(57)【要約】      （修正有）【課題】水素欠乏が起こった時でも、アノードの触媒の劣化を抑制し、反応面積の減少と触媒層の導電経路の減少を防ぎ、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を防ぐことができる水素生成システムを提供する。【解決手段】カソードガス出口１２Ｃが鉛直方向上側に存在する電気化学デバイス１０において、カソードガス流路１４Ｃに水を貯めてアノード５Ａとカソード５Ｃとの間に電流を流してカソードにおいて水素を生成する水素生成システムであって、アノード触媒担持カーボンとガス拡散層のカーボンよりも腐食され易い腐食用カーボン層１３Ａ（黒鉛化度の低いカーボン）を配置した。【選択図】図１
2020143355.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−電極接合体と、前記アノードと前記カソードの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給するとともに、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、前記カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、
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電流を流すための電源と、を備え、
前記カソード側セパレータは、前記カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、前記カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、
前記電気化学デバイスは、前記カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、
前記アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、を有し、
前記腐食用カーボンは、前記アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易いことを特徴とする水素生成システム。
【請求項２】
前記カソードガス出口は、前記カソードガス流路の最下端より鉛直方向上側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の水素生成システム。
【請求項３】
前記カソード側セパレータの温度は、前記アノード側セパレータの温度よりも、低いことを特徴とする請求項１または２に記載の水素生成システム。
【請求項４】
前記カソード側セパレータは、前記カソードガス流路に注水するための水供給入口を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の水素生成システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的な反応を利用して、水素含有ガスから、高純度の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】
従来、アノードとカソードとの間に水素イオンを選択的に輸送する電解質膜が配置された電解質膜−電極接合体を用いて、水素含有ガスから、高純度の水素を生成する電気化学デバイスが知られている。
【０００３】
この電気化学デバイスのアノードに、加湿された水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を介してカソードの方向に電流を流すと、アノードでは、（化１）に示す水素が水素イオン（Ｈ＋）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（Ｈ＋）と電子が結びついて水素が生成される還元反応が起こる。
【０００４】
【化１】
2020143355.tif 000003
【０００５】
【化２】
2020143355.tif 000004
【０００６】
（化１）と（化２）に示す電気化学反応により、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。このとき、水素含有ガス中の水素のみがアノード側からカソード側へ移動するため、高純度の水素を得ることができる。
【０００７】
図６は、従来の水素生成システムの概略図である。図６に示すように、従来の電気化学デバイス２００は、電解質膜−電極接合体１２０と、アノード側セパレータ１０４と、カソード側セパレータ１０５と、アノード端子板１０６と、カソード端子板１０７と、電圧印加部１１３とを備えている。
【０００８】
電解質膜−電極接合体１２０は、電解質膜１０１の一方の主面にアノード１０２が配置され、電解質膜１０１の他方の主面にカソード１０３が配置されている。アノード１０２及びカソード１０３は、主に、白金（Ｐｔ）などの貴金属からなる触媒と、この触媒を担持する触媒担持カーボンと、で構成される。
【０００９】
アノード側セパレータ１０４を介してアノード１０２と電気的に接続されるように配置されるアノード端子板１０６には、アノード側セパレータ１０４に水素含有ガスを供給する水素含ガス入口管１１０と、アノード側セパレータ１０４から残余ガスを導出する残余ガス導出口管１１２が接続されている。
【００１０】
電気化学デバイス２００は、水素含ガス入口管１１０からの水素含有ガスが、アノード側セパレータ１０４からアノード１０２に供給され、アノード１０２に供給されなかった残余ガスが、アノード側セパレータ１０４から残余ガス導出口管１１２に排出されるよう構成されている。
【００１１】
また、アノード側セパレータ１０４を介して、電解質膜−電極接合体１２０のアノード１０２に、加湿された水素含有ガスが供給されるように、水素含有ガス入口管１１０の途中に水素含有ガスを加湿する加湿槽１０９が配置されている。
【００１２】
カソード側セパレータ１０５を介してカソード１０３と電気的に接続されるように配置されるカソード端子板１０７には、カソード１０３で生成された水素をカソード側セパレータ１０５から排出する水素導出口管１１１が接続されている。
【００１３】
電圧印加部１１３は、プラス極端子とマイナス極端子とを有する直流電源であり、電圧印加部１１３のプラス極端子がアノード端子板１０６に接続され、電圧印加部１１３のマイナス極端子がカソード端子板１０７に接続される。
【００１４】
そして、電圧印加部１１３のプラス極端子からの電流は、アノード端子板１０６から、アノード側セパレータ１０４、アノード１０２、電解質膜１０１、カソード１０３、カソード側セパレータ１０５、カソード端子板１０７の順に流れた後に、電圧印加部１１３のマイナス極端子に流れる。
【００１５】
このようにして、電気化学デバイス２００は、アノード１０２に供給される水素含有ガスから、カソード１０３において、水素を生成し、水素導出口管１１１から高純度な水素を取り出している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特公昭６２−５９１８４号公報
