(57)【要約】【課題】水素製造工程の開始直後から高純度の精製水素ガスを供給できる水素生成システムを提供する。【解決手段】水素生成システム４１は、電解質膜５をアノード６とカソード７とで挟んだ電気化学デバイス８と、アノード６に水素生成装置１の水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路１０と、アノードオフガスを燃焼器３に供給するアノードオフガス流路１１と、カソード７から水素利用機器５１へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路１２を開閉する精製水素ガス流路開閉弁１３と、カソード７と水素含有ガス流路１０とを接続するカソードベント流路１４を開閉するカソードベント流路開閉弁１５と、起動工程を開始させるときに、精製水素ガス流路開閉弁１３とカソードベント流路開閉弁１５を開いて、カソード７に逆流する精製水素ガスで、カソード７の滞留ガスを燃焼器３に排出させる制御器３１と、を備える。【選択図】図１
2020083718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置に前記原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、前記アノードに水素含有ガスを供給して、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードから前記水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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前記電流を流す電源と、前記水素生成装置から前記電気化学デバイスの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、前記電気化学デバイスの前記アノードから前記燃焼器へアノードオフガスを前記燃料として供給するアノードオフガス流路と、前記電気化学デバイスの前記カソードから水素利用機器へ前記精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、前記カソードから前記水素含有ガス流路または前記アノードオフガス流路へ前記精製水素ガスを供給するカソードベント流路と、前記精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、前記カソードベント流路上に配設されたカソードベント流路開閉弁と、制御器と、を備え、前記制御器は、起動工程を開始させるときに、前記精製水素ガス流路開閉弁と前記カソードベント流路開閉弁とを開状態として、前記精製水素ガス流路から前記カソードに逆流する前記精製水素ガスを利用して、前記カソードに滞留していたガスを前記燃焼器に排出して前記燃焼器で燃焼させることを特徴とする水素生成システム。
【請求項２】
原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置に前記原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、前記アノードに水素含有ガスを供給して、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードから前記水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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前記電流を流す電源と、前記水素生成装置から前記電気化学デバイスの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、前記電気化学デバイスの前記アノードから前記燃焼器へアノードオフガスを前記燃料として供給するアノードオフガス流路と、前記電気化学デバイスの前記カソードから水素利用機器へ前記精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、前記カソードから前記水素含有ガス流路または前記アノードオフガス流路へ前記精製水素ガスを供給するカソードベント流路と、前記精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、前記カソードベント流路上に配設されたカソードベント流路開閉弁と、制御器と、を備え、前記制御器は、起動工程を開始させるときに、前記水素生成装置から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た後に、前記カソードベント流路開閉弁を開状態とするとともに、前記電源から前記電気化学デバイスに前記電流を流し、前記カソードで生成された前記精製水素ガスを利用して、前記カソードに滞留していたガスを前記燃焼器に排出して前記燃焼器で燃焼させることを特徴とする水素生成システム。
【請求項３】
請求項１に記載の水素生成システムを複数備え、複数の前記精製水素ガス流路の末端が相互に接続され、複数の前記水素生成システムを統合制御する統合制御器を備えた連携水素生成システムであって、少なくとも１つの前記水素生成システムが、前記カソードベント流路開閉弁を閉状態、前記精製水素ガス流路開閉弁を開状態にして、前記水素生成装置で生成した水素含有ガスを前記電気化学デバイスの前記アノードに供給し、前記電気化学デバイスの前記カソードで生成した前記精製水素ガスを前記共用精製水素ガス流路に供給する水素製造工程を行っており、他の少なくとも１つの前記水素生成システムが、前記カソードベント流路開閉弁と前記精製水素ガス流路開閉弁とを開状態にして、前記水素生成装置で水素含有ガスを生成せず、前記電気化学デバイスの前記カソードで前記精製水素ガスを生成しない待機工程を行っている状態において、前記統合制御器が、前記待機工程を行っていた少なくとも１つの前記水素生成システムの起動工程を開始させる場合は、前記
起動工程を開始させる前記水素生成システムに対して、前記精製水素ガス流路開閉弁および前記カソードベント流路開閉弁を開状態として、前記精製水素ガス流路から前記カソードに逆流する前記精製水素ガスを利用して、前記カソードに滞留していたガスを前記燃焼器に排出して前記燃焼器で燃焼させることを特徴とする連携水素生成システム。
【請求項４】
前記カソードベント流路は、前記カソード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ように構成され、
前記統合制御器は、起動工程を開始させる前記水素生成システムに対応する前記電源から前記電気化学デバイスに前記電流を流し、前記電気化学デバイスの前記カソードで精製水素ガスを生成させることを特徴とする請求項３に記載の連携水素生成システム。
【請求項５】
原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置に前記原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、前記アノードに水素含有ガスを供給して、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードから前記水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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前記電流を流す電源と、前記水素生成装置から前記電気化学デバイスの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、前記電気化学デバイスの前記アノードから前記燃焼器へアノードオフガスを前記燃料として供給するアノードオフガス流路と、前記電気化学デバイスの前記カソードから水素利用機器へ前記精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、前記水素含有ガス流路上に配設された水素含有ガス流路開閉弁と、前記アノードオフガス流路上に配設されたアノードオフガス流路開閉弁と、前記精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、を備え、前記カソードから前記精製水素ガス流路開閉弁に至る空間に貯留された水素以外の濃度と、前記水素含有ガス開閉弁から前記アノードオフガス流路開閉弁に至る空間に貯留された水素以外の濃度との比よりも、前記水素含有ガス開閉弁から前記アノードオフガス流路開閉弁に至る空間の容積と、前記カソードから前記精製水素ガス流路開閉弁に至る空間の容積との比が大きいことを特徴とする水素生成システム。
【請求項６】
原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、前記水素生成装置に前記原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して前記水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、前記アノードに水素含有ガスを供給して、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードから前記水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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前記電流を流す電源と、前記水素生成装置から前記電気化学デバイスの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、前記電気化学デバイスの前記アノードから前記燃焼器へアノードオフガスを前記燃料として供給するアノードオフガス流路と、前記電気化学デバイスの前記カソードから水素利用機器へ前記精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、前記カソードから前記水素含有ガス流路または前記アノードオフガス流路へ前記精製水素ガスを供給するカソードベント流路と、前記精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、前記カソードベント流路上に配設されたカソードベント流路開閉弁と、を備えた水素生成システムの運転方法であって、起動工程を開始させるときに、前記精製水素ガス流路開閉弁と前記カソードベント流路開閉弁とを開状態として、前記精製水素ガス流路から前記カソードに逆流する前記精製水素ガスを利用して、前記カソードに滞留していたガスを前記燃焼器に排出して前記燃焼器で燃焼させることを特徴とする水素生成システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくともガス供給装置と、ガス供給装置から供給される水素含有ガスから高純度の水素を生成する電気化学デバイスとを備える水素生成システムとその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の水素生成システムは、水素含有ガスの供給源と、水素含有ガスから水素を分離し、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ものである。
