(57)【要約】  本開示の水素純化器（２１）は、電気化学デバイス（５）と、電源（６）と、カソード（４）から外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路（７）と、カソード（４）において生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路（７）の途中から分岐して精製水素ガスを流す分岐流路（１０）と、を備える。
2020059301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、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電流が流れることにより、前記カソードにおいて前記水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された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電流を流すように構成された電源と、
前記カソードから外部へ前記精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、
前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスの流量が外部へ供給する前記精製水素ガスの流量よりも多くなるように前記精製水素ガス流路の途中から分岐して前記精製水素ガスを流す分岐流路と、
を備えた、水素純化器。
【請求項２】
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をさらに備え、
前記分岐流路は、前記精製水素ガス流路の途中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還流流路である、
請求項１に記載の水素純化器。
【請求項３】
外部へ供給する前記精製水素ガスの流量を調整する調整部と、
前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスが、前記還流流路との合流部よりも上流の前記水素含有ガス流路を流れる前記水素含有ガスの流量よりも多くなるように、前記電源の前記電流と前記調整部とを制御するように構成されている制御器と、
をさらに備える、請求項２に記載の水素純化器。
【請求項４】
前記調整部は、外部へ供給する前記精製水素ガスの流量を調整する精製水素ガス流路調整弁と、前記還流流路を流れる前記精製水素ガスの流量を調整する還流流路調整弁とを含む、請求項３に記載の水素純化器。
【請求項５】
電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、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電流が流れることにより、前記カソードにおいて前記水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された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電流を流すように構成された電源と、
前記カソードから外部へ前記精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、
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、
前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスの流量が外部へ供給する前記精製水素ガスの流量よりも多くなるように前記精製水素ガス流路の途中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還流流路と、
外部へ供給する前記精製水素ガスの流量と前記還流流路を流れる前記精製水素ガスの流量とを調整する調整部と、
を備えた水素純化器の運転方法であって、
前記カソードにおいて生成される前記精製水素ガスが、前記還流流路との合流部よりも上流の前記水素含有ガス流路を流れる前記水素含有ガスの流量よりも多くなるように、前記電源の前記電流と前記調整部とを制御する水素純化器の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、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電気化学デバイスを備えた水素純化器とその運転方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素純化器は、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、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電気化学デバイスを備える。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の両側に、アノードおよびカソードをそれぞれ設けた電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持して構成される。【０００３】
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、アノードにおいて、（化１）の酸化反応が起こり、カソードにおいて、（化２）の還元反応が起こる。【０００４】
【化１】
2020059301.tif 000003
【０００５】
【化２】
2020059301.tif 000004
【０００６】
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、水素分子がカソードに移動する。したがって、水素含有ガスから水素が分離され、精製水素ガスがカソードから排出される。【０００７】
