(57)【要約】【課題】高純度の水素を安定して生成する水素生成システムを提供する。【解決手段】ガス供給手段７が第１電極１４に水素含有ガスを供給し電源４が電流を流しているときに、第１電極１４から排出された水素含有ガスがアノード１０に供給され、アノード１０から排出される水素含有オフガスが第２電極１５を経由して排出されるように構成された水素生成システム１であって、ガス供給手段７からの水素含有ガスの供給量を基に算出した電流値の電流を電気化学デバイス２に流して、第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測し、その測定値Ｖが所定条件を満たさない場合は、電流の電流値を測定値Ｖに基づいて変更（補正）することにより、高純度の水素を安定して生成することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給するとともに、前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに電流を流すことで、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、
第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、
前記第１電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第１電極と前記第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、
制御器と、を備え、
前記ガス供給手段が前記第１電極に水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流しているときに、前記第１電極から排出された水素含有ガスが前記アノードに供給され、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有オフガスが前記第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段に供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記電圧計により計測される電圧値が第１所定値を超える場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を小さくしてから、前記電圧計による前記電圧の計測をやり直す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】
前記制御器は、前記電圧計により計測される電圧値が所定上限値を超える場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を小さくしてから、前記電圧計による前記電圧の計測をやり直し、前記電圧計により計測される電圧値が所定下限値未満の場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を大きくしてから、前記電圧計による前記電圧の計測をやり直す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４】
前記制御器は、前記電圧計により計測される電圧値が第２所定値を超えた場合は、異常を報知する、又は運転を停止する、もしくは前記ガス供給手段から供給される水素含有ガス量を増加させ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５】
第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給するとともに、前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに電流を流すことで、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、
第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、
前記アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第１電極に空気を供給する空気供給手段と、
前記第１電極と前記第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、
制御器と、を備え、
前記ガス供給手段が前記アノードに水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流して
いるときに、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有ガスが前記第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、
前記制御器は、前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段と前記空気供給手段とに供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システム。
【請求項６】
前記制御器は、前記電圧計により計測される電圧値が第１所定値を超える場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を小さくしてから、前記電圧計による前記電圧の計測をやり直すことを特徴とする請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項７】
前記制御器は、前記電圧計により計測される電圧値が所定上限値を超える場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を小さくしてから、前記電圧計による前記電圧の計測をやり直し、前記電圧計により計測される電圧値が所定下限値未満の場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を大きくしてから、前記電圧計による前記電圧の計測をやり直すことを特徴とする請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記電圧計により計測される電圧値が第２所定値を超えた場合は、異常を報知する、又は運転を停止する、もしくは前記ガス供給手段から供給される水素含有ガス量を増加させることを特徴とする請求項５に記載の水素生成システム。
【請求項９】
第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給するとともに、前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに電流を流すことで、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、
第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、
前記第１電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第１電極と前記第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、を備え、
前記ガス供給手段が前記第１電極に水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流しているときに、前記第１電極から排出された水素含有ガスが前記アノードに供給され、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有オフガスが前記第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、
前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段に供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムの運転方法。
【請求項１０】
第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給するとともに、前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに電流を流すことで、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、
第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気
化学センサーと、