【０００３】
従来の水素生成システムにおいて、水素含有ガスから水素を分離する方法として、電気化学反応を利用する電気化学デバイスが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この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をアノードとカソードとの間に配置した電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持したものである。
【０００５】
そして、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードの間に所定方向の電流を流すことで、アノードでは、（化１）の酸化反応が、カソードでは、（化２）の還元反応が、それぞれ起こる。
【０００６】
【化１】
2020083718.tif 000003
【０００７】
【化２】
2020083718.tif 000004
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、水素をカソードに分離することができる。
【０００８】
上記水素生成システムに用いられる水素含有ガスの供給源は、例えば、燃料処理器を有する水素生成装置が用いられ、水素含有ガスは、炭化水素系の燃料、例えば、１３Ａガスや液化石油ガスなどを水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質して生成される。
【０００９】
ここで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、水蒸気などの不純物が含まれている。このようにして得られた水素の純度が低い水素含有ガスを電気化学デバイスに供給することで、水素生成システムは、炭化水素系の燃料より水素の純度が高い精製水素ガスを製造する、水素製造工程を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２０１６−５３０１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の水素生成システムの構成では、電気化学デバイスが水素製造
工程を行っていない間に、アノードに滞留する水素含有ガスとカソードに滞留する精製水素ガスとの各成分が、それぞれの成分の分圧の差によって電解質膜を透過する。
【００１２】
このとき、アノードに滞留する水素含有ガスに含まれる成分のうち、カソ―ドよりも分圧の高い二酸化炭素やメタンが電解質膜を透過し、カソードへ移動する。
【００１３】
このため、カソードへ移動した二酸化炭素やメタンが、次回の水素製造工程の開始直後に水素とともに排出され、カソードから排出される精製水素ガスの水素の純度が低くなるという課題があった。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水素含有ガスから電気化学デバイスを用いて水素純化を行う水素生成システムにおいて、水素製造工程の開始直後に電気化学デバイスから供給される精製水素ガスの水素の純度の低下を抑制した水素生成システムとその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記従来の課題を解決するために本発明の水素生成システムは、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置に原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、アノードに水素含有ガスを供給して、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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電源と、水素生成装置から電気化学デバイスの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、電気化学デバイスのアノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路と、電気化学デバイスのカソードから水素利用機器へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、カソードから水素含有ガス流路またはアノードオフガス流路へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路と、精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、カソードベント流路上に配設されたカソードベント流路開閉弁と、制御器と、を備え、制御器が、起動工程を開始させるときに、精製水素ガス流路開閉弁とカソードベント流路開閉弁とを開状態として、精製水素ガス流路からカソードに逆流する精製水素ガスを利用して、カソードに滞留していたガスを燃焼器に排出して燃焼器で燃焼させるように構成されているものである。
【００１６】
これによって、精製水素ガス流路開閉弁を開状態にする直前において、精製水素ガス流路開閉弁よりも下流側（水素利用機器側）の精製水素ガス流路内の精製水素ガスのガス圧が、精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側（カソード側）の精製水素ガス流路内のガス圧よりも高い場合に、精製水素ガス流路からカソードに逆流する精製水素ガスを利用して、アノードからカソードヘ透過する不純物により水素の純度が低下した精製水素ガスを、電気化学デバイスのカソードからパージできる。この結果、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電気化学デバイスのカソードに滞留した、水素の純度が低下した精製水素ガスをパージで除去し、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制できる。また、起動直後から水素の純度を低下させることなく、安定して高い純度の水素を供給できる、信頼性の高い水素生成システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１および実施の形態２における水素生成システムの概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成システムの起動工程の動作を示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態２および実施の形態２の変形例における水素生成システムの起動工程の動作を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態２の変形例における水素生成システムの概略構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態３および実施の形態４における連携水素生成システムの概略構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態３における水素生成システムの起動工程の動作を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態４における水素生成システムの起動工程の動作を示すフローチャート
【図８】本発明の実施の形態５における水素生成システムの概略構成を示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置に原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、アノードに水素含有ガスを供給して、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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電源と、水素生成装置から電気化学デバイスの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、電気化学デバイスのアノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路と、電気化学デバイスのカソードから水素利用機器へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、カソードから水素含有ガス流路またはアノードオフガス流路へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路と、精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、カソードベント流路上に配設されたカソードベント流路開閉弁と、制御器と、を備え、制御器が、起動工程を開始させるときに、精製水素ガス流路開閉弁とカソードベント流路開閉弁とを開状態として、精製水素ガス流路からカソードに逆流する精製水素ガスを利用して、カソードに滞留していたガスを燃焼器に排出して燃焼器で燃焼させることを特徴とする水素生成システムである。
【００２０】
これによって、精製水素ガス流路開閉弁を開状態にする直前において、精製水素ガス流路開閉弁よりも下流側（水素利用機器側）の精製水素ガス流路内の精製水素ガスのガス圧が、精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側（カソード側）の精製水素ガス流路内のガス圧よりも高い場合に、特に、水素利用機器に精製水素ガスを貯留する機器が含まれる場合には、起動工程を開始させるときに、精製水素ガス流路開閉弁とカソードベント流路開閉弁とが開状態になるので、水素利用機器に貯留した精製水素ガスを、精製水素ガス流路を介してカソードに逆流させて、アノードからカソードへ透過する不純物により水素の純度が低下した精製水素ガスを、電気化学デバイスのカソードからパージできる。この結果、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【００２１】
第２の発明は、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置に原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、アノードに水素含有ガスを供給して、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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電源と、水素生成装置から電気化学デバイスの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、電気化学デバイスのアノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路と、電気化学デバイスのカソードから水素利用機
器へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、カソードから水素含有ガス流路またはアノードオフガス流路へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路と、精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、カソードベント流路上に配設されたカソードベント流路開閉弁と、制御器と、を備え、制御器は、起動工程を開始させるときに、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た後に、カソードベント流路開閉弁を開状態とするとともに、電源から電気化学デバイスに電流を流し、カソードで生成された精製水素ガスを利用して、カソードに滞留していたガスを燃焼器に排出して燃焼器で燃焼させることを特徴とする水素生成システムである。
【００２２】
これによって、電気化学デバイスで生成した精製水素を用い、アノードからカソードへ透過する不純物により水素の純度が低下した精製水素ガスを、電気化学デバイスのカソードからパージできる。この結果、外部の水素供給源を用いることなく、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【００２３】
第３の発明は、特に第１の発明の水素生成システムを複数備え、複数の精製水素ガス流路の末端が相互に接続され、複数の水素生成システムを統合制御する統合制御器を備えた連携水素生成システムであって、少なくとも１つの水素生成システムが、カソードベント流路開閉弁を閉状態、精製水素ガス流路開閉弁を開状態にして、水素生成装置で生成した水素含有ガスを電気化学デバイスのアノードに供給し、電気化学デバイスのカソードで生成した精製水素ガスを共用精製水素ガス流路に供給する水素製造工程を行っており、他の少なくとも１つの水素生成システムが、カソードベント流路開閉弁と精製水素ガス流路開閉弁とを開状態にして、水素生成装置で水素含有ガスを生成せず、電気化学デバイスのカソードで精製水素ガスを生成しない待機工程を行っている状態において、統合制御器が、待機工程を行っていた少なくとも１つの水素生成システムの起動工程を開始させる場合には、起動工程を開始させる水素生成システムに対して、精製水素ガス流路開閉弁およびカソードベント流路開閉弁を開状態として、精製水素ガス流路からカソードに逆流する精製水素ガスを利用して、カソードに滞留していたガスを燃焼器に排出して燃焼器で燃焼させることを特徴とする連携水素生成システム。
【００２４】
これによって、起動工程を開始させる水素生成システムにおいて、水素製造工程を行っている水素生成システムから供給される精製水素ガスを用いることで、電気化学デバイスで電力を消費することなく電気化学デバイスのカソードをパージでき、起動工程を開始する際の消費電力を削減することができる。
【００２５】
第４の発明は、特に、第３の発明において、カソードベント流路が、カソードから水素含有ガス流路へ精製水素ガスを供給するように構成され、統合制御器が、起動工程を開始させる水素生成システムに対応する電源から電気化学デバイスに電流を流し、電気化学デバイスのカソードで精製水素ガスを生成させるものである。
【００２６】
これによって、起動工程を開始させる水素生成システムにおいて、電気化学デバイスのカソードをパージした後の精製水素ガスをアノードに供給し、精製水素ガスに含まれる水素を再びカソードに移動させることできる。この結果、燃焼器で燃焼し消費される水素の量を削減し、起動工程を開始する際の原料消費を削減することができる。
【００２７】
第５の発明は、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置に原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、アノードに水素含有ガスを供給して、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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電源と、水素生成装置から電気化学デバイスの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、電気化学デバイスのアノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路と、電気化学デバイスのカソードから水素利用機器へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、水素含有ガス流路上に配設された水素含有ガス流路開閉弁と、アノードオフガス流路上に配設されたアノードオフガス流路開閉弁と、精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、を備え、カソードから精製水素ガス流路開閉弁に至る空間に貯留された水素以外の濃度と、水素含有ガス開閉弁からアノードオフガス流路開閉弁に至る空間に貯留された水素以外の濃度との比よりも、水素含有ガス開閉弁からアノードオフガス流路開閉弁に至る空間の容積と、カソードから精製水素ガス流路開閉弁に至る空間の容積との比が大きいことを特徴とする水素生成システムである。
【００２８】
これによって、カソードに滞留する水素の純度が規格値以下に低下せず、外部の水素供給源および、電気化学デバイスへ電力供給が無い場合でも、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【００２９】
第６の発明は、原料から水素含有ガスを生成する水素生成装置と、水素生成装置に原料を供給する原料供給器と、燃料を燃焼して水素生成装置を加熱する燃焼器と、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟み、アノードに水素含有ガスを供給して、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する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電源と、水素生成装置から電気化学デバイスの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、電気化学デバイスのアノードから燃焼器へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路と、電気化学デバイスのカソードから水素利用機器へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路と、カソードから水素含有ガス流路またはアノードオフガス流路へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路と、精製水素ガス流路上に配設された精製水素ガス流路開閉弁と、カソードベント流路上に配設されたカソードベント流路開閉弁と、を備えた水素生成システムの運転方法であって、起動工程を開始させるときに、精製水素ガス流路開閉弁とカソードベント流路開閉弁とを開状態として、精製水素ガス流路からカソードに逆流する精製水素ガスを利用して、カソードに滞留していたガスを燃焼器に排出して燃焼器で燃焼させることを特徴とする水素生成システムの運転方法である。
【００３０】
これによって、精製水素ガス流路開閉弁を開状態にする直前において、精製水素ガス流路開閉弁よりも下流側（水素利用機器側）の精製水素ガス流路内の精製水素ガスのガス圧が、精製水素ガス流路開閉弁よりも上流側（カソード側）の精製水素ガス流路内のガス圧よりも高い場合に、特に、水素利用機器に精製水素ガスを貯留する機器が含まれる場合には、起動工程を開始させるときに、精製水素ガス流路開閉弁とカソードベント流路開閉弁とが開状態になるので、水素利用機器に貯留した精製水素ガスを、精製水素ガス流路を介してカソードに逆流させて、アノードからカソードへ透過する不純物により水素の純度が低下した精製水素ガスを、電気化学デバイスのカソードからパージできる。この結果、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成を示すブロック図である。
【００３３】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成システム４１は、水素生成装置１と、原料
供給器２と、燃焼器３と、水素生成装置温度検出器４と、電解質膜５と、アノード６と、カソード７と、電気化学デバイス８と、電源９と、水素含有ガス流路１０と、アノードオフガス流路１１と、精製水素ガス流路１２と、精製水素ガス流路開閉弁１３と、カソードベント流路１４と、カソードベント流路開閉弁１５と、制御器３１とを備えている。
【００３４】
水素生成装置１は、原料及び水蒸気を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する。原料は、本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガスを用いた。本実施の形態の改質反応は、都市ガスと水蒸気を反応させる水蒸気改質を用いた。水素生成装置１の内部には改質触媒（図示せず）が搭載さている。
【００３５】
原料供給器２は、都市ガスを水素生成装置１に供給するするポンプである。
【００３６】
燃焼器３は、燃料と空気を混合して燃焼させることで、水素生成装置１を加熱する。また、燃焼器３の燃料には、電気化学デバイス８より排出される都市ガスと水素含有ガスとの少なくともいずれか１つが用いられる。
【００３７】
水素生成装置温度検出器４は、水素生成装置１に搭載されている改質触媒の温度を検出する熱電対である。
【００３８】
電解質膜５は、水素イオンを選択的に輸送する高分子膜である。
【００３９】
アノード６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を供給する流路とで構成される。
【００４０】
カソード７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を排出する流路とで構成される。
【００４１】
電気化学デバイス８は、電解質膜５の一方の主面にアノード６、電解質膜５の他方の主面にカソード７が、それぞれ設けられた構成になっている。
【００４２】
電源９は、電気化学デバイス８のアノード６とカソード７との間に電流を流す。
【００４３】
水素含有ガス流路１０は、水素生成装置１から排出される水素含有ガスをアノード６に供給する流路である。
【００４４】
アノードオフガス流路１１は、アノード６から排出される水素含有ガスを、燃焼器３に供給する流路である。
【００４５】
精製水素ガス流路１２は、カソード８から排出される精製水素ガスを、水素利用機器５１に供給する流路である。
【００４６】
精製水素ガス流路開閉弁１３は、精製水素ガス流路１２上の電磁弁である。
【００４７】
カソードベント流路１４は、カソード７から、水素含有ガス流路１０上の合流点に至る流路である。
【００４８】
カソードベント流路開閉弁１５は、カソードベント流路１４上の電磁弁である。
【００４９】
制御器３１は、水素生成システム４１の運転を制御する。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。
【００５０】
