(57)【要約】【課題】電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る水素システムを提供する。【解決手段】水素システムは、アノードでアノード流体から取り出されたプロトンが電解質膜を介して移動し、カソードで昇圧された水素が生成される電気化学式水素ポンプと、カソードから排出される水素と、カソードから排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する気液分離器と、気液分離器内の水を排出するための第１弁と、カソードで昇圧された水素の圧力が、電気化学式水素ポンプの昇圧上限値よりも小さい第１の圧力以下であるときに、第１弁を開放させる制御器と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードでアノード流体から取り出されたプロトンが電解質膜を介して移動し、カソードで昇圧された水素が生成される電気化学式水素ポンプと、
前記カソードから排出される水素と、前記排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する気液分離器と、
前記気液分離器内の水を排出するための第１弁と、
前記昇圧された水素の圧力が、前記電気化学式水素ポンプの昇圧上限値よりも小さい第１の圧力以下であるときに、前記第１弁を開放させる制御器と、を備える水素システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記カソードで生成される水素の前記電気化学式水素ポンプによる昇圧値が上昇しているとき、前記昇圧された水素の圧力が前記第１の圧力以下において少なくとも１度、前記第１弁を開放する請求項１に記載の水素システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記昇圧された水素の圧力が前記第１の圧力以下であるとき、前記気液分離器内の水位に依らず、前記第１弁を開放する請求項１または２に記載の水素システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記昇圧された水素の圧力が前記第１の圧力以下であり、かつ前記気液分離器内の水位が基準水位以上であるとき、前記第１弁を開放する請求項１または２に記載の水素システム。
【請求項５】
前記電気化学式水素ポンプのカソードから排出され、前記気液分離器に流入する水素が流れる流路に設けられた第２弁を備え、
前記制御器は、前記昇圧された水素の圧力が前記第１の圧力よりも大きく、かつ前記昇圧上限値以下である第２の圧力以上になると、前記第２弁を閉止させる請求項１から４のいずれか１項に記載の水素システム。
【請求項６】
前記気液分離器と水素利用機器との間の流路に設けられ、水素が同伴する水分を除去する吸着材を含む水分除去器を備える請求項１から５のいずれか１項に記載の水素システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は水素システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに、燃料電池の開発および普及が進んでいる。
【０００３】
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用し得る技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。
【０００４】
そこで、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、水の電気分解を行いながら、高圧状態の水素を生成する水電解装置が開示されている。
【０００６】
ここで、水の電気分解により生成された水素は水分を含む。よって、このような水素をタンクなどの水素貯蔵器に貯蔵する際に、仮に水素に含まれる水分が多い場合、水素貯蔵器内に水分の存在により水素貯蔵器内の水素量が減少するので効率的でない。また、水素に含まれる水分が水素貯蔵器内で凝固する問題もある。このため、水素貯蔵器に貯蔵する際の水素の水分量は、例えば、約５ｐｐｍ程度以下まで低減することが望まれている。
【０００７】
そこで、特許文献１では、水電解装置と水素貯蔵器との間の水素が流れる経路上に、水素と水とを分離するための気液分離器、および、水素から水分を吸着除去するための吸着塔が設けられた水素生成システムが提案されている。
【０００８】
また、水の電気分解により生成された高圧状態の水素と水とを分離するための気液分離器内の水には水素が溶存する。よって、この状態で気液分離器内の水を外部に排水すると、排水中の水素が外部に排出される。
【０００９】
そこで、特許文献２では、水の電気分解により生成された高圧状態の水素と水とを分離するための気液分離器に気相脱圧ラインが設けられたシステムが提案されている。これにより、気液分離器内の水を排水する前に、気液分離器の内圧を低下できるので排水中の水素量を低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−１７９８４２号公報
【特許文献２】特開２０１２−２１９２９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、従来例では、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率向上について十分に検討されていない。
【００１２】
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る水素システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の水素システムは、アノードでアノード流体から取り出されたプロトンが電解質膜を介して移動し、カソードで昇圧された水素が生成される電気化学式水素ポンプと、前記カソードから排出される水素と、前記排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する気液分離器と、前記気液分離器内の水を排出するための第１弁と、前記昇圧された水素の圧力が、前記電気化学式水素ポンプの昇圧上限値よりも小さい第１の圧力以下であるときに、前記第１弁を開放させる制御器と、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本開示の一態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１実施形態の水素システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１実施形態の水素システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【図４】図４は、第１実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第１実施形態の変形例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【図７】図７は、第２実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図８】図８は、第３実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
電気化学式水素ポンプのカソードから排出される水素と、この水素に同伴する水分とを気液分離器により分離する場合、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の進行に連れて、気液分離器内に存在する液体の水が増えるので、かかる水を適時に気液分離器外に排出する必要がある。ここで、気液分離器内の水には、水素が溶存しており、電気化学式水素ポンプのカソードで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器内に存在する水に溶けている水素の濃度が上昇する。
【００１７】
従って、気液分離器内の水中の溶存水素濃度が上昇した状態において、気液分離器内の水を外部に排出すると、気液分離器内がこのような状態に至っていないときに気液分離器内の水を外部に排出する場合に比べて、気液分離器外に排出される水素量が増える。その結果、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が低下する。
【００１８】
そこで、発明者らは、鋭意検討を行った結果、気液分離器に存在する水を外部に排出するタイミングを、気液分離器内の水中の溶存水素濃度を考慮して決定することで、気液分離器外に排出される水素を少なくすることができることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
【００１９】
