(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスから水素を製造する触媒と、前記触媒を加熱するバーナとを有し、水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
触媒を配したガス拡散電極がイオン導電体の両側に夫々設けられ、前記燃料ガス中の前記水素が一方の前記ガス拡散電極上でイオン化されて、前記イオン導電体をイオンとして移動し、他方の前記ガス拡散電極上でガスに戻ることにより、他方のガス拡散電極側で精製及び圧縮された圧縮水素を得る水素圧縮機と、
前記圧縮水素から水を除去すると共に、除去した水を前記燃料処理装置へ供給する第１水供給器と、
前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行い、発電された電力の少なくとも一部を前記水素圧縮機に供給する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される水を前記燃料処理装置へ供給する第２水供給器と、
前記燃料ガスのうち、前記水素圧縮機及び前記燃料電池で利用されずに排出されるオフガスを前記バーナに送るオフガス供給手段と、
を有する圧縮水素供給装置。
【請求項２】
前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に並列に配置されている請求項１に記載の圧縮水素供給装置。
【請求項３】
前記水素圧縮機から排出される前記オフガスの流路と、前記燃料電池から排出される前記オフガスの流路は、一つの循環戻り流路に合流しており、
前記オフガス供給手段は、前記循環戻り流路に配置されている請求項２に記載の圧縮水素供給装置。
【請求項４】
前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に直列に配置されている請求項１に記載の圧縮水素供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮水素供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電気化学的な反応を利用してガスを圧縮するための電気化学的ガス圧縮機が開示されている。具体的には、電気化学的ガス圧縮の原理を利用した圧縮装置、該圧縮装置に水分補給するための水分補給路、ガス圧縮に必要な電力を供給するための外部電気回路、圧縮装置内のイオン導電性固体電解質体のための補強体等が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、電気化学的ガス圧縮装置のセル構造が開示されている。
【０００４】
特許文献３には、電気化学的ガス圧縮と同様の原理を利用して、常圧水素の排出流量を制御する装置が開示されている。
【０００５】
特許文献４には、水素生成反応器と一体で、電気化学的ガス圧縮器（水素分離手段）を設けることが開示されている。具体的には、反応器から水素分離室へ水素を移動させる（除去する）ことで、化学反応の平衡を水素生成側へ移し水素製造効率を高めること、燃料電池をガス圧縮器の電源として用いると共に、燃料電池により得られた水を反応器で用いることが記載されている。この技術は、分離膜を用いて水素製造効率を高めることを目的としている。
【０００６】
特許文献５には、電気化学的に水を分解し、水素を製造すると同時に圧縮水素を得る方法及び装置が開示されている。
【０００７】
特許文献６には、固体高分子型水電解装置を用いて、電気化学的に水を分解して中圧水素を製造し、中圧タンクに貯める装置が開示されている。この装置は、燃料電池自動車のタンク残圧が低い場合は水素を中圧で供給する一方、高圧が必要な場合には中圧水素を更に圧縮して高圧化させる。この際、固体高分子型水電解装置を利用して、電気化学的ガス圧縮の原理で水素を圧縮できるため、装置全体を小型化できるとされている。
【０００８】
特許文献７には、水素製造装置において、ダクトから漏れる騒音を低減させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−２４２８５０号公報
【特許文献２】特開２００３−２１３４７１号公報
【特許文献３】特開２００３−３１３６９１号公報
【特許文献４】特開２００４−３１１１５９号公報
【特許文献５】特開２００７−１００２０４号公報
【特許文献６】特開２００５−３２４５８４号公報
【特許文献７】特開２０１０−２８１２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
