JP2018104731A - Electrochemical apparatus and operation method thereof - Google Patents
Electrochemical apparatus and operation method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018104731A JP2018104731A JP2016249342A JP2016249342A JP2018104731A JP 2018104731 A JP2018104731 A JP 2018104731A JP 2016249342 A JP2016249342 A JP 2016249342A JP 2016249342 A JP2016249342 A JP 2016249342A JP 2018104731 A JP2018104731 A JP 2018104731A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hydrogen
- containing gas
- upper limit
- value
- temperature
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】電気化学装置100は、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下が軽減される。【解決手段】電気化学装置100は、プロトンを伝導する電解質膜1aと、前記電解質膜1aの一方の主面に設けられ、且つ燃料から生成された水素含有ガス中の水素をプロトンと電子に分離するアノード電極1bと、前記電解質膜1aの他方の主面に設けられ、且つプロトンと電子から水素を生成するカソード電極1cとを備える電気化学セル1と、前記カソード電極1cと前記アノード電極1bとに電流を流す電流制御器2と、前記カソード電極1cと前記アノード電極1bとの間を流れる電流値の上限値を前記水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する上限変更器3とを備える。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce a decrease in hydrogen separation performance due to carbon precipitation in an electrochemical device 100 as compared with the conventional one. An electrochemical device 100 is provided on one main surface of an electrolyte membrane 1a that conducts protons and the electrolyte membrane 1a, and separates hydrogen in a hydrogen-containing gas generated from a fuel into protons and electrons. An electrochemical cell 1 provided on the other main surface of the electrolyte membrane 1a and having a cathode electrode 1c for generating hydrogen from protons and electrons, the cathode electrode 1c and the anode electrode 1b. The upper limit of the current value flowing between the current controller 2 and the anode electrode 1c and the anode electrode 1b is positive with respect to a change in at least one of the temperature and the flow rate of the hydrogen-containing gas. It is provided with an upper limit changer 3 that changes so as to have a correlation. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、プロトンが伝導する電解質膜を用いた電気化学セルを備えた電気化学装置及びその運転方法に関する。 The present invention relates to an electrochemical device including an electrochemical cell using an electrolyte membrane that conducts protons, and an operation method thereof.
従来、炭化水素の改質反応により生成された水素含有ガスから水素を分離する方法として、特許文献1及び2の方法が知られている。
Conventionally, methods of
特許文献1の方法では、カソード室、アノード室及びこれらの間に設けられる高温型プロトン導電性固体電解質の膜を備える電気化学セルが用いられている。アノード室に改質ガス(水素含有ガス)を供給し、カソード室に水蒸気を供給し、アノード及びカソードを介して膜に電流を流すことによって、(式1)、(式2)で示される反応が進行し、改質ガスから水素が分離される。
In the method of
アノード電極:H2 → 2H+ + 2e- (式1)
カソード電極:2H+ + 2e- → H2 (式2)
また、特許文献2の方法では、カソード、アノード及びこれらの間に設けられるプロトン伝導体を備える水素分離セルが用いられている。アノードは、水蒸気改質触媒が設けられた反応器に配置され、カソードは水素分離室に配置されている。このカソード及びアノードを介してプロトン伝導体に電流を流し、反応器から水素分離室に電気化学的に水素を移動させる。これにより、反応器において改質反応により生成された改質ガス(水素含有ガス)から水素を分離している。
Anode electrode: H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
Cathode electrode: 2H + + 2e − → H 2 (Formula 2)
Moreover, in the method of patent document 2, the hydrogen separation cell provided with a cathode, an anode, and the proton conductor provided among these is used. The anode is disposed in a reactor provided with a steam reforming catalyst, and the cathode is disposed in a hydrogen separation chamber. An electric current is passed through the proton conductor through the cathode and the anode to electrochemically transfer hydrogen from the reactor to the hydrogen separation chamber. Thereby, hydrogen is separated from the reformed gas (hydrogen-containing gas) generated by the reforming reaction in the reactor.
ところで、炭化水素を改質する際、条件によっては炭素の析出が起こることが知られている。電気化学セルに炭素が析出すると、析出した炭素により水素含有ガスから水素を分離する性能が低下する。このような炭素析出の発生について、例えば、非特許文献1に示すように、炭素、水素、酸素の比率と圧力とをパラメーターとして熱力学平衡計算を行うことによって判定される。
By the way, it is known that when hydrocarbon is reformed, carbon deposition occurs depending on conditions. When carbon deposits in the electrochemical cell, the ability to separate hydrogen from the hydrogen-containing gas by the deposited carbon decreases. The occurrence of such carbon deposition is determined, for example, by performing thermodynamic equilibrium calculation using the ratio of carbon, hydrogen, and oxygen and pressure as parameters, as shown in
しかしながら、上記特許文献1及び2に記載された従来技術について、炭素の析出による水素分離性能の低下の観点から未だ改善の余地がある。本発明は、このような問題を解決するもので、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下が軽減される電気化学装置及びその運転方法を提供することを目的とする。
However, the conventional techniques described in
本発明のある態様に係る電気化学装置は、プロトンを伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられ、且つ燃料から生成された水素含有ガス中の水素をプロトンと電子に分離するアノード電極と、前記電解質膜の他方の主面に設けられ、且つプロトンと電子から水素を生成するカソード電極とを備える電気化学セルと、前記カソード電極と前記アノード電極とに電流を流す電流制御器と、前記カソード電極と前記アノード電極との間を流れる電流値の上限値を前記水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する上限変更器とを備える。 An electrochemical device according to an aspect of the present invention includes an electrolyte membrane that conducts protons, and hydrogen in a hydrogen-containing gas that is provided on one main surface of the electrolyte membrane and that is generated from fuel, into protons and electrons. An anode electrode, an electrochemical cell provided on the other main surface of the electrolyte membrane and including a cathode electrode that generates hydrogen from protons and electrons, and current control for passing a current to the cathode electrode and the anode electrode And an upper limit changer that changes an upper limit value of a current flowing between the cathode electrode and the anode electrode so as to have a positive correlation with a change in at least one of the temperature and flow rate of the hydrogen-containing gas. With.
本発明の電気化学装置によれば、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下が軽減される。 According to the electrochemical device of the present invention, a decrease in hydrogen separation performance due to carbon deposition is reduced as compared with the conventional apparatus.
本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の実施態様の詳細な説明から明らかにされる。 The above object, other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments with reference to the accompanying drawings.
(本発明の基礎となる知見)
本発明者等は電気化学装置について炭素の析出による水素分離性能の低下を図るために鋭意検討をした。この結果、本発明者等は従来技術には下記のような問題があることを見出した。
(Knowledge that is the basis of the present invention)
The present inventors diligently studied the electrochemical device in order to reduce the hydrogen separation performance due to carbon deposition. As a result, the present inventors have found that the prior art has the following problems.
電気化学装置では、アノード電極及びカソード電極において上記(式1)、(式2)の反応が起こることにより、水素含有ガスから水素が分離する。 In the electrochemical device, hydrogen is separated from the hydrogen-containing gas by the reactions of the above (formula 1) and (formula 2) occurring at the anode electrode and the cathode electrode.
また、炭化水素であるメタンは、(式3)により炭素が析出することが知られている。また、一酸化炭素の不均化反応(式4)によっても炭素が析出する場合があることも知られている。 In addition, it is known that methane, which is a hydrocarbon, precipitates carbon according to (Equation 3). It is also known that carbon may be deposited by carbon monoxide disproportionation (Formula 4).