すなわち、本開示の第１態様の水素システムは、アノードでアノード流体から取り出されたプロトンが電解質膜を介して移動し、カソードで昇圧された水素が生成される電気化学式水素ポンプと、カソードから排出される水素と、この排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する気液分離器と、気液分離器内の水を排出するための第１弁と、カソードで昇圧された水素の圧力が、電気化学式水素ポンプの昇圧上限値よりも小さい第１の圧力以下であるときに、第１弁を開放させる制御器と、を備える。
【００２０】
また、本開示の第２態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、制御器は、カソードで生成される水素の電気化学式水素ポンプによる昇圧値が上昇しているとき、カソードで昇圧された水素の圧力が第１の圧力以下において少なくとも１度、第１弁を開放してもよい。
【００２１】
以上の構成によると、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。
【００２２】
具体的には、電気化学式水素ポンプのカソードで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本態様の水素システムにおいては、カソードで昇圧された水素の圧力が第１の圧力以下である適時のタイミングで、気液分離器内の水を外部に排出するための第１弁を開放している。これにより、本態様の水素システムは、水素の圧力が第１の圧力を上回ったときに第１弁を開放する場合に比べて、気液分離器内の水を外部に排出する際の気液分離器内の水中の溶存水素濃度が低濃度であるので、気液分離器外に排出される水素を少なくすることができる。その結果、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が向上する。
【００２３】
また、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が第１の圧力に至る前に、気液分離器内に存在する水を適宜、外部に排出することにより、気液分離器内において、溶存水素濃度が上昇した状態の水の量を少なくすることができる。その結果、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が向上する。
【００２４】
本開示の第３態様の水素システムは、第１態様または第２態様の水素システムにおいて、制御器は、カソードで昇圧された水素の圧力が第１の圧力以下であるとき、気液分離器内の水位に依らず、上記の第１弁を開放してもよい。
【００２５】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が第１の圧力以下であるとき、気液分離器内の水位に依らずに、気液分離器内の水を排出するための第１弁を開放することで、気液分離器内の水位の上昇を待たずに、水素の圧力が高圧にならない段階で溶存水素濃度が低濃度の水を気液分離器外に排出することができる。
【００２６】
本開示の第４態様の水素システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、カソードで昇圧された水素の圧力が第１の圧力以下であり、かつ気液分離器内の水位が基準以上であるとき、上記の第１弁を開放してもよい。
【００２７】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が第１の圧力以下であり、かつ気液分離器内の水位が基準水位以上である適時のタイミングにおいて、気液分離器内の水を外部に排出することができる。
【００２８】
本開示の第５態様の水素システムは、第１態様から第４態様のいずれか一つの水素システムにおいて、電気化学式水素ポンプのカソードから排出され、気液分離器に流入する水素が流れる流路に設けられた第２弁を備え、制御器は、カソードで昇圧された水素の圧力が上記の第１の圧力よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプの昇圧上限値以下である第２の圧力以上になると、第２弁を閉止させてもよい。
【００２９】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。
【００３０】
具体的には、電気化学式水素ポンプのカソードで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本態様の水素システムは、カソードで昇圧された水素の圧力が上記の第１の圧力よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプの昇圧上限値以下である第２の圧力以上になると、気液分離器に流入する水素が流れる流路に設けられた第２弁を閉めることで、気液分離器内に存在する水に溶けている水素の増加を抑制することができる。その結果、本態様の水素システムは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率が向上する。
【００３１】
なお、ここで、カソードで昇圧された水素の圧力が上昇するとき、水素に含まれる水蒸気量が凝縮することで、カソードに水が発生する。そして、このようなカソードに存在する水の一部が、カソードおよびアノード間の差圧によって電解質膜を通じてカソードからアノードに押し戻される。その結果、カソードで昇圧された水素の圧力が高圧になる程、カソードから排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、カソードで昇圧された水素の圧力が第２の圧力以上である場合、カソードから排出される水素に含まれる水分量は微量であるので、カソードで昇圧された水素が気液分離器を経由しないように第２弁を閉止させても、かかる水素に含まれる水分を適切に処理することができる。
【００３２】
例えば、カソードで昇圧された水素に含まれる水分を、適宜の水分除去器の吸着材により吸着除去する場合であっても、吸着材の水分吸着性能の劣化を適切に軽減することができる。
【００３３】
すなわち、本開示の第６態様の水素システムは、第１態様から第５態様のいずれか一つの水素システムにおいて、気液分離器と水素利用機器との間の流路に設けられ、水素が同伴する水分を除去する吸着材を含む水分除去器を備えてもよい。
【００３４】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、気液分離器により分離できなかった水蒸気などの水素に含まれる水分を、水分除去器の吸着材により吸着除去することができる。これにより、適宜の水素利用機器に、ドライ状態の水素を供給することができる。
【００３５】
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
【００３６】
動作においては、必要に応じて、各工程の順序などを変更することができる。また、必要に応じて、他の公知の工程を追加することができる。
【００３７】
（第１実施形態）
［水素システムの構成］
図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【００３８】
図１に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、気液分離器１１０と、第１弁１２０と、制御器５０と、を備える。
【００３９】
電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮでアノード流体から取り出されたプロトン（Ｈ＋）が電解質膜１１を介して移動し、カソードＣＡで昇圧された水素（Ｈ２）が生成される装置である。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１１による電気化学式の昇圧器であれば、どのような構成であってもよい。
【００４０】
例えば、図１の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードＡＮに供給されるアノード流体が流通するアノード流体導入経路２９と、アノードＡＮから排出されるアノード流体が流通するアノード流体導出経路３１と、カソードＣＡから排出される水素が流通するカソードガス導出経路２６と、が設けられているが、このような電気化学式水素ポンプ１００の詳細な構成は後で説明する。
【００４１】
なお、アノード流体は、アノードＡＮ上の電気化学反応でプロトンが生成される流体であれば、どのような物質でも構わない。このようなアノード流体として、例えば、水、水素（Ｈ２）などを挙げることができる。
【００４２】
気液分離器１１０は、カソードＣＡから排出される水素と、カソードＣＡから排出される水素と同伴して排出される水分とを分離する装置である。気液分離器１１０は、このような水素と同伴して排出される水分を水素から分離することができれば、どのような構成であってもよい。なお、気液分離器１１０は、カソードガス導出経路２６上に設けられている。
【００４３】
