(57)【要約】【課題】複数の電気化学デバイスを水素含有ガスが流れる方向に直列に接続した水素生成システムの水素純化効率を高くする。【解決手段】ガス供給手段４０２から、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の順に、水素含有ガスを流して、水素の純度を高める水素生成システム４００において、第３電気化学デバイス３００の単位体積当たりのアノード触媒層３０５のアイオノマー量を、第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量より多くし、第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量を、第１電気化学デバイス１００の単位体積当たりのアノード触媒層１０５のアイオノマー量より多くして、下流側に向かうほど、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多くして、プロトン輸送抵抗を下げる。【選択図】図５
2020063158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソード触媒層とで構成される電解質膜−電極接合体を有し、前記アノード触媒層に水素含有ガスを供給するとともに、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に所定方向の電流を流すことで、前記カソード触媒層から、前記アノード触媒層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触媒層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触媒層と前記カソード触媒層との間に前記電流を流すための電源と、
を備え、
前記ガス供給手段と前記電源が動作しているときに、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触媒層において生成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触媒層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触媒層において生成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触媒層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、
前記アノード触媒層と前記カソード触媒層は、それぞれ、触媒を担持したカーボンとプロトン伝導性を有するアイオノマーとで構成され、
複数の前記電気化学デバイスの単位体積当たりの前記アノード触媒層の前記アイオノマーの量、または、単位体積当たりの前記カソード触媒層の前記アイオノマーの量の少なくとも一方は、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、漸次多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、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから、より純度の高い水素を生成する水素生成システム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、より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、プロトン伝導性の電解質膜をアノード触媒層とカソード触媒層とで挟んだ電解質膜−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】
アノード触媒層に加湿された水素含有ガスを供給して、アノード触媒層とカソード触媒層との間に所定方向の電流を流すことで、アノード触媒層では、（化１）に示す水素がプロトンと電子に解離する酸化反応が起こり、カソード触媒層では、（化２）に示すプロトンと電子から水素が生成する還元反応が起こる。
【０００４】
【化１】
2020063158.tif 000003
【０００５】
【化２】
2020063158.tif 000004
以上の反応により、電気化学デバイスを備えた水素生成システムは、アノード触媒層に供給された水素含有ガスから、カソード触媒層において純度が高い水素を生成することができる。
【０００６】
上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、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、上流側の電気化学デバイスのカソード触媒層において生成される水素含有ガスが、下流側の電気化学デバイスのアノード触媒層に供給されるように、２台の電気化学デバイスを直列に接続することで、水素生成システムから生成され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１０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１０に示すように、従来の水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１と、電気化学デバイス９０１に供給する水素含有ガスを加湿する加湿器９１４と、２台の電気化学デバイス９０１に電流を流す電源９０９と、２台の電気化学デバイス９０１の温度を調節するための温度調節器９１２と、を備えている。
【００１０】
電気化学デバイス９０１は、電解質膜９０６と電解質膜９０６の一方の主面に配置されたアノード触媒層９０７と電解質膜９０６の他方の主面に配置されたカソード触媒層９０
８とを備え、電解質膜９０６の両主面をアノード触媒層９０７とカソード触媒層９０８とで挟んだ構成の電解質膜−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とによって挟持している。
【００１１】
電解質膜９０６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が用いられている。また、アノード触媒層９０７とカソード触媒層９０８とには、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜９０６に塗布形成したものが用いられている。ここでアイオノマーは、プロトンを輸送する機能を有する。
【００１２】
アノード側セパレータ９１６は、不純物を含む加湿された水素含有ガスを、アノード触媒層９０７に供給するためのアノード側入口９０３と、カソード触媒層９０８に透過せずにアノード触媒層９０７に残った水素含有ガスをアノード触媒層９０７から排出するためのアノード側出口９０４と、アノード側セパレータ９１６におけるアノード触媒層９０７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９０３に連通し下流端がアノード側出口９０４に連通する水素含有ガス流路溝と、を備えている。
【００１３】
一方、カソード側セパレータ９１７は、カソード触媒層９０８において生成した水素（水素含有ガス）を排出するためのカソード側出口９０５と、カソード側セパレータ９１７におけるカソード触媒層９０８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９０５に連通する水素含有ガス流路溝と、を備えている。
【００１４】
電源９０９は、アノード触媒層９０７で、（化１）に示す水素含有ガス中の水素がプロトンと電子に解離する酸化反応が起こり、そのプロトンが電解質膜９０６をカソード触媒層９０８側に透過し、カソード触媒層９０８で、（化２）に示すプロトンと電子から水素が生成する還元反応が起こるように、アノード触媒層９０７から電解質膜９０６を経由してカソード触媒層９０８に電流が流れるように、アノード触媒層９０７とカソード触媒層９０８との間に直流電流を流す。
【００１５】
加湿器９１４の出口と、上流側となる電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３とは配管で接続されている。また、上流側となる電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５と、下流側となる電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３とは配管で接続されている。
【００１６】
温度調節器９１２は、２台の電気化学デバイス９０１のセル温度を７０℃にするように２台の電気化学デバイス９０１のそれぞれに個別に設けられている。
【００１７】
電源９０９の正極と上流側の電気化学デバイス９０１のアノード触媒層９０７とが電気的に接続され、電源９０９の負極と下流側の電気化学デバイス９０１のカソード触媒層９０８とが電気的に接続され、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード触媒層９０８と下流側の電気化学デバイス９０１のアノード触媒層９０７とが電気的に接続されている。
【００１８】
以上の構成により、従来の水素生成システム９００は、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出される水素含有ガスＢの水素の純度を、上流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給される水素含有ガスＡの水素の純度よりも高めた後に、下流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出される水素含有ガスＣの水素の純度を、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給される水素含有ガスＢの水素の純度よりも高めている。
