WO2021014969A1 - 水素精製システム - Google Patents

水素精製システム Download PDF

Info

Publication number
WO2021014969A1
WO2021014969A1 PCT/JP2020/026633 JP2020026633W WO2021014969A1 WO 2021014969 A1 WO2021014969 A1 WO 2021014969A1 JP 2020026633 W JP2020026633 W JP 2020026633W WO 2021014969 A1 WO2021014969 A1 WO 2021014969A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
anode
hydrogen
cathode
gas
electrolyte membrane
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/JP2020/026633
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
松本　拓
佳央 田村
拓也 赤塚
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 EP20842673.4A priority Critical patent/EP4006209A4/en
Priority to JP2021533923A priority patent/JPWO2021014969A1/ja
Priority to CN202080049895.1A priority patent/CN114080474A/zh
Publication of WO2021014969A1 publication Critical patent/WO2021014969A1/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; Reversible storage of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air
    • C01B3/34—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen; Production of gaseous mixtures containing hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide or air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts with external heating of the catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • 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; Reversible storage 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
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • 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
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • 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
    • H01M8/0681—Reactant purification by the use of electrochemical cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16—Hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/80—Water
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • 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 includes a hydrogen generator that generates a hydrogen-containing gas from a raw material gas, and a plurality of electrochemical devices that purify high-purity purified hydrogen gas from the hydrogen-containing gas, and the purified hydrogen gas is produced by a plurality of electrochemical devices.
  • the present invention relates to a hydrogen purification system that purifies purified hydrogen gas, which is high-purity hydrogen, by purifying.
  • a hydrogen-containing gas is supplied to the anode of an electrochemical device in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, and a current is passed between the anode and the cathode to obtain impurities from the hydrogen-containing gas.
  • the cathode of the upstream electrochemical device and the anode of the downstream electrochemical device are connected to purify purified hydrogen gas with high hydrogen purity.
  • a hydrogen-containing gas is supplied from a hydrogen generator that reforms the raw material gas to generate a hydrogen-containing gas to the anode of the electrochemical device, and the anode-off gas discharged from the anode is discharged by the hydrogen generator. It is supplied to a combustor that controls the temperature of the reforming reaction, and the anode off gas is used for the combustion of the reforming reaction (see, for example, Patent Document 1).
  • a conventional hydrogen purification system generally uses a plurality of electrochemical devices to purify high-purity purified hydrogen gas, and supplies the anode-off gas of each electrochemical device to a combustor.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a conventional hydrogen purification system.
  • the conventional hydrogen purification system 200 includes a hydrogen generator 21, a first electrochemical device 25a, a second electrochemical device 25b, a first power source 26a, a second power source 26b, and combustion.
  • a vessel 27, a first reflux path 28a, and a second reflux path 28b are provided.
  • the first electrochemical device 25a has a first anode 22a, a first cathode 23a, and a first electrolyte membrane 24a.
  • the second electrochemical device 25b has a second anode 22b, a second cathode 23b, and a second electrolyte membrane 24b.
  • the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generation device 21 is supplied to the first anode 22a.
  • the purified hydrogen gas discharged from the first cathode 23a is supplied to the second anode 22b.
  • the first power supply 26a causes a current to flow between the first anode 22a and the first cathode 23a.
  • the second power supply 26b causes a current to flow between the second anode 22b and the second cathode 23b.
  • the combustor 27 burns the anode off gas to heat the hydrogen generator 21.
  • the first reflux path 28a supplies the anode off gas discharged from the first anode 22a to the combustor 27.
  • the second reflux path 28b supplies the anode off gas discharged from the second anode 22b to the combustor 27.
  • an electrolyte membrane-electrode assembly in which a first electrolyte membrane 24a that selectively transports protons is sandwiched between a first anode 22a and a first cathode 23a is sandwiched by a pair of separators. I'm holding it.
  • the second electrochemical device 25b uses, for example, a pair of separators sandwiching an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) in which a second electrolyte membrane 24b that selectively transports protons is sandwiched between a second anode 22b and a second cathode 23b. I'm holding it.
  • MEA electrolyte membrane-electrode assembly
  • a hydrogen-containing gas is supplied to the first anode 22a, and a current flows between the first anode 22a and the first cathode 23a, so that the oxidation reaction of (Chemical Formula 1) occurs in the first anode 22a, and the first cathode 23a In, the reduction reaction of (Chemical formula 2) occurs.
  • the purified hydrogen gas discharged from the first cathode 23a is supplied to the second anode 22b, and the second anode 22b and the second cathode are used.
  • the oxidation reaction of (Chemical formula 1) occurs at the second anode 22b
  • the reduction reaction of (Chemical formula 2) occurs at the second cathode 23b.
  • the hydrogen-containing gas supplied to the first anode 22a the hydrogen-containing gas discharged from the first anode 22a without penetrating from the first anode 22a to the first cathode 23a via the first electrolyte membrane 24a.
  • anode off gas defined as anode off gas.
  • the hydrogen generator 21 is heated by supplying the anode off-gas to the combustor 27 from the first reflux path 28a and burning the anode-off gas in the combustor 27.
  • the hydrogen-containing gas discharged from the second anode 22b without penetrating from the second anode 22b to the second cathode 23b via the second electrolyte membrane 24b.
  • the hydrogen generating device 21 is heated by supplying the hydrogen-containing gas to the combustor 27 from the second reflux path 28b and burning the hydrogen-containing gas.
  • the ratio of the flow rate of purified hydrogen gas is defined as the hydrogen utilization rate.
  • the first electrochemical device 25a and the second electrochemical device 25b operate at a predetermined hydrogen utilization rate. When the hydrogen utilization rate of the electrochemical device is 100%, the anode off gas supplied to the combustor 27 becomes 0. In this case, the hydrogen generation device 21 does not overheat, but the deterioration of the electrochemical device is promoted. Therefore, the hydrogen utilization rate of an electrochemical device is generally set to a value of less than 100%.
  • the anode off gas of all electrochemical devices is supplied to the combustor. Therefore, when the hydrogen utilization rate of the electrochemical device is kept at a predetermined value, the supply amount of the anode off gas supplied to the combustor increases as the number of the electrochemical devices connected in series increases. Therefore, there is a problem that the hydrogen generating apparatus deteriorates due to excessive temperature rise, and a problem that the efficiency is lowered by burning the anode off gas having a relatively high hydrogen purity of the electrochemical device which is not the most upstream.
  • An object of the present disclosure is to provide a hydrogen purification system in which the supply amount of anode off-gas supplied to a combustor does not increase even if the number of electrochemical devices connected in series increases.
