(57)【要約】【課題】従来は、水素製造装置で製造した水素から水分を除去した乾燥状態の水素を供給していた。乾燥状態の水素は、燃料電池自動車をはじめとする水素利用機器への供給には適するが、定置型燃料電池で使用される固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）には、加湿された水素が供給される必要があり、このため、定置型燃料電池に供給する水素は、定置型燃料電池への流入前に、加湿される必要があった。【解決手段】水素製造装置で製造した水素から水分を除去する気液分離器を、第１供給経路から第２供給経路への分岐部より下流に設置する事で、加湿水素を定置型燃料電池に供給するとともに、乾燥水素を水素供給装置に供給できるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素元素を含む原料から水素を製造する水素製造装置を備えた水素供給システムであって、
前記水素製造装置によって製造された前記水素は、前記水素を用いて発電する発電装置と前記水素を外部に供給する水素供給装置とに供給され、
前記水素製造装置から前記発電装置へ前記水素を供給する第１供給経路と、
前記第１供給経路の分岐部から分岐し、前記水素供給装置へ前記水素を供給する第２供給経路と、
前記第２供給経路に配置され、前記水素中の水分を凝縮水として分離する気液分離器と、
前記気液分離器から前記水素製造装置へ前記凝縮水を供給する水供給経路と、
を備えた、水素供給システム。
【請求項２】
前記第２供給経路において、前記気液分離器と前記水素供給装置との間に配置され、前記水素製造装置から供給された前記水素を圧縮する圧縮機をさらに備えた、請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項３】
前記気液分離器に供給される前記水素を冷却する冷却器をさらに備えた、請求項１または２に記載の水素供給システム。
【請求項４】
前記水素供給装置と、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素供給システムと、
を備える、外部水素供給システム。
【請求項５】
前記発電装置と、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素供給システム、または、請求項４に記載の外部水素供給システムと、
を備える、水素電力併給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定置型燃料電池及び燃料電池自動車の両方への水素供給を可能とする水素供給システム、外部水素供給システム及び水素電力併給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境負荷が小さいクリーンな発電技術として期待される燃料電池は、近年、定置型燃料電池（家庭用／業務用コージェネレーション）及び燃料電池自動車で実用化されている。
【０００３】
一方、水素をエネルギー源として利用するにあたっては、燃料となる水素を安全に、かつ、安定的に供給することが欠かせない。これについて、圧縮水素又は液体水素として水素を直接供給する方法、水素吸蔵合金、カーボンナノチューブなどの水素吸蔵材料を利用して水素を貯蔵及び供給する方法、メタノール又は炭化水素を水蒸気改質して水素を供給する方法など、種々の方法が提案され、将来的には、太陽光を利用した水の電気分解で水素を製造することが環境負荷から考えて理想的とされるものの、当面は、化石燃料の改質によって製造された水素を燃料とし、水素供給インフラの整備とともに燃料電池が普及していくとの見通しが主流になっている。
【０００４】
化石燃料から改質によって水素を製造する過程を具体的に説明すると、まず、水素生成装置は、炭化水素化合物からなる原料ガスと改質用水とから、改質触媒を用いた水蒸気改質反応により、水素、二酸化炭素、一酸化炭素、未反応のメタン及び水分を含む改質ガスを生成する。このとき、原料ガスとしては、都市ガス、ＬＰＧ、灯油などが用いられ、改質用水には、触媒の劣化及び水素生成装置内のスケールの堆積を避けるために純水が用いられる。水蒸気改質反応によって水素を製造する場合、一酸化炭素（ＣＯ）の副生は避けられない。例えば、メタンを主成分とする天然ガスを原料とする場合、水蒸気改質反応（６００℃程度）により、水素、二酸化炭素及びＣＯの混合ガスを製造し、さらに、ＣＯと水分とを水素と二酸化炭素とに変える変成反応（３００℃程度）で、ＣＯを低減させる方法が採られる。それでもなお、１０００ｐｐｍ〜１ｖｏｌ％程度のＣＯが含まれており、さらに、圧力スイング吸着（ＰＳＡ）法、水素選択透過膜分離法、一酸化炭素選択酸化法などによって、ＣＯを１０ｐｐｍ程度まで除去する。
【０００５】