水素利用機器５１は、水素生成システム４１から供給される精製水素ガスを貯留するタンクである。
【００５１】
以上のように構成された水素生成システム４１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が水素生成システム４１の、原料供給器２、電源９、精製水素ガス流路開閉弁１３、及びカソードベント流路開閉弁１５を制御することによって行われる。水素生成システム４１の動作とは、待機工程、起動工程、水素製造工程、停止工程の４工程であり、この順序で実行する。
【００５２】
待機工程とは、水素生成装置１の温度が常温付近で保持されている工程である。待機工程では、原料供給器２と、電源９と、はいずれも動作していない。また、精製水素ガス流路開閉弁１３と、カソードベント流路開閉弁１５とは、いずれも閉状態である。
【００５３】
このとき、アノードには水素含有ガスが、カソードには精製水素ガスが、それぞれ滞留しているが、アノードに滞留する水素含有ガスとカソードに滞留する精製水素ガスとの各成分が、それぞれの成分の電解質膜５の両側の分圧の差によって電解質膜５を透過する。
【００５４】
アノードに滞留する水素含有ガスに含まれる成分のうち、カソ―ドよりも分圧の高い二酸化炭素やメタンが電解質膜を透過してカソードへ移動し、カソード中の精製水素ガスの水素の純度を低下させる。原料供給器２は、制御器３１から、起動の指示が送信されるまで、待機工程を保持するため動作しない。
【００５５】
起動工程とは、水素生成装置１を、水素含有ガスの生成が可能な温度まで加熱昇温する工程である。起動工程の開始時には、制御器３１は、原料供給器２に起動の指示を送信する。
【００５６】
都市ガスは、原料供給器２が動作すると、水素生成装置１に供給されて水素生成装置１から排出された後、水素含有ガス流路１０と、アノード６と、アノードオフガス流路１１を通流し、燃焼器３に供給されて燃焼し、水素生成装置１を所定の温度になるまで加熱昇温する。
【００５７】
水素生成装置１の所定の温度とは、改質反応によって都市ガスから電気化学デバイス８での水素製造工程の実行に必要な純度の水素含有ガスが生成する温度であり、本実施の形態では６００℃とした。水素生成装置１が６００℃に達した時点で起動工程は完了して、水素製造工程に移行する。
【００５８】
水素製造工程とは、水素生成装置１で都市ガスから水素含有ガスを生成し、電気化学デバイス８で水素含有ガスから生成した精製水素ガスを、水素利用機器５１に安定的に継続して供給する工程である。
【００５９】
制御器３１は、電気化学デバイス８で精製される水素量が、水素利用機器５１が必要とする量に足るよう、原料供給器２と、電源９とを操作する。
【００６０】
具体的には、制御器３１は、水素利用機器５１に供給する精製水素ガス流量に応じた電流値を算出し、電源９に電流値を指示する。同時に、制御器３１は、水素生成装置温度検出器４の温度を監視しながら、原料供給器２の流量を制御する。原料供給器２と電源と９は、制御器３１から、停止工程に移行する指示が送信されるまで、水素製造工程を保持する。
【００６１】
停止工程とは、水素生成装置１を、常温付近まで冷却降温させる工程である。制御器３１は、水素生成装置１が常温付近まで冷却降温したら、待機工程に移行する。
【００６２】
次に水素生成システム４１の起動工程の開始から起動工程の終了を経て水素製造工程に至る動作について図２を参照しながら説明する。
【００６３】
図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの起動工程の動作を示すフローチャートである。
【００６４】
本実施の形態では、水素生成システム４１が水素製造工程を終了して、停止工程に移行した時点では、水素生成システム４１の水素含有ガス流路１０からアノードオフガス流路１１までと、カソードベント流路１４の水素含有ガス流路１０との合流点からカソードベント流路開閉弁１５までには、水素の純度が７５％の水素含有ガスが滞留している。
【００６５】
また、カソードベント流路開閉弁１５から精製水素ガス流路開閉弁１３までには、水素の純度が９９％の精製水素ガスが滞留している。また、精製水素ガス流路開閉弁１３から水素利用機器までには、水素の純度が９９％の精製水素ガスが貯留されている。
【００６６】
水素の純度の規格値は、水素利用機器が所定の性能を発揮するために十分な濃度である９８％以上である。
【００６７】
アノード６とカソード７とにそれぞれ滞留するガスは、電解質膜５により隔離されているが、ガス中の各成分は、それぞれの成分の電解質膜５の両側の分圧の差によりガス分子が電解質膜を透過するため、時間の経過とともに双方の組成が変化し、最終的に等しくなる。
【００６８】
起動工程が開始される前は、水素生成装置１は待機工程を実行しているものとする。また、水素利用機器５１に貯留される精製水素ガスの圧力は、アノード６よりも常に高く保持されている。また、アノード６とカソード７に滞留するガスの水素の純度は、それぞれ８５％であった。
【００６９】
制御器３１は、水素生成装置１に対して、起動工程を実行させる。水素生成装置１が起動工程を開始した時点で、アノード６とカソード７とに滞留する水素の純度は、それぞれ８０％であった。
【００７０】
制御器３１は、カソードベント流路開閉弁１５を開状態とする（ステップＳ１０１）。
【００７１】
次に、制御器３１は、精製水素ガス流路開閉弁１３を開状態にする。これにより、水素利用機器５１から、水素利用機器５１とアノード６との圧力差によって、水素の純度９９％の精製水素ガスが、精製水素ガス流路１２と、カソード７と、カソードベント流路１４と、水素含有ガス流路１０と、アノード６と、アノードオフガス流路１１とを経由して、燃焼器３に供給される（ステップＳ１０２）。
【００７２】
次に、制御器３１は、図示しない点火装置によって燃焼器３での燃焼を開始する（ステップＳ１０３）。
【００７３】
次に、制御器３１は、水素生成装置温度検出器４から水素生成装置１の内部温度を取得し、第１温度と比較し、水素生成装置１の内部温度が第１温度より高い場合は、ステップＳ１０５に移行する。一方で、水素生成装置１の内部温度が第１温度より高くない場合に
は、ステップＳ１０４を繰り返し実行する。
【００７４】
第１温度とは、水素生成装置１での都市ガスの改質により水素が生成する温度であり、本実施の形態では、第１温度を４００℃とした（ステップＳ１０４）。
【００７５】
次に、制御器３１は、ステップＳ１０２で精製水素ガス流路開閉弁１３を開状態にしてから、カソードベント流路開閉弁１５を通過した精製水素ガスの流量を積算し、精製水素ガス流路開閉弁１３から、カソードベント流路開閉弁１５までの容積の２倍を超えたらステップＳ１０６に移行する。一方で、精製水素ガス流路開閉弁１３から、カソードベント流路開閉弁１５までの容積の２倍を超えるまでは、ステップＳ１０５を繰り返す。
【００７６】
ここで精製水素ガス流路開閉弁１３から、カソードベント流路開閉弁１５までの容積の２倍とは、予め実験的に取得した精製水素ガス流路開閉弁１３から、カソードベント流路開閉弁１５までを、水素の純度が８０％に低下した精製水素ガスを排出し、水素の純度が規格値の９８％以上となるために必要な、水素の純度が９９％の精製水素ガスの体積であり、本実施の形態では２Ｌとした（ステップＳ１０５）。
【００７７】
次に、制御器３１は、カソードベント流路開閉弁１５を閉状態とする（ステップＳ１０６）。
【００７８】
最後に、制御器３１は、水素生成装置１で水素含有ガスを生成するため、原料供給器２を起動する（ステップＳ１０８）。
【００７９】
以上の動作により、カソード７に存在するガスの水素純度は９８％以上になる。これにより水素生成システム４１は起動工程を終了し、水素製造工程に移行する。
【００８０】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム４１は、原料としての都市ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置１と、水素生成装置１に都市ガスを供給する原料供給器２と、燃料を燃焼して水素生成装置１を加熱する燃焼器３と、水素生成装置１の温度を検出する水素生成装置温度検出器４と、電解質膜５の両主面をアノード６とカソード７とで挟み、アノード６に水素含有ガスを供給して、アノード６とカソード７との間にアノード６から電解質膜５を経由してカソード７に流れる方向の電流を流すことで、カソード７から水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイス８と、アノード６とカソード７との間に電流を流す電源９と、水素生成装置１から電気化学デバイス８のアノード６へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路１０と、電気化学デバイス８のアノード６から燃焼器３へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路１１と、電気化学デバイス８のカソード７から水素利用機器５１へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路１２と、カソード７から水素含有ガス流路１０へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路１４と、精製水素ガス流路１２上に配設され精製水素ガス流路１２を開閉する精製水素ガス流路開閉弁１３と、カソードベント流路１４上に配設されカソードベント流路１４を開閉するカソードベント流路開閉弁１５と、制御器３１と、を備え、制御器３１が、起動工程を開始させるときに、それまで閉状態であった精製水素ガス流路開閉弁１３とカソードベント流路開閉弁１５とを開状態として、水素利用機器５１から精製水素ガス流路１２を介してカソード７に逆流する精製水素ガスを利用して、カソード７に滞留していたガスを燃焼器３に排出して燃焼器３で燃焼させるように構成されており、水素利用機器５１が精製水素ガスを貯留するタンクであるので、精製水素ガス流路開閉弁１３を開状態にする直前において、精製水素ガス流路開閉弁１３よりも下流側（水素利用機器５１側）の精製水素ガス流路１２内の精製水素ガスのガス圧が、精製水素ガス流路開閉弁１３よりも上流側（カソード７側）の精製水素ガス流路１２内のガス圧よりも高くなっており、起動工程を開始させるときに、制御器３１によって精製水素ガス流
路開閉弁１３とカソードベント流路開閉弁１５とが開状態になるので、水素利用機器５１に貯留した精製水素ガスを、精製水素ガス流路１２を介してカソード７に逆流させて、アノード６からカソード７へ透過する不純物により水素の純度が低下した精製水素ガスを、電気化学デバイス８のカソード７からパージできる。この結果、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【００８１】
なお、本実施の形態では、水素生成装置１に改質触媒を備えたが、改質触媒の後段にＣＯ低減触媒を備えてもよい。
【００８２】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図１に示す実施の形態１の水素生成システム４１の概略構成を示すブロック図と同じである。
【００８３】
図３は、本発明の実施の形態２および実施の形態２の変形例における水素生成システムの起動工程の動作を示すフローチャートである。
