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JP4531800B2 - 水素製造発電システム及びその停止方法 - Google Patents

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Description

本発明は、少なくとも改質装置と、前記改質装置からアノード側に改質ガスが供給されることにより水素製造モードと発電モードとを選択的に行う燃料電池−イオンポンプ結合体と、を備える水素製造発電システム及びその停止方法に関する。
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックは、例えば、自動車等の車両に搭載して使用される一方、家庭の電力需要を賄う家庭用エネルギステーションに用いられている。
この場合、上記の燃料電池に供給される燃料ガスとしては、通常、改質装置によって炭化水素系の原燃料から生成される水素ガスが使用されている。改質装置では、一般的に、メタンやＬＮＧ等の炭化水素系の原燃料から改質原料ガスを得た後、この改質原料ガスに水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質等を施すことにより、改質ガス（燃料ガス）が生成されている。
改質装置により生成される燃料ガスは、さらに高純度の水素ガス（精製水素ガス）に転換させる必要があるとともに、貯蔵用に圧縮する場合がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池−イオンポンプ結合体が採用されている。
この燃料電池−イオンポンプ結合体は、燃料を受け入れるためのアノード側入口と、燃料を排出するためのアノード側出口と、酸化剤を受け入れるためのカソード側入口と、酸化剤と、精製酸素と精製水素との少なくとも１つとを排出するためのカソード側出口と、第１のコネクタと、第２のコネクタとを備える電気化学セル及び、前記第１及び第２のコネクタに電荷を与え、前記電気化学セルが発電する燃料電池として作用し、前記第１及び第２のコネクタに電位を与え、前記電気化学セルが、水素を精製する水素ポンプと酸素を精製する酸素ポンプとの少なくとも１つとして作用するための制御装置、を備えている。
特表２００７−５０５４７２号公報
ところで、上記の燃料電池−イオンポンプ結合体は、水素製造（水素ポンプ）モードと発電（燃料電池）モードとを有している。その際、水素製造モードでは、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側に精製される水素ガスは、アノード側の改質ガスに比べて高圧な状態で保持されている。
このため、水素製造モードの停止時には、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側に残存する水素ガスを脱圧（降圧）する必要がある。カソード側に高圧の水素ガスが滞留していると、この水素ガスは、アノード側に拡散して改質装置内に移動するおそれがあるからである。
従って、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側に脱圧専用ラインを設け、フレア（燃焼器）やベント開放により水素ガスを処理することが考えられる。しかしながら、水素ガスの脱圧用に専用の設備が必要になり、経済的ではなく、しかも設備が大型化するという問題がある。
本発明はこの種の要請に対応してなされたものであり、水素製造モードの停止時に、カソード側の脱圧を確実に行うとともに、経済的且つ小型に構成することが可能な水素製造発電システム及びその停止方法を提供することを目的とする。
本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、前記改質装置の改質ガス出口と前記燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側入口とを連通する改質ガス流路と、前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を受容する吸着塔を設け、前記水素中の不要成分を除去するＰＳＡ機構と、一端が前記ＰＳＡ機構のオフガス出口に接続されるとともに、他端が前記改質ガス流路に合流するＰＳＡオフガス流路とを備えている。
