JP2018165386A - 圧縮水素製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＨＣにて生成される圧縮水素に混在する水に溶存する水素を、無駄にすることなく利用または回収することができる圧縮水素製造システムを提供する。【解決手段】圧縮水素製造システム１０Ａは、燃料処理装置１２、水素圧縮機１４、水分離部１６、及び貯水タンク１８を備えている。水素圧縮機１４のカソード１４Ｃから送出された圧縮水素に含まれている水は、水分離部１６で凝縮され、減圧バルブで減圧されて、貯水タンク１８へ送られる。貯水タンク１２では、水に溶存していた水素が気体貯留部１８Ｂに放出される。当該水素は、水素配管Ｐ４を通って燃料処理装置１２の触媒部１２Ａへ供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮水素製造システムに関する。

圧縮水素を製造する装置として、電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ：Electric Hydrogen Compressor）が知られている。ＥＨＣは、電解質膜と触媒付き電極を有し、電流を流すことによりアノードへ供給された水素がイオン化されてカソードへ移動し、カソードで水素を出力させることができる。アノードに水素と電流を流し続ければ、アノードからカソードへの水素の移動が続き、カソードの出口背圧を制御することで、高圧の水素を得ることができる（特許文献１参照）。

ＥＨＣで圧縮水素を製造する場合、電解質膜でのイオン伝導に起因する抵抗を下げるため加湿されたガスをアノードに流すため、アノードからカソードへ水が移動し、圧縮水素に水が混在する場合がある。そこで、特許文献１では、カソードから出力されたカソードガスから水を分離し、圧縮水素を得ることが行われている。

特開２０１６−９４３０８号公報

ところで、前述のように、圧縮水素に混在した水を分離させた場合、高圧下で分離した高圧水の中には水素が溶存している。したがって、この高圧水を外部に排出すると、水素が無駄になる。また、特許文献１では、当該高圧水を、水素を含む燃料ガスを生成する装置（ＦＰＳ：Fuel Processing System）へ、改質用の水として供給している。この場合、溶存水素は、ＦＰＳ内に放出され、改質された水素と共に出力されるが、炭化水素などの燃料ガスに水素が混入するため、水蒸気改質反応の平衡がずれ、水素への転化率低下が懸念される。また、高圧水がＦＰＳへ投入されると、急激に溶存水素が放出されることにより、燃料ガス供給ブロアの流量変動や供給圧力変動、ＦＰＳの内部温度変化などが生じることが懸念される。

本発明は、上記事実を考慮してなされたものであり、ＥＨＣにて生成される圧縮水素から分離された水に溶存する水素を、システムへの影響を小さくしつつ、無駄にすることなく利用することができる圧縮水素製造システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る圧縮水素製造システムは、電解質膜を挟んで一方側にアノード、他方側にカソードが形成され、電流を流すことにより前記アノードから前記カソードへ水素が移動する電気化学的水素圧縮機と、前記カソードから送出された圧縮水素から水を分離する水分離部と、前記水分離部で分離された水を減圧し、前記水中に溶存する水素を回収する水素回収部と、を備えている。

請求項１に係る圧縮水素製造システムは、電気化学的水素圧縮機を有している。電気化学的水素圧縮機は、電解質膜を挟んで一方側にアノード、他方側にカソードが形成され、電流を流す。アノードへは原料となる水素を含む燃料が供給され、アノードへ供給された水素がイオン化されてカソードへ移動し、カソードから圧縮水素を出力させることができる。このとき、水素と共に水もカソードへ移動することから、この水を水分離部で分離する。そして、水素回収部で、分離された水を減圧し、水中に溶存している水素を放出させて、水と水素を分離して回収する。

このようにして、ＥＨＣにて生成される圧縮水素に混在する水に溶存する水素を回収することにより、圧縮水素製造システム内で生成される水素を無駄にすることなく利用することができる。

請求項２に係る圧縮水素製造システムは、前記水素回収部で回収された水素を、前記水分離部で水が分離された後の圧縮水素と合流させる圧縮水素供給部、を備えている。

請求項２に係る圧縮水素製造システムでは、前記水素回収部で回収された水素を、水分離部で水が分離された後の圧縮水素と合流させることにより、圧縮水素に混在する水に溶存する水素を、ＥＨＣで得られる通常の圧縮水素と共に利用することができる。