【００８４】
実施の形態２の水素生成システム４１の制御器３１の制御動作は、実施の形態１と異なっている。
【００８５】
本実施の形態では、水素生成システム４１が水素製造工程を終了して、停止工程に移行した時点では、水素生成システム４１の水素含有ガス流路１０からアノードオフガス流路１１までと、カソードベント流路１４の水素含有ガス流路１０との合流点からカソードベント流路開閉弁１５までには、水素の純度が７５％の水素含有ガスが滞留している。
【００８６】
また、カソードベント流路開閉弁１５から精製水素ガス流路開閉弁１３までには、水素の純度が９９％の精製水素ガスが滞留している。また、精製水素ガス流路開閉弁１３から水素利用機器までには、水素の純度が９９％の精製水素ガスが貯留されている。
【００８７】
水素の純度の規格値は、水素利用機器が所定の性能を発揮するために十分な濃度である９８％以上である。アノード６とカソード７とにそれぞれ滞留するガスは電解質膜５により隔離されているが、ガス分子の分圧の差によりガス分子が電解質膜を透過するため、時間の経過とともに双方の組成が変化し、最終的に等しくなる。
【００８８】
起動工程が開始される前は、水素生成装置１は待機工程を実行しているものとする。また、水素利用機器５１に貯留される精製水素ガスの圧力は、アノード６よりも常に高く保持されている。また、アノード６とカソード７に滞留するガスの水素の純度は、それぞれ８５％であった。
【００８９】
制御器３１は、水素生成装置１に対して、起動工程を実行させる。水素生成装置１が起動工程を開始した時点で、アノード６とカソード７とに滞留する水素の純度は、それぞれ８０％であった。
【００９０】
制御器３１は、水素生成装置１の内部温度を、常温付近から、改質反応によって都市ガスから電気化学デバイス８での精製水素ガスの製造に必要な純度と流量の水素が生成可能な温度まで加熱昇温させるため、原料供給器２を起動させて、原料を燃焼器３に供給する（ステップＳ２０１）。
【００９１】
次に、図示しない点火装置によって、燃焼器３での燃焼を開始する（ステップＳ２０２）。
【００９２】
次に、制御器３１は、水素生成装置温度検出器４から水素生成装置１の内部温度を取得し、第１温度と比較し、水素生成装置１の内部温度が第１温度より高い場合は、ステップＳ２０４に移行する。一方で、水素生成装置１の内部温度が第１温度より高くない場合には、ステップＳ２０３を繰り返し実行する。
【００９３】
第１温度とは、水素生成装置１での都市ガスの改質により水素が生成する温度であり、本実施の形態では、第１温度を４００℃とした（ステップＳ２０３）。
【００９４】
次に、制御器３１は、カソードベント流路開閉弁１５を開状態とする（ステップＳ２０４）。
【００９５】
次に、電源９を動作させて、アノード６から電解質膜５を介してカソード７に電流を流す。これにより、電気化学デバイス８のアノード６からカソード７に向かって水素が輸送され、カソード７から、カソードベント流路１４を経由してアノード８へ精製水素ガスが流れ、不純物が除去される。
【００９６】
このとき、精製水素ガス流路１２における、カソードから精製水素ガス流路開閉弁１３までは、精製水素ガスの拡散により不純物が除去され、水素の純度が向上する（ステップＳ２０５）。
【００９７】
次に、制御器３１は、ステップＳ２０５で電源９の動作を開始してから供給した電流値を積算し、積算電流値に応じ、電気化学デバイス８のアノード６からカソード７に向かって輸送された水素の積算量が、カソード７からカソードベント流路開閉弁１５までの容積の２倍を超えたらステップＳ２０７に移行する。一方で、カソード７からカソードベント流路開閉弁１５までとの容積の２倍を超えるまでは、ステップＳ２０６を繰り返す。
【００９８】
ここで、カソード７からカソードベント流路開閉弁１５までの容積の２倍とは、予め実験的に取得したカソード７からカソードベント流路開閉弁１５までに残留する水素の純度が低下した精製水素ガスを排出するために必要な精製水素ガスの体積であり、本実施の形態では５Ｌとした（ステップＳ２０６）。
【００９９】
次に、制御器３１は、精製水素ガス流路開閉弁１３を開状態とする（ステップＳ２０７）。最後に、カソードベント流路開閉弁１５を閉状態とする（ステップＳ２０８）。
【０１００】
以上の動作により、カソード７に存在するガスの水素純度は９８％以上になる。これにより水素生成システム４１は起動工程を終了し、水素製造工程に移行する。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム４１は、原料としての都市ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置１と、水素生成装置１に都市ガスを供給する原料供給器２と、燃料を燃焼して水素生成装置１を加熱する燃焼器３と、水素生成装置１の温度を検出する水素生成装置温度検出器４と、電解質膜５の両主面をアノード６とカソード７とで挟み、アノード６に水素含有ガスを供給して、アノード６とカソード７との間にアノード６から電解質膜５を経由してカソード７に流れる方向の電流を流すことで、カソード７から水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイス８と、アノード６とカソード７との間に電流を流す電源９と、水素生成装置１から電気化学デバイス８のアノード６へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路１０と、電気化学デバイス８のアノード６から燃焼器３へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路１１と、電気化学デバイス８のカソード７から水素利用機器５１へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路１２と、カソード７から水素含有ガス流路１０へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路１４と、精製水素ガス流路１２上に配設され精製水素ガ
ス流路１２を開閉する精製水素ガス流路開閉弁１３と、カソードベント流路１４上に配設されカソードベント流路１４を開閉するカソードベント流路開閉弁１５と、制御器３１と、を備え、制御器３１が、起動工程を開始させるときに、水素生成装置１から電気化学デバイス８のアノード６に水素含有ガスを供給した後に、精製水素ガス流路開閉弁１３の閉状態は維持しながらカソードベント流路開閉弁１５を開状態とするとともに、電源９から電気化学デバイス８に電流を流し、カソード７で生成された精製水素ガスを利用して、カソード７に滞留していたガスを燃焼器３に排出して燃焼器３で燃焼させるように構成されているので、電気化学デバイス８のアノード６からカソード７に向かって輸送された水素を用いて、カソード７内と、カソード７からカソードベント流路開閉弁１５までのカソードベント流路１４とをパージすることにより、外部の水素供給源を用いることなく、水素製造工程開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【０１０２】
なお、本実施の形態では、水素生成装置１に改質触媒を備えたが、改質触媒の後段にＣＯ低減触媒を備えてもよい。
【０１０３】
（変形例）
図４は本発明の実施の形態２の変形例における水素生成システムの概略構成を示すブロック図である。
【０１０４】
図４に示すように、実施の形態２の変形例の水素生成システム４４は、図１に示す実施の形態２の水素生成システム４１に対して、カソードベント流路１４が、水素含有ガス流路１０ではなく、アノードオフガス流路１１上の合流点に接続される点が異なる。
【０１０５】
本発明の実施の形態２の変形例における水素生成システム４４の起動工程の動作を示すフローチャートは、図３に示す実施の形態２の水素生成システム４１の起動工程の動作を示すフローチャートと同じである。
【０１０６】
以上のように、本変形例の水素生成システム４１は、原料としての都市ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置１と、水素生成装置１に都市ガスを供給する原料供給器２と、燃料を燃焼して水素生成装置１を加熱する燃焼器３と、水素生成装置１の温度を検出する水素生成装置温度検出器４と、電解質膜５の両主面をアノード６とカソード７とで挟み、アノード６に水素含有ガスを供給して、アノード６とカソード７との間にアノード６から電解質膜５を経由してカソード７に流れる方向の電流を流すことで、カソード７から水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイス８と、アノード６とカソード７との間に電流を流す電源９と、水素生成装置１から電気化学デバイス８のアノード６へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路１０と、電気化学デバイス８のアノード６から燃焼器３へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路１１と、電気化学デバイス８のカソード７から水素利用機器５１へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路１２と、カソード７からアノードオフガス流路１１へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路１４と、精製水素ガス流路１２上に配設され精製水素ガス流路１２を開閉する精製水素ガス流路開閉弁１３と、カソードベント流路１４上に配設されカソードベント流路１４を開閉するカソードベント流路開閉弁１５と、制御器３１と、を備え、制御器３１が、起動工程を開始させるときに、水素生成装置１から電気化学デバイス８のアノード６に水素含有ガスを供給した後に、精製水素ガス流路開閉弁１３の閉状態は維持しながらカソードベント流路開閉弁１５を開状態とするとともに、電源９から電気化学デバイス８に電流を流し、カソード７で生成された精製水素ガスを利用して、カソード７に滞留していたガスを燃焼器３に排出して燃焼器３で燃焼させるように構成されているので、電気化学デバイス８のアノード６からカソード７に向かって輸送された水素を用いて、カソード７内と、カソード７からカソードベント流路開閉弁１５までのカソードベント流路１４とを、パージすることにより、実施の形態２と同じく、外部の水素供給
源を用いることなく、水素製造工程開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【０１０７】
（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における連携水素生成システムの概略構成を示すブロック図である。
【０１０８】
図５に示すように、本実施の形態の連携水素生成システム４２は、水素生成システム４１ａ〜４１ｃを備え、精製水素ガス流路１２ａ〜１２ｃの末端が、共用精製水素ガス流路１６に接続され、水素生成システム４１ａ〜４１ｃを統合制御する統合制御器３２を備える。
【０１０９】
共用精製水素ガス流路１６は、精製水素ガス流路１２ａ〜１２ｃから排出される精製水素ガスを、水素利用機器５１に供給する流路である。
【０１１０】
統合制御器３２は、水素生成システム４１ａ〜４１ｃの運転を制御するため、制御器３１ａ〜３１ｃを制御する。
