[go: up one dir, main page]

WO2020059301A1 - 水素純化器およびその運転方法 - Google Patents

水素純化器およびその運転方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2020059301A1
WO2020059301A1 PCT/JP2019/029395 JP2019029395W WO2020059301A1 WO 2020059301 A1 WO2020059301 A1 WO 2020059301A1 JP 2019029395 W JP2019029395 W JP 2019029395W WO 2020059301 A1 WO2020059301 A1 WO 2020059301A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
hydrogen
cathode
flow path
gas
purified
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2019/029395
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
田口　清
繁 飯山
貴広 楠山
憲有 武田
尾関　正高
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2020548067A priority Critical patent/JPWO2020059301A1/ja
Publication of WO2020059301A1 publication Critical patent/WO2020059301A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a hydrogen purifier including an electrochemical device that generates a purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than a hydrogen-containing gas by utilizing an electrochemical reaction from the hydrogen-containing gas, and a method for operating the hydrogen purifier.
  • the hydrogen purifier includes an electrochemical device that generates a purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the hydrogen-containing gas by utilizing an electrochemical reaction from the hydrogen-containing gas.
  • An electrochemical device is configured, for example, by sandwiching an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) provided with an anode and a cathode on both sides of an electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions by a separator.
  • MEA electrolyte membrane-electrode assembly
  • the hydrogen-containing gas supplied to the hydrogen purifier is obtained by steam-reforming and partially oxidizing hydrocarbon-based fuels, such as city gas and liquefied petroleum gas, using a hydrogen generator having a fuel processor. It is produced by performing quality or autothermal reforming.
  • the generated hydrogen-containing gas contains impurities such as carbon dioxide, methane, nitrogen, carbon monoxide, and water vapor.
  • the hydrogen-containing gas thus obtained is supplied to a cell, that is, an anode of an electrochemical device, and hydrogen is electrochemically separated by passing an electric current between the anode and the cathode, that is, by purifying the hydrogen.
  • a technique for generating purified hydrogen gas There is a technique for generating purified hydrogen gas.
  • the partial pressure of a component for example, impurities such as carbon dioxide and methane
  • the partial pressure of a component for example, impurities such as carbon dioxide and methane
  • impurities such as carbon dioxide and methane permeate the electrolyte membrane due to the partial pressure difference and move to the cathode. For this reason, the hydrogen purity of the purified hydrogen gas discharged from the cathode decreases.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a conventional hydrogen purifier disclosed in Non-Patent Document 1. As shown in FIG.
  • a conventional hydrogen purifier 121 includes a hydrogen-containing gas flow path 101, an electrolyte membrane 102 disposed between an anode 103 and a cathode 104, and a downstream end of the hydrogen-containing gas flow path 101 having an anode.
  • An electrochemical device 105 connected to the cathode 103 and an electrochemical device 115 in which the electrolyte membrane 112 is disposed between the anode 113 and the cathode 114, and the anode 113 is connected to the cathode 104 and the purified hydrogen gas flow path 107.
  • the conventional hydrogen purifier 121 includes a purified hydrogen gas flow path 117 connecting the cathode 114 to the hydrogen utilization device 141, a power source 106 having a positive electrode connected to the anode 103, a negative electrode connected to the cathode 104, and a positive electrode Is connected to the anode 113, a power supply 116 whose negative pole is connected to the cathode 114, an anode off-gas flow passage 108 whose upstream end is connected to the anode 103, and an anode off-gas flow passage 118 whose upstream end is connected to the anode 113. And a controller 131.
  • the hydrogen utilization device 141 is a tank that stores purified hydrogen gas supplied from the hydrogen purifier 121.
  • the electrochemical device 105 and the electrochemical device 115 are connected in series.
  • a hydrogen-containing gas is supplied to the anode 103 from the hydrogen-containing gas flow path 101 and the power supplies 106 and 116 supply current to the electrochemical devices 105 and 115, respectively, the purified hydrogen discharged from the cathode 104 of the electrochemical device 105
  • the gas is supplied to the anode 113 of the electrochemical device 115 via the purified hydrogen gas passage 107, and the purified hydrogen gas discharged from the cathode 114 of the electrochemical device 115 is used for hydrogen utilization through the purified hydrogen gas passage 117. It is supplied to the device 141.
  • the conventional hydrogen purifier 121 can further increase the hydrogen purity of the purified hydrogen gas discharged from the cathode 104 of the electrochemical device 105 with the electrochemical device 115. Thereby, the hydrogen purity of the purified hydrogen gas supplied to the hydrogen utilization device 141 is increased.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas can be increased by connecting two electrochemical devices 105 and 115 in series.
  • An object of the present disclosure is to provide a hydrogen purifier capable of increasing the hydrogen purity of purified hydrogen gas with a compact configuration using only one electrochemical device, and an operation method thereof.
  • the hydrogen purifier of the present disclosure is configured such that both main surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched between an anode and a cathode, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current flows between the anode and the cathode.
  • An electrochemical device configured to produce purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the hydrogen-containing gas, a power supply configured to flow current between the anode and the cathode, and purified hydrogen from the cathode to the outside
  • a purified hydrogen gas flow path configured to supply gas and a purified hydrogen gas flow path from the middle of the purified hydrogen gas flow path such that the flow rate of the purified hydrogen gas generated at the cathode is greater than the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the outside.
  • a branch flow path for branching and flowing purified hydrogen gas.
  • the ratio of the amount of impurities to the cathode hydrogen is reduced by an amount corresponding to an increase in the flow rate of the purified hydrogen gas (hereinafter, also referred to as the cathode hydrogen) generated from the cathode. This is because the flow rate of the cathode hydrogen is larger than when the entire amount of the cathode hydrogen is supplied to the hydrogen utilization equipment, while the amount of impurities permeating the electrolyte membrane of the electrochemical device does not change with the flow rate of the cathode hydrogen. Based.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas can be increased with a compact configuration using only one electrochemical device.