上記水素純化器に供給される水素含有ガスは、例えば、燃料処理器を有する水素生成装置を用いて、炭化水素系の燃料、例えば都市ガスおよび液化石油ガスなどを、水蒸気改質、部分酸化改質又はオートサーマル改質などをおこなうことにより、生成される。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、および水蒸気などの不純物が含まれる。【０００８】
このようにして得られた水素含有ガスを、セル、すなわち電気化学デバイスのアノードに供給し、アノードとカソードとの間に電流を流すことにより電気化学的に水素を分離、すなわち精製することにより、精製水素ガスを生成する技術がある。【０００９】
このとき、アノードの水素含有ガスに含まれる成分（例えば、二酸化炭素およびメタンなどの不純物）の分圧は、カソ―ドの精製水素ガスに含まれる同成分の分圧よりも高い。したがって、二酸化炭素およびメタンなどの不純物は、分圧差によって電解質膜を透過し、カソードに移動する。このため、カソードから排出される精製水素ガスの水素純度が低くなる。【００１０】
この精製水素ガスの水素純度の低下に対し、電気化学デバイスを直列に２つ接続することにより、分離された精製水素ガスの水素純度を高める技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。【００１１】
図５は、非特許文献１に開示された従来の水素純化器の構成を示すブロック図である。【００１２】
図５に示すように、従来の水素純化器１２１は、水素含有ガス流路１０１と、電解質膜１０２がアノード１０３とカソード１０４との間に配置され、水素含有ガス流路１０１の下流端がアノード１０３に接続された電気化学デバイス１０５と、電解質膜１１２がアノード１１３とカソード１１４との間に配置され、アノード１１３がカソード１０４と精製水素ガス流路１０７で接続された電気化学デバイス１１５と、を備える。従来の水素純化器１２１は、カソード１１４を水素利用機器１４１に接続する精製水素ガス流路１１７と、プラス極がアノード１０３に接続され、マイナス極がカソード１０４に接続された電源１０６と、プラス極がアノード１１３に接続され、マイナス極がカソード１１４に接続された電源１１６と、上流端がアノード１０３に接続されたアノードオフガス流路１０８と、上流端がアノード１１３に接続されたアノードオフガス流路１１８と、制御器１３１と、を備える。【００１３】
水素利用機器１４１は、水素純化器１２１から供給される精製水素ガスを貯留するタンクである。【００１４】
また、電気化学デバイス１０５と電気化学デバイス１１５とは、直列に接続されている。水素含有ガス流路１０１からアノード１０３に水素含有ガスが供給され、電源１０６，１１６が電気化学デバイス１０５，１１５にそれぞれ電流を流した場合に、電気化学デバイス１０５のカソード１０４から排出された精製水素ガスが、精製水素ガス流路１０７を介して電気化学デバイス１１５のアノード１１３に供給され、電気化学デバイス１１５のカソード１１４から排出された精製水素ガスが、精製水素ガス流路１１７を介して水素利用機器１４１に供給される。【００１５】
この構成により、従来の水素純化器１２１は、電気化学デバイス１０５のカソード１０４から排出された精製水素ガスの水素純度を、電気化学デバイス１１５によりさらに高くすることができる。これにより、水素利用機器１４１に供給する精製水素ガスの水素純度が高くなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｌｅｅ  ａｔ  ａｌ．，“Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ”，  Ｖｏｌ．１３２  ２０  Ｍａｙ  ２００４，  Ｐａｇｅｓ  ９２−９８
【発明の概要】
【００１７】
従来の構成では、電気化学デバイス１０５，１１５を直列に２つ接続することにより、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。しかし、電気化学デバイス１０５，１１５と、電気化学デバイス１０５，１１５に電流を流す電源１０６，１１６とを、それぞれ２つ備える必要がある。したがって、水素純化器１２１のサイズが大きくなるという課題があった。
【００１８】
本開示は、前記従来の課題を解決するものである。本開示は、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることが可能な水素純化器とその運転方法とを提供することを目的とする。
【００１９】
本開示の水素純化器は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、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電流が流れることにより、カソードにおいて水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された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ように構成された電源と、カソードから外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、カソードにおいて生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路の途中から分岐して精製水素ガスを流す分岐流路と、を備える。
【００２０】
これにより、カソードから生成される精製水素ガス（以下、カソード水素とも記載）の流量が多くなる分だけ、カソード水素に対する不純物量の比率が低減する。これは、カソード水素の全量を水素利用機器へ供給する場合に比べて、カソード水素の流量が多くなる一方で、電気化学デバイスの電解質膜を透過する不純物量がカソード水素の流量によって変化しないことに基づく。
【００２１】
この結果、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
【００２２】
本開示によれば、電気化学デバイスの電解質膜を透過する不純物量の精製水素ガスの流量に対する比率が低下するため、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることが可能な水素純化器を提供することができる。