【０１１１】
水素生成システム４１ａ〜４１ｃの構成は、実施の形態１で示す水素生成システム４１と同じであるので、説明を省略する。
【０１１２】
ここで、これらの構成要素の符号の添え字について、水素生成装置１ａ〜１ｃを例に挙げて説明する。１ａは１つ目の水素生成装置を指し、１ｃは３つ目の水素生成装置を指している。したがって、水素生成装置１ａ〜１ｃと記述した場合は、１つ目から３つ目までの３台の水素生成装置を指す。一方でいずれの水素生成装置でもよい場合を説明するときには、単に水素生成装置１と記述する。
【０１１３】
水素生成システム４１ａ〜４１ｃの待機工程、起動工程、水素製造工程、停止工程の動作については、実施の形態１に示す水素生成システム４１と同じなので、重複する説明は省略する。
【０１１４】
図６は、本発明の実施の形態３における水素生成システムの起動工程の動作を示すフローチャートである。
【０１１５】
本起動工程は、１台以上の水素生成システム４１が水素製造工程を実行中の場合に実行される。
【０１１６】
本実施の形態は、水素生成システム４１ａの起動工程について説明するものであり、水素生成システム４１ａの起動工程が開始される前、水素生成システム４１ａは待機工程を実行中であり、水素生成システム４１ｂと水素生成システム４１ｃとは水素製造工程を実行しているものとする。また、アノード６ａとカソード７ａに滞留するガスの水素の純度は、それぞれ８５％であった。
【０１１７】
統合制御器３２は、制御器３１ａに対して起動工程を実行するよう指示する。
【０１１８】
制御器３１ａは、水素の純度が低下した精製水素ガスが滞留する水素生成システム４１ａの、精製水素ガス流路１２ａと共用精製水素ガス流路１６との合流点から、カソードベント流路１４ａとの分岐点までと、カソードベント流路１４ａとに、水素製造工程を実行中の水素生成システム４１ｂと４２ｃとから排出される精製水素ガスを供給するため、精製水素ガス流路開閉弁１３ａを開状態にする（ステップＳ３０１）。
【０１１９】
次に、カソードベント流路開閉弁１５ａの精製水素ガス流路側に到達した精製水素ガスを、カソードベント流路１４ａから電気化学デバイス８ａのアノード６ａとアノードオフガス流路１１ａとを経由して燃焼器３ａに供給するため、カソードベント流路開閉弁１５ａを開状態にする（ステップＳ３０２）。
【０１２０】
次に、図示しない点火装置によって燃焼器３ａでの燃焼を開始する。このとき、カソード７ａから、精製水素ガス流路１２とカソードベント流路１４との分岐点までは、精製水素ガスの拡散により不純物が除去され、水素の純度が向上する（ステップＳ３０３）。
【０１２１】
次に制御器３１ａは、水素生成装置温度検出器４ａから水素生成装置１ａの内部温度を取得し、第１温度と比較し、水素生成装置１ａの内部温度が第１温度より高い場合は、ステップＳ３０５に移行する。一方で、水素生成装置１ａの内部温度が第１温度より高くない場合は、ステップＳ３０４を繰り返し実行する。
【０１２２】
第１温度とは、水素生成装置１での都市ガスの改質により水素が生成する温度であり、本実施の形態では、第１温度を４００℃とした（ステップＳ３０４）。
【０１２３】
次に、制御器３１ａは、ステップＳ３０２でカソードベント流路開閉弁１５ａを開状態にしてから、カソードベント流路開閉弁１５ａを通過した精製水素ガスの流量を積算し、共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでの容積の２倍を超えたらステップＳ３０６に移行する。一方で、共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでの容積の２倍を超え超えるまでは、ステップＳ３０５を繰り返す。
【０１２４】
ここで共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでの容積の２倍とは、予め実験的に取得した共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでを、残留する水素の純度が低下した精製水素ガスを排出するために必要な精製水素ガスの体積であり、本実施の形態では２Ｌとした（ステップＳ３０５）。
【０１２５】
次に、制御器３１ａは、カソードベント流路開閉弁１５ａを閉状態にする（ステップＳ３０６）。
【０１２６】
次に、制御器３１ａは、水素生成装置１ａで水素含有ガスを生成するため、原料供給器２ａを起動する（ステップＳ３０７）。
【０１２７】
次に、図示しない点火装置によって、燃焼器３ａでの燃焼を開始する（ステップＳ３０８）。
【０１２８】
最後に、制御器３１ａは、電源９を動作させ、アノード６ａから電解質膜５ａを介してカソード７ａに電流を流す（ステップＳ３０９）。
【０１２９】
以上の動作により、カソード７ａに存在するガスの水素純度は９８％以上になる。これにより水素生成システム４１ａは起動工程を終了し、水素製造工程に移行する。
【０１３０】
以上のように、本実施の形態の連携水素生成システム４２では、並列に接続される３台の水素生成システム４１ａ，４１ｂ，４１ｃが、原料としての都市ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃと、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃに都市ガスを供給する原料供給器２ａ，２ｂ，２ｃと、燃料を燃焼して、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃを加熱する燃焼器３ａ，３ｂ，３ｃと、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃの温度を検出
する水素生成装置温度検出器４ａ，４ｂ，４ｃと、電解質膜５ａ，５ｂ，５ｃの両主面をアノード６ａ，６ｂ，６ｃとカソード７ａ，７ｂ，７ｃとで挟み、アノード６ａ，６ｂ，１ｃに水素含有ガスを供給して、アノード６ａ，６ｂ，６ｃとカソード７ａ，７ｂ，７ｃとの間にアノード６ａ，６ｂ，６ｃから電解質膜５ａ，５ｂ，５ｃを経由してカソード７ａ，７ｂ，７ｃに流れる方向の電流を流すことで、カソード７ａ，７ｂ，７ｃから水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃと、アノード６ａ，６ｂ，６ｃとカソード７ａ，７ｂ，７ｃとの間に電流を流す電源９ａ，９ｂ，９ｃと、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃから電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃのアノード６ａ，６ｂ，６ｃへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃのアノード６ａ，６ｂ，６ｃから水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃの燃焼器３ａ，３ｂ，３ｃへアノードオフガスを供給するアノードオフガス流路１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃのカソード７ａ，７ｂ，７ｃから水素利用機器５１へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、カソード７ａ，７ｂ，７ｃから水素含有ガス流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ精製水素ガスを供給するカソードベント流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ上に配設され精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃを開閉する精製水素ガス流路開閉弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、カソードベント流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ上に配設されカソードベント流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃを開閉するカソードベント流路開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、制御器３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、を備え、精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃの下流側端が、共用精製水素ガス流路１６を介して水素利用機器５１に接続されている。
【０１３１】
また、連携水素生成システム４２は、３台の水素生成システム４１ａ，４１ｂ，４１ｃを統合制御する統合制御器３２を備えている。
【０１３２】
例えば、水素生成システム４１ｂ，４１ｃが、カソードベント流路開閉弁１５ｂ，１５ｃを閉状態、精製水素ガス流路開閉弁１３ｂ，１３ｃを開状態にして、水素生成装置１ｂ，１ｃで生成した水素含有ガスを電気化学デバイス８ｂ，８ｃのアノード６ｂ，６ｃに供給し、電気化学デバイス８ｂ，８ｃのカソード７ｂ，７ｃで生成した精製水素ガスを共用精製水素ガス流路１６に供給する水素製造工程を行っており、残りの水素生成システム４１ａが、カソードベント流路開閉弁１５ａと精製水素ガス流路開閉弁１３ａとを開状態にして、水素生成装置１ａで水素含有ガスを生成せず、電気化学デバイス８ａのカソード７ａで精製水素ガスを生成しない待機工程を行っている状態において、統合制御器３２が、待機工程を行っていた水素生成システム４１ａの起動工程を開始させる場合は、起動工程を開始させる水素生成システム４１ａに対して、精製水素ガス流路開閉弁１３ａおよびカソードベント流路開閉弁１５ａを開状態として、共用精製水素ガス流路１６から精製水素ガス流路１２ａを介してカソード７ａに逆流する水素生成システム４１ｂ，４１ｃの精製水素ガスを利用して、カソード７ａ内と、カソード７ａと精製水素ガス流路開閉弁１３ａとの間の精製水素ガス流路１２ａと、カソード７ａとカソードベント流路開閉弁１５ａとの間のカソードベント流路１４ａとにおいて滞留する水素の純度が低下した精製水素ガスを、カソードベント流路１４ａと水素含有ガス流路１０ａと電気化学デバイス８ａのアノード６ａとアノードオフガス流路１１ａを経由して燃焼器３ａに排出して燃焼器３ａで燃焼させるので、起動工程を開始させる水素生成システム４１ａのカソード７ａ内と、精製水素ガス流路１２ａと、カソード７ａからカソードベント流路開閉弁１５ａまでのカソードベント流路１４ａを、電気化学デバイス８ａに電流を流さずに、水素製造工程を行っている水素生成システム４１ｂ，４１ｃで生成した精製水素ガスでパージすることにより、起動工程を実行する際の消費電力を削減することができる。
【０１３３】
なお、本実施の形態では、水素生成システム４１ａの起動工程について説明したが、少なくとも１台の水素生成システム４１が水素製造工程を行っていれば、任意の順序で起動
工程を実施してもよい。
【０１３４】
また、本実施の形態では、連携水素生成システム４２が搭載する水素生成システム４１は、水素生成システム４１ａ、水素生成システム４１ｂ、水素生成システム４１ｃの３台としたが、連携水素生成システム４２に水素生成システム４１を２台以上搭載していればよい。
