JP7033701B2 - Hydrogen generation system - Google Patents
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本発明は、電気化学的な反応を利用して、水素含有ガスから、高純度の水素を生成する水素生成システムに関するものである。 The present invention relates to a hydrogen generation system that produces high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas by utilizing an electrochemical reaction.
従来、アノードとカソードとの間に水素イオンを選択的に輸送する電解質膜が配置された電解質膜-電極接合体を用いて、水素含有ガスから、高純度の水素を生成する電気化学デバイスが知られている。 Conventionally, an electrochemical device that produces high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas using an electrolyte membrane-electrode assembly in which an electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions is arranged between an anode and a cathode has been known. Has been done.
この電気化学デバイスのアノードに、加湿された水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を介してカソードの方向に電流を流すと、アノードでは、(化1)に示す水素が水素イオン(H+)と電子に解離する酸化反応が起こり、カソードでは、(化2)に示す水素イオン(H+)と電子が結びついて水素が生成される還元反応が起こる。 When a humidified hydrogen-containing gas is supplied to the anode of this electrochemical device and a current is passed from the anode to the cathode through the electrolyte membrane, the hydrogen shown in (Chemical formula 1) is hydrogen ion (H) at the anode. An oxidation reaction that dissociates into electrons occurs with + ), and a reduction reaction occurs at the cathode where hydrogen ions (H + ) shown in (Chemical formula 2) and electrons are combined to generate hydrogen.
(化1)と(化2)に示す電気化学反応により、アノードに供給された水素含有ガスから、カソードにおいて水素を生成することができる。このとき、水素含有ガス中の水素のみがアノード側からカソード側へ移動するため、高純度の水素を得ることができる。 By the electrochemical reaction shown in (Chemical formula 1) and (Chemical formula 2), hydrogen can be generated at the cathode from the hydrogen-containing gas supplied to the anode. At this time, since only hydrogen in the hydrogen-containing gas moves from the anode side to the cathode side, high-purity hydrogen can be obtained.
図6は、従来の水素生成システムの概略図である。図6に示すように、従来の電気化学デバイス200は、電解質膜-電極接合体120と、アノード側セパレータ104と、カソード側セパレータ105と、アノード端子板106と、カソード端子板107と、電圧印加部113とを備えている。
FIG. 6 is a schematic diagram of a conventional hydrogen generation system. As shown in FIG. 6, the conventional
電解質膜-電極接合体120は、電解質膜101の一方の主面にアノード102が配置され、電解質膜101の他方の主面にカソード103が配置されている。アノード102及びカソード103は、主に、白金(Pt)などの貴金属からなる触媒と、この触媒を担持する触媒担持カーボンと、で構成される。
In the electrolyte membrane-
アノード側セパレータ104を介してアノード102と電気的に接続されるように配置されるアノード端子板106には、アノード側セパレータ104に水素含有ガスを供給する水素含ガス入口管110と、アノード側セパレータ104から残余ガスを導出する残余ガス導出口管112が接続されている。
The
電気化学デバイス200は、水素含ガス入口管110からの水素含有ガスが、アノード側セパレータ104からアノード102に供給され、アノード102に供給されなかった残余ガスが、アノード側セパレータ104から残余ガス導出口管112に排出されるよう構成されている。
In the
また、アノード側セパレータ104を介して、電解質膜-電極接合体120のアノード102に、加湿された水素含有ガスが供給されるように、水素含有ガス入口管110の途中に水素含有ガスを加湿する加湿槽109が配置されている。
Further, the hydrogen-containing gas is humidified in the middle of the hydrogen-containing
カソード側セパレータ105を介してカソード103と電気的に接続されるように配置されるカソード端子板107には、カソード103で生成された水素をカソード側セパレータ105から排出する水素導出口管111が接続されている。
A
電圧印加部113は、プラス極端子とマイナス極端子とを有する直流電源であり、電圧印加部113のプラス極端子がアノード端子板106に接続され、電圧印加部113のマイナス極端子がカソード端子板107に接続される。
The
そして、電圧印加部113のプラス極端子からの電流は、アノード端子板106から、アノード側セパレータ104、アノード102、電解質膜101、カソード103、カソード側セパレータ105、カソード端子板107の順に流れた後に、電圧印加部113のマイナス極端子に流れる。
Then, the current from the positive electrode terminal of the
このようにして、電気化学デバイス200は、アノード102に供給される水素含有ガスから、カソード103において、水素を生成し、水素導出口管111から高純度な水素を取り出している(例えば、特許文献1参照)。
In this way, the
しかしながら、前記従来の構成では、電気化学デバイス200の電解質膜-電極接合体120に流れる電流の大きさに対して、電解質膜-電極接合体120に供給される水素含有ガス中の水素が不足する、いわゆる、電気化学デバイス200において、水素の欠乏が起こった時に、アノードガス流路における上流部では、(化1)に示す水素含有ガス中の水素から水素イオンを生成する反応が起こるが、中流から下流部では水素が不足する。
However, in the conventional configuration, the hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the electrolyte membrane-
このとき、アノードガス流路の中流から下流部では、水素から水素イオンを生成する反応の代わりに、(化3)及び(化4)に示すアノードの触媒担持カーボンと水とから水素イオンを生成する酸化腐食反応が起きる。 At this time, in the middle to downstream part of the anode gas flow path, instead of the reaction of generating hydrogen ions from hydrogen, hydrogen ions are generated from the catalyst-supported carbon of the anode and water shown in (Chemical formula 3) and (Chemical formula 4). An oxidative corrosion reaction occurs.
このアノードの触媒担持カーボンの酸化腐食反応は、水素が欠乏し且つ水が存在する部分だけに集中する。このアノード触媒担持カーボンの局所的な酸化腐食によって、触媒層
の導電経路が減少することによる抵抗過電圧の上昇と、酸化腐食されたカーボンに担持されていたPtが欠落して反応面積が減少することによる反応過電圧の上昇とが起こる。これにより、電気化学デバイスの水素純化効率が低下するという課題を有していた。
The oxidative corrosion reaction of the catalyst-supported carbon of this anode is concentrated only in the portion where hydrogen is deficient and water is present. Due to the local oxidative corrosion of the oxidatively corroded carbon, the resistance overvoltage increases due to the decrease in the conductive path of the catalyst layer, and the Pt supported on the oxidatively corroded carbon is missing to reduce the reaction area. The reaction overvoltage rises due to. As a result, there is a problem that the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device is lowered.
ここで、水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対する生成する水素のエネルギーの割合である。 Here, the hydrogen purification efficiency is the ratio of the energy of hydrogen generated to the electric energy input to the electrochemical device.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素含有ガスの欠乏時でも、アノードの触媒担持カーボンの酸化腐食を抑制して、抵抗過電圧の上昇と反応過電圧の上昇とを防ぐ電気化学デバイスを備える水素生成システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and is an electrochemical device that suppresses oxidative corrosion of the catalyst-supported carbon of the anode to prevent an increase in resistance overvoltage and an increase in reaction overvoltage even when a hydrogen-containing gas is deficient. It is an object of the present invention to provide a hydrogen generation system comprising.