CH4 ←→ C + 2H2 (式3)
2CO ←→ C + CO2 (式4)
電気化学セルに炭素が析出すると、析出した炭素がアノード電極の触媒層を閉塞する。これにより、アノード電極におけるガス拡散性が低下して、電気化学セルにおける水素分離性能が低下してしまう。
CH 4 ← → C + 2H 2 (Formula 3)
2CO ← → C + CO 2 (Formula 4)
When carbon deposits in the electrochemical cell, the deposited carbon closes the catalyst layer of the anode electrode. Thereby, the gas diffusibility in an anode electrode falls and the hydrogen separation performance in an electrochemical cell will fall.
アノード電極には、炭化水素及び水蒸気を含むガスが供給されている。このアノードに供給されるガス中の水蒸気とカーボンとのモル比(S/C)が低いと、炭素析出が生じ易くなる。しかしながら、S/Cを高くするほど、水から水蒸気を生成するための熱エネルギーが多くなるため、水素製造装置全体の効率が低下する。このため、効率及び炭素析出を勘案して、例えば、S/Cは2.0〜3.0程度に設定されている。 A gas containing hydrocarbon and water vapor is supplied to the anode electrode. When the molar ratio (S / C) between water vapor and carbon in the gas supplied to the anode is low, carbon deposition tends to occur. However, the higher the S / C, the greater the thermal energy for generating water vapor from the water, so the efficiency of the entire hydrogen production apparatus decreases. For this reason, considering efficiency and carbon deposition, for example, S / C is set to about 2.0 to 3.0.
このようなS/Cが設定されている状態であっても、起動時など電気化学セルの温度が十分に昇温できていない状態で水素分離を行うと、炭素が析出することがある。 Even in such a state where S / C is set, carbon may be deposited when hydrogen separation is performed in a state where the temperature of the electrochemical cell is not sufficiently raised, such as at the time of startup.
これに対し、特許文献1及び2のいずれにおいても、炭素析出を低減し、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下を軽減することについて記載されていない。
On the other hand, neither of
本発明の一態様は、上記知見に基づいてなされたものであり、アノード電極とカソード電極との間を流れる電流値の上限値を水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する。これにより、炭素析出を低減し、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下が軽減される。 One aspect of the present invention has been made on the basis of the above knowledge, and the upper limit value of the current value flowing between the anode electrode and the cathode electrode is determined with respect to a change in at least one of the temperature and the flow rate of the hydrogen-containing gas. Change to a positive correlation. Thereby, carbon deposition is reduced, and a decrease in hydrogen separation performance due to carbon deposition is reduced as compared with the prior art.
本発明の実施の第1態様に係る電気化学装置は、プロトンを伝導する電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられ、且つ燃料から生成された水素含有ガス中の水素をプロトンと電子に分離するアノード電極と、前記電解質膜の他方の主面に設けられ、且つプロトンと電子から水素を生成するカソード電極とを備える電気化学セルと、前記カソード電極と前記アノード電極とに電流を流す電流制御器と、前記カソード電極と前記アノード電極との間を流れる電流値の上限値を前記水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する上限変更器とを備える。 An electrochemical device according to a first embodiment of the present invention includes an electrolyte membrane that conducts protons, and hydrogen in a hydrogen-containing gas that is provided on one main surface of the electrolyte membrane and that is generated from fuel. An electrochemical cell comprising an anode electrode that separates electrons, a cathode electrode that is provided on the other main surface of the electrolyte membrane and generates hydrogen from protons and electrons, and a current to the cathode electrode and the anode electrode A current controller to flow, and an upper limit value of a current value flowing between the cathode electrode and the anode electrode is changed so as to have a positive correlation with a change in at least one of the temperature and flow rate of the hydrogen-containing gas. And an upper limit changer.
この構成によれば、水素含有ガスの温度及び/又は流量が変化した場合であっても、この変化に応じて電流値の上限値を変更する。この上限値以下に電流値が制限されることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。よって、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下が軽減される。 According to this configuration, even if the temperature and / or flow rate of the hydrogen-containing gas changes, the upper limit value of the current value is changed according to this change. By limiting the current value below this upper limit, carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced. Therefore, a decrease in hydrogen separation performance due to carbon deposition is reduced as compared with the conventional case.
本発明の実施の第2態様に係る電気化学装置は、第1態様において、前記上限変更器は、前記水素含有ガスの温度が上昇すると、前記上限値を変更前の値よりも大きい値に変更してもよい。この構成によれば、水素含有ガスの温度が上昇し、炭素析出が生じ難くなると、上限値を大きくする。これにより、水素含有ガスによる炭素析出を低減しながら水素含有ガスから水素を分離する量を増やし、水素分離性能の向上が図られる。 In the electrochemical device according to the second aspect of the present invention, in the first aspect, the upper limit changer changes the upper limit value to a value larger than the value before the change when the temperature of the hydrogen-containing gas increases. May be. According to this configuration, when the temperature of the hydrogen-containing gas rises and carbon deposition hardly occurs, the upper limit value is increased. As a result, the amount of hydrogen separated from the hydrogen-containing gas is increased while reducing carbon deposition due to the hydrogen-containing gas, and the hydrogen separation performance is improved.
本発明の実施の第3態様に係る電気化学装置は、第1態様において、前記上限変更器は、前記水素含有ガスの温度が低下すると、前記上限値を変更前の値よりも小さい値に変更してもよい。この構成によれば、水素含有ガスの温度が低下し、炭素析出が生じ易くなっても、上限値を低下させることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。 The electrochemical device according to a third aspect of the present invention is the electrochemical device according to the first aspect, wherein when the temperature of the hydrogen-containing gas decreases, the upper limit changer changes the upper limit value to a value smaller than the value before the change. May be. According to this configuration, even if the temperature of the hydrogen-containing gas decreases and carbon deposition is likely to occur, the carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced by reducing the upper limit value.
本発明の実施の第4態様に係る電気化学装置は、第1態様において、前記上限変更器は、前記水素含有ガスの流量が増加すると、前記上限値を変更前の値よりも大きい値に変更してもよい。この構成によれば、水素含有ガスの流量が増加し、炭素析出が生じ難くなると、上限値を大きくする。これにより、水素含有ガスによる炭素析出を低減しながら、水素分離性能の向上が図られる。 The electrochemical device according to a fourth aspect of the present invention is the electrochemical device according to the first aspect, wherein the upper limit changer changes the upper limit value to a value larger than the value before the change when the flow rate of the hydrogen-containing gas increases. May be. According to this configuration, when the flow rate of the hydrogen-containing gas increases and carbon deposition is difficult to occur, the upper limit value is increased. As a result, the hydrogen separation performance can be improved while reducing carbon deposition due to the hydrogen-containing gas.
本発明の実施の第5態様に係る電気化学装置は、第1態様において、前記上限変更器は、前記水素含有ガスの流量が減少すると、前記上限値を変更前の値よりも小さい値に変更してもよい。この構成によれば、水素含有ガスの流量が減少し、炭素析出が生じ易くなっても、上限値を低下させることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。 In an electrochemical device according to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the upper limit changer changes the upper limit value to a value smaller than a value before the change when the flow rate of the hydrogen-containing gas decreases. May be. According to this configuration, even if the flow rate of the hydrogen-containing gas is reduced and carbon deposition is likely to occur, the carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced by lowering the upper limit value.