【０１３５】
また、本実施の形態では、３台の水素生成システム４１のうち、１台だけを起動する場合について説明したが、少なくとも１台の水素生成システム４１が水素製造工程を行っていれば、任意の台数の水素生成システムの起動工程を同時に実施してもよい。
【０１３６】
また、本実施の形態では、水素生成装置１に改質触媒を備えたが、改質触媒の後段にＣＯ低減触媒を備えてもよい。
【０１３７】
また、本実施の形態では、水素利用機器５１をタンクとしたが、水素と空気中の酸素を利用して発電する燃料電池とすることもできる。
【０１３８】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における連携水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図５に示す実施の形態３の連携水素生成システム４２の概略構成を示すブロック図と同じである。
【０１３９】
図７は、本発明の実施の形態４における連携水素生成システム４２の起動工程の動作を示すフローチャートである。
【０１４０】
実施の形態４の連携水素生成システム４２の統合制御器３２の制御動作は、実施の形態３と異なっている。
【０１４１】
本起動工程は、１台以上の水素生成システム４１が水素製造工程を実行中の場合に実行される。
【０１４２】
本実施の形態は、水素生成システム４１ａの起動工程について説明するものであり、水素生成システム４１ａの起動工程が開始される前、水素生成システム４１ａは待機工程を実行中であり、水素生成システム４１ｂと水素生成システム４１ｃとは水素製造工程を実行しているものとする。また、アノード６ａとカソード７ａに滞留するガスの水素の純度は、それぞれ８５％であった。
【０１４３】
統合制御器３２は、制御器３１ａに対して起動工程を実行するよう指示する。
【０１４４】
制御器３１ａは、水素の純度が低下した精製水素ガスが滞留する水素生成システム４１ａの精製水素ガス流路１２ａの、共用精製水素ガス流路１６との合流点からカソードベント流路１４ａとの分岐点までと、カソードベント流路１４ａに、水素製造工程を実行中の水素生成システム４１ｂと４１ｃとから排出される精製水素ガスを供給するため、精製水素ガス流路開閉弁１３ａを開状態にする（ステップＳ４０１）。
【０１４５】
次に、カソードベント流路開閉弁１５ａの精製水素ガス流路側に到達した精製水素ガスを、カソードベント流路１４ａから電気化学デバイス８ａのアノード６ａとアノードオフガス流路１１ａとを経由して燃焼器３ａに供給するため、カソードベント流路開閉弁１５ａを開状態にする（ステップＳ４０２）。
【０１４６】
次に、図示しない点火装置によって、燃焼器３ａでの燃焼を開始する（ステップＳ４０３）。
【０１４７】
次に制御器３１ａは、水素の純度が低下した精製水素ガスが滞留する電気化学デバイス８ａのカソード７ａから、精製水素ガス流路１２ａとカソードベント流路１４ａとの分岐点までに、電気化学デバイス８ａで生成した精製水素ガスを供給するため、電源９ａを動作させ、アノード６ａから電解質膜５ａを介してカソード７ａに電流を流す（ステップＳ４０４）。
【０１４８】
次に、制御器３１ａは、ステップＳ４０２でカソードベント流路開閉弁１５ａを開状態にしてから、カソードベント流路開閉弁１５ａを通過した精製水素ガスの流量を積算し、共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでの容積の２倍を超えたらステップＳ４０６に移行する。
【０１４９】
一方で、共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでの容積の２倍を超え超えるまでは、ステップＳ４０５を繰り返す。
【０１５０】
ここで共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでの容積の２倍とは、予め実験的に取得した共用精製水素ガス流路１６と精製水素ガス流路１２ａとの合流点から、カソードベント流路開閉弁１５ａまでを、残留する水素の純度が低下した精製水素ガスを排出するために必要な精製水素ガスの体積であり、本実施の形態では２Ｌとした（ステップＳ４０５）。
【０１５１】
次に、制御器３１ａは、ステップＳ４０４で電源９ａの動作を開始してから供給した電流値を積算し、積算電流値に応じた精製水素ガスの生成量が、カソード７ａから、精製水素ガス流路１２ａとカソードベント流路１４との分岐点までの容積の２倍を超えたらステップＳ４０７に移行する。一方で、カソード７ａから、精製水素ガス流路１２ａとカソードベント流路１４との分岐点までの容積の２倍を超えるまでは、ステップＳ４０６を繰り返す。
【０１５２】
ここでカソード７ａから、精製水素ガス流路１２ａとカソードベント流路１４との分岐点までの容積の２倍をとは、予め実験的に取得したカソード７ａから、精製水素ガス流路１２ａとカソードベント流路１４との分岐点までに残留する水素の純度が低下した精製水素ガスを排出するために必要な精製水素ガスの体積であり、本実施の形態では５Ｌとした（ステップＳ４０６）。
【０１５３】
次に、制御器３１ａは、水素生成装置温度検出器４ａから水素生成装置１ａの内部温度を取得し、第１温度と比較し、水素生成装置１ａの内部温度が第１温度より高い場合は、ステップＳ４０８に移行する。一方で、水素生成装置１ａの内部温度が第１温度より高くない場合は、ステップＳ４０７を繰り返し実行する。
【０１５４】
第１温度とは、水素生成装置１での都市ガスの改質により水素が生成する温度であり、本実施の形態では、第１温度を４００℃とした（ステップＳ４０７）。
【０１５５】
次に、制御器３１ａは、水素生成装置１ａで水素含有ガスを生成するため、原料供給器２ａを起動する（ステップＳ４０８）。
【０１５６】
最後に、制御器３１ａは、カソードベント流路開閉弁１５ａを閉状態にする（ステップＳ４０９）。
【０１５７】
以上の動作により、カソード７ａに存在するガスの水素純度は９８％以上になる。これにより水素生成システム４１ａは起動工程を終了し、水素製造工程に移行する。
【０１５８】
以上のように、本実施の形態の連携水素生成システム４２では、並列に接続される３台の水素生成システム４１ａ，４１ｂ，４１ｃが、原料としての都市ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃと、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃに都市ガスを供給する原料供給器２ａ，２ｂ，２ｃと、燃料を燃焼して、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃを加熱する燃焼器３ａ，３ｂ，３ｃと、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃの温度を検出する水素生成装置温度検出器４ａ，４ｂ，４ｃと、電解質膜５ａ，５ｂ，５ｃの両主面をアノード６ａ，６ｂ，６ｃとカソード７ａ，７ｂ，７ｃとで挟み、アノード６ａ，６ｂ，１ｃに水素含有ガスを供給して、アノード６ａ，６ｂ，６ｃとカソード７ａ，７ｂ，７ｃとの間にアノード６ａ，６ｂ，６ｃから電解質膜５ａ，５ｂ，５ｃを経由してカソード７ａ，７ｂ，７ｃに流れる方向の電流を流すことで、カソード７ａ，７ｂ，７ｃから水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃと、アノード６ａ，６ｂ，６ｃとカソード７ａ，７ｂ，７ｃとの間に電流を流す電源９ａ，９ｂ，９ｃと、水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃから電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃのアノード６ａ，６ｂ，６ｃへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃと、電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃのアノード６ａ，６ｂ，６ｃから水素生成装置１ａ，１ｂ，１ｃの燃焼器３ａ，３ｂ，３ｃへアノードオフガスを供給するアノードオフガス流路１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、電気化学デバイス８ａ，８ｂ，８ｃのカソード７ａ，７ｂ，７ｃから水素利用機器５１へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、カソード７ａ，７ｂ，７ｃから水素含有ガス流路１０ａ，１０ｂ，１０ｃへ精製水素ガスを供給するカソードベント流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃ上に配設され精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃを開閉する精製水素ガス流路開閉弁１３ａ，１３ｂ，１３ｃと、カソードベント流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃ上に配設されカソードベント流路１４ａ，１４ｂ，１４ｃを開閉するカソードベント流路開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃと、制御器３１ａ，３１ｂ，３１ｃと、を備え、精製水素ガス流路１２ａ，１２ｂ，１２ｃの下流側端が、共用精製水素ガス流路１６を介して水素利用機器５１に接続されている。
【０１５９】
また、連携水素生成システム４２は、３台の水素生成システム４１ａ，４１ｂ，４１ｃを統合制御する統合制御器３２を備えている。
【０１６０】
例えば、水素生成システム４１ｂ，４１ｃが、カソードベント流路開閉弁１５ｂ，１５ｃを閉状態、精製水素ガス流路開閉弁１３ｂ，１３ｃを開状態にして、水素生成装置１ｂ，１ｃで生成した水素含有ガスを電気化学デバイス８ｂ，８ｃのアノード６ｂ，６ｃに供給し、電気化学デバイス８ｂ，８ｃのカソード７ｂ，７ｃで生成した精製水素ガスを共用精製水素ガス流路１６に供給する水素製造工程を行っており、残りの水素生成システム４１ａが、カソードベント流路開閉弁１５ａと精製水素ガス流路開閉弁１３ａとを開状態にして、水素生成装置１ａで水素含有ガスを生成せず、電気化学デバイス８ａのカソード７ａで精製水素ガスを生成しない待機工程を行っている状態において、統合制御器３２が、待機工程を行っていた水素生成システム４１ａの起動工程を開始させる場合は、起動工程を開始させる水素生成システム４１ａに対して、精製水素ガス流路開閉弁１３ａおよびカソードベント流路開閉弁１５ａを開状態として、共用精製水素ガス流路１６から精製水素ガス流路１２ａを介してカソード７ａに逆流する水素生成システム４１ｂ，４１ｃの精製水素ガスを利用して、カソード７ａに滞留していたガスを、カソードベント流路１４ａ、水素含有ガス流路１０ａ、アノード６ａ、アノードオフガス流路１１ａの順に、流して、燃焼器３ａに排出して燃焼器３ａで燃焼させる。このとき、電源９ａによりアノード６ａから電解質膜５ａを介してカソード７ａに電流を流して、アノード６ａに供給されるガス