【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、電気化学デバイス２００の電解質膜−電極接合体１２０に流れる電流の大きさに対して、電解質膜−電極接合体１２０に供給される水素含有ガス中の水素が不足する、いわゆる、電気化学デバイス２００において、水素の欠乏が起こった時に、アノードガス流路における上流部では、（化１）に示す水素含有ガス中の水素から水素イオンを生成する反応が起こるが、中流から下流部では水素が不足する。
【００１８】
このとき、アノードガス流路の中流から下流部では、水素から水素イオンを生成する反応の代わりに、（化３）及び（化４）に示すアノードの触媒担持カーボンと水とから水素イオンを生成する酸化腐食反応が起きる。
【００１９】
【化３】
2020143355.tif 000005
【００２０】
【化４】
2020143355.tif 000006
【００２１】
このアノードの触媒担持カーボンの酸化腐食反応は、水素が欠乏し且つ水が存在する部分だけに集中する。このアノード触媒担持カーボンの局所的な酸化腐食によって、触媒層
の導電経路が減少することによる抵抗過電圧の上昇と、酸化腐食されたカーボンに担持されていたＰｔが欠落して反応面積が減少することによる反応過電圧の上昇とが起こる。これにより、電気化学デバイスの水素純化効率が低下するという課題を有していた。
【００２２】
ここで、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る。
【００２３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素含有ガスの欠乏時でも、アノードの触媒担持カーボンの酸化腐食を抑制して、抵抗過電圧の上昇と反応過電圧の上昇とを防ぐ電気化学デバイスを備え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】
【００２４】
前記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−電極接合体と、アノードとカソードの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、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、カソード側セパレータは、カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、電気化学デバイスは、カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、を有し、腐食用カーボンは、アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易いことを特徴としたものである。
【００２５】
この構成により、アノードに供給する水素（水素含有ガス）の欠乏時に、アノードガス流路における上流部では、（化１）に示す水素含有ガス中の水素を水素イオンと電子に乖離する酸化腐食反応が起こる。一方、中流部から下流部では、水素が不足して、（化３）及び（化４）に示すカーボンと水とから水素イオンを生成する酸化腐食反応が起こる。
【００２６】
これらの（化３）及び（化４）に示すカーボンの酸化腐食反応は、アノードに存在するカーボンの中で、最も酸化腐食され易いカーボンに対して起こる。アノードに存在するカーボンは、触媒担持カーボン、ガス拡散層の材料にカーボンが使用されている場合におけるガス拡散層を構成するカーボン、セパレータの材料にカーボンが使用されている場合におけるセパレータを構成するカーボン、及び腐食用カーボンである。
【００２７】
本構成では腐食用カーボンが最も酸化腐食され易い材料であるため、腐食用カーボンが反応に使われ、触媒担持カーボンは酸化腐食されない。触媒担持カーボンが酸化腐食されないので、担持カーボンの消失による触媒の欠落を防ぎ、反応面積の低下を抑制することができる。
【００２８】
さらに、（化３）及び（化４）に示すカーボンの酸化腐食反応は、水が必要となる。本構成では、カソード側セパレータに設けられたガス流路に水を貯め、カソードガス流路に貯まった水が電解質膜を通ってアノードへ移動し、アノードで不足した水を補うことができる。
【００２９】
これにより、アノードにおける水の偏りや不足が減少し、アノードのカーボンの酸化腐食反応が局所集中して酸化腐食することによって起こる触媒層の導電経路の減少を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の水素生成システムは、水素含有ガスの欠乏時にアノードの触媒担持カーボンの酸化腐食によって起こる触媒層の導電経路の減少と反応面積の低下とを抑制し、抵抗過電圧の上昇と反応過電圧の上昇とを防ぐ。これにより、水素含有ガスの欠乏が起こっても、電気化学デバイスの水素純化効率を維持できる信頼性の高い水素生成システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】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図
【図２】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図
【図３】本発明の実施の形態３における水素生成システムの概略図
【図４】本発明の実施の形態４における水素生成システムの概略図
【図５】本発明の実施の形態５における水素生成システムの概略図
【図６】従来の水素生成システムの概略図
【発明を実施するための形態】
【００３２】
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−電極接合体と、アノードとカソードの両外側に配置されるアノード側セパレータとカソード側セパレータと、を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、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、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、水素含有ガスをアノードに供給するガス供給手段と、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、カソード側セパレータは、カソードに当接する面に設けられたカソードガス流路と、カソードガス流路に連通するカソードガス出口と、を有し、電気化学デバイスは、カソードガス流路に水を貯めた状態で水素を生成する水素生成システムであって、アノードは、少なくとも触媒を担持したカーボンからなるアノード触媒層と、少なくとも触媒を担持しない腐食用カーボンと、カーボンまたはカーボンでないガス拡散層と、を有し、腐食用カーボンは、アノードを構成する他のカーボンよりも酸化腐食され易いことを特徴とした水素生成システムである。
【００３３】
これにより、アノードに供給する水素（水素含有ガス）の欠乏時には、アノードにおいて、最も酸化腐食されや易いカーボンである腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されることを抑制し、反応面積の低下からなる反応過電圧の上昇が抑制される。
【００３４】