請求項３に係る圧縮水素製造システムは、前記水素回収部で回収された水素を、アノードへ導入するアノード導入部、を備えている。

請求項３に係る圧縮水素製造システムでは、水素回収部で回収された水素を、アノードへ導入することにより、圧縮水素に混在する水に溶存する水素を、ＥＨＣへ戻し、再利用することができる。

請求項４に係る圧縮水素製造システムは、原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、前記燃料処理装置で生成された燃料ガスを前記アノードへ供給する燃料ガス供給路と、を備えている。

請求項４に係る圧縮水素製造システムでは、燃料処理装置で生成された燃料ガスをＥＨＣで精製して水素を得ることができる。また、同時に、圧縮水素も生成することができる。

請求項５に係る圧縮水素製造システムは、前記原料ガスに対して、水素を用いて脱硫処理を行う水添脱硫部、及び、前記水素回収部で回収された水素を前記水添脱硫部へ供給する、脱硫用水素供給部、を備えている。

請求項５に係る圧縮水素製造システムによれば、圧縮水素に混在する水に溶存する水素を、原料ガスの脱硫用に利用することができる。

請求項６に係る圧縮水素製造システムは、前記水素回収部で回収された水素を、原料ガスと共に前記燃料処理装置へ供給する原料水素供給部、を備えている。

請求項６に係る圧縮水素製造システムによれば、圧縮水素に混在する水に溶存する水素を、原料ガスと共に燃料処理装置へ供給することにより、システム内で再利用することができる。

請求項７に係る圧縮水素製造システムは、前記分離水素送出路に送出された水素を、前記燃料処理装置内のバーナでの燃焼用に供給する燃焼用水素供給部、を備えている。

請求項７に係る圧縮水素製造システムによれば、圧縮水素に混在する水に溶存する水素を、燃料処理装置内のバーナでの燃焼に供給することにより、システム内で再利用することができる。

請求項８に係る圧縮水素製造システムは、前記燃料処理装置における、前記燃料ガスの出口温度、改質温度、バーナの温度の少なくとも１つに基づいて、前記電気化学的水素圧縮機へ流す電流を制御する電流調整部、を備えている。

請求項８に係る圧縮水素製造システムによれば、電気化学的水素圧縮機のアノードに送出される水素量の変化を、燃料処理装置における、燃料ガスの出口温度、改質温度、バーナの温度の少なくとも１つから推測し、水素量に応じた適切な電流を、電気化学的水素圧縮機へ流すことができる。

請求項９に係る圧縮水素製造システムは、前記燃料処理装置における、前記燃料ガスの出口温度、改質温度、バーナの温度の少なくとも１つに基づいて、前記燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御する原料調整部、を備えている。

請求項９に係る圧縮水素製造システムによれば、電気化学的水素圧縮機のアノードに送出される水素量の変化を、燃料処理装置における、燃料ガスの出口温度、改質温度、バーナの温度の少なくとも１つから推測し、当該推測された水素量の変化に基づいて燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御することにより、適切な量の水素を電気化学的水素圧縮機へ供給することができる。

請求項１０に係る圧縮水素製造システムは、前記水素回収部で回収された水素が送出される流量を検出する流量検出計が設けられ、前記流量検出計で検出された水素の流量に基づいて、前記電気化学的水素圧縮機へ供給する電流を制御する電流調整部、を備えている。

請求項１０に係る圧縮水素製造システムによれば、回収された水素が送出された流量を検出し、当該検出された流量に基づいて電気化学的水素圧縮機へ流す電流を制御することにより、水素量の変化に応じて、適切な電流を電気化学的水素圧縮機へ流すことができる。

請求項１１に係る圧縮水素製造システムは、前記水素回収部で回収された水素が送出される流量を検出する流量検出計が設けられ、前記流量検出計で検出された水素の流量に基づいて、前記燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御する原料調整部、を備えている。

請求項１１に係る圧縮水素製造システムによれば、回収された水素が送出された流量を検出し、当該検出された流量に基づいて燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御することにより、水素量の変化に応じて、適切な量の水素を電気化学的水素圧縮機へ供給することができる。