前記アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
前記第１電極に空気を供給する空気供給手段と、
前記第１電極と前記第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、
前記電流を流す電源と、を備え、
前記ガス供給手段が前記アノードに水素含有ガスを供給し前記電源が前記電流を流しているときに、前記アノードに供給された水素含有ガスのうちで前記アノードから前記第１電解質膜を介して前記カソードに透過せずに前記アノードから排出される水素含有ガスが前記第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、
前記電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、前記ガス供給手段と前記空気供給手段とに供給動作をさせた後に、前記ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の前記電流を前記電源に流させるとともに、前記電圧計により前記電圧を計測し、前記電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、前記電源が流す前記電流の電流値を前記電圧値に基づいて変更する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】
この種の水素生成システムは、プロトン透過性の電解質膜がアノードとカソードの間に配置された電解質膜−電極接合体を有する電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、高純度の水素を生成するシステムである。
【０００３】
電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給し、アノード側がカソード側よりも高電位になるようにして、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すと、アノードでは、（化１）に示す水素がプロトン（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）に示すプロトン（Ｈ＋）と電子から水素が生成する還元反応が起こる。
【０００４】
【化１】
2020117412.tif 000003
【０００５】
【化２】
2020117412.tif 000004
以上の反応により、アノードに供給された水素含有ガスから、カソードで水素を生成させることができる。
【０００６】
ここで、アノードとカソードとの間に流す電流値を大きくすると、カソードで生成される水素量が多くなり、逆に、アノードとカソードとの間に流す電流値を小さくすると、カソードで生成される水素量は少なくなる。
【０００７】
上記水素生成システムに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料処理器によって炭化水素系の燃料、例えば１３Ａガスやプロパンガス等を水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質することにより生成される。ここで生成された水素含有ガスには、窒素や一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニアなどの不純物が含まれており、水素純度が低い。
【０００８】
例えば、特許文献１では、純度の低い水素含有ガスを電気化学デバイスのアノードに供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の直流電流を流すことで、水素導出口から純度の高い水素を導出する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開昭６０−３６３０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記従来の構成では、要求される水素量に基づいて通電する電流値を決定していない。このため、電気化学デバイスに流す電流値が供給する水素含有ガスに含まれる水素量より小さい場合は、アノードから水素を含むガスが無駄に排出されるという課
題を有していた。
【００１１】
また、電気化学デバイスに流す電流値が供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して大きい場合は、アノードでは（化１）の反応式で示す水素が欠乏した状態となるので、水素の欠乏を補うため、（化３）の反応式に示す反応が起きる。
【００１２】
【化３】
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（化３）において、Ｃはアノード触媒を構成するカーボンである。このため、アノード触媒の劣化が進行し、耐久性が低下するという課題を有していた。
【００１３】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、水素欠乏によるアノードの触媒劣化を抑制し、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を安定して生成することが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】
【００１４】
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、第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードから第１電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、第１電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第１電極と第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段が第１電極に水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、第１電極から排出された水素含有ガスがアノードに供給され、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第１電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有オフガスが第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器が、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段に供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更するように構成されているものである。
【００１５】
これによって、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対し、電気化学デバイスに流す電流の電流量（電流値）を高精度で決定（補正）するので、高純度の水素を高効率で生成することができるとともに、アノードの触媒の劣化が抑制され、耐久性を向上させることができる。
【００１６】
これは以下のように説明できる。電気化学センサーの第１電極には、水素含有ガスが供給され、電気化学センサーの第２電極には電気化学デバイスからの水素含有オフガスが供給される。電気化学センサーの第１電極と第２電極との間の電圧は、電極間の水素分圧の違いにより発生し、（数１）に示すネルンスト式により求めることができる。
【００１７】
【数１】
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（数１）において、Ｖは電気化学センサーの第１電極と第２電極との間の電圧、Ｒは気
体定数、Ｔは電気化学センサーの絶対温度、Ｆはファラデー定数、ＰＨ２（２）は第２電極の水素分圧、ＰＨ２（１）は第１電極の水素分圧である。
【００１８】
よって、水素含有オフガスに含まれる水素濃度が変化すれば、電気化学センサーの第１電極と第２電極との間の電圧が変化する。この電圧の変化を検知し電気化学デバイスに流す電流の電流値を決定（補正）することにより、水素含有オフガスに含まれる水素濃度を制御することで、高純度の水素を高効率で生成することができるとともに、アノード触媒の劣化を抑制し、耐久性を向上させることができる。
【００１９】