例えば、燃料電池自動車（ＦＣＶ）は、走行距離を長くするために７０ＭＰａ以上の圧縮水素を充填できる高圧水素タンクを搭載している。高圧水素タンクへの水素の充填は、例えば水素ステーションで行われる。水素ステーションでは、燃料電池自動車の高圧水素タンクに対して差圧で水素を充填するため、該水素を例えば８２ＭＰａ以上まで高圧化させる。
【００１１】
また、水素ステーションは、１時間に５台分程度の燃料電池自動車搭載の高圧水素タンクにフル充填できる３００Ｎｍ3 ／ｈの水素製造能力を有する大型のステーションが主流である。例えばオンサイト型水素ステーションで効率よく圧縮水素を製造するためには、化石燃料等から水素を合成する工程（水素製造）、製造された水素から不純物を除く工程（水素精製）、精製水素の圧力を上げる工程（水素圧縮）等の各工程での効率を上げることが求められる。
【００１２】
一方で、水素ステーションの規模も検討が必要である。都市部で燃料電池自動車への水素供給インフラを普及させるためには、前述の３００Ｎｍ3 ／ｈ級の大型水素ステーションだけでなく、電気自動車の充填スタンドのように家庭や駐車場等で水素を充填できる、例えば５０Ｎｍ3 ／ｈ以下の小規模な水素ステーション（本明細書において「水素スタンド」という。）も求められる。水素スタンドの実現のためには、上記の水素製造、水素精製、水素圧縮のすべての工程で、小型で高効率な装置が必要となる。
【００１３】
［水素製造についての課題］
小型水素製造装置としては、エネファーム（登録商標）に搭載されているような燃料処理装置が挙げられる。燃料処理装置は、都市ガスや灯油等の化石燃料由来の一次エネルギーから、水蒸気改質反応によって高効率、省スペースで水素を効率的に合成することができる。しかし、例えばメタンを燃料として燃料処理装置で得られる燃料ガス中には、水素の他、２５％程度の二酸化炭素が混在する。燃料電池自動車に水素を供給するための水素スタンドでは、二酸化炭素を例えば２ｐｐｍ以下にする必要がある。
【００１４】
更に、燃料ガスに水素と二酸化炭素を含む場合、前述の例では水素のモル分率が７５％である。燃料処理装置の出口側が常圧の場合、水素の分圧は常圧より低くなる。その場合、圧縮機により水素の圧力を８２ＭＰａ以上にするためには、圧縮比＝出口圧／入口圧を大きくする必要があり（例えば８２／０．０７５＝１０９３）、圧縮動力が非常に大きくなる。
【００１５】
この他、特許文献５に係る、水の電気分解による水素製造方法によれば、水素純度が高くなり精製機が不要となる。しかしながら、水素製造に必要なエネルギー（水の電気分解のための電力）が燃料処理装置に比べて大きく、水素スタンド全体の効率が低くなる。
【００１６】
［水素精製についての課題］
圧力スイング吸着式によるガス精製分離技術で、水素精製を行う場合には、装置の小型化が難しい点や、多くのエネルギー(電気)を消費する点などの課題がある。また、吸着塔以外にもポンプなどの補機も必要となるため、圧力スイング吸着式によるガス精製分離技術は水素スタンドには適さない。
【００１７】
［水素圧縮についての課題］
水素圧縮機としては、レシプロ式、ダイアフラム式等、容積圧縮機が広く知られており、水素ステーションでの実績もある。しかしながら、水素を８２ＭＰａ以上の超高圧にするためには圧縮段数を増やす必要があり、装置が大きくなるため水素スタンドには適さない。また、容積圧縮機は機械的に動くため騒音が大きく、上記した特許文献７に記載されているような防音対策が別途必要になる。
【００１８】
以上のことから、都市部や家庭での水素充填を考えた場合、特許文献１に記載されているような電気化学的水素圧縮技術が重要となる。この技術では、電解質膜を介して水素のみがカソードに移動することから、該電気化学的水素圧縮機を水素圧縮機として用いるだけでなく、精製機として用いることもでき、別途精製機を必要としない水素スタンドを構築可能である。
【００１９】
［電気化学的水素圧縮機の課題］
しかしながら電気化学的水素圧縮機では、電気化学的水素圧縮機に供給されるガスが、水素と二酸化炭素を含む混合ガスであり、かつその二酸化炭素濃度が高いと、特許文献２のような密閉系の電気化学的水素圧縮機では、濃度分極により運転効率が低下する。ここで、濃度分極とは、水素が消費されることで、その他不純物ガスの濃度が、電解質膜近傍で高くなる現象である。特許文献４のような密閉系でないシステムを用いても、電気化学的水素圧縮機で利用されずに排出される未利用水素が過剰となり、水素スタンド全体の運転効率が低下すると考えられる。
【００２０】
さらに、電気化学的水素圧縮機に固体高分子膜を用いる場合は、水分バランスが重要になる。膜の性能を維持するために、供給される低圧の水素の露点は高いほうが望ましい。しかし、露点を高めるためには別途水供給設備や加湿器などを搭載する必要があり、設備や制御が複雑になると考えられる。