第１弁１２０は、気液分離器１１０内の水を排出するための弁である。第１弁１２０は、気液分離器１１０内の水を排出することができれば、どのような構成であってもよい。第１弁１２０として、例えば、電磁弁などを挙げることができる。
【００４４】
本実施形態の水素システム２００では、気液分離器１１０は、図１に示すように、水素から分離された水を溜めるためのタンク１１０Ａを備える。そして、タンク１１０Ａの上壁には、水素流入口および水素流出口が設けられ、これらの水素流入口および水素流出口のそれぞれには、カソードガス導出経路２６を構成する配管がそれぞれ接続されている。また、タンク１１０Ａの下壁には、タンク１１０Ａ内の水を外部に排出するための排水配管が接続されており、この排水配管に、第１弁１２０が設けられている。
【００４５】
以上により、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素がタンク１１０Ａの内部を通過するとき、水素と水分とが分離する。水素から分離された水分は、タンク１１０Ａ内に溜まる。そして、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の進行に連れて、タンク１１０Ａ内に存在する液体の水が増えるので、かかる水分は、第１弁１２０を開閉することにより適時にタンク１１０Ａ外に排出される。なお、気液分離器１１０で水分が除去された水素は、タンク１１０Ａの上壁に設けられた水素流出口を通じてタンク１１０Ａ外に排出される。
【００４６】
制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬよりも小さい第１の圧力Ｐ１以下であるときに、気液分離器１１０内の水を排出するための第１弁１２０を開放する。
【００４７】
逆に、制御器５０は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが、この第１の圧力Ｐ１よりも大きいときは、第１弁１２０を開放しない。
【００４８】
なお、第１の圧力Ｐ１は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬよりも小さい圧力であれば、どのような圧力に設定されていてもよい。例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが高い程、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が上昇する。よって、第１の圧力Ｐ１は、例えば、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が許容値を超えない所定の圧力であってもよい。
【００４９】
一例として、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬが約４０Ｍｐａ程度、第１の圧力Ｐ１が約３０ＭＰａ程度であってもよい。なお、これらの圧力値は例示であって、本例に限定されない。
【００５０】
制御器５０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。制御器５０は、水素システム２００の全体の動作を制御してもよい。
【００５１】
［電気化学式水素ポンプの構成］
図２Ａおよび図３Ａは、第１実施形態の水素システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
【００５２】
なお、図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド２８の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図３Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノード流体導入マニホールド２７の中心と、アノード流体導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
【００５３】
図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１００Ａを備える。
【００５４】
なお、電気化学式水素ポンプ１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図２Ａおよび図３Ａでは、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
【００５５】
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノード流体拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。
【００５６】
アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層１３と、アノード流体拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
【００５７】
カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
【００５８】
以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。なお、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮの積層体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
【００５９】
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
【００６０】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００６１】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００６２】
カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００６３】
なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、水素イオン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
【００６４】
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。また、カソードガス拡散層１４は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。なお、カソードガス拡散層１４の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層１４の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体などを用いてもよい。
【００６５】
アノード流体拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。また、アノード流体拡散層１５は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノード流体拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。
【００６６】
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノード流体拡散層１５として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、アノード流体拡散層１５の基材として、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体を用いることができる。また、アノード流体拡散層１５の基材として、例えば、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることもできる。
【００６７】
アノードセパレーター１７は、アノードＡＮのアノード流体拡散層１５上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた部材である。
【００６８】
そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノード流体拡散層１５がそれぞれ収容されている。
【００６９】
このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。
【００７０】
カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００７１】