また、別の本発明の水素生成システムは、第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードから第１電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第１電極に空気を供給する空気供給手段と、第１電極と第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段がアノードに水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、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第１電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有ガスが第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器が、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段と空気供給手段とに供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更するように構成されているものである。
【００２０】
これによって、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を、酸化剤ガスを用いることでより高精度で決定（補正）するので、高純度の水素を高効率で生成することができるとともに、耐久性をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の水素生成システムは、電気化学デバイスに流す電流の電流値を、電圧計により計測された電気化学センサーの電圧により決定（補正）するので、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を安定して生成することができる。
【００２２】
また、本発明の水素生成システムは、電気化学デバイスに流す電流の電流値を、電圧計により計測された電気化学センサーの電圧により決定（補正）するので、水素欠乏によるアノードの触媒劣化を抑制できる。これにより、耐久性が高く、メンテナンス頻度の少な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】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１、２及び３における水素生成システムの概略構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１における水素生成システムの制御処理を示すフローチャート
【図３】本発明の実施の形態２における水素生成システムの制御処理を示すフローチャート
【図４】本発明の実施の形態３における水素生成システムの制御処理を示すフローチャート
【図５】本発明の実施の形態４、５及び６における水素生成システムの概略構成を示すブロック図
【図６】本発明の実施の形態４における水素生成システムの制御処理を示すフローチャート
【図７】本発明の実施の形態５における水素生成システムの制御処理を示すフローチャート
【図８】本発明の実施の形態６における水素生成システムの制御処理を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の本発明は、第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードから第１電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、第１電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第１電極と第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段が第１電極に水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、第１電極から排出された水素含有ガスがアノードに供給され、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第１電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有オフガスが第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器が、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段に供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムである。
【００２５】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を高精度で決定（補正）するので、高純度の水素を高効率で生成することができる。
【００２６】
第２の本発明は、特に、第１の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第１所定値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直すことを特徴とする水素生成システムである。
【００２７】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイスに流す電流が過大にならないため、水素欠乏の発生を抑制することができる。このため、アノードの触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システムとすることができる。
【００２８】
第３の本発明は、特に、第１の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が所定上限値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直し、電圧計により計測される電圧値が所定下限値未満の場合は、電源が流す電流の電流値を大きくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直すことを特徴とする水素生成システムである。
【００２９】
これにより、電気化学デバイスに供給する水素含有ガスの含まれる水素量に基づいて算出された電流値をより高精度に補正することができるので、信頼性の高い水素生成システムとすることができる。
【００３０】
第４の本発明は、特に、第１の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第２所定値を超えた場合は、異常を報知する、又は運転を停止する、もしくはガス供
給手段から供給される水素含有ガス量を増加させることを特徴とする水素生成システムである。
【００３１】
これにより、異常が発生した場合には、安全に停止することができる、もしくはガス供給手段からの水素含有ガス供給量を増やすことで異常状態から正常状態に移行することがき、より信頼性の高い水素生成システムとすることができる。
【００３２】
第５の本発明は、第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードから第１電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第１電極に空気を供給する空気供給手段と、第１電極と第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、制御器と、を備え、ガス供給手段がアノードに水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、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第１電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有ガスが第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムであって、制御器は、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段と空気供給手段とに供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムである。
【００３３】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を、酸化剤ガスを用いることでより高精度で決定（補正）するので、高純度の水素を高効率で生成することができる。
【００３４】
第６の本発明は、特に、第５の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第１所定値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直すことを特徴とする水素生成システムである。