【００２３】
また、電気化学デバイスを１台とし、水素純化器を簡素な構成とすることにより、装置のコストが削減され、経済性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本開示の実施の形態１における水素純化器の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、本開示の実施の形態１の水素純化器における電気化学デバイスに流す電流値と精製水素ガスの水素純度との関係を示す特性図である。
【図３】図３は、本開示の実施の形態２における水素純化器の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本開示の実施の形態３における水素純化器の構成を示すブロック図である。
【図５】図５は、従来の水素純化器の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本開示の水素純化器は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、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電流が流れることにより、カソードにおいて水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された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ように構成された電源と、カソードから外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、カソードにおいて生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路の途中から分岐して精製水素ガスを流す分岐流路と、を備える。
【００２６】
これにより、カソードから生成されるカソード水素の流量が多くなる分だけ、カソード水素に対する不純物量の比率が低減する。これは、カソード水素の全量を水素利用機器へ供給する場合に比べて、カソード水素の流量が多くなる一方で、電気化学デバイスの電解質膜を透過する不純物量がカソード水素の流量によって変化しないことに基づく。
【００２７】
この結果、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
【００２８】
本開示の水素純化器は、アノードへ水素含有ガスを供給する水素含有ガス流路をさらに備えてもよい。分岐流路は、精製水素ガス流路の途中から水素含有ガス流路へ精製水素ガスを供給する還流流路であってもよい。
【００２９】
これにより、電気化学デバイスにおいて生成されたカソード水素のうち、水素利用機器へ供給されない精製水素ガスがアノードで再利用される。また、アノードに精製水素ガスが供給されることにより、アノードの水素含有ガス中の不純物の分圧が下がり、分圧差によってアノードからカソードへ電解質膜を透過する不純物量が減少する。したがって、１台の電気化学デバイスを用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスを無駄にすることなく、精製水素ガスの水素純度を高くすることが可能な水素純化器を提供することができる。
【００３０】
本開示の水素純化器において、外部へ供給する精製水素ガスの流量を調整する調整部と、電気化学デバイスのカソードにおいて生成される精製水素ガスが、還流流路との合流部よりも上流の水素含有ガス流路を流れる水素含有ガスの流量よりも多くなるように、電源の電流と調整部とを制御するように構成されている制御器と、を備えてもよい。
【００３１】
これにより、カソード水素を多くする際にも、水素含有ガスの供給流量を少なく抑えることにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。
【００３２】
本開示の水素純化器において、調整部は、外部へ供給する精製水素ガスの流量を調整する精製水素ガス流路調整弁と、還流流路を流れる精製水素ガスの流量を調整する還流流路調整弁とを含んでもよい。
【００３３】
これにより、精製水素ガス流路調整弁と還流流路調整弁とにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。
【００３４】
本開示の水素純化器の運転方法は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成され、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電流が流れることにより、カソードにおいて水素含有ガスよりも水素純度の高い精製水素ガスが生成されるように構成された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ように構成された電源と、カソードから外部へ精製水素ガスを供給するように構成された精製水素ガス流路と、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、カソードにおいて生成される精製水素ガスの流量が外部へ供給する精製水素ガスの流量よりも多くなるように精製水素ガス流路の途中から水素含有ガス流路へ精製水素ガスを供給する還流流路と、外部へ供給する精製水素ガスの流量と還流流路を流れる精製水素ガスの流量とを調整する調整部と、を備えた水素純化器の運転方法であって、カソードにおいて生成される精製水素ガスが、還流流路との合流部よりも上流の水素含有ガス流路を流れる水素含有ガスの流量よりも多くなるように、電源の電流と調整部とを制御する運転方法である。
【００３５】