本発明の実施の第6態様に係る電気化学装置は、第1態様において、前記上限変更器は、前記水素含有ガスの圧力の変化に対して負の相関となるよう前記上限値を変更してもよい。この構成によれば、水素含有ガスの圧力が変化した場合であっても、この変化に応じて電流値の上限値を変更する。この上限値以下に電流値が制限されることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。よって、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下が軽減される。 The electrochemical device according to a sixth aspect of the present invention is the electrochemical device according to the first aspect, wherein the upper limit changer changes the upper limit value so as to have a negative correlation with a change in the pressure of the hydrogen-containing gas. Also good. According to this configuration, even when the pressure of the hydrogen-containing gas changes, the upper limit value of the current value is changed according to this change. By limiting the current value below this upper limit, carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced. Therefore, a decrease in hydrogen separation performance due to carbon deposition is reduced as compared with the conventional case.
本発明の実施の第7態様に係る電気化学装置は、第6態様において、前記上限変更器は、前記水素含有ガスの圧力が上昇すると、前記上限値を変更前の値よりも小さい値に変更してもよい。この構成によれば、水素含有ガスの圧力が上昇し、炭素析出が生じ易くなっても、上限値を低下させることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。 In an electrochemical device according to a seventh aspect of the present invention, in the sixth aspect, when the pressure of the hydrogen-containing gas increases, the upper limit changer changes the upper limit value to a value smaller than the value before the change. May be. According to this configuration, even if the pressure of the hydrogen-containing gas increases and carbon deposition is likely to occur, the carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced by lowering the upper limit value.
本発明の実施の第8態様に係る電気化学装置は、第6態様において、前記上限変更器は、前記水素含有ガスの圧力が低下すると、前記上限値を変更前の値よりも大きい値に変更してもよい。この構成によれば、水素含有ガスの圧力が低下し、炭素析出が生じ難くなると、上限値を大きくする。これにより、水素含有ガスによる炭素析出を低減しながら、水素分離性能の向上が図られる。 In an electrochemical device according to an eighth aspect of the present invention, in the sixth aspect, when the pressure of the hydrogen-containing gas decreases, the upper limit changer changes the upper limit value to a value greater than the value before the change. May be. According to this configuration, the upper limit value is increased when the pressure of the hydrogen-containing gas decreases and carbon deposition hardly occurs. As a result, the hydrogen separation performance can be improved while reducing carbon deposition due to the hydrogen-containing gas.
本発明の実施の第9態様に係る電気化学装置は、第1乃至8のいずれかの態様において、前記水素含有ガスの温度は、前記アノード電極上の水素含有ガスの温度及び前記アノード電極を通過した水素含有ガスの温度のうち低い方の温度であってもよい。この構成によれば、例えば、アノード電極の通過後に放熱等によって水素含有ガスの温度が低下した場合であっても、この低い温度に基づいて電流値の上限値を変更する。この上限値以下に電流値が制限されることにより、アノード電極の通過後の水素含有ガスの流路における炭素析出が低減される。よって、従来に比べ炭素の析出による水素分離性能の低下が軽減される。 The electrochemical device according to a ninth aspect of the present invention is the electrochemical device according to any one of the first to eighth aspects, wherein the temperature of the hydrogen-containing gas passes through the temperature of the hydrogen-containing gas on the anode electrode and the anode electrode. The lower one of the temperatures of the hydrogen-containing gas may be used. According to this configuration, for example, even when the temperature of the hydrogen-containing gas is decreased due to heat dissipation after passing through the anode electrode, the upper limit value of the current value is changed based on this low temperature. By limiting the current value below this upper limit, carbon deposition in the flow path of the hydrogen-containing gas after passing through the anode electrode is reduced. Therefore, a decrease in hydrogen separation performance due to carbon deposition is reduced as compared with the conventional case.
本発明の実施の第10態様に係る電気化学装置は、第1乃至9のいずれかの態様において、前記燃料を改質して前記水素含有ガスを生成する改質器をさらに備えてもよい。この構成によれば、改質器によって生成された水素含有ガスが電気化学セルに供給される場合であっても、水素含有ガスの温度等の変化に応じて電流値の上限値を変更する。この上限値以下に電流値が制限されることにより、電気化学セルにおける炭素析出が低減される。 The electrochemical device according to a tenth aspect of the present invention may further include a reformer that reforms the fuel to generate the hydrogen-containing gas in any one of the first to ninth aspects. According to this configuration, even when the hydrogen-containing gas generated by the reformer is supplied to the electrochemical cell, the upper limit value of the current value is changed according to a change in the temperature or the like of the hydrogen-containing gas. By limiting the current value below this upper limit, carbon deposition in the electrochemical cell is reduced.
本発明の実施の第11態様に係る電気化学装置の運転方法は、プロトンを伝導する電解質膜の一方の主面に設けられ、且つ燃料から生成された水素含有ガス中の水素をプロトンと電子に分離するアノード電極と、前記電解質膜の他方の主面に設けられ、且つプロトンと電子から水素を生成するカソード電極とに電流を流すステップ(a)と、電流値の上限値を前記水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更するステップ(b)とを備える。この方法によれば、水素含有ガスの温度及び/又は流量が変化した場合であっても、この変化に応じて電流値の上限値を変更する。この上限値以下に電流値が制限されることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減されて、炭素の析出による水素分離性能の低下が従来に比べ軽減される。 An electrochemical device operating method according to an eleventh embodiment of the present invention is provided on one main surface of an electrolyte membrane that conducts protons, and hydrogen in a hydrogen-containing gas generated from fuel is converted into protons and electrons. A step (a) of supplying a current to an anode electrode to be separated and a cathode electrode which is provided on the other main surface of the electrolyte membrane and generates hydrogen from protons and electrons; and an upper limit value of a current value is set to the hydrogen-containing gas. (B) which changes so that it may become a positive correlation with respect to the change of at least any one of temperature and flow volume of this. According to this method, even if the temperature and / or flow rate of the hydrogen-containing gas changes, the upper limit value of the current value is changed according to this change. By limiting the current value below this upper limit value, carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced, and a decrease in hydrogen separation performance due to carbon deposition is mitigated compared to the conventional case.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout all the drawings, and redundant description thereof is omitted.