アノード流体拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノード流体流路３３が設けられている。そして、アノード流体流路３３の直線部分は、図３Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノード流体流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノード流体流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００７２】
また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。
【００７３】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。
【００７４】
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。
【００７５】
締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
【００７６】
例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
【００７７】
このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。
【００７８】
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の各部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。
【００７９】
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路３２が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路３２のそれぞれが連通する構成について説明する。
【００８０】
まず、図２Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド２８は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソードＣＡから排出される水素（Ｈ２）が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド２８と連通している。
【００８１】
さらに、カソードガス導出マニホールド２８は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過した水素が、カソードガス導出マニホールド２８で合流される。そして、合流された水素がカソードガス導出経路２６に導かれる。
【００８２】
このようにして、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド２８を介して連通している。
【００８３】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド２８を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド２８が、このシール部材４０で適切にシールされている。
【００８４】
図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノード流体導入経路２９が設けられている。アノード流体導入経路２９は、アノードＡＮに供給されるアノード流体が流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノード流体導入経路２９は、筒状のアノード流体導入マニホールド２７に連通している。なお、アノード流体導入マニホールド２７は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００８５】
また、アノード流体導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノード流体流路３３の一方の端部と、第１アノード流体通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノード流体導入経路２９からアノード流体導入マニホールド２７に供給されたアノード流体は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノード流体通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配されたアノード流体がアノード流体流路３３を通過する間に、アノード流体拡散層１５からアノード触媒層１３にアノード流体が供給される。
【００８６】
また、図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノード流体導出経路３１が設けられている。アノード流体導出経路３１は、アノードＡＮから排出されるアノード流体が流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノード流体導出経路３１は、筒状のアノード流体導出マニホールド３０に連通している。なお、アノード流体導出マニホールド３０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００８７】
また、アノード流体導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノード流体流路３３の他方の端部と、第２アノード流体通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノード流体流路３３を通過したアノード流体が、第２アノード流体通過経路３６のそれぞれを通じてアノード流体導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流されたアノード流体が、アノード流体導出経路３１に導かれる。
【００８８】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノード流体導入マニホールド２７およびアノード流体導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノード流体導入マニホールド２７およびアノード流体導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。
【００８９】
図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。
【００９０】
電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。
【００９１】
また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
【００９２】
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
【００９３】
ここで、図１、図２Ａおよび図３Ａには示されていないが、本実施形態の水素システム２００の電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。
【００９４】
例えば、水素システム２００には、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐを検出する圧力検出器などが設けられている。
【００９５】
また、水素システム２００には、アノード流体導入経路２９、アノード流体導出経路３１およびカソードガス導出経路２６の適所には、これらの経路を開閉するための弁などが設けられている。
【００９６】
また、水素システム２００には、気液分離器１１０内の水位Ｈを検出するための水位検出器などが設けられている。
【００９７】
なお、アノード流体が水素（Ｈ２）である場合、水素システム２００には、アノード流体導出経路３１を通じてアノードＡＮから排出される高加湿状態の水素（Ｈ２）と、アノード流体導入経路２９を通して外部の水素供給源から供給される低加湿状態の水素（Ｈ２）とが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器（例えば、加湿器）が設けられていてもよい。このとき、外部の水素供給源の水素は、例えば、水電解装置で生成されてもよい。
【００９８】
さらに、以上の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素システム２００の構成は例示であって、本例に限定されない。
【００９９】
例えば、アノード流体が水素（Ｈ２）である場合、電気化学式水素ポンプ１００は、アノード流体導出マニホールド３０およびアノード流体導出経路３１を設けずに、アノード流体導入マニホールド２７を通してアノードＡＮに供給する水素を全てカソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