【００３５】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイスに流す電流が過大にならないため、水素欠乏の発生を抑制することができる。そのため、アノードの触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システムとすることができる。
【００３６】
第７の本発明は、特に、第５の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が所定上限値を超える場合は、電源が流す電流の電流値を小さくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直し、電圧計により計測される電圧値が所定下限値未満の場合は、電源が流す電流の電流値を大きくしてから、電圧計による電圧の計測をやり直す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、電気化学デバイスに供給する水素含有ガスの含まれる水素量に基づいて算出された電流値をより高精度に補正することができるので、より信頼性の高い水素生成システムとすることができる。
【００３８】
第８の本発明は、特に、第５の本発明における制御器が、電圧計により計測される電圧値が第２所定値を超えた場合は、異常を報知する、又は運転を停止する、もしくはガス供給手段から供給される水素含有ガス量を増加させる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、異常が発生した場合には、安全に停止することができる、もしくはガス供給手段からの水素含有ガス供給量を増やすことで異常状態から正常状態に移行することがき、信頼性の高い水素生成システムとすることができる。
【００４０】
第９の本発明は、第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードから第１電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、第１電極に水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第１電極と第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、を備え、ガス供給手段が第１電極に水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、第１電極から排出された水素含有ガスがアノードに供給され、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第１電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有オフガスが第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段に供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムの運転方法である。
【００４１】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を高精度で決定（補正）する運転方法となるので、高純度の水素を高効率で生成することができる。
【００４２】
第１０の本発明は、第１電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ第１電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給するとともに、アノードから第１電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する電気化学デバイスと、第２電解質膜を第１電極と第２電極とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体を有する電気化学センサーと、アノードに水素含有ガスを供給するガス供給手段と、第１電極に空気を供給する空気供給手段と、第１電極と第２電極との間の電圧を計測する電圧計と、電流を流す電源と、を備え、ガス供給手段がアノードに水素含有ガスを供給し電源が電流を流しているときに、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第１電解質膜を介してカソードに透過せずにアノードから排出される水素含有ガスが第２電極を経由して排出されるように構成された水素生成システムの運転方法であって、電気化学デバイスを用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段と空気供給手段とに供給動作をさせた後に、ガス供給手段から供給される水素含有ガスの流量を基に算出される電流値の電流を電源に流させるとともに、電圧計により電圧を計測し、電圧計により計測された電圧値が所定条件を満たさない場合は、電源が流す電流の電流値を電圧値に基づいて変更することを特徴とする水素生成システムの運転方法である。
【００４３】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイスに流す電流の電流値を、酸化剤ガスを用いることでより高精度で決定（補正）する運転方法となるので、高純度の水素を高効率で生成することができる。
【００４４】
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。
【００４５】
（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構成を示すブロック図
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制御処理を示すフローチャートである。
【００４６】
図１に示すように、本実施の形態の水素生成システム１は、電気化学デバイス２と、電気化学センサー３と、ガス供給手段７と、電圧計６と、電源４と、制御器５とで構成されている。
【００４７】
電気化学デバイス２は、第１電解質膜８をアノード１０とカソード１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体９を有する。
【００４８】
第１電解質膜８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である。
【００４９】
アノード１０とカソード１１は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第１電解質膜８の両主面に塗布形成したものである。
【００５０】
電源４は、アノード１０に水素含有ガスが供給されているときに、アノード１０において酸化反応が起こり、酸化反応で発生したプロトンが第１電解質膜８を透過してカソード１１に移動し、カソード１１において、還元反応が起こって、水素が生成されるように、アノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に電流を流すための直流電源であり、電源４のプラス端子がアノード１０に電気的に接続され、電源４のマイナス端子がカソード１１に電気的に接続されている。
【００５１】
電気化学センサー３は、第２電解質膜１２を第１電極１４と第２電極１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１３を有する。
【００５２】
第２電解質膜１２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である。
【００５３】
第１電極１４と第２電極１５は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第２電解質膜１２の両主面に塗布形成したものである。
【００５４】
ガス供給手段７は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素含有ガスを生成する燃料改質器であり、水素の含有比率が８０％で二酸化炭素の含有比率が２０％の水素含有ガスを、水素含有ガス供給一次配管１６、第１電極１４、水素含有ガス供給二次配管１７を経由させて、アノード１０に供給する。なお、含有比率の数値は、水素含有ガスに含まれる水蒸気を考慮していない数値である。
【００５５】
アノード１０に供給された水素含有ガスのうちでカソード１１に移動（透過）せずにアノード１０から排出される水素含有オフガスは、水素含有オフガス配管１８、第２電極１５、水素含有オフガス排出配管２０を経由して排出される。
【００５６】
