(57)【要約】【課題】起動時に電気化学デバイスから排出される水素含有ガスの水素純度の低下を防止する水素生成システム。【解決手段】水素生成システム１００ａの制御器６０ａは、水素生成運転の停止指令が入ると、水素含有ガス供給経路３１ａを介してアノード側入口１８ａに水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ａとアノード１２ａとカソード１３ａとの間に電流を流す電源４０ａを停止させた後に、水素含有ガス供給経路開閉弁６５を閉じるとともに、一端が冷却水供給手段５０ａによって冷却水が循環する冷却水循環経路５１ａに接続され他端が水素含有ガス供給経路３１ａに接続されたアノード給水経路５２のアノード給水経路開閉弁６２を開けて、アノード側出口１９ａから水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路３２ａの水素含有ガス排出経路開閉弁６１を閉じることにより、アノード１２ａとアノード流路１６ａを冷却水で満たす。【選択図】図２
2020090691.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前記電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと前記電解質膜の他方の面に配置され前記電解質膜を透過した前記水素イオンと前記電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、前記アノードと当接する面に前記水素含有ガスが重力に逆らわずに流れるように形成されたアノード流路と前記アノード流路の上端部に前記水素含有ガスを流入させるアノード側入口と前記アノード流路の下端部から未利用の前記水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、前記カソードと当接する面に形成されたカソード流路と前記カソード流路から前記水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に冷却水が通流するように構成され前記電解質膜−電極接合体と前記アノードセパレータと前記カソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、
水素含有ガス供給経路を介して前記アノード側入口に前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノード側出口から前記水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、
前記カソード側出口から前記水素を排出する水素排出経路と、
前記アノードで前記酸化反応が起こり前記カソードで前記還元反応が起こるよう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ための電源と、
前記冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され前記冷却水を前記冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、
一端が前記冷却水循環経路に接続され他端が前記水素含有ガス供給経路に接続されたアノード給水経路と、
前記アノード給水経路と前記水素含有ガス供給経路との接続点よりも上流側で前記水素含有ガス供給経路を開閉する水素含有ガス供給経路開閉弁と、
前記水素含有ガス排出経路を開閉する水素含有ガス排出経路開閉弁と、
前記アノード給水経路を開閉するアノード給水経路開閉弁と、
制御器と、を備えた水素生成システムであって、
前記制御器は、水素生成運転の停止指令が入ると、前記ガス供給手段と前記電源を停止させた後に、前記水素含有ガス供給経路開閉弁を閉じるとともに、前記アノード給水経路開閉弁を開けて、前記水素含有ガス排出経路開閉弁を閉じることにより、前記アノード流路を前記冷却水で満たす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前記電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと前記電解質膜の他方の面に配置され前記電解質膜を透過した前記水素イオンと前記電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、前記アノードと当接する面に形成されたアノード流路と前記アノード流路に前記水素含有ガスを流入させるアノード側入口と前記アノード流路から未利用の前記水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、前記カソードと当接する面に前記水素が重力に逆らわずに流れるように形成されたカソード流路と前記カソード流路の上端部に冷却水を流入させるカソード側冷却水入口と前記カソード流路の下端部から前記水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に前記冷却水が通流するように構成され前記電解質膜−電極接合体と前記アノードセパレータと前記カソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、
水素含有ガス供給経路を介して前記アノード側入口に前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノード側出口から前記水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、
前記カソード側出口から前記水素を排出する水素排出経路と、
前記水素排出経路の途中から分岐し前記冷却水を排出する冷却水排出経路と、
前記アノードで前記酸化反応が起こり前記カソードで前記還元反応が起こるよう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ための電源と、
前記冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され前記冷却水を前記冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、
一端が前記冷却水循環経路に接続され他端が前記カソード側冷却水入口に接続されたカソード給水経路と、
前記冷却水排出経路との分岐点よりも下流側で前記水素排出経路を開閉する水素排出経路開閉弁と、
前記冷却水排出経路を開閉する水排出弁と、
前記カソード給水経路を開閉するカソード給水経路開閉弁と、
制御器と、を備えた水素生成システムであって、
前記制御器は、水素生成運転の停止指令が入ると、前記ガス供給手段と前記電源を停止させた後に、前記水素排出経路開閉弁を閉じるとともに、前記カソード給水経路開閉弁を開けて、前記水排出弁を閉じることにより、前記カソード流路を前記冷却水で満たすことを特徴とする水素生成システム。
【請求項３】
