(57)【要約】【課題】直列に接続された電気化学デバイスの電解質膜の抵抗の増大を抑え、水素生成システムの水素純化効率を向上させる。【解決手段】ガス供給手段４０２が、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に水素含有ガスを供給し、電解質膜１０４を透過してカソード１０６から排出される水素含有ガスが、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給され、電解質膜２０４を透過してカソード２０６から排出される水素含有ガスが、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給され、電解質膜３０４を透過した水素含有ガスがカソード３０６から排出される水素生成システム４００において、電解質膜３０４のＥＷは、電解質膜２０４のＥＷよりも小さく、電解質膜２０４のＥＷは、電解質膜１０４のＥＷよりも小さい。【選択図】図４
2020015649.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と前記電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給すると共に、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードから、前記アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に複数並べられた電気化学デバイスと、
複数の前記電気化学デバイスのうちの最上流となる前記電気化学デバイスの前記アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
複数の前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
を備え、
前記ガス供給手段が、前記最上流となる前記電気化学デバイスの前記アノードに水素含有ガスを供給しているときに、前記最上流となる前記電気化学デバイスの前記カソードから排出される水素含有ガスが、前記最上流となる前記電気化学デバイスに隣接する前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、且つ、互いに隣接する前記電気化学デバイス同士において、上流側となる前記電気化学デバイスの前記カソードから排出される水素含有ガスが、下流側となる前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、複数の前記電気化学デバイスが、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システムであって、
複数の前記電気化学デバイスの前記電解質膜のＥＷは、前記水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次小さくなることを特徴とする水素生成システム。
【請求項２】
電解質膜と前記電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給すると共に、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードから、前記アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に複数並べられた電気化学デバイスと、
複数の前記電気化学デバイスのうちの最上流となる前記電気化学デバイスの前記アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
複数の前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流すための電源と、
を備え、
前記ガス供給手段が、前記最上流となる前記電気化学デバイスの前記アノードに水素含有ガスを供給しているときに、前記最上流となる前記電気化学デバイスの前記カソードから排出される水素含有ガスが、前記最上流となる前記電気化学デバイスに隣接する前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、且つ、互いに隣接する前記電気化学デバイス同士において、上流側となる前記電気化学デバイスの前記カソードから排出される水素含有ガスが、下流側となる前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、複数の前記電気化学デバイスが、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システムであって、
複数の前記電気化学デバイスの前記電解質膜の膜厚は、前記水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次薄くなることを特徴とする水素生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電気化学デバイスを直列に接続して、水素含有ガスの水素の純度を高める水素生成システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素生成システムは、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、純度の高い水素を生成するシステムである。この水素生成システムは、例えば、水素イオンを輸送する電解質膜の両側にアノードおよびカソードを設けた電解質膜−電極接合体を、セパレータによって挟持した電気化学デバイスを備えている。
【０００３】
アノードに加湿された水素含有ガスを供給して、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、アノードでは、（化１）に示す水素が水素イオンと電子に解離する酸化反応が起こり、カソードでは、（化２）に示す水素イオンと電子から水素が生成する還元反応が起こる。
【０００４】
【化１】
2020015649.tif 000003
【０００５】
【化２】
2020015649.tif 000004
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、カソードにおいて水素を生成することができる。
【０００６】
水素生成システムに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料処理器によって、都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系の原料を、水蒸気改質や部分酸化改質、またはオートサーマル改質して生成され、水素の他に窒素や二酸化炭素、水分などの不純物を含んでいる。
【０００７】
この水素生成システムにおいて、電気化学デバイスを、直列に２台接続することで、水素生成システムから生成する水素の純度を高める構成が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
図９は、非特許文献１に開示された従来の水素生成システムの概略構成図である。
【０００９】
図９に示すように、従来の水素生成システム９００は、電解質膜９０６の両側にアノード９０７およびカソード９０８を設けた電解質膜−電極接合体９１５を、アノード側セパレータ９１６とカソード側セパレータ９１７によって挟持した、２台の電気化学デバイス９０１と、加湿器９１４とを備えている。
【００１０】
電解質膜９０６は、電解質膜９０６の含水率が高いほど水素イオン伝導性が向上し、抵抗が低くなるため、アノード９０７に供給する水素含有ガスは、加湿器９１４を用いて露点が高い状態に加湿されている。
【００１１】
電気化学デバイス９０１は、加湿された水素含有ガスをアノード９０７に供給するためのアノード側入口９０３と、水素含有ガスをアノード９０７から排出するためのアノード側出口９０４と、カソード９０８において生成する水素を排出するためのカソード側出口９０５とを備えている。
【００１２】
水素生成システム９００は、加湿器９１４によって加湿された水素含有ガスが上流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給され、２台の電気化学デバイス９０１のアノード９０７とカソード９０８との間に所定方向の電流が流れているときに、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出された水素含有ガスが、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給されるように、加湿器９１４と２台の電気化学デバイス９０１が直列に接続されている。
【００１３】
また、水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１のアノード９０７が正の電位でカソードが負の電位になる（水素含有ガスに含まれる水素が、アノード９０７で水素イオンと電子に解離し、電解質膜９０６を透過した水素イオンが、カソード９０８において電子と結びついて水素になる）ように、アノード９０７とカソード９０８との間に所定方向の電流を流すための電源９０９を備えている。
【００１４】
さらに、水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１を所定の温度に維持するための温度調節器９１２と、電源９０９と温度調節器９１２を制御するための制御器９１３とを備えている。
【００１５】
上記した構成により、水素生成システム９００は、上流側の電気化学デバイス９０１および下流側の電気化学デバイス９０１において、水素含有ガスから水素を電気化学的に分離し、純度の高い水素を生成している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】Ｈ．Ｋ．Ｌｅｅ，Ｈ．Ｙ．Ｃｈｏｉ，Ｋ．Ｈ．Ｃｈｏｉ，Ｊ．Ｈ．Ｐａｒｋ，Ｔ．Ｈ．Ｌｅｅ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １３２（２００４）９２−９８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、前記従来の構成では、水素含有ガスに含まれる水素が、アノード９０７で水素イオンと電子に解離し、電解質膜９０６を透過した水素イオンが、カソード９０８において電子と結びついて水素になる動作をしている各電気化学デバイスにおいて、水素含有ガスに含まれる水素は、水素イオンになって電解質膜９０６を通ってカソード９０８に移動しやすいが、水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜９０６を通ってカソード９０８に移動し難いため、カソード９０８に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード９０７に供給される水素含有ガスの水分の含有率よりも小さくなる。