【００２１】
なお、特許文献４の技術は、自動車への搭載が念頭にあり、水素スタンドのような定置型の圧縮水素製造装置への適用は考慮されていない。燃料電池は、電気化学的水素圧縮に必要な動力分の発電を行うものであり、低出力である。更に、電気化学的水素圧縮部のオフガス（未反応ガス）を燃料電池に用いるため、発電効率が低くなる。また、燃料電池で全ての水素を消費する想定であるため、水素生成反応器への新たな熱（燃料）供給が必要となる。
【００２２】
特許文献５に記載の装置単独では、水素を４０ＭＰａ程度までしか昇圧できないため、圧力を水素スタンドに求められる高圧（７０ＭＰａ以上）にする場合は、別途圧縮機が必要である。
【００２３】
特許文献６に記載の装置では、圧縮水素の供給が中圧タンクからしかできず、水素を製造しながら圧縮できないため、超大型のタンクを搭載しない限り連続運転が難しい。
【００２４】
本発明は、上記事実を考慮して、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、１つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
請求項１に係る圧縮水素供給装置は、原料ガスから水素を製造する触媒と、前記触媒を加熱するバーナとを有し、水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、触媒を配したガス拡散電極がイオン導電体の両側に夫々設けられ、前記燃料ガス中の前記水素が一方の前記ガス拡散電極上でイオン化されて、前記イオン導電体をイオンとして移動し、他方の前記ガス拡散電極上でガスに戻ることにより、他方のガス拡散電極側で精製及び圧縮された圧縮水素を得る水素圧縮機と、前記圧縮水素から水を除去すると共に、除去した水を前記燃料処理装置へ供給する第１水供給器と、前記燃料処理装置から供給される前記燃料ガスを用いて発電を行い、発電された電力の少なくとも一部を前記水素圧縮機に供給する燃料電池と、前記燃料電池から排出される水を前記燃料処理装置へ供給する第２水供給器と、前記燃料ガスのうち、前記水素圧縮機及び前記燃料電池で利用されずに排出されるオフガスを前記バーナに送るオフガス供給手段と、を有する。
【００２６】
この圧縮水素供給装置では、燃料処理装置において、原料ガスから水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、水素圧縮機及び燃料電池に供給される。水素圧縮機では、燃料ガスから水素を分離し、更に圧力制御器などで背圧を制御することで任意の圧力の水素を得ることができる。圧縮水素に含まれる水は、第１水供給器により除去される。これにより、乾燥した圧縮水素を得ることができる。除去された水は、第１水供給器から燃料処理装置に供給されて、原料ガスからの水素の製造に利用される。
【００２７】
燃料電池では、燃料ガスを用いて発電が行われる。燃料電池により得られた電力の少なくとも一部は、水素圧縮機に供給される。これにより、水素圧縮機のガス拡散電極に電位を与えることができる。燃料電池から排出される水は、燃料処理装置に供給されて、原料ガスからの水素の製造に利用される。
【００２８】
燃料ガスのうち、水素圧縮機及び燃料電池で利用されずに排出されるオフガスは、オフガス供給手段により燃料処理装置のバーナに送られ、該バーナの燃料とされる。
【００２９】
上記のように、この圧縮水素供給装置では、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、１つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができる。ここで言う自立的とは、水素製造用の水や、燃料処理装置を高温に保つための燃料を外部から新たに追加する必要がないことを意味する。
【００３０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧縮水素供給装置において、前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に並列に配置されている。
【００３１】
この圧縮水素供給装置では、燃料電池と水素圧縮機が、燃料ガスの流路に並列に配置されているので、水素圧縮機及び燃料電池には、同質の燃料ガスが夫々供給される。このため、水素の分圧を水素圧縮機及び燃料電池の夫々で高く保つことができるため、運転効率を高めることができる。
【００３２】
請求項３の発明は、請求項２に記載の圧縮水素供給装置において、前記水素圧縮機から排出される前記オフガスの流路と、前記燃料電池から排出される前記オフガスの流路は、一つの循環戻り流路に合流しており、前記オフガス供給手段は、前記循環戻り流路に配置されている。