【００１９】
従来の電解質膜−電極接合体９１５のアノード触媒層９０７、およびカソード触媒層９
０８について、図１１を用いてより詳しく説明する。
【００２０】
図１１は従来の触媒層中のアイオノマーと水とプロトン輸送経路との関係を説明するための模式図である。図１１（ａ）は、触媒層内に水分が十分に存在する場合にプロトン輸送経路が多いことを説明するための模式図である。図１１（ｂ）は、触媒層内に水分が十分に存在しない場合にプロトン輸送経路が少ないことを説明するための模式図である。図中の二点鎖線の矢印はプロトン輸送経路を模式的に示している。
【００２１】
図１１（ａ）のように、触媒層内に水分が十分存在する場合は、水分がアイオノマーとアイオノマーとが離れた部分を補完し、プロトン輸送経路を形成するので、プロトン輸送経路が多くなり、触媒層のプロトン輸送抵抗が小さい。一方、図１１（ｂ）のように、触媒層内に十分水分が存在しない場合は、プロトン輸送経路が多くならず、触媒層のプロトン輸送抵抗は大きい。
【００２２】
非特許文献１では、アノード触媒層９０７とカソード触媒層９０８とは、触媒層のプロトン輸送抵抗を下げるために、水素含有ガスは加湿器９１４を用いて高い露点となるように加湿されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２３】
【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】
【００２４】
しかしながら、従来の構成では、水素含有ガスに含まれる水素が、アノード触媒層９０７でプロトンと電子に解離し、電解質膜９０６を透過したプロトンが、カソード触媒層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９０１において、水素含有ガスに含まれる水素は、プロトンになって電解質膜９０６を通ってカソード触媒層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を通ってカソード触媒層９０８に移動し難いため、カソード触媒層９０８に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード触媒層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。
【００２５】
このため、最上流の電気化学デバイス９０１は、アノード触媒層９０７には加湿された水素含有ガスが供給されるので、アノード触媒層９０７の水分の含有率は大きく、単位体積当たりのアノード触媒層９０７のプロトン輸送経路は多く、アノード触媒層９０７のプロトン輸送抵抗は小さい。
【００２６】
しかし、下流側の電気化学デバイス９０１におけるアノード触媒層９０７は、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝され、アノード触媒層９０７の水分の含有率は小さく、単位体積当たりのアノード触媒層９０７のプロトン輸送経路が少ない。
【００２７】
これによって、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード触媒層９０７はプロトン輸送抵抗が大きく、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード触媒層９０７が上流側のアノード触媒層９０７と同一の場合、上流側に比べて下流側の電気化学デバイス９０１の水素純化効率が低下するという課題を有していた。
【００２８】
また、上流側の電気化学デバイス９０１におけるカソード触媒層９０８と比べて、下流側の電気化学デバイス９０１におけるカソード触媒層９０８は、水分の含有率が小さい水
素含有ガスに曝され、カソード触媒層９０８の水分の含有率は小さく、単位体積当たりのカソード触媒層９０８のプロトン輸送経路が少ない。
【００２９】
これによって、下流側の電気化学デバイス９０１のカソード触媒層９０８はプロトン輸送抵抗が大きく、下流側の電気化学デバイス９０１のカソード触媒層９０８が上流側のカソード触媒層９０８と同一の場合、上流側に比べて下流側の電気化学デバイス９０１の水素純化効率が低下するという課題を有していた。
【００３０】
ここで、水素純化効率とは、電気化学デバイス９０１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る。
【００３１】
本発明は、従来の課題を解決するもので、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において、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率を高くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３２】
従来の課題を解決するために、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下のことを見出した。図１は、単位体積当たりの触媒層のアイオノマー量が十分に多い場合にアイオノマーだけでプロトン輸送経路を形成できることを説明するための模式図である。図中の二点鎖線の矢印はプロトン輸送経路を模式的に示している。
【００３３】
すなわち、図１に示すように、単位体積当たりの触媒層のアイオノマー量が多いと、アイオノマーだけでプロトン輸送経路を形成できるので、触媒層内に水分が十分存在しなくても、プロトン輸送経路が多く、触媒層のプロトン輸送抵抗が小さい。
【００３４】
この事実を基に、本発明の水素生成システムは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に配置されるアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に配置されるカソード触媒層とで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノード触媒層に水素含有ガスを供給するとともに、アノード触媒層とカソード触媒層との間に所定方向の電流を流すことで、カソード触媒層から、アノード触媒層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触媒層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触媒層とカソード触媒層との間に電流を流すための電源と、を備え、ガス供給手段と電源が動作しているときに、最上流となる電気化学デバイスのカソード触媒層において生成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触媒層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触媒層において生成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触媒層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、アノード触媒層は触媒を担持したカーボンとプロトン伝導性を有するアイオノマーとで構成され、カソード触媒層は触媒を担持したカーボンとプロトン伝導性を有するアイオノマーとで構成され、複数の電気化学デバイスの単位体積当たりのアノード触媒層のアイオノマーの量、または、単位体積当たりのカソード触媒層のアイオノマーの量、の少なくとも一方は、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、漸次多くなるように構成したものである。
【００３５】
これによって、下流側の電気化学デバイスの単位体積当たりのアノード触媒層、またはカソード触媒層のアイオノマー量を上流側と同一とする場合と比べて、下流側の電気化学デバイスの単位体積当たりのアノード触媒層、またはカソード触媒層のプロトン輸送経路が多くなる。
【００３６】
そして、アノード触媒層、またはカソード触媒層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、プロトン輸送経路が多いと、触媒層のプロトン輸送抵抗は小さい。従って、下流側の電気化学デバイスの単位体積当たりのアノード触媒層、またはカソード触媒層のアイオノマー量を上流側と同一とする場合と比べて、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が向上する。
【発明の効果】
【００３７】
本発明の水素生成システムは、下流側の電気化学デバイスのアノード触媒層、または、カソード触媒層のプロトン輸送抵抗を、アイオノマー量を上流側と同一とする場合と比べて、小さくすることができる。よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が高くなり、水素純化効率の高い水素生成システムにできる。
【００３８】
さらに、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーが小さいので、省エネ性の高い水素生成システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】単位体積当たりの触媒層のアイオノマー量を十分に多くするとアイオノマーだけでプロトン輸送経路を形成できることを説明するための模式図
【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１電気化学デバイスの概略構成図
【図３】本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図
【図４】本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図
【図５】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１電気化学デバイスの概略構成図