請求項１２に係る圧縮水素製造システムは、前記電気化学的水素圧縮機へ印加される電圧を検出する電圧計を備え、前記電圧計で検出された電圧に基づいて、前記電気化学的水素圧縮機へ供給する電流を制御する電圧検出電流調整部、を備えている。

請求項１２に係る圧縮水素製造システムでは、電気化学的水素圧縮機に印加される電圧を検出し、当該検出された電圧に基づいて電気化学的水素圧縮機へ流す電流を制御する。当該電圧は、アノードに供給される水素の量に応じて変化し、例えば、アノードの水素濃度が高くなると、電圧は低下する。そこで、水素量の変化に応じて変化する電圧を検出し、当該電圧に基づいて、適切な電流を電気化学的水素圧縮機へ流すことができる。

請求項１３に係る圧縮水素製造システムは、前記電気化学的水素圧縮機へ印加される電圧を検出する電圧計を有し、前記電圧計で検出された電圧に基づいて、前記燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御する電圧検出原料調整部、を備えている。

請求項１３に係る圧縮水素製造システムでは、電気化学的水素圧縮機に印加される電圧を検出し、当該検出された電圧に基づいて燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御する。当該電圧は、アノードに供給される水素の量に応じて変化し、例えば、アノードの水素濃度が高くなると、電圧は低下する。そこで、水素量の変化に応じて変化する電圧を検出し、当該電圧に基づいて、適切な量の原料ガスを燃料処理装置へ供給することで、適切な量の水素を電気化学的水素圧縮機へ供給することができる。

本発明によれば、ＥＨＣにて生成される圧縮水素に混在する水に溶存する水素を、有効に利用する圧縮水素製造システムを提供することができる。

第１実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 第１実施形態の圧縮水素製造システムの制御系の主要部のブロック図である。 第１実施形態の電流調整処理のフローチャートである。 第１実施形態の変形例に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 第１実施形態の他の電流調整処理のフローチャートである。 第１実施形態の他の電流調整処理のフローチャートである。 第１実施形態の他の電流調整処理のフローチャートである。 第１実施形態の他の電流調整処理のフローチャートである。 第２実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 第３実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。 第４実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。

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。

［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係る圧縮水素製造システム１０Ａが示されている。圧縮水素製造システム１０Ａは、燃料処理装置１２、水素圧縮機１４、水分離部１６、及び貯水タンク１８を備えている。

また、図２に示されるように、圧縮水素製造システム１０Ａは、制御部３２を備えている。制御部３２は、圧縮水素製造システム１０Ａの全体を制御するものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ等を含んで構成されている。メモリには、後述する電流調整処理や、通常運転時の処理に必要なデータや手順等が記憶されている。なお、図２には、制御部３２と本実施形態で特に説明を要する主要な部分との接続のみが示されている。

燃料処理装置１２は、原料ガスを水素へ改質する触媒を有する触媒部１２Ａと、触媒部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。本実施形態では、一例として水蒸気改質の燃料処理装置１２が使用される。

触媒部１２Ａには、原料ガス管Ｐ１の一端が接続されており、原料ガス管Ｐ１の他端は不図示の原料ガス源と接続されている。原料ガスとしては、一例としてメタンやメタンを主成分とする都市ガス等を用いることができる。原料ガス管Ｐ１には、ブロアＢ１及び逆止弁Ｖ１が設けられている。逆止弁Ｖ１は、ブロアＢ１よりも下流側に設けられている。原料ガスは、ブロアＢ１の駆動により、原料ガス管Ｐ１を通じて触媒部１２Ａへ供給される。ブロアＢ１は、制御部３２と接続されており、制御部３２によりブロアＢ１の出力が制御されている。

また、触媒部１２Ａには、水供給管Ｐ２の一端が接続されており、水供給管Ｐ２の他端は、不図示の水源と接続されている。水供給管Ｐ２には、ポンプＢ２が設けられている。改質用の水は、ポンプＢ２の駆動により、水供給管Ｐ２を通じて触媒部１２Ａへ供給される。

燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂには、空気供給管（図示せず）と、後述するアノードオフガス路２２とが接続されている。バーナ１２Ｂでは、空気供給管を通じて供給された空気と、アノードオフガス路２２を通じて供給された、後述するアノードオフガスとの混合ガスが燃焼し、触媒部１２Ａを加熱する。バーナ１２Ｂからは、排ガス管１２Ｃを通って燃焼排ガスが排出される。

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Ｐ３を通じて、水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ供給される。燃料処理装置１２には、燃料ガスの燃料ガス管Ｐ３への出口に、温度センサＴ１が設けられている。温度センサＴ１は、制御部３２と接続されており、検出した温度を制御部３２へ出力する。

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、イオン伝導体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電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ：Electric Hydrogen Compressor）である。イオン伝導体１４Ｂは、イオン伝導性を有する固体電解質膜（ＰＥＭ：Polymer Electrolyte Membrane）などで形成されている。アノード１４Ａとカソード１４Ｃに、所定の電流が流れると、供給ガス中の水素が一方のガス拡散電極（アノード１４Ａ）上でイオン化される、そして、当該イオンがイオン伝導体１４Ｂを移動し、他方のガス拡散電極（カソード１４Ｃ）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ことができるようになっている。カソード１４Ｃからは、水素が送出され、アノード１４Ａからは、カソード１４Ｃ側へ移動しなかった燃料ガスが送出される。

水素圧縮機１４は、電流を流すことにより、前述のように水素がアノード１４Ａからカソード１４Ｃへ移動するが、その移動量は流される電流に依存する。一方、水素流量に対して過剰な電流を流しても、無駄になる。そこで、アノード１４Ａへ供給される水素流量に対して、高効率、例えば、９０％以上の水素がアノード１４Ａからカソード１４Ｃへ移動するために供給する電流値を、予め制御部３２のメモリに記憶しておく。以下、この電流値を「最適電流」と称する。最適電流をＩとすると、最適電流Ｉは、燃料処理装置１２の触媒部１２Ａへ導入される原料ガス量及び需要水素量から算出される電流をＩ_０、反応価数をＺ、後述する流量検出計３０で検出される水素流量をＮａ［ｍｏｌ／ｓ]、ファラデー定数Ｆ［Ｃ／ｍｏｌ］、任意の変数ａとして、式（１）のようにして算出することができる。
Ｉ ＝ Ｉ_０ ＋ ＺＮａＦ × ａ … （式１）

水素圧縮機１４に流される電流は、外部から供給することができる。水素圧縮機１４は、制御部３２と接続されており、制御部３２からの信号により流される電流が制御されている。また、水素圧縮機１４には、水素圧縮機１４に印加されている電圧を検出する電圧計３３が設けられている。電圧計３３で検出された電圧は、制御部３２へ送られる。

カソード１４Ｃの出口には、カソード排出路２６の一端が接続されている。カソード排出路２６の他端は水分離部１６の入口と接続されている。水分離部１６は、カソード１４Ｃから排出された高圧のカソードガスから水を回収し、高圧の水素を圧縮水素出力路２４へ送出する。圧縮水素出力路２４へ送出された高圧水素は、不図示の水素タンクへ貯留されたり、燃料電池などの原料として供給されたりして利用される。

また、水分離部１６の水の出口には、カソード排出水循環路２８の一端が接続され、カソード排出水循環路２８の他端は、貯水タンク１８と接続されている。水分離部１６で回収された水は、カソード排出水循環路２８を介して貯水タンク１８へ送出される。カソード排出水循環路２８には、減圧バルブＶ３が設けられている。減圧バルブＶ３は、制御部３２と接続されている。減圧バルブＶ３は、制御部３２からの制御により、開度が調整される。

アノード１４Ａの出口には、アノードオフガス路２２の一端が接続されている。アノードオフガス路２２の他端には、燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂと接続されている。アノード１４Ａから送出されたアノードオフガスは、アノードオフガス路２２を通ってバーナ１２Ｂへ供給される。

