(57)【要約】【課題】水素製造運転の起動時に、カソードから水素利用機器等へ排出される水素の純度を高める時間を、従来よりも短縮できる水素生成システムを提供する。【解決手段】起動工程で、アノードオフガス第２開閉弁２７を開状態にしてアノード循環ポンプを動作させることにより、アノードオフガスをアノード１１Ａに戻して、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスの流量を増やすとともに、アノードオフガスをアノードに戻さない水素製造工程時の電流値の１．５倍の電流を電源１２から電気化学デバイス１１に流すことで、カソード１１Ｃで生成する水素量を増やして、カソード１１Ｃに滞留した不純物を、速やかにカソード循環流路３１により改質装置１３の燃焼部１３Ｂに排出するので、起動時にカソード１１Ｃから排出される水素の純度を高める時間を従来よりも短縮できる。【選択図】図１
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【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と他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、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、
前記電気化学デバイスに前記電流を流すための電源と、
燃料を燃焼する燃焼部により加熱され原料ガスを改質して前記水素含有ガスを生成する改質装置と、
前記改質装置で生成した前記水素含有ガスを前記アノードに供給するための水素含有ガス供給流路と、
前記カソードにおいて生成した前記水素を水素利用機器に供給するためのガス排出流路と、
前記ガス排出流路を開閉する排出ガス開閉弁と、
前記アノードに供給された前記水素含有ガスのうちで前記アノードから前記カソードに透過することなく前記アノードから排出されるアノードオフガスを燃料として前記燃焼部に供給するためのアノード循環流路と、
前記アノード循環流路と前記水素含有ガス供給流路とが連通するように、一端が前記アノード循環流路に接続され、他端が前記水素含有ガス供給流路に接続されたアノードバイパス流路と、
前記アノード循環流路における前記アノードバイパス流路が接続された接続点よりも前記燃焼部側の流路を開閉するアノードオフガス第１開閉弁と、
前記アノード循環流路における前記アノードバイパス流路が接続された接続点よりも前記アノード側の流路に設けられるポンプであって、搬送動作を停止している時に前記アノード循環流路を閉塞しないように構成され、前記アノードオフガスを前記アノードバイパス流路から前記水素含有ガス供給流路に搬送するためのアノード循環ポンプと、
前記アノードバイパス流路を開閉するアノードオフガス第２開閉弁と、
一端が前記ガス排出流路における前記排出ガス開閉弁よりも前記カソード側の流路から分岐し、他端が前記アノード循環流路における前記アノードオフガス第１開閉弁よりも前記燃焼部側の流路に合流する、前記カソードから排出されるカソードオフガスを燃料として前記燃焼部に供給するためのカソード循環流路と、
前記カソード循環流路を開閉するカソードオフガス開閉弁と、
制御部と、
を備えた水素生成システムであって、
前記制御部は、起動時に、前記改質装置が前記水素含有ガスの生成を開始した後に、前記アノードオフガス第１開閉弁と前記排出ガス開閉弁とが閉状態、前記アノードオフガス第２開閉弁と前記カソードオフガス開閉弁とが開状態において、前記アノード循環ポンプに搬送動作させるとともに、前記電源から前記電気化学デバイスに通常運転時よりも電流値が大きい前記電流を流させて、前記アノードオフガスが前記燃焼部に供給されることなく前記アノードバイパス流路を経由して前記改質装置からの前記水素含有ガスとともに前記アノードに供給され、前記カソードにおいて生成した前記水素が前記排出ガス開閉弁よりも下流側に流れることなく前記燃焼部に供給される、第１モード運転を行った後に、前記アノードオフガス第１開閉弁と前記排出ガス開閉弁とを開状態、前記アノードオフガス第２開閉弁と前記カソードオフガス開閉弁とを閉状態にして、前記アノード循環ポンプを停止させるとともに、前記電源の前記電流の電流値を通常運転時の電流値にして、前記アノードオフガスが全て前記燃焼部に供給され、前記カソードにおいて生成した前記水素が全て前記排出ガス開閉弁よりも下流側に流れる、第２モード運転を行うことを特徴とする水素生成システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１モード運転中に、前記カソードで生成されるガス量が、前記カ
ソードの容積以上になるまでは、前記第１モード運転から前記第２モード運転に移行しない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】
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と他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、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、
前記電気化学デバイスに前記電流を流すための電源と、
燃料を燃焼する燃焼部により加熱され原料ガスを改質して前記水素含有ガスを生成する改質装置と、
前記改質装置で生成した前記水素含有ガスを前記アノードに供給するための水素含有ガス供給流路と、
前記カソードにおいて生成した前記水素を水素利用機器に供給するためのガス排出流路と、
前記ガス排出流路を開閉する排出ガス開閉弁と、
前記アノードに供給された前記水素含有ガスのうちで前記アノードから前記カソードに透過することなく前記アノードから排出されるアノードオフガスを燃料として前記燃焼部に供給するためのアノード循環流路と、
前記アノード循環流路と前記水素含有ガス供給流路とが連通するように、一端が前記アノード循環流路に接続され、他端が前記水素含有ガス供給流路に接続されたアノードバイパス流路と、
前記アノード循環流路における前記アノードバイパス流路が接続された接続点よりも前記燃焼部側の流路を開閉するアノードオフガス第１開閉弁と、
前記アノード循環流路における前記アノードバイパス流路が接続された接続点よりも前記アノード側の流路に設けられるポンプであって、搬送動作を停止している時に前記アノード循環流路を閉塞しないように構成され、前記アノードオフガスを前記アノードバイパス流路から前記水素含有ガス供給流路に搬送するためのアノード循環ポンプと、
前記アノードバイパス流路を開閉するアノードオフガス第２開閉弁と、
一端が前記ガス排出流路における前記排出ガス開閉弁よりも前記カソード側の流路から分岐し、他端が前記アノード循環流路における前記アノードオフガス第１開閉弁よりも前記燃焼部側の流路に合流する、前記カソードから排出されるカソードオフガスを燃料として前記燃焼部に供給するためのカソード循環流路と、
前記カソード循環流路を開閉するカソードオフガス開閉弁と、
を備えた水素生成システムの運転方法であって、
起動時に、前記改質装置が前記水素含有ガスの生成を開始した後に、前記アノードオフガス第１開閉弁と前記排出ガス開閉弁とが閉状態、前記アノードオフガス第２開閉弁と前記カソードオフガス開閉弁とが開状態において、前記アノード循環ポンプに搬送動作させるとともに、前記電源から前記電気化学デバイスに通常運転時よりも電流値が大きい前記電流を流させて、前記アノードオフガスが前記燃焼部に供給されることなく前記アノードバイパス流路を経由して前記改質装置からの前記水素含有ガスとともに前記アノードに供給され、前記カソードにおいて生成した前記水素が前記排出ガス開閉弁よりも下流側に流れることなく前記燃焼部に供給される、第１モード運転を行った後に、前記アノードオフガス第１開閉弁と前記排出ガス開閉弁とを開状態、前記アノードオフガス第２開閉弁と前記カソードオフガス開閉弁とを閉状態にして、前記アノード循環ポンプを停止させるとともに、前記電源の前記電流の電流値を通常運転時の電流値にして、前記アノードオフガスが全て前記燃焼部に供給され、前記カソードにおいて生成した前記水素が全て前記排出ガス開閉弁よりも下流側に流れる、第２モード運転を行う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、より純度の高い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】
水素生成システムは、水素生成システムに供給される水素含有ガスから、水素を分離して、より純度の高い水素ガスを生成するシステムである。
【０００３】
従来、この種の水素生成システムは、例えば、水素イオン透過性の電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ構成の電解質膜−電極接合体を、一対の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するとともに、アノードから電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、アノードでは（化１）に示す水素が水素イオンと電子と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とが結合して水素が生成する還元反応が起こる。
【０００５】
【化１】
2020152617.tif 000003
【０００６】
【化２】
2020152617.tif 000004
以上の反応により、電気化学デバイスは、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、より純度の高い水素を生成することができる。
【０００７】