【００１８】
そのため、最上流の電気化学デバイス９０１の電解質膜９０６は、アノード９０７に供給される水分の含有率が大きい水素含有ガスと接するので、電解質膜９０６の含水率が高く、抵抗は小さいが、下流側の電気化学デバイス９０１の電解質膜９０６は水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されるので、電解質膜９０６の含水率が低く、抵抗が大きくなり、水素生成システムの水素純化効率が低下するという課題を有していた。
【００１９】
ここで、含水率とは、電解質膜に含まれる水分の割合であり、含水率が低下するとは、電解質膜の単位重量当たりの水分の重量が小さくなることである。
【００２０】
また、水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対する生成する水素のエネルギーの割合であり、水素純化効率が低下するとは、同じ量の水素を生成するために必要な電気エネルギーが多くなることである。
【００２１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、上流側から下流側に向かうにしたがって水素含有ガスの水素の純度が高まるように複数の電気化学デバイスを直列に接続した水素生成システムにおいて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗の増大を抑えることができ、高い水素純化効率を実現する水素生成システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記従来の課題を解決するために、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下のことを見い出した。
【００２３】
つまり、複数の電気化学デバイスを直列に接続した水素生成システムにおいて、電気化学デバイスの電解質膜のＥＷを、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次小さくすることにより、水素生成システムの水素純化効率を向上し得ることを見い出すに至った。
【００２４】
これは、電解質膜のＥＷを小さくすることで、電解質膜は水分子と相互作用して水和するイオン成分の含有率が増大して含水率が高くなり、水素イオン伝導性が向上するので、下流側の電気化学デバイスにおいて、電解質膜が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜のＥＷが上流側の電気化学デバイスの電解質膜のＥＷと同一の場合に比べて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が小さくなることに起因すると推察される。
【００２５】
ここで、ＥＷとは、equivalent weightの略であり、電解質膜のスルホン酸基などのイオン交換基１当量当たりの乾燥状態の電解質膜のグラム数をいう。
【００２６】
また、複数の電気化学デバイスを直列に接続した水素生成システムにおいて、電気化学デバイスの電解質膜の膜厚を、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次薄くすることにより、水素生成システムの水素純化効率を向上し得ることを見い出すに至った。
【００２７】
これは、電解質膜の膜厚を薄くすることで、電解質膜内における水素イオンの移動距離が短くなり、水素イオン伝導性が向上するので、下流側の電気化学デバイスにおいて、電解質膜が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜の膜厚が上流側の電気化学デバイスの電解質膜の膜厚と同一の場合に比べて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が小さくなることに起因すると推察される。
【００２８】
本発明の水素生成システムは、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給すると共に、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから、アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に複数並べられた電気化学デバイスと、複数の電気化学デバイスのうちの最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、ガス供給手段が、最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給しているときに、最上流となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、最上流となる電気化学デバイスに隣接する電気化学デバイスのアノードに供
給されるように、且つ、互いに隣接する電気化学デバイス同士において、上流側となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、下流側となる電気化学デバイスのアノードに供給されるように、複数の電気化学デバイスが、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システムであって、複数の電気化学デバイスの電解質膜のＥＷが、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次小さくなることを特徴とするものである。
【００２９】
これによって、電解質膜のＥＷを小さくすることで、電解質膜は水分子と相互作用して水和するイオン成分の含有率が増大して含水率が高くなり、水素イオン伝導性が向上するので、下流側の電気化学デバイスにおいて、電解質膜が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜のＥＷが上流側の電気化学デバイスの電解質膜のＥＷと同一の場合に比べて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が小さくなり、水素生成システムの水素純化効率が向上する。
【００３０】
また、別の本発明の水素生成システムは、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給すると共に、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから、アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に複数並べられた電気化学デバイスと、複数の電気化学デバイスのうちの最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、ガス供給手段が、最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給しているときに、最上流となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、最上流となる電気化学デバイスに隣接する電気化学デバイスのアノードに供給されるように、且つ、互いに隣接する電気化学デバイス同士において、上流側となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、下流側となる電気化学デバイスのアノードに供給されるように、複数の電気化学デバイスが、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システムであって、複数の電気化学デバイスの電解質膜の膜厚が、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次薄くなることを特徴とするものである。
【００３１】
これによって、電解質膜の膜厚を薄くすることで、電解質膜内における水素イオンの移動距離が短くなり、水素イオン伝導性が向上するので、下流側の電気化学デバイスにおいて、電解質膜が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜の膜厚が上流側の電気化学デバイスの電解質膜の膜厚と同一の場合に比べて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が小さくなり、水素生成システムの水素純化効率が向上する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の水素生成システムは、直列に接続した複数の電気化学デバイスにおいて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗の増大を抑えることができるので、水素純化効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図
【図４】本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図
【図５】本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図
【図６】本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図
【図７】本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図
【図８】本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図
【図９】従来の水素生成システムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００３４】
第１の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給すると共に、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから、アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に複数並べられた電気化学デバイスと、複数の電気化学デバイスのうちの最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源とを備え、ガス供給手段が、最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給しているときに、最上流となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、最上流となる電気化学デバイスに隣接する電気化学デバイスのアノードに供給されるように、且つ、互いに隣接する電気化学デバイス同士において、上流側となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、下流側となる電気化学デバイスのアノードに供給されるように、複数の電気化学デバイスが、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システムであって、複数の電気化学デバイスの電解質膜のＥＷが、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次小さくなることを特徴とするものである。