  • the ratio of the amount of impurities permeating the electrolyte membrane of the electrochemical device to the flow rate of the purified hydrogen gas is reduced. Therefore, the hydrogen purity of the purified hydrogen gas is reduced by a compact configuration using only one electrochemical device. Can be provided.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the hydrogen purifier according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram illustrating a relationship between a current value flowing through the electrochemical device and the hydrogen purity of the purified hydrogen gas in the hydrogen purifier according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the hydrogen purifier according to Embodiment 2 of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a hydrogen purifier according to Embodiment 3 of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration of a conventional hydrogen purifier.
  • the hydrogen purifier of the present disclosure is configured such that both main surfaces of an electrolyte membrane are sandwiched between an anode and a cathode, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current flows between the anode and the cathode.
  • An electrochemical device configured to produce purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the hydrogen-containing gas, a power supply configured to flow current between the anode and the cathode, and purified hydrogen from the cathode to the outside
  • a purified hydrogen gas flow path configured to supply gas and a purified hydrogen gas flow path from the middle of the purified hydrogen gas flow path such that the flow rate of the purified hydrogen gas generated at the cathode is greater than the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the outside.
  • a branch flow path for branching and flowing purified hydrogen gas.
  • the ratio of the amount of impurities to the cathode hydrogen is reduced by the amount of the flow rate of the cathode hydrogen generated from the cathode. This is because the flow rate of the cathode hydrogen is larger than when the entire amount of the cathode hydrogen is supplied to the hydrogen utilization equipment, while the amount of impurities permeating the electrolyte membrane of the electrochemical device does not change with the flow rate of the cathode hydrogen. Based.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas can be increased with a compact configuration using only one electrochemical device.
  • the hydrogen purifier of the present disclosure may further include a hydrogen-containing gas flow path that supplies a hydrogen-containing gas to the anode.
  • the branch flow path may be a reflux flow path that supplies purified hydrogen gas to the hydrogen-containing gas flow path from somewhere in the purified hydrogen gas flow path.
  • an adjusting unit that adjusts the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the outside, and the purified hydrogen gas generated at the cathode of the electrochemical device is provided with hydrogen upstream of the junction with the reflux flow path.
  • a controller configured to control the current of the power supply and the adjusting unit so as to be higher than the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the content gas flow path may be provided.
  • the adjustment unit includes a purified hydrogen gas flow path adjustment valve that adjusts the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the outside, and a reflux flow path adjustment that adjusts the flow rate of the purified hydrogen gas that flows through the reflux flow path. And a valve.
  • the flow rate of the hydrogen-containing gas discharged without being used for generation of the purified hydrogen gas can be suppressed by the purified hydrogen gas flow path adjustment valve and the reflux flow path adjustment valve.
  • the operation method of the hydrogen purifier of the present disclosure is configured such that both main surfaces of the electrolyte membrane are sandwiched between an anode and a cathode, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode, and a current flows between the anode and the cathode.
  • An electrochemical device configured to generate a purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the hydrogen-containing gas at the cathode, a power supply configured to pass a current between the anode and the cathode, and Purified hydrogen gas flow path configured to supply purified hydrogen gas to the anode, hydrogen-containing gas flow path to supply hydrogen-containing gas to the anode, and purification in which the flow rate of purified hydrogen gas generated at the cathode is supplied to the outside
  • a recirculation flow path that supplies purified hydrogen gas to the hydrogen-containing gas flow path from the middle of the purified hydrogen gas flow path so as to be larger than the flow rate of the hydrogen gas, and an external supply gas
  • An adjusting unit for adjusting the flow rate of the hydrogen-producing gas and the flow rate of the purified hydrogen gas flowing through the reflux flow path, wherein the purified hydrogen gas generated at the cathode is formed in the reflux flow path.
  • each drawing is a schematic diagram and is not necessarily strictly illustrated.
  • substantially the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof may be omitted or simplified.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of the hydrogen purifier according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • a hydrogen purifier 21 of the present embodiment includes a hydrogen-containing gas flow path 1, an electrochemical device 5 including an electrolyte membrane 2, an anode 3 and a cathode 4, a power supply 6,
  • the apparatus includes a purified hydrogen gas flow path 7, an anode off gas flow path 8, a purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9, a cathode off gas flow path 10, a cathode off gas flow path adjustment valve 11, and a controller 31.
  • the hydrogen-containing gas flow path 1 is a flow path for supplying a hydrogen-containing gas to the anode 3.
  • the hydrogen-containing gas is generated by steam reforming city gas by a hydrogen generator.
  • the hydrogen purity of the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen-containing gas flow path 1 to the anode 3 is 80%.
  • the electrolyte membrane 2 is a polymer membrane that selectively transports hydrogen ions.
  • the anode 3 is composed of an electrode that extracts electrons from hydrogen molecules and generates hydrogen ions, and a flow path that supplies a hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen-containing gas flow path 1 to the electrode.
  • the cathode 4 is composed of an electrode that combines hydrogen ions and electrons to generate hydrogen molecules, and a channel that discharges purified hydrogen gas, that is, cathode hydrogen, from the electrode.
  • the electrochemical device 5 includes the electrolyte membrane 2, the anode 3 disposed on one main surface of the electrolyte membrane 2, and the cathode 4 disposed on the other main surface of the electrolyte membrane 2. That is, the electrochemical device 5 is configured such that both main surfaces of the electrolyte membrane are sandwiched between the anode and the cathode.
  • the power supply 6 has a positive pole of the power supply 6 connected to the anode 3 and a negative pole of the power supply 6 connected to the cathode 4.
  • the power supply 6 allows a direct current to flow between the anode 3 and the cathode 4 of the electrochemical device 5.
  • the purified hydrogen gas flow path 7 is a flow path for supplying cathode hydrogen discharged from the cathode 4 to the hydrogen utilization device 41, that is, the outside of the hydrogen purifier 21.
  • the anode off-gas flow path 8 is a flow path for discharging the hydrogen-containing gas discharged from the anode 3.
  • the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9 is a flow rate adjustment valve provided in the purified hydrogen gas flow path 7.
  • the cathode offgas flow path 10 is a flow path that branches off from the purified hydrogen gas flow path 7 upstream of the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9 and joins the anode offgas flow path 8.