【００３３】
この圧縮水素供給装置では、水素圧縮機からのオフガスの流路と燃料電池からのオフガスの流路とオフガス供給手段を別々に設ける場合と比較して、燃料処理装置のバーナへのオフガスの回収ラインを大幅に削減することができる。
【００３４】
請求項４の発明は、請求項１に記載の圧縮水素供給装置において、前記燃料電池と前記水素圧縮機は、前記燃料ガスの流路に直列に配置されている。
【００３５】
この圧縮水素供給装置では、燃料電池と水素圧縮機が、燃料ガスの流路に直列に配置されているので、該流路を少なくして装置をより小型化することができる。
【発明の効果】
【００３６】
請求項１に記載の圧縮水素供給装置によれば、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、１つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができる、という優れた効果が得られる。
【００３７】
請求項２に記載の圧縮水素供給装置によれば、水素圧縮機及び燃料電池の運転効率を高めることができる、という優れた効果が得られる。
【００３８】
請求項３に記載の圧縮水素供給装置によれば、装置をより小型化することができる、という優れた効果が得られる。
【００３９】
請求項４に記載の圧縮水素供給装置によれば、燃料処理装置のバーナへのオフガスの回収ラインを削減することができる、という優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１実施形態に係る圧縮水素供給装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】容積圧縮機と水素圧縮機（ＥＨＣ）において、圧縮比と理論圧縮動力との関係を比較した線図である。
【図３】第２実施形態に係る圧縮水素供給装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。
【００４２】
［第１実施形態］
図１において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置１０は、燃料処理装置１２と、水素圧縮機１４と、第１水供給器１６と、燃料電池１８と、第２水供給器２２と、オフガス供給手段の一例たる循環ブロワ２４とを有している。
【００４３】
燃料処理装置１２は、原料ガスから水素を製造する触媒１２Ａと、触媒１２Ａを加熱するバーナ１２Ｂとを有し、水素を含む燃料ガスを生成する装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）である。触媒１２Ａは、例えば改質触媒、ＣＯ選択酸化触媒、シフト反応触媒である。触媒１２Ａには、原料ガス管２６が接続されており、該原料ガス管２６を通じて原料ガスが供給されるようになっている。また、触媒１２Ａには、第１水供給器１６に接続された水供給管３０と、第２水供給器２２に接続された水供給管３２とに夫々接続されている。触媒１２Ａは、水供給管３０，３２を通じて供給された水を利用して、原料ガスを例えば水蒸気改質して水素を製造する。
【００４４】
燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂには、空気供給管（図示せず）と、後述する循環戻り流路３４とが接続されている。このバーナ１２Ｂは、空気供給管を通じて供給された空気と、循環戻り流路３４を通じて供給されたバーナガス（後述するオフガス）との混合ガスを燃焼させ、触媒１２Ａを加熱する。
【００４５】
以上より、燃料処理装置１２では、原料ガスから、水素ガスを含む燃料ガスが生成される。燃料ガスには、水素の他、例えば水蒸気や二酸化炭素が含まれる。この燃料ガスは、燃料ガスの流路である燃料ガス管３６を通じて、水素圧縮機１４のアノード１４Ａ及び燃料電池１８のアノード１８Ａに夫々供給される。燃料電池１８と水素圧縮機１４は、燃料ガス管３６に並列に配置されているので、燃料ガス管３６は途中で分岐し、水素圧縮機１４と燃料電池１８に夫々接続されている。
【００４６】