上記水素生成システムに供給される水素含有ガスは、都市ガス、プロパンガス等の炭化水素系の原料を、燃料処理器で改質して生成されるものであり、水素の他に、メタンや二酸化炭素、水分などの不純物を含んでいる。改質の種類としては、水蒸気改質や部分酸化改質、またはオートサーマル改質が挙げられる。
【０００８】
このため、水素生成システム（電気化学デバイス）が、純度の高い水素を生成する水素製造運転を停止した時には、アノードに滞留するカソードよりも分圧の高い二酸化炭素やメタン等の不純物が、電解質膜を透過してカソードに移動するので、カソードに滞留する水素の純度が、時間の経過とともに低くなる。
【０００９】
こうした不純物を含んだ純度の低い水素が、水素製造運転の起動時に、カソードから排出されないようにするために、カソードに滞留する不純物を含んだ純度の低い水素を改質装置に戻して、燃焼部で燃焼させる水素生成システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
図８は、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図である。図８に示すように、従来の水素生成システム１１０は、固体高分子で構成された電解質膜１１１Ｂをアノード１１１Ａとカソード１１１Ｃとで挟んだ電気化学デバイス１１１と、改質部１１
３Ａと燃焼部１１３Ｂと温度センサ１１３Ｃを備えてアノード１１１Ａに水素を含む改質ガスを供給する改質装置１１３と、水素生成システム１１０を制御するとともに、アノード１１１Ａから電解質膜１１１Ｂを介してカソード１１１Ｃに電流を流すコントローラ１１５と、で構成されている。
【００１１】
カソード１１１Ｃには、カソード１１１Ｃで生成された水素ガスを排出するための水素ガス流路１１８と、カソード１１１Ｃに残存する低純度の水素ガスを排出するためのカソードオフガス流路１１６と、が接続されている。水素ガス流路１１８は、水素ガス流路１１８を開閉する排出ガス開閉弁１３０を備え、カソードオフガス流路１１６は、カソードオフガス流路１１６を開閉するパージ弁１３５を備えている。
【００１２】
アノード１１１Ａには、改質装置１１３の改質ガスをアノード１１１Ａに供給するアノード側入口流路１２０と、アノードオフガスを燃焼部１１３Ｂに供給するアノード循環流路１１９が接続されている。アノード循環流路１１９と、カソードオフガス流路１１６におけるパージ弁１３５よりも上流側（カソード１１１Ｃ側）の流路とは、カソードオフガス開閉弁１３２を介してカソード循環流路１１７によって接続されている。
【００１３】
以上のように構成された、従来の水素生成システム１１０の動作を説明する。
【００１４】
排出ガス開閉弁１３０とカソードオフガス開閉弁１３２とパージ弁１３５が、それぞれ閉じており、コントローラ１１５が電気化学デバイス１１１に電流を流していない状態において、改質装置１１３からアノード側入口流路１２０を介して電気化学デバイス１１１のアノード１１１Ａの入口に改質ガスが供給される。アノード１１１Ａに供給された改質ガスは、電気化学デバイス１１１で消費されずにアノードオフガスとしてアノード１１１Ａの出口からアノード循環流路１１９に流出した後に、燃焼部１１３Ｂで燃焼される。
【００１５】
この状態で、コントローラ１１５によって、アノード１１１Ａから電解質膜１１１Ｂを介してカソード１１１Ｃに電流が流され、電流量が徐々に増やされる。
【００１６】
その結果、電気化学デバイス１１１では、アノード１１１Ａで（化１）に示す改質ガスに含まれる水素が水素イオンと電子とに解離する酸化反応が起こり、カソード１１１Ｃで（化２）に示す水素イオンと電子とが結合して水素が生成する還元反応が起こって、カソード１１１Ｃで水素ガスが生成されるとともに、電流量の増大に応じて電気化学デバイス１１１で消費される改質ガスの量が増えるにしたがって、燃焼部１１３Ｂの燃料となるアノードオフガスが不足して改質部１１３Ａの温度が改質に適した温度よりも低くならないように、改質装置１１３に供給される原料の流量が増加され、改質装置で生成される改質ガスの流量が増加する。これにより、電気化学デバイス１１１のカソード１１１Ｃの水素ガスの圧力が昇圧される。
【００１７】
次に、閉塞状態であった排出ガス開閉弁１３０とカソードオフガス開閉弁１３２とパージ弁１３５のうちでカソードオフガス開閉弁１３２だけが開放される。その結果、電気化学デバイス１１１のカソード１１１Ｃと、カソード１１１Ｃに連通している流路において排出ガス開閉弁１３０、カソードオフガス開閉弁１３２、パージ弁１３５よりもカソード１１１Ｃ側の流路に残留していた不純物を含む純度の低い水素ガスは、電流によってアノード１１１Ａからカソード１１１Ｃに移動した純度の高い水素ガスによって、カソード循環流路１１７を通ってアノード循環流路１１９に押し出されてアノードオフガスと合流した後、燃焼部１１３Ｂで燃焼される。
【００１８】
電気化学デバイス１１１のカソード１１１Ｃ側に精製された水素ガスを用いたカソード１１１Ｃ側のパージが所定の時間だけ行われた後、カソードオフガス開閉弁１３２が閉塞
されるとともに、排出ガス開閉弁１３０が開放される。その結果、電気化学デバイス１１１で精製された純度の高い水素ガスは、水素ガス流路１１８を通って水素利用機器等に送られる。
【００１９】
以上のように、従来の水素生成システム１１０は、水素製造運転の起動時に、カソード１１１Ｃに滞留する不純物を含んだ純度の低い水素が、水素利用機器へ排出されることを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００９−１２３４３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、上記従来の水素生成システム１１０は、水素製造運転の起動時に、純度の低い水素が水素利用機器側に排出されないようにするために、カソード１１１Ｃに滞留する不純物を含んだ純度の低い水素を、改質装置１１３からアノード１１１Ａに供給される改質ガスのうちでアノード１１１Ａから電解質膜１１１Ｂを介してカソード１１１Ｃに移動した水素ガスによって、カソードオフガス流路１１６に押し出して、改質装置１１３に戻し、燃焼部１１３Ｂで燃焼させているので、アノード１１１Ａからカソード１１１Ｃに移動する水素ガスの流量が、改質装置１１３からアノード１１１Ａに供給される改質ガスの流量よりも少なく、電気化学デバイス１１１に流す電流の大きさは、改質装置１１３からアノード１１１Ａに供給される改質ガスの流量に応じたものであったので、カソード１１１Ｃから排出される水素の純度を高めるのに時間が掛かるという課題を有していた。
【００２２】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水素製造運転の起動時に、カソードから水素利用機器等へ排出される水素の純度を高める時間を、従来よりも短縮でき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】
【００２３】
上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の一方の主面に配置されるアノードと他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、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、電気化学デバイスに電流を流すための電源と、燃料を燃焼する燃焼部により加熱され原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質装置と、改質装置で生成した水素含有ガスをアノードに供給するための水素含有ガス供給流路と、カソードにおいて生成した水素を水素利用機器に供給するためのガス排出流路と、ガス排出流路を開閉する排出ガス開閉弁と、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードからカソードに透過することなくアノードから排出されるアノードオフガスを燃料として燃焼部に供給するためのアノード循環流路と、アノード循環流路と水素含有ガス供給流路とが連通するように、一端がアノード循環流路に接続され、他端が水素含有ガス供給流路に接続されたアノードバイパス流路と、アノード循環流路におけるアノードバイパス流路が接続された接続点よりも燃焼部側の流路を開閉するアノードオフガス第１開閉弁と、アノード循環流路におけるアノードバイパス流路が接続された接続点よりもアノード側の流路に設けられるポンプであって、搬送動作を停止している時にアノード循環流路を閉塞しないように構成され、アノードオフガスをアノードバイパス流路から水素含有ガス供給流路に搬送するためのアノード循環ポンプと、アノードバイパス流路を開閉するアノードオフガス第２開閉弁と、一端がガス排出流路における排出ガス開閉弁よりもカソード側の流路から分岐し、他端がアノード循環流路におけるアノードオフガス第１開閉弁よりも燃焼部側の流路に合流する、カソ
ードから排出されるカソードオフガスを燃料として燃焼部に供給するためのカソード循環流路と、カソード循環流路を開閉するカソードオフガス開閉弁と、制御部と、を備えた水素生成システムであって、制御部は、起動時に、改質装置が水素含有ガスの生成を開始した後に、アノードオフガス第１開閉弁と排出ガス開閉弁とが閉状態、アノードオフガス第２開閉弁とカソードオフガス開閉弁とが開状態において、アノード循環ポンプに搬送動作させるとともに、電源から電気化学デバイスに通常運転時よりも電流値が大きい電流を流させて、アノードオフガスが燃焼部に供給されることなくアノードバイパス流路を経由して改質装置からの水素含有ガスとともにアノードに供給され、カソードにおいて生成した水素が排出ガス開閉弁よりも下流側に流れることなく燃焼部に供給される、第１モード運転を行った後に、アノードオフガス第１開閉弁と排出ガス開閉弁とを開状態、アノードオフガス第２開閉弁とカソードオフガス開閉弁とを閉状態にして、アノード循環ポンプを停止させるとともに、電源の電流の電流値を通常運転時の電流値にして、アノードオフガスが全て燃焼部に供給され、カソードにおいて生成した水素が全て排出ガス開閉弁よりも下流側に流れる、第２モード運転を行うことを特徴とする水素生成システムである。