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成システムは、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜-電極接合体と、アノードとカソードの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を有し、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、カソード側セパレータは、カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、電気化学デバイスは、カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、を有し、腐食用カーボンは、アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易いことを特徴としたものである。さらに、本発明の水素生成システムは、カソード側セパレータの温度が、アノード側セパレータの温度よりも低いという特徴と、カソード側セパレータが、カソードガス流路に注水するための水供給入口を有するという特徴のうちのどちらか一方の特徴を有しているのである。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the hydrogen generation system of the present invention comprises an electrolyte membrane, an anode arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode arranged on the other surface. -It has an electrode junction, an anode-side separator and a cathode-side separator arranged on both outer sides of the anode and the cathode, supplies a hydrogen-containing gas to the anode, and a current in a predetermined direction between the anode and the cathode. It is equipped with an electrochemical device that generates hydrogen at the cathode, a gas supply means that supplies hydrogen-containing gas to the anode, and a power supply for passing a current between the cathode and the cathode of the electrochemical device. The cathode side separator has a cathode gas flow path provided on the surface abutting the cathode and a cathode gas outlet communicating with the cathode gas flow path, and the electrochemical device stores water in the cathode gas flow path. In a hydrogen generation system that produces hydrogen in a state of being, the cathode is composed of at least an anode catalyst layer made of carbon carrying a catalyst, at least carbon for corrosion that does not carry a catalyst, and a carbon or non-carbon gas diffusion layer. The carbon for corrosion is characterized in that it is more easily oxidatively corroded than other carbons constituting the cathode. Further, the hydrogen generation system of the present invention is characterized in that the temperature of the cathode side separator is lower than the temperature of the anode side separator and that the cathode side separator has a water supply inlet for injecting water into the cathode gas flow path. It has the characteristics of either one of them.
この構成により、アノードに供給する水素(水素含有ガス)の欠乏時に、アノードガス流路における上流部では、(化1)に示す水素含有ガス中の水素を水素イオンと電子に乖離する酸化腐食反応が起こる。一方、中流部から下流部では、水素が不足して、(化3)及び(化4)に示すカーボンと水とから水素イオンを生成する酸化腐食反応が起こる。 With this configuration, when the hydrogen (hydrogen-containing gas) supplied to the anode is depleted, the hydrogen in the hydrogen-containing gas shown in (Chemical formula 1) is dissociated into hydrogen ions and electrons in the upstream part of the anode gas flow path. Happens. On the other hand, in the middle to the downstream part, hydrogen is insufficient and an oxidative corrosion reaction that generates hydrogen ions from carbon and water shown in (Chemical formula 3) and (Chemical formula 4) occurs.
これらの(化3)及び(化4)に示すカーボンの酸化腐食反応は、アノードに存在するカーボンの中で、最も酸化腐食され易いカーボンに対して起こる。アノードに存在するカーボンは、触媒担持カーボン、ガス拡散層の材料にカーボンが使用されている場合におけるガス拡散層を構成するカーボン、セパレータの材料にカーボンが使用されている場合におけるセパレータを構成するカーボン、及び腐食用カーボンである。 The oxidative corrosion reaction of the carbons shown in (Chemical Formula 3) and (Chemical Formula 4) occurs with respect to the carbon that is most easily oxidatively corroded among the carbons present in the anode. The carbon present in the anode is the catalyst-supported carbon, the carbon constituting the gas diffusion layer when carbon is used as the material of the gas diffusion layer, and the carbon constituting the separator when carbon is used as the material of the separator. , And carbon for corrosion.
本構成では腐食用カーボンが最も酸化腐食され易い材料であるため、腐食用カーボンが反応に使われ、触媒担持カーボンは酸化腐食されない。触媒担持カーボンが酸化腐食されないので、担持カーボンの消失による触媒の欠落を防ぎ、反応面積の低下を抑制することができる。 In this configuration, since the corrosive carbon is the material most easily oxidatively corroded, the corrosive carbon is used for the reaction, and the catalyst-supported carbon is not oxidatively corroded. Since the catalyst-supported carbon is not oxidatively corroded, it is possible to prevent the catalyst from being lost due to the disappearance of the supported carbon and to suppress a decrease in the reaction area.
さらに、(化3)及び(化4)に示すカーボンの酸化腐食反応は、水が必要となる。本構成では、カソード側セパレータに設けられたガス流路に水を貯め、カソードガス流路に貯まった水が電解質膜を通ってアノードへ移動し、アノードで不足した水を補うことができる。 Further, the carbon oxidative corrosion reaction shown in (Chemical 3) and (Chemical formula 4) requires water. In this configuration, water is stored in the gas flow path provided in the cathode side separator, and the water stored in the cathode gas flow path moves to the anode through the electrolyte membrane, and the water deficient in the anode can be supplemented.
これにより、アノードにおける水の偏りや不足が減少し、アノードのカーボンの酸化腐食反応が局所集中して酸化腐食することによって起こる触媒層の導電経路の減少を防ぐことができる。 This reduces the bias and deficiency of water in the anode, and can prevent the decrease in the conductive path of the catalyst layer caused by the oxidative corrosion reaction of carbon in the anode being locally concentrated and oxidatively corroded.
本発明の水素生成システムは、水素含有ガスの欠乏時にアノードの触媒担持カーボンの酸化腐食によって起こる触媒層の導電経路の減少と反応面積の低下とを抑制し、抵抗過電圧の上昇と反応過電圧の上昇とを防ぐ。これにより、水素含有ガスの欠乏が起こっても、電気化学デバイスの水素純化効率を維持できる信頼性の高い水素生成システムを提供することができる。 The hydrogen generation system of the present invention suppresses a decrease in the conductive path and a decrease in the reaction area of the catalyst layer caused by oxidative corrosion of the catalyst-supporting carbon of the anode when the hydrogen-containing gas is deficient, and increases the resistance overvoltage and the reaction overvoltage. And prevent. This makes it possible to provide a highly reliable hydrogen generation system capable of maintaining the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device even when the hydrogen-containing gas is deficient.
第1の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜-電極接合体と、アノードとカソードの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を有し、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、カソード側セパレータは、カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、電気化学デバイスは、カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、
を有し、腐食用カーボンは、アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易く、カソード側セパレータの温度は、アノード側セパレータの温度よりも、低いことを特徴とした水素生成システムである。
The first invention comprises an electrolyte membrane-electrode junction composed of an electrolyte membrane, an anode arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode arranged on the other surface, and both outer sides of the anode and cathode. It has an anode-side separator and a cathode-side separator arranged in the cathode, and supplies hydrogen-containing gas to the cathode and passes a current in a predetermined direction between the anode and the cathode to generate hydrogen at the cathode. It comprises a chemical device, a gas supply means for supplying hydrogen-containing gas to the anode, and a power source for passing a current between the cathode and the cathode of the electrochemical device, and the cathode side separator is on the surface abutting the cathode. It has a provided cathode gas flow path and a cathode gas outlet that communicates with the cathode gas flow path, and the electrochemical device is a hydrogen generation system that generates hydrogen while water is stored in the cathode gas flow path. The cathode is composed of at least an anode catalyst layer made of carbon carrying a cathode, at least carbon for corrosion that does not carry a catalyst, and a carbon or non-carbon gas diffusion layer.
