氢提纯系统的制作方法

1.本公开涉及一种氢提纯系统，该氢提纯系统具备：氢生成装置，其利用原料气体生成含氢气体；以及多个电化学设备，其从含氢气体提纯高纯度的纯化氢气，该氢提纯系统通过利用多个电化学设备提纯纯化氢气，来提纯高纯度氢的提纯氢气。


背景技术：

2.以往的氢提纯系统使用2台电化学设备，将上游的电化学设备的阴极与下游的电化学设备的阳极连接，来提纯出氢纯度高的提纯氢气，其中，在各电化学设备中，由阳极和阴极将电解质膜夹在中间而构成的电化学设备的阳极被供给含氢气体，通过在阳极与阴极之间流过电流，来从包含杂质的含氢气体中以电化学的方式分离并纯化氢(例如参照非专利文献1)。
3.另外，氢制造发电系统从将原料气体重整来生成含氢气体的氢生成装置向电化学设备的阳极供给含氢气体，向控制氢生成装置中的重整反应的温度的燃烧器供给从阳极排出的阳极排气，并将阳极排气使用于重整反应的燃烧(例如参照专利文献1)。
4.一般来说，以往的氢提纯系统为了提纯出高纯度的提纯氢气而使用多台电化学设备，向燃烧器供给各个电化学设备的阳极排气。
5.图2是示出以往的氢提纯系统的结构的框图。如图2所示，以往的氢提纯系统200具备氢生成装置21、第一电化学设备25a、第二电化学设备25b、第一电源26a、第二电源26b、燃烧器27、第一回流路径28a以及第二回流路径28b。
6.第一电化学设备25a具有第一阳极22a、第一阴极23a以及第一电解质膜24a。第二电化学设备25b具有第二阳极22b、第二阴极23b以及第二电解质膜24b。
7.氢生成装置21中生成的含氢气体被供给到第一阳极22a。从第一阴极23a排出的纯化氢气被供给到第二阳极22b。第一电源26a使第一阳极22a与第一阴极23a之间流过电流。第二电源26b使第二阳极22b与第二阴极23b之间流过电流。
8.燃烧器27使阳极排气燃烧来对氢生成装置21进行加热。第一回流路径28a用于将从第一阳极22a排出的阳极排气供给到燃烧器27。第二回流路径28b用于将从第二阳极22b排出的阳极排气供给到燃烧器27。
9.第一电化学设备25a例如利用一对隔板来夹持电解质膜-电极接合体(mea)，该电解质膜-电极接合体(mea)是由第一阳极22a和第一阴极23a将用于选择性地输送质子的第一电解质膜24a夹在中间而构成的。
10.第二电化学设备25b例如利用一对隔板来夹持电解质膜-电极接合体(mea)，该电解质膜-电极接合体(mea)是由第二阳极22b和第二阴极23b将用于选择性地输送质子的第二电解质膜24b夹在中间而构成的。
11.第一阳极22a被供给含氢气体，通过在第一阳极22a与第一阴极23a之间流过电流，来引发第一阳极22a处(化学式1)的氧化反应，并引发第一阴极23a处(化学式2)的还原反应。
12.[化学式1]
[0013]
h2→
2h 2e-[0014]
[化学式2]
[0015]
2h 2e
‑→
h2
[0016]
通过以上的反应，能够从被供给到第一阳极22a的含氢气体中分离出氢。因而，能够提纯出纯化氢气。
[0017]
并且，为了提高在第一电化学设备25a中提纯出的纯化氢气的氢纯度，将从第一阴极23a排出的纯化氢气供给到第二阳极22b，通过在第二阳极22b与第二阴极23b之间流过电流，来引发第二阳极22b处(化学式1)的氧化反应，并引发第二阴极23b处(化学式2)的还原反应。
[0018]
通过以上的反应，能够从被供给到第二阳极22b的纯化氢气中分离出氢。因而，能够提纯出相比于纯化氢气而言氢的纯度更高的提纯氢气。
[0019]