【００３５】
これによって、電解質膜のＥＷを小さくすることで、電解質膜は水分子と相互作用して水和するイオン成分の含有率が増大して含水率が高くなり、水素イオン伝導性が向上するので、下流側の電気化学デバイスにおいて、電解質膜が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜のＥＷが上流側の電気化学デバイスの電解質膜のＥＷと同一の場合に比べて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が小さくなり、水素生成システムの水素純化効率を向上することができる。
【００３６】
第２の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給すると共に、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードから、アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に複数並べられた電気化学デバイスと、複数の電気化学デバイスのうちの最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備え、ガス供給手段が、最上流となる電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給しているときに、最上流となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、最上流となる電気化学デバイスに隣接する電気化学デバイスのアノードに供給されるように、且つ、互いに隣接する電気化学デバイス同士において、上流側となる電気化学デバイスのカソードから排出される水素含有ガスが、下流側となる電気化学デバイスのアノードに供給されるように、複数の電気化学デバイスが、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システムであって、複数の電気化学デバイスの電解質膜の膜厚が、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次薄くなることを特徴とするものである。
【００３７】
これによって、電解質膜の膜厚を薄くすることで、電解質膜内における水素イオンの移動距離が短くなり、水素イオン伝導性が向上するので、下流側の電気化学デバイスにおいて、電解質膜が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜の膜厚が上流側の電気化学デバイスの電解質膜の膜厚と同一の場合に比べて、下流側の電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が小さくなり、水素生成システムの水素純化効率を向上することができる。
【００３８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図である。図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図である。図４は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図である。
【００４０】
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を図１〜図４を参照しながら具体的に説明する。
【００４１】
なお、図４に示す本実施の形態水素生成システムの構成要素において、図１〜図３に示す第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスと同一の構成要素については、同一の符号を付して、重複する説明は省略する場合もある。
【００４２】
図１に示すように、第１電気化学デバイス１００は、電解質膜１０４をアノード１０５とカソード１０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体１０７を、アノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９によって挟持して構成されている。
【００４３】
ここで、電解質膜１０４には、ＥＷが１１００で厚みが２０μｍのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
【００４４】
電解質膜の含水率ｕは、真空乾燥後の電解質膜の重量Ｍｄ、所定の温度および所定の相対湿度の環境下に２４時間放置した後の電解質膜の重量Ｍｗを測定し、得られた値から、（数１）により算出することができる。
【００４５】
【数１】
2020015649.tif 000005
温度が８５℃で相対湿度が８０％の環境における電解質膜１０４の含水率は、１８重量％であり、温度が８５℃で相対湿度が７５％の環境における電解質膜１０４の含水率は、１５重量％であり、温度が８５℃で相対湿度が７０％の環境における電解質膜１０４の含水率は、１２重量％である。
【００４６】
アノード１０５とカソード１０６には、白金を担持したカーボン粒子を、カーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。
【００４７】
アノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
【００４８】
アノード側セパレータ１０８には、水素含有ガスをアノード１０５に供給するためのアノード側入口１０１と、カソード１０６に透過せずにアノード１０５に残った水素含有ガスをアノード１０５から排出するためのアノード側出口１０２と、アノード側セパレータ１０８におけるアノード１０５と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口１０１に連通し下流端がアノード側出口１０２に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【００４９】
一方、カソード側セパレータ１０９には、カソード１０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口１０３と、カソード側セパレータ１０９におけるカソード１０６と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口１０３に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【００５０】
また、図２に示すように、第２電気化学デバイス２００は、電解質膜２０４をアノード２０５とカソード２０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体２０７を、アノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９によって挟持して構成されている。
【００５１】
ここで、電解質膜２０４には、ＥＷが９１０、厚みが２０μｍのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
【００５２】
電解質膜２０４の含水率は、（数１）により算出することができ、温度が８５℃で相対湿度が８０％の環境における電解質膜２０４の含水率は、２０重量％であり、温度が８５℃で相対湿度７５％の環境における電解質膜２０４の含水率は、１８重量％であり、温度が８５℃で相対湿度が７０％の環境における電解質膜２０４の含水率は、１５重量％である。
【００５３】
アノード２０５とカソード２０６には、白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。
【００５４】
アノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
【００５５】
アノード側セパレータ２０８には、水素含有ガスをアノード２０５に供給するためのアノード側入口２０１と、カソード２０６に透過せずにアノード２０５に残った水素含有ガスをアノード２０５から排出するためのアノード側出口２０２と、アノード側セパレータ２０８におけるアノード２０５と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口２０１に連通し下流端がアノード側出口２０２に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【００５６】
一方、カソード側セパレータ２０９には、カソード２０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口２０３と、カソード側セパレータ２０９におけるカソード２０６と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口２０３に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【００５７】
また、図３に示すように、第３電気化学デバイス３００は、電解質膜３０４をアノード３０５とカソード３０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体３０７を、一対のアノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９によって挟持して構成されている。
【００５８】
ここで、電解質膜３０４には、ＥＷが８００で、厚みが２０μｍのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
【００５９】
電解質膜３０４の含水率は、（数１）により算出することができ、温度が８５℃で相対湿度が８０％の環境における電解質膜３０４の含水率は、２３重量％であり、温度が８５℃で相対湿度が７５％の環境における電解質膜３０４の含水率は、２１重量％であり、温度が８５℃で相対湿度が７０％の環境における電解質膜３０４の含水率は、１８重量％である。
【００６０】
アノード３０５とカソード３０６には、白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。
【００６１】
アノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
【００６２】