It is a hydrogen generation system characterized in that the carbon for corrosion is more easily oxidatively corroded than other carbons constituting the anode, and the temperature of the cathode side separator is lower than the temperature of the anode side separator. ..
これにより、アノードに供給する水素(水素含有ガス)の欠乏時には、アノードにおいて、最も酸化腐食されや易いカーボンである腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されることを抑制し、反応面積の低下からなる反応過電圧の上昇が抑制される。 As a result, when the hydrogen (hydrogen-containing gas) supplied to the anode is insufficient, the carbon for corrosion, which is the carbon most easily oxidatively corroded at the anode, is consumed instead of hydrogen, so that the catalyst-supported carbon is oxidatively corroded. This is suppressed, and the increase in reaction overvoltage, which consists of a decrease in the reaction area, is suppressed.
また、カーボンの酸化腐食反応に必要な水については、カソードガス流路に貯めた水が電解質膜を浸透してアノードへ移動してカーボンの酸化腐食反応に必要な水を供給するので、酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇が抑制される。 As for the water required for the carbon oxidative corrosion reaction, the water stored in the cathode gas flow path permeates the electrolyte membrane and moves to the anode to supply the water required for the carbon oxidative corrosion reaction. The reaction is not locally concentrated, and the increase in resistance overvoltage due to the decrease in the conductive path of the catalyst layer is suppressed.
また、カソード側セパレータの温度が、アノード側セパレータの温度よりも、低いことにより、カソード側セパレータの温度が、アノード側セパレータの温度以上の温度である場合と比べて、カソードにおける水の状態が気体よりも液体となり易く、生成ガスとともにカソードガス流路外へ流出するのを防いで、カソードガス流路に水をより貯めることができる。さらに、電解質膜を浸透してアノードに水を供給し易くなり、酸化腐食反応が局所集中することなく、触媒層の導電経路の減少が抑制できる。一方で、アノード側セパレータでは、アノード側セパレータの温度が、カソード側セパレータの温度以下の温度である場合と比べて、水の状態が液体よりも気体になり易く、アノードガス流路やガス拡散層の水詰まりを防ぐことにより、(化1)に示す水素の酸化反応に必要な水素をアノードに欠乏させることなく供給することができる。これらの作用により、アノードに供給する水素含有ガスが欠乏しても、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制することができる。 Further, since the temperature of the cathode side separator is lower than the temperature of the anode side separator, the state of water at the cathode is a gas as compared with the case where the temperature of the cathode side separator is higher than the temperature of the anode side separator. It is more likely to become a liquid, and it is possible to prevent the gas from flowing out of the cathode gas flow path together with the generated gas, so that more water can be stored in the cathode gas flow path. Further, it becomes easy to permeate the electrolyte membrane and supply water to the anode, and the decrease of the conductive path of the catalyst layer can be suppressed without the oxidative corrosion reaction being locally concentrated. On the other hand, in the anode-side separator, the water state is more likely to be gas than the liquid, as compared with the case where the temperature of the anode-side separator is lower than the temperature of the cathode-side separator, and the anode gas flow path and the gas diffusion layer. By preventing the water from clogging, the hydrogen required for the hydrogen oxidation reaction shown in (Chemical formula 1) can be supplied to the anode without deficiency. Due to these actions, even if the hydrogen-containing gas supplied to the anode is insufficient, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device.
第2の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜-電極接合体と、アノードとカソードの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を有し、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、カソード側セパレータは、カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、電気化学デバイスは、カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、を有し、腐食用カーボンは、アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易く、カソード側セパレータは、カソードガス流路に注水するための水供給入口を有することを特徴とする水素生成システムである。 The second invention comprises an electrolyte membrane-electrode junction composed of an electrolyte membrane, an anode arranged on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode arranged on the other surface, and both outer sides of the anode and cathode. It has an anode-side separator and a cathode-side separator arranged in the cathode, and supplies hydrogen-containing gas to the cathode and passes a current in a predetermined direction between the anode and the cathode to generate hydrogen at the cathode. It comprises a chemical device, a gas supply means for supplying hydrogen-containing gas to the anode, and a power source for passing a current between the cathode and the cathode of the electrochemical device, and the cathode side separator is on the surface abutting the cathode. It has a provided cathode gas flow path and a cathode gas outlet that communicates with the cathode gas flow path, and the electrochemical device is a hydrogen generation system that generates hydrogen while water is stored in the cathode gas flow path. The cathode has at least an anode catalyst layer made of carbon carrying a catalyst, at least a corrosion carbon not supporting a catalyst, and a carbon or non-carbon gas diffusion layer, and the corrosion carbon constitutes an anode. It is more susceptible to oxidative corrosion than other carbons, and the cathode side separator is a hydrogen generation system characterized by having a water supply inlet for injecting water into the cathode gas flow path .
これにより、アノードに供給する水素(水素含有ガス)の欠乏時には、アノードにおいて、最も酸化腐食されや易いカーボンである腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されることを抑制し、反応面積の低下からなる反応
過電圧の上昇が抑制される。
As a result, when the hydrogen (hydrogen-containing gas) supplied to the anode is insufficient, the carbon for corrosion, which is the carbon most easily oxidatively corroded at the anode, is consumed instead of hydrogen, so that the catalyst-supported carbon is oxidatively corroded. A reaction consisting of a decrease in the reaction area
The rise of overvoltage is suppressed.
また、カーボンの酸化腐食反応に必要な水については、カソードガス流路に貯めた水が電解質膜を浸透してアノードへ移動してカーボンの酸化腐食反応に必要な水を供給するので、酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇が抑制される。As for the water required for the carbon oxidative corrosion reaction, the water stored in the cathode gas flow path permeates the electrolyte membrane and moves to the anode to supply the water required for the carbon oxidative corrosion reaction. The reaction is not locally concentrated, and the increase in resistance overvoltage due to the decrease in the conductive path of the catalyst layer is suppressed.
また、水供給入口からカソードガス流路に注水することで、より確実にカソードガス流路に水を貯めることができ、電解質膜を浸透してアノードに水を供給し易くなり、酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇が抑制できる。In addition, by injecting water into the cathode gas flow path from the water supply inlet, water can be more reliably stored in the cathode gas flow path, and it becomes easier to permeate the electrolyte membrane and supply water to the anode, resulting in an oxidative corrosion reaction. There is no local concentration, and an increase in resistance overvoltage due to a decrease in the conductive path of the catalyst layer can be suppressed.
これらの作用により、アノードに供給する水素含有ガスが欠乏しても、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制することができる。Due to these actions, even if the hydrogen-containing gas supplied to the anode is insufficient, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device.
第3の発明は、特に、第1の発明または第2の発明のカソードガス出口がカソードガス流路の最下端より鉛直方向上側に配置されていることを特徴とする水素生成システムである。 The third invention is a hydrogen generation system, in particular, characterized in that the cathode gas outlet of the first invention or the second invention is arranged vertically upward from the lowermost end of the cathode gas flow path .