ＣＯを除去した改質ガスには、まだ、微量のＣＯ、二酸化炭素、未反応のメタン及び水分が含まれるが、水素を燃料電池自動車に供給する事を考慮する場合、自動車に搭載された燃料電池が、水素を余らせない、すなわち、水素を極力使い切るような方式となっており、ＣＯ、二酸化炭素、メタン、水分などの不純物ガスを十分に除去し、９９．９９９％以上の高い純度とした水素が要求される。このため、高純度の水素を供給する方法として、燃料電池自動車への水素供給経路に、不要ガスを吸着する吸着剤を充填した不純物ガス除去器を配置する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
高純度の水素を供給するための不純物ガス除去器には、吸着剤を用いる水素ＰＳＡ装置のほか、水素選択透過膜分離装置、又は、固体高分子膜に電圧を印加し、正極側に水素含有ガスを供給し、負極側から昇圧された高純度の水素ガスを取り出す、水素精製昇圧装置などが用いられる（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
図３は、特許文献３に記載の従来の水素ステーションの概略構成図である。
【０００８】
図３に示すように、従来の水素ステーション１では、水素を貯蔵するタンク３に水素を流入させる前に、圧縮機１２４で圧力を上昇させるため、圧縮工程において水分が凝縮し、凝縮した水が排出された後に貯蔵され、水分を除去した乾燥状態の水素が、定置型燃料電池及び燃料電池自動車に供給されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−２１９９９１号公報
【特許文献２】特許第３３５８８２０号公報
【特許文献３】特開２００７−１６９７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、水分を除去した乾燥状態の水素は、燃料電池自動車をはじめとする、水素を加圧状態で貯蔵して利用する機器への供給には適するが、定置型燃料電池で主に使用される固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、作動のために燃料電池内の高分子電解質膜を加湿する必要がある。このため、ＰＥＦＣに代表される、加湿状態の水素を用いて発電する定置型燃料電池を利用する場合、定置型燃料電池に供給する水素は、定置型燃料電池への流入前に加湿する必要が生じる。従来の水素供給システムでは、水素製造装置から供給される、水分を含む加湿状態の水素から、水素中の水分が除去された乾燥状態で水素の貯蔵及び供給が行われていたため、定置型燃料電池に水素を供給する際に、水素を加湿する必要が生じ、加湿器及び加湿用の水浄化装置を設置するなど、機器コストが増大すると言う課題があった。また、従来の水素供給システムでは、水素に含まれる水分は、製造した水素を圧縮する工程で排出されて有効利用されず、改質用水の製造コストを増大させるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素供給システムは、水素元素を含む原料から水素を製造する水素製造装置を備え、水素製造装置によって製造された水素は、水素を用いて発電する発電装置と水素を外部に供給する水素供給装置とに供給され、水素製造装置から発電装置へ水素を供給する第１供給経路と、第１供給経路の分岐部から分岐し、水素供給装置へ水素を供給する第２供給経路と、第２供給経路に配置され、水素中の水分を凝縮水として分離する気液分離器と、気液分離器から水素製造装置へ凝縮水を供給する水供給経路とを備える構成としたものである。
【００１２】
これによって、水素製造装置から供給される加湿状態の水素を、気液分離器で乾燥状態として水素供給装置に送るとともに、定置型燃料電池等の発電装置には、水素製造装置から供給される加湿状態の水素をそのまま送る事ができ、定置型燃料電池等の発電装置に送る水素を加湿するための加湿器又は加湿用の水浄化装置が不要となる事で、機器コストを抑制できる。また、気液分離器で分離された凝縮水を改質用水として利用することで、水素に含まれる水分を改質用水として有効に利用でき、改質用水の製造コストを抑制して、水素供給システムの経済性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水素供給システムは、水素供給装置への水素供給経路で水分を除去及び回収することによって、定置型燃料電池等の発電装置には、水素製造装置から供給される加湿状態の水素をそのまま送ることができ、定置型燃料電池等の発電装置に送る水素を加湿するための加湿器又は加湿用の水浄化装置が不要となり、機器コストを低減できる。また、気液分離器で分離された凝縮水を改質用水として利用することで、水素に含まれる水分を改質用水として有効に利用でき、改質用水の製造コストを抑制して、水素供給システムの経済性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１における水素供給システムの概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２における水素電力併給システムの概略構成図