(実施の形態)
図1は、実施の形態に係る電気化学装置100の構成を概略的に示すブロック図である。電気化学装置100は、電気化学セル1、制御器2及び上限変更器3を備えている。また、電気化学装置100は、第1供給経路4、燃料供給器5、第2供給経路6、水供給器7、蒸発器8、第1排出経路9、燃焼器10、空気供給器11、第3供給経路12、第2排出経路13、第1温度検知器14、電圧印加線15を備えていてもよい。
(Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of an
電気化学セル1は、電解質膜1a、アノード電極1b及びカソード電極1cを備える。電解質膜1aはプロトンを伝導する膜(プロトン伝導膜)である。アノード電極1bは、電解質膜1aの一方の主面に設けられ、且つ燃料から生成された水素含有ガス中の水素をプロトンと電子に分離する電極である。アノード電極1bは、燃料を改質して水素を含む水素含有ガスを生成する改質機能を有する。カソード電極1cは、電解質膜1aの他方の主面に設けられ、且つプロトンと電子から水素を生成する電極である。この電解質膜1a、カソード電極1c及びアノード電極1bにより膜電極接合体が構成される。
The
第1供給経路4は、その上流端が燃料供給源(図示せず)に接続し、下流端が電気化学セル1のアノード電極1bの流路に接続する。燃料供給源としては、例えば、燃料ボンベ及び燃料インフラストラクチャなどが例示される。燃料としては、例えば、天然ガス(都市ガス)及びプロパンガス等の炭化水素系燃料、並びに、外部に設けられた改質器等によって得られた水素含有ガス等がある。
The
燃料供給器5は、第1供給経路4に設けられ、電気化学セル1に燃料を供給する。燃料供給器5は、アノード電極1bに供給される燃料の流量(供給量)を調整する機能を有し、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプが用いられるが、これに限定されるものではない。
The
第2供給経路6は、その上流端が水供給源(図示せず)に接続し、下流端が燃料供給器5よりも下流側の第1供給経路4に接続する。水供給源としては、例えば、水道などが例示される。水道を水供給源に用いる場合には、イオン交換樹脂を用いる等、含有イオンを除去する構成を採ってもよい。
The second supply path 6 has an upstream end connected to a water supply source (not shown) and a downstream end connected to the
水供給器7は、第2供給経路6に設けられ、水を供給する。水供給器7は、水の流量(供給量)を調整する機能を有する。蒸発器8は、水供給器7よりも下流側の第2供給経路6に設けられ、水供給器7から供給される水を蒸発させる。
The
第1排出経路9は、その上流端がアノード電極1bの流路に接続し、アノード電極1bから排出されるアノードオフガスを排出する。アノードオフガスには、アノード電極1bにより改質されずに残った燃料、及び水素含有ガスから分離されずに残った水素等の可燃性ガスを含む。
The
空気供給器11は、大気等の空気供給源(図示せず)から燃焼器10に空気を供給する。空気供給器11は、燃焼器10に供給する空気の流量(供給量)を調整する機能を有する。
The
燃焼器10は、第1排出経路9に設けられる。燃焼器10は、第1排出経路9を介して供給されるアノードオフガスを、空気供給器11から供給される空気により燃焼し、電気化学セル1を加熱する。なお、燃焼器10と共に又は燃焼器10に代えて、電気化学セル1を加熱するヒータが設けられていてもよい。
The
第3供給経路12は、その上流端がスイープガス供給源に接続し、下流端が電気化学セル1のカソード電極1cの流路に接続する。カソード電極1cにおいて生成した水素を効率よく搬送するため、スイープガスが第3供給経路12を介してカソード電極1cに供給される。スイープガスとして、水蒸気及び窒素等が例示されるが、これに限定されない。
The
第2排出経路13は、その上流端がカソード電極1cの流路に接続し、下流端が水素利用機器及び水素貯蔵機器等の機器(図示せず)に接続する。水素含有ガスから分離された水素は、カソード電極1cから排出されて、第2排出経路13を通り、機器に供給される。
The
第1温度検知器14は、電気化学セル1のアノード電極1bにおける水素含有ガスの温度を検知する。本実施の形態では、第1温度検知器14が電気化学セル1のアノード電極1bの流路上に配置されている。第1温度検知器14は、水素含有ガスの温度を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。つまり、アノード電極1bの流路中に第1温度検知器14を設け、水素含有ガスの温度を直接的に検知しても構わない。又は、水素含有ガスの温度と相関する所定の箇所(例えば、アノード電極1bの流路を形成する配管の表面又はその周辺)に第1温度検知器14を設け、アノードガスの温度を間接的に検知しても構わない。第1温度検知器14として、熱電対又はサーミスタが例示される。
The
電圧印加線15は、アノード電極1b及びカソード電極1cと、電源(図示せず)とに接続する。電圧印加線15によりアノード電極1bとカソード電極1cとの間に電圧が印加される。電源は、この実施の形態では電気化学装置100の外部に設けられる外部電源であるが、電気化学装置100に備えられていてもよい。電源には、アノード電極1bとカソード電極1cとの間に印加する電圧を調整する電圧調整器(図示せず)が接続されている。電圧印加器(図示せず)は、電圧調整器及び電圧印加線15を備える。電圧印加器で両電極間に印加する電圧値を調整することで、アノード電極1bとカソード電極1cとの間を流れる電流量が調整される。つまり、電圧印加器は、電流調整器(図示せず)として機能する。なお、電流調整器は、このような形態に限定されず、電圧印加器とは別に両電極間を流れる電流量を調整する電流調整器を別途設けてもよい。このような電流調整器としては、コンバータ、インバータ等が例示される。このとき電圧印加器で両電力間に印加される電圧は一定で、コンバータ等の電流調整器で両電極間を流れる電流量が調整されてもよい。
The
制御器2は、電気化学装置100の各構成を制御する。制御器2は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器2は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、MPU、CPU等が例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器2は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
The controller 2 controls each component of the
制御器2は、燃料供給器5、水供給器7及び空気供給器11に信号を出力し、この信号の電流パルス及び電圧等を制御することによって各供給器の供給量を調整する。
The controller 2 outputs signals to the
制御器2は、カソード電極1cからアノード電極1bに電流を流す電流制御器としても機能する。制御器2は、電流調整器を制御することによって、電源によってカソード電極1cからアノード電極1bに流れる電流の電流値を制御する。なお、電流制御器は制御器2の一機能として制御器2に備えられているが、制御器2とは別に設けられていてもよい。
The controller 2 also functions as a current controller that allows current to flow from the
上限変更器3は、アノード電極1bとカソード電極1cとの間を流れる電流値の上限値を水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する。上限変更器3は、例えば、演算回路と、プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、MPU、CPU等が例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。上限変更器3は、制御器2とは別に設けられているが、制御器2の一機能として制御器2に備えられていてもよい。
The upper limit changer 3 changes the upper limit value of the current flowing between the
次に、実施の形態に係る電気化学装置100の運転方法について、図1〜図3を参照して説明する。この運転方法は、制御器2により制御される。
Next, an operation method of the
図1に示す電気化学装置100の起動指令が出力されると(ステップS1:YES)、燃料供給器5により燃料が燃焼器10に供給され、空気供給器11により空気が燃焼器10に供給される(ステップS2)。燃焼器10では燃料が空気により燃焼し、この燃焼熱により電気化学セル1が加熱される。
1 is output (step S1: YES), the fuel is supplied to the
電気化学セル1が所定の温度に達すると、水供給器7により水が供給される(ステップS3)。この水は蒸発器8により水蒸気に変えられ、水蒸気は燃料と混合し電気化学セル1のアノード電極1bに供給される。そして、制御器2は電圧印加線15を介してアノード電極1bからカソード電極1cに電流を流す(ステップS4)。
When the
これにより、燃料がアノード電極1bにおいて改質され、水素を含む水素含有ガスが生成する。この水素含有ガス中の水素はアノード電極1bにおいて水素イオン(プロトン)になり、この際に電子が放出される(上記式1)。プロトンは電解質膜1aを通り、カソード電極1cにおいて電子と反応し、水素が生成する(上記式2)。これにより、水素が水素含有ガスから分離され、第3供給経路12からのスイープガスと共に第2排出経路13を介して水素利用機器等に供給される。
Thereby, the fuel is reformed in the
ここで、アノード電極1bの水素含有ガスの温度及び/又は流量が変化すると(ステップS5:YES)、炭素が析出するおそれがある。水素含有ガスの温度は、第1温度検知器14から取得される。また、水素含有ガスの流量は、燃料供給器5により供給される燃料の供給量、及び水供給器7により供給される水の供給量等により変化する。このため、水素含有ガスの流量は燃料供給器5により供給される燃料の供給量及び水供給器7により供給される水の供給量の少なくともいずれか一方により求められる。
Here, if the temperature and / or flow rate of the hydrogen-containing gas of the
なお、上記ステップS5は、水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方を検知する検知器で検知された値に基づき、制御器2が水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方が変化したか否かを判定してもよい。つまり、水素含有ガスの流量を検出する流量検知器が電気化学装置100の水素含有ガスの流路に設けられていてもよい。この場合、流量検知器により検知された水素含有ガスの流量、及び/又は、第1温度検知器14により検知された水素含有ガスの温度に基づいてその変化を制御器2が判定する。