【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２電気化学デバイスの概略構成図
【図８】本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図
【図９】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１０】従来の水素生成システムの概略構成図
【図１１】（ａ）は触媒層内に水分が十分に存在する場合にプロトン輸送経路が多いことを説明するための模式図（ｂ）は触媒層内に水分が十分に存在しない場合にプロトン輸送経路が少ないことを説明するための模式図
【発明を実施するための形態】
【００４０】
第１の発明は、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に配置されるアノード触媒層と、電解質膜の他方の主面に配置されるカソード触媒層とで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノード触媒層に水素含有ガスを供給するとともに、アノード触媒層とカソード触媒層との間に所定方向の電流を流すことで、カソード触媒層から、アノード触媒層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触媒層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触媒層とカソード触媒層との間に電流を流すための電源と、を備え、ガス供給手段と電源が動作しているときに、最上流となる電気化学デバイスのカソード触媒層において生成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触媒層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触媒層において生成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触媒層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、アノード触媒層とカソード触媒層は、それぞれ、触媒を担持したカーボンとプロトン伝導性を有するアイオノマーとで構成され、複数の電気化学デバイスの単位体積当たりのアノード触媒層のアイオノマーの量、または、単位体積当たりのカソード触媒層のアイオノマーの量の少なくとも一方は、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、漸次多くなることを特徴とする水素生成システムである。
【００４１】
これによって、水素含有ガスが流れる方向の下流側の電気化学デバイスのアノード触媒層、またはカソード触媒層は、上流側よりも、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多くなる。
【００４２】
プロトン輸送経路が多くなると、触媒層のプロトン輸送抵抗を小さくすることができ、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率を高くすることができる。よって、水素生成システムの水素純化効率を高くすることができる。
【００４３】
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。
【００４４】
（実施の形態１）
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１電気化学デバイス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に用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。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に用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図５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。
【００４５】
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２〜図５を参照しながら具体的に説明する。
【００４６】
なお、図５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２〜図４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。
【００４７】
図２に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第１電気化学デバイス１００は、電解質膜１０４をアノード触媒層１０５とカソード触媒層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。
【００４８】
電解質膜１０４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。
【００４９】
アノード触媒層１０５には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜１０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、アノード触媒層１０５の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【００５０】
カソード触媒層１０６には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜１０４上に塗布形成し
たものを用いる。またアイオノマーの重量は、カソード触媒層１０６の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【００５１】
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。
【００５２】
アノード側セパレータ１０８には、水素含有ガスをアノード触媒層１０５に供給するためのアノード側入口１０１と、カソード触媒層１０６に透過せずにアノード触媒層１０５に残った水素含有ガスをアノード触媒層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におけるアノード触媒層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。
【００５３】
一方、カソード側セパレータ１０９には、カソード触媒層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におけるカソード触媒層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。
【００５４】
また、図３に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第２電気化学デバイス２００は、電解質膜２０４をアノード触媒層２０５とカソード触媒層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。
【００５５】
電解質膜２０４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。
【００５６】
アノード触媒層２０５には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜２０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、アノード触媒層２０５の単位体積当たりに０．８ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【００５７】
カソード触媒層２０６には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜２０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、カソード触媒層２０６の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【００５８】
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。
【００５９】
アノード側セパレータ２０８には、水素含有ガスをアノード触媒層２０５に供給するためのアノード側入口２０１と、カソード触媒層２０６に透過せずにアノード触媒層２０５に残った水素含有ガスをアノード触媒層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におけるアノード触媒層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。
【００６０】
一方、カソード側セパレータ２０９には、カソード触媒層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におけるカソード触媒層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。
【００６１】
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に用いる第３電気化学デバイス３００は、電解質膜３０４をアノード触媒層３０５とカソード触媒層３０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体３０７を、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。