これにより、カソードガス流路におけるカソードガス出口よりも鉛直方向下側の部分の水は、重力が作用して、カソードガス出口から流出し難いので、確実にカソードガス流路に水を貯めることができ、電解質膜を浸透してアノードに水を供給し易くなり、酸化腐食反応が局所集中することなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。 As a result, the water in the portion vertically lower than the cathode gas outlet in the cathode gas flow path is hard to flow out from the cathode gas outlet due to the action of gravity, so that water can be reliably stored in the cathode gas flow path. It is possible to easily permeate the electrolyte membrane and supply water to the anode, and it is possible to suppress an increase in resistance overvoltage due to a decrease in the conductive path of the catalyst layer without locally concentrating the oxidative corrosion reaction.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the present embodiment.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における水素生成システムの概略図を示すものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a hydrogen generation system 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生成システム50に用いる電気化学デバイス10は、電解質膜4がアノード5Aとカソード5Cとによって挟まれた電解質膜-電極接合体9を、アノード側セパレータ1Aとカソード側セパレータ1Cとによって挟持した構成になっている。また、電解質膜-電極接合体9(電解質膜4)の両主面が鉛直方向に対して平行になる向きで、電気化学デバイス10を配置している。
As shown in FIG. 1, in the
アノード5Aは、アノード触媒層3A、腐食用カーボン層13A及びアノードガス拡散層2Aとで構成され、カソード5Cは、カソード触媒層3Cとカソードガス拡散層2Cとで構成される。電解質膜4は、アノード5Aとカソード5Cとの間に配置されている。
The
アノード触媒層3Aは電解質膜4の一方の主面に配置される。カソード触媒層3Cは電解質膜4の他方の主面に配置される。腐食用カーボン層13Aはアノード触媒層3Aにおける電解質膜4と対向しない主面に配置される。アノードガス拡散層2Aは腐食用カーボン層13Aにおけるアノード触媒層3Aと対向しない主面に配置される。カソードガス拡散層2Cはカソード触媒層3Cにおける電解質膜4と対向しない主面に配置される。
The
ここで、電解質膜4には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。アノード触媒層3Aとカソード触媒層3Cとには、白金を担持したカーボン粒子とアイオノマーとを混合して、電解質膜4または電解質膜4に触媒層を
転写するための転写フィルムに塗布形成されたものを用いる。また、アノードガス拡散層2Aとカソードガス拡散層2Cとには、カーボン製フェルトを用いる。
Here, as the
腐食用カーボン層13Aは、カーボンとアイオノマーを有している。腐食用カーボン層13Aに用いられるカーボンは、アノード触媒層3Aに用いられる白金担持カーボンよりも腐食され易いカーボンで構成されている。
The
カーボンの腐食のし易さは、黒鉛化度と比表面積で判断できる。カーボンを高温で熱処理を行うと黒鉛化度が上がる。黒鉛化度が低いカーボンほど酸化腐食されるきっかけとなる官能基が多い。また、比表面積の大きいカーボンほど単位体積当たりの官能基が多いため酸化腐食され易い。したがって、具体的には、腐食用カーボンは、アノード触媒層3Aに用いられる白金担持カーボンよりも、黒鉛化度がより低いカーボンを用いる。
The susceptibility of carbon to corrosion can be determined by the degree of graphitization and the specific surface area. When carbon is heat-treated at high temperature, the degree of graphitization increases. The lower the degree of graphitization, the more functional groups that trigger oxidative corrosion. Further, carbon having a larger specific surface area is more likely to be oxidatively corroded because it has more functional groups per unit volume. Therefore, specifically, as the corrosive carbon, carbon having a lower degree of graphitization than the platinum-supported carbon used for the
アノード側セパレータ1Aとカソード側セパレータ1Cは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
The anode-
アノード側セパレータ1Aには、アノードガス入口11Aと、アノードガス出口12Aと、アノードガス流路14Aと、が設けられている。
The
アノードガス流路14Aは、アノード側セパレータ1Aにおけるアノードガス拡散層2A(アノード5A)と当接する面に溝状に形成され、上流端がアノードガス入口11Aと連通し下流端がアノードガス出口12Aと連通している。
The anode
ガス供給手段16は、ガス供給配管15を介して、アノードガス入口11Aに水素含有ガスを供給する。アノードガス入口11Aは、アノードガス流路14Aを介して、水素含有ガスをアノード5Aに供給するための水素含有ガス供給用通路である。
The gas supply means 16 supplies hydrogen-containing gas to the
アノードガス出口12Aは、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)をアノード5Aから排出するための水素含有ガス排出用通路である。
The
また、カソード側セパレータ1Cには、カソードガス出口12Cと、カソードガス流路14Cと、が設けられている。
Further, the
カソードガス流路14Cは、カソード側セパレータ1Cにおけるカソードガス拡散層2C(カソード5C)と当接する面に溝状に、カソード5Cで生成された水素が重力に逆らって下から上へと流れるように形成され、カソードガス流路14Cの上端部(最下流部)よりも鉛直方向上側に配置されるカソードガス出口12Cと連通している。
The cathode
カソードガス出口12Cは、カソード5Cに透過した水素をカソード5Cから排出するための水素排出用通路である。
The
電源17は、アノード5Aとカソード5Cとの間に所定方向の電流を流す直流電源である。ここで、所定方向の電流とは、電気化学デバイス10のアノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流である。電源17のプラス極端子はアノード側セパレータ1Aに接続され、電源17のマイナス極端子はカソード側セパレータ1Cに接続される。
The
ガス供給手段16は、アノードガス入口11Aから電気化学デバイス10に加湿された水素含有ガスを供給する。ガス供給手段16は、都市ガスから改質反応を利用して水素含
有ガスを生成する燃料改質器を用いる。
The gas supply means 16 supplies the humidified hydrogen-containing gas to the
以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム50について、以下、その動作、作用を説明する。
The operation and operation of the
最初に、電気化学デバイス10に流す電流の大きさに対して水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス10のアノード5Aに供給されている場合について説明する。
First, a case where a sufficient amount of hydrogen-containing gas is supplied to the
まず、ガス供給手段16から加湿された水素含有ガスが、ガス供給配管15とアノードガス入口11Aを介してアノードガス流路14Aに供給される。ガス供給手段16がアノード5Aに供給する水素含有ガスは、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%に加湿されている。
First, the hydrogen-containing gas humidified from the gas supply means 16 is supplied to the anode
また、ガス供給手段16がアノード5Aに供給する水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.00146%で、二酸化炭素の含有比率が14.6%で、水素の含有比率が58.4%である。
The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 to the
次に、電源17により、アノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90A流す。
Next, the
そして、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。すると(化1)の反応によりアノード5Aでは水素は水素イオンと電子に解離し、その水素イオンは電解質膜4を透過してカソード5C側へ移動し、電子は電源17を経由してカソード5Cに移動し、(化2)の反応により、カソード5Cで水素イオンと電子が結びついて水素となる。
Then, the amount of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 16 to the