另外，将被供给到第一阳极22a的含氢气体中的、未经由第一电解质膜24a从第一阳极22a透过到第一阴极23a而从第一阳极22a排出的含氢气体定义为阳极排气。将阳极排气从第一回流路径28a供给到燃烧器27，燃烧器27使阳极排气燃烧，由此对氢生成装置21进行加热。
[0020]
并且，将被供给到第二阳极22b的纯化氢气中的、未经由第二电解质膜24b从第二阳极22b透过到第二阴极23b而从第二阳极22b排出的含氢气体从第二回流路径28b供给到燃烧器27，燃烧器27使含氢气体燃烧，由此对氢生成装置21进行加热。
[0021]
将向第一阳极22a供给的含氢气体的流量与从第一阴极23a排出的纯化氢气的流量的比例、以及向第二阳极22b供给的纯化氢气的流量与从第二阴极23a排出的提纯氢气的流量的比例定义为氢利用率。第一电化学设备25a及第二电化学设备25b在规定的氢利用率下进行动作。在电化学设备的氢利用率为100％的情况下，向燃烧器27供给的阳极排气为0。在该情况下，氢生成装置21不会过度升温，但会促进电化学设备的劣化。因而，通常将电化学设备的氢利用率设定为小于100％的值。
[0022]
现有技术文献
[0023]
专利文献
[0024]
专利文献1：日本特开2009-17120号公报
[0025]
非专利文献
[0026]
非专利文献1：h.k.lee,h.y.choi,k.h.choi,j.h.park,t.h.lee,journal of power sources 132(2004)92-98.


技术实现要素：

[0027]
但是，在以往的结构中，将全部的电化学设备的阳极排气供给到燃烧器。因此，在将电化学设备的氢利用率保持为规定值的情况下，串联连接的电化学设备的台数越多，则向燃烧器供给的阳极排气的供给量越多。因而，存在氢生成装置由于过度升温而劣化的问题、以及由于不处于最上游的电化学设备的氢纯度相对高的阳极排气被燃烧而效率下降的问题。
[0028]
本公开用于解决以往的问题。本公开的目的在于，提供一种即使串联连接的电化
学设备的台数增加、向燃烧器供给的阳极排气的供给量也不会增加的氢提纯系统。
[0029]
为了解决以往的问题，本公开的氢提纯系统构成为，串联连接的多个电化学设备中的最上游的电化学设备的阳极排气被供给到对氢生成装置进行加热的燃烧器，使不处于最上游的电化学设备的阳极排气与向该电化学设备或设于该电化学设备的上游的电化学设备的阳极供给的气体合流。
[0030]
由此，即使在增加串联连接的电化学设备的台数且将电化学设备的氢利用率保持为规定值的情况下，向燃烧器供给的阳极排气的供给量也不会增加。
[0031]
本公开的氢提纯系统能够实现即使在增加串联连接的电化学设备的台数且将电化学设备的氢利用率保持为规定值的情况下、向燃烧器供给的阳极排气的供给量也不会增加的氢提纯系统。
附图说明
[0032]
图1是示出本公开的实施方式1中的氢提纯系统的结构的框图。
[0033]
图2是示出以往的氢提纯系统的结构的框图。
具体实施方式
[0034]
本公开的氢提纯系统具备：多个电化学设备，各电化学设备利用电解质膜、配置于电解质膜的一个表面的阳极以及配置于电解质膜的另一个表面的阴极来构成电解质膜-电极接合体，各电化学设备构成为，阳极被供给含氢气体，通过在阳极与阴极之间流过规定方向的电流，来从阴极排出相比于被供给到阳极的含氢气体而言氢的纯度更高的纯化氢气；氢生成装置，其供给利用原料气体生成的含氢气体；电源，其用于使多个电化学设备的阳极与阴极之间流过电流；以及燃烧器，其对氢生成装置进行加热。多个电化学设备被以如下方式串联连接：氢生成装置向多个所述电化学设备中的最上游的电化学设备的阳极供给含氢气体，从最上游的电化学设备的阴极排出的纯化氢气被供给到与最上游的电化学设备邻接的电化学设备的阳极，并且，在互相邻接的电化学设备彼此之间，从上游侧的电化学设备的阴极排出的纯化氢气被供给到下游侧的电化学设备的阳极。燃烧器构成为使被供给到最上游的电化学设备的阳极的含氢气体中的、未经由电解质膜从阳极透过到阴极而从阳极排出的含氢气体燃烧。氢生成系统构成为使被供给到不处于最上游的电化学设备的阳极的纯化氢气中的、未经由电解质膜从阳极透过到阴极而从阳极排出的纯化氢气与向阳极供给的气体合流。