【００６２】
電解質膜３０４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。
【００６３】
アノード触媒層３０５には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜３０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、アノード触媒層３０５の単位体積当たりに１．０ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【００６４】
カソード触媒層３０６には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜３０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、カソード触媒層３０６の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【００６５】
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。
【００６６】
アノード側セパレータ３０８には、水素含有ガスをアノード触媒層３０５に供給するためのアノード側入口３０１と、カソード触媒層３０６に透過せずにアノード触媒層３０５に残った水素含有ガスをアノード触媒層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におけるアノード触媒層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。
【００６７】
一方、カソード側セパレータ３０９には、カソード触媒層３０６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３０３と、カソード側セパレータ３０９におけるカソード触媒層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。
【００６８】
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。
【００６９】
ガス供給手段４０２は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し供給する燃料改質器で構成される。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。
【００７０】
第１電気化学デバイス１００には、アノード触媒層１０５で利用されなかった（カソード触媒層１０６に透過せずにアノード触媒層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。
【００７１】
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。
【００７２】
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、アノード触媒層２０５で利用されなかった（カソード触媒層２０６に透過せずにアノード触媒層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。
【００７３】
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。
【００７４】
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、アノード触媒層３０５で利用されなかった（カソード触媒層３０６に透過せずにアノード触媒層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。
【００７５】
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、アノード触媒層１０５とカソード触媒層１０６との間、アノード触媒層２０５とカソード触媒層２０６との間、アノード触媒層３０５とカソード触媒層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。
【００７６】
ここで、所定方向の電流とは、第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０５から電解質膜１０４を介してカソード触媒層１０６へ流れる電流、第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５から電解質膜２０４を介してカソード触媒層２０６へ流れる電流、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５から電解質膜３０４を介してカソード触媒層３０６へ流れる電流である。
【００７７】
所定方向の電流が流れ、アノード触媒層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、アノード触媒層１０５，２０５，３０５において、プロトンと電子に解離し、その電子が、アノード触媒層１０５，２０５，３０５から電源４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃを介してカソード触媒層１０６，２０６，３０６に流れ、プロトンが電解質膜１０４，２０４，３０４を透過し、電解質膜１０４，２０４，３０４を透過したプロトンが、カソード触媒層１０６，２０６，３０６において電子と結びついて水素になる。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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５を参照しながら具体的に説明する。
【００８１】
まず、ガス供給手段４０２から、二酸化炭素の含有比率が２０％で水素の含有比率が８０％の加湿された水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１を介してアノード触媒層１０５に供給する。
【００８２】
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のアノード触媒層１０５から電解質膜１０４を介してカソード触媒層１０６へ電流を流す。
【００８３】
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のカソード触媒層１０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【００８４】
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。
【００８５】
また、第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層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によりカソード触媒層１０６への移動が妨げられる。
【００８６】
そのため、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード触媒層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。
【００８７】
また、第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０５のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム４００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
【００８８】
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。
【００８９】
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のアノード触媒層２０５から電解質膜２０４を介してカソード触媒層２０６へ電流を流す。
【００９０】
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のカソード触媒層２０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【００９１】
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。
【００９２】
また、第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層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によりカソード触媒層２０６への移動が妨げられる。
【００９３】
そのため、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層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のアノード触媒層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。
【００９４】
また、第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量は、第１電気化学デバイス１００の単位体積当たりのアノード触媒層１０５のアイオノマー量と比べて、０．２ｍｇ／ｃｍ３多い。このため、アノード触媒層２０５は、アノード触媒層１０５と比べて、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多く、プロトン伝導性が高い。
【００９５】