  • the hydrogen purification system of the present disclosure uses the anode off gas of the electrochemical device, which is the most upstream of the plurality of electrochemical devices connected in series, as a combustor for heating the hydrogen generator. Be supplied.
  • the anode-off gas of the electrochemical device that is not the most upstream is configured to join the gas supplied to the anode of the electrochemical device or the electrochemical device provided upstream of the electrochemical device.
  • the hydrogen purification system of the present disclosure increases the number of electrochemical devices connected in series, and even when the hydrogen utilization rate of the electrochemical devices is maintained at a predetermined value, the supply amount of the anode off gas supplied to the combustor. It is possible to realize a hydrogen purification system in which the amount of hydrogen is not increased.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen purification system according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a conventional hydrogen purification system.
  • an electrolyte membrane-electrode junction is formed by an anode arranged on one surface of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane and a cathode arranged on the other surface of the electrolyte membrane, and a hydrogen-containing gas is provided at the anode. Is supplied, and a current in a predetermined direction flows between the anode and the cathode, so that purified hydrogen gas having a higher purity of hydrogen than the hydrogen-containing gas supplied to the anode is discharged from the cathode.
  • a chemical device a hydrogen generator that supplies a hydrogen-containing gas generated from a raw material gas, a power source that allows a current to flow between the anode and cathode of a plurality of electrochemical devices, and a combustor that heats the hydrogen generator.
  • the hydrogen generator supplies hydrogen-containing gas to the anode of the most upstream electrochemical device among the plurality of the electrochemical devices, and the purified hydrogen gas discharged from the cathode of the most upstream electrochemical device is the most. Purified hydrogen gas discharged from the cathode of the electrochemical device on the upstream side so as to be supplied to the anode of the electrochemical device adjacent to the electrochemical device on the upstream side and between the electrochemical devices adjacent to each other.
  • a plurality of electrochemical devices are connected in series so as to be supplied to the anode of the electrochemical device on the downstream side.
  • the combustor is configured to burn the hydrogen-containing gas supplied to the anode of the most upstream electrochemical device, which is discharged from the anode without penetrating from the anode to the cathode through the electrolyte membrane. Will be done.
  • the hydrogen generation system supplies the anode with the purified hydrogen gas supplied to the anode of a non-upstream electrochemical device, which is discharged from the anode without penetrating from the anode to the cathode through the electrolyte membrane. It is configured to join the gas to be produced.
  • the first electrolyte is provided by a first anode arranged on one surface of the first electrolyte membrane and the first electrolyte membrane and a first cathode arranged on the other surface of the first electrolyte membrane.
  • a film-electrode junction is formed, a hydrogen-containing gas is supplied to the first anode, and a current in a predetermined direction flows between the first anode and the first cathode to purify hydrogen with a higher purity than the hydrogen-containing gas.
  • a first electrochemical device configured to discharge hydrogen gas from the first cathode, and a first electrochemical device connected in series and arranged on one surface of a second electrolyte membrane and a second electrolyte membrane.
  • the second anode and the second cathode arranged on the other surface of the second anode film form a second electrolyte membrane-electrode junction, and purified hydrogen gas is supplied to the second anode to provide the second anode and the second cathode.
  • a second electrochemical device configured to discharge purified hydrogen gas, which has a higher purity than purified hydrogen gas, from the second anode by flowing a current in a predetermined direction between the two, and a hydrogen-containing device generated from the raw material gas.
  • a hydrogen generator that supplies gas to the first anode, a power source that allows current to flow between the first anode and the first cathode, and between the second anode and the second anode, and a hydrogen content supplied to the first anode.
  • a combustor that heats the hydrogen generator by burning the hydrogen-containing gas discharged from the first anode without penetrating from the first anode to the first anode through the first electrolyte membrane, and the second anode.
  • the purified hydrogen gas supplied to the second anode the purified hydrogen gas discharged from the second anode without penetrating from the second anode to the second anode through the second anode film is supplied to the second anode. It is provided with a reflux path for merging with the gas.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hydrogen purification system according to the first embodiment of the present disclosure.
  • the hydrogen purification system 100 of the present embodiment includes a hydrogen generator 1, a first electrochemical device 5a, a second electrochemical device 5b, a first power source 6a, and a second power source 6b.
  • a combustor 7 for burning the anode off gas to heat the hydrogen generating apparatus 1, a first reflux path 8a, a second reflux path 8b, and a pump 9 are provided.
  • the hydrogen generation device 1 generates a hydrogen-containing gas by a reforming reaction using a raw material gas and water.
  • a reforming catalyst (not shown) and a combustor 7 are mounted inside the hydrogen generating apparatus 1. Water is heated inside the hydrogen generating apparatus 1 to become steam, which reacts with the raw material gas in the reforming catalyst to generate hydrogen-containing gas.
  • As the raw material gas city gas containing methane as a main component is used.
  • the first electrochemical device 5a is configured by sandwiching an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) in which a first electrolyte membrane 4a is sandwiched between a first anode 2a and a first cathode 3a by a pair of separators.
  • MEA electrolyte membrane-electrode assembly
  • the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generation device 1 is supplied to the first anode 2a of the first electrochemical device 5a.
  • hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the first anode 2a is transferred to the first cathode 3a via the first electrolyte membrane 4a.
  • purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the hydrogen-containing gas supplied to the first anode 2a is discharged from the first cathode 3a.
  • the second electrochemical device 5b is configured by sandwiching an electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) in which a second electrolyte membrane 4b is sandwiched between a second anode 2b and a second cathode 3b by a pair of separators.
  • MEA electrolyte membrane-electrode assembly
  • the purified hydrogen gas discharged from the first cathode 3a of the first electrochemical device 5a is supplied to the second anode 2b.
  • a current flows in a predetermined direction between the second anode 2b and the second cathode 3b
  • the hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the second anode 2b is transferred to the second cathode 3b via the second electrolyte membrane 4b.
  • purified hydrogen gas having a higher hydrogen purity than the purified hydrogen gas supplied to the second anode 2b is discharged from the second cathode 3b.
  • the first power supply 6a is a DC power supply in which the positive terminal is electrically connected to the first anode 2a and the negative terminal is electrically connected to the first cathode 3a.
  • the first power source 6a passes a current in the direction from the first anode 2a of the first electrochemical device 5a to the first cathode 3a via the first electrolyte membrane 4a.