また、水素製造発電システムは、アノード側から排出されるアノードオフガスを、燃焼器に供給するためのアノードオフガス流路と、改質ガス流路に、ＰＳＡオフガス流路の合流部位の下流に配置される弁機構と、前記弁機構を介して前記改質ガス流路と前記アノードオフガス流路とを連通可能なアノードバイパス流路とを備えることが好ましい。
さらに、改質ガス流路には、改質ガス出口とアノード側入口との間に位置して空気投入口が設けられることが好ましい。
さらにまた、改質ガス流路には、改質ガス出口と空気投入口との間に位置してＰＳＡオフガス流路が合流することが好ましい。
また、本発明は、炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、前記改質装置の改質ガス出口と前記燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側入口とを連通する改質ガス流路と、前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を受容する吸着塔を設け、前記水素中の不要成分を除去するＰＳＡ機構と、一端が前記ＰＳＡ機構のオフガス出口に接続されるとともに、他端が前記改質ガス流路に合流するＰＳＡオフガス流路とを備える水素製造発電システムの停止方法に関するものである。
この停止方法は、水素製造モードが終了される際、ＰＳＡ機構の弁開閉制御を行うことにより、ＰＳＡオフガス流路を用いて燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側の圧力及び前記ＰＳＡ機構の塔内圧力を低減させている。
さらに、水素製造モードの停止時に、改質装置では、前記改質装置から得られる改質ガスが全て燃焼器に供給されることが好ましい。
さらにまた、燃焼器の温度を検出し、検出された前記温度に基づいてＰＳＡ機構の弁開閉制御を行うことが好ましい。
本発明では、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側に連通するＰＳＡ機構のオフガス出口が、ＰＳＡオフガス流路を介して改質装置の改質ガス出口と前記燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側入口とを連通する改質ガス流路に合流している。
このため、水素製造モードの停止時に、燃料電池−イオンポンプ結合体のカソード側の水素ガス及びＰＳＡ機構の塔内の水素ガスは、ＰＳＡオフガス流路を介して改質ガス流路に排出されることにより、前記カソード側の圧力及び前記ＰＳＡ機構の塔内圧力を低減させることができる。従って、燃料電池−イオンポンプ結合体内では、カソード側からアノード側に残留水素が拡散することがなく、例えば、システム停止中の燃焼器の過燃焼を防止することが可能になる。
しかも、カソード側及びＰＳＡ機構の塔内の水素ガスは、改質ガス流路に排出されるため、この水素ガスを再利用することが可能になる。これにより、カソード側の脱圧を確実に行うとともに、システム全体を経済的且つ小型に構成することができる。
図１は、本発明に係る運転方法を実施するための第１の実施形態の水素製造発電システム１０の全体構成図である。この水素製造発電システム１０は、例えば、家庭用エネルギステーションとして利用され、系統電源に接続されるとともに、家庭の要求電力に対応して、すなわち、負荷変動に追従して電力を供給する。
水素製造発電システム１０は、炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）と水蒸気との混合燃料を改質して改質ガスを生成する改質装置１２と、後述する発電モード及び水素製造モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体（ＤＭＳ）１４と、前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４に接続されるとともに、前記水素製造発電システム１０全体の制御を行うコントローラ１６と、精製された水素ガスを除湿及びさらに精製するＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）機構１８と、精製水素ガスを圧縮する圧縮部２０と、水素ガスを燃料ガスとして燃料電池車２２に充填する充填部２４とを備える。