[0035]
另外，本公开的氢提纯系统具备：第一电化学设备，其利用第一电解质膜、配置于第一电解质膜的一个表面的第一阳极以及配置于第一电解质膜的另一个表面的第一阴极来构成第一电解质膜-电极接合体，第一电化学设备构成为，第一阳极被供给含氢气体，通过在第一阳极与第一阴极之间流过规定方向的电流，来从第一阴极排出相比于含氢气体而言氢的纯度更高的纯化氢气；第二电化学设备，其与第一电化学设备串联连接，第二电化学设备利用第二电解质膜、配置于第二电解质膜的一个表面的第二阳极以及配置于第二电解质膜的另一个表面的第二阴极来构成第二电解质膜-电极接合体，第二电化学设备构成为，第二阳极被供给纯化氢气，通过在第二阳极与第二阴极之间流过规定方向的电流，来从第二阴极排出相比于纯化氢气而言氢的纯度更高的提纯氢气；氢生成装置，其向第一阳极供
给利用原料气体生成的含氢气体；电源，其用于使第一阳极与第一阴极之间以及第二阳极与第二阴极之间流过电流；燃烧器，其使被供给到第一阳极的含氢气体中的、未经由第一电解质膜从第一阳极透过到第一阴极而从第一阳极排出的含氢气体燃烧，来对氢生成装置进行加热；以及回流路径，其用于使被供给到第二阳极的纯化氢气中的、未经由第二电解质膜从第二阳极透过到第二阴极而从第二阳极排出的纯化氢气与向第二阳极供给的纯化氢气合流。
[0036]
由此，抑制向燃烧器供给的阳极排气的供给量的增加。因而，即使在增加串联连接的电化学设备的台数且将电化学设备的氢利用率保持为规定值的情况下，氢生成装置也不会过度升温。由此，能够实现不会劣化的氢提纯系统。
[0037]
下面，参照附图来详细说明实施方式。但是，有时省略不必要的详细说明。例如，有时省略已经公知的事项的详细说明、或者针对实质上相同的结构的重复说明。
[0038]
此外，附图和以下的说明是为了使本领域技术人员充分地理解本公开而提供的，并不意图通过这些附图和说明来限定权利要求书所记载的主题。
[0039]
(实施方式1)
[0040]
图1是示出本公开的实施方式1中的氢提纯系统的结构的框图。
[0041]
如图1所示，本实施方式的氢提纯系统100具备氢生成装置1、第一电化学设备5a、第二电化学设备5b、第一电源6a、第二电源6b、使阳极排气燃烧来对氢生成装置1进行加热的燃烧器7、第一回流路径8a、第二回流路径8b以及泵9。
[0042]
氢生成装置1使用原料气体和水通过重整反应来生成含氢气体。在氢生成装置1的内部搭载有重整催化剂(未图示)和燃烧器7。水在氢生成装置1的内部被加热而成为水蒸气，在重整催化剂中与原料气体反应来生成含氢气体。原料气体使用以甲烷为主要成分的民用煤气。
[0043]
第一电化学设备5a是利用一对隔板夹持电解质膜-电极接合体(mea)而构成的，该电解质膜-电极接合体(mea)是由第一阳极2a和第一阴极3a将第一电解质膜4a夹在中间而构成的。氢生成装置1中生成的含氢气体被供给到第一电化学设备5a的第一阳极2a。通过在第一阳极2a与第一阴极3a之间流过规定方向的电流，来将被供给到第一阳极2a的含氢气体中的氢经由第一电解质膜4a选择性地且以电方式移送到第一阴极3a。由此，从第一阴极3a排出相比于被供给到第一阳极2a的含氢气体而言氢的纯度更高的纯化氢气。