貯水タンク１８は、液相の水を貯留可能な液体貯留部１８Ａと、液体貯留部１８Ａと連通した気体貯留部１８Ｂを有している。貯水タンク１８の下側に液体貯留部１８Ａが配置され、貯水タンク１８の上側に液体貯留部１８Ａと連通された気体貯留部１８Ｂが配置される。気体貯留部１８Ｂには、カソード排出水循環路２８から流入した水（液相）に溶存していた水素が放出されて貯留される。気体貯留部１８Ｂには、水素配管Ｐ４の一端が接続されている。水素配管Ｐ４には、逆止弁Ｖ２が設けられている。逆止弁Ｖ２により、原料ガスの逆流が防止されている。また、水素配管Ｐ４には、逆止弁Ｖ２の下流側に流量検出計３０が設けられている。流量検出計３０により、気体貯留部１８Ｂから送出されて燃料処理装置１２へ導入される水素の流量が検出される。流量検出計３０は、制御部３２と接続されている。流量検出計３０で検出された水素流量は、制御部３２へ出力される。

なお、貯水タンク１８の圧力、すなわち水素配管Ｐ４の圧力は、減圧弁Ｖ３の開度により調整することができる。したがって、水中に溶存していて放出された水素の逆流や、原料ガスの逆流を防止するために、逆止弁Ｖ１、Ｖ２に代えて減圧弁Ｖ３の開度の調整を行ってもよい。

水素配管Ｐ４の他端は、原料ガス管Ｐ１の逆止弁Ｖ１よりも下流側と接続されている。逆止弁Ｖ１により、水素配管Ｐ４の水素のブロアＢ１側への流入が阻止されている。気体貯留部１８Ｂからは、水素が燃料処理装置１２の触媒部１２Ａへ供給される。

次に、本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ａの動作について説明する。

圧縮水素製造システム１０Ａでは、ブロアＢ１、ポンプＢ２が駆動され、水素圧縮機１４へ電流が流される。原料ガス管Ｐ１からは燃料処理装置１２の触媒部１２Ａへ原料ガスが供給され、水供給管Ｐ２からは燃料処理装置１２の触媒部１２Ａへ水が供給される。触媒部１２Ａでは、原料ガスの水蒸気改質が行われ、水蒸気を含む燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ３を通って水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ送出される。

制御部３２では、図３に示す電流調整処理が行われ、アノード１４Ａへ流される電流が調整される。まず、ステップＳ１０で、流量検出計３０から検出された水素流量を取得し、ステップＳ１２で、取得した水素流量に基づいて、水素圧縮機１４へ供給する最適電流のデータをメモリから読み出す。そして、ステップＳ１４で、水素圧縮機１４へ供給する電流が最適電流となるように指示を出力する。そして、ステップＳ１０へ戻り、上記の処理を繰り返す。電流調整処理は、圧縮水素製造システム１０Ａの動作中、継続され、最適電流が水素圧縮機１４へ供給されるように、気体貯留部１８Ｂから送出される水素量に基づくフィードバック制御が行われる。

アノード１４Ａでは、最適電流が与えられることにより水素がイオン化され、イオン化された水素がイオン伝導体１４Ｂをカソード１４Ｃ側へ移動し、カソード１４Ｃで水素に戻る。カソード１４Ｃの背圧は不図示の背圧制御部により制御されており、カソード１４Ｃからは、水蒸気を含んだ圧縮水素（カソードガス）が、カソード排出路２６を介して水分離部１６へ送出される。

水分離部１６では、カソードガスから高圧状態で水が分離され、圧縮水素が圧縮水素出力路２４から送出される。一方、分離された水は、カソード排出水循環路２８から送出される。送出された水は、減圧バルブＶ３で減圧され、貯水タンク１８へ供給される。貯水タンク１８では、液相の水が液体貯留部１８Ａに貯留され、水に溶解していた水素が気体貯留部１８Ｂへ放出される。気体貯留部１８Ｂへ放出された水素は燃料処理装置１２の触媒部１２Ａへ供給される。