コントローラ１６は、発電モード時に燃料電池−イオンポンプ結合体１４に電荷を印加する一方、水素製造モード時に前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４に電位を印加する機能を有する。
図２に示すように、改質装置１２は、都市ガス中に含まれるメタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ 8 ）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の炭化水素に水蒸気を混合して混合燃料を得るための熱交換器２８と、前記熱交換器２８に水蒸気発生用の熱を付与するための触媒燃焼器３０と、前記混合燃料を水蒸気改質して改質ガスを得るための改質器３２と、シフト反応により前記改質ガス中の一酸化炭素及び水蒸気を二酸化炭素及び水素に変換させるＣＯ変成器（シフト反応器）３４と、少量の空気を改質ガスに付加し、選択的に吸収した一酸化炭素と空気中の酸素とを反応させて二酸化炭素に変換させるＣＯ除去器（選択酸化反応器）３６とを備える。触媒燃焼器３０には、この触媒燃焼器３０の温度を測定するための温度センサ３７が配設される。
燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、固体高分子電解質膜３８をアノード側電極４０とカソード側電極４２とで挟持した電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体は、図示しないがセパレータと交互に積層されてスタックを構成する。固体高分子電解質膜３８としては、例えば、炭化水素系の電解質膜又はパーフルオロカーボン等のフッ素系の電解質膜が使用される。
燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、改質ガスをアノード側電極４０に供給するためのアノード側入口４４ａと、前記アノード側電極４０から使用済みの改質ガス（アノードオフガス）を排出するためのアノード側出口４４ｂと、カソード側電極４２に酸化剤ガスとして空気を供給するとともに、水素製造モードにより改質ガスから取り出された精製水素ガスを排出するためのカソード側入口４６ａと、前記カソード側電極４２から使用済みの空気を排出するためのカソード側出口４６ｂとを設ける。
アノード側入口４４ａと改質装置１２を構成するＣＯ除去器３６とは、改質ガス流路４８により接続されるとともに、アノード側出口４４ｂと前記改質装置１２を構成する触媒燃焼器３０とは、アノードオフガス流路５０により接続される。
改質ガス流路４８には、後述するＰＳＡオフガス流路７６、空気（ブリードエア）投入口５２及び三方電磁弁（弁機構）５４が、改質ガス流れ方向に沿って上流側から下流側に順次配置される。三方電磁弁５４には、アノードバイパス流路５６の一端が接続されるとともに、前記アノードバイパス流路５６の他端は、アノードオフガス流路５０に連通する。アノードオフガス流路５０には、アノードバイパス流路５６との合流部位の上流側に電磁弁５７が配置される。
カソード側入口４６ａには、カソード側入口流路５８が接続される。このカソード側入口流路５８には、電磁弁６０と、この電磁弁６０の上流に位置してブロア（コンプレッサ）６２とが配設される。カソード側入口流路５８には、水素ガス流路６４が合流しており、前記水素ガス流路６４の下流には、電磁弁６５を介してＰＳＡ機構１８が配設される。カソード側出口４６ｂには、カソードオフガス流路６６が接続される。カソードオフガス流路６６には、遮断機構である電磁弁６８が設けられる。
ＰＳＡ機構１８は、図３に示すように、例えば、２塔式圧力スイング吸着装置を構成しており、吸着塔７０ａ、７０ｂを備える。吸着塔７０ａ、７０ｂには、塔内の圧力を検出するための圧力センサ７２ａ、７２ｂが設けられる。各吸着塔７０ａ及び７０ｂの出入口の下部には、オフガス弁７４ａ〜７４ｄが配設されるとともに、前記オフガス弁７４ａ〜７４ｄを介して前記吸着塔７０ａ、７０ｂがＰＳＡオフガス流路７６に接続される。ＰＳＡオフガス流路７６には、流量制御弁７８が配設される。
各吸着塔７０ａ、７０ｂの出入口の上部には、水素ガス排出用弁８０ａ〜８０ｄが設けられるとともに、前記吸着塔７０ａ、７０ｂは、前記弁８０ａ〜８０ｄを介して圧縮部２０に連通可能である。
このように構成される水素製造発電システム１０の通常運転時の動作について、以下に説明する。