よって、第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５に、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のアノード触媒層２０５のプロトン輸送抵抗は、第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５を第１電気化
学デバイス１００のアノード触媒層１０５と同一とする場合と比べて小さくなる。
【００９６】
ここで、第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定した場合に、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
【００９７】
なお、第２電気化学デバイス２００に第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０５を用いた場合のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム４００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１２０ｍΩ・ｃｍ２であった。
【００９８】
このことから、第２電気化学デバイス２００に第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０５を用いた場合と比べて、第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５のプロトン輸送抵抗が小さいことが分かる。
【００９９】
よって、第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量を、第１電気化学デバイス１００の単位体積当たりのアノード触媒層１０５のアイオノマー量と同一とする場合と比べて、第２電気化学デバイス２００の水素純化効率を高くすることができる。よって、水素生成システム４００の水素純化効率を高くすることができる。
【０１００】
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。
【０１０１】
制御器４０５は、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を制御し、電源４０３ｃにより第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５から電解質膜３０４を介してカソード触媒層３０６へ電流を流す。
【０１０２】
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、カソード触媒層３０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１０３】
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排出される。
【０１０４】
また、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜３０４によりカソード触媒層３０６への移動が妨げられる。
【０１０５】
そのため、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
【０１０６】
また、第３電気化学デバイス３００の単位体積当たりのアノード触媒層３０５のアイオノマー量は、第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量と比べて、０．２ｍｇ／ｃｍ３多い。このため、アノード触媒層３０５は、アノード触媒層２０５と比べて、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多く、プロトン伝導性が高い。
【０１０７】
よって、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５に、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のアノード触媒層３０５のプロトン輸送抵抗は、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５を第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５と同一とする場合と比べて小さくなる。
【０１０８】
ここで、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定した場合に、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１０９】
なお、第３電気化学デバイス３００に第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０５を用いた場合のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム４００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１４０ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１１０】
また、第３電気化学デバイス３００に第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５を用いた場合のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム４００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１２０ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１１１】
このことから、第３電気化学デバイス３００に第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０５や第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５を用いた場合と比べて、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層３０５のプロトン輸送抵抗が小さいことが分かる。
【０１１２】
よって、第３電気化学デバイス３００の単位体積当たりのアノード触媒層３０５のアイオノマー量を、第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量と同一とする場合と比べて、第３電気化学デバイス３００の水素純化効率を高くすることができる。よって、水素生成システム４００の水素純化効率を高くすることができる。
【０１１３】
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の一方の主面に配置されるアノード触媒層１０５，２０５，３０５と、電解質膜１０４，２０４，３０４の他方の主面に配置されるカソード触媒層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、アノード触媒層１０５，２０５，３０５に水素含有ガスを供給するとともに、アノード触媒層１０５，２０５，３０５とカソード触媒層１０６，２０６，３０６との間に所定方向の電流を流すことで、カソード触媒層１０６，２０６，３０６から、アノード触媒層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のアノード触媒層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のアノード触媒層１０５，２０５，３０５とカソード触媒層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と電源４０３ａ，４０３ｂ，４０３ｃが動作しているときに、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１０６において生成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のアノード触媒層２０５に供給され、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２０６において生成される水素含有ガスが、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２０６側で第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のアノード触媒層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、アノード触媒層１０５，２０５，３０５とカソード触媒層１０６，２０６，３０６は、そ
れぞれ、触媒を担持したカーボンとプロトン伝導性を有するアイオノマーとで構成され、水素含有ガスが流れる方向の最下流の第３電気化学デバイス３００の単位体積当たりのアノード触媒層３０５のアイオノマー量を、水素含有ガスが流れる方向の中流の第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量より多くし、水素含有ガスが流れる方向の中流の第２電気化学デバイス２００の単位体積当たりのアノード触媒層２０５のアイオノマー量を、水素含有ガスが流れる方向の最上流の第１電気化学デバイス１００の単位体積当たりのアノード触媒層１０５のアイオノマー量より多くしたものである。
【０１１４】
これによって、アノード触媒層１０５、アノード触媒層２０５、アノード触媒層３０５の順に、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、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多くなる。