【図３】特許文献３に記載の従来の水素ステーションの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、水素元素を含む原料から水素を製造する水素製造装置を備え、水素製造装置によって製造された水素は、水素を用いて発電する発電装置と水素を外部に供給する水素供給装置とに供給され、水素製造装置から発電装置へ水素を供給する第１供給経路と、第１供給経路の分岐部から分岐し、水素供給装置へ水素を供給する第２供給経路と、第２供給経路に配置され、水素中の水分を凝縮水として分離する気液分離器と、気液分離器から水素製造装置へ凝縮水を供給する水供給経路とを備えた、水素供給システムとしたものである。
【００１６】
これによって、水素供給装置に乾燥状態の水素を送るとともに、定置型燃料電池等の発電装置に加湿された水素を送る事ができ、定置型燃料電池等の発電装置に加湿された水素を送るための加湿用機器が不要となり、機器コストを低減し、システムの経済性を向上することができる。
【００１７】
第２の発明は、特に、第１の発明の水素供給システムの第２供給経路において、気液分離器と水素供給装置との間に配置され、水素製造装置から供給された水素を圧縮する圧縮機をさらに備えた構成としたものである。
【００１８】
これによって、高圧の水素を水素供給装置から供給することで、より多量の水素を水素利用機器で貯蔵する事ができるようになり、水素利用機器の利便性を高める事ができる。また、摺動部を有し、不純物が混入しやすい圧縮機へ水素が流入する前に、水素中の水分を回収することができ、より純度の高い凝縮水を改質用水として水素製造装置に供給し、水素製造装置が改質用水の中の不純物によって劣化する事を防ぎ、システムの耐久性を向上することができる。
【００１９】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の水素供給システムにおいて、気液分離器に供給される水素を冷却する冷却器をさらに備えた構成としたものである。
【００２０】
これによって、水素製造装置から供給される水素が冷却され、冷却によって水素中の水分の凝縮量が増加するため、気液分離器によって再利用できる水の量が増加し、改質用水の製造コストをさらに抑制し、システムの経済性を向上させることができる。
【００２１】
第４の発明は、水素供給装置と、第１〜３のいずれか１つの発明の水素供給システムと、を備える外部水素供給システムとしたものである。
【００２２】
これによって、水素供給装置に乾燥状態の水素を送るとともに、定置型燃料電池等の発電装置に加湿された水素を送る事ができ、定置型燃料電池等の発電装置に加湿された水素を送るための加湿用機器が不要となり、機器コストを低減し、システムの経済性を向上することができる。
【００２３】
第５の発明は、前記発電装置と、第１〜３のいずれか１つの発明の水素供給システム、または、第４の発明の外部水素供給システムと、を備える水素電力併給システムとしたものである。
【００２４】
これによって、外部に乾燥状態の水素を送るとともに、定置型燃料電池等の発電装置に加湿された水素を送る事ができ、定置型燃料電池等の発電装置に加湿された水素を送るための加湿用機器が不要となり、機器コストを低減し、システムの経済性を向上することができる。
【００２５】
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。
【００２６】
（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１における水素供給システムについて、図１を用いて詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の実施の形態１における水素供給システムの概略構成図である。
【００２８】
図１において、水素供給システム１００Ａは、原料ガス供給部２０と、改質用水供給部２５と、水素を生成する水素発生器２６と、精製機２３とで構成されている。また、水素供給システム１００Ａは、製造された水素を精製機２３から定置型燃料電池７に供給する第１供給経路１３と、第１供給経路１３から分岐部２７で分岐し、水素供給装置２８へ水素を供給する第２供給経路１４と、第２供給経路１４に設置され、水素を冷却する冷却器１２と、冷却器１２で冷却された水素中の凝縮した水分を分離する気液分離器９と、気液分離器９で分離された水を改質用水供給部２５に供給する回収水供給経路１１と、改質用水である純水を製造する純水製造器８で構成されている。本明細書において、「水分」とは、液体の水又は水蒸気を意味する。定置型燃料電池７は、水素を用いて発電する発電装置の一例である。水素供給装置２８は、水素を外部に供給することができる。
【００２９】