アノード１４Ａからは、アノードオフガスが送出される。アノードオフガスには、カソード１４Ｃへ移動しなかった水蒸気、水素、一酸化炭素、二酸化炭素等が含まれている。アノードオフガスは、アノードオフガス路２２を通って、燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂへ供給される。バーナ１２Ｂへ供給されたアノードオフガスは、燃焼に供され、触媒部１２Ａを加熱する。バーナ１２Ｂでの燃焼排ガスは、排ガス管１２Ｃから排出される。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ａでは、水分離部１６で分離された水を減圧し、水中に溶存する水素を回収し、原料ガスと共に燃料処理装置１２の触媒部１２Ａへ再度供給する。したがって、圧縮水素製造システム１０Ａ内で生成される水素を無駄にすることなく有効に利用することができる。また、貯水タンク１８から燃料処理装置１２へ水素を供給するので、水素が常温であっても、通常、原料ガスも常温で供給されるため、水素の供給によるガスの温度低下などの影響を考慮しなくてもよい。

また、原料ガス管Ｐ１を通って供給される原料ガスは、常温なので、水素配管Ｐ４から原料ガス管Ｐ１へ導入される水素の逆流を防止する逆止弁Ｖ１として、常温用を用いることができ、コストを抑えることができる。

なお、原料ガスとして都市ガス等の硫黄成分を含むものを用いる場合には、貯水タンク１８から、送出された水素を用いて、改質前に水添脱硫を行うことができる。その場合には、例えば、図４に示されるように、原料ガス管Ｐ１に、脱硫用の触媒を内部に有する水添脱硫部１３を設ける。そして、水素配管Ｐ４を水添脱硫部１３と接続し、水素を供給する。

また、本実施形態では、水分離部１６で分離された水を貯水タンク１８へ貯留し、蒸発した水蒸気を燃料処理装置１２へ供給するので、圧縮水素製造システム１０Ａ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。

また、本実施形態では、アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスを燃料処理装置１２のバーナ１２Ｂへ送出し、燃焼に供するので、アノードオフガス中に含まれる燃料を、有効に利用することができる。

さらに、本実施形態では、電流調整処理により、回収された水素量に基づいて、水素圧縮機１４に最適電流が供給されるようにフィードバック制御されているので、効率よく水素圧縮機１４で圧縮水素を生成することができる。

なお、本実施形態では、流量検出計３０で回収された水から放出された水素量を検出し、この検出値に基づいて最適電流を決定したが、流量検出計３０に代えて、温度センサＴ１で検知された温度に基づいて、回収された水から放出された水素による燃料処理装置１２の温度変化をとらえ、最適電流を決定してもよい。また、水から放出された水素量は、その他に、圧縮水素圧力と水素配管Ｐ４へ送出される気体圧力の差、減圧バルブＶ３へ導入される高圧水の水量、水温から導かれる溶存水素の量、などにより推定してもよい。

この場合、温度センサＴ１で検出される温度に対応させた「最適電流」を予め制御部３２のメモリに記憶にしておく。そして、図５に示されるように、ステップＳ２０で、温度センサＴ１で検出された温度を取得し、ステップＳ２２で、取得した温度に基づいて水素圧縮機１４へ供給する最適電流のデータをメモリから読み出す。そして、ステップＳ２４で、水素圧縮機１４へ流す電流が最適電流となるように指示を出力する。そして、ステップＳ２０へ戻り、上記の処理を繰り返す。

また、上記では水素量から最適電流を制御する方法について述べたが、流量検出計３０で回収された水から放出された水素量を検出し、この検出値に基づいて、燃料処理装置１２へ供給する原料ガスの量を調整してもよい。この場合には、流量検出計３０で検出された水素流量に対応して変更する原料ガスの量を予め制御部３２のメモリに記憶にしておく。そして、図６に示されるように、ステップＳ３０で、流量検出計３０で検出された水素流量を取得し、ステップＳ３２で、取得した水素流量に基づいてブロアＢ１で送出する原料ガスのデータをメモリから読み出す。そして、ステップＳ３４で、ブロアＢ１へ読み出した送出流となるように指示を出力する。そして、ステップＳ３０へ戻り、上記の処理を繰り返す。

また、水素圧縮機１４へ印加する電圧が一定となるように、水素圧縮機１４へ流す電流、または、燃料処理装置１２へ供給する原料ガスを調整してもよい。この場合、前述の「最適電流」に代えて、「最適電圧」を予め制御部３２のメモリに記憶しておく。例えば、「最適電圧」は、所定の高効率時（一例として、アノード１４Ａに供給される水素含有ガスの平均的濃度において「最適電流」を流した場合）に印加される電圧に設定することができる。