また、カーボンの酸化腐食反応に必要な水については、カソードガス流路に貯めた水が電解質膜を浸透してアノードへ移動してカーボンの酸化腐食反応に必要な水を供給するので、酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇が抑制される。
【００３５】
これらの二つの作用により、アノードに供給する水素含有ガスが欠乏しても、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制することができる。
【００３６】
第２の発明は、特に、第１の発明のカソードガス出口がカソードガス流路の最下端より鉛直方向上側に配置されていることを特徴とする水素生成システムである。
【００３７】
これにより、カソードガス流路におけるカソードガス出口よりも鉛直方向下側の部分の水は、重力が作用して、カソードガス出口から流出し難いので、確実にカソードガス流路に水を貯めることができ、電解質膜を浸透してアノードに水を供給し易くなり、酸化腐食
反応が局所集中することなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。
【００３８】
第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明のカソード側セパレータの温度が、アノード側セパレータの温度よりも、低いことを特徴とする水素生成システムである。
【００３９】
これにより、カソード側セパレータの温度が、アノード側セパレータの温度以上の温度である場合と比べて、カソードにおける水の状態が気体よりも液体となり易く、生成ガスとともにカソードガス流路外へ流出するのを防いで、カソードガス流路に水をより貯めることができる。さらに、電解質膜を浸透してアノードに水を供給し易くなり、酸化腐食反応が局所集中することなく、触媒層の導電経路の減少が抑制できる。
【００４０】
一方で、アノード側セパレータでは、アノード側セパレータの温度が、カソード側セパレータの温度以下の温度である場合と比べて、水の状態が液体よりも気体になり易く、アノードガス流路やガス拡散層の水詰まりを防ぐことにより、（化１）に示す水素の酸化反応に必要な水素をアノードに欠乏させることなく供給することができる。
【００４１】
第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明のカソードガス流路に注水するための水供給入口を有することを特徴とする水素生成システムである。
【００４２】
これにより、水供給入口からカソードガス流路に注水することで、より確実にカソードガス流路に水を貯めることができ、電解質膜を浸透してアノードに水を供給し易くなり、酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇が抑制できる。
【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１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図を示すものである。
【００４５】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成システム５０に用いる電気化学デバイス１０は、電解質膜４がアノード５Ａとカソード５Ｃとによって挟まれた電解質膜−電極接合体９を、アノード側セパレータ１Ａとカソード側セパレータ１Ｃとによって挟持した構成になっている。また、電解質膜−電極接合体９（電解質膜４）の両主面が鉛直方向に対して平行になる向きで、電気化学デバイス１０を配置している。
【００４６】
アノード５Ａは、アノード触媒層３Ａ、腐食用カーボン層１３Ａ及びアノードガス拡散層２Ａとで構成され、カソード５Ｃは、カソード触媒層３Ｃとカソードガス拡散層２Ｃとで構成される。電解質膜４は、アノード５Ａとカソード５Ｃとの間に配置されている。
【００４７】
アノード触媒層３Ａは電解質膜４の一方の主面に配置される。カソード触媒層３Ｃは電解質膜４の他方の主面に配置される。腐食用カーボン層１３Ａはアノード触媒層３Ａにおける電解質膜４と対向しない主面に配置される。アノードガス拡散層２Ａは腐食用カーボン層１３Ａにおけるアノード触媒層３Ａと対向しない主面に配置される。カソードガス拡散層２Ｃはカソード触媒層３Ｃにおける電解質膜４と対向しない主面に配置される。
【００４８】
ここで、電解質膜４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。アノード触媒層３Ａとカソード触媒層３Ｃとには、白金を担持したカーボン粒子とアイオノマーとを混合して、電解質膜４または電解質膜４に触媒層を
転写するための転写フィルムに塗布形成されたものを用いる。また、アノードガス拡散層２Ａとカソードガス拡散層２Ｃとには、カーボン製フェルトを用いる。
【００４９】
腐食用カーボン層１３Ａは、カーボンとアイオノマーを有している。腐食用カーボン層１３Ａに用いられるカーボンは、アノード触媒層３Ａに用いられる白金担持カーボンよりも腐食され易いカーボンで構成されている。
【００５０】
カーボンの腐食のし易さは、黒鉛化度と比表面積で判断できる。カーボンを高温で熱処理を行うと黒鉛化度が上がる。黒鉛化度が低いカーボンほど酸化腐食されるきっかけとなる官能基が多い。また、比表面積の大きいカーボンほど単位体積当たりの官能基が多いため酸化腐食され易い。したがって、具体的には、腐食用カーボンは、アノード触媒層３Ａに用いられる白金担持カーボンよりも、黒鉛化度がより低いカーボンを用いる。
【００５１】
アノード側セパレータ１Ａとカソード側セパレータ１Ｃ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１Ａには、アノードガス入口１１Ａと、アノードガス出口１２Ａと、アノードガス流路１４Ａと、が設けられている。
【００５３】
アノードガス流路１４Ａは、アノード側セパレータ１Ａにおけるアノードガス拡散層２Ａ（アノード５Ａ）と当接する面に溝状に形成され、上流端がアノードガス入口１１Ａと連通し下流端がアノードガス出口１２Ａと連通している。
【００５４】
ガス供給手段１６は、ガス供給配管１５を介して、アノードガス入口１１Ａに水素含有ガスを供給する。アノードガス入口１１Ａは、アノードガス流路１４Ａを介して、水素含有ガスをアノード５Ａに供給するための水素含有ガス供給用通路である。
【００５５】
アノードガス出口１２Ａは、カソード５Ｃに透過せずにアノード５Ａに残った水素含有ガス（カソード５Ｃでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス）をアノード５Ａから排出するための水素含有ガス排出用通路である。
【００５６】
また、カソード側セパレータ１Ｃには、カソードガス出口１２Ｃと、カソードガス流路１４Ｃと、が設けられている。
【００５７】
カソードガス流路１４Ｃは、カソード側セパレータ１Ｃにおけるカソードガス拡散層２Ｃ（カソード５Ｃ）と当接する面に溝状に、カソード５Ｃで生成された水素が重力に逆らって下から上へと流れるように形成され、カソードガス流路１４Ｃの上端部（最下流部）よりも鉛直方向上側に配置されるカソードガス出口１２Ｃと連通している。
【００５８】
カソードガス出口１２Ｃは、カソード５Ｃに透過した水素をカソード５Ｃから排出するための水素排出用通路である。
【００５９】