  • the cathode off-gas flow path adjusting valve 11 is a flow rate adjusting valve provided in the cathode off-gas flow path 10.
  • the controller 31 is configured to control the power supply 6, the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9, and the cathode off gas flow path adjustment valve 11. That is, the controller 31 controls the operation of the hydrogen purifier 21.
  • the controller 31 may be configured to include a signal input / output unit (not shown), an arithmetic processing unit (not shown), and a storage unit (not shown) for storing a control program.
  • the hydrogen utilization device 41 is a tank that stores purified hydrogen gas supplied from the hydrogen purifier 21.
  • the operation and operation of the hydrogen purifier 21 of the present embodiment configured as described above will be described below.
  • the following operation is performed by the controller 31 controlling the power supply 6, the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9, and the cathode off-gas flow path adjustment valve 11 of the hydrogen purifier 21.
  • the hydrogen-containing gas is supplied from the hydrogen-containing gas channel 1 to the anode 3 of the electrochemical device 5.
  • the controller 31 controls the power supply 6, the purified hydrogen gas flow control valve 9, and the cathode off-gas flow control so that the flow rate of the cathode hydrogen generated in the electrochemical device 5 is sufficient for the amount required by the hydrogen utilization equipment 41. Control the valve 11.
  • controller 31 controls the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9 so that the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the hydrogen utilization device 41 becomes the flow rate required in the hydrogen utilization device 41. Adjust to
  • the controller 31 controls the current value of the power supply 6 so that the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is greater than the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the hydrogen utilization device 41. At this time, due to the operation of the power supply 6, a current flows from the cathode 4 to the anode 3 via the power supply 6. In addition, an operation of the power supply 6 causes a current to flow from the anode 3 to the cathode 4 via the electrolyte membrane 2.
  • the controller 31 controls the cathode off-gas flow control valve 11 to discharge purified hydrogen gas not supplied to the hydrogen utilization device 41 to the anode off-gas flow passage 8.
  • the off-gas discharged from the anode off-gas flow path 8 is used as a heat source for generating a hydrogen-containing gas. Therefore, off-gas is used without waste.
  • FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between a current value flowing through the electrochemical device 5 and hydrogen purity of purified hydrogen gas in the hydrogen purifier 21 of the first embodiment.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas increases. For example, when the current value flowing through the electrochemical device 5 is 10 A, the hydrogen purity of the purified hydrogen gas is 89%, and when the current value is 60 A, the hydrogen purity of the purified hydrogen gas is 99%.
  • the component of the hydrogen-containing gas supplied to the anode 3 and the component of the purified hydrogen gas of the cathode 4 pass through the electrolyte membrane 2 due to a difference in partial pressure between the components. Accordingly, the partial pressure of a component (for example, impurities such as carbon dioxide and methane) contained in the hydrogen-containing gas of the anode 3 is higher than the partial pressure of the same component contained in the purified hydrogen gas of the cathode 4. Therefore, impurities such as carbon dioxide and methane move from the anode 3 to the cathode 4 due to the partial pressure difference.
  • a component for example, impurities such as carbon dioxide and methane
  • the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the hydrogen utilization device 41 is 8 L / min, and the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is 9 L / min, the supply to the hydrogen utilization device 41 is performed.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas to be obtained was 99%.
  • the purified hydrogen supplied to the hydrogen utilization equipment 41 is 8 L / min and the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is 8 L / min, the purified hydrogen supplied to the hydrogen utilization equipment 41 is The hydrogen purity of the gas was 98%.
  • the impurity contained in the purified hydrogen gas can be halved from 2% to 1%. it can.
  • the cathode offgas flow path 10 that branches off from the purified hydrogen gas flow path 7 upstream of the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9 and joins the anode offgas flow path 8 is provided. I have.
  • the generated purified hydrogen gas can be reduced in a compact configuration using one electrochemical device 5.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas can be increased without wasting.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the hydrogen purifier according to Embodiment 2 of the present disclosure.
  • the hydrogen purifier 22 in the second embodiment shown in FIG. 3 is different from the hydrogen purifier 21 in the first embodiment shown in FIG. 1 in that the cathode of the hydrogen purifier 21 in the first embodiment is different in the second embodiment.
  • a reflux channel 12 and a reflux channel regulating valve 13 are provided in place of the off-gas channel 10 and the cathode off-gas channel regulating valve 11, and a controller 32 is provided instead of the controller 31 in the first embodiment. Is a point.
  • the reflux flow path 12 is a flow path that branches off from the purified hydrogen gas flow path 7 upstream of the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9 and joins the hydrogen-containing gas flow path 1.
  • the return flow path adjustment valve 13 is a flow rate adjustment valve provided in the return flow path 12.
  • the controller 32 is configured to control the power supply 6, the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9, and the reflux flow path adjustment valve 13. That is, the controller 32 controls the operation of the hydrogen purifier 22.
  • the controller 32 may include a signal input / output unit (not shown), an arithmetic processing unit (not shown), and a storage unit (not shown) for storing a control program.
  • the operation and action of the hydrogen purifier 22 of the present embodiment configured as described above will be described below.
  • the following operation is performed by the controller 32 controlling the power supply 6, the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9, and the reflux flow path adjustment valve 13 of the hydrogen purifier 22.
  • the hydrogen-containing gas is supplied from the hydrogen-containing gas channel 1 to the anode 3 of the electrochemical device 5.
  • the controller 32 controls the power supply 6, the purified hydrogen gas flow control valve 9, and the reflux flow control so that the flow rate of the purified hydrogen gas generated by the electrochemical device 5 is sufficient for the amount required by the hydrogen utilization device 41. Control the valve 13.
  • the controller 32 controls the purified hydrogen gas flow path adjusting valve 9 so that the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the hydrogen utilization device 41 becomes the flow rate required in the hydrogen utilization device 41. adjust.
  • the controller 32 controls the current value of the power supply 6 so that the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is higher than the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the hydrogen utilization device 41. At this time, due to the operation of the power supply 6, a current flows from the cathode 4 to the anode 3 via the power supply 6. In addition, an operation of the power supply 6 causes a current to flow from the anode 3 to the cathode 4 via the electrolyte membrane 2.