水素イオンが電解質膜4を透過するときに、電解質膜4に含まれる水を同伴してカソード5C側へ移動すること、水素イオンが電解質膜4の中を移動するには電解質膜4が水を含んでいることが必須であるため、アノード5Aに供給する水素含有ガスは、前述のとおり加湿して供給する。
When hydrogen ions permeate through the
アノード5Aに供給された水素含有ガスのうち、カソード5Cに透過せずにアノード5Aに残った水素含有ガス(カソード5Cでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス)は、水素含有オフガスとなって、アノードガス出口12Aから排出される。
Of the hydrogen-containing gas supplied to the
電解質膜4は、特に、高分子で構成された電解質膜4は、わずかではあるが、一酸化炭素や二酸化炭素が透過するため、カソードガス出口12Cからは、一酸化炭素や二酸化炭素が微量含まれた、本実施の形態では、水素純度が99.97%の水素含有ガスが排出される。
The
ここで、カソード5Cにおいて生成された水素ガス流量、電源17に指示した電流値及び測定器により計測した電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧値より、水素純化効率を算出する。
Here, the hydrogen purification efficiency is calculated from the hydrogen gas flow rate generated in the
水素純化効率は、電源17に投入する電気エネルギーに対するカソード5Cから得られる水素のエネルギーの割合で表すものとする。
The hydrogen purification efficiency is expressed by the ratio of the energy of hydrogen obtained from the
カソード5Cにおいて生成される水素ガス流量(NL/s)は、電流値(A)と、カソード5Cからアノード5Aへ電解質膜4を逆透過して戻る、戻り水素ガス流量と、を用いて下記の(数1)で表すことができる。
The hydrogen gas flow rate (NL / s) generated at the
ここで、戻り水素ガス流量は、電解質膜4の種類、厚み、含水率、及びアノード5Aとカソード5Cの水素ガスの分圧に依存する。本実施の形態においては、戻り水素ガス流量は0.00035(NL/s)であり、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流す電流の電流値は90(A)であるので、水素ガス流量は0.01010(NL/s)となる。
Here, the return hydrogen gas flow rate depends on the type, thickness, and water content of the
従って、カソード5Cから得られる水素エネルギーは、水素ガス流量(NL/s)、22.4(NL/mol)及び水素の高位発熱量285800(J/mol)を用いて下記の(数2)で表すことができる。
Therefore, the hydrogen energy obtained from the
また、電源17に投入する電気エネルギーは、電流値(A)と電圧(V)から計算できる。本実施の形態では、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流値が90(A)の電流を流した時に、0.075(V)であった。水素純化効率は、下記の(数3)で計算することができ、本実施の形態では19.1となる。
Further, the electric energy to be input to the
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム50の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流値が90(A)の電流を流し、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%の水素含有ガスを燃料利用率が90%となるようにアノード5Aに供給している時に、水素含有ガスを10秒間に一度、2秒間遮断して、また流す、という電気化学デバイス10に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを1分間行って水素含有ガスが欠乏する状態を作る。
Next, the behavior of the
この水素含有ガスの欠乏時、電源17により流す電流90Aに対して、(化2)の反応に必要な水素が足りなくなり、アノード5Aでは(化3)及び(化4)に示すようなカーボンと水とから水素イオンを生成する酸化腐食反応が起こる。
When the hydrogen-containing gas is deficient, the hydrogen required for the reaction of (Chemical formula 2) is insufficient for the current 90A flowed by the
アノード5Aに存在するカーボンは、白金担持カーボン、腐食用カーボン、ガス拡散層を構成するカーボンと、アノード側セパレータ1Aを構成するカーボンであり、このうちで、最も酸化腐食され易い腐食用カーボンが、反応に使われて腐食される。
The carbon present in the
また、(化3)及び(化4)の反応では、水も消費される。アノード5Aの加湿ガスと
して供給される水は、電解質膜4やアノード触媒層3A、カソード触媒層3Cを濡らして水素イオンの移動をし易くするために必要であるので、より多くの水を供給する必要がある。
In addition, water is also consumed in the reactions of (Chemical 3) and (Chemical formula 4). The water supplied as the humidifying gas of the
本実施の形態では、カソード5Cで生成した水素が排出されるカソードガス出口12Cを、カソード5C(カソードガス流路14C)の上端部よりも鉛直方向上側に配置している。
In the present embodiment, the
これにより、アノード5Aから電解質膜4を透過してきた水を、カソードガス流路14Cのカソードガス出口12Cの高さまで貯めることができる。カソードガス流路14Cに貯まった水は、カソード5C側から電解質膜4を常に濡らし、電解質膜4を透過して、アノード5Aにも、水を供給することができる。
As a result, the water that has permeated through the
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は0.076(V)であり、水素純化効率は18.8となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下は、ほとんど見られなかった。
After the operation in which the hydrogen-containing gas is deficient, when the operation is performed under the original operating conditions in which the hydrogen-containing gas is not deficient, the voltage between the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム50においては、アノード触媒層3Aとアノードガス拡散層2Aとの間に、アノード触媒層3Aとアノードガス拡散層2Aを構成するカーボンよりも酸化腐食され易い腐食用カーボンからなる腐食用カーボン層13Aを設けたので、アノード5Aに供給する水素含有ガスの欠乏時のカーボンの酸化腐食反応では、アノード5Aにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層13Aの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。
As described above, in the
さらに、本実施の形態の水素生成システム50は、カソード側セパレータ1Cに設けられ、カソード5Cと当接する面に溝状に形成されるカソードガス流路14Cと連通して、カソード5Cに透過した水素をカソード5Cから排出するカソードガス出口12Cが、カソード5C及びカソードガス流路14Cの上端部よりも鉛直方向上側に配置されたことにより、電気化学デバイス10は、カソードガス流路14Cに水を貯めた状態で水素を生成することになる。
Further, the
そのため、カソードガス流路14Cに貯めた水が、電解質膜4を浸透してアノード5Aへ移動するので、カーボンの酸化腐食反応に必要な水を供給できる。
Therefore, the water stored in the cathode
これにより、酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイス10の水素純化効率の低下を抑制することができる。
As a result, the oxidative corrosion reaction does not concentrate locally, and the increase in resistance overvoltage due to the decrease in the conductive path of the catalyst layer can be suppressed. From the above, even if a deficiency of the hydrogen-containing gas occurs, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen purification efficiency of the
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。 In the present embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, but the composition is not limited to this as long as it contains hydrogen.
なお、本実施の形態では、水素含有ガスが欠乏した時の運転条件を、水素含有ガスを10秒間に一度、2秒間遮断しているが、遮断の時間間隔や遮断時間は、これに限らない。 In the present embodiment, the operating conditions when the hydrogen-containing gas is deficient are cut off once every 10 seconds for 2 seconds, but the cutoff time interval and the cutoff time are not limited to this. ..