アノード側セパレータ３０８には、水素含有ガスをアノード３０５に供給するためのアノード側入口３０１と、カソード３０６に透過せずにアノード３０５に残った水素含有ガスをアノード３０５から排出するためのアノード側出口３０２と、アノード側セパレータ３０８におけるアノード３０５と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口３０１に連通し下流端がアノード側出口３０２に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【００６３】
一方、カソード側セパレータ３０９には、カソード３０６に生成する水素を排出するためのカソード側出口３０３と、カソード側セパレータ３０９におけるカソード３０６と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口３０３に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【００６４】
また、図４に示すように、本実施の形態の水素生成システム４００は、第１電気化学デバイス１００と、第２電気化学デバイス２００と、第３電気化学デバイス３００と、を備え、また、第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１に加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段４０２を備えた構成となっている。
【００６５】
ガス供給手段４０２は、加湿された二酸化炭素および水素を含む水素含有ガスを供給可能なポンプで構成される。また、ガス供給手段４０２は第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１に接続されている。
【００６６】
第１電気化学デバイス１００には、アノード１０５で利用されなかった（カソード１０６に透過せずにアノード１０５に残った）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口１０２が設けられている。
【００６７】
第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３は、接続流路４０１ａによって下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１と接続されている。
【００６８】
第２電気化学デバイス２００には、アノード側入口２０１に供給され、アノード２０５で利用されなかった（カソード２０６に透過せずにアノード２０５に残った）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口２０２が設けられている。
【００６９】
さらに、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３は、接続流路４０１ｂによって下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１と接続されている。
【００７０】
第３電気化学デバイス３００には、アノード側入口３０１に供給され、アノード３０５で利用されなかった（カソード３０６に透過せずにアノード３０５に残った）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口３０２が設けられている。
【００７１】
第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００には、アノード１０５とカソード１０６との間、アノード２０５とカソード２０６との間、アノード３０５とカソード３０６との間に所定方向の電流を流すための電源４０３ａ、電源４０３ｂ、電源４０３ｃが備えられている。電源４０３ａ、電源４０３ｂ、電源４０３ｃには直流電源を用いる。
【００７２】
ここで、所定方向の電流とは、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６へ流れる電流、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６へ流れる電流、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６へ流れる電流である。
【００７３】
所定方向の電流が流れ、アノード１０５，２０５，３０５に水素含有ガスが供給された場合に、水素含有ガスに含まれる水素が、アノード１０５，２０５，３０５において、水素イオンと電子に解離し、その電子が、アノード１０５，２０５，３０５から電源４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃを介してカソード１０６，２０６，３０６に流れ、水素イオンが電解質膜１０４，２０４，３０４を透過し、電解質膜１０４，２０４，３０４を透過した水素イオンが、カソード１０６，２０６，３０６において電子と結びついて水素になる。
【００７４】
また、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００には、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００の温度を調節するための温度調節器４０４ａ、温度調節器４０４ｂ、温度調節器４０４ｃと、温度調節器４０４ａ、温度調節器４０４ｂ、温度調節器４０４ｃを制御するための制御器４０５とが備えられている。
【００７５】
温度調節器４０４ａ、温度調節器４０４ｂ、温度調節器４０４ｃには設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
【００７６】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム４００について、以下、その動作、作用を、図４を参照しながら具体的に説明する。
【００７７】
まず、ガス供給手段４０２から、加湿された二酸化炭素２０％と水素８０％とを含む水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１を介してアノード１０５に供給する。
【００７８】
制御器４０５は、第１電気化学デバイス１００の温度が８５℃となるように温度調節器４０４ａを制御し、電源４０３ａにより第１電気化学デバイス１００のアノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６へ電流を流す。
【００７９】
これにより、第１電気化学デバイス１００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【００８０】
このとき、第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４は、ガス供給手段４０２から供給される加湿された水素含有ガスから水分を取り込んで、温度が８５℃で相対湿度が８０％の環境下に曝され、含水率は１８重量％である。
【００８１】
ここで、第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４は、わずかではあるが、二酸化炭素が透過するため、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
【００８２】
また、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜１０４によりカソード１０６への移動が妨げられる。
【００８３】
そのため、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード１０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
【００８４】
次に、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３から排出された水素含有ガスを、８５℃に加温された接続流路４０１ａを介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１に供給する。
【００８５】
第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１に供給される水素含有ガスの水分の含有率は、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６における水素含有ガスの水分の含有率と同一であり、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さい。
【００８６】
制御器４０５は、第２電気化学デバイス２００の温度が８５℃となるように温度調節器４０４ｂを制御し、電源４０３ｂにより第２電気化学デバイス２００のアノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６へ電流を流す。
【００８７】
これにより、第２電気化学デバイス２００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【００８８】
このとき、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４は、第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１からアノード２０５に供給される水素含有ガスから水分を取り込んで、温度が８５℃で相対湿度が７５％の環境下に曝される。
【００８９】
ここで、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４のＥＷは、第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４のＥＷに比べて小さくなっているので、電解質膜２０４は、電解質膜１０４に比べて含水率が高く、温度が８５℃で相対湿度が７５％の環境下における含水率は１８重量％である。
【００９０】
このために、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４は、電解質膜１０４に比べて水素イオン伝導性が向上する。
【００９１】
したがって、第２電気化学デバイス２００に第１電気化学デバイス１００のアノード１０５における水素含有ガスに比べて水分の含有率が小さい水素含有ガスが供給されても、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４の抵抗は、第２電気化学デバイス２００の電解質膜を第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４と同一にした場合に比べて小さくなる。
【００９２】