電解質膜と前記電解質膜を挟んで前記電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと前記電解質膜の他方の面に配置され前記電解質膜を透過した前記水素イオンと前記電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、前記アノードと当接する面に前記水素含有ガスが重力に逆らわずに流れるように形成されたアノード流路と前記アノード流路の上端部に前記水素含有ガスを流入させるアノード側入口と前記アノード流路の下端部から未利用の前記水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、前記カソードと当接する面に形成されたカソード流路と前記カソード流路から前記水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に冷却水が通流するように構成され前記電解質膜−電極接合体と前記アノードセパレータと前記カソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、
水素含有ガス供給経路を介して前記アノード側入口に前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記アノード側出口から前記水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、
前記カソード側出口から前記水素を排出する水素排出経路と、
前記アノードで前記酸化反応が起こり前記カソードで前記還元反応が起こるよう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ための電源と、
前記冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され前記冷却水を前記冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、
一端が前記冷却水循環経路に接続され他端が前記水素含有ガス供給経路に接続されたアノード給水経路と、
前記アノード給水経路と前記水素含有ガス供給経路との接続点よりも上流側で前記水素含有ガス供給経路を開閉する水素含有ガス供給経路開閉弁と、
前記水素含有ガス排出経路を開閉する水素含有ガス排出経路開閉弁と、
前記アノード給水経路を開閉するアノード給水経路開閉弁と、
を備えた水素生成システムの運転方法であって、
水素生成運転の停止指令により前記ガス供給手段と前記電源を停止させた後に、前記水素含有ガス供給経路開閉弁を閉じるとともに、前記アノード給水経路開閉弁を開けて、前記水素含有ガス排出経路開閉弁を閉じることにより、前記アノード流路を前記冷却水で満たすことを特徴とする水素生成システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから、より高濃度の水素を生成する水素生成システムとその運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の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、水素含有ガスよりも水素純度の高い水素含有ガスを生成するシステムである。
【０００３】
この水素生成システムは、例えば、水素イオンを選択的に透過する電解質膜をアノードとカソードとの間に配置した電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）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。
【０００４】
そして、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードの間に電流を流すことで、アノードでは、（化１）の酸化反応が、カソードでは、（化２）の還元反応が起こる。
【０００５】
【化１】
2020090691.tif 000003
【０００６】
【化２】
2020090691.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、カソードに電気化学的に水素が生成される。そして、生成した水素と電解質膜を介して透過した水素含有ガス中の不純物とからなる水素純度の高い水素含有ガスを、電気化学デバイスから排出する。
【０００７】
前記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、炭化水素系の燃料、例えば１３Ａガスやプロパンガスなどを水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質して生成される。ここで生成された水素含有ガスには、窒素や二酸化炭素などの不純物が含まれており、水素純度が低くなっている。
【０００８】
このようにして得られた純度の低い水素含有ガスを前記電気化学デバイスのアノードに供給し、アノードとカソードとの間に電流を流すことで、純度の高い水素含有ガスを製造し水素需要家に供給するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／００２４６６５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、運転停止状態において、アノードに滞留した水素含有ガスが電解質膜を透過してカソードへ移動する。一方、電気化学デバイスには電流を流していないので、カソードで水素は生成されない。このため、カソードには二酸化炭素
などの不純物が運転時よりも多く滞留する。
【００１１】
そして、水素生成システムの起動時において、カソードで生成される水素に滞留した不純物が混在してしまい、電気化学デバイスから排出される水素含有ガスの水素純度が低下するという課題を有していた。
【００１２】
本発明は、従来の課題を解決するもので、運転停止状態のときにアノードに滞留した水素含有ガスがカソードへ移動して滞留することを防ぎ、起動時に電気化学デバイスから排出される水素含有ガスの水素純度の低下を防止する水素生成システムとその運転方法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】
【００１３】
従来の課題を解決するために、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電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと電解質膜の他方の面に配置され電解質膜を透過した水素イオンと電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、アノードと当接する面に水素含有ガスが重力に逆らわずに流れるように形成されたアノード流路とアノード流路の上端部に水素含有ガスを流入させるアノード側入口とアノード流路の下端部から未利用の水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、カソードと当接する面に形成されたカソード流路とカソード流路から水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に冷却水が通流するように構成され電解質膜−電極接合体とアノードセパレータとカソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、水素含有ガス供給経路を介してアノード側入口に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノード側出口から水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、カソード側出口から水素を排出する水素排出経路と、アノードで酸化反応が起こりカソードで還元反応が起こるようにアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され冷却水を冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、一端が冷却水循環経路に接続され他端が水素含有ガス供給経路に接続されたアノード給水経路と、アノード給水経路と水素含有ガス供給経路との接続点よりも上流側で水素含有ガス供給経路を開閉する水素含有ガス供給経路開閉弁と、水素含有ガス排出経路を開閉する水素含有ガス排出経路開閉弁と、アノード給水経路を開閉するアノード給水経路開閉弁と、制御器と、を備えた水素生成システムであって、制御器は、水素生成運転の停止指令が入ると、ガス供給手段と電源を停止させた後に、水素含有ガス供給経路開閉弁を閉じるとともに、アノード給水経路開閉弁を開けて、水素含有ガス排出経路開閉弁を閉じることにより、アノード流路を冷却水で満たすものである。