これにより、カソード水素の流量が多くなる分だけ、カソード水素に対する不純物量の比率が低減して、電気化学デバイスを１台だけ用いたコンパクトな構成により、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。また、カソード水素を多くする際にも、水素含有ガスの供給流量を少なく抑えることにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、すでによく知られた事項の詳細説明、および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。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００３６】
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、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００３７】
また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同じ構成要素については同じ符号を付し、説明を省略または簡略化する場合がある。
【００３８】
（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１における水素純化器の構成を示すブロック図である。
【００３９】
図１に示すように、本実施の形態の水素純化器２１は、水素含有ガス流路１と、電解質膜２とアノード３とカソード４とにより構成された電気化学デバイス５と、電源６と、精製水素ガス流路７と、アノードオフガス流路８と、精製水素ガス流路調整弁９と、カソードオフガス流路１０と、カソードオフガス流路調整弁１１と、制御器３１と、を備える。
【００４０】
水素含有ガス流路１は、水素含有ガスをアノード３に供給する流路である。水素含有ガスは、水素生成装置によって都市ガスが水蒸気改質されて生成される。なお、水素含有ガス流路１からアノード３に供給される水素含有ガスの水素純度は、８０％である。
【００４１】
電解質膜２は、水素イオンを選択的に輸送する高分子膜である。
【００４２】
アノード３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流路１から供給される水素含有ガスを供給する流路とにより構成されている。
【００４３】
カソード４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、すなわちカソード水素を排出する流路とにより構成される。
【００４４】
電気化学デバイス５は、電解質膜２と、電解質膜２の一方の主面に配置されたアノード３と、電解質膜２の他方の主面に配置されたカソード４と、を備える。すなわち、電気化学デバイス５は、電解質膜の両主面がアノードとカソードとにより挟まれて構成されている。
【００４５】
電源６は、電源６のプラス極がアノード３に接続され、電源６のマイナス極がカソード４に接続されている。電源６は、電気化学デバイス５のアノード３とカソード４との間に直流電流を流す。
【００４６】
精製水素ガス流路７は、カソード４から排出されるカソード水素を水素利用機器４１、すなわち水素純化器２１の外部に供給する流路である。
【００４７】
アノードオフガス流路８は、アノード３から排出される水素含有ガスを排出する流路である。
【００４８】
精製水素ガス流路調整弁９は、精製水素ガス流路７に設けられる流量調整弁である。
【００４９】
カソードオフガス流路１０は、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、アノードオフガス流路８に合流する流路である。
【００５０】
カソードオフガス流路調整弁１１は、カソードオフガス流路１０に設けられる流量調整弁である。
【００５１】
制御器３１は、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、およびカソードオフガス流路調整弁１１を制御可能に構成されている。すなわち、制御器３１は、水素純化器２１の運転を制御する。なお、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）とを備える構成であってもよい。
【００５２】
水素利用機器４１は、水素純化器２１から供給される精製水素ガスを貯留するタンクである。
【００５３】
以上のように構成された本実施の形態の水素純化器２１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、水素純化器２１の電源６、精製水素ガス流路調整弁９、およびカソードオフガス流路調整弁１１を制御することによって行われる。
【００５４】
水素含有ガスは、水素含有ガス流路１から電気化学デバイス５のアノード３に供給される。
【００５５】
制御器３１は、電気化学デバイス５において生成されるカソード水素の流量が、水素利用機器４１が必要とする量に足るよう、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、およびカソードオフガス流路調整弁１１を制御する。
【００５６】
具体的には、制御器３１は、精製水素ガス流路調整弁９を制御することにより、水素利用機器４１に供給する精製水素ガスの流量が水素利用機器４１において必要とされる流量となるように調整する。
【００５７】
また、制御器３１は、カソード４において生成されるカソード水素の流量が水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くなるように、電源６の電流値を制御する。このとき、電源６の動作により、カソード４から電源６を経由してアノード３に電流が流れる。また、電源６の動作により、アノード３から電解質膜２を経由してカソード４に電流が流れる。
【００５８】
また、制御器３１は、カソードオフガス流路調整弁１１を制御し、水素利用機器４１に供給されなかった精製水素ガスをアノードオフガス流路８に排出する。
【００５９】
アノードオフガス流路８から排出されるオフガスは、水素含有ガスを生成するための熱源として用いられる。したがって、オフガスが無駄なく使用される。
【００６０】
図２は、実施の形態１の水素純化器２１における電気化学デバイス５に流す電流値と精製水素ガスの水素純度との関係を示す特性図である。