【０１１５】
従って、下流側のアノード触媒層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、単位体積当たりのアノード触媒層のアイオノマーの量が上流側と同一とする場合と比べて、下流側の電気化学デバイスのアノード触媒層のプロトン輸送抵抗が小さくなる。そして、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。
【０１１６】
なお、本実施の形態では、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。
【０１１７】
なお、本実施の形態では、電気化学デバイスの数を３台の直列構成としているが、２台以上であれば、これに限らない。
【０１１８】
なお、本実施の形態では、第１電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０５の単位体積当たりのアイオノマー量を０．６ｍｇ／ｃｍ３、第２電気化学デバイス２００のアノード触媒層２０５の単位体積当たりのアイオノマー量を０．８ｍｇ／ｃｍ３、第３電気化学デバイス３００のアノード触媒層の単位体積当たりのアイオノマー量を１．０ｍｇ／ｃｍ３となるように調整しているが、下流側の電気化学デバイスのアノード触媒層の単位体積当たりのアイオノマー量が、上流側のアノード触媒層の単位体積当たりのアイオノマー量よりも多ければ、アノード触媒層の単位体積当たりのアイオノマー量は本実施の形態に限らない。
【０１１９】
（実施の形態２）
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１電気化学デバイスの概略構成図である。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２電気化学デバイスの概略構成図である。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に用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図９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。
【０１２０】
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６〜図９を参照しながら具体的に説明する。
【０１２１】
なお、図９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６〜図８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。
【０１２２】
図６に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第１電気化学デバイス５００は、電解質膜５０４をアノード触媒層５０５とカソード触媒層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。
【０１２３】
電解質膜５０４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。
【０１２４】
アノード触媒層５０５には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜５０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、アノード触媒層５０５の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【０１２５】
カソード触媒層５０６には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜５０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、カソード触媒層５０６の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【０１２６】
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。
【０１２７】
アノード側セパレータ５０８には、水素含有ガスをアノード触媒層５０５に供給するためのアノード側入口５０１と、カソード触媒層５０６に透過せずにアノード触媒層５０５に残った水素含有ガスをアノード触媒層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におけるアノード触媒層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。
【０１２８】
一方、カソード側セパレータ５０９には、カソード触媒層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におけるカソード触媒層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。
【０１２９】
また、図７に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第２電気化学デバイス６００は、電解質膜６０４をアノード触媒層６０５とカソード触媒層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。
【０１３０】
電解質膜６０４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。
【０１３１】
アノード触媒層６０５には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜６０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、アノード触媒層６０５の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【０１３２】
カソード触媒層６０６には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜６０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、カソード触媒層６０６の単位体積当たりに０．８ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【０１３３】
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。
【０１３４】
アノード側セパレータ６０８には、水素含有ガスをアノード触媒層６０５に供給するためのアノード側入口６０１と、カソード触媒層６０６に透過せずにアノード触媒層６０５に残った水素含有ガスをアノード触媒層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におけるアノード触媒層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。
【０１３５】
一方、カソード側セパレータ６０９には、カソード触媒層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におけるカソード触媒層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。
【０１３６】
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に用いる第３電気化学デバイス７００は、電解質膜７０４をアノード触媒層７０５とカソード触媒層７０６とで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体７０７を、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。
【０１３７】
電解質膜７０４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。
【０１３８】
アノード触媒層７０５には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜７０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、アノード触媒層７０５の単位体積当たりに０．６ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【０１３９】
カソード触媒層７０６には、白金を担持したカーボン粒子と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アイオノマーを混合し、電解質膜７０４上に塗布形成したものを用いる。またアイオノマーの重量は、カソード触媒層７０６の単位体積当たりに１．０ｍｇ／ｃｍ３となるように調整されている。
【０１４０】
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。
【０１４１】
アノード側セパレータ７０８には、水素含有ガスをアノード触媒層７０５に供給するためのアノード側入口７０１と、カソード触媒層７０６に透過せずにアノード触媒層７０５に残った水素含有ガスをアノード触媒層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におけるアノード触媒層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。
【０１４２】