電源１７は、アノード５Ａとカソード５Ｃとの間に所定方向の電流を流す直流電源である。ここで、所定方向の電流とは、電気化学デバイス１０のアノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ流れる方向の電流である。電源１７のプラス極端子はアノード側セパレータ１Ａに接続され、電源１７のマイナス極端子はカソード側セパレータ１Ｃに接続される。
【００６０】
ガス供給手段１６は、アノードガス入口１１Ａから電気化学デバイス１０に加湿された水素含有ガスを供給する。ガス供給手段１６は、都市ガスから改質反応を利用して水素含
有ガスを生成する燃料改質器を用いる。
【００６１】
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５０について、以下、その動作、作用を説明する。
【００６２】
最初に、電気化学デバイス１０に流す電流の大きさに対して水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス１０のアノード５Ａに供給されている場合について説明する。
【００６３】
まず、ガス供給手段１６から加湿された水素含有ガスが、ガス供給配管１５とアノードガス入口１１Ａを介してアノードガス流路１４Ａに供給される。ガス供給手段１６がアノード５Ａに供給する水素含有ガスは、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％に加湿されている。
【００６４】
また、ガス供給手段１６がアノード５Ａに供給する水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が０．００１４６％で、二酸化炭素の含有比率が１４．６％で、水素の含有比率が５８．４％である。
【００６５】
次に、電源１７により、アノード５Ａとカソード５Ｃとの間に、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ流れる方向の電流を９０Ａ流す。
【００６６】
そして、燃料利用率が９０％になるように、ガス供給手段１６から電気化学デバイス１０への水素含有ガス供給量を調整する。すると（化１）の反応によりアノード５Ａでは水素は水素イオンと電子に解離し、その水素イオンは電解質膜４を透過してカソード５Ｃ側へ移動し、電子は電源１７を経由してカソード５Ｃに移動し、（化２）の反応により、カソード５Ｃで水素イオンと電子が結びついて水素となる。
【００６７】
水素イオンが電解質膜４を透過するときに、電解質膜４に含まれる水を同伴してカソード５Ｃ側へ移動すること、水素イオンが電解質膜４の中を移動するには電解質膜４が水を含んでいることが必須であるため、アノード５Ａに供給する水素含有ガスは、前述のとおり加湿して供給する。
【００６８】
アノード５Ａに供給された水素含有ガスのうち、カソード５Ｃに透過せずにアノード５Ａに残った水素含有ガス（カソード５Ｃでの水素生成に利用されなかった水素含有ガス）は、水素含有オフガスとなって、アノードガス出口１２Ａから排出される。
【００６９】
電解質膜４は、特に、高分子で構成された電解質膜４は、わずかではあるが、一酸化炭素や二酸化炭素が透過するため、カソードガス出口１２Ｃからは、一酸化炭素や二酸化炭素が微量含まれた、本実施の形態では、水素純度が９９．９７％の水素含有ガスが排出される。
【００７０】
ここで、カソード５Ｃにおいて生成された水素ガス流量、電源１７に指示した電流値及び測定器により計測した電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧値より、水素純化効率を算出する。
【００７１】
水素純化効率は、電源１７に投入する電気エネルギーに対するカソード５Ｃから得られる水素のエネルギーの割合で表すものとする。
【００７２】
カソード５Ｃにおいて生成される水素ガス流量（ＮＬ／ｓ）は、電流値（Ａ）と、カソード５Ｃからアノード５Ａへ電解質膜４を逆透過して戻る、戻り水素ガス流量と、を用いて下記の（数１）で表すことができる。
【００７３】
【数１】
2020143355.tif 000007
【００７４】
ここで、戻り水素ガス流量は、電解質膜４の種類、厚み、含水率、及びアノード５Ａとカソード５Ｃの水素ガスの分圧に依存する。本実施の形態においては、戻り水素ガス流量は０．０００３５（ＮＬ／ｓ）であり、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ流す電流の電流値は９０（Ａ）であるので、水素ガス流量は０．０１０１０（ＮＬ／ｓ）となる。
【００７５】
従って、カソード５Ｃから得られる水素エネルギーは、水素ガス流量（ＮＬ／ｓ）、２２．４（ＮＬ／ｍｏｌ）及び水素の高位発熱量２８５８００（Ｊ／ｍｏｌ）を用いて下記の（数２）で表すことができる。
【００７６】
【数２】
2020143355.tif 000008
【００７７】
また、電源１７に投入する電気エネルギーは、電流値（Ａ）と電圧（Ｖ）から計算できる。本実施の形態では、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ電流値が９０（Ａ）の電流を流した時に、０．０７５（Ｖ）であった。水素純化効率は、下記の（数３）で計算することができ、本実施の形態では１９．１となる。
【００７８】
【数３】
2020143355.tif 000009
【００７９】
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム５０の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ電流値が９０（Ａ）の電流を流し、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％の水素含有ガスを燃料利用率が９０％となるようにアノード５Ａに供給している時に、水素含有ガスを１０秒間に一度、２秒間遮断して、また流す、という電気化学デバイス１０に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを１分間行って水素含有ガスが欠乏する状態を作る。
【００８０】
この水素含有ガスの欠乏時、電源１７により流す電流９０Ａに対して、（化２）の反応に必要な水素が足りなくなり、アノード５Ａでは（化３）及び（化４）に示すようなカーボンと水とから水素イオンを生成する酸化腐食反応が起こる。
【００８１】
アノード５Ａに存在するカーボンは、白金担持カーボン、腐食用カーボン、ガス拡散層を構成するカーボンと、アノード側セパレータ１Ａを構成するカーボンであり、このうちで、最も酸化腐食され易い腐食用カーボンが、反応に使われて腐食される。
【００８２】
また、（化３）及び（化４）の反応では、水も消費される。アノード５Ａの加湿ガスと
して供給される水は、電解質膜４やアノード触媒層３Ａ、カソード触媒層３Ｃを濡らして水素イオンの移動をし易くするために必要であるので、より多くの水を供給する必要がある。
【００８３】
本実施の形態では、カソード５Ｃで生成した水素が排出されるカソードガス出口１２Ｃを、カソード５Ｃ（カソードガス流路１４Ｃ）の上端部よりも鉛直方向上側に配置している。
【００８４】