水素圧縮機１４は、触媒を配したガス拡散電極であるアノード１４Ａとカソード１４Ｃが、イオン導電体１４Ｂの両側に夫々設けられた装置であり、電気化学的に水素を精製及び圧縮することができる装置（ＥＨＣ：Electric Hydrogen Compressor）である。イオン導電体１４Ｂは、例えばイオン導電性固体電解質体である。アノード１４Ａとカソード１４Ｃに、所定の電位が与えられると、燃料ガス中の水素が一方のガス拡散電極（アノード１４Ａ）上でイオン化されて、イオン導電体１４Ｂをイオンとして移動し、他方のガス拡散電極上でガスに戻ることにより、他方のガス拡散電極（カソード１４Ｃ）側で精製及び圧縮された圧縮水素を得ることができるようになっている。水素圧縮機１４におけるアノード１４Ａとカソード１４Ｃに与えられる電力は、燃料電池１８から供給される。アノード１４Ａには、水素圧縮機１４で利用されなかった水素を含むオフガスを排出するための流路４０が接続されている。
【００４７】
第１水供給器１６は、圧縮水素から水を除去すると共に、除去した水を燃料処理装置１２へ供給する機器であり、ガス管２８により水素圧縮機１４のカソード１４Ｃと接続されている。第１水供給器１６により水分が除去された圧縮水素は、ガス管３８、圧力制御器５０を通じて燃料電池自動車、ガスタンク、ガスボンベ、ガスカートリッジ等（何れも図示せず）に供給可能である。第１水供給器１６は、水供給管３０により燃料処理装置１２に接続されている。第１水供給器１６で除去された水は、該水供給管３０を通じて燃料処理装置１２に供給されるようになっている。
【００４８】
燃料電池１８は、燃料処理装置１２から供給される燃料ガスを用いて発電を行い、発電された電力の少なくとも一部を水素圧縮機１４に供給するものである。この燃料電池１８は、電解質層１８Ｂと、この電解質層１８Ｂの表裏面にそれぞれ積層されたアノード１８Ａ及びカソード１８Ｃとを有している。アノード１８Ａは燃料極であり、カソード１８Ｃは空気極である。
【００４９】
アノード１８Ａには、燃料ガス管３６を通じて、燃料処理装置１２から燃料ガスが供給される。アノード１８Ａでは、燃料ガス中の水素が水素イオンと電子とに分解される。アノード１８Ａで生成された水素イオンは、電解質層１８Ｂを通ってカソード１８Ｃに移動し、アノード１８Ａで生成された電子は、外部回路を通ってカソード１８Ｃに移動する。
【００５０】
一方、カソード１８Ｃには、ガス管５２を通じて酸化ガス（空気）が供給される。このカソード１８Ｃでは、電解質層１８Ｂを通ってきた水素イオンと、外部回路を通ってきた電子が、酸化ガス中の酸素と反応して、水が生成される。
【００５１】
そして、このようにして電子がアノード１８Ａからカソード１８Ｃに移動することにより、燃料電池１８において発電が行われる。カソード１８Ｃでは、反応によって生成された水、または水蒸気が排出される。
【００５２】
アノード１８Ａには、燃料電池１８で利用されなかった水素を含むオフガスを排出するための流路４２が接続されている。この流路４２と、水素圧縮機１４から排出されるオフガスの流路４０とは、一つの循環戻り流路３４に合流している。この循環戻り流路３４には、循環ブロワ２４が配置されている。循環ブロワ２４は、燃料ガスのうち、水素圧縮機１４及び燃料電池１８で利用されずに排出されるオフガスを、バーナガスとして燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂに送る送風機である。
【００５３】
第２水供給器２２は、燃料電池１８から排出される水を燃料処理装置１２へ供給するものであり、例えば、燃料電池１８から排出されるカソードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器である。燃料電池１８のカソード１８Ｃには、ガス管４４を介して第２水供給器２２が接続されている。第２水供給器２２は、この水供給管３２を介して燃料処理装置１２に接続されている。水供給管３２には、水を送る手段の一例たる水ポンプ４６が配置されている。第２水供給器２２において凝縮された水は、水ポンプ４６により燃料処理装置１２へ供給されるようになっている。水を送る手段は水ポンプ４６に限られるものではなく、例えば水にかかる重力（水頭）による供給であってもよい。第２水供給器２２で水分が除去されたカソードオフガスは、ガス管５４を通じて排出されるようになっている。
【００５４】
（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図１において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置１０では、燃料処理装置１２において、触媒１２Ａをバーナ１２Ｂで加熱することで、原料ガスが例えば水蒸気改質されて、水素を含む燃料ガスが生成される。この燃料ガスは、燃料ガス管３６を通じて水素圧縮機１４及び燃料電池１８に供給される。水蒸気改質された水素は水蒸気を多く含んでおり、露点が高い。従って、加湿器などを別途搭載する必要がなく、システムが簡素になる。
【００５５】