一方、カソード側セパレータ７０９には、カソード触媒層７０６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７０３と、カソード側セパレータ７０９におけるカソード触媒層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。
【０１４３】
また、図９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。
【０１４４】
ガス供給手段８０２は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し供給する燃料改質器で構成される。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。
【０１４５】
第１電気化学デバイス５００には、アノード触媒層５０５で利用されなかった（カソード触媒層５０６に透過せずにアノード触媒層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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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、アノード触媒層６０５で利用されなかった（カソード触媒層６０６に透過せずにアノード触媒層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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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、アノード触媒層７０５で利用されなかった（カソード触媒層７０６に透過せずにアノード触媒層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。
【０１５０】
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、アノード触媒層５０５とカソード触媒層５０６との間、アノード触媒層６０５とカソード触媒層６０６との間、アノード触媒層７０５とカソード触媒層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。
【０１５１】
ここで、所定方向の電流とは、第１電気化学デバイス５００のアノード触媒層５０５から電解質膜５０４を介してカソード触媒層５０６へ流れる電流、第２電気化学デバイス６００のアノード触媒層６０５から電解質膜６０４を介してカソード触媒層６０６へ流れる電流、第３電気化学デバイス７００のアノード触媒層７０５から電解質膜７０４を介してカソード触媒層７０６へ流れる電流である。
【０１５２】
所定方向の電流が流れ、アノード触媒層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、アノード触媒層５０５，６０５，７０５において、プロトンと電子に解離し、その電子が、アノード触媒層５０５，６０５，７０５から電源８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃを介してカソード触媒層５０６，６０６，７０６に流れ、プロトンが電解質膜５０４，６０４，７０４を透過し、電解質膜５０４，６０４，７０４を透過したプロトンが、カソード触媒層５０６，６０６，７０６において電子と結びついて水素になる。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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９を参照しながら具体的に説明する。
【０１５６】
まず、ガス供給手段８０２から、二酸化炭素の含有比率が２０％で水素の含有比率が８０％の加湿された水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１を介してアノード触媒層５０５に供給する。
【０１５７】
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のアノード触媒層５０５から電解質膜５０４を介してカソード触媒層５０６へ電流を流す。
【０１５８】
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のカソード触媒層５０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１５９】
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。
【０１６０】
また、第１電気化学デバイス５００のアノード触媒層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によりカソード触媒層５０６への移動が妨げられる。
【０１６１】
そのため、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード触媒層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。
【０１６２】
また、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム８００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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のアノード触媒層６０５から電解質膜６０４を介してカソード触媒層６０６へ電流を流す。
【０１６５】
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のカソード触媒層６０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１６６】
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からは水素純度９９％の水素含有ガスが排出される。
【０１６７】
また、第２電気化学デバイス６００のアノード触媒層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によりカソード触媒層６０６への移動が妨げられる。
【０１６８】
そのため、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６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６００のアノード触媒層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。
【０１６９】
また、第２電気化学デバイス６００の単位体積当たりのカソード触媒層６０６のアイオノマー量は、第１電気化学デバイス５００の単位体積当たりのカソード触媒層５０６のアイオノマー量と比べて、０．２ｍｇ／ｃｍ３多い。このため、カソード触媒層６０６は、カソード触媒層５０６と比べて、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多く、プロトン伝導性が高い。
【０１７０】
よって、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６に、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のカソード触媒層６０６のプロトン輸送抵抗は、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６を第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６と同一とする場合と比べて小さくなる。
【０１７１】
ここで、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定した場合に、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１７２】
なお、第２電気化学デバイス６００に第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６を用いた場合のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム８００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１２０ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１７３】
このことから、第２電気化学デバイス６００に第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６を用いた場合と比べて、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６のプロトン輸送抵抗が小さいことが分かる。
【０１７４】
よって、第２電気化学デバイス６００の単位体積当たりのカソード触媒層６０６のアイオノマー量を、第１電気化学デバイス５００の単位体積当たりのカソード触媒層５０６のアイオノマー量と同一とする場合と比べて、第２電気化学デバイス６００の水素純化効率を高くすることができる。よって、水素生成システム８００の水素純化効率を高くすることができる。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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のアノード触媒層７０５から電解質膜７０４を介してカソード触媒層７０６へ電流を流す。
【０１７７】
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、カソード触媒層７０６において水素含有ガスから水素を生成する。