よって、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４のＥＷを、第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４のＥＷと同一にした場合よりも、水素生成システム４００の水素純化効率が向上する。
【００９３】
ここで、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４は、わずかではあるが、二酸化炭素が透過するため、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３からは水素純
度９９％の水素含有ガスが排出される。
【００９４】
また、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜２０４によりカソード２０６への移動が妨げられる。
【００９５】
そのため、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
【００９６】
次に、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３から排出された水素含有ガスを、８５℃に加温された接続流路４０１ｂを介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１に供給する。
【００９７】
第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１に供給される水素含有ガスの水分の含有率は、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６における水素含有ガスの水分の含有率と同一であり、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５における水素含有ガスの水分の含有率および第２電気化学デバイス２００のアノード２０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さい。
【００９８】
第３電気化学デバイス３００の温度が８５℃となるように温度調節器４０４ｃを制御器４０５で制御し、電源４０３ｃにより第３電気化学デバイス３００のアノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６へ電流を流す。
【００９９】
これにより、第３電気化学デバイス３００において電気化学反応が進行し、カソード３０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１００】
このとき、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４は、第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１からアノード３０５に供給される水素含有ガスから水分を取り込んで、温度が８５℃で相対湿度が７０％の環境下に曝される。
【０１０１】
ここで、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４のＥＷは、第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４のＥＷ、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４のＥＷに比べて小さくなっているので、電解質膜３０４は、電解質膜１０４、電解質膜２０４に比べて含水率が高く、温度が８５℃で相対湿度が７０％の環境下における、電解質膜３０４の含水率は１８重量％である。
【０１０２】
このために、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４は、電解質膜１０４、電解質膜２０４に比べて水素イオン伝導性が向上する。
【０１０３】
したがって、第３電気化学デバイス３００に第１電気化学デバイス１００のアノード１０５および第２電気化学デバイス２００のアノード２０５における水素含有ガスに比べて水分の含有率が小さい水素含有ガスが供給されても、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４の抵抗は、第３電気化学デバイス３００の電解質膜を第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４または第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４と同一にした場合に比べて小さくなる。
【０１０４】
よって、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４のＥＷを、第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４のＥＷ、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４のＥＷと同一にした場合よりも、水素生成システム４００の水素純化効率が向上する。
【０１０５】
ここで、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４は、わずかではあるが、二酸化炭素が透過する。しかしながら、既に第２電気化学デバイス２００から排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス３００のカソード側出口３０３からは水素純度９９．９７％と純度の高い水素含有ガスが得られる。
【０１０６】
以上のように本実施の形態の水素生成システム４００は、電解質膜１０４，２０４，３０４と電解質膜１０４，２０４，３０４を挟んで一方の面に配置されるアノード１０５，２０５，３０５と他方の面に配置されるカソード１０６，２０６，３０６とで構成される電解質膜−電極接合体１０７，２０７，３０７を有し、アノード１０５，２０５，３０５に水素含有ガスを供給すると共に、アノード１０５，２０５，３０５とカソード１０６，２０６，３０６との間に所定方向の電流を流すことで、カソード１０６，２０６，３０６から、アノード１０５，２０５，３０５に供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に並べられた第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００と、そのうちの最上流となる第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に水素含有ガスを供給するガス供給手段４０２と、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００のアノード１０５，２０５，３０５とカソード１０６，２０６，３０６との間に電流を流すための電源４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃとを備え、ガス供給手段４０２が、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に水素含有ガスを供給しているときに、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６から排出される水素含有ガスが、第１電気化学デバイス１００に隣接する第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給され、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６から排出される水素含有ガスが、第２電気化学デバイス２００に隣接する第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給されるように、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００が、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システム４００であって、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００の電解質膜１０４，２０４，３０４のＥＷが、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次小さくなるものである。
【０１０７】
上記構成において、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００の電解質膜１０４，２０４，３０４のＥＷが、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次小さくなることにより、電解質膜１０４、電解質膜２０４、電解質膜３０４の含水率を高めて水素イオン伝導性を向上することで、下流側の第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００において、電解質膜２０４、電解質膜３０４が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜２０４、電解質膜３０４のＥＷが最上流の第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４のＥＷと同一の場合に比べて、下流側の第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４の抵抗が小さくなり、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００の水素を生成するためのエネルギーが小さくなるので、水素生成システム４００の水素純化効率を向上することができる。
【０１０８】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図である。図６は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図である。図７は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの構成を示す概略縦断面図である。図８は、本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図である。
【０１０９】
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化
学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を図５〜図８を参照しながら具体的に説明する。
【０１１０】
なお、図８に示す本実施の形態水素生成システムの構成要素において、図５〜図７に示す第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスと同一の構成要素については、同一の符号を付して、重複する説明は省略する場合もある。