【００６１】
図２に示すように、電気化学デバイス５に流す電流値が大きくなるほど、精製水素ガスの水素純度は高くなる。例えば、電気化学デバイス５に流す電流値が１０Ａの場合には、精製水素ガスの水素純度は８９％であり、電流値が６０Ａの場合には、精製水素ガスの水素純度は９９％となる。
【００６２】
アノード３に供給される水素含有ガスの成分とカソード４の精製水素ガスの成分とが、それぞれの成分の分圧の差によって電解質膜２を透過する。したがって、アノード３の水素含有ガスに含まれる成分（例えば、二酸化炭素およびメタンなどの不純物）の分圧は、カソード４の精製水素ガスに含まれる同成分の分圧よりも高い。このため、二酸化炭素およびメタンなどの不純物は、分圧差によってアノード３からカソード４に移動する。
【００６３】
電気化学デバイス５に流す電流値が大きい場合には、電流によって移動する水素分子の量が多く、精製水素ガスの流量が大きくなる。したがって、相対的にアノード３からカソード４へ電解質膜２を透過して移動する不純物の割合は小さくなる。このため、電気化学デバイス５に流れる電流値が大きくなるほど、精製水素ガスの水素純度が高くなる。
【００６４】
本実施の形態では、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を９Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９９％であった。
【００６５】
一方、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９８％であった。
【００６６】
したがって、本実施の形態では、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎから９Ｌ／ｍｉｎに増加させることにより、精製水素ガスに含まれる不純物を２％から１％に半減することができる。
【００６７】
以上のように、本実施の形態においては、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、アノードオフガス流路８に合流するカソードオフガス流路１０を設けている。カソード４において生成されるカソード水素の流量を水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くすることにより、１つの電気化学デバイス５を用いたコンパクトな構成において、生成された精製水素ガスを無駄にすることなく、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
【００６８】
（実施の形態２）
図３は、本開示の実施の形態２における水素純化器の構成を示すブロック図である。
【００６９】
図３に示す実施の形態２における水素純化器２２において、図１に示す実施の形態１における水素純化器２１と同じ構成要素には同じ符号を付与し、重複する説明を省略する。
【００７０】
図３に示す実施の形態２における水素純化器２２において、図１に示す実施の形態１における水素純化器２１と異なる点は、実施の形態２では、実施の形態１における水素純化器２１のカソードオフガス流路１０およびカソードオフガス流路調整弁１１の代わりに、還流流路１２および還流流路調整弁１３を設けた点、および実施の形態１における制御器３１に代わり、制御器３２を備えた点である。
【００７１】
還流流路１２は、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、水素含有ガス流路１に合流する流路である。
【００７２】
還流流路調整弁１３は、還流流路１２に設けられる流量調整弁である。
【００７３】
制御器３２は、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御可能に構成されている。すなわち、制御器３２は、水素純化器２２の運転を制御する。なお、制御器３２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）とを備える構成であってもよい。
【００７４】
以上のように構成された本実施の形態の水素純化器２２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３２が、水素純化器２２の電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御することによって行われる。
【００７５】
水素含有ガスは、水素含有ガス流路１から電気化学デバイス５のアノード３に供給される。
【００７６】
制御器３２は、電気化学デバイス５で生成される精製水素ガスの流量が、水素利用機器４１が必要とする量に足るよう、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御する。
【００７７】
具体的には、制御器３２は、精製水素ガス流路調整弁９を制御することにより、水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量が水素利用機器４１において必要とされる流量となるように調整する。
【００７８】
また、制御器３２は、カソード４において生成されるカソード水素の流量が水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くなるように、電源６の電流値を制御する。このとき、電源６の動作により、カソード４から電源６を経由してアノード３に電流が流れる。また、電源６の動作により、アノード３から電解質膜２を経由してカソード４に電流が流れる。
【００７９】
また、制御器３２は、還流流路調整弁１３を制御し、水素利用機器４１に供給されなかった精製水素ガスを水素含有ガス流路１に還流させる。
【００８０】
本実施の形態では、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を９Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９９．５％であった。
【００８１】