[0044]
第二电化学设备5b是利用一对隔板夹持电解质膜-电极接合体(mea)而构成的，该电解质膜-电极接合体(mea)是由第二阳极2b和第二阴极3b将第二电解质膜4b夹在中间而构成的。从第一电化学设备5a的第一阴极3a排出的纯化氢气被供给到第二阳极2b。通过在第二阳极2b与第二阴极3b之间流过规定方向的电流，来将被供给到第二阳极2b的含氢气体中的氢经由第二电解质膜4b选择性地且以电方式移送到第二阴极3b。由此，从第二阴极3b排出相比于被供给到第二阳极2b的纯化氢气而言氢的纯度更高的提纯氢气。
[0045]
第一电源6a是正极侧端子与第一阳极2a电连接且负极侧端子与第一阴极3a电连接的直流电源。第一电源6a流出从第一电化学设备5a的第一阳极2a经由第一电解质膜4a去向第一阴极3a的方向的电流。
[0046]
第二电源6b是正极侧端子与第二阳极2b电连接且负极侧端子与第二阴极3b电连接的直流电源。第二电源6b流出从第二电化学设备5b的第二阳极2b经由第二电解质膜4b去
向第二阴极3b的方向的电流。
[0047]
第一回流路径8a是用于将从氢生成装置1供给到第一阳极2a的含氢气体中的、未经由第一电解质膜4a从第一阳极2a透过到第一阴极3a而从第一阳极2a排出的含氢气体即阳极排气供给到燃烧器7的路径。
[0048]
第二回流路径8b是使从第一阴极3a供给到第二阳极2b的纯化氢气中的、未经由第二电解质膜4b从第二阳极2b透过到第二阴极3b而从第二阳极2b排出的纯化氢气与从第一阴极3a向第二阳极2b供给的纯化氢气合流的路径。
[0049]
泵9被设于第二回流路径8b，用于使被供给到第二阳极2b的纯化氢气中的、未经由第二电解质膜4b从第二阳极2b透过到第二阴极3b而从第二阳极2b排出的纯化氢气与从第一阴极3a向第二阳极2b供给的纯化氢气合流。
[0050]
氢生成装置1以氢生成装置1生成的含氢气体被供给到第一电化学设备5a的第一阳极2a的方式来与第一电化学设备5a的第一阳极2a连接。
[0051]
第二电化学设备5b以从第一阴极3a排出的纯化氢气被供给到第二阳极2b的方式来与第一电化学设备5a的第一阴极3a连接。
[0052]
下面，对如以上那样构成的本实施方式的氢提纯系统100的动作、作用进行说明。
[0053]
利用氢提纯系统100提纯的提纯氢气的流量为10l/min。为了将被供给到第一阳极2a的含氢气体中的氢经由第一电解质膜4a选择性地且以电方式移送到第一阴极3a，将流向第一电源6a的电流的值设定为9.5a。从第一阴极3a排出流量为10l/min的纯化氢气。为了将被供给到第二阳极2b的纯化氢气的氢经由第二电解质膜4b选择性地且以电方式移送到第二阴极3b，将流向第二电源6b的电流的值设定为9.5a。从第二阴极3b排出流量为10l/min的提纯氢气。将第一电化学设备5a及第二电化学设备5b的氢利用率设定为83.3％。向燃烧器7供给2l/min的含氢气体。
[0054]
首先，氢生成装置1以使向第一阳极2a供给的含氢气体的流量为12l/min的方式生成含氢气体。当第一电源6a流过值为9.5a的电流时，从第一阴极3a排出流量为10l/min的纯化氢气。供给到第一阳极2a的含氢气体中的、未经由第一电解质膜4a从第一阳极2a透过到第一阴极3a而从第一阳极2a排出的含氢气体被以2l/min的流量通过第一回流路径8a供给到燃烧器7。
[0055]
接着，当第二电源6b流过值为9.5a的电流时，从第二阴极3b排出流量为10l/min的提纯氢气。被供给到第二阳极2b的纯化氢气中的、未经由第二电解质膜4b从第二阳极2b透过到第二阴极3b而从第二阳极2b排出的纯化氢气即经过第二回流路径8b的纯化氢气通过泵9而与以2l/min的流量从第一阴极3a向第二阳极2b供给的纯化氢气合流。