【０１００】
また、アノード流体が水素（Ｈ２）である場合、アノード流体流路３３およびカソードガス流路３２には、水素（Ｈ２）が流れるが、水素濃度は、１００％でなくてもよい。水素が含まれる水素含有ガスが流れればよい。
【０１０１】
[動作]
図４は、第１実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【０１０２】
なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに、アノード流体として、水素（Ｈ２）が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１０３】
ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素が供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に印加されることで、水素システム２００の電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が開始される。なお、このとき、気液分離器１１０のタンク１１０Ａ内の水を排出するための第１弁１２０は閉止されている。
【０１０４】
具体的には、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素分子が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。
【０１０５】
そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
【０１０６】
このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素を昇圧することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図１および図２Ａのカソードガス導出経路２６を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
【０１０７】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００では、電圧印加器１０２で電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素がカソードＣＡにおいて昇圧される。
【０１０８】
そして、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素は、カソードガス導出経路２６を通じて気液分離器１１０に送られ、気液分離器１１０で、水素と同伴して排出される水分が分離される。すると、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の進行に連れて、気液分離器１１０内に存在する液体の水が増える。
【０１０９】
そこで、本実施形態の水素システム２００では、以下の如く、気液分離器１１０内に存在する水の排水動作が行われる。
【０１１０】
まず、ステップＳ２で、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが、第１の圧力Ｐ１以下であるか否かが判定される。ここで、ステップＳ２の水素の圧力Ｐは、水素システム２００の適所に設けられた圧力検出器（図示せず）により検出されている。また、ステップＳ２の第１の圧力Ｐ１は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬよりも小さい予め設定される所定の圧力である。上記のとおり、第１の圧力Ｐ１は、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が高くならない所定の圧力であってもよい。
【０１１１】
ステップＳ２で、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下である場合（Ｐ≦Ｐ１）、ステップＳ３で、第１弁１２０が開放される。これにより、気液分離器１１０のタンク１１０Ａ内の水が、タンク１１０Ａ外に排出される。その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１１２】
なお、ステップＳ３で第１弁１２０を開放した後、第１弁１２０は、適時に閉止される。このとき、第１弁１２０の開放時間は、気液分離器１１０内の水量、気液分離器１１０内の水素の圧力Ｐ、タンク１１０Ａの下壁に接続される排水配管の流路抵抗などをもとに適宜の時間に設定するとよい。
【０１１３】
一方、ステップＳ２で、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１よりも大きい場合（Ｐ＞Ｐ１）、第１弁１２０は開放されない。つまり、第１弁１２０の開閉状態は閉止のままである。
その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１１４】
以上のとおり、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。
【０１１５】
具体的には、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが高い程、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本実施形態の水素システム２００においては、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下である適時のタイミングで、気液分離器１１０内の水を外部に排出するための第１弁１２０を開放している。これにより、本実施形態の水素システム２００は、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１を上回ったときに第１弁１２０を開放する場合に比べて、気液分離器１１０内の水を外部に排出する際の気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が低濃度であるので、気液分離器１１０外に排出される水素を少なくすることができる。その結果、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時の効率が向上する。
【０１１６】
また、本実施形態の水素システム２００は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１に至る前に、気液分離器１１０内に存在する水を適宜、外部に排出することにより、気液分離器１１０内において、溶存水素濃度が上昇した状態の水の量を少なくすることができる。その結果、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時の効率が向上する。
【０１１７】
（第１実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。
【０１１８】
制御器５０は、カソードＣＡで生成される水素の電気化学式水素ポンプ１００による昇圧値が上昇しているとき、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下において少なくとも１度、第１弁１２０を開放する。例えば、カソードＣＡで生成される水素の電気化学式水素ポンプ１００による昇圧値が上昇しているとき、図４のステップＳ１からステップＳ３に至る動作が、１回だけ行われてもよいし、適宜の時間間隔毎に複数回、行われてもよい。つまり、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下において、図４のステップＳ３で、少なくとも１度、第１弁１２０が開放される。
【０１１９】
なお、本実施例の水素システム２００が奏する作用効果は、第１実施形態の水素システム２００が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
【０１２０】
本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様であってもよい。
【０１２１】
（第２実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。
【０１２２】
制御器５０は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下であるとき、気液分離器１１０内の水位Ｈに依らず、第１弁１２０を開放する。例えば、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下であるとき、図４のステップＳ３で、気液分離器１１０内の水位Ｈに依らず、第１弁１２０が開放される。
【０１２３】