電圧計６は、電気化学センサー３の第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測する。
【００５７】
ガス供給手段７と、電気化学センサー３の第１電極１４とは、水素含有ガスを供給するための水素含有ガス供給一次配管１６で接続されている。また、電気化学センサー３の第１電極１４と電気化学デバイス２のアノード１０とは、水素含有ガス供給二次配管１７で
接続されている。
【００５８】
電気化学デバイス２のアノード１０と、電気化学センサー３の第２電極１５とは、水素含有オフガス配管１８で接続されている。さらに、電気化学デバイス２には、カソード１１で生成された水素を排出する生成水素排出配管１９が、電気化学センサー３の第２電極１５には、水素含有オフガスを排出する水素含有オフガス排出配管２０が、それぞれ接続されている。
【００５９】
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１について、図１を参照しながら、その動作、作用を、図２を用いて説明する。
【００６０】
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段７より、水素含有ガス供給一次配管１６、電気化学センサー３の第１電極１４、水素含有ガス供給二次配管１７を経由して、電気化学デバイス２のアノード１０へ供給し（Ｓ００１）、電源４をＯＮにする（Ｓ００２）。
【００６１】
次に、ガス供給手段７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）と水素ガス濃度Ｙとから、水素含有ガスに含まれる水素量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により（数２）を用いて電気化学デバイス２へ流す電流値Ｃ（Ａ）を算出する（Ｓ００３）。
【００６２】
【数２】
2020117412.tif 000007
次に、電源４により、電気化学デバイス２のアノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１へ、算出された電流値Ｃ（Ａ）の電流を流す（Ｓ００４）。
【００６３】
次に、電圧計６で電気化学センサー３の第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を測定し、測定した値を測定値Ｖ（Ｖ）とする（Ｓ００５）。
【００６４】
次に、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０（Ｖ）よりも小さいか否かを判定する（Ｓ００６）。そして、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０（Ｖ）以下の場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、Ｓ００６の判定を繰り返し、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）よりも大きい場合は、Ｓ００７に移行する。本実施の形態では、Ｖ０は３０ｍＶとする。次に、電源４で設定する電流値Ｃを１％小さくし（Ｓ００７）、再びＳ００５に戻る。
【００６５】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１は、第１電解質膜８をアノード１０とカソード１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体９を有し、アノード１０に水素含有ガスを供給するとともに、アノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に電流を流すことで、カソード１１において水素を生成する電気化学デバイス２と、第２電解質膜１２を第１電極１４と第２電極１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１３を有する電気化学センサー３と、第１電極１４に水素含有ガスを供給するガス供給手段７と、第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測する電圧計６と、アノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に電流を流す電源４と、制御器５と、ガス供給手段７から第１電極１４に水素含有ガスを供給可能にガス供給手段７と第１電極１４を接続する水素含有ガス供給一次配管１６と、第１電極１４からアノード１０に水素含有ガスを供給可能に第１電極１４とアノード１０を接続する水素含有ガス供給二次配管１７と、アノード１０から第２電極１５に水素含有オフガスを供給可能にアノード１０と第２電極１５を接続する水素含有オフガス配管１８と、カソード１１で生成された水素をカソード１１から排出
する生成水素排出配管１９と、第２電極１５に供給された水素含有オフガスを第２電極１５から排出する水素含有オフガス排出配管２０と、を備え、ガス供給手段７が第１電極１４に水素含有ガスを供給し電源４が電流を流しているときに、第１電極１４から排出された水素含有ガスがアノード１０に供給され、アノード１０に供給された水素含有ガスのうちでアノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に透過せずにアノード１０から排出される水素含有オフガスが第２電極１５を経由して排出されるように構成された水素生成システム１である。
【００６６】
そして、制御器５が、電気化学デバイス２を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段７に供給動作をさせた後に、ガス供給手段７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆと水素ガス濃度Ｙを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Ｈから算出した電流値Ｃの電流を電源４に流させるとともに、電圧計６により第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測し、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０以下であれば、電源４が電気化学デバイス２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、電圧計６により電圧を計測する工程に戻り、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０を超える場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流の電流値Ｃを１％小さくしてから、電圧計６による電圧の計測をやり直し、このやり直しを電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０以下になるまで繰り返すのである。
【００６７】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイス２に流す電流が過大にならなくなり、水素欠乏の発生を抑制することができる。
【００６８】
そのため、アノード１０の触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システム１を提供することができる。
【００６９】
また、水素を含む混合ガスを無駄に排出されないため、高純度の水素を安定して生成する水素生成システム１を提供することができる。
【００７０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図１に示す実施の形態１の水素生成システム１の概略構成を示すブロック図と同じである。図３は、本発明の実施の形態２における水素生成システム１の制御処理を示すフローチャートである。
【００７１】
なお、本実施の形態において、実施の形態１の水素生成システム１と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００７２】
本実施の形態２の水素生成システム１について、図１を参照しながら、その動作、作用を、図３を用いて説明する。
【００７３】
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段７より、水素含有ガス供給一次配管１６、電気化学センサー３の第１電極１４、水素含有ガス供給二次配管１７を経由して、電気化学デバイス２のアノード１０へ供給し（Ｓ１０１）、電源４をＯＮにする（Ｓ１０２）。
【００７４】