  • the second power supply 6b is a DC power supply in which the positive terminal is electrically connected to the second anode 2b and the negative terminal is electrically connected to the second cathode 3b.
  • the second power source 6b passes a current in the direction from the second anode 2b of the second electrochemical device 5b to the second cathode 3b via the second electrolyte membrane 4b.
  • the first reflux path 8a is the first hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen generator 1 to the first anode 2a without permeating from the first anode 2a to the first cathode 3a via the first electrolyte membrane 4a. This is a path for supplying the hydrogen-containing gas discharged from the anode 2a, that is, the anode off gas to the combustor 7.
  • the second reflux path 8b is a second of the purified hydrogen gas supplied from the first cathode 3a to the second anode 2b without being permeated from the second anode 2b to the second cathode 3b via the second electrolyte membrane 4b. This is a route for merging the purified hydrogen gas discharged from the anode 2b with the purified hydrogen gas supplied from the first cathode 3a to the second anode 2b.
  • the pump 9 is provided in the second recirculation path 8b, and of the purified hydrogen gas supplied to the second anode 2b, the pump 9 does not permeate from the second anode 2b to the second cathode 3b via the second electrolyte membrane 4b. 2
  • the purified hydrogen gas discharged from the anode 2b is merged with the purified hydrogen gas supplied from the first cathode 3a to the second anode 2b.
  • the hydrogen generation device 1 is connected to the first anode 2a of the first electrochemical device 5a so that the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generation device 1 is supplied to the first anode 2a of the first electrochemical device 5a. ing.
  • the second electrochemical device 5b is connected to the first cathode 3a of the first electrochemical device 5a so that the purified hydrogen gas discharged from the first cathode 3a is supplied to the second anode 2b.
  • the flow rate of purified hydrogen gas purified by the hydrogen purification system 100 is 10 L / min.
  • the current value flowing through the first power supply 6a is 9.
  • the current value flowing through the first power supply 6a is 9.
  • Purified hydrogen gas at a flow rate of 10 L / min is discharged from the first cathode 3a.
  • the value of the current flowing through the second power source 6b is 9. Set to .5A.
  • Purified hydrogen gas at a flow rate of 10 L / min is discharged from the second cathode 3b.
  • the hydrogen utilization rate of the first electrochemical device 5a and the second electrochemical device 5b is set to 83.3%. 2 L / min of hydrogen-containing gas is supplied to the combustor 7.
  • the hydrogen generation device 1 generates a hydrogen-containing gas so that the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied to the first anode 2a is 12 L / min.
  • a current having a value of 9.5 A flows through the first power source 6a
  • purified hydrogen gas having a flow rate of 10 L / min is discharged from the first cathode 3a.
  • the hydrogen-containing gas supplied to the first anode 2a the hydrogen-containing gas discharged from the first anode 2a without penetrating from the first anode 2a to the first cathode 3a via the first electrolyte membrane 4a is 2 L / L /. It is supplied to the combustor 7 by the first reflux path 8a at a flow rate of min.
  • purified hydrogen gas at a flow rate of 10 L / min is discharged from the second cathode 3b.
  • the purified hydrogen gas supplied to the second anode 2b the purified hydrogen gas discharged from the second anode 2b without penetrating from the second anode 2b to the second cathode 3b via the second electrolyte membrane 4b, that is, the second anode.
  • the purified hydrogen gas passing through the reflux path 8b joins the purified hydrogen gas supplied from the first cathode 3a to the second anode 2b at a flow rate of 2 L / min by the pump 9.
  • connection destination of the first reflux path 8a and the connection destination of the second reflux path 8b are different.
  • the hydrogen-containing gas discharged from the first anode 2a is supplied to the combustor 7, but the purified hydrogen gas discharged from the second anode 2b is not supplied.
  • the hydrogen purification system 100 of the present embodiment includes the first electrochemical device 5a and the first electrochemical device 5a connected in series so that the purified hydrogen gas discharged from the first cathode 3a is supplied to the second anode 2b. It includes a second electrochemical device 5b, a hydrogen generating device 1, a first power source 6a, a second power source 6b, a combustor 7, a second recirculation path 8b, and a pump 9.
  • the hydrogen generation device 1 supplies the hydrogen-containing gas generated from the raw material gas to the first anode 2a.
  • the first power source 6a causes a current flowing from the first anode 2a to the first cathode 3a via the first electrolyte membrane 4a.
  • the second power source 6b causes a current flowing from the second anode 2b of the second electrochemical device 5b to the second cathode 3b via the second electrolyte membrane 4b.
  • the combustor 7 is connected to the first anode 2a via the first reflux path 8a, and burns the hydrogen-containing gas discharged from the first anode 2a to heat the hydrogen generator 1.
  • the second reflux path 8b merges the purified hydrogen gas discharged from the second anode 2b with the purified hydrogen gas supplied from the first cathode 3a to the second anode 2b.
  • the pump 9 is provided in the second reflux path 8b, and merges the purified hydrogen gas discharged from the second anode 2b with the purified hydrogen gas supplied from the first cathode 3a to the second anode 2b.
  • the two electrochemical devices that is, the first electrochemical device 5a and the second electrochemical device 5b are connected in series, and the hydrogen utilization rate of the first electrochemical device 5a and the hydrogen of the second electrochemical device 5b are connected. Even if the utilization rate is 83.3%, deterioration of the hydrogen generating apparatus 1 due to excessive temperature rise is suppressed.
  • the hydrogen-containing gas supplied to the combustor 7 is only the hydrogen-containing gas for one unit supplied from the first anode 2a through the first reflux path 8a, and the purified hydrogen discharged from the second anode 2b. This is because the gas is supplied to the second anode 2b. Therefore, the anode off gas of the second electrochemical device 5b can be effectively utilized, and an efficient hydrogen purification system can be realized.
  • the number of electrochemical devices connected in series downstream from the second electrochemical device 5b is increased, and hydrogen is purified with the hydrogen utilization rate of the electrochemical device as a predetermined value. Even in this case, the flow rate of the hydrogen-containing gas supplied to the combustor 7 does not increase. Therefore, it is possible to realize a hydrogen purification system 100 in which the hydrogen generation device 1 does not overheat and deterioration is suppressed.
  • the anode off gas of the second electrochemical device 5b is merged with the purified hydrogen gas supplied to the second anode 2b
  • the present invention is not limited to this.
  • the anode-off gas of the second electrochemical device 5b may be merged with the hydrogen-containing gas supplied to the first anode 2a, and in this case, the supply amount of the anode-off gas supplied to the combustor 7 does not increase.
  • the third electrochemical device is used.
  • the configuration may include a recirculation path for merging the anode off gas with at least one of the purified hydrogen gas supplied to the second anode 2b and the gas supplied to the third anode (not shown).
  • the hydrogen purification system supplies the combustor even when the number of electrochemical devices connected in series is increased and the hydrogen utilization rate of the electrochemical devices is maintained at a predetermined value.
  • the supply of anode off-gas is not increased. Therefore, it can be applied to the application of purifying purified hydrogen gas having high hydrogen purity from the hydrogen-containing gas generated by the hydrogen generator by using a plurality of electrochemical devices connected in series.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