【００２４】
これによって、起動時の第１モード運転で、アノードオフガスがアノードに戻されるため、アノードに供給される水素含有ガスが、改質装置で生成された水素含有ガスとアノードオフガスとを合わせたものになり、アノードオフガスをアノードに戻さない従来の場合よりも、アノードオフガスの分だけ、アノードに供給される水素含有ガスの流量を増やすことができる。
【００２５】
そして、本発明では、起動時の第１モード運転で、アノードに供給される水素含有ガスの流量が従来よりも増えていることを考慮して、アノードオフガスをアノードに戻さない通常運転時（第２モード運転時）の電流値よりも大きい電流値の電流を流すことで、カソードで生成する水素量を増やすことができる。
【００２６】
そして、カソードで生成する水素量が従来よりも増えることで、カソードに滞留した不純物を速やかに燃焼部に排出することが可能となるので、起動時にカソードから排出される水素の純度を高める時間を、従来よりも短縮することができる水素生成システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の水素生成システムは、水素生成システムの起動時に、カソードから純度の高い水素ガスを水素利用機器に従来よりも短時間で供給することができる。さらに、短時間で純度の高い水素を水素利用機器に供給できるので、水素利用機器の稼働率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施の形態１および２における水素生成システムの構成図
【図２】本発明の実施の形態１および２における水素生成システムの待機工程の動作を示す説明図
【図３】本発明の実施の形態１および２における水素生成システムの昇温工程の動作を示す説明図
【図４】本発明の実施の形態１および２における水素生成システムの起動工程の動作図
【図５】本発明の実施の形態１および２における水素生成システムの水素製造工程の動作を示す説明図
【図６】本発明の実施の形態１における水素生成システムの昇温工程から停止工程までの制御動作を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態２における水素生成システムの昇温工程から停止工程までの制御動作を示すフローチャート
【図８】従来の水素生成システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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と他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、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、電気化学デバイスに電流を流すための電源と、燃料を燃焼する燃焼部により加熱され原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質装置と、改質装置で生成した水素含有ガスをアノードに供給するための水素含有ガス供給流路と、カソードにおいて生成した水素を水素利用機器に供給するためのガス排出流路と、ガス排出流路を開閉する排出ガス開閉弁と、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードからカソードに透過することなくアノードから排出されるアノードオフガスを燃料として燃焼部に供給するためのアノード循環流路と、アノード循環流路と水素含有ガス供給流路とが連通するように、一端がアノード循環流路に接続され、他端が水素含有ガス供給流路に接続されたアノードバイパス流路と、アノード循環流路におけるアノードバイパス流路が接続された接続点よりも燃焼部側の流路を開閉するアノードオフガス第１開閉弁と、アノード循環流路におけるアノードバイパス流路が接続された接続点よりもアノード側の流路に設けられるポンプであって、搬送動作を停止している時にアノード循環流路を閉塞しないように構成され、アノードオフガスをアノードバイパス流路から水素含有ガス供給流路に搬送するためのアノード循環ポンプと、アノードバイパス流路を開閉するアノードオフガス第２開閉弁と、一端がガス排出流路における排出ガス開閉弁よりもカソード側の流路から分岐し、他端がアノード循環流路におけるアノードオフガス第１開閉弁よりも燃焼部側の流路に合流する、カソードから排出されるカソードオフガスを燃料として燃焼部に供給するためのカソード循環流路と、カソード循環流路を開閉するカソードオフガス開閉弁と、制御部と、を備えた水素生成システムであって、制御部は、起動時に、改質装置が水素含有ガスの生成を開始した後に、アノードオフガス第１開閉弁と排出ガス開閉弁とが閉状態、アノードオフガス第２開閉弁とカソードオフガス開閉弁とが開状態において、アノード循環ポンプに搬送動作させるとともに、電源から電気化学デバイスに通常運転時よりも電流値が大きい電流を流させて、アノードオフガスが燃焼部に供給されることなくアノードバイパス流路を経由して改質装置からの水素含有ガスとともにアノードに供給され、カソードにおいて生成した水素が排出ガス開閉弁よりも下流側に流れることなく燃焼部に供給される、第１モード運転を行った後に、アノードオフガス第１開閉弁と排出ガス開閉弁とを開状態、アノードオフガス第２開閉弁とカソードオフガス開閉弁とを閉状態にして、アノード循環ポンプを停止させるとともに、電源の電流の電流値を通常運転時の電流値にして、アノードオフガスが全て燃焼部に供給され、カソードにおいて生成した水素が全て排出ガス開閉弁よりも下流側に流れる、第２モード運転を行うことを特徴とする水素生成システムである。
【００３０】
これによって、起動時の第１モード運転で、アノードオフガスがアノードに戻されるため、アノードに供給される水素含有ガスが、改質装置で生成された水素含有ガスとアノードオフガスとを合わせたものになり、アノードオフガスをアノードに戻さない従来の場合よりも、アノードオフガスの分だけ、アノードに供給される水素含有ガスの流量を増やすことができる。
【００３１】
そして、本発明では、起動時の第１モード運転で、アノードに供給される水素含有ガスの流量が従来よりも増えていることを考慮して、アノードオフガスをアノードに戻さない通常運転時（第２モード運転時）の電流値よりも大きい電流値の電流を流すことで、カソードで生成する水素量を増やすことができる。
【００３２】
そして、カソードで生成する水素量が従来よりも増えることで、カソードに滞留した不純物を速やかに燃焼部に排出することが可能となるので、起動時にカソードから排出される水素の純度を高める時間を、従来よりも短縮することができる水素生成システムを提供することができる。
【００３３】
第２の発明は、特に、第１の発明における制御部が、第１モード運転中に、カソードで生成されるガス量が、カソードの容積以上になるまでは、第１モード運転から第２モード運転に移行しないことを特徴とする水素生成システムである。
【００３４】
これによって、起動時にカソードに残留していた不純物を含む水素含有ガスが確実に排出され、新たに生成された純度の高い水素に置き換わる。そして、カソードのパージが短時間で効率よく行われて、起動時に十分な純度に高められた水素を早く水素利用機器に供給することができる。
【００３５】
第３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と他方の主面に配置されるカソードとで電解質膜−電極接合体を構成し、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、電気化学デバイスに電流を流すための電源と、燃料を燃焼する燃焼部により加熱され原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質装置と、改質装置で生成した水素含有ガスをアノードに供給するための水素含有ガス供給流路と、カソードにおいて生成した水素を水素利用機器に供給するためのガス排出流路と、ガス排出流路を開閉する排出ガス開閉弁と、アノードに供給された水素含有ガスのうちでアノードからカソードに透過することなくアノードから排出されるアノードオフガスを燃料として燃焼部に供給するためのアノード循環流路と、アノード循環流路と水素含有ガス供給流路とが連通するように、一端がアノード循環流路に接続され、他端が水素含有ガス供給流路に接続されたアノードバイパス流路と、アノード循環流路におけるアノードバイパス流路が接続された接続点よりも燃焼部側の流路を開閉するアノードオフガス第１開閉弁と、アノード循環流路におけるアノードバイパス流路が接続された接続点よりもアノード側の流路に設けられるポンプであって、搬送動作を停止している時にアノード循環流路を閉塞しないように構成され、アノードオフガスをアノードバイパス流路から水素含有ガス供給流路に搬送するためのアノード循環ポンプと、アノードバイパス流路を開閉するアノードオフガス第２開閉弁と、一端がガス排出流路における排出ガス開閉弁よりもカソード側の流路から分岐し、他端がアノード循環流路におけるアノードオフガス第１開閉弁よりも燃焼部側の流路に合流する、カソードから排出されるカソードオフガスを燃料として燃焼部に供給するためのカソード循環流路と、カソード循環流路を開閉するカソードオフガス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、起動時に、改質装置が水素含有ガスの生成を開始した後に、アノードオフガス第１開閉弁と排出ガス開閉弁とが閉状態、アノードオフガス第２開閉弁とカソードオフガス開閉弁とが開状態において、アノード循環ポンプに搬送動作させるとともに、電源から電気化学デバイスに通常運転時よりも電流値が大きい電流を流させて、アノードオフガスが燃焼部に供給されることなくアノードバイパス流路を経由して改質装置からの水素含有ガスとともにアノードに供給され、カソードにおいて生成した水素が排出ガス開閉弁よりも下流側に流れることなく燃焼部に供給される、第１モード運転を行った後に、アノードオフガス第１開閉弁と排出ガス開閉弁とを開状態、アノードオフガス第２開閉弁とカソードオフガス開閉弁とを閉状態にして、アノード循環ポンプを停止させるとともに、電源の電流の電流値を通常運転時の電流値にして、アノードオフガスが全て燃焼部に供給され、カソードにおいて生成した水素が全て排出ガス開閉弁よりも下流側に流れる、第２モード運転を行うことを特徴とする水素生成システムの運転方法である。