これにより、アノード５Ａから電解質膜４を透過してきた水を、カソードガス流路１４Ｃのカソードガス出口１２Ｃの高さまで貯めることができる。カソードガス流路１４Ｃに貯まった水は、カソード５Ｃ側から電解質膜４を常に濡らし、電解質膜４を透過して、アノード５Ａにも、水を供給することができる。
【００８５】
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は０．０７６（Ｖ）であり、水素純化効率は１８．８となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下は、ほとんど見られなかった。
【００８６】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム５０においては、アノード触媒層３Ａとアノードガス拡散層２Ａとの間に、アノード触媒層３Ａとアノードガス拡散層２Ａを構成するカーボンよりも酸化腐食され易い腐食用カーボンからなる腐食用カーボン層１３Ａを設けたので、アノード５Ａに供給する水素含有ガスの欠乏時のカーボンの酸化腐食反応では、アノード５Ａにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層１３Ａの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。
【００８７】
さらに、本実施の形態の水素生成システム５０は、カソード側セパレータ１Ｃに設けられ、カソード５Ｃと当接する面に溝状に形成されるカソードガス流路１４Ｃと連通して、カソード５Ｃに透過した水素をカソード５Ｃから排出するカソードガス出口１２Ｃが、カソード５Ｃ及びカソードガス流路１４Ｃの上端部よりも鉛直方向上側に配置されたことにより、電気化学デバイス１０は、カソードガス流路１４Ｃに水を貯めた状態で水素を生成することになる。
【００８８】
そのため、カソードガス流路１４Ｃに貯めた水が、電解質膜４を浸透してアノード５Ａへ移動するので、カーボンの酸化腐食反応に必要な水を供給できる。
【００８９】
これにより、酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイス１０の水素純化効率の低下を抑制することができる。
【００９０】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、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。
【００９１】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスが欠乏した時の運転条件を、水素含有ガスを１０秒間に一度、２秒間遮断しているが、遮断の時間間隔や遮断時間は、これに限らない。
【００９２】
（実施の形態２）
図２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図を示すものである。本発明の実施の形態２における水素生成システム６０は、実施の形態１における水素生成システム５０のカソードガス出口１２Ｃの位置を、カソード５Ｃの鉛直方向の中央の位置
にまで低くしたものである。この構成以外は、実施の形態１における水素生成システム５０と同じ構成であり、重複する説明は省略する。
【００９３】
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６０について、その動作、作用を説明する。
【００９４】
本実施の形態の水素生成システム６０は、電気化学デバイス１０のカソードガス出口１２Ｃの位置を、図２に示すように、カソード５Ｃの鉛直方向の中央に配置することによって、カソードガス流路１４Ｃの鉛直方向下からカソードガス出口１２Ｃの高さまで、カソードガス流路１４Ｃに水を貯めることができる。
【００９５】
カソードガス流路１４Ｃに貯まった水が、電解質膜４を浸透してアノード５Ａへ移動する。このようにして、カーボンの酸化腐食反応に必要な水を、カソードガス流路１４Ｃから電解質膜４を介してアノード５Ａに供給するので、酸化腐食反応が局所集中することを抑制し、アノード触媒層３Ａの導電経路の減少を抑制することができる。
【００９６】
電解質膜４は、水をよく浸透させるので、カソードガス流路１４Ｃの水が貯まっていない部分に対応するアノード５Ａに対しても、水を供給する効果がある。
【００９７】
まず、電気化学デバイス１０に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス１０のアノード５Ａに供給されて、水素生成システム６０が運転している時の水素純化効率を計算する。
【００９８】
ガス供給手段１６がアノード５Ａに供給する水素含有ガスは、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％に加湿されている。
【００９９】
また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が０．００１４６％で、二酸化炭素の含有比率が１４．６％で、水素の含有比率が５８．４％である。
【０１００】
次に、電源１７にてアノード５Ａとカソード５Ｃとの間に、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ流れる方向の電流を９０（Ａ）の電流値で流す。
【０１０１】
そして、燃料利用率が９０％になるように、ガス供給手段１６から電気化学デバイス１０への水素含有ガス供給量を調整する。
【０１０２】
この時の電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は、０．７３（Ｖ）となり、水素生成量（数３）より水素純化効率は、１９．６となる。
【０１０３】
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム６０の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ電流値が９０（Ａ）の電流を流し、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％の水素含有ガスを、燃料利用率が９０％となるようにアノード５Ａに流している時に、水素含有ガスを１０秒間に一度、２秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス１０に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを１分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
【０１０４】
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は０．０７４（Ｖ）であり、水素純化効率は１９．３となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下は、ほとんど見られなかった。
【０１０５】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム６０においては、実施の形態１の水素生成システム５０と、電気化学デバイス１０のカソードガス出口１２Ｃの、カソード５Ｃに対する鉛直方向の位置が異なっており、本実施の形態の水素生成システム６０は、電気化学デバイス１０のカソードガス出口１２Ｃが、カソード５Ｃの鉛直方向の中央に配置されている。