水素精製システム（１００）は、複数の電気化学デバイス（５ａ，５ｂ）と、水素生成装置（１）と、電源（６ａ，６ｂ）と、燃焼器（７）と、を備える。最上流ではない電気化学デバイスのアノードに供給された純化水素ガスのうちで電解質膜を介してアノードからカソードに透過せずにアノードから排出される純化水素ガスを、アノードに供給されるガスに合流させるように構成されたことを特徴とする。

Description

水素精製システム
　本開示は、原料ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置と、水素含有ガスから高純度の純化水素ガスを精製する複数の電気化学デバイスとを備え、複数の電気化学デバイスにより純化水素ガスを精製することにより、高純度の水素である精製水素ガスを精製する水素精製システムに関する。
　従来の水素精製システムは、電解質膜をアノードとカソードとにより挟んだ電気化学デバイスの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、不純物を含む水素含有ガスから電気化学的に水素を分離して純化する２台の電気化学デバイスを用いて、上流の電気化学デバイスのカソードと下流の電気化学デバイスのアノードを接続し、水素純度が高い精製水素ガスを精製している（例えば、非特許文献１参照）。
　また、水素製造発電システムは、原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する水素生成装置から電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給し、アノードから排出されるアノードオフガスを水素生成装置での改質反応の温度を制御する燃焼器に供給し、アノードオフガスを改質反応の燃焼に使用している（例えば、特許文献１参照）。
　従来の水素精製システムは、一般的に、高純度の精製水素ガスを精製するために複数台の電気化学デバイスを用い、それぞれの電気化学デバイスのアノードオフガスを燃焼器に供給する。
　図２は、従来の水素精製システムの構成を示すブロック図である。図２に示すように、従来の水素精製システム２００は、水素生成装置２１と、第１電気化学デバイス２５ａと、第２電気化学デバイス２５ｂと、第１電源２６ａと、第２電源２６ｂと、燃焼器２７と、第１還流経路２８ａと、第２還流経路２８ｂとを備える。
　第１電気化学デバイス２５ａは、第１アノード２２ａと、第１カソード２３ａと、第１電解質膜２４ａとを有する。第２電気化学デバイス２５ｂは、第２アノード２２ｂと、第２カソード２３ｂと、第２電解質膜２４ｂとを有する。
　水素生成装置２１で生成された水素含有ガスは、第１アノード２２ａに供給される。第１カソード２３ａから排出される純化水素ガスは、第２アノード２２ｂに供給される。第１電源２６ａは、第１アノード２２ａと第１カソード２３ａとの間に電流を流す。第２電源２６ｂは、第２アノード２２ｂと第２カソード２３ｂとの間に電流を流す。
　燃焼器２７は、アノードオフガスを燃焼させて水素生成装置２１を加熱する。第１還流経路２８ａは、第１アノード２２ａから排出されるアノードオフガスを燃焼器２７に供給する。第２還流経路２８ｂは、第２アノード２２ｂから排出されるアノードオフガスを燃焼器２７に供給する。
　第１電気化学デバイス２５ａは、例えば、プロトンを選択的に輸送する第１電解質膜２４ａを第１アノード２２ａと第１カソード２３ａとにより挟んだ電解質膜－電極接合体（ＭＥＡ）を一対のセパレータによって挟持している。
　第２電気化学デバイス２５ｂは、例えば、プロトンを選択的に輸送する第２電解質膜２４ｂを第２アノード２２ｂと第２カソード２３ｂとにより挟んだ電解質膜－電極接合体（ＭＥＡ）を一対のセパレータによって挟持している。
　第１アノード２２ａに水素含有ガスが供給され、第１アノード２２ａと第１カソード２３ａとの間に電流が流れることにより、第１アノード２２ａにおいて（化１）の酸化反応が起こり、第１カソード２３ａ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、第１アノード２２ａに供給された水素含有ガスから水素を分離することができる。したがって、純化水素ガスを精製することができる。
　さらに、第１電気化学デバイス２５ａにおいて精製された純化水素ガスの水素純度を上げるため、第１カソード２３ａから排出される純化水素ガスを第２アノード２２ｂに供給し、第２アノード２２ｂと第２カソード２３ｂとの間に電流を流すことにより、第２アノード２２ｂにおいて（化１）の酸化反応が起こり、第２カソード２３ｂにおいて（化２）の還元反応が起こる。
　以上の反応により、第２アノード２２ｂに供給された純化水素ガスから水素を分離することができる。したがって、純化水素ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを精製することができる。
　また、第１アノード２２ａに供給された水素含有ガスのうち、第１電解質膜２４ａを介して第１アノード２２ａから第１カソード２３ａに透過せずに第１アノード２２ａから排出される水素含有ガスをアノードオフガスと定義する。アノードオフガスを第１還流経路２８ａより燃焼器２７に供給し、燃焼器２７がアノードオフガスを燃焼することにより、水素生成装置２１が加熱される。
　さらに、第２アノード２２ｂに供給された純化水素ガスのうち、第２電解質膜２４ｂを介して第２アノード２２ｂから第２カソード２３ｂに透過せずに第２アノード２２ｂから排出される水素含有ガスを第２還流経路２８ｂより燃焼器２７に供給し、燃焼器２７が水素含有ガスを燃焼することにより、水素生成装置２１が加熱される。
　第１アノード２２ａに供給する水素含有ガスの流量および第１カソード２３ａから排出される純化水素ガスの流量の割合と、第２アノード２２ｂに供給する純化水素ガスの流量および第２カソード２３ａから排出される精製水素ガスの流量の割合とを水素利用率と定義する。第１電気化学デバイス２５ａと第２電気化学デバイス２５ｂとは、所定の水素利用率において動作する。電気化学デバイスの水素利用率が１００％の場合、燃焼器２７に供給されるアノードオフガスは０となる。この場合、水素生成装置２１が過昇温することはなくなるが、電気化学デバイスの劣化が促進される。したがって、電気化学デバイスの水素利用率は一般的に１００％未満の値で設定される。
特開２００９－１７１２０号公報
Ｈ．Ｋ．Ｌｅｅ，Ｈ．Ｙ．Ｃｈｏｉ，Ｋ．Ｈ．Ｃｈｏｉ，Ｊ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｔ．Ｈ．Ｌｅｅ，Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ　１３２（２００４）９２－９８．
　しかし、従来の構成では、全ての電気化学デバイスのアノードオフガスを燃焼器に供給する。そのため、電気化学デバイスの水素利用率を所定値に保つ場合、直列に接続する電気化学デバイスの台数が増えるほど燃焼器に供給されるアノードオフガスの供給量は増加する。したがって、水素生成装置が過昇温で劣化する課題と、最上流でない電気化学デバイスの相対的に水素純度が高いアノードオフガスが燃焼されることにより効率が低下するという課題とを有していた。
　本開示は、従来の課題を解決するものである。本開示は、直列に接続する電気化学デバイスの台数が増えても、燃焼器に供給されるアノードオフガスの供給量が増加しない水素精製システムを提供することを目的とする。
　従来の課題を解決するために、本開示の水素精製システムは、直列に接続された複数の電気化学デバイスのうち最上流となる電気化学デバイスのアノードオフガスは、水素生成装置を加熱する燃焼器に供給される。最上流ではない電気化学デバイスのアノードオフガスは、当該電気化学デバイスまたは当該電気化学デバイスより上流に設けられた電気化学デバイスのアノードに供給されるガスに合流するように構成されている。