【０１１１】
図５に示すように、第１電気化学デバイス５００は、電解質膜５０４をアノード５０５とカソード５０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体５０７を、アノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９によって挟持して構成されている。
【０１１２】
ここで、電解質膜５０４には、ＥＷが１１００で厚みが５０μｍのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
【０１１３】
アノード５０５とカソード５０６には、白金を担持したカーボン粒子を、カーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。
【０１１４】
アノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
【０１１５】
アノード側セパレータ５０８には、水素含有ガスをアノード５０５に供給するためのアノード側入口５０１と、カソード５０６に透過せずにアノード５０５に残った水素含有ガスをアノード５０５から排出するためのアノード側出口５０２と、アノード側セパレータ５０８におけるアノード５０５と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口５０１に連通し下流端がアノード側出口５０２に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【０１１６】
一方、カソード側セパレータ５０９には、カソード５０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口５０３と、カソード側セパレータ５０９におけるカソード５０６と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口５０３に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【０１１７】
また、図６に示すように、第２電気化学デバイス６００は、電解質膜６０４をアノード６０５とカソード６０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体６０７を、アノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９によって挟持して構成されている。
【０１１８】
ここで、電解質膜６０４には、ＥＷが１１００で厚みが３０μｍのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
【０１１９】
アノード６０５とカソード６０６には、白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。
【０１２０】
アノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
【０１２１】
アノード側セパレータ６０８には、水素含有ガスをアノード６０５に供給するためのアノード側入口６０１と、カソード６０６に透過せずにアノード６０５に残った水素含有ガスをアノード６０５から排出するためのアノード側出口６０２と、アノード側セパレータ６０８におけるアノード６０５と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口６０１に連通し下流端がアノード側出口６０２に連通する水素含有ガス流路溝が設けられ
ている。
【０１２２】
一方、カソード側セパレータ６０９には、カソード６０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口６０３と、カソード側セパレータ６０９におけるカソード６０６と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口６０３に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【０１２３】
また、図７に示すように、第３電気化学デバイス７００は、電解質膜７０４をアノード７０５とカソード７０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体７０７を、一対のアノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９によって挟持して構成されている。
【０１２４】
ここで、電解質膜７０４には、ＥＷが１１００で厚みが１５μｍのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
【０１２５】
アノード７０５とカソード７０６には、白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。
【０１２６】
アノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
【０１２７】
アノード側セパレータ７０８には、水素含有ガスをアノード７０５に供給するためのアノード側入口７０１と、カソード７０６に透過せずにアノード７０５に残った水素含有ガスをアノード７０５から排出するためのアノード側出口７０２と、アノード側セパレータ７０８におけるアノード７０５と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口７０１に連通し下流端がアノード側出口７０２に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【０１２８】
一方、カソード側セパレータ７０９には、カソード７０６に生成する水素を排出するためのカソード側出口７０３と、カソード側セパレータ７０９におけるカソード７０６と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口７０３に連通する水素含有ガス流路溝が設けられている。
【０１２９】
また、図８に示すように、本実施の形態の水素生成システム８００は、第１電気化学デバイス５００と、第２電気化学デバイス６００と、第３電気化学デバイス７００と、を備え、また、第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１に加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段８０２を備えた構成となっている。
【０１３０】
ガス供給手段８０２は、加湿された二酸化炭素および水素を含む水素含有ガスを供給可能なポンプで構成される。また、ガス供給手段８０２は第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１に接続されている。
【０１３１】
第１電気化学デバイス５００には、アノード５０５で利用されなかった（カソード５０６に透過せずにアノード５０５に残った）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口５０２が設けられている。
【０１３２】
第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３は、接続流路８０１ａによって下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１と接続されている。
【０１３３】
第２電気化学デバイス６００には、アノード側入口６０１に供給され、アノード６０５で利用されなかった（カソード６０６に透過せずにアノード６０５に残った）水素含有ガ
スを排出するためのアノード側出口６０２が設けられている。
【０１３４】
さらに、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３は、接続流路８０１ｂによって下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１と接続されている。
【０１３５】
第３電気化学デバイス７００には、アノード側入口７０１に供給され、アノード７０５で利用されなかった（カソード７０６に透過せずにアノード７０５に残った）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口７０２が設けられている。
【０１３６】
第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００には、アノード５０５とカソード５０６との間、アノード６０５とカソード６０６との間、アノード７０５とカソード７０６との間に所定方向の電流を流すための電源８０３ａ、電源８０３ｂ、電源８０３ｃが備えられている。電源８０３ａ、電源８０３ｂ、電源８０３ｃには直流電源を用いる。
【０１３７】
ここで、所定方向の電流とは、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６へ流れる電流、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６へ流れる電流、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６へ流れる電流である。
【０１３８】
所定方向の電流が流れ、アノード５０５，６０５，７０５に水素含有ガスが供給された場合に、水素含有ガスに含まれる水素が、アノード５０５，６０５，７０５において、水素イオンと電子に解離し、その電子が、アノード５０５，６０５，７０５から電源８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃを介してカソード５０６，６０６，７０６に流れ、水素イオンが電解質膜５０４，６０４，７０４を透過し、電解質膜５０４，６０４，７０４を透過した水素イオンが、カソード５０６，６０６，７０６において電子と結びついて水素になる。
【０１３９】
また、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００には、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００の温度を調節するための温度調節器８０４ａ、温度調節器８０４ｂ、温度調節器８０４ｃと、温度調節器８０４ａ、温度調節器８０４ｂ、温度調節器８０４ｃを制御するための制御器８０５とが備えられている。
【０１４０】
温度調節器８０４ａ、温度調節器８０４ｂ、温度調節器８０４ｃには設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