In step S5, the controller 2 changes at least one of the temperature and flow rate of the hydrogen-containing gas based on a value detected by a detector that detects at least one of the temperature and flow rate of the hydrogen-containing gas. It may be determined whether or not. In other words, a flow rate detector that detects the flow rate of the hydrogen-containing gas may be provided in the flow path of the hydrogen-containing gas of the
また、上記ステップS5では、制御器2が水素含有ガスの温度に相関する制御量及び流量に相関する制御量が変化させるか否かにより、制御器2は水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方が変化したか否かを判定してもよい。ここで、水素含有ガスの温度は、水素含有ガスの流量に比例する。このため、水素含有ガスの温度に相関する制御量とは、燃料供給器5により供給される燃料の供給量及び水供給器7により供給される水の供給量の少なくともいずれか一方である。また、水素含有ガスの流量に相関する制御量とは、例えば、燃料供給器5により供給される燃料の供給量及び水供給器7により供給される水の供給量の少なくともいずれか一方である。
In step S5, the controller 2 determines whether the controller 2 changes the control amount that correlates with the temperature of the hydrogen-containing gas and the control amount that correlates with the flow rate. It may be determined whether or not one of them has changed. Here, the temperature of the hydrogen-containing gas is proportional to the flow rate of the hydrogen-containing gas. For this reason, the control amount correlated with the temperature of the hydrogen-containing gas is at least one of the supply amount of fuel supplied by the
そこで、炭素の析出を低減するために、上限変更器3は、アノード電極1bとカソード電極1cとの間を流れる電流値の上限値Imを水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する(ステップS6)。そして、制御器2は電気化学セル1に流す電流値を上限値Im以下に制御する(ステップS7)。
Therefore, in order to reduce carbon deposition, the upper limit changer 3 changes the upper limit value Im of the current value flowing between the
具体的には、まず、上限変更器3は、燃料の供給量及び水蒸気の供給量を制御器2から取得する。なお、燃料の組成は燃料供給源に応じて予め求められている。 Specifically, first, the upper limit changer 3 acquires the fuel supply amount and the water vapor supply amount from the controller 2. The fuel composition is determined in advance according to the fuel supply source.
そして、上限変更器3は、燃料の組成、並びに、燃料及び水蒸気の各供給量に基づいて、アノード電極1bにおける水素含有ガスの単位時間当たりの供給量(流量)中に含まれる炭素原子量X、水素原子量Y、及び酸素原子量Zを算出する。また、上限変更器3は、アノード電極1bにおける水素含有ガスの温度を第1温度検知器14から取得する。
And the upper limit changer 3 is based on the composition of the fuel and the supply amounts of the fuel and water vapor, and the amount of carbon atoms X contained in the supply amount (flow rate) of the hydrogen-containing gas per unit time in the
そして、上限変更器3は、計算のため、パラメータ(炭素原子量X、酸素原子量Z、アノード電極1bにおける水素含有ガスの温度及びアノード電極1bにおける水素含有ガスの圧力P0の各値)を固定する。なお、アノード電極1bにおける水素含有ガスの圧力P0は、電気化学セル1における水素の分離量等に応じて実験及び計算等により予め求められている。
And the upper limit changer 3 fixes the parameters (carbon atom weight X, oxygen atom weight Z, the temperature of the hydrogen-containing gas at the
それから、上限変更器3は、水素原子量Yを減じていき、水素含有ガスについて熱力学平衡計算を行う。これにより、上限変更器3は、水素含有ガスの流量中に含まれる水素原子量Yについて、炭素析出が起こらない最小の水素原子量を水素原子の限界量YLとして求める。 Then, the upper limit changer 3 reduces the hydrogen atom amount Y and performs thermodynamic equilibrium calculation for the hydrogen-containing gas. Thereby, the upper limit changer 3 calculates | requires the minimum amount of hydrogen atoms in which carbon deposition does not occur as a limit amount YL of hydrogen atoms for the amount of hydrogen atoms Y included in the flow rate of the hydrogen-containing gas.
なお、この水素原子の限界量YLを求める度に、上限変更器3は熱力学平衡計算を行ってもよい。また、上限変更器3は、熱力学平衡計算に代えて、熱力学平衡計算により予め求められたテーブルを参照して、水素原子の限界量YLを求めてもよい。 The upper limit changer 3 may perform thermodynamic equilibrium calculation each time the limit amount YL of hydrogen atoms is obtained. Further, the upper limit changer 3 may obtain the limit amount YL of hydrogen atoms by referring to a table obtained in advance by thermodynamic equilibrium calculation instead of the thermodynamic equilibrium calculation.
さらに、プロトン伝導体が、H2Oを取り込むことによってプロトン伝導性を発現する場合、プロトン伝導体の温度及びプロトン伝導体における水素含有ガスの圧力に応じた量のH2O(水素原子2個、酸素原子1個)が減じる。このため、水素含有ガス中の水素分圧及び酸素分圧が低下する。よって、これらの圧力を水素含有ガスの圧力P0から減じて、水素原子の限界量YLを求めてもよい。ただし、電気化学セル1において水素分離が可能な状態になるまでにH2Oはプロトン伝導体内部に取り込まれていることが多いため、水素分圧及び酸素分圧の低下は無視してもよい。
Further, when the proton conductor exhibits proton conductivity by incorporating H 2 O, an amount of H 2 O (two hydrogen atoms) according to the temperature of the proton conductor and the pressure of the hydrogen-containing gas in the proton conductor. , One oxygen atom) is reduced. For this reason, the hydrogen partial pressure and oxygen partial pressure in the hydrogen-containing gas are reduced. Therefore, these pressures may be subtracted from the pressure P0 of the hydrogen-containing gas to determine the limit amount YL of hydrogen atoms. However, since H 2 O is often taken into the proton conductor before the hydrogen separation is possible in the
また、水素原子の限界量YLを求める他の方法として、例えば図2のC−H−O三元図を用いる方法がある。図2は、500℃及び600℃における炭素析出領域を示すC−H−O三元図(C:H:O比率情報)である。このC−H−O三元図には、燃料をメタンとし、S/Cを2.0にした所定の圧力下における状態で水素を分離した場合の水素含有ガスの組成(境界線)がプロットされている。なお、以下では燃料にメタンを用いた場合について説明するが、他の燃料を用いた場合についても同様であるため、その説明を省略する。 As another method for obtaining the limit amount YL of hydrogen atoms, for example, there is a method using the C-H-O ternary diagram of FIG. FIG. 2 is a C—H—O ternary diagram (C: H: O ratio information) showing carbon deposition regions at 500 ° C. and 600 ° C. FIG. This C-H-O ternary diagram plots the composition (boundary line) of the hydrogen-containing gas when hydrogen is separated under a predetermined pressure with methane as the fuel and S / C at 2.0. Has been. In addition, although the case where methane is used for fuel is demonstrated below, since it is the same also when the other fuel is used, the description is abbreviate | omitted.