　これによって、直列に接続する電気化学デバイスの台数を増やし、電気化学デバイスの水素利用率を所定値に保った場合であっても、燃焼器に供給されるアノードオフガスの供給量は増加しない。
　本開示の水素精製システムは、直列に接続する電気化学デバイスの台数を増やし、電気化学デバイスの水素利用率を所定値に保った場合であっても、燃焼器に供給されるアノードオフガスの供給量が増加することがない水素精製システムを実現することができる。
図１は、本開示の実施の形態１における水素精製システムの構成を示すブロック図である。 図２は、従来の水素精製システムの構成を示すブロック図である。
　本開示の水素精製システムは、電解質膜、電解質膜の一方の面に配置されるアノードおよび電解質膜の他方の面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、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所定方向の電流が流れることによりアノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い純化水素ガスをカソードから排出するように構成された複数の電気化学デバイスと、原料ガスから生成した水素含有ガスを供給する水素生成装置と、複数の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電源と、水素生成装置を加熱する燃焼器と、を備える。水素生成装置が、複数の前記電気化学デバイスのうちで最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給し、最上流となる電気化学デバイスのカソードから排出される純化水素ガスが、最上流となる電気化学デバイスに隣接する電気化学デバイスのアノードに供給されるように、且つ、互いに隣接する電気化学デバイス同士において、上流側となる電気化学デバイスのカソードから排出される純化水素ガスが、下流側となる電気化学デバイスのアノードに供給されるように、複数の電気化学デバイスが、直列に接続される。燃焼器は、最上流となる電気化学デバイスのアノードに供給された水素含有ガスのうちで電解質膜を介してアノードからカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有ガスを燃焼するように構成される。水素生成システムは、最上流ではない電気化学デバイスのアノードに供給された純化水素ガスのうちで電解質膜を介してアノードからカソードに透過せずにアノードから排出される純化水素ガスを、アノードに供給されるガスに合流させるように構成される。
　また、本開示の水素精製システムは、第１電解質膜、第１電解質膜の一方の面に配置される第１アノードおよび第１電解質膜の他方の面に配置される第１カソードにより第１電解質膜－電極接合体が構成され、第１アノードに水素含有ガスが供給され、第１アノードと第１カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより水素含有ガスよりも水素の純度が高い純化水素ガスを第１カソードから排出するように構成された第１電気化学デバイスと、第１電気化学デバイスと直列に接続され、第２電解質膜、第２電解質膜の一方の面に配置される第２アノードおよび第２電解質膜の他方の面に配置される第２カソードにより第２電解質膜－電極接合体が構成され、第２アノードに純化水素ガスが供給され、第２アノードと第２カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより純化水素ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを第２カソードから排出するように構成された第２電気化学デバイスと、原料ガスから生成した水素含有ガスを第１アノードに供給する水素生成装置と、第１アノードと第１カソードとの間および第２アノードと第２カソードとの間に電流を流す電源と、第１アノードに供給された水素含有ガスのうち、第１電解質膜を介して第１アノードから第１カソードに透過せずに第１アノードから排出される水素含有ガスを燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、第２アノードに供給された純化水素ガスのうち、第２電解質膜を介して第２アノードから第２カソードに透過せずに第２アノードから排出される純化水素ガスを、第２アノードに供給される純化水素ガスに合流させる還流経路と、を備える。
　これにより、燃焼器に供給されるアノードオフガスの供給量の増加が抑制される。したがって、直列に接続する電気化学デバイスの台数を増やし、電気化学デバイスの水素利用率を所定値に保った場合であっても、水素生成装置が過昇温しない。これにより、劣化することのない水素精製システムを実現することができる。
　以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、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。
　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、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
　（実施の形態１）
　図１は、本開示の実施の形態１における水素精製システム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精製システム１００は、水素生成装置１と、第１電気化学デバイス５ａと、第２電気化学デバイス５ｂと、第１電源６ａと、第２電源６ｂと、アノードオフガスを燃焼させて水素生成装置１を加熱する燃焼器７と、第１還流経路８ａと、第２還流経路８ｂと、ポンプ９とを備える。
　水素生成装置１は、原料ガスおよび水を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。水素生成装置１の内部には、改質触媒（図示せず）および燃焼器７が搭載されている。水は水素生成装置１の内部において加熱されて水蒸気となり、改質触媒において原料ガスと反応して水素含有ガスが生成される。原料ガスは、メタンを主成分とした都市ガスが用いられる。
　第１電気化学デバイス５ａは、第１電解質膜４ａを第１アノード２ａと第１カソード３ａとで挟んだ電解質膜－電極接合体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持して構成される。水素生成装置１で生成された水素含有ガスは、第１電気化学デバイス５ａの第１アノード２ａに供給される。第１アノード２ａと第１カソード３ａとの間に所定方向の電流が流れることにより、第１アノード２ａに供給された水素含有ガス中の水素は、第１電解質膜４ａを介して第１カソード３ａへと選択的かつ電気的に移送される。これにより、第１アノード２ａに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い純化水素ガスが第１カソード３ａから排出される。
　第２電気化学デバイス５ｂは、第２電解質膜４ｂを第２アノード２ｂと第２カソード３ｂとで挟んだ電解質膜－電極接合体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持して構成される。第１電気化学デバイス５ａの第１カソード３ａから排出される純化水素ガスは、第２アノード２ｂに供給される。第２アノード２ｂと第２カソード３ｂとの間に所定方向の電流が流れることにより、第２アノード２ｂに供給された水素含有ガス中の水素は、第２電解質膜４ｂを介して第２カソード３ｂへと選択的かつ電気的に移送される。これにより、第２アノード２ｂに供給された純化水素ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスが第２カソード３ｂから排出される。