【００１４】
これによって、水素生成運転が停止状態のときに、アノードに水素含有ガスが存在しなくなり、水素含有ガスが電解質膜を透過してカソードへ移動することを防止できる。
【００１５】
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電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと電解質膜の他方の面に配置され電解質膜を透過した水素イオンと電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、アノードと当接する面に形成されたアノード流路とアノード流路に水素含有ガスを流入させるアノード側入口とアノード流路から未利用の水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、カソードと当接する面に水素が重力に逆らわずに流れるように形成されたカソード流路とカソード流路の上端部に冷却水を流入させるカソード側冷却水入口とカソード流路の下端部から水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に冷却水が通流するよう
に構成され電解質膜−電極接合体とアノードセパレータとカソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、水素含有ガス供給経路を介してアノード側入口に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノード側出口から水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、カソード側出口から水素を排出する水素排出経路と、水素排出経路の途中から分岐し冷却水を排出する冷却水排出経路と、アノードで酸化反応が起こりカソードで還元反応が起こるようにアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され冷却水を冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、一端が冷却水循環経路に接続され他端がカソード側冷却水入口に接続されたカソード給水経路と、冷却水排出経路との分岐点よりも下流側で水素排出経路を開閉する水素排出経路開閉弁と、冷却水排出経路を開閉する水排出弁と、カソード給水経路を開閉するカソード給水経路開閉弁と、制御器と、を備えた水素生成システムであって、制御器は、水素生成運転の停止指令が入ると、ガス供給手段と電源を停止させた後に、水素排出経路開閉弁を閉じるとともに、カソード給水経路開閉弁を開けて、水排出弁を閉じることにより、カソード流路を冷却水で満たすものである。
【００１６】
これによって、水素生成運転が停止状態のときに、アノードに滞留した水素含有ガスが電解質膜を介してカソード透過することを遮断し、アノードに滞留した水素含有ガスが電解質膜を透過してカソードへ移動することを防止できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の水素生成システムは、水素生成運転が停止状態のときに、アノードに滞留した水素含有ガスがカソードに滞留することを防ぎ、電気化学デバイスから排出される水素含有ガスの水素純度の低下を防止することができる。このため、排出する水素含有ガスの水素純度を高く維持できる高信頼な水素生成システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【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た電気化学デバイスの概略構成を示す断面図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成システムの運転方法を示すフローチャート
【図４】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た電気化学デバイスの概略構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図
【図６】本発明の実施の形態２における水素生成システムの運転方法を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと電解質膜の他方の面に配置され電解質膜を透過した水素イオンと電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、アノードと当接する面に水素含有ガスが重力に逆らわずに流れるように形成されたアノード流路とアノード流路の上端部に水素含有ガスを流入させるアノード側入口とアノード流路の下端部から未利用の水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、カソードと当接する面に形成されたカソード流路とカソード流路から水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に冷却水が通流するように構成され電解質膜−電極接合体とアノードセパレータとカソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、水素含有ガス供給経路を介してアノード側入口に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノード側出口から水素
含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、カソード側出口から水素を排出する水素排出経路と、アノードで酸化反応が起こりカソードで還元反応が起こるようにアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され冷却水を冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、一端が冷却水循環経路に接続され他端が水素含有ガス供給経路に接続されたアノード給水経路と、アノード給水経路と水素含有ガス供給経路との接続点よりも上流側で水素含有ガス供給経路を開閉する水素含有ガス供給経路開閉弁と、水素含有ガス排出経路を開閉する水素含有ガス排出経路開閉弁と、アノード給水経路を開閉するアノード給水経路開閉弁と、制御器と、を備えた水素生成システムであって、制御器は、水素生成運転の停止指令が入ると、ガス供給手段と電源を停止させた後に、水素含有ガス供給経路開閉弁を閉じるとともに、アノード給水経路開閉弁を開けて、水素含有ガス排出経路開閉弁を閉じることにより、アノード流路を冷却水で満たすことを特徴とする水素生成システムである。