【００３６】
これによって、起動時の第１モード運転で、アノードオフガスがアノードに戻されるた
め、アノードに供給される水素含有ガスが、改質装置で生成された水素含有ガスとアノードオフガスとを合わせたものになり、アノードオフガスをアノードに戻さない従来の場合よりも、アノードオフガスの分だけ、アノードに供給される水素含有ガスの流量を増やすことができる。
【００３７】
そして、本発明では、起動時の第１モード運転で、アノードに供給される水素含有ガスの流量が従来よりも増えていることを考慮して、アノードオフガスをアノードに戻さない通常運転時（第２モード運転時）の電流値よりも大きい電流値の電流を流すことで、カソードで生成する水素量を増やすことができる。
【００３８】
そして、カソードで生成する水素量が従来よりも増えることで、カソードに滞留した不純物を速やかに燃焼部に排出することが可能となるので、起動時にカソードから排出される水素の純度を高める時間を、従来よりも短縮することができる水素生成システムの運転方法を提供することができる。
【００３９】
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。
【００４０】
（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構成図である。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待機工程の動作を示す説明図である。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昇温工程の動作を示す説明図である。
【００４１】
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起動工程の動作を示す説明図である。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水素製造工程の動作を示す説明図である。図６は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの昇温工程から停止工程までの制御動作を示すフローチャートである。
【００４２】
図１に示すように、本実施の形態における水素生成システム１０は、電気化学デバイス１１と、電源１２と、改質装置１３と、制御部１４と、原料ガス供給手段２１と、原料ガス供給流路２２と、水素含有ガス供給流路２３と、アノード循環流路２４と、アノードオフガス第１開閉弁２５と、アノードバイパス流路２６と、アノードオフガス第２開閉弁２７と、アノード循環ポンプ２８と、ガス排出流路２９と、排出ガス開閉弁３０と、カソード循環流路３１と、カソードオフガス開閉弁３２と、排気流路３３と、を有する。
【００４３】
電気化学デバイス１１は、水素イオンを選択的に輸送（透過）する高分子膜で構成された電解質膜１１Ｂと、電解質膜１１Ｂの一方の主面に配置されたアノード１１Ａと、電解質膜１１Ｂの他方の主面に配置されたカソード１１Ｃとで、電解質膜−電極接合体を構成している。
【００４４】
なお、本実施の形態では、アノード１１Ａは、白金を担持したカーボン粒子を含む触媒層で構成されて電解質膜１１Ｂの一方の主面に接合されるアノード電極と、アノード入口１１Ａ１とアノード出口１１Ａ２との間にアノード電極に供給する水素含有ガスの流路が形成されたアノードセパレータとで、構成されている。
【００４５】
カソード１１Ｃは、白金を担持したカーボン粒子を含む触媒層で構成されて電解質膜１１Ｂの他方の主面に接合されるカソード電極と、カソード電極で生成された水素をカソード出口１１Ｃ２から外部に排出するための流路が形成されたカソードセパレータとで、構成されている。
【００４６】
また、電気化学デバイス１１は、アノード１１Ａに水素含有ガスを供給するとともに、アノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード１１Ｃにおいて水素を生成するものである。
【００４７】
電源１２は、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間に所定方向の電流を流すものであり、プラス側電極がアノード１１Ａに電気的に接続されるとともにマイナス側電極がカソード１１Ｃに電気的に接続された直流電源を用いる。電流は、電源１２のプラス側電極からアノード１１Ａ、電解質膜１１Ｂ、カソード１１Ｃを、この順に通って、電源１２のマイナス側電極に流れる。
【００４８】
改質装置１３は、改質により水素含有ガスを生成する改質部１３Ａと、改質に適した温度に改質部１３Ａを加熱する燃焼部１３Ｂと、改質部１３Ａの温度を検出する改質装置温度検出器１３Ｃと、改質部１３Ａに改質水を供給する改質水供給流路１３Ｄとを備えており、改質部１３Ａで原料ガスと改質水から水素含有ガスを生成する。改質水供給流路１３Ｄは、改質水ポンプ（図示せず）を備えている。
【００４９】
この水素含有ガスは、水素の含有比率が７５％、二酸化炭素の含有比率が２５％の組成となっている。なお、この含有比率は、水素含有ガスに含まれる水蒸気を考慮していない含有比率である。改質装置１３で生成する水素含有ガスは、水蒸気を含んでいる。
【００５０】
原料ガス供給流路２２は、原料ガスである都市ガスを、原料ガス供給手段２１から改質装置１３に供給する流路である。原料ガス供給手段２１は、本実施の形態では、都市ガスを封入したタンクである。原料ガス供給流路２２には、図示しないが、原料ガスポンプまたは開閉弁を備えている。
【００５１】
水素含有ガス供給流路２３は、改質装置１３で生成した水素含有ガスを電気化学デバイス１１のアノード１１Ａのアノード入口１１Ａ１に供給する流路である。
【００５２】
アノード循環流路２４は、水素含有ガス供給流路２３からアノード入口１１Ａ１に供給された水素含有ガスのうちでアノード１１Ａから電解質膜１１Ｂを介してカソード１１Ｃに透過（移動）しなかった水素含有ガスを、燃焼部１３Ｂの燃料として、アノード出口１１Ａ２から、改質装置１３に戻して燃焼部１３Ｂで燃焼させるための流路である。
【００５３】
アノードオフガス第１開閉弁２５は、アノード循環流路２４に設けられた、アノード循環流路２４を開閉する電磁弁であり、通電時以外は閉じている。
【００５４】
アノードバイパス流路２６は、アノード出口１１Ａ２から排出された水素含有ガスを、アノード入口１１Ａ１に戻すための流路であり、アノードオフガス第１開閉弁２５よりも上流側（アノード出口１１Ａ２側）でアノード循環流路２４から分岐し、水素含有ガス供給流路２３と合流する構成となっている。
【００５５】
アノードバイパス流路２６は、アノードオフガス第１開閉弁２５よりも上流側（アノード出口１１Ａ２側）のアノード循環流路２４と水素含有ガス供給流路２３とが連通するように、一端がアノードオフガス第１開閉弁２５よりも上流側（アノード出口１１Ａ２側）でアノード循環流路２４に接続され、他端が水素含有ガス供給流路２３に接続された流路である。
【００５６】
アノードオフガス第２開閉弁２７は、アノードバイパス流路２６に設けられた、アノードバイパス流路２６を開閉する電磁弁であり、通電時以外は閉じている。
【００５７】
アノード循環ポンプ２８は、アノード循環流路２４におけるアノードバイパス流路２６との分岐点（アノードバイパス流路２６が接続された接続点）よりも上流側（アノード出口１１Ａ２側）の流路に設けられ、アノード出口１１Ａ２から排出された水素含有ガスを、アノードバイパス流路２６と水素含有ガス供給流路２３を経て、アノード入口１１Ａ１に戻すためのポンプである。
【００５８】
アノード循環ポンプ２８は、アノードオフガスをアノードバイパス流路２６から水素含有ガス供給流路２３に搬送するポンプであり、搬送動作を行っていないときにアノード循環流路２４を閉塞しないように構成されている。
【００５９】
ガス排出流路２９は、水素製造運転時にカソード１１Ｃにおいて生成され、カソード出口１１Ｃ２から排出される純度の高い水素ガスを水素利用機器に供給するための流路である。
【００６０】
排出ガス開閉弁３０は、ガス排出流路２９に設けられた、ガス排出流路２９を開閉する電磁弁であり、通電時以外は閉じている。
【００６１】
カソード循環流路３１は、カソード出口１１Ｃ２から排出される純度の低い水素（カソードオフガス）を、燃焼部１３Ｂの燃料として、カソード出口１１Ｃ２から、改質装置１３に戻して燃焼部１３Ｂで燃焼させるための流路であり、ガス排出流路２９における排出ガス開閉弁３０よりも上流側（カソード出口１１Ｃ２側）の流路から分岐し、アノード循環流路２４におけるアノードオフガス第１開閉弁２５よりも下流側（燃焼部１３Ｂ側）の流路に合流する構成となっている。
【００６２】
カソード循環流路３１は、一端がガス排出流路２９における排出ガス開閉弁３０よりも上流側（カソード出口１１Ｃ２側）の流路に接続され、他端がアノード循環流路２４におけるアノードオフガス第１開閉弁２５よりも下流側（燃焼部１３Ｂ側）の流路に接続されている。
【００６３】
カソードオフガス開閉弁３２は、カソード循環流路３１に設けられた、カソード循環流路３１を開閉する電磁弁であり、通電時以外は閉じている。
【００６４】
排気流路３３は、改質装置１３の燃焼部１３Ｂにおいて、アノードオフガスまたはカソードオフガスを燃焼用空気と混合し燃焼して発生した燃焼排ガスを排出する流路である。
