WO2019187211A1 - 水素生成システムとその運転方法 - Google Patents

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隆宏 藤井
規寿 吉本
光生 吉村
聡司 大谷
安本　栄一
尾関　正高
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Definitions

  • the present disclosure relates to a hydrogen generation system that generates high-purity hydrogen from a hydrogen-containing gas using an electrochemical device, and an operation method thereof.
  • the hydrogen generation system is a system that generates high-purity hydrogen from a mixed gas containing hydrogen using an electrochemical reaction.
  • This hydrogen generation system includes, for example, an electrochemical device in which an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) provided with an anode and a cathode is sandwiched by a pair of separators on both sides of an electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. ing.
  • MEA electrolyte membrane-electrode assembly
  • a mixed gas containing hydrogen is supplied to the anode of the electrochemical device so that a current in a predetermined direction flows between the anode and the cathode so that the anode side has a higher potential than the cathode side.
  • an oxidation reaction occurs in which hydrogen shown in (Chemical Formula 1) is dissociated into protons (H + ) and electrons.
  • a reduction reaction in which hydrogen is generated from protons (H + ) and electrons shown in (Chemical Formula 2) occurs.
  • the mixed gas containing hydrogen supplied to the hydrogen generation system is, for example, a hydrocarbon-based fuel such as 13A gas or propane gas by a fuel processor, steam reforming, partial oxidation reforming, or autothermal reforming. It is generated by doing.
  • the mixed gas containing hydrogen produced here contains impurities such as nitrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and ammonia, and the purity of hydrogen is low.
  • a method of generating hydrogen with increased purity from the cathode by supplying the mixed gas containing hydrogen of low purity thus obtained to the anode and passing a direct current in a predetermined direction between the anode and the cathode.
  • a direct current in a predetermined direction between the anode and the cathode Is disclosed (for example, see Patent Document 1).
  • the current value to be energized is not determined based on the required amount of hydrogen
  • the current value of the current flowing through the electrochemical cell is a mixture containing supplied hydrogen.
  • the mixed gas containing hydrogen is discharged from the anode.
  • the present disclosure solves the above-described conventional problems, suppresses deterioration of the anode catalyst due to hydrogen deficiency, and can generate high-purity hydrogen without wastefully discharging a mixed gas containing hydrogen. It is an object of the present invention to provide a generation system and an operation method thereof.
  • the hydrogen generation system includes an electrochemical device, a supply unit, a power source, and a controller.
  • the electrochemical device has an electrolyte membrane-electrode assembly in which both main surfaces of the electrolyte membrane are sandwiched between the anode and the cathode, and a current in a predetermined direction is passed between the anode and the cathode to be supplied to the anode. Then, hydrogen is generated at the cathode from a mixed gas containing hydrogen.
  • Supplied part supplies the mixed gas to the anode of the electrochemical device.
  • the power source passes a current in a predetermined direction between the anode and the cathode of the electrochemical device.
  • the controller controls the power supply so that the current value of the current flowing from the power supply to the electrochemical device is set to a current value calculated based on the supply amount of the mixed gas supplied to the electrochemical device.
  • the hydrogen generation system of the present disclosure since the current calculated based on the supply amount of the mixed gas containing hydrogen is supplied to the electrochemical device, the high purity gas can be discharged without wastefully discharging the mixed gas containing hydrogen. Hydrogen can be produced.
  • the hydrogen generation system of the present disclosure can suppress deterioration of the anode catalyst due to hydrogen deficiency, and can generate high-purity hydrogen over a long period of time.
  • FIG. 1 is a block diagram of a hydrogen generation system according to Embodiments 1 and 2 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a control process of the hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control process of the hydrogen generation system according to Embodiment 2 of the present disclosure.
  • the hydrogen generation system includes an electrochemical device, a supply unit, a power source, and a controller.
  • the electrochemical device has an electrolyte membrane-electrode assembly in which both main surfaces of the electrolyte membrane are sandwiched between the anode and the cathode, and a current in a predetermined direction is passed between the anode and the cathode to be supplied to the anode. Hydrogen is generated from the mixed gas containing hydrogen at the cathode.