  • the controller 32 controls the return flow path adjustment valve 13 to return the purified hydrogen gas not supplied to the hydrogen utilization device 41 to the hydrogen-containing gas flow path 1.
  • the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the hydrogen utilization device 41 is 8 L / min, and the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is 9 L / min, the supply to the hydrogen utilization device 41 is performed.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas to be obtained was 99.5%.
  • the purified hydrogen supplied to the hydrogen utilization equipment 41 is 8 L / min and the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is 8 L / min, the purified hydrogen supplied to the hydrogen utilization equipment 41 is The hydrogen purity of the gas was 98%.
  • the flow rate of cathode hydrogen generated at cathode 4 is increased from 8 L / min to 9 L / min, and 1 L / min of purified hydrogen gas is supplied to hydrogen-containing gas flow path 1 by reflux flow path 12.
  • impurities contained in the purified hydrogen gas can be suppressed from 2% to 0.5%, that is, the amount of impurities is reduced to one fourth.
  • the recirculation flow path 12 that branches off from the purified hydrogen gas flow path 7 upstream of the purified hydrogen gas flow path adjustment valve 9 and joins the hydrogen-containing gas flow path 1 is provided. I have.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a hydrogen purifier according to Embodiment 3 of the present disclosure.
  • the hydrogen purifier 23 in the third embodiment shown in FIG. 4 is different from the hydrogen purifier 22 in the second embodiment shown in FIG. 3 in that the hydrogen purifier 22 in the third embodiment is different from the hydrogen purifier 41 in the second embodiment.
  • a fuel cell 42, and the fuel cell 42 generates power using purified hydrogen gas supplied from the hydrogen purifier 23, and a controller 33 is provided instead of the controller 32 in the second embodiment.
  • the controller 33 controls the power supply 6, the purified hydrogen gas flow control valve 9, and the reflux flow control valve 13 so that the flow rate of the purified hydrogen gas generated in the electrochemical device 5 is larger than the flow rate of the hydrogen-containing gas. Control.
  • the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the fuel cell 42 is 3 L / min, and a hydrogen-containing gas having a hydrogen purity of 80% is supplied to the anode 3.
  • the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing in the hydrogen-containing gas flow path 1 upstream of the junction with the reflux flow path 12 is 5 L / min, and the flow rate of the cathode hydrogen generated in the cathode 4 is 10 L / min. .
  • the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the fuel cell 42 is set to 3 L / min, the amount of hydrogen moving from the anode 3 to the cathode 4 is increased, and the ratio of the impurities moving relatively from the anode 3 to the cathode 4 is increased. Can be reduced.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas supplied to the fuel cell 42 was 99.5%. Further, the flow rate of the hydrogen gas discharged from the anode off-gas flow path 8 was suppressed to 1 L / min, that is, 1/5.
  • the flow rate of the purified hydrogen gas supplied to the fuel cell 42 is set to 3 L / min, and the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing in the hydrogen-containing gas flow path 1 upstream of the junction with the reflux flow path 12 is set to 10 L / min. And the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is 10 L / min.
  • the hydrogen purity of the purified hydrogen gas supplied to the fuel cell 42 was 99.5%.
  • the flow rate of hydrogen gas discharged into the anode off-gas flow path 8 was 5 L / min.
  • the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the hydrogen-containing gas flow path 1 upstream of the junction with the reflux flow path 12 is made smaller than the flow rate of the cathode hydrogen generated from the cathode 4.
  • the flow rate of hydrogen discharged from the anode off-gas flow path 8 could be suppressed.
  • the flow rate of the cathode hydrogen generated at the cathode 4 is determined by the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the hydrogen-containing gas flow path 1 upstream of the junction with the reflux flow path 12.