[0056]
第一回流路径8a的连接目标与第二回流路径8b的连接目标不同。燃烧器7被供给从第一阳极2a排出的含氢气体，但是不被供给从第二阳极2b排出的纯化氢气。
[0057]
如以上那样，本实施方式的氢提纯系统100具备氢生成装置1、第一电源6a、第二电源6b、燃烧器7、第二回流路径8b、泵9以及以使从第一阴极3a排出的纯化氢气被供给到第二阳极2b的方式串联连接的第一电化学设备5a及第二电化学设备5b。氢生成装置1向第一阳极2a供给利用原料气体生成的含氢气体。第一电源6a流出从第一阳极2a经由第一电解质膜4a去向第一阴极3a的电流。第二电源6b流出从第二电化学设备5b的第二阳极2b经由第二电解质膜4b去向第二阴极3b的电流。燃烧器7经由第一回流路径8a而与第一阳极2a连接，用于
使从第一阳极2a排出的含氢气体燃烧来对氢生成装置1进行加热。第二回流路径8b使从第二阳极2b排出的纯化氢气与从第一阴极3a向第二阳极2b供给的纯化氢气合流。泵9被设于第二回流路径8b，用于使从第二阳极2b排出的纯化氢气与从第一阴极3a向第二阳极2b供给的纯化氢气合流。
[0058]
由此，即使将2台电化学设备、即第一电化学设备5a与第二电化学设备5b串联连接，并将第一电化学设备5a的氢利用率及第二电化学设备5b的氢利用率设为83.3％，也能够抑制由于氢生成装置1的过度升温而引起的劣化。这是因为，向燃烧器7供给的含氢气体仅是从第一阳极2a通过第一回流路径8a供给的1台电化学设备的量的含氢气体，而从第二阳极2b排出的纯化氢气被供给到第二阳极2b。因而，能够有效地活用第二电化学设备5b的阳极排气，能够实现高效率的氢提纯系统。
[0059]
另外，在本实施方式中，即使在氢提纯系统100中增加串联连接在第二电化学设备5b的下游的电化学设备的台数、且将电化学设备的氢利用率设为规定值来提纯氢的情况下，向燃烧器7供给的含氢气体的流量也不会增加。因而，氢生成装置1不会过度升温，能够实现抑制劣化的氢提纯系统100。
[0060]
在本实施方式中，说明了使第二电化学设备5b的阳极排气与向第二阳极2b供给的纯化氢气合流的例子，但是不限定于此。例如，也可以使第二电化学设备5b的阳极排气与向第一阳极2a供给的含氢气体合流，在该情况下，向燃烧器7供给的阳极排气的供给量不会增加。另外，也可以是，在增加串联连接的多个电化学设备的台数且在第二电化学设备5b的下游侧连接第三电化学设备(未图示)的情况下，设为具备用于使第三电化学设备的阳极排气与向第二阳极2b供给的纯化氢气以及向第三阳极(未图示)供给的气体中的至少一方合流的回流路径的结构。
[0061]
产业上的可利用性
[0062]
如以上那样，本公开所涉及的氢提纯系统即使在增加串联连接的电化学设备的台数且将电化学设备的氢利用率保持为规定值的情况下，向燃烧器供给的阳极排气的供给量也不会增加。因而，能够应用于使用串联连接的多台电化学设备来从利用氢生成装置生成的含氢气体中提纯出氢纯度高的提纯氢气的用途。
[0063]
附图标记说明
[0064]
1、21：氢生成装置；2a、22a：第一阳极；2b、22b：第二阳极；3a、23a：第一阴极；3b、23b：第二阴极；4a、24a：第一电解质膜；4b、24b：第二电解质膜；5a、25a：第一电化学设备；5b、25b：第二电化学设备；6a、26a：第一电源；6b、26b：第二电源；7、27：燃烧器；8a、28a：第一回流路径；8b、28b：第二回流路径；9：泵；100、200：氢提纯系统。