  • Supplied part supplies the mixed gas to the anode of the electrochemical device.
  • the power source passes a current in a predetermined direction between the anode and the cathode of the electrochemical device.
  • the controller controls the power supply so that the current value of the current flowing from the power supply to the electrochemical device is set to a current value calculated based on the supply amount of the mixed gas supplied to the electrochemical device.
  • the hydrogen generation system further includes a current measuring instrument that measures the current value of the current flowing through the electrochemical device, in addition to the first aspect.
  • the controller determines that the absolute value of the ratio of the difference between the current value and the measured value measured by the current measuring device with respect to the current value calculated based on the supply amount of the mixed gas supplied to the electrochemical device is within a predetermined range.
  • the power supply is controlled so as to be within.
  • a third aspect of the present disclosure is an operation method of a hydrogen generation system including an electrochemical device, a supply unit, a power source, and a controller.
  • An electrochemical device has an electrolyte membrane-electrode assembly in which both main surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched between an anode and a cathode, a mixed gas containing hydrogen is supplied to the anode, and a predetermined direction is provided between the anode and the cathode. By passing a current, hydrogen is generated at the cathode.
  • a supply part supplies mixed gas to the anode of an electrochemical device.
  • the power source passes a current in a predetermined direction between the anode and the cathode of the electrochemical device.
  • the operation method of the hydrogen generation system includes a step of setting the current value of the current flowing from the power source to the electrochemical device to the current value calculated based on the supply amount of the mixed gas supplied to the electrochemical device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a control process of the hydrogen generation system according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • the hydrogen generation system 1 of the present embodiment includes an electrochemical device 2, a power source 6, a supply unit 7, a flow control valve 8, a supply pipe 9, a controller 10, a current measuring instrument 11, and an outlet pipe. 12 and a discharge port 13.
  • Electrochemical device 2 has a configuration in which both main surfaces of electrolyte membrane 3 are sandwiched between anode 4 and cathode 5.
  • the power source 6 sets the anode 4 side to a higher potential than the cathode 5 side, and allows a current in a predetermined direction to flow between the anode 4 and the cathode 5.
  • the supply pipe 9 connects the supply unit 7 and the electrochemical device 2.
  • the supply unit 7 supplies a mixed gas containing hydrogen to the electrochemical device 2 through the supply pipe 9.
  • the flow rate control valve 8 is provided in the supply pipe 9 and controls the flow rate of the mixed gas containing hydrogen flowing through the supply pipe 9.
  • the current measuring device 11 measures the current value of the current flowing through the electrochemical device 2.
  • the controller 10 receives the current value measured by the current measuring device 11 and controls the flow control valve 8 and the power source 6.
  • the outlet pipe 12 discharges hydrogen generated from the cathode 5.
  • the discharge port 13 discharges the mixed gas containing hydrogen from the anode 4.
  • step S01 the supply unit 7 supplies a mixed gas containing hydrogen to the anode 4 of the electrochemical device 2 through the supply pipe 9.
  • step S02 the power supply 6 is turned on to set the anode 4 side to a higher potential than the cathode 5 side.
  • step S03 the controller 10 determines from the supply amount F (L / min) supplied per minute of the mixed gas containing hydrogen supplied from the supply unit 7 and the hydrogen concentration for one minute included in the mixed gas.
  • the amount of hydrogen H (L / min) supplied per unit is estimated.
  • the controller 10 calculates the current value C (A) using the hydrogen amount H and (Equation 1) based on Faraday's electrolysis law.
  • step S04 the controller 10 controls the power source 6 so that the current value of the current flowing from the power source 6 to the electrochemical device 2 is set to the current value C.
  • step S05 the controller 10 sets the current value measured by the current measuring device 11 as the measured value C 0 (A).
  • step S06 the controller 10 determines whether the current value C is larger than the measured value C 0.
  • step S07 the controller 10 increases the current value C. The process returns to step S06 again. If the current value C is not greater than the measured value C 0, the processing proceeds to step S08.