【００２０】
これによって、水素生成運転が停止状態のときに、アノードに水素含有ガスが存在しなくなり、水素含有ガスが電解質膜を透過してカソードへ移動することを防止できる。このため排出する水素含有ガスの水素純度を高く維持できる高信頼な水素生成システムを提供できる。
【００２１】
第２の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと電解質膜の他方の面に配置され電解質膜を透過した水素イオンと電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、アノードと当接する面に形成されたアノード流路とアノード流路に水素含有ガスを流入させるアノード側入口とアノード流路から未利用の水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、カソードと当接する面に水素が重力に逆らわずに流れるように形成されたカソード流路とカソード流路の上端部に冷却水を流入させるカソード側冷却水入口とカソード流路の下端部から水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に冷却水が通流するように構成され電解質膜−電極接合体とアノードセパレータとカソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、水素含有ガス供給経路を介してアノード側入口に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノード側出口から水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、カソード側出口から水素を排出する水素排出経路と、水素排出経路の途中から分岐し冷却水を排出する冷却水排出経路と、アノードで酸化反応が起こりカソードで還元反応が起こるようにアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され冷却水を冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、一端が冷却水循環経路に接続され他端がカソード側冷却水入口に接続されたカソード給水経路と、冷却水排出経路との分岐点よりも下流側で水素排出経路を開閉する水素排出経路開閉弁と、冷却水排出経路を開閉する水排出弁と、カソード給水経路を開閉するカソード給水経路開閉弁と、制御器と、を備えた水素生成システムであって、制御器は、水素生成運転の停止指令が入ると、ガス供給手段と電源を停止させた後に、水素排出経路開閉弁を閉じるとともに、カソード給水経路開閉弁を開けて、水排出弁を閉じることにより、カソード流路を冷却水で満たすことを特徴とする水素生成システムである。
【００２２】
これによって、水素生成運転が停止状態のときに、アノードに滞留した水素含有ガスが電解質膜を介してカソード透過することを遮断できる。このため排出する水素含有ガスの水素純度を高く維持できる高信頼な水素生成システムを提供できる。
【００２３】
第３の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで電解質膜の一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノードと電解質膜の他方の面に配置され電解質膜を透過した水素イオンと電子とを結合させて水素を生成
する還元反応を起こすカソードとで構成される電解質膜−電極接合体と、アノードと当接する面に水素含有ガスが重力に逆らわずに流れるように形成されたアノード流路とアノード流路の上端部に水素含有ガスを流入させるアノード側入口とアノード流路の下端部から未利用の水素含有ガスを流出させるアノード側出口とを有するアノードセパレータと、カソードと当接する面に形成されたカソード流路とカソード流路から水素を流出させるカソード側出口が形成されたカソードセパレータと、冷却水入口から冷却水出口に冷却水が通流するように構成され電解質膜−電極接合体とアノードセパレータとカソードセパレータと熱交換可能する冷却機構と、を備えた電気化学デバイスと、水素含有ガス供給経路を介してアノード側入口に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、アノード側出口から水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路と、カソード側出口から水素を排出する水素排出経路と、アノードで酸化反応が起こりカソードで還元反応が起こるようにアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、冷却機構とともに冷却水循環経路に配置され冷却水を冷却水入口に供給するための冷却水供給手段と、一端が冷却水循環経路に接続され他端が水素含有ガス供給経路に接続されたアノード給水経路と、アノード給水経路と水素含有ガス供給経路との接続点よりも上流側で水素含有ガス供給経路を開閉する水素含有ガス供給経路開閉弁と、水素含有ガス排出経路を開閉する水素含有ガス排出経路開閉弁と、アノード給水経路を開閉するアノード給水経路開閉弁と、を備えた水素生成システムの運転方法であって、水素生成運転の停止指令によりガス供給手段と電源を停止させた後に、水素含有ガス供給経路開閉弁を閉じるとともに、アノード給水経路開閉弁を開けて、水素含有ガス排出経路開閉弁を閉じることにより、アノード流路を冷却水で満たすことを特徴とする水素生成システムの運転方法である。
【００２４】
これによって、水素生成運転が停止状態のときに、アノードに水素含有ガスが存在しなくなり、水素含有ガスが電解質膜を透過してカソードへ移動することを防止することができる。このため排出する水素含有ガスの水素純度を高く維持できる運転方法とすることができる。
【００２５】
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。
【００２６】
（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た電気化学デバイスの概略構成を示す断面図である。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の概略構成図である。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の運転方法を示すフローチャートである。
【００２７】
図１に示すように本実施の形態の水素生成システムに用いた電気化学デバイス１ａは、電解質膜１１ａをアノード１２ａとカソード１３ａとの間に配置した電解質膜−電極接合体７０ａを、アノードセパレータ１４ａ及びカソードセパレータ１５ａによって挟持した構成となっている。さらに、電気化学デバイス１ａは、冷却機構２５ａを備えている。
【００２８】
ここで電解質膜１１ａには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。アノード１２ａとカソード１３ａは、白金を担持したカーボン触媒をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。アノードセパレータ１４ａ及びカソードセパレータ１５ａ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。
【００２９】