第１供給経路１３は、水素発生器２６のガス出口に接続された一端と定置型燃料電池７のアノードガス入口に接続された他端とを有する。第１供給経路１３の分岐部２７から第２供給経路１４が分岐している。精製機２３は、第１供給経路１３に配置されている。精製機２３は、水素発生器２６と分岐部２７との間に位置する。
【００３０】
第２供給経路１４は、分岐部２７に接続された一端と水素供給装置２８のガス入口に接続された他端とを有する。冷却器１２及び気液分離器９のそれぞれは、第２供給経路１４に配置されている。冷却器１２は、分岐部２７と気液分離器９との間に位置する。
【００３１】
回収水供給経路１１は、気液分離器９の液体出口に接続された一端と水素発生器２６の液体入口に接続された他端とを有する。改質用水供給部２５は、回収水供給経路１１に配置されている。改質用水供給部２５において、気液分離器９によって分離された水と、純水製造器８によって製造された水とが混合される。
【００３２】
水素発生器２６は、改質触媒を用いて、原料ガス供給部２０から供給される、炭化水素化合物を含む原料ガスを、改質用水供給部２５から供給される改質用水を用いて改質し、水素を主成分とする改質ガスを生成するものである。ここで、定置型燃料電池７は、例えば、ＰＥＦＣであり、原料ガス供給部２０は、例えば、水素発生器２６に原料ガスを供給するためのブースターである。また、改質用水供給部２５は、例えば、水素発生器２６に改質用水を供給するための水ポンプであり、精製機２３は、水素中の水蒸気以外の不純物ガスを取り除いた高純度の水素に精製するもので、本実施例では、水素選択透過膜分離装置である。
【００３３】
以下、水素供給システム１００Ａが原料ガス及び改質用水を受け入れて水素を製造し、定置型燃料電池７及び水素供給装置２８へ水素を供給するまでの工程について順を追って説明する。
【００３４】
まず、原料ガス供給部２０から原料ガスを水素発生器２６に供給し、水蒸気で改質して、水素、副生したＣＯ、二酸化炭素、未反応のメタン及び水分を含むガスとした後、さらに、ＣＯと水分とを水素と二酸化炭素とに変える変成反応によって、水素を主成分とし、ＣＯ含有量を１０００ｐｐｍ〜１ｖｏｌ％程度に低減した水素リッチな改質ガスを製造する。改質ガスは、未反応の水分を含み、加湿状態のガスとなる。さらに、この改質ガスを精製機２３に流通させて、ＣＯ、二酸化炭素、メタンなどの不純物ガスを除去し、乾燥状態換算で９９．９９９％以上の高純度水素を得る。
【００３５】
精製機２３で生成された高純度の水素は、第１供給経路１３を経由し、定置型燃料電池７へ供給されるとともに、分岐部２７で分岐し、気液分離器９に供給され、水分が分離される。水分が分離された乾燥状態の水素は、第２供給経路１４を経由し、水素供給装置２８に供給され、燃料電池自動車などの水素利用機器に供給される。
【００３６】
ここで、第１供給経路１３から供給される水素を用いて発電を行い、電力を住居（家庭）及びオフィスに供給する定置型燃料電池７はＰＥＦＣであり、作動のために燃料電池内の電解質膜を加湿する必要があるため、定置型燃料電池７に供給する水素は、加湿状態の水素である必要がある。また一方で、燃料電池自動車は、水素を圧縮状態で貯蔵するため、圧縮時の結露を避ける必要があり、水素供給装置２８には、水分を除去した乾燥状態の水素を供給しなければならない。本実施形態において、定置型燃料電池７には、精製機２３から供給される加湿状態の水素が、第１供給経路１３を経由して供給され、また、水素供給装置２８には、精製機２３から供給される加湿状態の水素を気液分離器９で乾燥状態とした水素が、第２供給経路１４を経由して供給される。
【００３７】
また、気液分離器９で分離された結露水は、回収水供給経路１１を経由し、改質用水供給部２５へ供給され、流量を調整して水素発生器２６に改質用水として供給される。
【００３８】
このように、本実施の形態に記載の構成をとることより、定置型燃料電池７には加湿状態の水素を供給しながら、また、水素供給装置２８からは、燃料電池自動車で利用可能な乾燥状態の水素を供給することができ、それぞれに適した水素を供給する事が可能となる。また、気液分離器９で分離された結露水を改質用水として水素発生器２６で再利用することができ、水素中に残存している水分を無駄にすることなく有効に利用する事が可能となり、純水製造器８で製造する純水の量を少なく抑え、純水製造コストを低く抑えて経済性を向上させることができる。
【００３９】
なお、気液分離器９は、供給されるガスからガス中の水分の一部を分離して排出できる除湿器、湿分分離手段などであれば特に限定されない。また、凝縮水とともに水蒸気が気液分離器９から排出されても良い。気液分離器９は、例えば、冷却式の分離器、膜透過式の分離器又は吸着式の分離器であってもよい。
【００４０】
なお、精製機２３は、水蒸気以外の不純物ガスを除去できるものであれば良く、例えば、水素ＰＳＡ装置、又は、固体高分子膜に電圧を印加し、正極側に水素含有ガスを供給し、負極側から昇圧された高純度の水素ガスを取り出す、水素精製昇圧装置であっても良い。
【００４１】