　第１電源６ａは、プラス側端子が第１アノード２ａに電気的に接続され、マイナス側端子が第１カソード３ａに電気的に接続される直流電源である。第１電源６ａは、第１電気化学デバイス５ａの第１アノード２ａから第１電解質膜４ａを介して第１カソード３ａへと向かう方向の電流を流す。
　第２電源６ｂは、プラス側端子が第２アノード２ｂに電気的に接続され、マイナス側端子が第２カソード３ｂに電気的に接続される直流電源である。第２電源６ｂは、第２電気化学デバイス５ｂの第２アノード２ｂから第２電解質膜４ｂを介して第２カソード３ｂへと向かう方向の電流を流す。
　第１還流経路８ａは、水素生成装置１から第１アノード２ａに供給された水素含有ガスのうち、第１電解質膜４ａを介して第１アノード２ａから第１カソード３ａに透過せずに第１アノード２ａから排出される水素含有ガス、すなわちアノードオフガスを燃焼器７へと供給する経路である。
　第２還流経路８ｂは、第１カソード３ａから第２アノード２ｂに供給された純化水素ガスのうち、第２電解質膜４ｂを介して第２アノード２ｂから第２カソード３ｂに透過せずに第２アノード２ｂから排出される純化水素ガスを第１カソード３ａから第２アノード２ｂに供給する純化水素ガスに合流させる経路である。
　ポンプ９は、第２還流経路８ｂに設けられ、第２アノード２ｂに供給された純化水素ガスのうちで第２電解質膜４ｂを介して第２アノード２ｂから第２カソード３ｂに透過せずに第２アノード２ｂから排出される純化水素ガスを第１カソード３ａから第２アノード２ｂに供給する純化水素ガスに合流させる。
　水素生成装置１は、水素生成装置１により生成された水素含有ガスが第１電気化学デバイス５ａの第１アノード２ａに供給されるように、第１電気化学デバイス５ａの第１アノード２ａと接続されている。
　第２電気化学デバイス５ｂは、第１カソード３ａから排出された純化水素ガスが第２アノード２ｂに供給されるように、第１電気化学デバイス５ａの第１カソード３ａと接続されている。
　以上のように構成された本実施の形態の水素精製システム１００について、以下その動作、作用を説明する。
　水素精製システム１００により精製される精製水素ガスの流量は１０Ｌ／ｍｉｎである。第１アノード２ａに供給された水素含有ガス中の水素を第１電解質膜４ａを介して第１カソード３ａへと選択的かつ電気的に移送するために、第１電源６ａに流れる電流値は９．５Ａに設定される。第１カソード３ａから１０Ｌ／ｍｉｎの流量の純化水素ガスが排出される。第２アノード２ｂに供給された純化水素ガスの水素を第２電解質膜４ｂを介して第２カソード３ｂへと選択的かつ電気的に移送するために、第２電源６ｂに流れる電流の値は９．５Ａに設定される。第２カソード３ｂから１０Ｌ／ｍｉｎの流量の精製水素ガスが排出される。第１電気化学デバイス５ａと第２電気化学デバイス５ｂとの水素利用率は８３．３％に設定される。燃焼器７には２Ｌ／ｍｉｎの水素含有ガスが供給される。
　まず、第１アノード２ａに供給される水素含有ガスの流量が１２Ｌ／ｍｉｎとなるように、水素生成装置１は水素含有ガスを生成する。第１電源６ａに９．５Ａの値の電流が流れると、第１カソード３ａから１０Ｌ／ｍｉｎの流量の純化水素ガスが排出される。第１アノード２ａに供給された水素含有ガスのうち、第１電解質膜４ａを介して第１アノード２ａから第１カソード３ａに透過せずに第１アノード２ａから排出する水素含有ガスは、２Ｌ／ｍｉｎの流量にて第１還流経路８ａにより燃焼器７へ供給される。
　次に、第２電源６ｂに９．５Ａの値の電流が流れると、第２カソード３ｂから１０Ｌ／ｍｉｎの流量の精製水素ガスが排出される。第２アノード２ｂに供給された純化水素ガスのうち、第２電解質膜４ｂを介して第２アノード２ｂから第２カソード３ｂに透過せずに第２アノード２ｂから排出される純化水素ガス、すなわち第２還流経路８ｂを通過する純化水素ガスは、ポンプ９により、２Ｌ／ｍｉｎの流量にて第１カソード３ａから第２アノード２ｂに供給する純化水素ガスに合流する。
　第１還流経路８ａの接続先と第２還流経路８ｂの接続先とは異なる。燃焼器７には、第１アノード２ａから排出される水素含有ガスは供給されるが、第２アノード２ｂから排出される純化水素ガスは供給されない。
　以上のように、本実施の形態の水素精製システム１００は、第１カソード３ａから排出される純化水素ガスが第２アノード２ｂに供給されるように直列に接続された第１電気化学デバイス５ａおよび第２電気化学デバイス５ｂと、水素生成装置１と、第１電源６ａと、第２電源６ｂと、燃焼器７と、第２還流経路８ｂと、ポンプ９とを備える。水素生成装置１は、原料ガスから生成した水素含有ガスを第１アノード２ａに供給する。第１電源６ａは、第１アノード２ａから第１電解質膜４ａを介して第１カソード３ａへと向かう電流を流す。第２電源６ｂは、第２電気化学デバイス５ｂの第２アノード２ｂから第２電解質膜４ｂを介して第２カソード３ｂへと向かう電流を流す。燃焼器７は、第１アノード２ａと第１還流経路８ａを介して接続され、第１アノード２ａから排出される水素含有ガスを燃焼して水素生成装置１を加熱する。第２還流経路８ｂは、第２アノード２ｂから排出される純化水素ガスを第１カソード３ａから第２アノード２ｂに供給される純化水素ガスに合流させる。ポンプ９は、第２還流経路８ｂに設けられ、第２アノード２ｂから排出される純化水素ガスを第１カソード３ａから第２アノード２ｂに供給される純化水素ガスに合流させる。
　これにより、２台の電気化学デバイス、すなわち第１電気化学デバイス５ａと第２電気化学デバイス５ｂとを直列に接続し、第１電気化学デバイス５ａの水素利用率と第２電気化学デバイス５ｂの水素利用率とを８３．３％にしても、水素生成装置１の過昇温による劣化が抑制される。これは、燃焼器７に供給される水素含有ガスは、第１アノード２ａから第１還流経路８ａによって供給される１台分の水素含有ガスだけであり、第２アノード２ｂから排出される純化水素ガスは第２アノード２ｂに供給されるためである。したがって、第２電気化学デバイス５ｂのアノードオフガスを有効活用でき、効率の良い水素精製システムが実現できる。
　また、本実施の形態では、水素精製システム１００において第２電気化学デバイス５ｂより下流にて直列に接続される電気化学デバイスの台数を増やし、電気化学デバイスの水素利用率を所定値として水素を精製した場合であっても、燃焼器７に供給される水素含有ガスの流量が増加しない。したがって、水素生成装置１が過昇温せず、劣化が抑制される水素精製システム１００が実現できる。
　本実施の形態では、第２電気化学デバイス５ｂのアノードオフガスを第２アノード２ｂに供給される純化水素ガスに合流させる例を説明したが、これに限定されない。例えば、第２電気化学デバイス５ｂのアノードオフガスを第１アノード２ａに供給される水素含有ガスに合流させてもよく、この場合、燃焼器７に供給されるアノードオフガスの供給量は増加しない。また、直列に接続される複数の電気化学デバイスの台数を増やして、第２電気化学デバイス５ｂの下流側に第３電気化学デバイス（図示せず）を接続した場合は、第３電気化学デバイスのアノードオフガスを、第２アノード２ｂに供給される純化水素ガスおよび第３アノード（図示せず）に供給されるガスの少なくとも一方に合流させる還流経路を備える構成としてもよい。
　以上のように、本開示にかかる水素精製システムは、直列に接続される電気化学デバイスの台数を増やし、電気化学デバイスの水素利用率を所定値に保った場合であっても、燃焼器に供給されるアノードオフガスの供給量が増加しない。したがって、水素生成装置により生成された水素含有ガスから、直列に複数台接続された電気化学デバイスを用いて水素純度の高い精製水素ガスを精製する用途に適用できる。
　１，２１　水素生成装置
　２ａ，２２ａ　第１アノード
　２ｂ，２２ｂ　第２アノード
　３ａ，２３ａ　第１カソード
　３ｂ，２３ｂ　第２カソード
　４ａ，２４ａ　第１電解質膜
　４ｂ，２４ｂ　第２電解質膜
　５ａ，２５ａ　第１電気化学デバイス
　５ｂ，２５ｂ　第２電気化学デバイス
　６ａ，２６ａ　第１電源
　６ｂ，２６ｂ　第２電源
　７，２７　燃焼器
　８ａ，２８ａ　第１還流経路
　８ｂ，２８ｂ　第２還流経路
　９　ポンプ
　１００，２００　水素精製システム