そして、水素圧縮機１４の電圧に基づく電流調整処理は、図７に示されるように、ステップＳ４０で、電圧計３３で検出された水素圧縮機１４の電圧を取得し、ステップＳ４２で、取得した電圧と最適電圧とを比較して差分値を求め、ステップＳ４４で、差分値が小さくなるように、水素圧縮機１４へ供給する電流調整の指示を出力する。そして、ステップＳ４０へ戻り、上記の処理を繰り返す。この水素圧縮機１４の電圧に基づく電流調整処理についても、圧縮水素製造システム１０Ａの動作中、継続され、最適電圧が水素圧縮機１４へ印加されるように、フィードバック制御が行われる。

なお、水素圧縮機１４へ印加する電圧が一定となるように、燃料処理装置１２へ供給する原料ガスを調整する場合には、図８に示されるように、ステップＳ４４に代えて、ステップＳ４６で、差分値が小さくなるよう送出量が調整されるようにブロアＢ１へ指示を出力する。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態については、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｂでは、主に、水素配管Ｐ４の他端が、原料ガス管Ｐ１ではなく燃料ガス管Ｐ３と接続されている点が異なっている。

図５に示されるように、燃料ガス管Ｐ３には、逆止弁Ｖ４が設けられており、逆止弁Ｖ４の下流側に水素配管Ｐ４の他端が接続されている。逆止弁Ｖ４により、水素配管Ｐ４の水素の燃料処理装置１２側への流入が阻止されている。気体貯留部１８Ｂからは、水素が水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ供給される。

なお、貯水タンク１８の圧力、すなわち水素配管Ｐ４の圧力は、減圧弁Ｖ３の開度により調整することができる。したがって、水中に溶存していて放出された水素の逆流や、原料ガスの逆流を防止するために、逆止弁Ｖ２、Ｖ４に代えて減圧弁Ｖ３の開度の調整にを行ってもよい。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｂも、第１実施形態の圧縮水素製造システム１０Ａと同様に動作が行われる。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｂでは、水分離部１６で分離された水を減圧し、水中に溶存する水素を回収し、燃料ガスと共に水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ再度供給する。したがって、圧縮水素製造システム１０Ｂ内で生成される水素を無駄にすることなく有効に利用することができる。

また、本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｂでは、回収した水素を燃料処理装置１２へ送出しないので、燃料処理装置１２の温度バランス制御や流量制御を行いやすくすることができる。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態については、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｃでは、主に、水素配管Ｐ４の他端が、原料ガス管Ｐ１ではなくアノードオフガス路２２と接続されている点が異なっている。

水素配管Ｐ４の他端は、アノードオフガス路２２と接続されており、気体貯留部１８Ｂからバーナ１２Ｂへ水素が供給されている。アノードオフガス路２２には、水素配管Ｐ４の他端が接続された部分よりも上流側に逆止弁Ｖ５が設けられている。また、逆止弁Ｖ２は、流量検出計３０よりも下流側に設けられている。バーナ１２Ｂへ供給された水素は、アノードオフガスと共に燃焼に供される。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｃも、第１実施形態の圧縮水素製造システム１０Ａと同様に動作が行われる。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｃでは、水分離部１６で分離された水を減圧し、水中に溶存する水素を回収し、バーナ１２Ｂへ供給して燃焼させる。したがって、圧縮水素製造システム１０Ｃ内で生成される水素を無駄にすることなく有効に利用することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態については、第１〜第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｄでは、主に、水素配管Ｐ４の他端が、原料ガス管Ｐ１ではなく圧縮水素出力路２４と接続されている点が異なっている。

水素配管Ｐ４の他端は、圧縮水素出力路２４と接続されており、気体貯留部１８Ｂからの水素が、水分離部１６からの高圧水素と合流されている。圧縮水素出力路２４で合流された水素は、不図示の水素タンクへ貯留されたり、燃料電池などの原料として供給されたりして利用される。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｄも、第１実施形態の圧縮水素製造システム１０Ａと同様に動作が行われる。

本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｄでは、水分離部１６で分離された水を減圧し、水中に溶存する水素を回収し、高圧水素と合流させる。したがって、圧縮水素製造システム１０Ｄ内で生成される水素を無駄にすることなく有効に利用することができる。