【００６５】
制御部１４は、電源１２、改質装置１３、アノードオフガス第１開閉弁２５、アノードオフガス第２開閉弁２７、アノード循環ポンプ２８、排出ガス開閉弁３０、カソードオフガス開閉弁３２とそれぞれ繋がっている。
【００６６】
制御部１４は、純度の高い水素ガスを短時間で水素利用機器へ供給するために、起動時に、第１モード運転（起動工程）を行った後に、第２モード運転（水素製造工程）を行うように構成されている。また、制御部１４は、図示しない信号入出力部と、演算処理部と記憶部とを備えている。
【００６７】
第１モード運転（起動工程）は、改質装置１３が原料ガスと改質水から水素含有ガスの生成を開始した後に、制御部１４の制御によって行われる。
【００６８】
第１モード運転中は、アノードオフガス第１開閉弁２５と排出ガス開閉弁３０とは閉状態であり、アノードオフガス第２開閉弁２７とカソードオフガス開閉弁３２とは開状態で
あり、アノード循環ポンプ２８は搬送動作しており、電源１２は、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間に通常運転（第２モード運転）時よりも電流値が大きい電流を流している。
【００６９】
その結果、第１モード運転中には、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出されるアノードオフガスは、燃焼部１３Ｂに供給されることなくアノードバイパス流路２６を経由して水素含有ガス供給流路２３に流入して改質装置１３からの水素含有ガスとともにアノード入口１１Ａ１からアノード１１Ａに供給される。
【００７０】
また、アノード１１Ａに供給された水素含有ガスとアノード１１Ａから電解質膜１１Ｂを介してカソード１１Ｃに流れる電流（第２モード運転時よりも電流値が大きい電流）によって、カソード１１Ｃにおいて生成し、カソード出口１１Ｃ２からガス排出流路２９に排出された水素は、排出ガス開閉弁３０よりも下流側のガス排出流路２９に流れることなくカソード循環流路３１を通って燃焼部１３Ｂに供給される。
【００７１】
第２モード運転（水素製造工程）は、第１モード運転（起動工程）の後で、制御部１４の制御によって行われる。
【００７２】
第２モード運転（水素製造工程）中は、アノードオフガス第１開閉弁２５と排出ガス開閉弁３０とは開状態であり、アノードオフガス第２開閉弁２７とカソードオフガス開閉弁３２とは閉状態であり、アノード循環ポンプ２８は停止しており、電源１２は通常運転時の電流値の電流を電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間に流している。
【００７３】
その結果、第２モード運転中には、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出されるアノードオフガスは、全て燃焼部１３Ｂで燃焼される。
【００７４】
また、アノード１１Ａに供給された水素含有ガスとアノード１１Ａから電解質膜１１Ｂを介してカソード１１Ｃに流れる電流（第１モード運転時よりも電流値が小さい通常運転時の電流）によって、カソード１１Ｃにおいて生成し、カソード出口１１Ｃ２からガス排出流路２９に排出された水素は、排出ガス開閉弁３０よりも下流側のガス排出流路２９に流れる。
【００７５】
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１０について、以下にその動作、作用を説明する。水素生成システム１０の動作は、待機、昇温、起動、水素製造の４工程で行われる。以下、順に各工程の動作について説明する。
【００７６】
まず、図２を用いて待機工程について説明する。待機工程では、原料と改質水は改質装置１３（改質部１３Ａ）には供給されておらず、改質装置１３は停止状態である。また、電源１２とアノード循環ポンプ２８は、それぞれ停止状態であり、アノードオフガス第１開閉弁２５、アノードオフガス第２開閉弁２７、排出ガス開閉弁３０、カソードオフガス開閉弁３２は、いずれも閉じている。
【００７７】
水素生成システム１０を初めて動作させる場合の待機工程では、アノード１１Ａ、カソード１１Ｃや、システム内部の各流路には空気中の窒素、酸素等が滞留した状態であり、その各流路内の空気の組成は、窒素の体積割合が約７８％で、酸素の体積割合が約２１％である。
【００７８】
また、水素生成システム１０の水素製造工程を少なくとも１回以上行った後の待機工程に移行した直後では、アノード１１Ａには水素含有ガスが、カソード１１Ｃにはアノード
１１Ａの水素含有ガスよりも純度の高い水素が、それぞれ滞留している。発明者らが予め実験的に取得した待機工程に移行した直後のアノード１１Ａとカソード１１Ｃの水素の純度は、アノード１１Ａが７５％、カソード１１Ｃが９９．９８％であった。
【００７９】
待機工程では、アノード１１Ａに滞留する水素含有ガスとカソード１１Ｃに滞留する水素中の各成分が、それぞれの成分の分圧差によって、電解質膜１１Ｂを透過する。
【００８０】
アノード１１Ａに滞留する水素含有ガスに含まれる成分のうち、カソード１１Ｃよりも分圧の高い二酸化炭素が、電解質膜１１Ｂを透過してカソード１１Ｃへ移動する。逆に、カソード１１Ｃに滞留するアノード１１Ａよりも分圧の高い水素は、電解質膜１１Ｂを透過してアノード１１Ａに移動する。
【００８１】
これにより、待機工程では、時間の経過とともに、カソード１１Ｃ中の水素の純度が低下して、やがて待機工程中に、アノード１１Ａに滞留するガスの水素の純度と、カソード１１Ｃに滞留するガスの水素の純度は、等しくなった。発明者らが予め実験的に取得した待機工程で滞留するガスの水素の純度がアノード１１Ａとカソード１１Ｃとで等しくなった時のアノード１１Ａとカソード１１Ｃに滞留するガスの純度は、水素が９０％、二酸化炭素が１０％であった。
【００８２】
次に、昇温工程について図３と図６を用いて説明する。
【００８３】
昇温工程は、起動工程に移行する前に、改質装置１３を、起動工程に必要な量の水素含有ガスが生成可能な温度まで昇温する工程である。
【００８４】
図３に示すように、昇温工程は、制御部１４の制御によって、アノードオフガス第１開閉弁２５に通電して、アノードオフガス第１開閉弁２５を開状態（アノード出口１１Ａ２から燃焼部１３Ｂに至るアノード循環流路２４が開放された状態）とする（Ｓ１０１）。なお、他のアノードオフガス第２開閉弁２７と、排出ガス開閉弁３０と、カソードオフガス開閉弁３２は、閉状態を維持している。
【００８５】
原料ガスである都市ガスは、原料ガス供給手段２１から原料ガス供給流路２２を経て、改質装置１３の改質部１３Ａに供給される。
【００８６】
その後、原料ガスは、改質部１３Ａから排出され、水素含有ガス供給流路２３、アノード１１Ａ、アノード循環流路２４を経て、改質装置１３の燃焼部１３Ｂに供給される。
【００８７】
このとき、電源１２から電気化学デバイス１１には通電していない。また、アノード循環ポンプ２８は、停止していて、アノード循環流路２４を開放している。
【００８８】
次に、制御部１４は、アノード循環流路２４から供給された原料ガスを改質装置１３の燃焼部１３Ｂで燃焼用空気を用いて燃焼させて（Ｓ１０２）、改質装置温度検出器１３Ｃで検出される改質装置１３の温度が所定の温度になるまで改質装置１３を加熱昇温する。
【００８９】
昇温の途中で、改質装置温度検出器１３Ｃで検出される改質装置１３の温度が、改質水を改質部１３Ａに供給しても問題ない温度（供給可能な温度）に達すると（Ｓ１０３をＹＥＳ側に分岐して）、改質水供給流路１３Ｄから改質水が改質部１３Ａに供給される（Ｓ１０４）。本実施の形態では、所定の温度を６００℃としている。
【００９０】
改質部１３Ａでは、改質装置１３の温度上昇と改質水の供給により、水蒸気改質反応により、都市ガスと改質水から水素含有ガスが生成され、その水素含有ガスは電気化学デバ
イス１１のアノード１１Ａに供給される。
【００９１】
アノード１１Ａに供給された水素含有ガスは、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出されて改質装置１３に戻され、燃焼部１３Ｂで燃焼用空気を用いて燃焼される。改質装置温度検出器１３Ｃで検出される改質装置１３の温度が、６００℃に到達すると（Ｓ１０５をＹＥＳ側に分岐して）、次の工程である起動工程に移行する。
【００９２】
次に、起動工程について図４および図６を用いて詳しく説明する。
【００９３】
昇温工程が完了する（改質装置１３の温度が６００℃に到達する）頃は、改質装置１３の改質部１３Ａでは、原料ガス供給流路２２から供給される原料ガスと改質水供給流路１３Ｄから供給される改質水から、水素含有ガスが生成され、その水素含有ガスが電気化学デバイス１１のアノード１１Ａに供給されている状態となっている。このときの水素含有ガスの組成は、水素が７５％で、二酸化炭素が２５％となっている。
【００９４】
次に、制御部１４は、アノードオフガス第２開閉弁２７を開くことによりアノードバイパス流路２６を開放し、アノードオフガス第１開閉弁２５を閉じることによりアノード循環流路２４におけるアノードバイパス流路２６が接続された接続点よりも燃焼部１３Ｂ側の流路を閉塞する（Ｓ１０６）。そして、アノード循環ポンプ２８を動作させる（Ｓ１０７）。
【００９５】
これによって、アノード１１Ａのアノード出口１１Ａ２から排出された水素含有ガス（アノードオフガス）は、アノードバイパス流路２６から水素含有ガス供給流路２３に流入して、再びアノード１１Ａに戻される。
【００９６】
次に、制御部１４は、電源１２を用いて、アノード１１Ａから電解質膜１１Ｂを介してカソード１１Ｃに、所定の電流値８０Ａの１．５倍の１２０Ａの電流を流し、カソード１１Ｃで水素を生成するとともに、カソードオフガス開閉弁３２を開くことによりカソード循環流路３１を開放する（Ｓ１０８）。
【００９７】
その結果、カソード１１Ｃに残留している水素の純度の低い水素は、電解質膜１１Ｂを透過してカソード１１Ｃで生成する水素により、カソード循環流路３１から改質装置１３へ戻されて燃焼部１３Ｂで燃焼用空気を用いて燃焼される。