  • the hydrogen purifier and the operation method of the present disclosure can increase the hydrogen purity of purified hydrogen gas, and therefore can be used for producing purified hydrogen gas with high hydrogen purity from hydrogen-containing gas using an electrochemical device. Applicable.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本開示の水素純化器（２１）は、電気化学デバイス（５）と、電源（６）と、カソード（４）から外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路（７）と、カソード（４）において生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路（７）の途中から分岐して精製水素ガスを流す分岐流路（１０）と、を備える。

Description

水素純化器およびその運転方法
　本開示は、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイスを備えた水素純化器とその運転方法とに関する。
　水素純化器は、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイスを備える。電気化学デバイスは、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それぞれ設けた電解質膜－電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持して構成される。
　アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に電流を流すことにより、アノードにおいて、（化１）の酸化反応が起こり、カソードにおいて、（化２）の還元反応が起こる。
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含有ガスから、水素分子がカソードに移動する。したがって、水素含有ガスから水素が分離され、精製水素ガスがカソードから排出される。
　上記水素純化器に供給される水素含有ガスは、例えば、燃料処理器を有する水素生成装置を用いて、炭化水素系の燃料、例えば都市ガスおよび液化石油ガスなどを、水蒸気改質、部分酸化改質又はオートサーマル改質などをおこなうことにより、生成される。生成された水素含有ガスには、二酸化炭素、メタン、窒素、一酸化炭素、および水蒸気などの不純物が含まれる。
　このようにして得られた水素含有ガスを、セル、すなわち電気化学デバイスのアノードに供給し、アノードとカソードとの間に電流を流すことにより電気化学的に水素を分離、すなわち精製することにより、精製水素ガスを生成する技術がある。
　このとき、アノードの水素含有ガスに含まれる成分（例えば、二酸化炭素およびメタンなどの不純物）の分圧は、カソ―ドの精製水素ガスに含まれる同成分の分圧よりも高い。したがって、二酸化炭素およびメタンなどの不純物は、分圧差によって電解質膜を透過し、カソードに移動する。このため、カソードから排出される精製水素ガスの水素純度が低くなる。
　この精製水素ガスの水素純度の低下に対し、電気化学デバイスを直列に２つ接続することにより、分離された精製水素ガスの水素純度を高める技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
　図５は、非特許文献１に開示された従来の水素純化器の構成を示すブロック図である。
　図５に示すように、従来の水素純化器１２１は、水素含有ガス流路１０１と、電解質膜１０２がアノード１０３とカソード１０４との間に配置され、水素含有ガス流路１０１の下流端がアノード１０３に接続された電気化学デバイス１０５と、電解質膜１１２がアノード１１３とカソード１１４との間に配置され、アノード１１３がカソード１０４と精製水素ガス流路１０７で接続された電気化学デバイス１１５と、を備える。従来の水素純化器１２１は、カソード１１４を水素利用機器１４１に接続する精製水素ガス流路１１７と、プラス極がアノード１０３に接続され、マイナス極がカソード１０４に接続された電源１０６と、プラス極がアノード１１３に接続され、マイナス極がカソード１１４に接続された電源１１６と、上流端がアノード１０３に接続されたアノードオフガス流路１０８と、上流端がアノード１１３に接続されたアノードオフガス流路１１８と、制御器１３１と、を備える。
　水素利用機器１４１は、水素純化器１２１から供給される精製水素ガスを貯留するタンクである。
　また、電気化学デバイス１０５と電気化学デバイス１１５とは、直列に接続されている。水素含有ガス流路１０１からアノード１０３に水素含有ガスが供給され、電源１０６，１１６が電気化学デバイス１０５，１１５にそれぞれ電流を流した場合に、電気化学デバイス１０５のカソード１０４から排出された精製水素ガスが、精製水素ガス流路１０７を介して電気化学デバイス１１５のアノード１１３に供給され、電気化学デバイス１１５のカソード１１４から排出された精製水素ガスが、精製水素ガス流路１１７を介して水素利用機器１４１に供給される。
　この構成により、従来の水素純化器１２１は、電気化学デバイス１０５のカソード１０４から排出された精製水素ガスの水素純度を、電気化学デバイス１１５によりさらに高くすることができる。これにより、水素利用機器１４１に供給する精製水素ガスの水素純度が高くなる。
Ｌｅｅ　ａｔ　ａｌ．，"Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ"，　Ｖｏｌ．１３２　２０　Ｍａｙ　２００４，　Ｐａｇｅｓ　９２－９８
　従来の構成では、電気化学デバイス１０５，１１５を直列に２つ接続することにより、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。しかし、電気化学デバイス１０５，１１５と、電気化学デバイス１０５，１１５に電流を流す電源１０６，１１６とを、それぞれ２つ備える必要がある。したがって、水素純化器１２１のサイズが大きくなるという課題があった。
　本開示は、前記従来の課題を解決するものである。本開示は、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることが可能な水素純化器とその運転方法とを提供することを目的とする。
　本開示の水素純化器は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、アノードに水素含有ガスが供給され、アノードとカソードとの間に電流が流れることにより、カソードにおいて水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された電気化学デバイスと、アノードとカソードとの間に電流を流すように構成された電源と、カソードから外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、カソードにおいて生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路の途中から分岐して精製水素ガスを流す分岐流路と、を備える。
　これにより、カソードから生成される精製水素ガス（以下、カソード水素とも記載）の流量が多くなる分だけ、カソード水素に対する不純物量の比率が低減する。これは、カソード水素の全量を水素利用機器へ供給する場合に比べて、カソード水素の流量が多くなる一方で、電気化学デバイスの電解質膜を透過する不純物量がカソード水素の流量によって変化しないことに基づく。
　この結果、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
　本開示によれば、電気化学デバイスの電解質膜を透過する不純物量の精製水素ガスの流量に対する比率が低下するため、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることが可能な水素純化器を提供することができる。
　また、電気化学デバイスを１台とし、水素純化器を簡素な構成とすることにより、装置のコストが削減され、経済性が向上する。
図１は、本開示の実施の形態１における水素純化器の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の水素純化器における電気化学デバイスに流す電流値と精製水素ガスの水素純度との関係を示す特性図である。 図３は、本開示の実施の形態２における水素純化器の構成を示すブロック図である。 図４は、本開示の実施の形態３における水素純化器の構成を示すブロック図である。 図５は、従来の水素純化器の構成を示すブロック図である。
　本開示の水素純化器は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、アノードに水素含有ガスが供給され、アノードとカソードとの間に電流が流れることにより、カソードにおいて水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された電気化学デバイスと、アノードとカソードとの間に電流を流すように構成された電源と、カソードから外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、カソードにおいて生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路の途中から分岐して精製水素ガスを流す分岐流路と、を備える。
　これにより、カソードから生成されるカソード水素の流量が多くなる分だけ、カソード水素に対する不純物量の比率が低減する。これは、カソード水素の全量を水素利用機器へ供給する場合に比べて、カソード水素の流量が多くなる一方で、電気化学デバイスの電解質膜を透過する不純物量がカソード水素の流量によって変化しないことに基づく。