(実施の形態2)
図2は、本発明の実施の形態2における水素生成システムの概略図を示すものである。本発明の実施の形態2における水素生成システム60は、実施の形態1における水素生成システム50のカソードガス出口12Cの位置を、カソード5Cの鉛直方向の中央の位置
にまで低くしたものである。この構成以外は、実施の形態1における水素生成システム50と同じ構成であり、重複する説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows a schematic diagram of the hydrogen generation system according to the second embodiment of the present invention. In the
以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム60について、その動作、作用を説明する。
The operation and operation of the
本実施の形態の水素生成システム60は、電気化学デバイス10のカソードガス出口12Cの位置を、図2に示すように、カソード5Cの鉛直方向の中央に配置することによって、カソードガス流路14Cの鉛直方向下からカソードガス出口12Cの高さまで、カソードガス流路14Cに水を貯めることができる。
In the
カソードガス流路14Cに貯まった水が、電解質膜4を浸透してアノード5Aへ移動する。このようにして、カーボンの酸化腐食反応に必要な水を、カソードガス流路14Cから電解質膜4を介してアノード5Aに供給するので、酸化腐食反応が局所集中することを抑制し、アノード触媒層3Aの導電経路の減少を抑制することができる。
The water stored in the cathode
電解質膜4は、水をよく浸透させるので、カソードガス流路14Cの水が貯まっていない部分に対応するアノード5Aに対しても、水を供給する効果がある。
Since the
まず、電気化学デバイス10に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス10のアノード5Aに供給されて、水素生成システム60が運転している時の水素純化効率を計算する。
First, the hydrogen purification efficiency when the
ガス供給手段16がアノード5Aに供給する水素含有ガスは、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%に加湿されている。
The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 to the
また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.00146%で、二酸化炭素の含有比率が14.6%で、水素の含有比率が58.4%である。 The hydrogen-containing gas has a carbon monoxide content of 0.00146%, a carbon dioxide content of 14.6%, and a hydrogen content of 58.4%.
次に、電源17にてアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90(A)の電流値で流す。
Next, a current in the direction of flowing from the
そして、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。
Then, the amount of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 16 to the
この時の電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は、0.73(V)となり、水素生成量(数3)より水素純化効率は、19.6となる。
At this time, the voltage between the
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム60の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流値が90(A)の電流を流し、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%の水素含有ガスを、燃料利用率が90%となるようにアノード5Aに流している時に、水素含有ガスを10秒間に一度、2秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス10に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを1分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
Next, the behavior of the
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は0.074(V)であり、水素純化効率は19.3となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下は、ほとんど見られなかった。
After the operation in which the hydrogen-containing gas is deficient, when the operation is performed under the original operating conditions in which the hydrogen-containing gas is not deficient, the voltage between the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム60においては、実施の形態1の水素生成システム50と、電気化学デバイス10のカソードガス出口12Cの、カソード5Cに対する鉛直方向の位置が異なっており、本実施の形態の水素生成システム60は、電気化学デバイス10のカソードガス出口12Cが、カソード5Cの鉛直方向の中央に配置されている。
As described above, in the
これにより、カソードガス流路14Cにおいてカソードガス出口12Cの高さまで貯まった水は、電解質膜4を浸透してアノード5Aへ供給される。そして電解質膜4の中を水が浸透して、カソードガス流路14Cに水が貯まっていない部分に対向するアノード5Aの部分へも水を供給することができる。
As a result, the water stored up to the height of the
一方、アノードガス流路14Aの上流に対応するアノード5Aは、加湿したアノードガスによる水蒸気により水が供給されるので、水が欠乏する確率は低く、アノード5Aの全面にわたり水が均一に供給される状態となる。
On the other hand, since water is supplied to the
したがって、アノード5Aに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、水の偏りがないために酸化腐食反応が局所集中することがなく、アノード触媒層3Aの導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。
Therefore, even if an oxidative corrosion reaction of carbon occurs when the hydrogen-containing gas supplied to the
また、アノード5Aを構成するカーボンにおいて、最も酸化腐食され易い腐食用カーボン層13Aの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食して反応面積が減少し、反応過電圧が上昇することを抑制する。以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイス10の水素純化効率の低下を抑制することができる。
Further, in the carbon constituting the
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。 In the present embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, but the composition is not limited to this as long as it contains hydrogen.
なお、本実施の形態では、カソードガス出口12Cの位置を鉛直方向の中央としたが、正確に中央でなくて、多少、中央から上下方向にずれる位置であっても、鉛直方向中央部よりも上側であっても良い。
In the present embodiment, the position of the
(実施の形態3)
図3は、本発明の実施の形態3における水素生成システムの概略図を示すものである。
(Embodiment 3)
FIG. 3 shows a schematic diagram of the hydrogen generation system according to the third embodiment of the present invention.
本発明の実施の形態3における水素生成システム70は、実施の形態2における水素生成システム60の電気化学デバイス10を、電解質膜4に対して、アノード5Aが鉛直方向下側になり、カソード5Cが鉛直方向上側になるように設置したものに相当する。
In the
実施の形態1の水素生成システム50と実施の形態2の水素生成システム60は、電解質膜-電極接合体9(電解質膜4)の両主面が鉛直方向に対して平行になる向きで電気化学デバイス10を配置したが、実施の形態3の水素生成システム70は、電解質膜-電極接合体9(電解質膜4)の両主面が鉛直方向に対して垂直(両主面が水平)になるとともに、カソード5Cがアノード5Aの鉛直方向の上側に位置する向きで電気化学デバイス10を配置しており、カソードガス出口12Cはカソード5Cよりも鉛直方向上側にある。
In the
それ以外の構成は、実施の形態2の水素生成システム60と同じ構成であり、重複する説明は省略する。
Other configurations are the same as those of the
以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム70について、その動作、作
用を説明する。
The operation and operation of the
水素生成システム70は、カソードガス出口12Cはカソード5Cよりも鉛直方向上側にあるので、カソードガス流路14Cの全てに水を貯めることができる。カソードガス流路14Cに貯まった水は、カソード5C側から電解質膜4を常に濡らし、電解質膜4を透過してアノード5Aにも水を供給することができる。
In the
まず、電気化学デバイス10に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス10のアノード5Aに供給されて、水素生成システム70が運転している時の水素純化効率を計算する。
First, the hydrogen purification efficiency when the
ガス供給手段16がアノード5Aに供給する水素含有ガスは、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%に加湿されている。
The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 to the
また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.00146%で、二酸化炭素の含有比率が14.6%で、水素の含有比率が58.4%である。 The hydrogen-containing gas has a carbon monoxide content of 0.00146%, a carbon dioxide content of 14.6%, and a hydrogen content of 58.4%.
次に、電源17にてアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90(A)の電流値で流す。
Next, a current in the direction of flowing from the
そして、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。
Then, the amount of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 16 to the
この時、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は、0.75(V)となり、(数3)より水素純化効率は、19.1となる。
At this time, the voltage between the
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム60の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流値が90(A)の電流を流し、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%の水素含有ガスを燃料利用率が90%となるようにアノード5Aに供給している時に、水素含有ガスを10秒間に一度、2秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス10に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを1分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
Next, the behavior of the
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は0.076(V)であり、水素純化効率は18.8となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下はほとんど見られなかった。
After the operation in which the hydrogen-containing gas is deficient, when the operation is performed under the original operating conditions in which the hydrogen-containing gas is not deficient, the voltage between the
以上のように、本実施の形態の水素生成システム70においては、実施の形態2の水素生成システム60と、電気化学デバイス10の向きが違っており、本実施の形態の水素生成システム70では、電解質膜4に対して、アノード5Aが鉛直方向下側に、カソード5Cが鉛直方向上側にある構成であり、カソードガス流路14Cの全てに水を貯めることができる。
As described above, in the
この構成により、カソードガス流路14Cに貯めた水を、電解質膜4に浸透させてアノード5Aへ供給することができ、アノード5A内における水の偏りや欠乏を減少させることができる。
With this configuration, the water stored in the cathode
したがって、アノード5Aに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、水の偏りがないために酸化腐食反応が局所集中することがなく、アノー
ド触媒層3Aの導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。
Therefore, even if an oxidative corrosion reaction of carbon occurs when the hydrogen-containing gas supplied to the
また、アノード5Aにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層13Aの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制することができる。
Further, in the
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。 In the present embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, but the composition is not limited to this as long as it contains hydrogen.