【０１０６】
これにより、カソードガス流路１４Ｃにおいてカソードガス出口１２Ｃの高さまで貯まった水は、電解質膜４を浸透してアノード５Ａへ供給される。そして電解質膜４の中を水が浸透して、カソードガス流路１４Ｃに水が貯まっていない部分に対向するアノード５Ａの部分へも水を供給することができる。
【０１０７】
一方、アノードガス流路１４Ａの上流に対応するアノード５Ａは、加湿したアノードガスによる水蒸気により水が供給されるので、水が欠乏する確率は低く、アノード５Ａの全面にわたり水が均一に供給される状態となる。
【０１０８】
したがって、アノード５Ａに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、水の偏りがないために酸化腐食反応が局所集中することがなく、アノード触媒層３Ａの導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。
【０１０９】
また、アノード５Ａを構成するカーボンにおいて、最も酸化腐食され易い腐食用カーボン層１３Ａの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食して反応面積が減少し、反応過電圧が上昇することを抑制する。以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイス１０の水素純化効率の低下を抑制することができる。
【０１１０】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、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。
【０１１１】
なお、本実施の形態では、カソードガス出口１２Ｃの位置を鉛直方向の中央としたが、正確に中央でなくて、多少、中央から上下方向にずれる位置であっても、鉛直方向中央部よりも上側であっても良い。
【０１１２】
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における水素生成システムの概略図を示すものである。
【０１１３】
本発明の実施の形態３における水素生成システム７０は、実施の形態２における水素生成システム６０の電気化学デバイス１０を、電解質膜４に対して、アノード５Ａが鉛直方向下側になり、カソード５Ｃが鉛直方向上側になるように設置したものに相当する。
【０１１４】
実施の形態１の水素生成システム５０と実施の形態２の水素生成システム６０は、電解質膜−電極接合体９（電解質膜４）の両主面が鉛直方向に対して平行になる向きで電気化学デバイス１０を配置したが、実施の形態３の水素生成システム７０は、電解質膜−電極接合体９（電解質膜４）の両主面が鉛直方向に対して垂直（両主面が水平）になるとともに、カソード５Ｃがアノード５Ａの鉛直方向の上側に位置する向きで電気化学デバイス１０を配置しており、カソードガス出口１２Ｃはカソード５Ｃよりも鉛直方向上側にある。
【０１１５】
それ以外の構成は、実施の形態２の水素生成システム６０と同じ構成であり、重複する説明は省略する。
【０１１６】
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７０について、その動作、作
用を説明する。
【０１１７】
水素生成システム７０は、カソードガス出口１２Ｃはカソード５Ｃよりも鉛直方向上側にあるので、カソードガス流路１４Ｃの全てに水を貯めることができる。カソードガス流路１４Ｃに貯まった水は、カソード５Ｃ側から電解質膜４を常に濡らし、電解質膜４を透過してアノード５Ａにも水を供給することができる。
【０１１８】
まず、電気化学デバイス１０に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス１０のアノード５Ａに供給されて、水素生成システム７０が運転している時の水素純化効率を計算する。
【０１１９】
ガス供給手段１６がアノード５Ａに供給する水素含有ガスは、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％に加湿されている。
【０１２０】
また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が０．００１４６％で、二酸化炭素の含有比率が１４．６％で、水素の含有比率が５８．４％である。
【０１２１】
次に、電源１７にてアノード５Ａとカソード５Ｃとの間に、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ流れる方向の電流を９０（Ａ）の電流値で流す。
【０１２２】
そして、燃料利用率が９０％になるように、ガス供給手段１６から電気化学デバイス１０への水素含有ガス供給量を調整する。
【０１２３】
この時、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は、０．７５（Ｖ）となり、（数３）より水素純化効率は、１９．１となる。
【０１２４】
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム６０の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ電流値が９０（Ａ）の電流を流し、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％の水素含有ガスを燃料利用率が９０％となるようにアノード５Ａに供給している時に、水素含有ガスを１０秒間に一度、２秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス１０に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを１分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
【０１２５】
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は０．０７６（Ｖ）であり、水素純化効率は１８．８となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下はほとんど見られなかった。
【０１２６】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム７０においては、実施の形態２の水素生成システム６０と、電気化学デバイス１０の向きが違っており、本実施の形態の水素生成システム７０では、電解質膜４に対して、アノード５Ａが鉛直方向下側に、カソード５Ｃが鉛直方向上側にある構成であり、カソードガス流路１４Ｃの全てに水を貯めることができる。
【０１２７】
この構成により、カソードガス流路１４Ｃに貯めた水を、電解質膜４に浸透させてアノード５Ａへ供給することができ、アノード５Ａ内における水の偏りや欠乏を減少させることができる。
【０１２８】
したがって、アノード５Ａに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、水の偏りがないために酸化腐食反応が局所集中することがなく、アノー