先ず、水素製造発電システム１０が起動を開始すると、改質装置１２では、図４に示すように、例えば、都市ガス等の原燃料（改質原燃料）と改質水とが熱交換器２８に供給されるとともに、この熱交換器２８では、触媒燃焼器３０による燃焼熱が付与される。このため、改質水が蒸発して水蒸気が得られ、原燃料と前記水蒸気との混合燃料が改質器３２に供給される。
改質器３２では、水蒸気改質が行われて改質ガスが得られ、この改質ガスは、ＣＯ変成器３４に供給されることにより、シフト反応が行われる。さらに、改質ガスは、ＣＯ除去器３６に送られて選択酸化反応が行われた後、改質ガス流路４８に導入される。
この始動時には、改質ガス流路４８は、三方電磁弁５４を介してアノードバイパス流路５６からアノードオフガス流路５０に連通している。さらに、電磁弁５７、６０、６５及び６８が閉塞されている。従って、改質装置１２により得られる全ての改質ガスは、燃料電池−イオンポンプ結合体１４をバイパスして触媒燃焼器３０に直接供給される。すなわち、改質装置１２は、全量循環により安定運転できる最小の熱量で運転されている（所謂、ベースロード、図５参照）。
次いで、燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、例えば、水素製造モードで運転を開始する。その際、改質ガス流路４８は、三方電磁弁５４を介して燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側入口４４ａに連通するとともに、電磁弁５７、６５が開放される(図２参照)。このため、改質装置１２から改質ガス流路４８に改質ガスが供給され、この改質ガスは、アノード側入口４４ａからアノード側電極４０に供給される。一方、ブロア６２からカソード側電極４２に空気の供給が行われていない。
ここで、アノード側電極４０にプラス極の電位が印加されるとともに、カソード側電極４２にマイナス極の電位が印加されている。このため、アノード側電極４０では、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応が起こり、水素イオン（Ｈ+）は、固体高分子電解質膜３８を透過してカソード側電極４２に移動する。このカソード側電極４２で、２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2の反応が惹起するとともに、昇圧されている。
従って、アノード側電極４０からカソード側電極４２には、プロトン（水素イオン）が移動し、前記カソード側電極４２に高純度の水素ガスが精製される。この水素ガスは、カソード側入口流路５８から水素ガス流路６４に導入され、ＰＳＡ機構１８に供給される。
水素製造モードの開始時には、図５に示すように、改質装置１２の負荷が段階的又は連続的に増加される（ターンアップ）。具体的には、改質装置１２に投入される改質原燃料が増加される。これにより、燃料電池−イオンポンプ結合体１４は、カソード側の精製水素ガスの圧力が昇圧される。
ＰＳＡ機構１８では、図３に示すように、オフガス弁７４ａ、７４ｄの開放作用下に、水素ガスが吸着塔７０ａ、７０ｂに供給されるとともに、この吸着塔７０ａ、７０ｂで吸着工程と洗浄（減圧）工程とが交互に行われる。このため、吸着塔７０ａ、７０ｂ内では、吸着工程により水素以外の不要成分（主に水蒸気及び二酸化炭素）が吸着されて高純度の水素ガスが精製され、この水素ガスが圧縮部２０に供給される。水素ガスは、さらに圧縮部２０で圧縮されるとともに、必要に応じて充填部２４で燃料電池車２２に充填される。
一方、吸着塔７０ａ、７０ｂでは、洗浄工程に移行することにより、前記吸着塔７０ａ、７０ｂの下部側に水蒸気等を含む水素ガスが存在し、このガスは、ＰＳＡオフガスとしてオフガス弁７４ｂ、７４ｃの開放作用下にＰＳＡオフガス流路７６に放出される。
図２に示すように、ＰＳＡオフガス流路７６は、改質ガス流路４８に合流している。このため、ＰＳＡオフガスは、新たな改質ガスに混在して燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側入口４４ａに供給される。
また、アノード側電極４０で使用された改質ガス（未燃の水素ガスを含む）は、未燃ガスとしてアノード側出口４４ｂからアノードオフガス流路５０を通って触媒燃焼器３０に送られる。未燃ガスは、触媒燃焼器３０に供給される燃焼空気によって燃焼され、熱交換器２８に熱を供給する。