以上により、本実施例の水素システム２００は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下であるとき、気液分離器１１０内の水位Ｈに依らずに、気液分離器１１０内の水を排出するための第１弁１２０を開放することで、気液分離器１１０内の水位Ｈの上昇を待たずに、水素の圧力Ｐが高圧にならない段階で溶存水素濃度が低濃度の水を気液分離器１１０外に排出することができる。
【０１２４】
本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例の水素システム２００と同様であってもよい。
【０１２５】
（変形例）
本変形例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。
【０１２６】
制御器５０は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下であり、かつ気液分離器１１０内の水位Ｈが、基準水位として設定される第１の水位Ｈ１以上であるとき、気液分離器１１０内の水を排出するための第１弁１２０を開放する。
【０１２７】
図５は、第１実施形態の変形例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに、アノード流体として、水素（Ｈ２）が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１２８】
図５のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ３はそれぞれ、図４のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ３のそれぞれと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０１２９】
ステップＳ２で、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下である場合（Ｐ≦Ｐ１）、次の判定ステップＳ４に進み、ステップＳ４で、気液分離器１１０内の水位Ｈが、第１の水位Ｈ１以上であるか否かが判定される。
【０１３０】
ステップＳ４で、気液分離器１１０内の水位Ｈが、第１の水位Ｈ１以上である場合（Ｈ≧Ｈ１）、ステップＳ３で、気液分離器１１０内の水を排出するための第１弁１２０が開放される。これにより、気液分離器１１０のタンク１１０Ａ内の水が、タンク１１０Ａ外に排出される。その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１３１】
一方、ステップＳ４で、気液分離器１１０内の水位Ｈが、第１の水位Ｈ１未満の場合（Ｈ＜Ｈ１）、第１弁１２０は開放されない。つまり、第１弁１２０の開閉状態は閉止のままである。その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１３２】
但し、本動作は例示であって、本例に限定されない。気液分離器１１０内の水位Ｈが、第１の水位Ｈ１未満（Ｈ＜Ｈ１）でも、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下である場合（Ｐ≦Ｐ１）は、第１弁１２０を開放しても構わない。
【０１３３】
なお、ここで、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１よりも大きい場合（Ｐ＞Ｐ１）は、気液分離器１１０内の水位Ｈが、第１の水位Ｈ１以上であっても、第１弁１２０は開放されない。
【０１３４】
また、図５には示されていないが、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１よりも大きい場合（Ｐ＞Ｐ１）において、気液分離器１１０内の水位Ｈが第１の水位Ｈ１以上になると、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作を停止させてもよい。電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作を停止させるための基準水位は、第１の水位Ｈ１よりも大きい第２の水位Ｈ２であってもよい。
【０１３５】
以上により、本変形例の水素システム２００は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下であり、かつ気液分離器１１０内の水位Ｈが第１の水位Ｈ１以上である適時のタイミングにおいて、気液分離器１１０内の水を外部に排出することができる。
【０１３６】
本変形例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例の水素システム２００と同様であってもよい。
【０１３７】
（第２実施形態）
［装置構成］
図６は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１３８】
図６に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、気液分離器１１０と、第１弁１２０と、第２弁１３０と、バイパス弁１４０と、制御器５０と、を備える。
【０１３９】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、気液分離器１１０および第１弁１２０は、第１実施形態の水素システム２００と同様であるので説明を省略する。
【０１４０】
第２弁１３０は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出され、気液分離器１１０に流入する水素が流れる流路に設けられた弁である。第２弁１３０は、気液分離器１１０に流入する水素が流れる流路を開閉できれば、どのような構成であってもよい。
【０１４１】
例えば、図１に示された水素システム２００では、カソードガス導出経路２６は、カソードＣＡから気液分離器１１０のタンク１１０Ａの上壁に設けられた水素流入口に延伸する上流経路２６Ａと、気液分離器１１０のタンク１１０Ａの上壁に設けられた水素流出口から外部に延伸する下流経路２６Ｂと、上流経路２６Ａと下流経路２６Ｂとに接続するとともに、気液分離器１１０をバイパスするバイパス経路２６Ｃとを備える。
【０１４２】
そして、第２弁１３０は、バイパス経路２６Ｃと上流経路２６Ａとの接続箇所よりも下流の上流経路２６Ａに設けられた弁１３０Ａと、バイパス経路２６Ｃと下流経路２６Ｂとの接続箇所よりも上流の下流経路２６Ｂに設けられた弁１３０Ｂとを備える。そして、バイパス経路２６Ｃには、バイパス弁１４０が設けられている。
【０１４３】
なお、弁１３０Ａ、弁１３０Ｂおよびバイパス弁１４０として、例えば、電磁弁などを挙げることができる。
【０１４４】
制御器５０は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが、第１の圧力Ｐ１よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬ以下である第２の圧力Ｐ２以上になると、第２弁１３０を閉止させる。例えば、図６に示す例では、第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂが閉止される。このとき、バイパス弁１４０が開放される。これにより、カソードＣＡから排出された水素は、気液分離器１１０を経由せずに、上流経路２６Ａから下流経路２６Ｂに送られる。
【０１４５】
逆に、制御器５０は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが、第２の圧力Ｐ２未満の場合、第２弁１３０を開放させる。例えば、図６に示す例では、第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂが開放される。このとき、バイパス弁１４０が閉止される。これにより、カソードＣＡから排出された水素は、気液分離器１１０のタンク１１０Ａ内を通過する。よって、気液分離器１１０で、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素と、水素と同伴して排出される水分とが分離する。
【０１４６】
なお、第２の圧力Ｐ２は、第１の圧力Ｐ１よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬよりも小さい圧力であれば、どのような圧力に設定されていてもよい。例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが高い程、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が上昇する。よって、第２の圧力Ｐ２は、例えば、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が許容値を超えない所定の圧力であってもよい。
【０１４７】