水素圧縮機１４では、ガス拡散電極であるアノード１４Ａ及びカソード１４Ｃに所定の電位を与えることにより、電気化学的に、燃料ガスから精製された圧縮水素を得ることができる。具体的には、この水素圧縮機１４は、水の電気分解のように、アノード１４Ａ及びカソード１４Ｃに電気を流すことで、アノード１４Ａで水素ガスから水素イオンを生成する酸化反応、カソード１４Ｃで逆の水素イオンの還元反応を起こさせ水素ガスを生成し、水素を精製及び圧縮する。アノード１４Ａ及びカソード１４Ｃに電気を流し続ける限り、アノード１４Ａからカソード１４Ｃに水素が移動し、カソード１４Ｃの圧縮制御器５０により出口背圧を制御することで圧縮水素を得ることができる。
【００５６】
圧縮水素に含まれる水は、第１水供給器１６により除去される。水分が除去された圧縮水素は、ガス管３８、圧力制御器５０を通じて燃料電池自動車、ガスタンク、ガスボンベ、ガスカートリッジ等（何れも図示せず）に供給可能である。一方、第１水供給器１６により除去された水は、圧縮水素の圧力により水供給管３０に送り出され、該水供給管３０を通じて燃料処理装置１２に供給され、原料ガスからの水素の製造に利用される。
【００５７】
燃料電池１８では、燃料ガスを用いて発電が行われる。燃料電池１８により得られた電力の少なくとも一部は、水素圧縮機１４に供給される。これにより、水素圧縮機１４のガス拡散電極（アノード１４Ａ及びカソード１４Ｃ）に電位を与えることができる。燃料電池１８から排出される水蒸気は、第２水供給器２２により凝縮される。凝縮により得られた水は、燃料処理装置１２に供給されて、原料ガスからの水素の製造に利用される。
【００５８】
燃料ガスのうち、水素圧縮機１４及び燃料電池１８で利用されずに排出されるオフガスは、循環ブロワ２４により燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂに送られ、該バーナ１２Ｂの燃料とされる。本実施形態では、水素圧縮機１４からのオフガスの流路と燃料電池１８からのオフガスの流路と循環ブロワ２４を別々に設ける場合と比較して、燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂへのオフガスの回収ラインを削減することができる。
【００５９】
上記のように、この圧縮水素供給装置では、水素製造に必要な原料ガスを供給することで、１つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮及び発電を自立的に行うことができる。また、燃料電池１８と水素圧縮機１４が、燃料ガスの流路に並列に配置されているので、水素圧縮機１４及び燃料電池１８には、夫々同質の燃料ガスが供給される。このため、水素圧縮機１４及び燃料電池１８の運転効率を高めることができる。
【００６０】
燃料処理装置と燃料電池を組み合わせた従来の発電装置（エネファーム（登録商標））では、低出力時に燃料処理装置の効率が大幅に低くなり、全体の発電効率が低下するという課題がある。この発電装置の日常運転は、夜間等電力需要が少ないとき発電を停止、或いは低出力運転をしている。装置の起動停止が多くなる場合、燃料処理装置の触媒や構造体金属、燃料電池の膜や触媒等の起動停止に対する耐性も必要になる。
【００６１】
本実施形態の場合には、夜間等の低い電力需要時に水素圧縮を行うことで、燃料処理装置１２の効率を高く保つことができ、燃料電池１８の余剰発電電力も水素圧縮機１４のために利用することができる。燃料電池１８の電力で水素圧縮を行うことを考えれば、燃料処理装置１２と燃料電池１８を停止する必要がなく、起動停止耐性を考慮する必要がなくなる。
【００６２】
燃料処理装置１２と水素圧縮機１４を組み合わせた水素圧縮においては、燃料処理装置１２で生成された燃料ガスは、水蒸気を多く含んでおり、水素圧縮機１４への水供給設備が不要となる。また、水素圧縮機１４のアノード１４Ａからのオフガスをバーナ１２Ｂの燃料にできるため、該アノード１４Ａにおいて濃度分極の影響が小さくなり、高効率で水素圧縮が可能となる。更に、本実施形態での水素圧縮の圧縮比は、例えば８２ＭＰａ／０．７５＝１０９３倍と大きいが、水素圧縮機１４での圧縮は等温圧縮であり、断熱圧縮の容積圧縮機（５段圧縮）に比べて、圧縮に必要な理論動力は約２０％低くなる（図２参照）。従って、効率の観点からも、燃料処理装置１２と水素圧縮機１４を組み合わせたシステムは有用である。
【００６３】
上記のように、燃料処理装置１２、水素圧縮機１４、燃料電池１８を組み合わせた圧縮水素供給装置１０においては、水素圧縮機１４への電力供給を本装置内だけで賄うことができる。また、燃料電池１８だけでなく、水素圧縮機１４の水やオフガス（未利用水素）を燃料処理装置１２で利用することができる。その結果、圧縮水素供給装置１０は、新たに水供給が不要な水自立、燃料処理装置１２への新たなバーナ燃料の供給が不要な熱自立を達成することができる。圧縮水素供給装置１０は、家庭や駐車場等において燃料電池自動車に水素を高圧充填するための小型の水素スタンドとして利用可能である。