一方、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの流量を８Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎとした場合に、水素利用機器４１に供給される精製水素ガスの水素純度は、９８％であった。
【００８２】
したがって、本実施の形態では、カソード４において生成されるカソード水素の流量を８Ｌ／ｍｉｎから９Ｌ／ｍｉｎに増加させ、還流流路１２により１Ｌ／ｍｉｎの精製水素ガスを水素含有ガス流路１に還流させることにより、精製水素ガスに含まれる不純物を２％から０．５％、すなわち４分の１の不純物量に抑制することができる。
【００８３】
以上のように、本実施の形態においては、精製水素ガス流路調整弁９よりも上流において精製水素ガス流路７から分岐し、水素含有ガス流路１に合流する還流流路１２を設けている。カソード４において生成されるカソード水素の流量を水素利用機器４１に供給する精製水素ガス流量よりも多くすることにより、１つの電気化学デバイス５を用いたコンパクトな構成にて、生成された精製水素ガスを無駄にすることなく、精製水素ガスの水素純度を高くすることができる。
【００８４】
（実施の形態３）
図４は、本開示の実施の形態３における水素純化器の構成を示すブロック図である。
【００８５】
図４に示す実施の形態３における水素純化器２３において、図３に示す実施の形態２における水素純化器２２と同じ構成要素には同じ符号を付与し、重複する説明を省略する。
【００８６】
図４に示す実施の形態３における水素純化器２３において、図３に示す実施の形態２における水素純化器２２と異なる点は、実施の形態３では、実施の形態２における水素利用機器４１の代わりに燃料電池４２を備え、燃料電池４２が水素純化器２３から供給される精製水素ガスにより発電する点、および実施の形態２における制御器３２に代わり、制御器３３を備える点である。
【００８７】
制御器３３は、電気化学デバイス５において生成される精製水素ガスの流量が水素含有ガスの流量よりも多くなるように、電源６、精製水素ガス流路調整弁９、および還流流路調整弁１３を制御する。
【００８８】
本実施の形態では、燃料電池４２に供給する精製水素ガスの流量を３Ｌ／ｍｉｎとし、アノード３には、水素純度８０％の水素含有ガスを供給する。また、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量は、５Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとする。
【００８９】
これにより、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの流量を３Ｌ／ｍｉｎとし、アノード３からカソード４へ移動する水素の量を多くし、相対的にアノード３からカソード４へ移動する不純物の割合を小さくすることができる。
【００９０】
本実施の形態では、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの水素純度は９９．５％であった。また、アノードオフガス流路８から排出された水素ガス流量を１Ｌ／ｍｉｎ、すなわち５分の１に抑制できた。
【００９１】
一方、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの流量を３Ｌ／ｍｉｎとし、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量を１０Ｌ／ｍｉｎとし、カソード４において生成されるカソード水素の流量を１０Ｌ／ｍｉｎとする。このとき、燃料電池４２に供給される精製水素ガスの水素純度は９９．５％であった。また、アノードオフガス流路８に排出された水素ガス流量は５Ｌ／ｍｉｎであった。
【００９２】
したがって、本実施の形態では、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量を、カソード４から生成するカソード水素の流量よりも少なくすることにより、アノードオフガス流路８から排出される水素流量を抑制することができた。
【００９３】
以上のように、本実施の形態においては、カソード４において生成されるカソード水素の流量を、還流流路１２との合流部よりも上流の水素含有ガス流路１を流れる水素含有ガスの流量よりも多くすることにより、電気化学デバイス５において生成される精製水素ガスの流量を多くする際にも、水素含有ガスの供給流量を少なく抑えることができる。これにより、精製水素ガスの生成に用いられず排出される水素含有ガスの流量を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本開示の水素純化器およびその運転方法は、精製水素ガスの水素純度を高くすることができるため、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから、水素純度の高い精製水素ガスを生成する用途に適用できる。
【符号の説明】
【００９５】
１，１０１  水素含有ガス流路
２，１０２，１１２  電解質膜
３，１０３，１１３  アノード
４，１０４，１１４  カソード
５，１０５，１１５  電気化学デバイス
６，１０６，１１６  電源
７，１０７，１１７  精製水素ガス流路
８，１０８，１１８  アノードオフガス流路
９  精製水素ガス流路調整弁
１０  カソードオフガス流路
１１  カソードオフガス流路調整弁
１２  還流流路
１３  還流流路調整弁
２１，２２，２３，１２１  水素純化器
３１，３２，３３，１３１  制御器
４１，１４１  水素利用機器
４２  燃料電池
【図１】
2020059301.tif 000005
【図２】
2020059301.tif 000006
【図３】
2020059301.tif 000007
【図４】
2020059301.tif 000008
【図５】
2020059301.tif 000009
【国際調査報告】
2020059301.tif 000010
2020059301.tif 000011
2020059301.tif 000012