次に、燃料電池−イオンポンプ結合体１４が、発電モードで運転される際には、図６に示すように、電磁弁５７、６０及び６８が開放されるとともに、電磁弁６５が閉塞された後、コントローラ１６を介してアノード側電極４０とカソード側電極４２とに電荷が印加される。この状態で、改質ガスが、改質ガス流路４８を介してアノード側電極４０に供給されるとともに、空気（酸化剤ガス）が、ブロア６２の作用下に、カソード側入口流路５８を介してカソード側電極４２に供給される。
従って、燃料電池−イオンポンプ結合体１４では、アノード側電極４０に供給される改質ガス中の水素と、カソード側電極４２に供給される空気中の酸素とを介し、電気化学反応により発電が行われる。この発電により得られた電力は、例えば、家庭用電力として利用される。
なお、カソード側電極４２で使用された空気は、カソード側出口４６ｂからカソードオフガス流路６６を通って外部に排出されるとともに、アノード側電極４０で使用された改質ガス（未燃の水素ガスを含む）は、未燃ガスとしてアノード側出口４４ｂからアノードオフガス流路５０を通って触媒燃焼器３０に送られる。
次いで、水素製造発電システム１０による水素製造モードの停止時の制御を、図７に示すフローチャート及び図５に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
先ず、水素製造発電システム１０が、水素製造モードの停止運転を開始する（ステップＳ１）。この停止運転では、改質装置１２の負荷が段階的又は連続的に減少される（ターンダウン）。そして、改質装置１２が、ベースロード運転に移行されると（ステップＳ２）、図４に示すように、三方電磁弁５４を介して前記改質装置１２により得られる全ての改質ガスは、燃料電池−イオンポンプ結合体１４をバイパスして触媒燃焼器３０に直接供給される（全量循環）。
コントローラ１６は、温度センサ３７を介して触媒燃焼器３０の温度Ｔｃ℃を検出し、改質装置１２を監視する（ステップＳ３）。なお、改質装置１２を監視するためのパラメータとしては、触媒燃焼器３０の温度に代えて、又は該温度と共に始動開始からの時間や、製造される改質ガスの圧力等を用いてもよい。
さらに、ステップＳ４に進んで、ＰＳＡ機構１８を構成するオフガス弁７４ａ〜７４ｄの開閉制御が行われる。図３に示すように、オフガス弁７４ａ〜７４ｄが、選択的に開閉されることにより、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側の水素ガスの放出による減圧処理と、ＰＳＡ機構１８を構成する吸着塔７０ａ、７０ｂ内の水素ガス（及び水蒸気等）の放出による減圧処理（洗浄処理）とが同時に行われる。
燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側及びＰＳＡ機構１８の吸着塔７０ａ、７０ｂ内から放出されたＰＳＡオフガス（水素ガスを含む）は、ＰＳＡオフガス流路７６を介して改質ガス流路４８の途上に供給される。このため、ＰＳＡオフガスは、改質装置１２から製造される改質ガスに混在してアノードバイパス流路５６からアノードオフガス流路５０を通って触媒燃焼器３０に未燃ガスとして供給される。
コントローラ１６は、温度センサ３７を介して検出される触媒燃焼器３０の温度Ｔｃ℃が、設定温度Ｔ１℃以下になったと判断すると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、ＰＳＡ機構１８を構成する吸着塔７０ａ、７０ｂの内圧が、設定圧力まで脱圧されたか否かを判断する。なお、設定圧力は、実質的には、大気圧近傍の圧力である。
そして、ＰＳＡ機構１８を構成する吸着塔７０ａ、７０ｂの内圧が設定圧力まで脱圧されたと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、水素製造発電システム１０は、水素製造モードの停止運転を終了する。
この場合、本実施形態では、水素製造モードの停止時に、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側及びＰＳＡ機構１８の吸着塔７０ａ、７０ｂ内の減圧処理が行われている。従って、水素製造発電システム１０の停止中に、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側及びＰＳＡ機構１８の吸着塔７０ａ、７０ｂ内に残存する比較的高圧な水素ガスは、比較的低圧な前記燃料電池−イオンポンプ結合体１４のアノード側に拡散することがない。これにより、改質装置１２に水素ガスが逆流したり、触媒燃焼器３０に過剰な未燃ガスが供給されて発熱したりすることを確実に阻止することができる。