ド触媒層３Ａの導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。
【０１２９】
また、アノード５Ａにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層１３Ａの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制することができる。
【０１３０】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、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。
【０１３１】
なお、本実施の形態では、電気化学デバイス１０を、電解質膜４に対してカソード５Ｃが鉛直方向上側になるように、電解質膜４の主面を水平に設置したが、これに限らず、電解質膜４の主面が正確に水平でなく、水平に対して、多少、傾斜していても、構わない。
【０１３２】
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における水素生成システムの概略図を示すものである。
【０１３３】
本発明の実施の形態４における水素生成システム８０は、実施の形態１における水素生成システム５０のアノード側セパレータ１Ａの外側にアノードヒーター１９Ａを設けるとともに、カソード側セパレータ１Ｃの外側にカソードヒーター１９Ｃを設けている。
【０１３４】
さらにアノードヒーター１９Ａとカソードヒーター１９Ｃを制御するための温度調節器１８を設けた構成である。この構成以外は、実施の形態１と同じ構成であり、重複する説明を省略する。
【０１３５】
まず、電気化学デバイス１０に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス１０のアノード５Ａに供給されて、水素生成システム８０が運転している時の水素純化効率を計算する。
【０１３６】
ガス供給手段１６がアノード５Ａに供給する水素含有ガスは、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％に加湿されている。また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が０．００１４６％で、二酸化炭素の含有比率が１４．６％で、水素の含有比率が５８．４％である。
【０１３７】
アノードヒーター１９Ａの温度は７３℃に設定し、カソードヒーター１９Ｃの温度は６５℃に設定した。
【０１３８】
次に、電源１７にてアノード５Ａとカソード５Ｃとの間に、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ流れる方向の電流を９０（Ａ）の電流値で流す。
【０１３９】
そして、燃料利用率が９０％になるように、ガス供給手段１６から電気化学デバイス１０への水素含有ガス供給量を調整する。
【０１４０】
この時、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は、０．０６８（Ｖ）となったので、（数３）より水素純化効率は、２１．１となった。
【０１４１】
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８０について、その動作、作用を説明する。
【０１４２】
電気化学デバイス１０のカソードガス出口１２Ｃは、カソード５Ｃ（カソードガス流路１４Ｃ）よりも鉛直方向上側にあるので、カソードガス流路１４Ｃの全てに水を貯めることができる。
【０１４３】
さらに、アノードヒーター１９Ａの温度をカソードヒーター１９Ｃよりも高温に（カソードヒーター１９Ｃの温度をアノードヒーター１９Ａよりも低温に）設定する。
【０１４４】
これにより、そのような温度条件にしない場合と比べて、カソード５Ｃ側では、カソード５Ｃに浸透した水蒸気を結露させて液水に状態変化させて、カソードガス流路１４Ｃに水をより貯め易くなる。
【０１４５】
また、そのような温度条件にしない場合と比べて、アノード５Ａ側では、アノードガス流路１４Ａで加湿された水素含有ガスの結露を抑制することにより、アノード触媒層３Ａへ燃料となる水素が到達し易くなり、水素含有ガスの拡散による拡散過電圧を下げる効果が得られる。
【０１４６】
また、カソードガス流路１４Ｃに貯まった水は、カソード５Ｃ側から電解質膜４を常に濡らし、電解質膜４を透過してアノード５Ａにも、水を供給することができる。
【０１４７】
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム８０の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ電流値が９０（Ａ）の電流を流し、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％の水素含有ガスを燃料利用率が９０％となるようにアノード５Ａに供給している時に、水素含有ガスを１０秒間に一度、２秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス１０に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを１分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
【０１４８】
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は、０．０６９（Ｖ）であり、水素純化効率は２０．９となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下はほとんど見られなかった。
【０１４９】
以上のように、本実施の形態においては、電気化学デバイス１０にヒーターを付けて、アノード５Ａの温度をカソード５Ｃよりも高く（カソード５Ｃの温度をアノード５Ａよりも低く）制御できる構成にしている。
【０１５０】
これにより、アノード５Ａとカソード５Ｃの温度の関係をそのようにしない場合と比べて、カソードガス流路１４Ｃでは、水を貯め易くなるので、カソードガス流路１４Ｃに貯めた水を電解質膜４に浸透させてアノード５Ａへ確実に供給することができる。
【０１５１】
しがって、アノード５Ａに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、アノード５Ａに水の偏りや不足が起こりにくいので、カーボンの酸化腐食反応が局所集中することがなく、触媒層の導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制できる。
【０１５２】
また、アノード５Ａにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層１３Ａの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。
【０１５３】
以上のことから、水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制することができる。
【０１５４】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、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。