【００９８】
次に、電源１２から電気化学デバイス１１に電流を流し始めてから１０秒経過したかどうかを判断する。電源１２から電気化学デバイス１１に電流を流し始めてから１０秒経過すると（Ｓ１０９をＹＥＳ側に分岐して）、起動工程を終了し、次工程である水素製造工程に移行する。
【００９９】
なお、電源１２から電気化学デバイス１１に電流を流し始めてから１０秒経過していないときは（Ｓ１０９をＮＯ側に分岐して）、Ｓ１０９を繰り返す。
【０１００】
発明者らが予め実験的に取得した、電源１２から電気化学デバイス１１に電流を流し始めてから１０秒経過後のカソード１１Ｃの水素の純度は９９．９８％であった。また、比較例として、水素含有ガスを循環させず（アノードオフガスをアノード１１Ａに戻さず）に、所定の電流値である８０Ａで電気化学デバイス１１に電流を流した場合には、水素純度９９．９８％となるまでに要する時間は３０秒であった。
【０１０１】
この比較例で、３０秒という本実施の形態の１０秒よりも長い時間を要した理由は、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出された水素含有ガスを、改質装置１
３の燃焼部１３Ｂで燃焼させ、再度、アノード１１Ａに供給しないため、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスが、改質装置１３からアノード１１Ａに供給される水素含有ガスだけになるために、電源１２の電流値を所定値よりも高くすることが出来ないことによる。このため、カソード１１Ｃに生成する水素を多くできず、水素の純度を高めるために３０秒の時間を要する。
【０１０２】
Ｓ１０６からＳ１０９をＹＥＳ側に分岐するまでの起動工程では、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出された水素含有ガス（アノードオフガス）を、アノード循環ポンプ２８で循環し、アノードバイパス流路２６から水素含有ガス供給流路２３に流入させて、改質装置１３から供給される水素含有ガスと混合させ、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａに供給する水素含有ガス量を増やしている。
【０１０３】
これとともに、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間を流れる電流の電流値を所定値の１．５倍の１２０Ａとすることで、カソード１１Ｃの水素の生成量を増やしている。これにより、カソード１１Ｃ内部に滞留する不純物を短時間で除去し、カソード１１Ｃ内部の水素の純度を短時間で高めることができる。
【０１０４】
次に、水素製造工程について図５および図６を用いて説明する。
【０１０５】
水素製造工程は、電気化学デバイス１１で純度の高い水素を製造し、水素利用機器に供給する工程である。
【０１０６】
水素製造工程では、制御部１４は、まず、排出ガス開閉弁３０とアノードオフガス第１開閉弁２５とを開状態とし（Ｓ１１０）、アノードオフガス第２開閉弁２７と、カソードオフガス開閉弁３２とを閉状態とする（Ｓ１１１）。また、アノード循環ポンプ２８を停止状態とする（Ｓ１１２）。
【０１０７】
その結果、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出される水素含有ガス（アノードオフガス）が燃焼部１３Ｂの燃焼に用いられ、アノードオフガスがアノード１１Ａに供給されないため、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスが、改質装置１３からアノード１１Ａに供給される水素含有ガスだけになるために、電源１２を用いて電気化学デバイス１１のアノード１１Ａから電解質膜１１Ｂを介してカソード１１Ｃに流す電流の電流値を所定の電流値である８０Ａにする（Ｓ１１３）。
【０１０８】
これにより、水素利用機器へ純度の高い水素を水素利用機器が必要な量だけ供給する。
【０１０９】
次に、停止指示があるかを判断する（Ｓ１１４）。停止指示がなければ、停止指示があるまで、Ｓ１１４を繰り返して、水素製造工程を継続する。停止指示があれば、水素製造工程を終了して、電源１２による電流を停止し、排出ガス開閉弁３０を閉じ、改質装置１３による水素含有ガスの生成動作を停止させ、アノードオフガス第１開閉弁２５を閉じるという待機工程に移行するための停止工程を行う（Ｓ１１５）。
【０１１０】
以上のように、本実施の形態では、図４に示す起動工程において、アノード出口１１Ａ２から排出された水素含有ガス（アノードオフガス）を、アノード循環ポンプ２８で循環し、改質装置１３から供給される水素含有ガスと混合させ、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａに供給する水素含有ガス量を増やしている。また、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間を流れる電流の電流値を所定値の１．５倍としている。
【０１１１】
これによって、カソード１１Ｃの水素の生成量を増やし、カソード１１Ｃ内部に滞留す
る不純物を短時間で除去することができる。そして、図５に示す水素製造工程に移行するまでの時間を短縮することができる。
【０１１２】
以上のように本実施の形態の水素生成システム１０は、電解質膜１１Ｂと電解質膜１１Ｂの一方の主面に配置されるアノード１１Ａと他方の主面に配置されるカソード１１Ｃとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノード１１Ａに水素含有ガスを供給するとともに、アノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード１１Ｃにおいて水素を生成する電気化学デバイス１１と、電気化学デバイス１１に電流を流すための電源１２と、燃料を燃焼する燃焼部１３Ｂにより加熱され原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質装置１３と、改質装置１３で生成した水素含有ガスをアノード１１Ａに供給するための水素含有ガス供給流路２３と、カソード１１Ｃにおいて生成した水素を水素利用機器に供給するためのガス排出流路２９と、ガス排出流路２９を開閉する排出ガス開閉弁３０と、アノード１１Ａに供給された水素含有ガスのうちでアノード１１Ａからカソード１１Ｃに透過することなくアノード１１Ａから排出されるアノードオフガスを燃料として燃焼部１３Ｂに供給するためのアノード循環流路２４と、アノード循環流路２４と水素含有ガス供給流路２３とが連通するように、一端がアノード循環流路２４に接続され、他端が水素含有ガス供給流路２３に接続されたアノードバイパス流路２６と、アノード循環流路２４におけるアノードバイパス流路２６が接続された接続点よりも燃焼部１３Ｂ側の流路を開閉するアノードオフガス第１開閉弁２５と、アノード循環流路２４におけるアノードバイパス流路２６が接続された接続点よりもアノード１１Ａ側の流路に設けられるポンプであって、搬送動作を停止している時にアノード循環流路２４を閉塞しないように構成され、アノードオフガスをアノードバイパス流路２６から水素含有ガス供給流路２３に搬送するためのアノード循環ポンプ２８と、アノードバイパス流路２６を開閉するアノードオフガス第２開閉弁２７と、一端がガス排出流路２９における排出ガス開閉弁３０よりもカソード１１Ｃ側の流路から分岐し、他端がアノード循環流路２４におけるアノードオフガス第１開閉弁２５よりも燃焼部１３Ｂ側の流路に合流する、カソードから排出されるカソードオフガスを燃料として燃焼部１３Ｂに供給するためのカソード循環流路３１と、カソード循環流路３１を開閉するカソードオフガス開閉弁３２と、制御部１４とを備えた水素生成システム１０であって、制御部１４は、起動時に、改質装置１３が水素含有ガスの生成を開始した後に、アノードオフガス第１開閉弁２５と排出ガス開閉弁３０とが閉状態、アノードオフガス第２開閉弁２７とカソードオフガス開閉弁３２とが開状態において、アノード循環ポンプ２８に搬送動作させるとともに、電源１２から電気化学デバイス１１に通常運転時よりも電流値が大きい電流を流させて、アノードオフガスが燃焼部１３Ｂに供給されることなくアノードバイパス流路２６を経由して改質装置１３からの水素含有ガスとともにアノード１１Ａに供給され、カソード１１Ｃにおいて生成した水素が排出ガス開閉弁３０よりも下流側に流れることなく燃焼部１３Ｂに供給される、第１モード運転（起動工程）を行った後に、アノードオフガス第１開閉弁２５と排出ガス開閉弁３０とを開状態、アノードオフガス第２開閉弁２７とカソードオフガス開閉弁３２とを閉状態にして、アノード循環ポンプ２８を停止させるとともに、電源１２の電流の電流値を通常運転時の電流値にして、アノードオフガスが全て燃焼部１３Ｂに供給され、カソード１１Ｃにおいて生成した水素が全て排出ガス開閉弁３０よりも下流側に流れる、第２モード運転（水素製造工程）を行うことを特徴とする。
【０１１３】
これによって、起動時の第１モード運転（起動工程）で、アノードオフガスがアノード１１Ａに戻されるため、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスが、改質装置１３で生成された水素含有ガスとアノードオフガスとを合わせたものになり、アノードオフガスをアノードに戻さない従来の場合よりも、アノードオフガスの分だけ、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスの流量を増やすことができる。
【０１１４】
そして、本実施の形態では、起動時の第１モード運転（起動工程）で、アノード１１Ａ
に供給される水素含有ガスの流量が従来よりも増えていることを考慮して、アノードオフガスをアノードに戻さない水素製造工程時（第２モード運転時）の電流値よりも大きい電流値の電流を流すことで、カソード１１Ｃで生成する水素量を増やすことができる。