しかも、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側及び吸着塔７０ａ、７０ｂ内から放出されたＰＳＡオフガス（水素ガスを含む）は、ＰＳＡオフガス流路７６を介して改質ガス流路４８の途上に供給されている。このため、ＰＳＡオフガスを再利用することが可能になるとともに、前記ＰＳＡオフガスを処理するための専用設備が不要になり、水素製造発電システム１０全体を経済的且つ小型に構成することができるという効果が得られる。
さらに、例えば、水素製造発電システム１０の停止中に、吸着塔７０ｂが吸着位置（高圧状態）で停止されていると、この吸着塔７０ｂの内部では、定常のガスの流れが停止されてしまうため、この停止からの時間経過に伴って前記内部のガス組成が該内部の上下に渡って均一化される。従って、始動時には、図８に示すように（従来例）、ＰＳＡ機構１８から精製される水素ガス中のＣＯ2（二酸化炭素）濃度が高くなり、高純度の水素ガスが得られないという問題がある。
そこで、本実施形態では、水素製造モードの停止時に、ＰＳＡ機構１８の吸着塔７０ａ、７０ｂ内の減圧処理が施されている。これにより、図９に示すように、ＰＳＡ機構１８の起動直後から高純度の水素ガスを精製することができ、良好な精製能力を維持して効率的な水素ガス精製処理が遂行されるという利点が得られる。
さらにまた、燃料電池−イオンポンプ結合体１４のカソード側及びＰＳＡ機構１８の吸着塔７０ａ、７０ｂ内の減圧処理時には、水素製造発電システム１０がベースロード運転による全量循環を行っている(図４参照)。そして、オフガス弁７４ａ〜７４ｄの開放を制御して脱圧速度をコントロールすることにより、触媒燃焼器３０の過昇温を防止し、安定した処理が確実に遂行可能になる。
また、本実施形態では、改質ガス流路４８に、ＰＳＡオフガス流路７６、空気投入口５２及び三方電磁弁５４が、改質ガス流れ方向に沿って上流側から下流側に順次配置されている。このため、空気投入口５２の下流にＰＳＡオフガス流路７６が合流する場合のように、空気投入口５２から改質ガス流路４８に供給された空気中に、ＰＳＡオフガスが導入されることがない。
図１０は、本発明の第２の実施形態の水素製造発電システム９０の全体構成図である。
水素製造発電システム９０は、改質装置１２、燃料電池−イオンポンプ結合体１４、コントローラ１６、ＰＳＡ機構１８、圧縮部２０及び充填部２４を備えるとともに、前記圧縮部２０から分岐して貯蔵部９２が配置される。この貯蔵部９２は、タンクを有しており、精製された水素ガスを一旦貯蔵する一方、必要に応じて前記水素ガスを充填部２４に供給する。
本発明に係る運転方法を実施するための第１の実施形態の水素製造発電システムの全体構成図である。 前記水素製造発電システムの概略構成図である。 前記水素製造発電システムを構成するＰＳＡ機構の概略構成図である。 前記水素製造発電システムのベースロードによる全量循環の説明図である。 前記水素製造発電システムの運転制御のタイミングチャートである。 前記水素製造発電システムの発電モードの説明図である。 前記水素製造発電システムの水素製造モードの停止運転方法を説明するフローチャートである。 従来例のＰＳＡ機構の塔内圧力及び二酸化炭素濃度の説明図である。 本実施形態のＰＳＡ機構の塔内圧力及び二酸化炭素濃度の説明図である。 本発明の第２の実施形態の水素製造発電システムの全体構成図である。
符号の説明
１０、９０…水素製造発電システム １２…改質装置
１４…燃料電池−イオンポンプ結合体 １６…コントローラ
１８…ＰＳＡ機構 ２０…圧縮部
２２…燃料電池車 ２４…充填部
２８…熱交換器 ３０…触媒燃焼器
３２…改質器 ３４…ＣＯ変成器
３６…ＣＯ除去器 ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側電極 ４２…カソード側電極
４４ａ…アノード側入口 ４４ｂ…アソード側出口
４６ａ…カソード側入口 ４６ｂ…カソード側出口
４８…改質ガス流路 ５０…アノードオフガス流路
５２…空気投入口 ５４…三方電磁弁