　この結果、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
　本開示の水素純化器は、アノードへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路をさらに備えてもよい。分岐流路は、精製水素ガス流路の途中から水素含有ガス流路へ精製水素ガスを供給する還流流路であってもよい。
　これにより、電気化学デバイスにおいて生成されたカソード水素のうち、水素利用機器へ供給されない精製水素ガスがアノードで再利用される。また、アノードに精製水素ガスが供給されることにより、アノードの水素含有ガス中の不純物の分圧が下がり、分圧差によってアノードからカソードへ電解質膜を透過する不純物量が減少する。したがって、１台の電気化学デバイスを用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスを無駄にすることなく、精製水素ガスの水素純度を高くすることが可能な水素純化器を提供することができる。
　本開示の水素純化器において、外部へ供給する精製水素ガスの流量を調整する調整部と、電気化学デバイスのカソードにおいて生成される精製水素ガスが、還流流路との合流部よりも上流の水素含有ガス流路を流れる水素含有ガスの流量よりも多くなるように、電源の電流と調整部とを制御するように構成されている制御器と、を備えてもよい。
　これにより、カソード水素を多くする際にも、水素含有ガスの供給流量を少なく抑えることにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。
　本開示の水素純化器において、調整部は、外部へ供給する精製水素ガスの流量を調整する精製水素ガス流路調整弁と、還流流路を流れる精製水素ガスの流量を調整する還流流路調整弁とを含んでもよい。
　これにより、精製水素ガス流路調整弁と還流流路調整弁とにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。
　本開示の水素純化器の運転方法は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、アノードに水素含有ガスが供給され、アノードとカソードとの間に電流が流れることにより、カソードにおいて水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された電気化学デバイスと、アノードとカソードとの間に電流を流すように構成された電源と、カソードから外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、アノードへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路と、カソードにおいて生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路の途中から水素含有ガス流路へ精製水素ガスを供給する還流流路と、外部へ供給する精製水素ガスの流量と還流流路を流れる精製水素ガスの流量とを調整する調整部と、を備えた水素純化器の運転方法であって、カソードにおいて生成される精製水素ガスが、還流流路との合流部よりも上流の水素含有ガス流路を流れる水素含有ガスの流量よりも多くなるように、電源の電流と調整部とを制御する運転方法である。
　これにより、カソード水素の流量が多くなる分だけ、カソード水素に対する不純物量の比率が低減して、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。また、カソード水素を多くする際にも、水素含有ガスの供給流量を少なく抑えることにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、すでによく知られた事項の詳細説明、および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
　また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略または簡略化する場合がある。
　（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１における水素純化器の構成を示すブロック図である。
　図１に示すように、本実施の形態の水素純化器２１は、水素含有ガス流路１と、電解質膜２とアノード３とカソード４とにより構成された電気化学デバイス５と、電源６と、精製水素ガス流路７と、アノードオフガス流路８と、精製水素ガス流路調整弁９と、カソードオフガス流路１０と、カソードオフガス流路調整弁１１と、制御器３１と、を備える。
　水素含有ガス流路１は、水素含有ガスをアノード３に供給する流路である。水素含有ガスは、水素生成装置によって都市ガスが水蒸気改質されて生成される。なお、水素含有ガス流路１からアノード３に供給される水素含有ガスの水素純度は、８０％である。
　電解質膜２は、水素イオンを選択的に輸送する高分子膜である。
　アノード３は、水素分子から電子を引き抜き、水素イオンを生成する電極と、電極に水素含有ガス流路１から供給される水素含有ガスを供給する流路とにより構成されている。
　カソード４は、水素イオンと電子とを結合させ、水素分子を生成する電極と、電極から精製水素ガス、すなわちカソード水素を排出する流路とにより構成される。
　電気化学デバイス５は、電解質膜２と、電解質膜２の一方の主面に配置されたアノード３と、電解質膜２の他方の主面に配置されたカソード４と、を備える。すなわち、電気化学デバイス５は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成されている。
　電源６は、電源６のプラス極がアノード３に接続され、電源６のマイナス極がカソード４に接続されている。電源６は、電気化学デバイス５のアノード３とカソード４との間に直流電流を流す。
　精製水素ガス流路７は、カソード４から排出されるカソード水素を水素利用機器４１、すなわち水素純化器２１の外部に供給する流路である。
　アノードオフガス流路８は、アノード３から排出される水素含有ガスを排出する流路である。
　精製水素ガス流路調整弁９は、精製水素ガス流路７に設けられる流量調整弁である。
　カソードオフガス流路１０は、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、アノードオフガス流路８に合流する流路である。
　カソードオフガス流路調整弁１１は、カソードオフガス流路１０に設けられる流量調整弁である。
　制御器３１は、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、およびカソードオフガス流路調整弁１１を制御可能に構成されている。すなわち、制御器３１は、水素純化器２１の運転を制御する。なお、制御器３１は、信号入出力部（図示せず）と、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える構成であってもよい。
　水素利用機器４１は、水素純化器２１から供給される精製水素ガスを貯留するタンクである。
　以上のように構成された本実施の形態の水素純化器２１について、以下その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器３１が、水素純化器２１の電源６、精製水素ガス流路調整弁９、およびカソードオフガス流路調整弁１１を制御することによって行われる。
　水素含有ガスは、水素含有ガス流路１から電気化学デバイス５のアノード３に供給される。
　制御器３１は、電気化学デバイス５において生成されるカソード水素の流量が、水素利用機器４１が必要とする量に足るよう、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、およびカソードオフガス流路調整弁１１を制御する。
　具体的には、制御器３１は、精製水素ガス流路調整弁９を制御することにより、水素利用機器４１に供給する精製水素ガスの流量が水素利用機器４１において必要とされる流量となるように調整する。
　また、制御器３１は、カソード４において生成されるカソード水素の流量が水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くなるように、電源６の電流値を制御する。このとき、電源６の動作により、カソード４から電源６を経由してアノード３に電流が流れる。また、電源６の動作により、アノード３から電解質膜２を経由してカソード４に電流が流れる。
　また、制御器３１は、カソードオフガス流路調整弁１１を制御し、水素利用機器４１に供給されなかった精製水素ガスをアノードオフガス流路８に排出する。
　アノードオフガス流路８から排出されるオフガスは、水素含有ガスを生成するための熱源として用いられる。したがって、オフガスが無駄なく使用される。
　図２は、実施の形態１の水素純化器２１における電気化学デバイス５に流す電流値と精製水素ガスの水素純度との関係を示す特性図である。
　図２に示すように、電気化学デバイス５に流す電流値が大きくなるほど、精製水素ガスの水素純度は高くなる。例えば、電気化学デバイス５に流す電流値が１０Ａの場合には、精製水素ガスの水素純度は８９％であり、電流値が６０Ａの場合には、精製水素ガスの水素純度は９９％となる。
　アノード３に供給される水素含有ガスの成分とカソード４の精製水素ガスの成分とが、それぞれの成分の分圧の差によって電解質膜２を透過する。したがって、アノード３の水素含有ガスに含まれる成分（例えば、二酸化炭素およびメタンなどの不純物）の分圧は、カソード４の精製水素ガスに含まれる同成分の分圧よりも高い。このため、二酸化炭素およびメタンなどの不純物は、分圧差によってアノード３からカソード４に移動する。
　電気化学デバイス５に流す電流値が大きい場合には、電流によって移動する水素分子の量が多く、精製水素ガスの流量が大きくなる。したがって、相対的にアノード３からカソード４へ電解質膜２を透過して移動する不純物の割合は小さくなる。このため、電気化学デバイス５に流れる電流値が大きくなるほど、精製水素ガスの水素純度が高くなる。