  • step S08 the controller 10 determines whether the current value C is smaller than the measured value C 0. If the current value C is smaller than the measured value C 0, in step S09, the controller 10 reduces the current value C. The process returns to step S06 again. If the current value C is not smaller than the measured value C 0 , that is, if the current value C is the same as the measured value C 0 , the process returns to step S 06 again.
  • the hydrogen generation system 1 includes the electrochemical device 2, the power source 6, the supply unit 7, the flow rate control valve 8, and the controller 10.
  • the electrochemical device 2 has an electrolyte membrane-electrode assembly in which both main surfaces of the electrolyte membrane 3 are sandwiched between the anode 4 and the cathode 5, and a mixed gas containing hydrogen is supplied to the anode 4. Hydrogen is generated at the cathode 5 by passing a current in a predetermined direction between the cathode 5 and the cathode 5.
  • the supply unit 7 supplies a mixed gas to the anode 4 of the electrochemical device 2.
  • the flow control valve 8 controls the flow rate of the mixed gas from the supply unit 7 to the anode 4.
  • the power source 6 sets the anode 4 side to a higher potential than the cathode 5 side, and causes a current in a predetermined direction to flow between the anode 4 and the cathode 5 of the electrochemical device 2.
  • Controller 10 controls flow control valve 8 and power supply 6.
  • the controller 10 controls the power supply 6 so that a current calculated based on the supply amount of the mixed gas containing hydrogen supplied to the anode 4 of the electrochemical device 2 flows.
  • high-purity hydrogen can be generated without wastefully discharging a mixed gas containing hydrogen. Catalyst degradation of the anode 4 due to hydrogen deficiency can also be suppressed. As a result, a system that generates high-purity hydrogen can be provided.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of the hydrogen generation system of the present embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a control process of the hydrogen generation system 1 according to the second embodiment of the present disclosure.
  • step S21 a mixed gas containing hydrogen is supplied from the supply unit 7 to the anode 4 of the electrochemical device 2 through the supply pipe 9.
  • step S22 the power supply 6 is turned on to set the anode 4 side to a higher potential than the cathode 5 side.
  • step S23 the controller 10 is supplied per minute contained in the mixed gas from the supply amount F and the hydrogen concentration supplied per minute of the mixed gas containing hydrogen supplied from the supply unit 7. Estimate the amount of hydrogen H.
  • the controller 10 calculates the current value C using the hydrogen amount H and (Equation 1) based on Faraday's law of electrolysis.
  • step S ⁇ b> 24 the controller 10 controls the power supply 6 so that the current value of the current flowing from the power supply 6 to the electrochemical device 2 is set to the current value C.
  • step S25 the controller 10 sets the current value measured by the current measuring device 11 and the measured value C 0.
  • step S ⁇ b> 26 the controller 10 calculates the accuracy ⁇ from the current value C and the measured value C 0 measured by the current measuring device 11 using (Equation 2). That is, the accuracy ⁇ is the absolute value of the ratio of the difference between the current value C and the measured value C 0 measured by the current measuring device 11 with respect to the current value C.
  • step S27 the controller 10 compares the accuracy ⁇ with the allowable accuracy.
  • the allowable accuracy is 0.01. If the accuracy ⁇ is equal to or smaller than the allowable accuracy, the process returns to S25.
  • step S28 the controller 10 compares the measured value C 0 and the current value C. If the current value C is larger than the measured value C 0, in step S29, the controller 10 increases the current value C. The process returns to step S25.
  • step S30 the controller 10 reduces the current value C. The process returns to step S25.
  • the hydrogen generation system 1 includes the electrochemical device 2, the power source 6, the supply unit 7, the flow rate control valve 8, and the controller 10.
  • the electrochemical device 2 has an electrolyte membrane-electrode assembly in which both main surfaces of the electrolyte membrane 3 are sandwiched between the anode 4 and the cathode 5, and a mixed gas containing hydrogen is supplied to the anode 4. Hydrogen is generated at the cathode 5 by passing a current in a predetermined direction between the cathode 5 and the cathode 5.
  • the supply unit 7 supplies a mixed gas to the anode 4 of the electrochemical device 2.
  • the flow control valve 8 controls the flow rate of the mixed gas from the supply unit 7 to the anode 4.