５６…アノードバイパス流路 ５７、６０、６５、６８…電磁弁
５８…カソード側入口流路 ６２…ブロア
６４…水素ガス流路 ６６…カソードオフガス流路
７０ａ、７０ｂ…吸着塔 ７４ａ〜７４ｄ…オフガス弁
７６…ＰＳＡオフガス流路 ９２…貯蔵部

Claims (7)

  1. 炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、
    電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、
    前記改質装置の改質ガス出口と前記燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側入口とを連通する改質ガス流路と、
    前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を受容する吸着塔を設け、前記水素中の不要成分を除去するＰＳＡ機構と、
    一端が前記ＰＳＡ機構のオフガス出口に接続されるとともに、他端が前記改質ガス流路に合流するＰＳＡオフガス流路と、
    を備え、
    前記水素製造モードが終了される際、前記ＰＳＡオフガス流路を用いて前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記カソード側の圧力及び前記吸着塔の塔内圧力を低減させることを特徴とする水素製造発電システム。
  2. 請求項１記載の水素製造発電システムにおいて、前記アノード側から排出されるアノードオフガスを、前記燃焼器に供給するためのアノードオフガス流路と、
    前記改質ガス流路に、前記ＰＳＡオフガス流路の合流部位の下流に配置される弁機構と、
    前記弁機構を介して前記改質ガス流路と前記アノードオフガス流路とを連通可能なアノードバイパス流路と、
    を備えることを特徴とする水素製造発電システム。
  3. 請求項１又は２記載の水素製造発電システムにおいて、前記改質ガス流路には、前記改質ガス出口と前記アノード側入口との間に位置して空気投入口が設けられることを特徴とする水素製造発電システム。
  4. 請求項３記載の水素製造発電システムにおいて、前記改質ガス流路には、前記改質ガス出口と前記空気投入口との間に位置して前記ＰＳＡオフガス流路が合流することを特徴とする水素製造発電システム。
  5. 炭化水素を主体とする原燃料を改質して改質ガスを生成するとともに、熱源として燃焼器を備える改質装置と、
    電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記一対の電極間に電位を印加した状態で、アノード側に前記改質ガスを供給することにより、前記改質ガス中の水素が前記電解質を透過してカソード側に移送される水素製造モード、及び前記一対の電極間に電荷を印加した状態で、前記アノード側に前記改質ガスを供給するとともに、前記カソード側に酸化剤ガスを供給することにより発電する発電モードを有する燃料電池−イオンポンプ結合体と、
    前記改質装置の改質ガス出口と前記燃料電池−イオンポンプ結合体のアノード側入口とを連通する改質ガス流路と、
    前記カソード側に連通し、前記燃料電池−イオンポンプ結合体から導出される前記水素を受容する吸着塔を設け、前記水素中の不要成分を除去するＰＳＡ機構と、
    一端が前記ＰＳＡ機構のオフガス出口に接続されるとともに、他端が前記改質ガス流路に合流するＰＳＡオフガス流路と、
    を備える水素製造発電システムの停止方法であって、
    前記水素製造モードが終了される際、前記ＰＳＡ機構の弁開閉制御を行うことにより、前記ＰＳＡオフガス流路を用いて前記燃料電池−イオンポンプ結合体の前記カソード側の圧力及び前記吸着塔の塔内圧力を低減させることを特徴とする水素製造発電システムの停止方法。
  6. 請求項５記載の停止方法において、前記水素製造モードの停止時に、前記改質装置では、該改質装置から得られる改質ガスが全て前記燃焼器に供給されることを特徴とする水素製造発電システムの停止方法。
  7. 請求項５又は６記載の停止方法において、前記燃焼器の温度を検出し、検出された前記温度に基づいて前記ＰＳＡ機構の弁開閉制御を行うことを特徴とする水素製造発電システムの停止方法。
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