なお、本実施の形態では、電気化学デバイス10を、電解質膜4に対してカソード5Cが鉛直方向上側になるように、電解質膜4の主面を水平に設置したが、これに限らず、電解質膜4の主面が正確に水平でなく、水平に対して、多少、傾斜していても、構わない。
In the present embodiment, the
(実施の形態4)
図4は、本発明の実施の形態4における水素生成システムの概略図を示すものである。
(Embodiment 4)
FIG. 4 shows a schematic diagram of the hydrogen generation system according to the fourth embodiment of the present invention.
本発明の実施の形態4における水素生成システム80は、実施の形態1における水素生成システム50のアノード側セパレータ1Aの外側にアノードヒーター19Aを設けるとともに、カソード側セパレータ1Cの外側にカソードヒーター19Cを設けている。
In the
さらにアノードヒーター19Aとカソードヒーター19Cを制御するための温度調節器18を設けた構成である。この構成以外は、実施の形態1と同じ構成であり、重複する説明を省略する。
Further, the
まず、電気化学デバイス10に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス10のアノード5Aに供給されて、水素生成システム80が運転している時の水素純化効率を計算する。
First, the hydrogen purification efficiency when the
ガス供給手段16がアノード5Aに供給する水素含有ガスは、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%に加湿されている。また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.00146%で、二酸化炭素の含有比率が14.6%で、水素の含有比率が58.4%である。
The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 to the
アノードヒーター19Aの温度は73℃に設定し、カソードヒーター19Cの温度は65℃に設定した。
The temperature of the
次に、電源17にてアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90(A)の電流値で流す。
Next, a current in the direction of flowing from the
そして、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。
Then, the amount of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 16 to the
この時、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は、0.068(V)となったので、(数3)より水素純化効率は、21.1となった。
At this time, the voltage between the
以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム80について、その動作、作用を説明する。
The operation and operation of the
電気化学デバイス10のカソードガス出口12Cは、カソード5C(カソードガス流路14C)よりも鉛直方向上側にあるので、カソードガス流路14Cの全てに水を貯めることができる。
Since the
さらに、アノードヒーター19Aの温度をカソードヒーター19Cよりも高温に(カソードヒーター19Cの温度をアノードヒーター19Aよりも低温に)設定する。
Further, the temperature of the
これにより、そのような温度条件にしない場合と比べて、カソード5C側では、カソード5Cに浸透した水蒸気を結露させて液水に状態変化させて、カソードガス流路14Cに水をより貯め易くなる。
As a result, on the
また、そのような温度条件にしない場合と比べて、アノード5A側では、アノードガス流路14Aで加湿された水素含有ガスの結露を抑制することにより、アノード触媒層3Aへ燃料となる水素が到達し易くなり、水素含有ガスの拡散による拡散過電圧を下げる効果が得られる。
Further, as compared with the case where such a temperature condition is not set, hydrogen as a fuel reaches the
また、カソードガス流路14Cに貯まった水は、カソード5C側から電解質膜4を常に濡らし、電解質膜4を透過してアノード5Aにも、水を供給することができる。
Further, the water stored in the cathode
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム80の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流値が90(A)の電流を流し、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%の水素含有ガスを燃料利用率が90%となるようにアノード5Aに供給している時に、水素含有ガスを10秒間に一度、2秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス10に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを1分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
Next, the behavior of the
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は、0.069(V)であり、水素純化効率は20.9となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下はほとんど見られなかった。
After the operation in which the hydrogen-containing gas was deficient, when the operation was performed under the original operating conditions in which the hydrogen-containing gas was not deficient, the voltage between the
以上のように、本実施の形態においては、電気化学デバイス10にヒーターを付けて、アノード5Aの温度をカソード5Cよりも高く(カソード5Cの温度をアノード5Aよりも低く)制御できる構成にしている。
As described above, in the present embodiment, the
これにより、アノード5Aとカソード5Cの温度の関係をそのようにしない場合と比べて、カソードガス流路14Cでは、水を貯め易くなるので、カソードガス流路14Cに貯めた水を電解質膜4に浸透させてアノード5Aへ確実に供給することができる。
As a result, it becomes easier to store water in the cathode
しがって、アノード5Aに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、アノード5Aに水の偏りや不足が起こりにくいので、カーボンの酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。
Therefore, even if the oxidative corrosion reaction of carbon occurs when the hydrogen-containing gas supplied to the
また、アノード5Aにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層13Aの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。
Further, in the
以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制することができる。 From the above, even if a deficiency of the hydrogen-containing gas occurs, it is possible to suppress a decrease in the hydrogen purification efficiency of the electrochemical device.
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。 In the present embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, but the composition is not limited to this as long as it contains hydrogen.
なお、本実施の形態では、ヒーターを各々のセパレータの外側に配置したが、セパレータ内部に設けてもよい。 In the present embodiment, the heater is arranged outside each separator, but the heater may be provided inside the separator.
(実施の形態5)
図5は、本発明の実施の形態5における水素生成システムの概略図を示すものである。
(Embodiment 5)
FIG. 5 shows a schematic diagram of the hydrogen generation system according to the fifth embodiment of the present invention.
本発明の実施の形態5における水素生成システム90は、実施の形態1の水素生成システム50のカソードガス流路14Cの鉛直方向下側に、カソードガス流路14Cと連通するカソード水入口11Cを設けて、カソード水入口11Cと水供給手段20とを水供給配管21で接続した構成である。
The
水供給手段20には、水ポンプを用いる。この構成以外は、実施の形態1の水素生成システム50と同じ構成であり、重複する説明を省略する。
A water pump is used as the water supply means 20. Other than this configuration, the configuration is the same as that of the
まず、実施の形態1と同様に、電気化学デバイス10に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス10のアノード5Aに供給されて、水素生成システム90が運転している時の水素純化効率を計算する。
First, as in the first embodiment, a sufficient amount of hydrogen-containing gas is supplied to the
ガス供給手段16がアノード5Aに供給する水素含有ガスは、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%に加湿されている。
The hydrogen-containing gas supplied by the gas supply means 16 to the
また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が0.00146%で、二酸化炭素の含有比率が14.6%で、水素の含有比率が58.4%である。 The hydrogen-containing gas has a carbon monoxide content of 0.00146%, a carbon dioxide content of 14.6%, and a hydrogen content of 58.4%.