また、アノードセパレータ１４ａには、アノード１２ａに水素含有ガスを供給するためのアノード側入口１８ａとアノード流路１６ａと、水素含有ガスを排出するためのアノード側出口１９ａと、が設けられている。
【００３０】
一方、カソードセパレータ１５ａには、カソード１３ａで生成される水素を排出するためのカソード流路１７ａとカソード側出口２０ａとが設けられている。
【００３１】
また、冷却機構２５ａには、内部に冷却水を供給するための冷却水入口２６ａと、内部から冷却水を排出するための冷却水出口２７ａが設けられている。
【００３２】
また、図２に示すように本実施の形態の水素生成システム１００ａには、電解質膜１１ａの主面が重力方向に略平行になり、アノード側入口１８ａがアノード流路１６ａの上端に位置するとともに、アノード側出口１９ａがアノード流路１６ａの下端に位置し、アノード側入口１８ａから流入した水素含有ガスまたは冷却水が、重力に逆らうことなくアノード側出口１９ａから流出するようにアノード流路１６ａが形成、配置された電気化学デバイス１ａと、電気化学デバイス１ａのアノード側入口１８ａに加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ａと、冷却機構２５ａに冷却水を供給する冷却水供給手段５０ａが設置されている。
【００３３】
ガス供給手段３０ａは、都市ガスから水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する燃料処理器を用いる。ガス供給手段３０ａが供給する水素含有ガスは、水素の含有比率が８０％で、二酸化炭素の含有比率が２０％になっている。
【００３４】
冷却水供給手段５０ａには、ポンプを用いる。また、アノード側入口１８ａには、ガス供給手段３０ａから水素含有ガスを流すための水素含有ガス供給経路３１ａが接続されている。
【００３５】
また、アノード側出口１９ａには、アノード側出口１９ａから排出された水素含有ガスを流すための水素含有ガス排出経路３２ａが接続されている。カソード側出口２０ａにはカソード側出口２０ａから排出された水素を流すための水素排出経路３３ａが接続されている。
【００３６】
また、冷却水供給手段５０ａの吐出側と冷却水入口２６ａの間と、冷却水出口２７ａと冷却水供給手段５０ａの吸込側の間には、それぞれ冷却水を流すための冷却水循環経路５１ａが接続されている。
【００３７】
冷却水出口２７ａと冷却水供給手段５０ａの吸込側を接続する冷却水循環経路５１ａには、冷却水タンク（図示せず）が設けられ、冷却水タンク内の水位が下限水位以下に低下すると、冷却水タンクに冷却水が補充されるように構成されている。
【００３８】
冷却水供給手段５０ａの吐出側と冷却水入口２６ａを接続する冷却水循環経路５１ａを分岐することによりアノード給水経路５２が構成されており、さらに、アノード給水経路５２は、アノード１２ａ及びアノード流路１６ａに冷却水を供給するために水素含有ガス供給経路３１ａに接続されている。また、水素含有ガス排出経路３２ａには、水素含有ガス排出経路開閉弁６１が設けられており、アノード給水経路５２には、アノード給水経路開閉弁６２が設けられている。
【００３９】
電気化学デバイス１ａには、アノード１２ａとカソード１３ａとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ａが接続されている。所定方向の電流とは、アノード１２ａから電解質膜１１ａを介してカソード１３ａへ流れる電流である。電源４０ａには、直流電源を用いる。電源４０ａの正極はアノード１２ａと電気的に接続されており、電源４０ａの負極はカソード１３ａと電気的に接続されている。
【００４０】
さらに、水素生成システム１００ａは、冷却水供給手段５０ａと水素含有ガス排出経路開閉弁６１とアノード給水経路開閉弁６２とガス供給手段３０ａと電源４０ａとを制御するための制御器６０ａを備えている。
【００４１】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム１００ａについて、図１及び図２を参照しながら、図３でその動作、作用を説明する。
【００４２】
まず、ガス供給手段３０ａ、電源４０ａ、冷却水供給手段５０ａが停止している状態から、水素含有ガス排出経路開閉弁６１を開状態、アノード給水経路開閉弁６２を閉状態、水素含有ガス供給経路開閉弁６５を開状態とする（Ｓ００１）。
【００４３】
次に、ガス供給手段３０ａから、ガス温度が８５℃で相対湿度が９０％に加湿された二酸化炭素の含有比率が２０％で水素の含有比率が８０％の水素含有ガスを、水素含有ガス供給経路３１ａ、電気化学デバイス１ａのアノード側入口１８ａとアノード流路１６ａを介して、アノード１２ａに供給して１分間保持する（Ｓ００２）。
【００４４】
この１分間で、水素含有ガスの流れを利用して、アノード１２ａ及びアノード流路１６ａに滞留している水を排出する。
【００４５】
Ｓ００２で保持する１分間が経過すると、冷却水供給手段５０ａから、温度が６０℃の冷却水を２Ｌ／ｍｉｎの流量で冷却水入口２６ａを介して冷却機構２５ａに供給する。また、電気化学デバイス１ａのアノード１２ａから電解質膜１１ａを介してカソード１３ａへ、電源４０ａから１００Ａの電流を流して水素生成システム１００ａを起動し、水素生成運転を開始する（Ｓ００３）。
【００４６】
水素生成運転が開始されると、電気化学デバイス１ａは、アノード１２ａに供給された水素含有ガスから、電気化学反応を利用して、カソード１３ａで水素が生成される。そして、カソード１３ａで生成された水素は、カソード流路１７ａを経てカソード側出口２０ａから排出される。
【００４７】
また、電気化学デバイス１ａのアノード側出口１９ａからは、アノード１２ａに供給された水素含有ガスから、カソード１３ａに移動した水素を除いた水素含有ガスが排出される。
【００４８】
次に、外部から制御器６０ａの信号入力部に水素生成運転の停止指令が入ったかどうかを判定する（Ｓ００４）。そして、停止指令が入っていないと判定した場合は、停止指令が入ったと判定するまでＳ００４の判定を繰り返す。
【００４９】
水素生成運転の停止指令が入ったと判定した場合は、ガス供給手段３０ａからの水素含有ガス供給を停止し、電源４０ａから、アノード１２ａから電解質膜１１ａを介してカソード１３ａへ流す電流を停止する（Ｓ００５）。
【００５０】
この電気化学デバイス１ａへの水素含有ガス供給と電流を停止して、水素含有ガスから水素がカソード１３ａで生成されない状態を、水素生成運転停止状態とする。水素運転停止状態では、二酸化炭素を含んだ水素含有ガスがアノード１２ａ及びアノード流路１６ａとの双方に滞留している。
【００５１】
次に、水素生成運転停止状態（冷却水供給手段５０ａは冷却水の供給動作を継続中）において、水素含有ガス供給経路開閉弁６５を閉状態、アノード給水経路開閉弁６２を開状態とし、水素含有ガス排出経路開閉弁６１を閉状態にして１分間保持する（Ｓ００６）。
【００５２】
アノード給水経路開閉弁６２を開状態とすることによって、冷却水の一部が冷却水循環経路５１ａから分岐されたアノード給水経路５２を流れ、水素含有ガス供給経路３１ａを経て、アノード１２ａ及びアノード流路１６ａに流入する。
【００５３】
本実施の形態では、冷却水循環経路５１ａからアノード給水経路５２に分岐された冷却水の流量は０．８Ｌ／ｍｉｎである。また、アノード１２ａとアノード流路１６ａとアノード側入口１８ａとアノード側出口１９ａからなるアノード空間の全体積は０．５Ｌであり、本実施の形態の場合は、Ｓ００６で１分間保持することで、アノード空間を冷却水で充填することができる。
【００５４】