  • the power source 6 sets the anode 4 side to a higher potential than the cathode 5 side, and causes a current in a predetermined direction to flow between the anode 4 and the cathode 5 of the electrochemical device 2.
  • Controller 10 controls flow control valve 8 and power supply 6.
  • the controller 10 calculates a current value based on the supply amount of the mixed gas containing hydrogen supplied to the anode 4 of the electrochemical device 2.
  • the controller 10 controls the power supply 6 so that the current value of the current flowing through the electrochemical device 2 is within a predetermined range.
  • High-purity hydrogen can be generated without wastefully discharging a mixed gas containing hydrogen. Catalyst degradation of the anode 4 due to hydrogen deficiency can also be suppressed. As a result, a system that generates high-purity hydrogen can be provided.
  • high-purity hydrogen can be generated without wastefully discharging a mixed gas containing hydrogen. Therefore, the present invention can be applied to a hydrogen generation system that produces high-purity hydrogen from a mixed gas containing hydrogen and impurities using an electrochemical device.

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Abstract

水素生成システムは、電気化学デバイスと供給部と電源と制御器とを備える。電気化学デバイスは、アノードとカソード間に電流を流すことで、アノードに供給された、水素を含む混合ガスから、カソードにおいて水素を生成する。供給部は、電気化学デバイスに混合ガスを供給する。電源は、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す。制御器は、電気化学デバイスに供給された混合ガスの供給量に基づいて算出された電流値を、電源から電気化学デバイスに流れる電流の電流値に設定するように、電源を制御する。本態様によれば、水素欠乏によるアノードの触媒の劣化を抑制して、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を生成することができる。

Description

水素生成システムとその運転方法
　本開示は、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから純度の高い水素を生成する水素生成システムとその運転方法に関する。
　水素生成システムは、水素を含む混合ガスから電気化学反応を利用して、高純度水素を生成するシステムである。この水素生成システムは、例えば、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜の両側に、アノードおよびカソードを設けた電解質膜－電極接合体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した電気化学デバイスを備えている。
　電気化学デバイスのアノードに水素を含む混合ガスを供給し、アノード側がカソード側よりも高電位になるようにして、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す。これにより、アノードでは、（化１）に示す水素がプロトン（Ｈ＋）と電子とに解離する酸化反応が起こる。カソードでは、（化２）に示すプロトン（Ｈ＋）と電子とから水素が生成する還元反応が起こる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
　以上の反応により、アノードに供給された水素を含む混合ガスから、水素を分離してカソードから高純度の水素を生成することができる。
　ここで、アノードとカソードとの間を流れる電流の電流値を大きくすると、アノードで混合ガスから分離されカソードで生成される水素量が多くなる。逆に、この電流値を小さくすると、アノードで分離されカソードで生成される水素量は少なくなる。