次に、ガス供給手段７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）と水素ガス濃度Ｙとから、水素含有ガスに含まれる水素量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により（数２）を用いて電気化学デバイス２へ流す電流値Ｃ（Ａ）を算出する（Ｓ１０３）。
【００７５】
次に、電源４により、電気化学デバイス２のアノード１０から第１電解質膜８を介して
カソード１１へ、算出された電流値Ｃ（Ａ）の電流を流す（Ｓ１０４）。
【００７６】
次に、電圧計６で電気化学センサー３の第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を測定し、測定した値を測定値Ｖ（Ｖ）とする（Ｓ１０５）。
【００７７】
次に、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入るか否かを判定する（Ｓ１０６）。ここで、α（Ｖ）は許容電圧値である。本実施の形態では、Ｖ０は３０ｍＶで、αは３ｍＶとする。
【００７８】
そして、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、Ｓ１０６の判定を繰り返し、基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲外の場合は、Ｓ１０７に移行して、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ１０７）。
【００７９】
そして、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きい場合は、Ｓ１０８に移行して、電気化学デバイス２に流す電流値Ｃを１％小さくし（Ｓ１０８）、Ｓ１０５に戻る。また、Ｓ１０７の判定で、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０−α（Ｖ）よりも小さい（基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きくない）場合はＳ１０９に移行して、電気化学デバイス２に流す電流値Ｃを１％大きくし（Ｓ１０９）、Ｓ１０５に戻る。
【００８０】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１は、第１電解質膜８をアノード１０とカソード１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体９を有し、アノード１０に水素含有ガスを供給するとともに、アノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に電流を流すことで、カソード１１において水素を生成する電気化学デバイス２と、第２電解質膜１２を第１電極１４と第２電極１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１３を有する電気化学センサー３と、第１電極１４に水素含有ガスを供給するガス供給手段７と、第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測する電圧計６と、アノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に電流を流す電源４と、制御器５と、ガス供給手段７から第１電極１４に水素含有ガスを供給可能にガス供給手段７と第１電極１４を接続する水素含有ガス供給一次配管１６と、第１電極１４からアノード１０に水素含有ガスを供給可能に第１電極１４とアノード１０を接続する水素含有ガス供給二次配管１７と、アノード１０から第２電極１５に水素含有オフガスを供給可能にアノード１０と第２電極１５を接続する水素含有オフガス配管１８と、カソード１１で生成された水素をカソード１１から排出する生成水素排出配管１９と、第２電極１５に供給された水素含有オフガスを第２電極１５から排出する水素含有オフガス排出配管２０と、を備え、ガス供給手段７が第１電極１４に水素含有ガスを供給し電源４が電流を流しているときに、第１電極１４から排出された水素含有ガスがアノード１０に供給され、アノード１０に供給された水素含有ガスのうちでアノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に透過せずにアノード１０から排出される水素含有オフガスが第２電極１５を経由して排出されるように構成された水素生成システム１である。
【００８１】
そして、制御器５が、電気化学デバイス２を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段７に供給動作をさせた後に、ガス供給手段７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆと水素ガス濃度Ｙを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Ｈから算出した電流値Ｃの電流を電源４に流させるとともに、電圧計６により第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測し、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、電圧計６により電圧を計測する工程に戻り、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きい場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流値Ｃを１％小さくしてから、電圧計６による電圧の計測をやり直し、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電
圧Ｖ０−α（Ｖ）よりも小さい場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流値Ｃを１％大きくしてから、電圧計６による電圧の計測をやり直すのである。
【００８２】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイス２に流す電流値を高精度で決定するので、高純度の水素を高効率で生成する水素生成システム１を提供することができる。
【００８３】
また、水素欠乏によるアノード１０の触媒の劣化をより確実に抑制することができるので、より耐久性の高い水素生成システム１を提供することができる。
【００８４】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図１に示す実施の形態１の水素生成システム１の概略構成を示すブロック図と同じである。図４は、本発明の実施の形態３における水素生成システム１の制御処理を示すフローチャートである。
【００８５】
なお、本実施の形態において、実施の形態１の水素生成システム１と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００８６】
本実施の形態３の水素生成システム１について、図１を参照しながら、その動作、作用を、図４を用いて説明する。
【００８７】
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段７より、水素含有ガス供給一次配管１６、電気化学センサー３の第１電極１４、水素含有ガス供給二次配管１７を経由して、電気化学デバイス２のアノード１０へ供給し（Ｓ２０１）、電源４をＯＮにする（Ｓ２０２）。
【００８８】
次に、ガス供給手段７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）と水素ガス濃度Ｙとから、水素含有ガスに含まれる水素量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により（数２）を用いて電気化学デバイス２へ流す電流値Ｃ（Ａ）を算出する（Ｓ２０３）。
【００８９】
次に、電源４により、電気化学デバイス２のアノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１へ、算出された電流値Ｃ（Ａ）の電流を流す（Ｓ２０４）。
【００９０】
次に、電圧計６で電気化学センサー３の第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を測定し、測定した値を測定値Ｖ（Ｖ）とする（Ｓ２０５）。
【００９１】
次に、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入るか否かを判定する（Ｓ２０６）。ここで、α（Ｖ）は許容電圧値である。本実施の形態では、Ｖ０は３０ｍＶで、αは３ｍＶとする。
【００９２】