一例として、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬが約４０Ｍｐａ程度、第１の圧力Ｐ１が約３０ＭＰａ程度、第２の圧力Ｐ２が約３５ＭＰａ程度であってもよい。なお、これらの圧力値は例示であって、本例に限定されない。例えば、ここでは、第２の圧力Ｐ２は、第１の圧力Ｐ１よりも大きい値に設定されているが、両者が同じ圧力であってもよい。
【０１４８】
［動作］
図７は、第２実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに、アノード流体として、水素（Ｈ２）が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１４９】
図７のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ３はそれぞれ、図４のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ３のそれぞれと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０１５０】
水素システム２００の電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が開始されるとき、気液分離器１１０のタンク１１０Ａ内の水を排出するための第１弁１２０は閉止されている。また、気液分離器１１０に流入する水素が流れる流路に設けられた第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂは開放されている。さらに、バイパス弁１４０は閉止されている。
【０１５１】
ステップＳ２で、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１よりも大きい場合（Ｐ＞Ｐ１）、次の判定ステップＳ５に進み、ステップＳ５で、水素の圧力Ｐが、第２の圧力Ｐ２以上であるか否かが判定される。ここで、ステップＳ５の水素の圧力Ｐは、水素システム２００の適所に設けられた圧力検出器（図示せず）により検出されている。また、ステップＳ５の第２の圧力Ｐ２は、第１の圧力Ｐ１よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬよりも小さい予め設定される所定の圧力である。上記のとおり、第２の圧力Ｐ２は、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が過剰に高くならない所定の圧力であってもよい。
【０１５２】
ステップＳ５で、水素の圧力Ｐが第２の圧力Ｐ２以上である場合（Ｐ≧Ｐ２）、第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂが閉止される。なお、このとき、バイパス弁１４０が開放される。これにより、カソードＣＡから排出された水素は、気液分離器１１０を経由せずに、カソードガス導出経路２６の下流経路２６Ｂに供給される。その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１５３】
一方、ステップＳ５で、水素の圧力Ｐが第２の圧力Ｐ２よりも小さい場合（Ｐ＜Ｐ２）、第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂは閉止されない。つまり、第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂの開閉状態は開放のままである。なお、このとき、バイパス弁１４０の開閉状態は閉止のままである。これにより、気液分離器１１０で、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素と、水素と同伴して排出される水分とが分離する。その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１５４】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る。
【０１５５】
具体的には、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧された水素の圧力が高い程、気液分離器１１０内の水中の溶存水素濃度が上昇する。そこで、本実施形態の水素システム２００は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが、第１の圧力Ｐ１よりも大きく、かつ電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬ以下である第２の圧力Ｐ２以上になると、気液分離器１１０に流入する水素が流れる流路に設けられた第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂを閉めることで、気液分離器１１０内に存在する水に溶けている水素の増加を抑制することができる。その結果、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時の効率が向上する。
【０１５６】
なお、ここで、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが上昇するとき、水素に含まれる水蒸気量が凝縮することで、カソードに水が発生する。そして、カソードＣＡに存在する水の一部は、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を通じてカソードＣＡからアノードＡＮに押し戻される。その結果、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが高圧になる程、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第２の圧力Ｐ２以上である場合、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素に含まれる水分量が微量であるので、カソードＣＡで昇圧された水素が気液分離器１１０を経由しないように第２弁１３０の弁１３０Ａ、１３０Ｂを閉止させても、かかる水素に含まれる水分を適切に処理することができる。
【０１５７】
例えば、カソードＣＡで昇圧された水素に含まれる水分を、適宜の水分除去器の吸着材により吸着除去する場合であっても、吸着材の水分吸着性能の劣化を適切に軽減することができる。なお、このような水分除去器の詳細は第４実施形態で説明する。
【０１５８】
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例および第１実施形態の変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１５９】
（第３実施形態）
本実施形態の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。
【０１６０】
制御器５０は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下、かつ第３の圧力Ｐ３以上であるとき、気液分離器１１０内の水を排出するための第１弁１２０を開放する。
【０１６１】
なお、第３の圧力Ｐ３は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬよりも小さい第１の圧力Ｐ１未満の圧力であれば、どのような圧力に設定されていてもよい。例えば、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが上昇するとき、水素に含まれる水蒸気量が凝縮することで、カソードＣＡに水が発生する。そして、カソードＣＡに存在する水の一部は、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を通じてカソードＣＡからアノードＡＮに押し戻される。その結果、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが高圧になる程、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、第３の圧力Ｐ３は、例えば、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素に含まれる水分が少なくなる所定の圧力であってもよい。
【０１６２】
一例として、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧上限値ＰＬが約４０Ｍｐａ程度、第１の圧力Ｐ１が約３０ＭＰａ程度、第３の圧力Ｐ３が約１０ＭＰａ程度であってもよい。なお、これらの圧力値は例示であって、本例に限定されない。例えば、第３の圧力Ｐ３は、電解質膜１１の特性などに基づいて適宜の値に設定するとよい。
【０１６３】