【０１４１】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム８００について、以下、その動作、作用を、図８を参照しながら具体的に説明する。
【０１４２】
まず、ガス供給手段８０２から、加湿された二酸化炭素２０％と水素８０％とを含む水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１を介してアノード５０５に供給する。
【０１４３】
制御器８０５は、第１電気化学デバイス５００の温度が８５℃となるように温度調節器８０４ａを制御し、電源８０３ａにより第１電気化学デバイス５００のアノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６へ電流を流す。
【０１４４】
これにより、第１電気化学デバイス５００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１４５】
このとき、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４は、ガス供給手段８０２から供給される加湿された水素含有ガスから水分を取り込んで、温度が８５℃で相対湿度が８０％の環境下に曝される。
【０１４６】
ここで、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４は、わずかではあるが、二酸化炭素が透過するため、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
【０１４７】
また、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜５０４によりカソード５０６への移動が妨げられる。
【０１４８】
そのため、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード５０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
【０１４９】
次に、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３から排出された水素含有ガスを、８５℃に加温された接続流路８０１ａを介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１に供給する。
【０１５０】
第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１に供給される水素含有ガスの水分の含有率は、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６における水素含有ガスの水分の含有率と同一であり、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さい。
【０１５１】
制御器８０５は、第２電気化学デバイス６００の温度が８５℃となるように温度調節器８０４ｂを制御し、電源８０３ｂにより第２電気化学デバイス６００のアノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６へ電流を流す。
【０１５２】
これにより、第２電気化学デバイス６００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１５３】
このとき、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４は、第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１からアノード６０５に供給される水素含有ガスから水分を取り込んで、温度８５℃で相対湿度が７５％の環境下に曝される。
【０１５４】
ここで、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４の膜厚は、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４の膜厚に比べて薄くなっているので、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４は、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４に比べて、その内部を移動する水素イオンの移動距離が短くなる。
【０１５５】
このために、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４は、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４に比べて水素イオン伝導性が向上する。
【０１５６】
したがって、第２電気化学デバイス６００に第１電気化学デバイス５００のアノード５０５における水素含有ガスに比べて水分の含有率が小さい水素含有ガスが供給されても、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４の抵抗は、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４の膜厚を第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４と同一にした場合に比べて小さくなる。
【０１５７】
よって、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４の膜厚を、第１電気化学デバイ
ス５００の電解質膜５０４の膜厚と同一にした場合よりも、水素生成システム８００の水素純化効率が向上する。
【０１５８】
ここで、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４は、わずかではあるが、二酸化炭素が透過するため、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度９９％の水素含有ガスが排出される。
【０１５９】
また、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜６０４によりカソード６０６への移動が妨げられる。
【０１６０】
そのため、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード６０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
【０１６１】
次に、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３から排出された水素含有ガスを、８５℃に加温された接続流路８０１ｂを介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１に供給する。
【０１６２】
第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１に供給される水素含有ガスの水分の含有率は、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６における水素含有ガスの水分の含有率と同一であり、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さく、かつ、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さい。
【０１６３】
制御器８０５は、第３電気化学デバイス７００の温度が８５℃となるように温度調節器８０４ｃを制御し、電源８０３ｃにより第３電気化学デバイス７００のアノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６へ電流を流す。
【０１６４】
これにより、第３電気化学デバイス７００において電気化学反応が進行し、第３電気化学デバイス７００のカソード７０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１６５】
このとき、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４は、第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１からアノード７０５に供給される水素含有ガスから水分を取り込んで、温度が８５℃で相対湿度が７０％の環境下に曝される。
【０１６６】
ここで、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４の膜厚は、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４の膜厚に比べて薄くなっていると共に、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４の膜厚に比べて薄くなっているので、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４は、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４および第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４に比べて、その内部を移動する水素イオンの移動距離が短くなる。
【０１６７】
このために、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４は、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４に比べて水素イオン伝導性が向上すると共に、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４に比べて水素イオン伝導性が向上する。
【０１６８】
したがって、第３電気化学デバイス７００に、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５における水素含有ガスに比べて水分の含有率が小さく、かつ、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５における水素含有ガスに比べて水分の含有率が小さい水素含有ガスが供給されても、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４の抵抗は、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４の膜厚を第１電気化学デバイス５００の電解質膜５
０４と同一にした場合や、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４の膜厚を第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４と同一にした場合に比べて小さくなる。