そして、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、Ｓ２０６の判定を繰り返し、基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲外の場合には、電源４の電流値を０にして（Ｓ２０７）、電源４をＯＦＦにし（Ｓ２０８）、ガス供給手段７から電気化学デバイス２への水素含有ガスの供給を停止する（Ｓ２０９）。
【００９３】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１は、第１電解質膜８をアノード１０とカソード１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体９を有し、アノード１０に水素含有ガスを供給するとともに、アノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に電流
を流すことで、カソード１１において水素を生成する電気化学デバイス２と、第２電解質膜１２を第１電極１４と第２電極１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１３を有する電気化学センサー３と、第１電極１４に水素含有ガスを供給するガス供給手段７と、第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測する電圧計６と、アノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に電流を流す電源４と、制御器５と、ガス供給手段７から第１電極１４に水素含有ガスを供給可能にガス供給手段７と第１電極１４を接続する水素含有ガス供給一次配管１６と、第１電極１４からアノード１０に水素含有ガスを供給可能に第１電極１４とアノード１０を接続する水素含有ガス供給二次配管１７と、アノード１０から第２電極１５に水素含有オフガスを供給可能にアノード１０と第２電極１５を接続する水素含有オフガス配管１８と、カソード１１で生成された水素をカソード１１から排出する生成水素排出配管１９と、第２電極１５に供給された水素含有オフガスを第２電極１５から排出する水素含有オフガス排出配管２０と、を備え、ガス供給手段７が第１電極１４に水素含有ガスを供給し電源４が電流を流しているときに、第１電極１４から排出された水素含有ガスがアノード１０に供給され、アノード１０に供給された水素含有ガスのうちでアノード１０から第１電解質膜８を介してカソード１１に透過せずにアノード１０から排出される水素含有オフガスが第２電極１５を経由して排出されるように構成された水素生成システム１である。
【００９４】
そして、制御器５が、電気化学デバイス２を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段７に供給動作をさせた後に、ガス供給手段７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆと水素ガス濃度Ｙを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Ｈから算出した電流値Ｃの電流を電源４に流させるとともに、電圧計６により第１電極１４と第２電極１５との間の電圧を計測し、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源４が電気化学デバイス２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、電圧計６により電圧を計測する工程に戻り、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０±α（Ｖ）の範囲を外れた場合は、電源４による電流と、ガス供給手段７による水素含有ガスの供給を停止するのである。
【００９５】
これにより、異常が発生した場合には、安全に停止することができ、信頼性の高い水素生成システム１を提供することができる。
【００９６】
なお、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きい場合は、ガス供給手段７からの水素含有ガス供給量を増やし、電圧計６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０−α（Ｖ）よりも小さい場合は、ガス供給手段７からの水素含有ガス供給量を減らすことで異常状態から正常状態に移行させるようにしても、信頼性の高い水素生成システム１を提供することができる。
【００９７】
なお、本実施の形態では、電気化学センサー３の第１電極１４と第２電極１５との間の電圧値が所定の範囲を超えたら運転を停止したが、電気化学センサー３の第１電極１４と第２電極１５との間の電圧値が所定の範囲を超えたら、異常であることを報知するように構成しても構わない。
【００９８】
（実施の形態４）
図５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構成を示すブロック図である。図６は、本発明の実施の形態４における水素生成システムの制御処理を示すフローチャートである。
【００９９】
図５に示すように、本実施の形態の水素生成システム１０１は、電気化学デバイス１０２と、電気化学センサー１０３と、ガス供給手段１０７と、空気供給手段１２０と、電圧計１０６と、電源１０４と、制御器１０５とで構成されている。
【０１００】
電気化学デバイス１０２は、第１電解質膜１０８をアノード１１０とカソード１１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体１０９を有する。
【０１０１】
第１電解質膜１０８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である。
【０１０２】
アノード１１０とカソード１１１は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第１電解質膜１０８の両主面に塗布形成したものである。
【０１０３】
電源１０４は、アノード１１０に水素含有ガスが供給されているときに、アノード１１０において酸化反応が起こり、酸化反応で発生したプロトンが第１電解質膜１０８を透過してカソード１１１に移動し、カソード１１１において還元反応が起こって、水素が生成されるように、アノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に電流を流すための直流電源であり、電源１０４のプラス端子がアノード１１０に電気的に接続され、電源１０４のマイナス端子がカソード１１１に電気的に接続されている。
【０１０４】
電気化学センサー１０３は、第２電解質膜１１２を第１電極１１４と第２電極１１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１１３を有する。
【０１０５】
第２電解質膜１１２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である。
【０１０６】
第１電極１１４と第２電極１１５は、それぞれ、白金を担持したカーボン粒子を、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水溶液に、分散させたものを、第２電解質膜１１２の両主面に塗布形成したものである。
【０１０７】
ガス供給手段１０７は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素含有ガスを生成する燃料改質器であり、水素の含有比率が８０％で二酸化炭素の含有比率が２０％の水素含有ガスを、水素含有ガス供給配管１１６を介して、アノード１１０に供給する。ここで、含有比率の数値は、水素含有ガスに含まれる水蒸気を考慮していない数値である。
【０１０８】
アノード１１０に供給された水素含有ガスのうちでカソード１１１に移動（透過）せずにアノード１１０から排出される水素含有オフガスは、水素含有オフガス配管１１７、第２電極１１５、水素含有オフガス排出配管１１９を経由して排出される。
【０１０９】
空気供給手段１２０は、空気を供給可能なブロアで構成されており、空気供給配管１２１を介して、第１電極１１４に空気を供給する。
【０１１０】
電圧計１０６は、電気化学センサー１０３の第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を計測する。
【０１１１】
ガス供給手段１０７と、電気化学デバイス１０２のアノード１１０とは、水素含有ガスを供給するための水素含有ガス供給配管１１６で接続されている。また、空気供給手段１２０と、電気化学センサー１０３の第１電極１１４とは、空気を供給するための空気供給配管１２１で接続されている。
【０１１２】