　上記水素生成システムに供給される水素を含む混合ガスは、例えば、燃料処理器によって炭化水素系の燃料、例えば１３Ａガスやプロパンガスなどを、水蒸気改質、部分酸化改質、またはオートサーマル改質することにより生成される。ここで生成された水素を含む混合ガスには、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニアなどの不純物が含まれており、水素純度は低い。
　このようにして得られた純度の低い水素を含む混合ガスをアノードに供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の直流電流を流すことで、純度が高められた水素をカソードから生成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特公昭６２－５９１８４号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された従来の構成では、要求される水素量に基づいて通電する電流値が決定されていないため、電気化学セルに流れる電流の電流値が、供給する水素を含む混合ガスに対して小さい場合、アノードから水素を含む混合ガスが無駄に排出される。
　電気化学セルに流れる電流の電流値が、供給する水素を含む混合ガスに対して大きい場合、（化１）の反応式で水素が欠乏した状態となり、アノードに用いられる触媒が水素欠乏により劣化する。
　本開示は、上記従来の問題を解決するもので、水素欠乏によるアノードの触媒の劣化を抑制し、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を生成することができる水素生成システムとその運転方法を提供することを目的とする。
　本開示の一態様の水素生成システムは、電気化学デバイスと供給部と電源と制御器とを備える。
　電気化学デバイスは、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜－電極接合体を有し、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、アノードに供給された、水素を含む混合ガスから、カソードにおいて水素を生成する。
　供給部は、電気化学デバイスのアノードに混合ガスを供給する。電源は、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す。制御器は、電源から電気化学デバイスに流れる電流の電流値を、電気化学デバイスに供給された混合ガスの供給量に基づいて算出された電流値に設定するように、電源を制御する。
　本開示の水素生成システムは、供給される水素を含む混合ガスの供給量に基づいて算出された電流を電気化学デバイスに流すので、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を生成することができる。本開示の水素生成システムは、水素欠乏によるアノードの触媒の劣化も抑制でき、長期にわたって高純度の水素を生成することができる。
図１は、本開示の実施の形態１および２に係る水素生成システムのブロック図である。 図２は、本開示の実施の形態１に係る水素生成システムの制御処理を示すフローチャートである。 図３は、本開示の実施の形態２に係る水素生成システムの制御処理を示すフローチャートである。
　本開示の第１の態様の水素生成システムは、電気化学デバイスと供給部と電源と制御器とを備える。
　電気化学デバイスは、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜－電極接合体を有し、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、アノードに供給された水素を含む混合ガスから、カソードにおいて水素を生成する。
　供給部は、電気化学デバイスのアノードに混合ガスを供給する。電源は、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す。制御器は、電源から電気化学デバイスに流れる電流の電流値を、電気化学デバイスに供給された混合ガスの供給量に基づいて算出された電流値に設定するように、電源を制御する。
　本開示の第２の態様の水素生成システムは、第１の態様に加えて、電気化学デバイスに流れる電流の電流値を計測する電流測定器をさらに備える。制御器は、電気化学デバイスに供給された混合ガスの供給量に基づいて算出された電流値に対する、電流値と電流測定器により計測された測定値との差の割合の絶対値が所定の範囲内に収まるように、電源を制御する。
　本開示の第３の態様は、電気化学デバイスと供給部と電源と制御器とを備えた水素生成システムの運転方法である。
　電気化学デバイスは、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜－電極接合体を有し、アノードに水素を含む混合ガスを供給し、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。供給部は、電気化学デバイスのアノードに混合ガスを供給する。電源は、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す。
　この水素生成システムの運転方法は、電源から電気化学デバイスに流れる電流の電流値を、電気化学デバイスに供給された混合ガスの供給量に基づいて算出された電流値に設定するステップを備える。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１に係る水素生成システムの概略構成を示すブロック図である。図２は、本開示の実施の形態１に係る水素生成システムの制御処理を示すフローチャートである。