なお、水素発生器２６は、水を原料として使用するものであれば良く、水蒸気改質方式の水素製造装置のほか、水電解方式の水素製造装置であっても良い。
【００４２】
なお、水素供給装置２８から供給を受ける水素利用機器は、燃料電池自動車のほか、水素エンジン自動車など、水素を利用する機器であれば特に限定されない。
【００４３】
水素供給装置２８は、水素を外部に供給できるものであれば特に限定されない。水素供給装置２８は、例えば、タンク及びディスペンサを備える。タンクとディスペンサとは配管によって接続されている。タンクは、第２供給経路１４から供給された水素を一時的に保存する。ディスペンサは、水素利用機器に接続可能な構造を有する。ディスペンサによって、タンク内の水素を水素利用機器に供給できる。
【００４４】
冷却器１２は、水素を冷却することができ、かつ、配管と異なるものであれば特に限定されない。冷却器１２は、例えば、熱交換器を含む。熱交換器は、例えば、水などの冷媒と水素との間で熱交換を生じさせる気−液熱交換器である。熱交換器は、例えば、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器である。
【００４５】
第１供給経路１３、第２供給経路１４、回収水供給経路１１などの各経路は、少なくとも１つ以上の配管で構成されている。配管は、例えば、金属製の配管又は樹脂製の配管である。
【００４６】
（実施の形態２）
以下に、本発明の実施の形態２における水素電力併給システムについて、図２を用いて詳細に説明する。
【００４７】
図２は、本発明の実施の形態２における水素電力併給システムの概略構成図である。
【００４８】
図２において、水素電力併給システム１０２は、外部水素供給システム１０１と、定置型燃料電池７とで構成され、水素供給装置２８から、燃料電池自動車などの水素利用機器に水素を供給するとともに、第１供給経路１３から供給される水素を用いて定置型燃料電池７で発電を行い、電力を住居（家庭）及びオフィスに供給する。水素電力併給システム１０２は、水素供給システム１００Ｂと定置型燃料電池７とによって構成されていてもよい。外部水素供給システム１０１は、水素供給システム１００Ｂと、水素供給装置２８とで構成され、水素供給装置２８から、燃料電池自動車などの水素利用機器に水素を供給するとともに、第１供給経路１３から定置型燃料電池７に水素を供給する。実施の形態２における水素供給システム１００Ｂは、実施の形態１における水素供給システム１００Ａの構成に加え、水素の供給圧力を上げるための圧縮機２４を設置したものである。圧縮機２４は、水素を圧縮することができるものであれば特に限定されない。圧縮機２４は、例えば、ロータリ圧縮機又はターボ圧縮機である。圧縮機２４は、第２供給経路１４の経路上で、気液分離器９と水素供給装置２８との間に設置され、その他の構成については実施の形態１と同様であり、説明を省略する。また、実施の形態２における水素供給システム１００Ｂが原料ガス及び改質用水を受け入れて水素を製造し、定置型燃料電池７及び水素供給装置２８へ水素を供給するまでの工程については、実施の形態１における水素供給システム１００Ａと同様であり、説明を省略する。
【００４９】
このように、本実施の形態の構成をとることにより、定置型燃料電池７に適した常圧の水素を供給するとともに、水素供給装置２８から高圧の水素を燃料電池自動車などの水素利用機器に供給する事で、より多量の水素を水素利用機器で貯蔵する事ができ、水素の供給１回あたりの燃料電池自動車の航続距離が長くなるなど、利便性を高める事ができる。また、摺動部を有し、不純物が混入しやすい圧縮機２４より上流の経路で水素中の水を回収することができ、回収する水への不純物の混入を抑制し、より純度の高い水を水素製造装置に供給することで、水素製造装置が改質用水の中の不純物によって劣化する事を防ぎ、システムの耐久性を向上することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本明細書に開示された技術は、水素供給システム、外部水素供給システム、水素電力併給システムなどに有用である。
【符号の説明】
【００５１】
１  水素ステーション
２  水素製造装置
３  水素貯蔵タンク
４  水素供給ライン
５  水素供給ライン
６  不純物ガス除去器
７  定置型燃料電池
８  純水製造器
９  気液分離器
１０  電力供給経路
１１  回収水供給経路
１２  冷却器
１３  第１供給経路
１４  第２供給経路
２０  原料ガス供給部
２１  原料ホルダ
２２  改質器
２３  精製機
２４  圧縮機
２５  改質用水供給部
２６  水素発生器
２７  分岐部
２８  水素供給装置
１００Ａ  水素供給システム
１００Ｂ  水素供給システム
１０１  外部水素供給システム
１０２  水素電力併給システム
【図１】
2019147708.tif 000003
【図２】
2019147708.tif 000004
【図３】
2019147708.tif 000005