なお、本実施形態では、水素配管Ｐ４から送出される水素の圧力は、カソード１４Ｃから送出される水素の圧力よりも低くなるので、所定の圧縮水素を得るために、必要に応じてカソード１４Ｃの背圧を高くしてもよい。

なお、本実施形態でも、回収した水素はアノード１４Ａへ供給されないので、電流調整処理は不要である。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 圧縮水素製造システム
１２ 燃料処理装置、 １２Ｂ バーナ
１４ 水素圧縮機、 １４Ａ アノード、 １４Ｂ イオン伝導体（電解質膜）
１４Ｃ カソード、 １６ 水分離部（水分離部）、 １８ 貯水タンク（水素回収部）
２４ 圧縮水素出力路（圧縮水素供給部）
３０ 流量検出計、 ３２ 制御部（電流調整部）、３３ 電圧計
Ｐ４ 水素配管（圧縮水素供給部、アノード導入部、燃焼用水素供給部）
Ｔ１ 温度センサ、 Ｖ３ 減圧バルブ（水素回収部）

Claims (13)

1. 電解質膜を挟んで一方側にアノード、他方側にカソードが形成され、電流を流すことにより前記アノードから前記カソードへ水素が移動する電気化学的水素圧縮機と、
   前記カソードから送出された圧縮水素から水を分離する水分離部と、
   前記水分離部で分離された水を減圧し、前記水中に溶存する水素を回収する水素回収部と、
   を備えた圧縮水素製造システム。
2. 前記水素回収部で回収された水素を、前記水分離部で水が分離された後の圧縮水素と合流させる圧縮水素供給部、
   を備えた、請求項１に記載の圧縮水素製造システム。
3. 前記水素回収部で回収された水素を、前記アノードへ導入するアノード導入部、
   を備えた、請求項１または請求項２に記載の圧縮水素製造システム。
4. 原料ガスを改質して、水素を含む燃料ガスを生成する燃料処理装置と、
   前記燃料処理装置で生成された燃料ガスを前記アノードへ供給する燃料ガス供給路と、
   を備えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
5. 前記原料ガスに対して、水素を用いて脱硫処理を行う水添脱硫部、及び、前記水素回収部で回収された水素を前記水添脱硫部へ供給する、脱硫用水素供給部、を備えた、
   請求項４に記載の圧縮水素製造システム。
6. 前記水素回収部で回収された水素を、原料ガスと共に前記燃料処理装置へ供給する原料水素供給部、
   を備えた、請求項４または請求項５に記載の圧縮水素製造システム。
7. 前記水素回収部で回収された水素を、前記燃料処理装置内のバーナでの燃焼に供給する燃焼用水素供給部、
   を備えた、請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
8. 前記燃料処理装置における、前記燃料ガスの出口温度、改質温度、バーナの温度の少なくとも１つに基づいて、前記電気化学的水素圧縮機へ流す電流を制御する電流調整部、
   を備えた、請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
9. 前記燃料処理装置における、前記燃料ガスの出口温度、改質温度、バーナの温度の少なくとも１つに基づいて、前記燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御する原料調整部、
   を備えた、請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
10. 前記水素回収部で回収された水素が送出される流量を検出する流量検出計が設けられ、
    前記流量検出計で検出された水素の流量に基づいて、前記電気化学的水素圧縮機へ供給する電流を制御する電流調整部、
    を備えた、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
11. 前記水素回収部で回収された水素が送出される流量を検出する流量検出計が設けられ、
    前記流量検出計で検出された水素の流量に基づいて、前記燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御する原料調整部、
    を備えた、請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
12. 前記電気化学的水素圧縮機へ印加される電圧を検出する電圧計を備え、
    前記電圧計で検出された電圧に基づいて、前記電気化学的水素圧縮機へ供給する電流を制御する電圧検出電流調整部、
    を備えた、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
13. 前記電気化学的水素圧縮機へ印加される電圧を検出する電圧計を有し、
    前記電圧計で検出された電圧に基づいて、前記燃料処理装置へ供給する原料ガスを制御する電圧検出原料調整部、
    を備えた、請求項４〜請求項７のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。