Claims (2)

  1. 電解質膜、前記電解質膜の一方の面に配置されるアノードおよび前記電解質膜の他方の面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、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所定方向の電流が流れることにより前記アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い純化水素ガスを前記カソードから排出するように構成された複数の電気化学デバイスと、
    原料ガスから生成した水素含有ガスを供給する水素生成装置と、
    複数の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前記電流を流す電源と、
    前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、
    を備え、
    前記水素生成装置が、複数の前記電気化学デバイスのうちで前記最上流となる前記電気化学デバイスの前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記最上流となる前記電気化学デバイスの前記カソードから排出される純化水素ガスが、前記最上流となる前記電気化学デバイスに隣接する前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、且つ、互いに隣接する前記電気化学デバイス同士において、上流側となる前記電気化学デバイスの前記カソードから排出される純化水素ガスが、下流側となる前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、複数の前記電気化学デバイスが、直列に接続され、
    前記燃焼器は、前記最上流となる前記電気化学デバイスの前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記電解質膜を介して前記アノードから前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有ガスを燃焼するように構成され、
    前記最上流ではない前記電気化学デバイスの前記アノードに供給された純化水素ガスのうちで前記電解質膜を介して前記アノードから前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される純化水素ガスを、前記アノードに供給されるガスに合流させるように構成された、ことを特徴とする水素精製システム。
  2. 第１電解質膜、前記第１電解質膜の一方の面に配置される第１アノードおよび前記第１電解質膜の他方の面に配置される第１カソードにより第１電解質膜－電極接合体が構成され、前記第１アノードに水素含有ガスが供給され、前記第１アノードと前記第１カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより前記水素含有ガスよりも水素の純度が高い純化水素ガスを前記第１カソードから排出するように構成された第１電気化学デバイスと、
    前記第１電気化学デバイスと直列に接続され、第２電解質膜、前記第２電解質膜の一方の面に配置される第２アノードおよび前記第２電解質膜の他方の面に配置される第２カソードにより第２電解質膜－電極接合体が構成され、前記第２アノードに前記純化水素ガスが供給され、前記第２アノードと前記第２カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより前記純化水素ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを前記第２カソードから排出するように構成された第２電気化学デバイスと、
    原料ガスから生成した前記水素含有ガスを前記第１アノードに供給する水素生成装置と、
    前記第１アノードと前記第１カソードとの間および前記第２アノードと前記第２カソードとの間に電流を流す電源と、
    前記第１アノードに供給された前記水素含有ガスのうち、前記第１電解質膜を介して前記第１アノードから前記第１カソードに透過せずに前記第１アノードから排出される前記水素含有ガスを燃焼して前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、
    前記第２アノードに供給された純化水素ガスのうち、前記第２電解質膜を介して前記第２アノードから前記第２カソードに透過せずに前記第２アノードから排出される純化水素ガスを、前記第１アノードに供給される水素含有ガスおよび前記第２アノードに供給される純化水素ガスの少なくとも一方に合流させる還流経路と、を備える水素精製システム。
PCT/JP2020/026633 2019-07-25 2020-07-08 水素精製システム Ceased WO2021014969A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP20842673.4A EP4006209A4 (en) 2019-07-25 2020-07-08 Hydrogen purification system
JP2021533923A JPWO2021014969A1 (ja) 2019-07-25 2020-07-08
CN202080049895.1A CN114080474A (zh) 2019-07-25 2020-07-08 氢提纯系统