を利用して、カソード７ａで精製水素ガスを生成するので、カソード７ａ内と、カソード７ａからカソードベント流路開閉弁１５ａまでのカソードベント流路１４ａと、精製水素ガス流路１２ａとを、水素製造工程を行っている水素生成システム４１ｂ，４１ｃで生成した精製水素ガスでパージでき、パージによりカソード７ａから排出された精製水素ガスをアノード６ａに供給して、精製水素ガスに含まれる水素を再びカソード７ａに移動させることができる。
【０１６１】
この結果、燃焼器３ａで燃焼し消費される水素の量を削減し、起動工程を開始する際の原料消費を削減することができる。
【０１６２】
なお、本実施の形態では、水素生成システム４１ａの起動工程について説明したが、少なくとも１台の水素生成システム４１が水素製造工程を行っていれば、任意の順序で起動工程を実施してもよい。
【０１６３】
また、本実施の形態では、連携水素生成システム４２が搭載する水素生成システム４１は、水素生成システム４１ａ、水素生成システム４１ｂ、水素生成システム４１ｃの３台としたが、連携水素生成システム４２に水素生成システム４１を２台以上搭載していればよい。
【０１６４】
また、本実施の形態の連携水素生成システム４２では、水素生成システム４１のうち、１台だけを起動する場合について説明したが、少なくとも１台の水素生成システム４１が水素製造工程を行っていれば、任意の台数の水素生成システムの起動工程を同時に実施してもよい。
【０１６５】
また、本実施の形態では、水素生成装置１に改質触媒を備えたが、改質触媒の後段にＣＯ低減触媒を備えてもよい。
【０１６６】
また、本実施の形態では、水素利用機器５１をタンクとしたが、水素と空気中の酸素を利用して発電する燃料電池とすることもできる。
【０１６７】
（実施の形態５）
図８は本発明の実施の形態５における水素生成システムの概略構成を示すブロック図である。
【０１６８】
図８に示すように、本実施の形態の水素生成システム４３は、図１に示す実施の形態１の水素生成システム４１に対して、水素含有ガス流路開閉弁１７、およびアノードオフガス流路開閉弁１８を有するが、カソードベント流路１４、およびカソードベント流路開閉弁１５が無い点が異なる。
【０１６９】
水素含有ガス流路開閉弁１７は、水素含有ガス流路１０上の電磁弁である。
【０１７０】
アノードオフガス流路開閉弁１８は、アノードオフガス流路１１上の電磁弁である。
【０１７１】
本実施の形態では、水素生成システム４３が水素製造工程を終了して、停止工程に移行した時点では、水素生成システム４３の水素含有ガス流路開閉弁１７からアノードオフガス流路開閉弁１８までの流路（水素含有ガス流路開閉弁１７よりも下流側の水素含有ガス流路１０と、アノード６内の流路と、アノードオフガス流路開閉弁１８よりも上流側のアノードオフガス流路１１とを合わせた流路）は、水素の純度が７５％の水素含有ガスが滞留している。また、カソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３までの流路（カソード７内の流路と、精製水素ガス流路開閉弁１３よりも上流側の精製水素ガス流路１２とを合わ
せた流路）は、水素の純度が９９％の精製水素ガスが滞留している。
【０１７２】
水素の純度の規格値は、水素利用機器が所定の性能を発揮するために十分な濃度である９８％以上である。また、水素含有ガスと精製水素ガスとは、電解質膜５により隔離されているが、ガス分子の分圧の差によりガス分子が電解質膜を透過するため、時間の経過とともに双方の組成が等しくなるように変化する。
【０１７３】
水素含有ガス流路開閉弁１７からアノード６を経由してアノードオフガス流路開閉弁１８までの流路の容積は、０．２２４（Ｌ）である。また、カソード７内の流路を含むカソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３までの流路の容積は、１１．２（Ｌ）である。
【０１７４】
このとき、水素含有ガス流路開閉弁１７からアノード６を経由してアノードオフガス流路開閉弁１８までの流路の空間と、カソード７内の流路を含むカソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３までの流路の空間とに保持される水素以外の成分の体積は、（数１）で表される。
【０１７５】
【数１】
2020083718.tif 000005
この水素以外の成分は、水素含有ガス流路開閉弁１７からアノード６を経由してアノードオフガス流路開閉弁１８までの流路の空間と、カソード７内の流路を含むカソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３までの流路の空間との容積の比率で分配されるので、無限時間経過後に水素含有ガス流路開閉弁１７からアノード６を経由してアノードオフガス流路開閉弁１８までの流路の空間に保持される水素以外の成分の体積と、無限時間経過後にカソード７内の流路を含むカソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３までの流路の空間に保持される水素以外の成分の体積とは、それぞれ（数２）と（数３）とで算出される。
【０１７６】
【数２】
2020083718.tif 000006
【０１７７】
【数３】
2020083718.tif 000007
水素含有ガス流路開閉弁１７からアノード６を経由してアノードオフガス流路開閉弁１８までの流路の空間の容積と、カソード７内の流路を含むカソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３までの流路の空間の、水素以外の濃度は、それぞれ（数４）と（数５）で算出される。
【０１７８】
【数４】
2020083718.tif 000008
【０１７９】
【数５】
2020083718.tif 000009
以上の計算から、水素製造工程を行っていない間に、水素含有ガス流路開閉弁１７からアノード６を経由してアノードオフガス流路開閉弁１８までの流路の空間と、カソード７内の流路を含むカソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３までの流路の空間との、水素以外の濃度は、いずれも１．９２％となることが示された。従って水素の純度は（数６）に示す通り、９８．０８％となり、規格値以上を満足する。
【０１８０】
【数６】
2020083718.tif 000010
以上のように、本実施の形態の水素生成システム４３は、原料としての都市ガスから水素含有ガスを生成する水素生成装置１と、水素生成装置１に都市ガスを供給する原料供給器２と、燃料を燃焼して水素生成装置１を加熱する燃焼器３と、水素生成装置１の温度を検出する水素生成装置温度検出器４と、電解質膜５の両主面をアノード６とカソード７とで挟み、アノード６に水素含有ガスを供給して、アノード６とカソード７との間にアノード６から電解質膜５を経由してカソード７に流れる方向の電流を流すことで、カソード７から水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素ガスを生成する電気化学デバイス８と、アノード６とカソード７との間に電流を流す電源９と、水素生成装置１から電気化学デバイス８のアノード６へ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路１０と、電気化学デバイス８のアノード６から燃焼器３へアノードオフガスを燃料として供給するアノードオフガス流路１１と、電気化学デバイス８のカソード７から水素利用機器５１へ精製水素ガスを排出する精製水素ガス流路１２と、カソード７から水素含有ガス流路１０へ精製水素ガスを供給するカソードベント流路１４と、水素含有ガス流路１０上に配設され水素含有ガス流路１０を開閉する水素含有ガス流路開閉弁１７と、アノードオフガス流路１１上に配設されアノードオフガス流路１１を開閉するアノードオフガス流路開閉弁１８と、精製水素ガス流路１２上に配設され精製水素ガス流路１２を開閉する精製水素ガス流路開閉弁１３と、を備え、カソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３に至る流路の空間に貯留された水素以外の濃度と、水素含有ガス流路開閉弁１７からアノードオフガス流路開閉弁１８に至る流路の空間に貯留された水素以外の濃度との比よりも、水素含有ガス流路開閉弁１７からアノードオフガス流路開閉弁１８に至る流路の空間の容積と、カソード７から精製水素ガス流路開閉弁１３に至る流路の空間の容積との比が大きいように構成したので、カソード７に滞留する水素の純度が規格値以下に低下せず、精製水素ガスでパージする必要がないので、外部の水素供給源および、電気化学デバイス８への電力供給が無い場合でも、水素製造工程の開始直後の水素の純度低下を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本発明の水素生成システムは、水素製造工程の開始直後に電気化学デバイスから水素利用機器に供給される精製水素ガスの水素の純度の低下を抑制できるので、電気化学デバイスで精製水素ガスを生成する水素製造工程と、電気化学デバイスで精製水素ガスを生成しない待機工程とを繰り返す水素生成システムにおいて、水素製造工程の開始直後から高純度の精製水素ガスの供給が求められる用途に最適である。
【符号の説明】
【０１８２】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ  水素生成装置
２，２ａ，２ｂ，２ｃ  原料供給器
３，３ａ，３ｂ，３ｃ  燃焼器
４，４ａ，４ｂ，４ｃ  水素生成装置温度検出器
５，５ａ，５ｂ，５ｃ  電解質膜
６，  ６ａ，  ６ｂ，  ６ｃ  アノード
７，  ７ａ，  ７ｂ，  ７ｃ  カソード
８，  ８ａ，  ８ｂ，  ８ｃ  電気化学デバイス
９，  ９ａ，  ９ｂ，  ９ｃ  電源
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  水素含有ガス流路
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  アノードオフガス流路
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  精製水素ガス流路
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  精製水素ガス流路開閉弁
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  カソードベント流路
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ  カソードベント流路開閉弁
１６  共用精製水素ガス流路
１７  水素含有ガス流路開閉弁
１８  アノードオフガス流路開閉弁
３１，３１ａ，３１ｂ，３１ｃ  制御器
３２  統合制御器
４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ  水素生成システム
４２  連携水素生成システム
４３  水素生成システム
４４  水素生成システム
５１  水素利用機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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