水供給手段20から、水供給配管21とカソード水入口11Cを介して、水をカソードガス流路14Cに供給し、カソードガス出口12Cから溢れたら水の供給を止める。
Water is supplied from the water supply means 20 to the cathode
電源17にてアノード5Aとカソード5Cとの間に、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ流れる方向の電流を90(A)の電流値で流す。
A current in the direction of flowing from the
そして、燃料利用率が90%になるように、ガス供給手段16から電気化学デバイス10への水素含有ガス供給量を調整する。
Then, the amount of hydrogen-containing gas supplied from the gas supply means 16 to the
この時、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は、0.079(V)となり、(数3)より水素純化効率は、18.1となる。
At this time, the voltage between the
以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム90について、その動作、作用を説明する。
The operation and operation of the
この構成によって、カソードガス出口12Cは、カソード5C(カソードガス流路14C)よりも鉛直方向上側にあるので、カソードガス流路14Cの全てに水を貯めることができる。
With this configuration, since the
さらに、水供給手段20とカソード水入口11Cにより、カソードガス流路14Cの鉛直下側から水を供給することにより、電気化学デバイス10の温度や周辺温度に依らず、カソードガス流路14Cに任意の量の水を確実に貯めることができる。
Further, by supplying water from the vertically lower side of the cathode
そして、カソードガス流路14Cに貯まった水は、カソード5C側から電解質膜4を常に濡らし、電解質膜4を透過してアノード5Aにも水を供給することができる。
Then, the water stored in the cathode
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム60の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード5Aから電解質膜4を介してカソード5Cへ電流値が90(A)の電流を流し、ガス温度が70℃で、相対湿度が90%の水素含有ガスを燃料利用率が90%でアノード5Aに流している時に、水素含有ガスを10秒間に一度、2秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス10に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを1分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
Next, the behavior of the
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス10のアノード5Aとカソード5Cとの間の電圧は0.080(V)であり、水素純化効率は17.9となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下は、ほとんど見られなかった。
After the operation in which the hydrogen-containing gas is deficient, when the operation is performed under the original operating conditions in which the hydrogen-containing gas is not deficient, the voltage between the
以上のように、本実施の形態においては、電気化学デバイス10のカソードガス流路14Cの鉛直方向下側に、カソードガス流路14Cと連通するカソード水入口11Cを設けて、カソード水入口11Cと水供給手段20とを水供給配管21で接続した構成により、カソードガス流路14Cに確実に水を貯めてアノード5Aの水の偏りや不足をなくすことができる。
As described above, in the present embodiment, the
これにより、アノード5Aに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、酸化腐食反応が局所集中することなく、アノード触媒層3Aの導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制することができる。
As a result, even if an oxidative corrosion reaction of carbon occurs when the hydrogen-containing gas supplied to the
また、酸化腐食反応が起こる時には、アノード5Aにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層13Aの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。
Further, when an oxidative corrosion reaction occurs, the corrosive carbon of the
以上のことから、アノード5Aに供給する水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイス10の水素純化効率の低下を抑制することができる。
From the above, even if the hydrogen-containing gas supplied to the
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。 In the present embodiment, the composition of the hydrogen-containing gas is carbon monoxide, carbon dioxide, and hydrogen, but the composition is not limited to this as long as it contains hydrogen.
なお、本実施の形態では、水供給手段20として、水ポンプを用いたが、水を供給できるものであれば、これに限らない。 In the present embodiment, a water pump is used as the water supply means 20, but the present invention is not limited to this as long as it can supply water.
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素含有ガスの欠乏が起こった時に、アノードの触媒担持カーボンの酸化腐食によって起こる、触媒の欠落による反応面積の低下を抑制できる。このため、電解質膜-電極接合体を用いて、水素含有ガスから、高純度の水素を生成する電気化学デバイスを備えた水素生成システムに最適である。 As described above, the hydrogen generation system according to the present invention can suppress the decrease in the reaction area due to the lack of the catalyst caused by the oxidative corrosion of the catalyst-supported carbon of the anode when the deficiency of the hydrogen-containing gas occurs. Therefore, it is most suitable for a hydrogen generation system equipped with an electrochemical device that generates high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas using an electrolyte membrane-electrode assembly.
1A アノード側セパレータ
1C カソード側セパレータ
2A アノードガス拡散層
2C カソードガス拡散層
3A アノード触媒層
3C カソード触媒層
4 電解質膜
5A アノード
5C カソード
9 電解質膜-電極接合体
10 電気化学デバイス
11A アノードガス入口
11C カソード水入口
12A アノードガス出口
12C カソードガス出口
13A 腐食用カーボン層
14A アノードガス流路
14C カソードガス流路
15 ガス供給配管
16 ガス供給手段
17 電源
18 温度調節器
19A アノードヒーター
19C カソードヒーター
20 水供給手段
21 水供給配管
50 水素生成システム
60 水素生成システム
70 水素生成システム
80 水素生成システム
90 水素生成システム
1A Cathode side separator 1C
Claims (3)
前記水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、
前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、
前記カソード側セパレータは、前記カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、前記カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、
前記電気化学デバイスは、前記カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、
前記アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、を有し、
前記腐食用カーボンは、前記アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易く、前記カソード側セパレータの温度は、前記アノード側セパレータの温度よりも、低いことを特徴とする水素生成システム。 An electrolyte membrane-electrode junction composed of an anode and an anode arranged on one surface of the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other surface, and arranged on both outer sides of the anode and the cathode. It has an anode-side separator and a cathode-side separator, and supplies hydrogen-containing gas to the anode and causes a current in a predetermined direction to flow between the anode and the cathode to generate hydrogen at the cathode. With electrochemical devices,
A gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas to the anode,
A power source for passing an electric current between the anode and the cathode of the electrochemical device is provided.
The cathode-side separator has a cathode gas flow path provided on a surface abutting the cathode and a cathode gas outlet communicating with the cathode gas flow path.
The electrochemical device is a hydrogen generation system that generates hydrogen in a state where water is stored in the cathode gas flow path.
The anode has at least an anode catalyst layer made of carbon carrying a catalyst, at least a corrosive carbon not supporting a catalyst, and a carbon or non-carbon gas diffusion layer.
A hydrogen generation system , wherein the corrosive carbon is more easily oxidatively corroded than other carbon constituting the anode, and the temperature of the cathode side separator is lower than the temperature of the anode side separator .
前記水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、A gas supply means for supplying the hydrogen-containing gas to the anode,
前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、A power source for passing an electric current between the anode and the cathode of the electrochemical device is provided.
前記カソード側セパレータは、前記カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、前記カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、The cathode-side separator has a cathode gas flow path provided on a surface abutting the cathode and a cathode gas outlet communicating with the cathode gas flow path.
前記電気化学デバイスは、前記カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、The electrochemical device is a hydrogen generation system that generates hydrogen in a state where water is stored in the cathode gas flow path.
前記アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、を有し、The anode has at least an anode catalyst layer made of carbon carrying a catalyst, at least corrosive carbon not supporting a catalyst, and a carbon or non-carbon gas diffusion layer.
前記腐食用カーボンは、前記アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易く、前記カソード側セパレータは、前記カソードガス流路に注水するための水供給入口を有することを特徴とする水素生成システム。The corrosive carbon is more susceptible to oxidative corrosion than other carbons constituting the anode, and the cathode side separator has a water supply inlet for injecting water into the cathode gas flow path. ..
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