図2のC−H−O三元図では、実線が、電気化学セル1のアノード電極1bにおける水素含有ガスの単位時間当たりの供給量(流量)中に含まれる炭素原子量、水素原子量及び酸素原子量の割合(水素含有ガスの組成)(%)を示す。また、点線は、500℃で炭素の析出が生じる水素含有ガスの組成を示す線(境界線)である。一点鎖線は、600℃で炭素の析出が生じる水素含有ガスの組成を示す線(境界線)である。これらの線よりも上側(炭素原子の割合が大きい側)の領域(炭素の析出領域)で熱力学的には炭素が析出する。
In the C—H—O ternary diagram of FIG. 2, the solid lines indicate the amount of carbon atoms, the amount of hydrogen atoms, and the amount of oxygen atoms contained in the supply amount (flow rate) of the hydrogen-containing gas per unit time in the
例えば、図2の実線上の点Xの組成の水素含有ガスは、500℃の境界線よりも上側であって600℃の境界線よりも下側の炭素析出領域に位置している。このため、電気化学セル1のアノード電極1bにおける水素含有ガスの温度が600℃以上である場合には、アノード電極1bに炭素析出が生じない。ただし、この水素含有ガスの温度が500℃以下である場合、アノード電極1bに炭素析出が生じる。
For example, the hydrogen-containing gas having the composition of point X on the solid line in FIG. 2 is located in the carbon deposition region above the 500 ° C. boundary line and below the 600 ° C. boundary line. For this reason, when the temperature of the hydrogen-containing gas in the
これに対し、実線上において水素の割合が増加する方向に水素含有ガスの組成を変化させる。これにより、水素含有ガスの組成が500℃の炭素析出領域の境界線よりも下側に位置するようになり、炭素析出が回避される。 On the other hand, the composition of the hydrogen-containing gas is changed in the direction in which the proportion of hydrogen increases on the solid line. Thereby, the composition of the hydrogen-containing gas is located below the boundary line of the carbon deposition region at 500 ° C., and carbon deposition is avoided.
このように、炭素析出領域を示すC−H−O三元図(炭素析出限界のC:H:O比率情報)と水素含有ガスの温度とによって炭素析出が生じる水素含有ガスの流量が求められる。よって、上限変更器3は、アノード電極1bにおける水素含有ガスの温度を第1温度検知器14から取得する。そして、上限変更器3は、炭素析出限界のC:H:O比率情報と、水素含有ガスの温度とに基づいて、炭素が析出しない水素原子量を水素原子の限界量YLとして求める。
Thus, the flow rate of the hydrogen-containing gas at which carbon deposition occurs is determined by the C—H—O ternary diagram (carbon deposition limit C: H: O ratio information) indicating the carbon deposition region and the temperature of the hydrogen-containing gas. . Therefore, the upper limit changer 3 acquires the temperature of the hydrogen-containing gas at the
このようにして水素原子の限界量YLが求まると、上限変更器3は水素原子量Yから水素原子の限界量YLを引いた値を、炭素析出を回避可能な水素分離の上限量として求める。上限変更器3は、水素含有ガスがアノード電極1bを通過する時間を考慮し、上限量から、電気化学セル1に与える電子数の上限値を求める。この上限量と電子数の上限値との対応関係は、テーブル等の形式で、計算等により予め求められている。そして、上限変更器3は、電子数の上限値を電流値の上限値Imに変換して、この値に電流値の上限値を変更する(ステップS6)。
When the limit amount YL of hydrogen atoms is determined in this way, the upper limit changer 3 determines a value obtained by subtracting the limit amount YL of hydrogen atoms from the hydrogen atom amount Y as the upper limit amount of hydrogen separation that can avoid carbon deposition. The upper limit changer 3 determines the upper limit value of the number of electrons given to the
制御器2は、例えば、電流調整器を制御して、電圧印加線15を介してアノード電極1bからカソード電極1cへ流れる電流値を電流値の上限値Im以下に制限する(ステップS7)。なお、電子数の上限値から変換した電流値の上限値に、所定の安全率を乗じた電流値を上限値Imとしてもよい。
For example, the controller 2 controls the current regulator to limit the current value flowing from the
この電流値の上限値Imは、水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関がある。例えば、図2に示す場合には、水素原子量が80%以下では、水素含有ガスの温度が高いほど、炭素析出が生じる水素原子の限界量YLが減少する。また、電流値が同じ場合、水素含有ガスの流量が増えるほど、水素分離により水素含有ガスの組成が変化する割合が小さくなり、炭素析出が生じる水素原子の限界量YLが減少する。このように、限界量YLが減少するほど、炭素析出を回避可能な水素分離の上限量が増し、電気化学セル1に与える電子数の上限値、延いては電流値の上限値Imが高くなる。
The upper limit value Im of this current value has a positive correlation with changes in at least one of the temperature and flow rate of the hydrogen-containing gas. For example, in the case shown in FIG. 2, when the amount of hydrogen atoms is 80% or less, the higher the temperature of the hydrogen-containing gas, the lower the limit amount YL of hydrogen atoms that cause carbon deposition. Further, when the current value is the same, as the flow rate of the hydrogen-containing gas increases, the rate at which the composition of the hydrogen-containing gas changes due to hydrogen separation decreases, and the limit amount YL of hydrogen atoms that cause carbon deposition decreases. Thus, as the limit amount YL decreases, the upper limit amount of hydrogen separation that can avoid carbon deposition increases, and the upper limit value of the number of electrons given to the
このように、上限変更器3は、電流値の上限値Imを水素含有ガスの温度の変化に対して正の相関となるよう変更する。これにより、水素含有ガスの温度が変化する場合であっても、アノード電極1bで水素含有ガスによる炭素析出が低減されるため、電気化学セル1の性能低下が従来に比べ軽減される。
As described above, the upper limit changer 3 changes the upper limit value Im of the current value so as to have a positive correlation with the change in the temperature of the hydrogen-containing gas. Accordingly, even when the temperature of the hydrogen-containing gas changes, carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced at the
つまり、上限変更器3は、水素含有ガスの温度が上昇すると、電流値の上限値Imをその変更前の値よりも大きい値に変更する。これによれば、水素含有ガスの温度が上昇し、炭素析出が生じ難くなると、上限値を大きくする。これにより、水素含有ガスによる炭素析出を低減しながら水素含有ガスから水素を分離する量を増やし、水素分離性能の向上が図られる。 That is, when the temperature of the hydrogen-containing gas rises, the upper limit changer 3 changes the upper limit value Im of the current value to a value larger than the value before the change. According to this, when the temperature of the hydrogen-containing gas rises and carbon deposition hardly occurs, the upper limit value is increased. As a result, the amount of hydrogen separated from the hydrogen-containing gas is increased while reducing carbon deposition due to the hydrogen-containing gas, and the hydrogen separation performance is improved.
一方、上限変更器3は、水素含有ガスの温度が低下すると、電流値の上限値Imをその変更前の値よりも小さい値に変更する。これによれば、水素含有ガスの温度が低下し、炭素析出が生じ易くなっても、上限値を低下させることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。 On the other hand, when the temperature of the hydrogen-containing gas decreases, the upper limit changer 3 changes the upper limit value Im of the current value to a value smaller than the value before the change. According to this, even if the temperature of the hydrogen-containing gas decreases and carbon deposition is likely to occur, the carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced by reducing the upper limit value.