【０１６９】
よって、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４の膜厚を第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４の膜厚と同一にした場合や、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４の膜厚を第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４の膜厚と同一にした場合よりも、水素生成システム８００の水素純化効率が向上する。
【０１７０】
ここで、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４は、わずかではあるが、二酸化炭素が透過する。しかしながら、既に第２電気化学デバイス６００から排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス７００のカソード側出口７０３からは水素純度９９．９７％と純度の高い水素含有ガスが得られる。
【０１７１】
以上のように本実施の形態の水素生成システム８００は、電解質膜５０４，６０４，７０４と電解質膜５０４，６０４，７０４を挟んで一方の面に配置されるアノード５０５，６０５，７０５と他方の面に配置されるカソード５０６，６０６，７０６とで構成される電解質膜−電極接合体５０７，６０７，７０７を有し、アノード５０５，６０５，７０５に水素含有ガスを供給すると共に、アノード５０５，６０５，７０５とカソード５０６，６０６，７０６との間に所定方向の電流を流すことで、カソード５０６，６０６，７０６から、アノード５０５，６０５，７０５に供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素含有ガスを排出する、一方向に並べられた第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００と、そのうちの最上流となる第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に水素含有ガスを供給するガス供給手段８０２と、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００のアノード５０５，６０５，７０５とカソード５０６，６０６，７０６との間に電流を流すための電源８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃとを備え、ガス供給手段８０２が、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に水素含有ガスを供給しているときに、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６から排出される水素含有ガスが、第１電気化学デバイス５００に隣接する第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に供給され、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６から排出される水素含有ガスが、第２電気化学デバイス６００に隣接する第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に供給されるように、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００が、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続された水素生成システム８００であって、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００の電解質膜５０４，６０４，７０４の膜厚が、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次薄くなるものである。
【０１７２】
上記構成において、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００の電解質膜５０４，６０４，７０４の膜厚を、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次薄くすることにより、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００の電解質膜５０４，６０４，７０４の内部における水素イオンの移動距離が、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって短くなり、水素イオン伝導性が向上するので、第１電気化学デバイス５００よりも下流側の第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００において、電解質膜６０４，７０４が水分の含有率が小さくなった水素含有ガスに曝されても、電解質膜６０４，７０４の膜厚が最上流の第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４の膜厚と同一の場合に比べて、下流側の第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４の抵抗が小さくなり、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００の水素を生成するためのエネルギーが小さくなるので、水素生成システム８００の水素純化効率を向上する
ことができる。
【０１７３】
以上、本発明の実施の形態１と実施の形態２について説明したが、本発明はこのような実施の形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。
【０１７４】
（変形例１）
上述の各実施の形態では、電解質膜を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜としているが、電解質膜としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含むフッ素系の樹脂を用いることができる。
【０１７５】
また、電解質膜として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。またさらには、前記各電解質膜は他の成分を含んでもよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレンやパーフルオロアルキルエーテル等の繊維、織布、不織布、多孔体等により補強されている電解質膜であってもよい。
【０１７６】
（変形例２）
上述の各実施の形態では、電気化学デバイスの数を３台としたが、この台数はあくまで一例であって、２台以上の別の台数であってもよい。
【０１７７】
（変形例３）
上述の各実施の形態では、電解質膜の抵抗を制御する物性値はＥＷまたは膜厚としているが、電解質膜の抵抗を制御する物性値は、交換容量、表面粗さ、誘電率などであってもよい。これら物性値に基づき、上流側から下流側に向かうにしたがって、電気化学デバイスの電解質膜の抵抗が順に小さくなるように、各電気化学デバイスに用いる電解質膜を選択することができる。
【０１７８】
（変形例４）
上述の各実施の形態では、水素含有ガスの組成を、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。
【０１７９】
（変形例５）
上述の各実施の形態では、アノードとカソードには白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いているが、白金に代えて、例えば、ルテニウム、金、銀、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウムなどの貴金属や、例えば、鉄、ニッケル、マンガン、コバルト、クロム、銅、亜鉛、モリブデン、タングステン、ゲルマニウム、錫などの卑金属を用いてもよい。
【０１８０】
またさらには、これら貴金属または卑金属の酸化物、錯体などの化合物、これら貴金属と卑金属との合金などを、白金に代えて用いてもよい。また、カーボン製フェルトに代えて、カーボンペーパーなどを用いることができる。
【０１８１】
（変形例６）
上述の各実施の形態では、セパレータには、カーボンを用いているが、カーボンに代えて、導電性の金属を用いることもできる。さらには、アノード、カソードに直接電流を流すように接続すれば、導電性を有さない材質を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素純化効率を向上することがで
きるため、電気化学デバイスを複数台用いて、不純物を含む水素含有ガスから純度の高い水素を製造する水素生成システムに最適である。
【符号の説明】
【０１８３】
１００，５００  第１電気化学デバイス
１０１，２０１，３０１，５０１，６０１，７０１  アノード側入口
１０２，２０２，３０２，５０２，６０２，７０２  アノード側出口
１０３，２０３，３０３，５０３，６０３，７０３  カソード側出口
１０４，２０４，３０４，５０４，６０４，７０４  電解質膜
１０５，２０５，３０５，５０５，６０５，７０５  アノード
１０６，２０６，３０６，５０６，６０６，７０６  カソード
１０７，２０７，３０７，５０７，６０７，７０７  電解質膜−電極接合体
１０８，２０８，３０８，５０８，６０８，７０８  アノード側セパレータ
１０９，２０９，３０９，５０９，６０９，７０９  カソード側セパレータ
２００，６００  第２電気化学デバイス
３００，７００  第３電気化学デバイス
４００，８００  水素生成システム
４０１ａ，４０１ｂ，８０１ａ，８０１ｂ  接続流路
４０２，８０２  ガス供給手段
４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃ，８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ  電源
４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，８０４ａ，８０４ｂ，８０４ｃ  温度調節器
４０５，８０５  制御器
【図１】
2020015649.tif 000006
【図２】
2020015649.tif 000007
【図３】
2020015649.tif 000008
【図４】
2020015649.tif 000009
【図５】
2020015649.tif 000010
【図６】
2020015649.tif 000011
【図７】
2020015649.tif 000012
【図８】
2020015649.tif 000013
【図９】
2020015649.tif 000014