　図１に示すように、本実施の形態の水素生成システム１は、電気化学デバイス２と電源６と供給部７と流量制御弁８と供給配管９と制御器１０と電流測定器１１と出口配管１２と排出口１３とを備える。
　電気化学デバイス２は、電解質膜３の両主面がアノード４とカソード５とで挟まれた構成を備える。電源６は、アノード４側をカソード５側よりも高電位に設定して、アノード４とカソード５との間に所定方向の電流を流す。
　供給配管９は、供給部７と電気化学デバイス２とを繋ぐ。供給部７は、供給配管９を通して、水素を含む混合ガスを電気化学デバイス２に供給する。流量制御弁８は、供給配管９に設けられ、供給配管９に流れる、水素を含む混合ガスの流量を制御する。
　電流測定器１１は、電気化学デバイス２に流れる電流の電流値を計測する。制御器１０は、電流測定器１１により計測された電流値を受け、流量制御弁８と電源６とを制御する。
　出口配管１２は、カソード５から生成される水素を排出する。排出口１３は、アノード４から水素を含む混合ガスを排出する。
　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１について、以下、その動作、作用を図１および図２を参照しながら説明する。
　ステップＳ０１において、供給部７が、水素を含む混合ガスを供給配管９を通して電気化学デバイス２のアノード４に供給する。ステップＳ０２において、アノード４側をカソード５側よりも高電位に設定するために、電源６がＯＮされる。
　ステップＳ０３において、制御器１０は、供給部７から供給される水素を含む混合ガスの１分間あたりに供給される供給量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）と水素濃度とから、混合ガスに含まれる１分間あたりに供給される水素量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）を見積もる。制御器１０は、ファラデーの電気分解の法則に基づいて、水素量Ｈと（数１）とを用いて電流値Ｃ（Ａ）を算出する。
　ステップＳ０４において、制御器１０は、電源６から電気化学デバイス２に流れる電流の電流値を電流値Ｃに設定するように、電源６を制御する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ステップＳ０５において、制御器１０は、電流測定器１１により測定された電流値を測定値Ｃ０（Ａ）とする。ステップＳ０６において、制御器１０は、電流値Ｃが測定値Ｃ０よりも大きいか否かを判定する。
　電流値Ｃが、測定値Ｃ０よりも大きい場合は、ステップＳ０７において、制御器１０は電流値Ｃを大きくする。処理は再びステップＳ０６に戻る。電流値Ｃが測定値Ｃ０よりも大きくない場合は、処理はステップＳ０８に移行する。
　ステップＳ０８において、制御器１０は、電流値Ｃが測定値Ｃ０よりも小さいか否かを判定する。電流値Ｃが測定値Ｃ０よりも小さい場合は、ステップＳ０９において、制御器１０は電流値Ｃを小さくする。処理は再びステップＳ０６に戻る。電流値Ｃが測定値Ｃ０よりも小さくない場合、すなわち電流値Ｃが測定値Ｃ０と同じ場合は、処理は再びステップＳ０６に戻る。
　以上のように、本実施の形態の水素生成システム１は、電気化学デバイス２と電源６と供給部７と流量制御弁８と制御器１０とを備える。
　電気化学デバイス２は、電解質膜３の両主面をアノード４とカソード５とで挟んだ電解質膜－電極接合体を有し、アノード４に水素を含む混合ガスを供給し、アノード４とカソード５との間に所定方向の電流を流すことで、カソード５において水素を生成する。
　供給部７は、電気化学デバイス２のアノード４に混合ガスを供給する。流量制御弁８は、供給部７からアノード４への混合ガスの流量を制御する。電源６は、アノード４側をカソード５側よりも高電位に設定して、電気化学デバイス２のアノード４とカソード５との間に所定方向の電流を流す。
　制御器１０は、流量制御弁８と電源６とを制御する。制御器１０は、電気化学デバイス２のアノード４に供給された、水素を含む混合ガスの供給量に基づいて算出された電流を流すように、電源６を制御する。
　上記構成により、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を生成することができる。水素欠乏によるアノード４の触媒劣化も抑制することができる。その結果、高純度の水素を生成するシステムを提供することができる。
　（実施の形態２）
　本開示の実施の形態２の水素生成システムのブロック図は、実施の形態１と同じである。従って、図１は、本実施の形態の水素生成システムの概略構成を示す。
　図３は、本開示の実施の形態２に係る水素生成システム１の制御処理を示すフローチャートである。
　図１および図３を参照しながら、本実施の形態の水素生成システム１の動作、作用について説明する。
　ステップＳ２１において、水素を含む混合ガスが、供給部７から供給配管９を通して電気化学デバイス２のアノード４に供給される。ステップＳ２２において、アノード４側をカソード５側よりも高電位に設定するために、電源６がＯＮされる。
　ステップＳ２３において、制御器１０は、供給部７から供給される水素を含む混合ガスの１分間あたりに供給される供給量Ｆと水素濃度とから、混合ガスに含まれる１分間あたりに供給される水素量Ｈを見積もる。制御器１０は、ファラデーの電気分解の法則に基づいて、水素量Ｈと（数１）とを用いて電流値Ｃを算出する。
　ステップＳ２４において、制御器１０は、電源６から電気化学デバイス２に流れる電流の電流値を電流値Ｃに設定するように、電源６を制御する。ステップＳ２５において、制御器１０は、電流測定器１１により測定された電流値を測定値Ｃ０とする。