また、上限変更器3は、電流値の上限値Imを水素含有ガスの流量の変化に対して正の相関となるよう変更する。これにより、水素含有ガスの流量が変化する場合であっても、アノード電極1bで水素含有ガスによる炭素析出が低減されるため、電気化学セル1の性能低下が従来に比べ軽減される。
Further, the upper limit changer 3 changes the upper limit value Im of the current value so as to have a positive correlation with the change in the flow rate of the hydrogen-containing gas. Thereby, even when the flow rate of the hydrogen-containing gas changes, carbon deposition due to the hydrogen-containing gas at the
つまり、上限変更器3は、水素含有ガスの流量が増加すると、電流値の上限値Imをその変更前の値よりも大きい値に変更する。これによれば、水素含有ガスの流量が増加し、炭素析出が生じ難くなると、上限値を大きくする。これにより、水素含有ガスによる炭素析出を低減しながら、水素分離性能の向上が図られる。 That is, when the flow rate of the hydrogen-containing gas increases, the upper limit changer 3 changes the upper limit value Im of the current value to a value larger than the value before the change. According to this, when the flow rate of the hydrogen-containing gas increases and the carbon deposition hardly occurs, the upper limit value is increased. As a result, the hydrogen separation performance can be improved while reducing carbon deposition due to the hydrogen-containing gas.
一方、上限変更器3は、水素含有ガスの流量が減少すると、電流値の上限値Imをその変更前の値よりも小さい値に変更する。これによれば、水素含有ガスの流量が減少し、炭素析出が生じ易くなっても、上限値を低下させることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。 On the other hand, when the flow rate of the hydrogen-containing gas decreases, the upper limit changer 3 changes the upper limit value Im of the current value to a value smaller than the value before the change. According to this, even if the flow rate of the hydrogen-containing gas decreases and carbon deposition is likely to occur, the carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced by lowering the upper limit value.
なお、上記例では、上限変更器3は、炭素原子量X、水素原子量Y及び酸素原子量Zと、第1温度検知器14から取得した水素含有ガスの温度と、熱力学平衡計算または図2に示すC−H−O三元図とに基づいて水素分離の上限量を算定し、最終的に電流の上限値を算定したが、本例に限定されるものではない。
In the above example, the upper limit changer 3 includes the carbon atom weight X, the hydrogen atom weight Y, and the oxygen atom weight Z, the temperature of the hydrogen-containing gas obtained from the
例えば、上限変更器3は、水素含有ガスの温度及び水素含有ガスの流量の少なくともいずれか一方と、電流値の上限値とを対応付けしたテーブルが、上限変更器3の記憶部に記憶されていてもよい。この場合、変化後の水素含有ガスの温度及び水素含有ガスの流量の少なくともいずれか一方の値と、上記テーブルとに基づき選択された電流の上限値を設定するよう構成されても構わない。 For example, the upper limit changer 3 stores a table in which at least one of the temperature of the hydrogen-containing gas and the flow rate of the hydrogen-containing gas is associated with the upper limit value of the current value in the storage unit of the upper limit changer 3. May be. In this case, the upper limit value of the current selected based on at least one of the temperature of the hydrogen-containing gas after the change and the flow rate of the hydrogen-containing gas and the above table may be set.
(変形例1)
実施の形態の変形例1に係る電気化学装置100は、図4に示すように圧力検知器16をさらに備えていてもよい。圧力検知器16は、電気化学セル1のアノード電極1b上の水素含有ガスの圧力を検出する。圧力検知器16は、アノード電極1b上の水素含有ガスの圧力を直接的又は間接的に検知できれば、どのような構成であっても構わない。
(Modification 1)
The
上限変更器3は、圧力検知器16により検知されたアノード電極1b上の水素含有ガスの圧力を取得する。そして、上限変更器3は、水素含有ガスの圧力の変化に対して負の相関となるよう上限値Imを変更する。これによれば、水素含有ガスの圧力が変化した場合であっても、この変化に応じて電流値の上限値を変更する。この上限値以下に電流値が制限されることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。よって、炭素の析出による水素分離性能の低下が従来に比べ軽減される。
The upper limit changer 3 acquires the pressure of the hydrogen-containing gas on the
つまり、上限変更器3は、水素含有ガスの圧力が上昇すると、上限値を変更前の値よりも小さい値に変更する。これによれば、水素含有ガスの圧力が上昇し、炭素析出が生じ易くなっても、上限値を低下させることにより、水素含有ガスによる炭素析出が低減される。 That is, when the pressure of the hydrogen-containing gas increases, the upper limit changer 3 changes the upper limit value to a value smaller than the value before the change. According to this, even if the pressure of the hydrogen-containing gas increases and carbon deposition is likely to occur, the carbon deposition due to the hydrogen-containing gas is reduced by lowering the upper limit value.
一方、上限変更器3は、水素含有ガスの圧力が低下すると、上限値を変更前の値よりも大きい値に変更する。これによれば、水素含有ガスの圧力が低下し、炭素析出が生じ難くなると、上限値を大きくする。これにより、水素含有ガスによる炭素析出を低減しながら、水素分離性能の向上が図られる。 On the other hand, when the pressure of the hydrogen-containing gas decreases, the upper limit changer 3 changes the upper limit value to a value larger than the value before the change. According to this, the upper limit value is increased when the pressure of the hydrogen-containing gas decreases and carbon deposition hardly occurs. As a result, the hydrogen separation performance can be improved while reducing carbon deposition due to the hydrogen-containing gas.