【０１５５】
なお、本実施の形態では、ヒーターを各々のセパレータの外側に配置したが、セパレータ内部に設けてもよい。
【０１５６】
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における水素生成システムの概略図を示すものである。
【０１５７】
本発明の実施の形態５における水素生成システム９０は、実施の形態１の水素生成システム５０のカソードガス流路１４Ｃの鉛直方向下側に、カソードガス流路１４Ｃと連通するカソード水入口１１Ｃを設けて、カソード水入口１１Ｃと水供給手段２０とを水供給配管２１で接続した構成である。
【０１５８】
水供給手段２０には、水ポンプを用いる。この構成以外は、実施の形態１の水素生成システム５０と同じ構成であり、重複する説明を省略する。
【０１５９】
まず、実施の形態１と同様に、電気化学デバイス１０に流す電流の大きさに対して、水素含有ガスが十分な量で電気化学デバイス１０のアノード５Ａに供給されて、水素生成システム９０が運転している時の水素純化効率を計算する。
【０１６０】
ガス供給手段１６がアノード５Ａに供給する水素含有ガスは、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％に加湿されている。
【０１６１】
また、水素含有ガスは、一酸化炭素の含有比率が０．００１４６％で、二酸化炭素の含有比率が１４．６％で、水素の含有比率が５８．４％である。
【０１６２】
水供給手段２０から、水供給配管２１とカソード水入口１１Ｃを介して、水をカソードガス流路１４Ｃに供給し、カソードガス出口１２Ｃから溢れたら水の供給を止める。
【０１６３】
電源１７にてアノード５Ａとカソード５Ｃとの間に、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ流れる方向の電流を９０（Ａ）の電流値で流す。
【０１６４】
そして、燃料利用率が９０％になるように、ガス供給手段１６から電気化学デバイス１０への水素含有ガス供給量を調整する。
【０１６５】
この時、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は、０．０７９（Ｖ）となり、（数３）より水素純化効率は、１８．１となる。
【０１６６】
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９０について、その動作、作用を説明する。
【０１６７】
この構成によって、カソードガス出口１２Ｃは、カソード５Ｃ（カソードガス流路１４Ｃ）よりも鉛直方向上側にあるので、カソードガス流路１４Ｃの全てに水を貯めることができる。
【０１６８】
さらに、水供給手段２０とカソード水入口１１Ｃにより、カソードガス流路１４Ｃの鉛直下側から水を供給することにより、電気化学デバイス１０の温度や周辺温度に依らず、カソードガス流路１４Ｃに任意の量の水を確実に貯めることができる。
【０１６９】
そして、カソードガス流路１４Ｃに貯まった水は、カソード５Ｃ側から電解質膜４を常に濡らし、電解質膜４を透過してアノード５Ａにも水を供給することができる。
【０１７０】
次に、水素含有ガスが欠乏した時の水素生成システム６０の挙動について、説明する。上記に述べたように、アノード５Ａから電解質膜４を介してカソード５Ｃへ電流値が９０（Ａ）の電流を流し、ガス温度が７０℃で、相対湿度が９０％の水素含有ガスを燃料利用率が９０％でアノード５Ａに流している時に、水素含有ガスを１０秒間に一度、２秒間遮断してまた流すという、電気化学デバイス１０に水素含有ガスが一時的に流れない時間を設ける。これを１分間行って水素含有ガスが欠乏した状態を作る。
【０１７１】
水素含有ガスが欠乏する運転の後、水素含有ガスが欠乏しない元の運転条件で運転させたところ、電気化学デバイス１０のアノード５Ａとカソード５Ｃとの間の電圧は０．０８０（Ｖ）であり、水素純化効率は１７．９となり、水素含有ガスが欠乏する運転を行っても、水素純化効率の低下は、ほとんど見られなかった。
【０１７２】
以上のように、本実施の形態においては、電気化学デバイス１０のカソードガス流路１４Ｃの鉛直方向下側に、カソードガス流路１４Ｃと連通するカソード水入口１１Ｃを設けて、カソード水入口１１Ｃと水供給手段２０とを水供給配管２１で接続した構成により、カソードガス流路１４Ｃに確実に水を貯めてアノード５Ａの水の偏りや不足をなくすことができる。
【０１７３】
これにより、アノード５Ａに供給する水素含有ガスの欠乏時に、カーボンの酸化腐食反応が起こっても、酸化腐食反応が局所集中することなく、アノード触媒層３Ａの導電経路の減少からなる抵抗過電圧の上昇を抑制することができる。
【０１７４】
また、酸化腐食反応が起こる時には、アノード５Ａにおいて、最も酸化腐食され易いカーボンである腐食用カーボン層１３Ａの腐食用カーボンが、水素の代わりに消費されるので、触媒担持カーボンが酸化腐食されて反応面積が低下し、反応過電圧が上昇することを抑制する。
【０１７５】
以上のことから、アノード５Ａに供給する水素含有ガスの欠乏が起きても、電気化学デバイス１０の水素純化効率の低下を抑制することができる。
【０１７６】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、一酸化炭素、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。
【０１７７】
なお、本実施の形態では、水供給手段２０として、水ポンプを用いたが、水を供給できるものであれば、これに限らない。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素含有ガスの欠乏が起こった時に、アノードの触媒担持カーボンの酸化腐食によって起こる、触媒の欠落による反応面積の低下を抑制できる。このため、電解質膜−電極接合体を用いて、水素含有ガスから、高純度の水素を生成する電気化学デバイスを備えた水素生成システムに最適である。
【符号の説明】
【０１７９】
１Ａ  アノード側セパレータ
１Ｃ  カソード側セパレータ
２Ａ  アノードガス拡散層
２Ｃ  カソードガス拡散層
３Ａ  アノード触媒層
３Ｃ  カソード触媒層
４  電解質膜
５Ａ  アノード
５Ｃ  カソード
９  電解質膜−電極接合体
１０  電気化学デバイス
１１Ａ  アノードガス入口
１１Ｃ  カソード水入口
１２Ａ  アノードガス出口
１２Ｃ  カソードガス出口
１３Ａ  腐食用カーボン層
１４Ａ  アノードガス流路
１４Ｃ  カソードガス流路
１５  ガス供給配管
１６  ガス供給手段
１７  電源
１８  温度調節器
１９Ａ  アノードヒーター
１９Ｃ  カソードヒーター
２０  水供給手段
２１  水供給配管
５０  水素生成システム
６０  水素生成システム
７０  水素生成システム
８０  水素生成システム
９０  水素生成システム
【図１】
2020143355.tif 000010
【図２】
2020143355.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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