　ステップＳ２６において、制御器１０は、（数２）を用いて、電流値Ｃと電流測定器１１により測定された測定値Ｃ０とから精度βを算出する。すなわち、精度βとは、電流値Ｃに対する、電流値Ｃと電流測定器１１により測定された測定値Ｃ０との差の割合の絶対値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ステップＳ２７において、制御器１０は、精度βと許容精度とを比較する。本実施の形態において、許容精度は０．０１である。精度βが許容精度と同じか小さい場合は、処理はＳ２５に戻る。
　精度βが許容精度よりも大きい場合は、ステップＳ２８において、制御器１０は、電流値Ｃと測定値Ｃ０とを比較する。電流値Ｃが測定値Ｃ０よりも大きい場合は、ステップＳ２９において、制御器１０は電流値Ｃを大きくする。処理はステップＳ２５に戻る。
　電流値Ｃが測定値Ｃ０よりも小さいか同じ場合は、ステップＳ３０において、制御器１０は電流値Ｃを小さくする。処理はステップＳ２５に戻る。
　以上のように、本実施の形態の水素生成システム１は、電気化学デバイス２と電源６と供給部７と流量制御弁８と制御器１０とを備える。
　電気化学デバイス２は、電解質膜３の両主面をアノード４とカソード５とで挟んだ電解質膜－電極接合体を有し、アノード４に水素を含む混合ガスを供給し、アノード４とカソード５との間に所定方向の電流を流すことで、カソード５において水素を生成する。
　供給部７は、電気化学デバイス２のアノード４に混合ガスを供給する。流量制御弁８は、供給部７からアノード４への混合ガスの流量を制御する。電源６は、アノード４側をカソード５側よりも高電位に設定して、電気化学デバイス２のアノード４とカソード５との間に所定方向の電流を流す。
　制御器１０は、流量制御弁８と電源６とを制御する。制御器１０は、電気化学デバイス２のアノード４に供給された、水素を含む混合ガスの供給量に基づいて電流値を算出する。制御器１０は、電気化学デバイス２に流れる電流の電流値が所定の範囲内に収まるように、電源６を制御する。
　これにより、水素生成システム１の制御を容易にすることができる。水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を生成することができる。水素欠乏によるアノード４の触媒劣化も抑制することができる。その結果、高純度の水素を生成するシステムを提供することができる。
　以上のように、本開示にかかる水素生成システムとその運転方法によれば、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を生成することができる。このため、電気化学デバイスを用いて、水素と不純物を含む混合ガスから純度の高い水素を製造する水素生成システムに適用可能である。
　１　水素生成システム
　２　電気化学デバイス
　３　電解質膜
　４　アノード
　５　カソード
　６　電源
　７　供給部
　８　流量制御弁
　９　供給配管
　１０　制御器
　１１　電流測定器
　１２　出口配管
　１３　排出口

Claims (3)

  1. 　電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜－電極接合体を有し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記アノードに供給された、水素を含む混合ガスから、前記カソードにおいて水素を生成するように構成された電気化学デバイスと、
    　前記電気化学デバイスの前記アノードに前記混合ガスを供給するように構成された供給部と、
    　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所定方向の電流を供給するように構成された電源と、
    　前記電源から前記電気化学デバイスに流れる電流の電流値を、前記電気化学デバイスに供給された前記混合ガスの供給量に基づいて算出された電流値に設定するように、前記電源を制御するように構成された制御器と、を備えた水素生成システム。
  2. 　前記電気化学デバイスに流れる電流の電流値を計測する電流測定器をさらに備え、
    　前記制御器が、前記電気化学デバイスに供給された前記混合ガスの供給量に基づいて算出された前記電流値に対する、前記電流値と前記電流測定器により計測された測定値との差の割合の絶対値が所定の範囲内に収まるように、前記電源を制御するように構成された、請求項１に記載の水素生成システム。
  3. 　電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜－電極接合体を有し、前記アノードに水素を含む混合ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成するように構成された電気化学デバイスと、
    　前記電気化学デバイスの前記アノードに前記混合ガスを供給するように構成された供給部と、
    　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所定方向の電流を流すように構成された電源と、
    　を備えた水素生成システムの運転方法であって、
    　前記電源から前記電気化学デバイスに流れる電流の電流値を、前記電気化学デバイスに供給された前記混合ガスの供給量に基づいて算出された電流値に設定するステップを備えた、水素生成システムの運転方法。
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