　本実施の形態では、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を９Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９９％であった。
　一方、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９８％であった。
　したがって、本実施の形態では、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎから９Ｌ／ｍｉｎに増加させることにより、精製水素ガスに含まれる不純物を２％から１％に半減することができる。
　以上のように、本実施の形態においては、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、アノードオフガス流路８に合流するカソードオフガス流路１０を設けている。カソード４において生成されるカソード水素の流量を水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くすることにより、１つの電気化学デバイス５を用いたコンパクトな構成において、生成された精製水素ガスを無駄にすることなく、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
　（実施の形態２）
　図３は、本開示の実施の形態２における水素純化器の構成を示すブロック図である。
　図３に示す実施の形態２における水素純化器２２において、図１に示す実施の形態１における水素純化器２１と同じ構成要素には同じ符号を付与し、重複する説明を省略する。
　図３に示す実施の形態２における水素純化器２２において、図１に示す実施の形態１における水素純化器２１と異なる点は、実施の形態２では、実施の形態１における水素純化器２１のカソードオフガス流路１０およびカソードオフガス流路調整弁１１の代わりに、還流流路１２および還流流路調整弁１３を設けた点、および実施の形態１における制御器３１に代わり、制御器３２を備えた点である。
　還流流路１２は、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、水素含有ガス流路１に合流する流路である。
　還流流路調整弁１３は、還流流路１２に設けられる流量調整弁である。
　制御器３２は、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御可能に構成されている。すなわち、制御器３２は、水素純化器２２の運転を制御する。なお、制御器３２は、信号入出力部（図示せず）と、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備える構成であってもよい。
　以上のように構成された本実施の形態の水素純化器２２について、以下その動作、作用を説明する。以下の動作は、制御器３２が、水素純化器２２の電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御することによって行われる。
　水素含有ガスは、水素含有ガス流路１から電気化学デバイス５のアノード３に供給される。
　制御器３２は、電気化学デバイス５で生成される精製水素ガスの流量が、水素利用機器４１が必要とする量に足るよう、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御する。
　具体的には、制御器３２は、精製水素ガス流路調整弁９を制御することにより、水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量が水素利用機器４１において必要とされる流量となるように調整する。
　また、制御器３２は、カソード４において生成されるカソード水素の流量が水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くなるように、電源６の電流値を制御する。このとき、電源６の動作により、カソード４から電源６を経由してアノード３に電流が流れる。また、電源６の動作により、アノード３から電解質膜２を経由してカソード４に電流が流れる。
　また、制御器３２は、還流流路調整弁１３を制御し、水素利用機器４１に供給されなかった精製水素ガスを水素含有ガス流路１に還流させる。
　本実施の形態では、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を９Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９９．５％であった。
　一方、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９８％であった。
　したがって、本実施の形態では、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎから９Ｌ／ｍｉｎに増加させ、還流流路１２により１Ｌ／ｍｉｎの精製水素ガスを水素含有ガス流路１に還流させることにより、精製水素ガスに含まれる不純物を２％から０．５％、すなわち４分の１の不純物量に抑制することができる。
　以上のように、本実施の形態においては、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、水素含有ガス流路１に合流する還流流路１２を設けている。カソード４において生成されるカソード水素の流量を水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くすることにより、１つの電気化学デバイス５を用いたコンパクトな構成にて、生成された精製水素ガスを無駄にすることなく、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
　（実施の形態３）
　図４は、本開示の実施の形態３における水素純化器の構成を示すブロック図である。
　図４に示す実施の形態３における水素純化器２３において、図３に示す実施の形態２における水素純化器２２と同じ構成要素には同じ符号を付与し、重複する説明を省略する。
　図４に示す実施の形態３における水素純化器２３において、図３に示す実施の形態２における水素純化器２２と異なる点は、実施の形態３では、実施の形態２における水素利用機器４１の代わりに燃料電池４２を備え、燃料電池４２が水素純化器２３から供給される精製水素ガスにより発電する点、および実施の形態２における制御器３２に代わり、制御器３３を備える点である。
　制御器３３は、電気化学デバイス５において生成される精製水素ガスの流量が水素含有ガスの流量よりも多くなるように、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御する。
　本実施の形態では、燃料電池４２に供給する精製水素ガスの流量を３Ｌ／ｍｉｎとし、アノード３には、水素純度８０％の水素含有ガスを供給する。また、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量は、５Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとする。
　これにより、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの流量を３Ｌ／ｍｉｎとし、アノード３からカソード４へ移動する水素の量を多くし、相対的にアノード３からカソード４へ移動する不純物の割合を小さくすることができる。
　本実施の形態では、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの水素純度は９９．５％であった。また、アノードオフガス流路８から排出された水素ガス流量を１Ｌ／ｍｉｎ、すなわち５分の１に抑制できた。
　一方、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの流量を３Ｌ／ｍｉｎとし、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとする。このとき、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの水素純度は９９．５％であった。また、アノードオフガス流路８に排出された水素ガス流量は５Ｌ／ｍｉｎであった。
　したがって、本実施の形態では、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量を、カソード４から生成するカソード水素の流量よりも少なくすることにより、アノードオフガス流路８から排出される水素流量を抑制することができた。
　以上のように、本実施の形態においては、カソード４において生成されるカソード水素の流量を、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量よりも多くすることにより、電気化学デバイス５において生成される精製水素ガスの流量を多くする際にも、水素含有ガスの供給流量を少なく抑えることができる。これにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。
　本開示の水素純化器およびその運転方法は、精製水素ガスの水素純度を高くすることができるため、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから、水素純度の高い精製水素ガスを生成する用途に適用できる。
　１，１０１　水素含有ガス流路
　２，１０２，１１２　電解質膜
　３，１０３，１１３　アノード
　４，１０４，１１４　カソード
　５，１０５，１１５　電気化学デバイス
　６，１０６，１１６　電源
　７，１０７，１１７　精製水素ガス流路
　８，１０８，１１８　アノードオフガス流路
　９　精製水素ガス流路調整弁
　１０　カソードオフガス流路
　１１　カソードオフガス流路調整弁