【０１７８】
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排出される。
【０１７９】
また、第３電気化学デバイス７００のアノード触媒層７０５に供給された水素含有ガス
に含まれる水分は、電解質膜７０４によりカソード触媒層７０６への移動が妨げられる。
【０１８０】
そのため、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、第３電気化学デバイス７００のアノード触媒層７０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
【０１８１】
また、第３電気化学デバイス７００の単位体積当たりのカソード触媒層７０６のアイオノマー量は、第２電気化学デバイス６００の単位体積当たりのカソード触媒層６０６のアイオノマー量と比べて、０．２ｍｇ／ｃｍ３多い。このため、カソード触媒層７０６は、カソード触媒層６０６と比べて、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多く、プロトン伝導性が高い。
【０１８２】
よって、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７０６に、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のカソード触媒層７０６のプロトン輸送抵抗は、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７０６を第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６と同一とする場合と比べて小さくなる。
【０１８３】
ここで、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７０６のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定した場合に、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１８４】
なお、第３電気化学デバイス７００に第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６を用いた場合のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム８００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１４０ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１８５】
また、第３電気化学デバイス７００に第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６を用いた場合のプロトン輸送抵抗は、水素生成システム８００の使用環境下において電気化学的に測定した場合に、１２０ｍΩ・ｃｍ２であった。
【０１８６】
このことから、第３電気化学デバイス７００に第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６や第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６を用いた場合と比べて、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７０６のプロトン輸送抵抗が小さいことが分かる。
【０１８７】
よって、第３電気化学デバイス７００の単位体積当たりのカソード触媒層７０６のアイオノマー量を、第２電気化学デバイス６００の単位体積当たりのカソード触媒層６０６のアイオノマー量と同一とする場合と比べて、第３電気化学デバイス７００の水素純化効率を高くすることができる。よって、水素生成システム８００の水素純化効率を高くすることができる。
【０１８８】
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の一方の主面に配置されるアノード触媒層５０５，６０５，７０５と、電解質膜５０４，６０４，７０４の他方の主面に配置されるカソード触媒層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、アノード触媒層５０５，６０５，７０５に水素含有ガスを供給するとともに、アノード触媒層５０５，６０５，７０５とカソード触媒層５０６，６０６，７０６との間に所定方向の電流を流すことで、カソード触媒層５０６，６０６，７０６から、アノード触媒層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のアノード触媒層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のアノード触媒層５０５，６０５，７０５とカソード触媒層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と電源８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃが動作しているときに、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６において生成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のアノード触媒層６０５に供給され、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６において生成される水素含有ガスが、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６側で第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のアノード触媒層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、アノード触媒層５０５，６０５，７０５とカソード触媒層５０６，６０６，７０６は、それぞれ、触媒を担持したカーボンとプロトン伝導性を有するアイオノマーとで構成され、水素含有ガスが流れる方向の最下流の第３電気化学デバイス７００の単位体積当たりのカソード触媒層７０６のアイオノマー量を、水素含有ガスが流れる方向の中流の第２電気化学デバイス６００の単位体積当たりのカソード触媒層６０６のアイオノマー量より多くし、水素含有ガスが流れる方向の中流の第２電気化学デバイス６００の単位体積当たりのカソード触媒層６０６のアイオノマー量を、水素含有ガスが流れる方向の最上流の第１電気化学デバイス５００の単位体積当たりのカソード触媒層５０６のアイオノマー量より多くしたものである。
【０１８９】
これによって、カソード触媒層５０６、カソード触媒層６０６、カソード触媒層７０６の順に、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、アイオノマーの連通によるプロトン輸送経路が多くなる。
【０１９０】
従って、下流側のカソード触媒層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、単位体積当たりのカソード触媒層のアイオノマーの量が上流側と同一とする場合と比べて、下流側の電気化学デバイスのカソード触媒層のプロトン輸送抵抗が小さくなる。そして、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。
【０１９１】
なお、本実施の形態では、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５０６の単位体積当たりのアイオノマー量を０．６ｍｇ／ｃｍ３、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６０６の単位体積当たりのアイオノマー量を０．８ｍｇ／ｃｍ３、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７０６の単位体積当たりのアイオノマー量を１．０ｍｇ／ｃｍ３となるように調整しているが、下流側の電気化学デバイスのカソード触媒層の単位体積当たりのアイオノマー量が、上流側のカソード触媒層の単位体積当たりのアイオノマー量よりも多ければ、カソード触媒層の単位体積当たりのアイオノマー量は本実施の形態に限らない。
【産業上の利用可能性】
【０１９２】
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、複数の電気化学デバイスを、水素含有ガスが流れる方向に直列に接続して、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】
【０１９３】
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  アノード触媒層
１０６，２０６，３０６，５０６，６０６，７０６  カソード触媒層
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】
2020063158.tif 000005
【図２】
2020063158.tif 000006
【図３】
2020063158.tif 000007
【図４】
2020063158.tif 000008
【図５】
2020063158.tif 000009
【図６】
2020063158.tif 000010
【図７】
2020063158.tif 000011
【図８】
2020063158.tif 000012
【図９】
2020063158.tif 000013
【図１０】
2020063158.tif 000014
【図１１】
2020063158.tif 000015