図８は、第３実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作では、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに、アノード流体として、水素（Ｈ２）が供給されている。また、以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
【０１６４】
図８のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ３はそれぞれ、図４のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ３のそれぞれと同様であるので、詳細な説明を省略する。
【０１６５】
ステップＳ２で、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下である場合（Ｐ≦Ｐ１）、次の判定ステップＳ７に進み、ステップＳ７で、水素の圧力Ｐが第３の圧力Ｐ３以上であるか否かが判定される。
【０１６６】
ステップＳ７で、水素の圧力Ｐが第３の圧力Ｐ３以上である場合（Ｐ≧Ｐ３）、ステップＳ３で、気液分離器１１０内の水を排出するための第１弁１２０が開放される。これにより、気液分離器１１０のタンク１１０Ａ内の水が、タンク１１０Ａ外に排出される。その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１６７】
一方、ステップＳ７で、水素の圧力Ｐが第３の圧力Ｐ３未満である場合（Ｐ＜Ｐ３）、第１弁１２０は開放されない。つまり、第１弁１２０の開閉状態は閉止のままである。その後、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が継続される。
【０１６８】
但し、本動作は例示であって、本例に限定されない。水素の圧力Ｐが第３の圧力Ｐ３未満（Ｐ＜Ｐ３）でも、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下である場合（Ｐ≦Ｐ１）は、例えば、気液分離器１１０内の水位が高くなると、第１弁１２０を開放しても構わない。
【０１６９】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１以下、かつ第３の圧力Ｐ３以上の適時のタイミングにおいて、気液分離器１１０内の水を外部に排出することができる。
【０１７０】
具体的には、カソードＣＡで昇圧された水素の圧力Ｐが第３の圧力Ｐ３以上において、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６に排出される水素に含まれる水分が少なくなる。よって、カソードＣＡで生成される水素の電気化学式水素ポンプ１００による昇圧値が上昇しているとき、水素の圧力Ｐが第３の圧力Ｐ３になるタイミングと、水素の圧力Ｐが第１の圧力Ｐ１になるタイミングとの間の時間内において、気液分離器１１０内に溜まった水を一旦、外部に排水すると、気液分離器１１０内に溶存水素濃度が高濃度の水が溜まりにくくなる。
【０１７１】
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第１実施形態の変形例および第２実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１７２】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１７３】
図９に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、気液分離器１１０と、第１弁１２０と、水分除去器１５０と、制御器５０と、を備える。
【０１７４】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、気液分離器１１０、第１弁１２０および制御器５０は、第１実施形態の水素システム２００と同様であるので説明を省略する。
【０１７５】
水分除去器１５０は、気液分離器１１０と水素利用機器（図示せず）との間の流路に設けられ、水素が同伴する水分を除去する吸着材を含む装置である。具体的には、水分除去器１５０は、気液分離器１１０のタンク１１０Ａの上壁に設けられた水素流出口から水素利用機器に延伸するカソードガス導出経路２６に設けられている。
【０１７６】
上記の水素利用機器は、水素を利用するための機器であれば、どのような装置であってもよい。水素利用機器として、例えば、水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
【０１７７】
また、上記の水分除去器１５０の吸着材は、水素中の水蒸気などの水分を吸着除去する材料であれば、どのような材料で構成されていてもよい。吸着材の材料として、例えば、ゼオライト、シリカゲルなどの多孔質材料を挙げることができる。なお、このような吸着材が乾燥している間は水分の吸着が行われるが、やがて、吸着材の水分吸着性能が、水分が吸着することで低下するので、吸着材の交換または再生が必要となる。
【０１７８】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、気液分離器１１０により分離できなかった水蒸気などの水素に含まれる水分を、水分除去器１５０の吸着材により吸着除去することができる。これにより、上記の水素利用機器に、ドライ状態の水素を供給することができる。
【０１７９】
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態および第３実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１８０】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
【０１８１】
また、上記の説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その動作条件、組成、構造および／または機能を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１８２】
本開示の一態様は、例えば、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作時の効率を従来よりも向上し得る水素システムに利用することができる。
【符号の説明】
【０１８３】
１１      ：電解質膜
１２      ：カソード触媒層
１３      ：アノード触媒層
１４      ：カソードガス拡散層
１５      ：アノード流体拡散層
１６      ：カソードセパレーター
１７      ：アノードセパレーター
２１      ：絶縁体
２２Ａ    ：アノード給電板
２２Ｃ    ：カソード給電板
２３Ａ    ：アノード絶縁板
２３Ｃ    ：カソード絶縁板
２４Ａ    ：アノード端板
２４Ｃ    ：カソード端板
２５      ：締結器
２６      ：カソードガス導出経路
２６Ａ    ：上流経路
２６Ｂ    ：下流経路
２６Ｃ    ：バイパス経路
２７      ：アノード流体導入マニホールド
２８      ：カソードガス導出マニホールド
２９      ：アノード流体導入経路
３０      ：アノード流体導出マニホールド
３１      ：アノード流体導出経路
３２      ：カソードガス流路
３３      ：アノード流体流路
３４      ：カソードガス通過経路
３５      ：第１アノード流体通過経路
３６      ：第２アノード流体通過経路
４０      ：シール部材
４２      ：シール部材
４３      ：シール部材
５０      ：制御器
１００    ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ  ：水素ポンプユニット
１０２    ：電圧印加器
１１０    ：気液分離器
１１０Ａ  ：タンク
１２０    ：第１弁
１３０    ：第２弁
１３０Ａ  ：弁
１３０Ｂ  ：弁
１４０    ：バイパス弁
１５０    ：水分除去器
２００    ：水素システム
ＡＮ      ：アノード
ＣＡ      ：カソード
【図１】
2020037724.tif 000003
【図２Ａ】
2020037724.tif 000004
【図２Ｂ】
2020037724.tif 000005
【図３Ａ】
2020037724.tif 000006
【図３Ｂ】
2020037724.tif 000007
【図４】
2020037724.tif 000008
【図５】
2020037724.tif 000009
【図６】
2020037724.tif 000010
【図７】
2020037724.tif 000011
【図８】
2020037724.tif 000012
【図９】
2020037724.tif 000013