ戻す戻流路と、
   前記オフガス導入路に設けられ、前記オフガスの前記水素精製部への送出を停止させる水素停止部と、
   を備えた水素製造システム。
2. 前記戻流路に設けられ、前記オフガスの前記戻流路への送出を停止させるオフガス停止部、をさらに備えた請求項１に記載の水素製造システム。
3. 前記水素停止部により前記オフガスの前記水素精製部への送出が停止されているときには、前記オフガスは前記発電部へ戻され、前記オフガス停止部により前記オフガスの前記戻流路への送出が停止されている時には、前記オフガスは前記水素精製部へ導入されるように、前記水素停止部及び前記オフガス停止部を制御する制御部を備えた、請求項２に記載の水素製造システム。
4. 前記水素精製部から、精製された水素から分離されて排出された分離オフガスを前記発電部へ戻す分離オフガス戻流路、をさらに備えた、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の水素製造システム。