(変形例2)
実施の形態の変形例2に係る電気化学装置100は、図5に示すように第2温度検知器17を備えていてもよい。第2温度検知器17は、アノード電極1bを通過した水素含有ガスの温度を検知する。例えば、第2温度検知器17は、第1排出経路9に設けられる。第2温度検知器17は、アノード電極1bを通過した水素含有ガスの温度を直接的又は間接的に検知できれば、第1温度検知器14と同様にどのような構成であっても構わない。第2温度検知器17として、熱電対又はサーミスタが例示される。
(Modification 2)
The
このアノード電極1bを通過した水素含有ガスも燃料などの炭化水素及び一酸化炭素を含む。このため、放熱などにより第1排出経路9の水素含有ガスの温度が低くなると、第1排出経路9でも炭素の析出が生じる可能性がある。
The hydrogen-containing gas that has passed through the
よって、上限変更器3は、カソード電極1cとアノード電極1bとの間を流れる電流値の上限値を水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する。この水素含有ガスの温度は、アノード電極1b上の水素含有ガスの温度及びアノード電極1bを通過した水素含有ガスの温度のうち低い方の温度である。
Therefore, the upper limit changer 3 changes the upper limit value of the current flowing between the
本例では、アノード電極1b上の水素含有ガスの温度よりもアノード電極1bを通過した水素含有ガスの温度が低い場合を想定しており、第2温度検知器17で検知された温度を水素含有ガスの温度として用いている。なお、アノード電極1b上の水素含有ガスの温度がアノード電極1bを通過した水素含有ガスの温度よりも低い場合、図1に示す上記実施の形態に記載の第1温度検知器14で検知された温度を水素含有ガスの温度として用いる。
In this example, it is assumed that the temperature of the hydrogen-containing gas that has passed through the
このように、上限変更器3は、電流値の上限値を、アノード電極1b上の水素含有ガスの温度及びアノード電極1bを通過した水素含有ガスの温度のうち低い方の温度の変化に対して正の相関となるよう変更する。又は、上限変更器3は、電流値の上限値を、水素含有ガスの低い方の温度と水素含有ガスの流量との変化に対して正の相関となるよう変更してもよい。これにより、水素含有ガスの圧力が変化しても、アノード電極1b及び第1排出経路9における炭素析出が低減され、電気化学装置100の性能低下の従来に比べ軽減が図られる。
Thus, the upper limit changer 3 sets the upper limit value of the current value to the lower temperature change of the temperature of the hydrogen-containing gas on the
なお、図5の電気化学装置100は、図4の圧力検知器16をさらに備えていてもよい。この場合、図5の電気化学装置100は図4の電気化学装置100と同じ構成を有することにより、これと同じ作用、効果を奏する。
The
(変形例3)
実施の形態の変形例3に係る電気化学装置100は、図6に示すように改質器18をさらに備えていてもよい。改質器18は、燃料を改質して水素含有ガスを生成する。改質器18における改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応及び部分酸化反応等が挙げられる。なお、各改質反応において必要となる機器(図示せず)は適宜設けられる。
(Modification 3)
The
この場合も、図6の電気化学装置100は、図1の電気化学装置100と同じ構成を有することにより、図1の電気化学装置100と同じ作用、効果を奏する。
Also in this case, the
なお、図6の電気化学装置100は、図4の圧力検知器16をさらに備えていてもよい。この場合、図6の電気化学装置100は図4の電気化学装置100と同じ構成を有することにより、これと同じ作用、効果を奏する。
Note that the
また、図6の電気化学装置100は、図5の第2温度検知器17をさらに備えていてもよい。この場合も、図5の電気化学装置100と同じ構成を有することにより、図5の電気化学装置100と同じ作用、効果を奏する。
Moreover, the
さらに、図6の電気化学装置100は、図4の圧力検知器16及び図5の第2温度検知器17をさらに備えていてもよい。
Furthermore, the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良及び他の実施の形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are apparent to persons skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明に係る電気化学装置及びその運転方法は、従来に比べ炭素の析出による発電性能の低下が軽減される電気化学装置及びその運転方法等として有用である。 The electrochemical device and the operation method thereof according to the present invention are useful as an electrochemical device and an operation method thereof, etc., in which a decrease in power generation performance due to carbon deposition is reduced as compared with the conventional one.
1 :電気化学セル
1a :電解質膜
1b :アノード電極
1c :カソード電極
2 :制御器(電流制御器)
3 :上限変更器
18 :改質器
100 :電気化学装置
1:
3: Upper limit changer 18: Reformer 100: Electrochemical device
Claims (11)
前記カソード電極と前記アノード電極とに電流を流す電流制御器と、
前記カソード電極と前記アノード電極との間を流れる電流値の上限値を前記水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更する上限変更器とを備える、電気化学装置。 An electrolyte membrane that conducts protons, an anode electrode that is provided on one main surface of the electrolyte membrane and separates hydrogen in the hydrogen-containing gas generated from the fuel into protons and electrons, and the other main electrode of the electrolyte membrane An electrochemical cell comprising a cathode electrode provided on a surface and generating hydrogen from protons and electrons;
A current controller for flowing current to the cathode electrode and the anode electrode;
An upper limit changer for changing an upper limit value of a current flowing between the cathode electrode and the anode electrode so as to have a positive correlation with a change in at least one of the temperature and the flow rate of the hydrogen-containing gas. , Electrochemical equipment.
電流値の上限値を前記水素含有ガスの温度及び流量の少なくともいずれか一方の変化に対して正の相関となるよう変更するステップ(b)とを備える電気化学装置の運転方法。 Provided on one main surface of the electrolyte membrane that conducts protons, and provided on the other main surface of the electrolyte membrane, an anode electrode that separates hydrogen in the hydrogen-containing gas generated from the fuel into protons and electrons, And passing a current through a cathode electrode that generates hydrogen from protons and electrons (a);
A method of operating an electrochemical device comprising: (b) changing an upper limit value of the current value so as to have a positive correlation with respect to a change in at least one of the temperature and flow rate of the hydrogen-containing gas.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016249342A JP2018104731A (en) | 2016-12-22 | 2016-12-22 | Electrochemical apparatus and operation method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016249342A JP2018104731A (en) | 2016-12-22 | 2016-12-22 | Electrochemical apparatus and operation method thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018104731A true JP2018104731A (en) | 2018-07-05 |
Family
ID=62785722
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016249342A Pending JP2018104731A (en) | 2016-12-22 | 2016-12-22 | Electrochemical apparatus and operation method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018104731A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111417746A (en) * | 2018-11-05 | 2020-07-14 | 松下知识产权经营株式会社 | Electrochemical hydrogen compression device and operation method of electrochemical hydrogen compression device |
-
2016
- 2016-12-22 JP JP2016249342A patent/JP2018104731A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111417746A (en) * | 2018-11-05 | 2020-07-14 | 松下知识产权经营株式会社 | Electrochemical hydrogen compression device and operation method of electrochemical hydrogen compression device |
CN111417746B (en) * | 2018-11-05 | 2024-05-03 | 松下知识产权经营株式会社 | Electrochemical hydrogen compression device and operating method of electrochemical hydrogen compression device |
CN111417746B9 (en) * | 2018-11-05 | 2024-07-05 | 松下知识产权经营株式会社 | Electrochemical hydrogen compression device and method for operating an electrochemical hydrogen compression device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP7050461B2 (en) | Fuel cell system and how to stop it | |
JP5078696B2 (en) | Load following operation method of fuel cell system | |
JP6857846B2 (en) | Fuel cell system and how to operate it | |
JP6291372B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5289361B2 (en) | Fuel cell system and current control method thereof | |
JP5078698B2 (en) | Load following operation method of fuel cell system | |
JP5230849B2 (en) | Hydrogen generator, fuel cell system, and operation method thereof | |
JP2009048854A (en) | Fuel cell power generator and control method thereof | |
US11335930B2 (en) | Fuel cell system and method for operating the same | |
JP5078697B2 (en) | Load following operation method of fuel cell system | |
JPWO2013150721A1 (en) | Hydrogen generator, operating method thereof, and fuel cell system | |
JP3443237B2 (en) | Solid polymer fuel cell power generation system | |
JP2015220211A (en) | Control device and control method of fuel cell | |
JP2018104731A (en) | Electrochemical apparatus and operation method thereof | |
JP2007200771A (en) | Reforming catalyst temperature control system and control method for fuel cell power generator | |
EP2800185B1 (en) | Fuel cell system and method for operating same | |
US9184455B2 (en) | Fuel cell system and method of operating the same | |
JP2009099414A (en) | Fuel cell system | |
JP6492873B2 (en) | Fuel cell system | |
JP5430447B2 (en) | Reforming apparatus and fuel cell system | |
JP2013175354A (en) | Fuel cell system and method of controlling the same | |
JP2006073215A (en) | Fuel cell system | |
JP5433323B2 (en) | Load following operation method of fuel cell system | |
JP2009048853A (en) | Fuel cell power generator and control method thereof | |
JP2014139116A (en) | Hydrogen generator and fuel cell system |