【０１１５】
そして、カソード１１Ｃで生成する水素量が従来よりも増えることで、カソード１１Ｃに滞留した不純物を速やかに燃焼部１３Ｂに排出することが可能となるので、起動時にカソード１１Ｃから排出される水素の純度を高める時間を、従来よりも短縮することができる。
【０１１６】
なお、本実施の形態の水素生成システム１０では、所定の電流値（水素製造工程時の電流値）を８０Ａとしたが、この電流値は一例であり、これに限定されるものではない。
【０１１７】
また、本実施の形態の水素生成システム１０では、起動工程（第１モード運転）における電流値は所定の電流値（水素製造工程時（第２モード運転時）の電流値）の１．５倍としたが、これに限定されるものではない。
【０１１８】
また、本実施の形態の水素生成システム１０では、起動工程における電流を流す時間は１０秒としたが、これに限定されるものではない。
【０１１９】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１とは、水素生成システム１０の制御部１４による起動工程の終了の判断が異なっている。
【０１２０】
実施の形態１の水素生成システム１０では、起動工程において電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間に所定の電流値８０Ａの１．５倍の１２０Ａの電流を流し始めてから１０秒を経過すると、起動工程を終了した。
【０１２１】
これに対して、本実施の形態の水素生成システム１０では、起動工程においてカソード１１Ｃで生成した水素量がカソード１１Ｃの容積以上になれば、起動工程を終了する。
【０１２２】
この相違点以外は、本実施の形態は、実施の形態１の水素生成システム１０と同様である。
【０１２３】
本発明の実施の形態２の水素生成システムの構成図は、図１に示された実施の形態１における水素生成システム１０の構成図と同じである。本発明の実施の形態２における水素生成システムの待機工程の動作を示す説明図は、図２に示された実施の形態１における水素生成システム１０の待機工程の動作を示す説明図と同じである。本発明の実施の形態２における水素生成システムの昇温工程の動作を示す説明図は、図３に示された実施の形態１における水素生成システム１０の昇温工程の動作を示す説明図と同じである。
【０１２４】
本発明の実施の形態２における水素生成システムの起動工程の動作を示す説明図は、図４に示された実施の形態１における水素生成システム１０の起動工程の動作を示す説明図と同じである。本発明の実施の形態２における水素生成システムの水素製造工程の動作を示す説明図は。図５に示された実施の形態１における水素生成システム１０の水素製造工程の動作を示す説明図と同じである。
【０１２５】
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の昇温工程から停止工程までの制御動作を示すフローチャートである。
【０１２６】
本実施の形態の水素生成システム１０について、以下にその動作、作用を説明する。水
素生成システム１０の動作は、待機、昇温、起動、水素製造の４工程で行われる。以下、順に各工程の動作について説明する。
【０１２７】
まず、待機工程については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
【０１２８】
次に、昇温工程について図３と図７を用いて説明する。
【０１２９】
昇温工程は、起動工程に移行する前に、改質装置１３を、起動工程に必要な量の水素含有ガスが生成可能な温度まで昇温する工程である。
【０１３０】
図３に示すように、昇温工程は、制御部１４の制御によって、アノードオフガス第１開閉弁２５に通電して、アノードオフガス第１開閉弁２５を開状態（アノード出口１１Ａ２から燃焼部１３Ｂに至るアノード循環流路２４が開放された状態）とする（Ｓ２０１）。なお、他のアノードオフガス第２開閉弁２７と、排出ガス開閉弁３０と、カソードオフガス開閉弁３２は、閉状態を維持している。
【０１３１】
原料ガスである都市ガスは、原料ガス供給手段２１から原料ガス供給流路２２を経て、改質装置１３の改質部１３Ａに供給される。
【０１３２】
その後、原料ガスは、改質部１３Ａから排出され、水素含有ガス供給流路２３、アノード１１Ａ、アノード循環流路２４を経て、改質装置１３の燃焼部１３Ｂに供給される。
【０１３３】
このとき、電源１２から電気化学デバイス１１には通電していない。また、アノード循環ポンプ２８は、停止していて、アノード循環流路２４を開放している。
【０１３４】
次に、制御部１４は、アノード循環流路２４から供給された原料ガスを改質装置１３の燃焼部１３Ｂで燃焼用空気を用いて燃焼させて（Ｓ２０２）、改質装置温度検出器１３Ｃで検出される改質装置１３の温度が所定の温度になるまで改質装置１３を加熱昇温する。
【０１３５】
昇温の途中で、改質装置温度検出器１３Ｃで検出される改質装置１３の温度が、改質水を改質部１３Ａに供給しても問題ない温度（供給可能な温度）に達すると（Ｓ２０３をＹＥＳ側に分岐して）、改質水供給流路１３Ｄから改質水が改質部１３Ａに供給される（Ｓ２０４）。本実施の形態では、所定の温度を６００℃としている。
【０１３６】
改質部１３Ａでは、改質装置１３の温度上昇と改質水の供給により、水蒸気改質反応により、都市ガスと改質水から水素含有ガスが生成され、その水素含有ガスは電気化学デバイス１１のアノード１１Ａに供給される。
【０１３７】
アノード１１Ａに供給された水素含有ガスは、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出されて改質装置１３に戻され、燃焼部１３Ｂで燃焼用空気を用いて燃焼される。改質装置温度検出器１３Ｃで検出される改質装置１３の温度が、６００℃に到達すると（Ｓ２０５をＹＥＳ側に分岐して）、次の工程である起動工程に移行する。
【０１３８】
次に、起動工程について図４および図７を用いて詳しく説明する。
【０１３９】
昇温工程が完了する（改質装置１３の温度が６００℃に到達する）頃は、改質装置１３の改質部１３Ａでは、原料ガス供給流路２２から供給される原料ガスと改質水供給流路１３Ｄから供給される改質水から、水素含有ガスが生成され、その水素含有ガスが電気化学デバイス１１のアノード１１Ａに供給されている状態となっている。このときの水素含有ガスの組成は、水素が７５％で、二酸化炭素が２５％となっている。
【０１４０】
次に、制御部１４は、アノードオフガス第２開閉弁２７を開くことによりアノードバイパス流路２６を開放し、アノードオフガス第１開閉弁２５を閉じることによりアノード循環流路２４におけるアノードバイパス流路２６が接続された接続点よりも燃焼部１３Ｂ側の流路を閉塞する（Ｓ２０６）。そして、アノード循環ポンプ２８を動作させる（Ｓ２０７）。
【０１４１】
これによって、アノード１１Ａのアノード出口１１Ａ２から排出された水素含有ガス（アノードオフガス）は、アノードバイパス流路２６から水素含有ガス供給流路２３に流入して、再びアノード１１Ａに戻される。
【０１４２】
次に、制御部１４は、電源１２を用いて、アノード１１Ａから電解質膜１１Ｂを介してカソード１１Ｃに、所定の電流値８０Ａの１．５倍の１２０Ａの電流を流し、カソード１１Ｃで水素を生成するとともに、カソードオフガス開閉弁３２を開くことによりカソード循環流路３１を開放する（Ｓ２０８）。
【０１４３】
その結果、カソード１１Ｃに残留している水素の純度の低い水素は、電解質膜１１Ｂを透過してカソード１１Ｃで生成する水素により、カソード循環流路３１から改質装置１３へ戻されて燃焼部１３Ｂで燃焼用空気を用いて燃焼される。
【０１４４】
次に、カソード１１Ｃで生成した水素量が、カソード１１Ｃの容積以上であるか否かを判断する（Ｓ２０９）。なお、カソード１１Ｃで生成した水素量は、制御部１４が電流値と時間から算出する。
【０１４５】
また、カソード１１Ｃの容積は、ガス排出流路２９における排出ガス開閉弁３０よりも上流側（カソード出口１１Ｃ２側）の流路の容積とカソード循環流路３１におけるカソードオフガス開閉弁３２よりも上流側（カソード循環流路３１のガス排出流路２９からの分岐点側）の流路の容積を含むものとする。
【０１４６】
Ｓ２０９において、カソード１１Ｃで生成した水素量がカソード１１Ｃの容積よりも小さい場合はＳ２０９を繰り返し、Ｓ２０９において、カソード１１Ｃで生成した水素量がカソード１１Ｃの容積以上になると（Ｓ２０９をＹＥＳ側に分岐して）、起動工程を完了し、次工程である水素製造工程に移行する。
【０１４７】
Ｓ２０６からＳ２０９をＹＥＳ側に分岐するまでの起動工程では、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出された水素含有ガス（アノードオフガス）を、アノード循環ポンプ２８で循環し、アノードバイパス流路２６から水素含有ガス供給流路２３に流入させて、改質装置１３から供給される水素含有ガスと混合させ、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａに供給する水素含有ガス量を増やしている。
【０１４８】
これとともに、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間を流れる電流の電流値を所定値の１．５倍の１２０Ａとすることで、カソード１１Ｃの水素の生成量を増やしている。これにより、カソード１１Ｃ内部に滞留する不純物を短時間で除去し、カソード１１Ｃ内部の水素の純度を短時間で高めることができる。
【０１４９】
次に、水素製造工程について図５および図７を用いて説明する。
【０１５０】
水素製造工程は、電気化学デバイス１１で純度の高い水素を製造し、水素利用機器に供給する工程である。
【０１５１】
水素製造工程では、制御部１４は、まず、排出ガス開閉弁３０とアノードオフガス第１開閉弁２５とを開状態とし（Ｓ２１０）、アノードオフガス第２開閉弁２７と、カソードオフガス開閉弁３２とを閉状態とする（Ｓ２１１）。また、アノード循環ポンプ２８を停止状態とする（Ｓ２１２）。