Ｓ００６で保持する１分間が経過すると、冷却水供給手段５０ａからの冷却水の供給を停止し、アノード給水経路開閉弁６２を閉状態とする（Ｓ００７）。
【００５５】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１００ａは、電解質膜１１ａと電解質膜１１ａを挟んで電解質膜１１ａの一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノード１２ａと電解質膜１１ａの他方の面に配置され電解質膜１１ａを透過した水素イオンと電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソード１３ａとで構成される電解質膜−電極接合体７０ａと、アノード１２ａと当接する面に水素含有ガスが重力に逆らわずに流れるように溝状に形成されたアノード流路１６ａとアノード流路１６ａの上端部に水素含有ガスを流入させるアノード側入口１８ａとアノード流路１６ａの下端部から未利用の水素含有ガスを流出させるアノード側出口１９ａとを有するアノードセパレータ１４ａと、カソード１３ａと当接する面に溝状に形成されたカソード流路１７ａとカソード流路１７ａから水素を流出させるカソード側出口２０ａが形成されたカソードセパレータ１５ａと、冷却水入口２６ａから冷却水出口２７ａに冷却水が通流するように構成され電解質膜−電極接合体７０ａとアノードセパレータ１４ａとカソードセパレータ１５ａと熱交換可能する冷却機構２５ａと、を備えた電気化学デバイス１ａと、水素含有ガス供給経路３１ａを介してアノード側入口１８ａに水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ａと、アノード側出口１９ａから水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路３２ａと、カソード側出口２０ａから水素を排出する水素排出経路３３ａと、アノード１２ａで酸化反応が起こりカソード１３ａで還元反応が起こるようにアノード１２ａとカソード１３ａとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ａと、冷却機構２５ａとともに冷却水循環経路５１ａに配置され冷却水を冷却水入口２６ａに供給するための冷却水供給手段５０ａと、一端が冷却水循環経路５１ａに接続され他端が水素含有ガス供給経路３１ａに接続されたアノード給水経路５２と、アノード給水経路５２と水素含有ガス供給経路３１ａとの接続点よりも上流側で水素含有ガス供給経路３１ａを開閉する水素含有ガス供給経路開閉弁６５と、水素含有ガス排出経路３２ａを開閉する水素含有ガス排出経路開閉弁６１と、アノード給水経路５２を開閉するアノード給水経路開閉弁６２と、制御器６０ａと、を備えている。
【００５６】
そして、制御器６０ａは、水素生成運転の停止指令が入ると、ガス供給手段３０ａと電源４０ａを停止させた後に、水素含有ガス供給経路開閉弁６５を閉じるとともに、アノード給水経路開閉弁６２を開けて、水素含有ガス排出経路開閉弁６１を閉じることにより、アノード１２ａとアノード流路１６ａを冷却水で満たすように構成されている。
【００５７】
アノード１２ａとアノード流路１６ａとの双方に供給する冷却水量がアノード空間体積以上となるように、制御器６０ａによって冷却水供給手段５０ａの稼働時間を制御することにより、水素生成運転停止状態のときに、アノード１２ａとアノード流路１６ａとの双方に冷却水を充填し、アノード１２ａとアノード流路１６ａとの双方に滞留した水素含有ガスを冷却水で置換することが可能となる。
【００５８】
これにより、アノード１２ａ及びアノード流路１６ａとの双方に水素含有ガスが存在しなくなり、水素含有ガスが電解質膜１１ａを透過してカソード１３ａへ移動することを防止できる。
【００５９】
このため、水素生成運転停止状態のときに、カソード１３ａに不純物を多く含んだ水素含有ガスが滞留しなくなり、水素生成システム１００ａの起動時に、電気化学デバイス１ａから排出される水素含有ガスの水素純度の低下を防止することができる。このため、排出する水素含有ガスの水素純度を高く維持できる高信頼な水素生成システム１００ａを提供できる。
【００６０】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス中の不純物は、二酸化炭素としたが、これに限定されるものではない。
【００６１】
なお、本実施の形態では、予め、アノード空間体積と、アノード１２ａに流入する冷却水流量の関係からＳ００６の保持時間を決めたが、アノード給水経路５２に冷却水流量計を設置し、通過した冷却水積算流量をモニタリングして決めてもよい。
【００６２】
なお、アノード空間にガスが残留している状態で水素含有ガス排出経路開閉弁６１を閉じると、アノード１２ａとアノード流路１６ａを冷却水で満たすことが困難な場合は、アノード側入口１８ａから流入する冷却水によって、アノード空間に残留していたガスが水素含有ガス排出経路開閉弁６１よりも下流側に押し出されてから、水素含有ガス排出経路開閉弁６１を閉じるようにすると、アノード１２ａとアノード流路１６ａを冷却水で満たすことができる。
【００６３】
なお、本実施の形態では、水素運転停止状態において、アノード１２ａとアノード流路１６ａの双方を冷却水で充填したが、電解質膜１１ａとアノード１２ａとアノードセパレータ１４ａに影響がなければ、エチレングリコールなどの不凍液を充填させることもできる。
【００６４】
（実施の形態２）
図４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た電気化学デバイスの概略構成を示す断面図である。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の概略構成図である。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の運転方法のフローチャートである。
【００６５】
図４に示すように本実施の形態の水素生成システムに用いた電気化学デバイス１ｂは、電解質膜１１ｂをアノード１２ｂとカソード１３ｂとの間に配置した電解質膜−電極接合体７０ｂを、アノードセパレータ１４ｂ及びカソードセパレータ１５ｂによって挟持した構成となっている。さらに、電気化学デバイス１ｂは、冷却機構２５ｂを備えている。
【００６６】
ここで電解質膜１１ｂには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。アノード１２ｂとカソード１３ｂは、白金を担持したカーボン触媒をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。アノードセパレータ１４ｂ及びカソードセパレータ１５ｂ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。
【００６７】
また、アノードセパレータ１４ｂには、アノード１２ｂに水素含有ガスを供給するためのアノード側入口１８ｂとアノード流路１６ｂと、水素含有ガスを排出するためのアノード側出口１９ｂと、が設けられている。
【００６８】
一方、カソードセパレータ１５ｂには、カソード１３ｂで生成される水素を排出するためのカソード流路１７ｂとカソード側出口２０ｂと、運転停止中に冷却水をカソード流路１７ｂに供給するためのカソード側冷却水入口２１とが設けられている。
【００６９】
また、冷却機構２５ｂには、内部に冷却水を供給するための冷却水入口２６ｂと、内部から冷却水を排出するための冷却水出口２７ｂが設けられている。
