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水素精製昇圧システム及びその運転方法

国内特許コード P150012635
整理番号 S2014-0209-N0
掲載日 2015年11月26日
出願番号 特願2013-259655
公開番号 特開2015-117139
出願日 平成25年12月16日(2013.12.16)
公開日 平成27年6月25日(2015.6.25)
発明者
  • 渡辺 政廣
出願人
  • 国立大学法人山梨大学
発明の名称 水素精製昇圧システム及びその運転方法
発明の概要 【課題】水素ステーションを安全かつ効率的に運用することを可能にする水素精製昇圧システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】 本発明によれば、燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスからなる又は前記改質ガスから得られる水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、を備える、水素精製昇圧システムが提供される。
【選択図】図3
従来技術、競合技術の概要


水素を燃料とする固体高分子形燃料電池(以下、PEFCという。)の開発が進められ、自動車や家庭用自家発電向けに広く開発が進んでいる。家庭用自家発電向けの燃料電池システムはすでに実用化されており、また、燃料電池を搭載した燃料電池自動車も、近い将来に実用化されることが期待されている。家庭用自家発電向けの燃料電池システムと異なり、燃料電池自動車の普及のためには燃料供給インフラを整備する必要がある。すなわち燃料電池自動車の普及に合わせて、各地に水素ステーションを建設していくことが必要である。



水素ステーションにおいては、高純度で高圧な水素を貯蔵し、燃料電池自動車に供給する。そして、水素ステーションに燃料を供給する方法として、他の場所で製造した水素をタンクローリーで輸送する方法と、水素ステーションで水素を製造する方法がある。しかし、水素はエネルギー密度が低いため、ガソリンのようにタンクローリーで輸送することには向かない。このため、水素ステーションにおいて水素を製造して、精製・昇圧を行うことが好ましい。



特許文献1には、水素を含む改質ガスを精製・昇圧する水素昇圧プロセスが記載されている。このプロセスは、PEFCのセルに外部電力を加える事により、アノード側に供給する改質ガスから、カソード側に精製・昇圧された水素を作るものである。

産業上の利用分野


本発明は、燃料電池用の水素精製昇圧システムとして、改質ガスに含まれる水素を精製すると同時に昇圧させる水素精製昇圧装置を用いた水素精製昇圧システム及びその運転方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
燃料を供給する燃料供給配管と、
前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスからなる又は前記改質ガスから得られる水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、
電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、
前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、
前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、
前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、
前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、
を備える、水素精製昇圧システム。

【請求項2】
燃料を供給する燃料供給配管と、
前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して水素含有ガスを生成する一酸化炭素除去器と、
前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、
電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、
前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、
前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、
前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、
前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、
を備える、水素精製昇圧システム。

【請求項3】
燃料を供給する燃料供給配管と、
前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して水素含有ガスを生成する一酸化炭素除去器と、
前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、
前記水素含有ガスに酸素ガスを混合する酸素ガス供給配管と、
電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、
前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、
前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、
前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、
前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、
を備える、水素精製昇圧システム。

【請求項4】
請求項1から請求項3の何れか1つに記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記改質器を予熱し、前記燃料を供給する工程と、
前記ガス検知器が検出した一酸化炭素濃度が閾値を超えると前記水素含有ガスに酸素ガスを混合する工程と、
前記水素精製昇圧装置の前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加する工程と、
前記精製水素ガスの流量及び圧力を測定して前記燃料の供給量を制御する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法。

【請求項5】
請求項1から請求項3の何れか1つに記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記水素精製昇圧システムの停止時には、
前記燃料の供給を停止する工程と、
前記水素精製昇圧装置への通電を停止する工程と、
前記水素精製昇圧装置への前記水素含有ガスの供給を停止し且つ前記パージ用窒素ガスを導入させて前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法。

【請求項6】
請求項1から請求項3の何れか1つに記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記水素精製昇圧装置は、複数のユニットセルが積層された積層セル構造を備え、
前記ユニットセルは、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方に積層されるアノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に積層されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に対向して前記アノード触媒層の外側に設けられるアノード側給電体と、
前記カソード触媒層に対向して前記カソード触媒層の外側に設けられるカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して前記アノード側給電体の外側に設けられ且つ前記水素含有ガスが供給されるアノード側流路を備えたアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して前記カソード側給電体の外側に設けられ且つ前記精製水素ガスが排出されるカソード側流路を備えたカソード側セパレータを備え、
前記カソード側流路中の前記精製水素ガスの圧力を測定する圧力測定部を備え、
前記圧力測定部による測定結果に基づいて、前記燃料の供給量を調節する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法。

【請求項7】
請求項6に記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記圧力測定部は、前記積層セル構造の最後段のユニットセルの前記カソード側流路での前記精製水素ガスの圧力を測定するように配置され、
前記圧力測定部の測定値が所定の基準値未満である場合に前記改質器への前記燃料の供給量を増加させる工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2013259655thum.jpg
出願権利状態 公開
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