【００６４】
水素圧縮機１４での水素の圧縮量は、電極面積及び電流に依存する。このため、電極面積及び電流を制御することで、水素の圧縮量を容易に制御することができる。なお、燃料ガス管３６に弁（図示せず）を設けておき、水素圧縮を行わないときに、この弁を閉じて水素圧縮機１４への燃料ガスの供給を停止することもできる。これにより、電力需要が大きい時間帯に、燃料電池１８による発電を中心に圧縮水素供給装置１０を運転することもできる。
【００６５】
［第２実施形態］
図３において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置２０では、燃料電池１８と水素圧縮機１４が、燃料ガスの流路に直列に配置されている。具体的には、燃料電池１８のアノード１８Ａには、燃料電池１８で利用されなかった水素を含むオフガスを排出するための流路４８が接続され、該流路４８が水素圧縮機１４のアノード１４Ａに接続されている。つまり、燃料ガスの流路において、水素圧縮機１４は燃料電池１８の下流側に配置されている。
【００６６】
（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図３において、本実施形態に係る圧縮水素供給装置２０では、水素圧縮機１４が、燃料電池１８で使用されなかった水素を含むオフガスから、水素を精製及び圧縮して、圧縮水素を得ることができる。
【００６７】
また、本実施形態では、燃料電池１８と水素圧縮機１４が、燃料ガスの流路に直列に配置されているので、該流路を少なくして装置をより小型化することができる。また、アノード１８Ａ，１４Ａの入口の遮断弁が何れも不要となる。必要な制御は、水素圧縮については電力量制御、発電については負荷制御だけであり、燃料ガスの流量制御は必要ない。
【００６８】
他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６９】
［他の実施形態］
以上、本発明の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
【００７０】
燃料電池１８は、例えば固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であるが、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等、他の方式の燃料電池であってもよい。燃料電池１８を固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）とした場合、水素圧縮機１４と同様の材料で製造できるため、コスト的に有利となる。
【００７１】
水素圧縮機１４や燃料電池１８が発する熱で水を加熱して、給湯を行うようにしてもよい。この場合、１つのシステム内で、水素製造、水素精製、水素圧縮、発電及び給湯を自立的に行うことができる。
【００７２】
また、第１実施形態において、水素圧縮機１４から排出されるオフガスの流路４０と、燃料電池１８から排出されるオフガスの流路４２が、互いに合流することなく、燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂに別々に送られるようにしてもよい。この場合、循環ブロワ２４が夫々の流路に配置される。
【００７３】
オフガス供給手段の一例として循環ブロワ２４を挙げたが、オフガス供給手段はこれに限られるものではなく、圧力差による供給等、オフガスをバーナ１２Ｂに送ることができるものであればよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０…圧縮水素供給装置、１２…燃料処理装置、１２Ａ…触媒、１２Ｂ…バーナ、１４…水素圧縮機、１４Ａ…アノード（ガス拡散電極）、１４Ｂ…イオン導電体、１４Ｃ…カソード（ガス拡散電極）、１６…第１水供給器、１８…燃料電池、２０…圧縮水素供給装置、２２…第２水供給器、２４…循環ブロワ（オフガス供給手段）、２８…ガス管、３４…循環戻り流路、３６…燃料ガス管（燃料ガスの流路）、４０…オフガスの流路、４２…オフガスの流路
【図１】
0006291402.tif 000002
【図２】
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【図３】
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