【００７０】
また、図５に示すように本実施の形態の水素生成システム１００ｂには、電解質膜１１ｂの主面が重力方向に略平行になり、カソード側冷却水入口２１がカソード流路１７ｂの上端に位置するとともに、カソード側出口２０ｂがカソード流路１７ｂの下端に位置し、カソード側冷却水入口２１から流入した冷却水が、重力に逆らうことなくカソード側出口２０ｂから流出するようにカソード流路１７ｂが形成、配置された電気化学デバイス１ｂと、電気化学デバイス１ｂのアノード側入口１８ｂに加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ｂと、冷却機構２５ｂに冷却水を供給する冷却水供給手段５０ｂが設置されている。
【００７１】
ガス供給手段３０ｂは、都市ガスから水蒸気改質反応により水素含有ガスを生成する燃料処理器を用いる。ガス供給手段３０ｂが供給する水素含有ガスは、水素の含有比率が８０％で、二酸化炭素の含有比率が２０％になっている。
【００７２】
冷却水供給手段５０ｂには、ポンプを用いる。また、アノード側入口１８ｂには、ガス供給手段３０ｂから水素含有ガスを流すための水素含有ガス供給経路３１ｂが接続されている。
【００７３】
また、アノード側出口１９ｂには、アノード側出口１９ｂから排出された水素含有ガスを流すための水素含有ガス排出経路３２ｂが接続されている。カソード側出口２０ｂにはカソード側出口２０ｂから排出された水素を流すための水素排出経路３３ｂが接続されている。
【００７４】
水素排出経路３３ｂには水素排出経路開閉弁６３が設けられている。さらに、水素排出経路開閉弁６３よりも上流側の水素排出経路３３ｂには、カソード側出口２０ｂから排出された冷却水を排出するための冷却水排出経路３４が接続されている。冷却水排出経路３４には水排出弁６６が設けられている。
【００７５】
また、冷却水供給手段５０ｂの吐出側と冷却水入口２６ｂの間と、冷却水出口２７ｂと冷却水供給手段５０ｂの吸込側の間には、それぞれ冷却水を流すための冷却水循環経路５１ｂが接続されている。
【００７６】
冷却水出口２７ｂと冷却水供給手段５０ｂの吸込側を接続する冷却水循環経路５１ｂには、冷却水タンク（図示せず）が設けられ、冷却水タンク内の水位が下限水位以下に低下すると、冷却水タンクに冷却水が補充されるように構成されている。
【００７７】
冷却水出口２７ｂと冷却水供給手段５０ｂの吸込側を接続する冷却水循環経路５１ｂを分岐することによりカソード給水経路５３が構成されており、さらに、カソード給水経路５３は、カソード１３ｂ及びカソード流路１７ｂに冷却水を供給するためにカソード側冷却水入口２１に接続されている。また、カソード給水経路５３にはカソード給水経路開閉弁６４が設けられている。
【００７８】
電気化学デバイス１ｂには、アノード１２ｂとカソード１３ｂとの間に所定方向の電流
を流すための電源４０ｂが接続されている。所定方向の電流とは、アノード１２ｂから電解質膜１１ｂを介してカソード１３ｂへ流れる電流である。電源４０ｂには、直流電源を用いる。電源４０ｂの正極はアノード１２ｂと電気的に接続されており、電源４０ｂの負極はカソード１３ｂと電気的に接続されている。
【００７９】
さらに、水素生成システム１００ｂは、冷却水供給手段５０ｂと水素排出経路開閉弁６３とカソード給水経路開閉弁６４と水排出弁６６とガス供給手段３０ｂと電源４０ｂとを制御するための制御器６０ｂを備えている。
【００８０】
以上のように構成された本実施の形態の水素生成システム１００ｂについて、図４、図５を参照しながら、図６で、その動作、作用を説明する。
【００８１】
まず、ガス供給手段３０ｂ、電源４０ｂ、冷却水供給手段５０ｂが停止している状態から、水素排出経路開閉弁６３を閉状態、カソード給水経路開閉弁６４を閉状態、水排出弁６６を開状態とする（Ｓ０１１）。
【００８２】
次に、ガス供給手段３０ｂから、ガス温度が８５℃で相対湿度が９０％に加湿された二酸化炭素の含有比率が２０％で水素の含有比率が８０％の水素含有ガスを、水素含有ガス供給経路３１ｂ、電気化学デバイス１ｂのアノード側入口１８ｂとアノード流路１６ｂを介して、アノード１２ｂに供給する。
【００８３】
さらに、冷却水供給手段５０ｂから、温度が６０℃の冷却水を２Ｌ／ｍｉｎの流量で冷却水入口２６ｂを介して冷却機構２５ｂに供給する。また、電気化学デバイス１ｂのアノード１２ｂから電解質膜１１ｂを介してカソード１３ｂへ、電源４０ｂから１００Ａの電流を流して水素生成システム１００ｂを起動して１分間保持する（Ｓ０１２）。
【００８４】
Ｓ０１２において、水素含有ガスがアノード１２ｂに供給されるとともに、アノード１２ｂから電解質膜１１ｂを介してカソード１３ｂへ電流が流れることにより、電気化学デバイス１ｂでは、電気化学反応を利用して、水素含有ガスから水素がカソード１３ｂで生成され、カソード１３ｂで生成された水素は、カソード流路１７ｂを流れてカソード側出口２０ｂから水素排出経路３３ｂに排出され、水素排出経路開閉弁６３が閉状態で水排出弁６６が開状態であるために、カソード側出口２０ｂから排出された水素の全量が水素排出経路３３ｂから冷却水排出経路３４に分岐し、水排出弁６６を通過して冷却水排出経路３４から排出される。
【００８５】
そして、Ｓ０１２で保持する１分間で、カソード１３ｂで生成された水素の流れを利用して、カソード１３ｂ及びカソード流路１７ｂに滞留している水を冷却水排出経路３４の水排出弁６６から排出する。
【００８６】
Ｓ００２で保持する１分間が経過すると、水素排出経路開閉弁６３を開状態、水排出弁６６を閉状態として、水素生成運転を開始する（Ｓ０１３）。
【００８７】
水素生成運転が開始されると、電気化学デバイス１ｂで、電気化学反応を利用して、カソード１３ｂで生成され、カソード流路１７ｂを流れてカソード側出口２０ｂから排出される水素は、水素排出経路開閉弁６３が開状態で水排出弁６６が閉状態であるために、冷却水排出経路３４に分岐せずに、水素排出経路３３ｂの水素排出経路開閉弁６３を通過する。
【００８８】
また、電気化学デバイス１ｂのアノード側出口１９ｂからは、アノード１２ｂに供給された水素含有ガスから、カソード１３ｂに移動した水素を除いた水素含有ガスが排出され
る。
【００８９】
次に、外部から制御器６０ｂの信号入力部に水素生成運転の停止指令が入ったかどうかを判定する（Ｓ０１４）。そして、停止指令が入っていないと判定した場合は、停止指令が入ったと判定するまでＳ０１４の判定を繰り返す。
【００９０】
水素生成運転の停止指令が入ったと判定した場合は、ガス供給手段３０ｂからの水素含有ガス供給を停止し、電源４０ｂから、アノード１２ｂから電解質膜１１ｂを介してカソード１３ｂへ流す電流を停止する（Ｓ０１５）。
【００９１】
この電気化学デバイス１ｂへの水素含有ガス供給と電流を停止して、水素含有ガスから水素がカソード１３ｂで生成されない状態を、水素生成運転停止状態とする。水素運転停止状態では、二酸化炭素を含んだ水素含有ガスがアノード１２ｂ及びアノード流路１６ｂとの双方に滞留している。
【００９２】
次に、水素生成運転停止状態（冷却水供給手段５０ａは冷却水の供給動作を継続中）において、水素排出経路開閉弁６３を閉状態、カソード給水経路開閉弁６４を開状態とし、水排出弁６６を開状態にして１分間保持する（Ｓ０１６）。
【００９３】
カソード給水経路開閉弁６４を開状態とすることによって、冷却水の一部が冷却水循環経路５１ｂから分岐されたカソード給水経路５３を流れ、カソード側冷却水入口２１からカソード１３ｂ及びカソード流路１７ｂに流入する。