【０１５２】
その結果、アノード出口１１Ａ２からアノード循環流路２４に排出される水素含有ガス（アノードオフガス）が燃焼部１３Ｂの燃焼に用いられ、アノードオフガスがアノード１１Ａに供給されないため、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスが、改質装置１３からアノード１１Ａに供給される水素含有ガスだけになるために、電源１２を用いて電気化学デバイス１１のアノード１１Ａから電解質膜１１Ｂを介してカソード１１Ｃに流す電流の電流値を所定の電流値である８０Ａにする（Ｓ２１３）。
【０１５３】
これにより、水素利用機器へ純度の高い水素を水素利用機器が必要な量だけ供給する。
【０１５４】
次に、停止指示があるかを判断する（Ｓ２１４）。停止指示がなければ、停止指示があるまで、Ｓ２１４を繰り返して、水素製造工程を継続する。停止指示があれば、水素製造工程を終了して、電源１２による電流を停止し、排出ガス開閉弁３０を閉じ、改質装置１３による水素含有ガスの生成動作を停止させ、アノードオフガス第１開閉弁２５を閉じるという待機工程に移行するための停止工程を行う（Ｓ２１５）。
【０１５５】
以上のように、本実施の形態では、図４に示す起動工程において、アノード出口１１Ａ２から排出された水素含有ガス（アノードオフガス）を、アノード循環ポンプ２８で循環し、改質装置１３から供給される水素含有ガスと混合させ、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａに供給する水素含有ガス量を増やしている。また、電気化学デバイス１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間を流れる電流の電流値を所定値の１．５倍としている。そして、起動工程において、カソード１１Ｃで生成した水素量が、カソード１１Ｃの容積以上になれば、水素製造工程に移行する。
【０１５６】
これによって、カソード１１Ｃの水素の生成量が増え、起動時にカソード１１Ｃに残留していた不純物を含む水素含有ガスが早く排出されて、起動時にカソード１１Ｃに残留していた不純物を含む水素含有ガスが、新たに生成された純度の高い水素に確実に置き換わる。
【０１５７】
以上の結果、水素生成システム１０の起動時に純度の低い水素がカソード１１Ｃから水素利用機器に排出されることがなく、水素利用機器に純度の高い水素を供給することができる。
【０１５８】
以上のように本実施の形態の水素生成システム１０は、電解質膜１１Ｂと電解質膜１１Ｂの一方の主面に配置されるアノード１１Ａと他方の主面に配置されるカソード１１Ｃとで電解質膜−電極接合体を構成し、アノード１１Ａに水素含有ガスを供給するとともに、アノード１１Ａとカソード１１Ｃとの間に所定方向の電流を流すことで、カソード１１Ｃにおいて水素を生成する電気化学デバイス１１と、電気化学デバイス１１に電流を流すための電源１２と、燃料を燃焼する燃焼部１３Ｂにより加熱され原料ガスを改質して水素含有ガスを生成する改質装置１３と、改質装置１３で生成した水素含有ガスをアノード１１Ａに供給するための水素含有ガス供給流路２３と、カソード１１Ｃにおいて生成した水素を水素利用機器に供給するためのガス排出流路２９と、ガス排出流路２９を開閉する排出ガス開閉弁３０と、アノード１１Ａに供給された水素含有ガスのうちでアノード１１Ａからカソード１１Ｃに透過することなくアノード１１Ａから排出されるアノードオフガスを燃料として燃焼部１３Ｂに供給するためのアノード循環流路２４と、アノード循環流路２４と水素含有ガス供給流路２３とが連通するように、一端がアノード循環流路２４に接続
され、他端が水素含有ガス供給流路２３に接続されたアノードバイパス流路２６と、アノード循環流路２４におけるアノードバイパス流路２６が接続された接続点よりも燃焼部１３Ｂ側の流路を開閉するアノードオフガス第１開閉弁２５と、アノード循環流路２４におけるアノードバイパス流路２６が接続された接続点よりもアノード１１Ａ側の流路に設けられるポンプであって、搬送動作を停止している時にアノード循環流路２４を閉塞しないように構成され、アノードオフガスをアノードバイパス流路２６から水素含有ガス供給流路２３に搬送するためのアノード循環ポンプ２８と、アノードバイパス流路２６を開閉するアノードオフガス第２開閉弁２７と、一端がガス排出流路２９における排出ガス開閉弁３０よりもカソード１１Ｃ側の流路から分岐し、他端がアノード循環流路２４におけるアノードオフガス第１開閉弁２５よりも燃焼部１３Ｂ側の流路に合流する、カソードから排出されるカソードオフガスを燃料として燃焼部１３Ｂに供給するためのカソード循環流路３１と、カソード循環流路３１を開閉するカソードオフガス開閉弁３２と、制御部１４とを備えた水素生成システム１０であって、制御部１４は、起動時に、改質装置１３が水素含有ガスの生成を開始した後に、アノードオフガス第１開閉弁２５と排出ガス開閉弁３０とが閉状態、アノードオフガス第２開閉弁２７とカソードオフガス開閉弁３２とが開状態において、アノード循環ポンプ２８に搬送動作させるとともに、電源１２から電気化学デバイス１１に通常運転時よりも電流値が大きい電流を流させて、アノードオフガスが燃焼部１３Ｂに供給されることなくアノードバイパス流路２６を経由して改質装置１３からの水素含有ガスとともにアノード１１Ａに供給され、カソード１１Ｃにおいて生成した水素が排出ガス開閉弁３０よりも下流側に流れることなく燃焼部１３Ｂに供給される、第１モード運転（起動工程）を行った後に、アノードオフガス第１開閉弁２５と排出ガス開閉弁３０とを開状態、アノードオフガス第２開閉弁２７とカソードオフガス開閉弁３２とを閉状態にして、アノード循環ポンプ２８を停止させるとともに、電源１２の電流の電流値を通常運転時の電流値にして、アノードオフガスが全て燃焼部１３Ｂに供給され、カソード１１Ｃにおいて生成した水素が全て排出ガス開閉弁３０よりも下流側に流れる、第２モード運転（水素製造工程）を行うことを特徴とする。
【０１５９】
これによって、起動時の第１モード運転（起動工程）で、アノードオフガスがアノード１１Ａに戻されるため、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスが、改質装置１３で生成された水素含有ガスとアノードオフガスとを合わせたものになり、アノードオフガスをアノードに戻さない従来の場合よりも、アノードオフガスの分だけ、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスの流量を増やすことができる。
【０１６０】
そして、本実施の形態では、起動時の第１モード運転（起動工程）で、アノード１１Ａに供給される水素含有ガスの流量が従来よりも増えていることを考慮して、アノードオフガスをアノードに戻さない水素製造工程時（第２モード運転時）の電流値よりも大きい電流値の電流を流すことで、カソード１１Ｃで生成する水素量を増やすことができる。
【０１６１】
そして、カソード１１Ｃで生成する水素量が従来よりも増えることで、カソード１１Ｃに滞留した不純物を速やかに燃焼部１３Ｂに排出することが可能となるので、起動時にカソード１１Ｃから排出される水素の純度を高める時間を、従来よりも短縮することができる。
【０１６２】
また、本実施の形態の水素生成システム１０は、制御部１４が、第１モード運転（起動工程）中に、カソード１１Ｃで生成されるガス量が、カソード１１Ｃの容積以上になるまでは、第１モード運転（起動工程）から第２モード運転（水素製造工程）に移行せず、第１モード運転（起動工程）中に、カソード１１Ｃで生成されるガス量が、カソード１１Ｃの容積以上になると、第１モード運転（起動工程）から第２モード運転（水素製造工程）に移行することを特徴としている。
【０１６３】
これによって、起動時にカソード１１Ｃに残留していた不純物を含む水素含有ガスが確実に排出され、新たに生成された純度の高い水素に置き換わる。そして、カソード１１Ｃのパージが短時間で効率よく行われて、起動時に十分な純度に高められた水素を早く水素利用機器に供給することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６４】
本発明の水素生成システムとその運転方法は、高純度の水素を製造するまでに要する時間を短縮することができるので、原料ガスから水素含有ガスを生成する改質装置と、その水素含有ガスから、より純度の高い水素を生成する電気化学デバイスと、を備え、燃料電池車などの水素利用機器に水素を供給する水素供給システムの用途等に適用することができる。
【符号の説明】
【０１６５】
１０  水素生成システム
１１  電気化学デバイス
１１Ａ  アノード
１１Ａ１  アノード入口
１１Ａ２  アノード出口
１１Ｂ  電解質膜
１１Ｃ  カソード
１１Ｃ２  カソード出口
１２  電源
１３  改質装置
１３Ａ  改質部
１３Ｂ  燃焼部
１３Ｃ  改質装置温度検出器
１３Ｄ  改質水供給流路
１４  制御部
２１  原料ガス供給手段
２２  原料ガス供給流路
２３  水素含有ガス供給流路
２４  アノード循環流路
２５  アノードオフガス第１開閉弁
２６  アノードバイパス流路
２７  アノードオフガス第２開閉弁
２８  アノード循環ポンプ
２９  ガス排出流路
３０  排出ガス開閉弁
３１  カソード循環流路
３２  カソードオフガス開閉弁
３３  排気流路
【図１】
2020152617.tif 000005
【図２】
2020152617.tif 000006
【図３】
2020152617.tif 000007
【図４】
2020152617.tif 000008
【図５】
2020152617.tif 000009
【図６】
2020152617.tif 000010
【図７】
2020152617.tif 000011
【図８】
2020152617.tif 000012