　１２　還流流路
　１３　還流流路調整弁
　２１，２２，２３，１２１　水素純化器
　３１，３２，３３，１３１　制御器
　４１，１４１　水素利用機器
　４２　燃料電池

Claims (5)

  1. 電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、前記アノードに水素含有ガスが供給され、前記アノードと前記カソードとの間に電流が流れることにより、前記カソードにおいて前記水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された電気化学デバイスと、
    前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すように構成された電源と、
    前記カソードから外部へ前記精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、
    前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスの流量が外部へ供給する前記精製水素ガスの流量よりも多くなるように前記精製水素ガス流路の途中から分岐して前記精製水素ガスを流す分岐流路と、
    を備えた、水素純化器。
  2. 前記アノードへ前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路をさらに備え、
    前記分岐流路は、前記精製水素ガス流路の途中から前記水素含有ガス流路へ前記精製水素ガスを供給する還流流路である、
    請求項１に記載の水素純化器。
  3. 外部へ供給する前記精製水素ガスの流量を調整する調整部と、
    前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスが、前記還流流路との合流部よりも上流の前記水素含有ガス流路を流れる前記水素含有ガスの流量よりも多くなるように、前記電源の前記電流と前記調整部とを制御するように構成されている制御器と、
    をさらに備える、請求項２に記載の水素純化器。
  4. 前記調整部は、外部へ供給する前記精製水素ガスの流量を調整する精製水素ガス流路調整弁と、前記還流流路を流れる前記精製水素ガスの流量を調整する還流流路調整弁とを含む、請求項３に記載の水素純化器。
  5. 電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、前記アノードに水素含有ガスが供給され、前記アノードと前記カソードとの間に電流が流れることにより、前記カソードにおいて前記水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された電気化学デバイスと、
    前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すように構成された電源と、
    前記カソードから外部へ前記精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、
    前記アノードへ前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路と、
    前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスの流量が外部へ供給する前記精製水素ガスの流量よりも多くなるように前記精製水素ガス流路の途中から前記水素含有ガス流路へ前記精製水素ガスを供給する還流流路と、
    外部へ供給する前記精製水素ガスの流量と前記還流流路を流れる前記精製水素ガスの流量とを調整する調整部と、
    を備えた水素純化器の運転方法であって、
    前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスが、前記還流流路との合流部よりも上流の前記水素含有ガス流路を流れる前記水素含有ガスの流量よりも多くなるように、前記電源の前記電流と前記調整部とを制御する水素純化器の運転方法。
PCT/JP2019/029395 2018-09-20 2019-07-26 水素純化器およびその運転方法 Ceased WO2020059301A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020548067A JPWO2020059301A1 (ja) 2018-09-20 2019-07-26 水素純化器およびその運転方法

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018175515 2018-09-20
JP2018-175515 2018-09-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020059301A1 true WO2020059301A1 (ja) 2020-03-26

Family

ID=69888742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/029395 Ceased WO2020059301A1 (ja) 2018-09-20 2019-07-26 水素純化器およびその運転方法

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2020059301A1 (ja)
WO (1) WO2020059301A1 (ja)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6249927A (ja) * 1985-08-23 1987-03-04 エア−．プロダクツ．アンド．ケミカルス．インコ−ポレ−テツド 水素精製に対するハイブリツドメンブレン／極低温方法
JP2011040259A (ja) * 2009-08-10 2011-02-24 Honda Motor Co Ltd 水素処理システム
JP2016530188A (ja) * 2013-06-28 2016-09-29 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド 電気化学セルを使用して精製されたガスを生産および提供する方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6249927A (ja) * 1985-08-23 1987-03-04 エア−．プロダクツ．アンド．ケミカルス．インコ−ポレ−テツド 水素精製に対するハイブリツドメンブレン／極低温方法
JP2011040259A (ja) * 2009-08-10 2011-02-24 Honda Motor Co Ltd 水素処理システム
JP2016530188A (ja) * 2013-06-28 2016-09-29 ヌヴェラ・フュエル・セルズ・インコーポレーテッド 電気化学セルを使用して精製されたガスを生産および提供する方法

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2020059301A1 (ja) 2021-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6795440B2 (ja) 圧縮水素製造システム
JP6291402B2 (ja) 圧縮水素供給装置
CN116157554A (zh) 用于运行电解设备的方法以及电解设备
CN110344072A (zh) 氢气供给系统
WO2021014969A1 (ja) 水素精製システム
JPWO2021014969A5 (ja)
JP6575621B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
WO2020059301A1 (ja) 水素純化器およびその運転方法
JP6304430B1 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2018135244A (ja) 水素利用システム
JP2017183033A (ja) 燃料電池システム
JP2020015932A (ja) 水素生成システム並びにその運転方法
JP2020186460A (ja) 電解質膜−電極接合体およびこれを用いた電気化学デバイス、並びにこれらを用いた水素生成システム
JP4622244B2 (ja) 燃料電池発電装置の運転制御方法
JP2015179582A (ja) 燃料電池システム
JP2009518820A (ja) 燃料電池システム
JP2021050375A (ja) 水素純化器
JP2009117170A (ja) 水素製造発電システム及びその負荷追従発電方法
JP2020066552A (ja) 水素生成システムとその運転方法
JP2020128311A (ja) 水素生成システムとその運転方法
JP2021147647A (ja) 水素製造システム
US20250070209A1 (en) Co2 capture system for fuel cell power plant
CN103764876A (zh) 用于储存分子氧和/或分子氢的装置及相关燃料电池系统
US11541350B2 (en) Heat recovery from an electrochemical hydrogen separation system
JP2019167280A (ja) 水素生成システムとその運転方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19862346

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020548067

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19862346

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1