【００９４】
本実施の形態では、冷却水循環経路５１ｂからカソード給水経路５３に分岐された冷却水の流量は０．８Ｌ／ｍｉｎである。また、カソード１３ｂとカソード流路１７ｂとカソード側出口２０ｂとカソード側冷却水入口２１からなるカソード空間の全体積は０．５Ｌであり、本実施の形態の場合は、Ｓ０１６で１分間保持することで、カソード空間を冷却水で充填することができる。
【００９５】
Ｓ０１６で保持する１分間が経過すると、冷却水供給手段５０ｂからの冷却水の供給を停止し、カソード給水経路開閉弁６４を閉状態とする（Ｓ０１７）。
【００９６】
以上のように本実施の形態の水素生成システム１００ｂは、電解質膜１１ｂと電解質膜１１ｂを挟んで電解質膜１１ｂの一方の面に配置され水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応を起こすアノード１２ｂと電解質膜１１ｂの他方の面に配置され電解質膜１１ｂを透過した水素イオンと電子とを結合させて水素を生成する還元反応を起こすカソード１３ｂとで構成される電解質膜−電極接合体７０ｂと、アノード１２ｂと当接する面に溝状に形成されたアノード流路１６ｂとアノード流路１６ｂに水素含有ガスを流入させるアノード側入口１８ｂとアノード流路１６ｂから未利用の水素含有ガスを流出させるアノード側出口１９ｂとを有するアノードセパレータ１４ｂと、カソード１３ｂと当接する面に水素が重力に逆らわずに流れるように溝状に形成されたカソード流路１７ｂとカソード流路１７ｂの上端部に冷却水を流入させるカソード側冷却水入口２１とカソード流路１７ｂの下端部から水素を流出させるカソード側出口２０ｂが形成されたカソードセパレータ１５ｂと、冷却水入口２６ｂから冷却水出口２７ｂに冷却水が通流するように構成され電解質膜−電極接合体７０ｂとアノードセパレータ１４ｂとカソードセパレータ１５ｂと熱交換可能する冷却機構２５ｂと、を備えた電気化学デバイス１ｂと、水素含有ガス供給経路３１ｂを介してアノード側入口１８ｂに水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ｂと、アノード側出口１９ｂから水素含有ガスを排出する水素含有ガス排出経路３２ｂと、カソード側出口２０ｂから水素を排出する水素排出経路３３ｂと、水素排出経路３３ｂの途中から下方に分岐し冷却水を排出する冷却水排出経路３４と、ア
ノード１２ｂで酸化反応が起こりカソード１３ｂで還元反応が起こるようにアノード１２ｂとカソード１３ｂとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｂと、冷却機構２５ｂとともに冷却水循環経路５１ｂに配置され冷却水を冷却水入口２６ｂに供給するための冷却水供給手段５０ｂと、一端が冷却水循環経路５１ｂに接続され他端がカソード側冷却水入口２１に接続されたカソード給水経路５３と、冷却水排出経路３４との分岐点よりも下流側で水素排出経路３３ｂを開閉する水素排出経路開閉弁６３と、冷却水排出経路３４を開閉する水排出弁６６と、カソード給水経路５３を開閉するカソード給水経路開閉弁６４と、制御器６０ｂと、を備えている。
【００９７】
そして、制御器６０ｂは、水素生成運転の停止指令が入ると、ガス供給手段３０ｂと電源４０ｂを停止させた後に、水素排出経路開閉弁６３を閉じるとともに、カソード給水経路開閉弁６４を開けて、水排出弁６６を閉じることにより、カソード１３ｂとカソード流路１７ｂを冷却水で満たすように構成されている。
【００９８】
カソード１３ｂとカソード流路１７ｂとの双方に供給する冷却水量がカソード空間体積以上となるように、制御器６０ｂによって冷却水供給手段５０ｂの稼働時間を制御することにより、水素生成運転停止状態のときに、カソード１３ｂとカソード流路１７ｂとの双方に充填された冷却水を防壁として、アノード１２ｂとアノード流路１６ｂとの双方に滞留した水素含有ガスが、電解質膜１１ｂを透過してカソード１３ｂへ移動することを遮断できる。
【００９９】
このため、水素生成運転停止状態のときに、カソード１３ｂに不純物を多く含んだ水素含有ガスが滞留しなくなり、水素生成システム１００ｂの起動時に、電気化学デバイス１ｂから排出される水素含有ガスの水素純度の低下を防止することができる。このため、排出する水素含有ガスの水素純度を高く維持できる高信頼な水素生成システム１００ｂを提供できる。
【０１００】
なお、本実施の形態では、水素含有ガス中の不純物は、二酸化炭素としたが、これに限定されるものではない。
【０１０１】
なお、本実施の形態では、予め、カソード空間体積と、カソード１３ｂに流入する冷却水流量の関係からＳ０１６の保持時間を決めたが、カソード給水経路５３に冷却水流量計を設置し、通過した冷却水の積算流量をモニタリングして決めてもよい。
【０１０２】
なお、カソード空間にガスが残留している状態で、水素排出経路開閉弁６３に加えて水排出弁６６を閉じると、カソード１３ｂとカソード流路１７ｂを冷却水で満たすことが困難な場合は、カソード側冷却水入口２１から流入する冷却水によって、カソード空間に残留していたガスが水排出弁６６よりも下流側に押し出されてから、水排出弁６６を閉じるようにすると、カソード１３ｂとカソード流路１７ｂを冷却水で満たすことができる。
【０１０３】
なお、本実施の形態では、水素運転停止状態において、カソード１３ｂとカソード流路１７ｂの双方を冷却水で充填したが、電解質膜１１ｂとカソード１３ｂとカソードセパレータ１５ｂに影響がなければ、エチレングリコールなどの不凍液を充填させることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明の水素生成システムは、水素生成システム起動時に生成される水素の純度低下を防止することができるため、冷却水で冷却される電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから、より高濃度の水素を生成する水素生成システムで、周期的に水素生成運転を停止するが、水素生成運転開始時から、高純度の水素の排出が求められる用途に最適である。
【符号の説明】
【０１０５】
１ａ，１ｂ  電気化学デバイス
１１ａ，１１ｂ  電解質膜
１２ａ，１２ｂ  アノード
１３ａ，１３ｂ  カソード
１４ａ，１４ｂ  アノードセパレータ
１５ａ，１５ｂ  カソードセパレータ
１６ａ，１６ｂ  アノード流路
１７ａ，１７ｂ  カソード流路
１８ａ，１８ｂ  アノード側入口
１９ａ，１９ｂ  アノード側出口
２０ａ，２０ｂ  カソード側出口
２１  カソード側冷却水入口
２５ａ，２５ｂ  冷却機構
２６ａ，２６ｂ  冷却水入口
２７ａ，２７ｂ  冷却水出口
３０ａ，３０ｂ  ガス供給手段
３１ａ，３１ｂ  水素含有ガス供給経路
３２ａ，３２ｂ  水素含有ガス排出経路
３３ａ，３３ｂ  水素排出経路
３４  冷却水排出経路
４０ａ，４０ｂ  電源
５０ａ，５０ｂ  冷却水供給手段
５１ａ，５１ｂ  冷却水循環経路
５２  アノード給水経路
５３  カソード給水経路
６０ａ，６０ｂ  制御器
６１  水素含有ガス排出経路開閉弁
６２  アノード給水経路開閉弁
６３  水素排出経路開閉弁
６４  カソード給水経路開閉弁
６５  水素含有ガス供給経路開閉弁
６６  水排出弁
７０ａ，７０ｂ  電解質膜−電極接合体
１００ａ，１００ｂ  水素生成システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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