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019136932 2019-07-25
JP2019-136932 2019-07-25

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021014969A1 true WO2021014969A1 (ja) 2021-01-28

Family

ID=74193247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2020/026633 Ceased WO2021014969A1 (ja) 2019-07-25 2020-07-08 水素精製システム

Country Status (4)

Country Link
EP (1) EP4006209A4 (ja)
JP (1) JPWO2021014969A1 (ja)
CN (1) CN114080474A (ja)
WO (1) WO2021014969A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024507764A (ja) * 2021-02-12 2024-02-21 エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー 電気化学的水素ポンプ
JP2024544190A (ja) * 2021-12-01 2024-11-28 エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー 水素回収システム及び方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12397262B2 (en) 2022-09-22 2025-08-26 Daryl J. Ludlow Devices, systems, and methods for electrochemically purifying hydrogen

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009017120A (ja) 2007-07-03 2009-01-22 Seiko Epson Corp 地紋画像生成プログラム及び地紋画像生成装置
JP2011098872A (ja) * 2009-11-09 2011-05-19 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2016094308A (ja) * 2014-11-12 2016-05-26 東京瓦斯株式会社 圧縮水素供給装置
JP2017511956A (ja) * 2014-01-31 2017-04-27 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッドＦｕｅｌｃｅｌｌ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ． 水素製造のための改質装置・電解装置・精製装置（ｒｅｐ）組立体、同組立体を組み込むシステムおよび水素製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101306302B (zh) * 2008-01-31 2011-08-31 上海交通大学 分离和净化含氢工业废气方法
JP6299027B2 (ja) * 2013-12-16 2018-03-28 国立大学法人山梨大学 水素精製昇圧システム及びその運転方法
CA3005639C (en) * 2015-11-16 2021-05-18 Fuelcell Energy, Inc. Energy storage using an rep with an engine
JP7220368B2 (ja) * 2017-12-01 2023-02-10 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システム
CN109301283B (zh) * 2018-09-28 2023-09-22 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 一种带co2捕集的整体煤气化燃料电池系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009017120A (ja) 2007-07-03 2009-01-22 Seiko Epson Corp 地紋画像生成プログラム及び地紋画像生成装置
JP2011098872A (ja) * 2009-11-09 2011-05-19 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2017511956A (ja) * 2014-01-31 2017-04-27 フュエルセル エナジー， インコーポレイテッドＦｕｅｌｃｅｌｌ Ｅｎｅｒｇｙ， Ｉｎｃ． 水素製造のための改質装置・電解装置・精製装置（ｒｅｐ）組立体、同組立体を組み込むシステムおよび水素製造方法
JP2016094308A (ja) * 2014-11-12 2016-05-26 東京瓦斯株式会社 圧縮水素供給装置

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
H. K. LEEH. Y CHOIK. H. CHOIJ. H. PARKT. H. LEE, JOURNAL OF POWER SOURCES, vol. 132, 2004, pages 92 - 98
See also references of EP4006209A4

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2024507764A (ja) * 2021-02-12 2024-02-21 エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー 電気化学的水素ポンプ
JP7850169B2 (ja) 2021-02-12 2026-04-22 エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー 電気化学的水素ポンプ
JP2024544190A (ja) * 2021-12-01 2024-11-28 エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー 水素回収システム及び方法
JP7852050B2 (ja) 2021-12-01 2026-04-27 エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー 水素回収システム及び方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4006209A4 (en) 2022-11-16
EP4006209A1 (en) 2022-06-01
CN114080474A (zh) 2022-02-22
JPWO2021014969A1 (ja) 2021-01-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6529752B2 (ja) 燃料電池システム
US6207308B1 (en) Water treatment system for a fuel cell assembly
US8530101B2 (en) Anode exhaust recycle system
KR102307827B1 (ko) 고체 산화물 연료 전지 시스템
KR102383498B1 (ko) 연료 전지 시스템
JP2019502227A (ja) 燃料電池からｃｏ２を捕捉するシステム
WO2021014969A1 (ja) 水素精製システム
JPWO2021014969A5 (ja)
JP6439545B2 (ja) 燃料電池システム
CN109563634B (zh) 氢处理装置
US10854899B2 (en) Power generation system using cascaded fuel cells and associated methods thereof
JP3644667B2 (ja) 燃料電池発電装置
JP2008234869A (ja) 燃料電池システム
JP2007128680A (ja) 燃料電池システム
JP2018135244A (ja) 水素利用システム
US20060078782A1 (en) Single-pass, high fuel concentration, mixed-reactant fuel cell generator apparatus and method
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
JP2021147647A (ja) 水素製造システム
JP2020015932A (ja) 水素生成システム並びにその運転方法
JP7173776B2 (ja) 燃料電池システム及び発電方法
WO2020059301A1 (ja) 水素純化器およびその運転方法
JP2020125511A (ja) 水素生成システム
JP5324073B2 (ja) 燃料電池システム
JPH08250144A (ja) 燃料電池発電システム
JP3079317B2 (ja) 溶融炭酸塩型燃料電池発電装置

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021533923

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2020842673

Country of ref document: EP

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

Ref document number: 20842673

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1