また、電気化学デバイス１０２のアノード１１０と、電気化学センサー１０３の第２電極１１５とは、水素含有オフガス配管１１７で接続されている。さらに、電気化学デバイ
ス１０２には、カソード１１１で生成された水素を排出する生成水素排出配管１１８が、電気化学センサー１０３の第２電極１１５には、水素含有オフガスを排出する水素含有オフガス排出配管１１９が、それぞれ接続されている。
【０１１３】
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１０１について、図５を参照しながら、その動作、作用を、図６を用いて説明する。
【０１１４】
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段１０７より、水素含有ガス供給配管１１６を介して、電気化学デバイス１０２のアノード１１０へ供給する（Ｓ３０１）。
【０１１５】
次に、空気供給手段１２０から電気化学センサー１０３の第１電極１１４へ空気を供給し（Ｓ３０２）、電源１０４をＯＮにする（Ｓ３０３）。
【０１１６】
次に、ガス供給手段１０７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）と水素ガス濃度Ｙとから、水素含有ガスに含まれる水素量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により（数２）を用いて電気化学デバイス１０２へ流す電流値Ｃ（Ａ）を算出する（Ｓ３０４）。
【０１１７】
次に、電源１０４により、電気化学デバイス１０２のアノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１へ算出された電流値Ｃ（Ａ）の電流を流す（Ｓ３０５）。
【０１１８】
次に、電圧計１０６で電気化学センサー１０３の第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を測定し、測定した値を測定値Ｖ（Ｖ）とする（Ｓ３０６）。
【０１１９】
次に、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０（Ｖ）よりも小さいか否かを判定する（Ｓ３０７）。そして、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０（Ｖ）以下の場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、Ｓ３０７の判定を繰り返し、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０（Ｖ）よりも大きい場合は、Ｓ３０８に移行する。本実施の形態では、Ｖ０は３０ｍＶとする。次に、電源１０４で設定する電流値Ｃを１％小さくし（Ｓ３０８）、再びＳ３０６に戻る。
【０１２０】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１０１は、第１電解質膜１０８をアノード１１０とカソード１１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体１０９を有し、アノード１１０に水素含有ガスを供給するとともに、アノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に電流を流すことで、カソード１１１において水素を生成する電気化学デバイス１０２と、第２電解質膜１１２を第１電極１１４と第２電極１１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１１３を有する電気化学センサー１０３と、アノード１１０に水素含有ガスを供給するガス供給手段１０７と、第１電極１１４に空気を供給する空気供給手段１２０と、第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を計測する電圧計１０６と、アノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に電流を流す電源１０４と、制御器１０５と、ガス供給手段１０７からアノード１１０に水素含有ガスを供給可能に、ガス供給手段１０７とアノード１１０を接続する水素含有ガス供給配管１１６と、アノード１１０から第２電極１１５に水素含有オフガスを供給可能にアノード１１０と第２電極１１５を接続する水素含有オフガス配管１１７と、カソード１１１で生成された水素をカソード１１１から排出する生成水素排出配管１１８と、第２電極１１５に供給された水素含有オフガスを第２電極１１５から排出する水素含有オフガス排出配管１１９と、を備え、ガス供給手段１０７がアノード１１０に水素含有ガスを供給し電源１０４が電流を流しているときに、アノード１１０に供給された水素含有ガスのうちでアノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に透過せずにアノード１１０から排出される水素含有オフガスが第２電極１１５を経由して排出されるように構成された水素
生成システム１０１である。
【０１２１】
そして、制御器１０５が、電気化学デバイス１０２を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段１０７に供給動作をさせた後に、ガス供給手段１０７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆと水素ガス濃度Ｙを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Ｈから算出した電流値Ｃの電流を電源１０４に流させるとともに、電圧計１０６により第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を計測し、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０以下であれば、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、電圧計１０６により電圧を計測する工程に戻り、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０を超える場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流の電流値Ｃを１％小さくしてから、電圧計１０６による電圧の計測をやり直し、このやり直しを電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０以下になるまで繰り返すのである。
【０１２２】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対して、電気化学デバイス１０２に流す電流が過大にならないため、水素欠乏の発生を抑制することができる。
【０１２３】
そのため、アノード１１０の触媒の劣化をより確実に抑制することができ、より耐久性の高い水素生成システム１０１を提供することができる。
【０１２４】
また、水素を含む混合ガスを無駄に排出されないため、高純度の水素を安定して生成する水素生成システム１０１を提供することができる。
【０１２５】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図５に示す実施の形態４の水素生成システム１０１の概略構成を示すブロック図と同じである。図７は、本発明の実施の形態５における水素生成システム１０１の制御処理を示すフローチャートである。
【０１２６】
なお、本実施の形態において、実施の形態４の水素生成システム１０１と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【０１２７】
本実施の形態５の水素生成システム１０１について、図５を参照しながら、その動作、作用を、図７を用いて説明する。
【０１２８】
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段１０７より、水素含有ガス供給配管１１６を介して、電気化学デバイス１０２のアノード１１０へ供給する（Ｓ４０１）。
【０１２９】
次に、空気供給手段１２０から電気化学センサー１０３の第１電極１１４へ空気を供給し（Ｓ４０２）、電源１０４をＯＮにする（Ｓ４０３）。
【０１３０】
次に、ガス供給手段１０７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）と水素ガス濃度Ｙとから、水素含有ガスに含まれる水素量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により（数２）を用いて電気化学デバイス１０２へ流す電流値Ｃ（Ａ）を算出する（Ｓ４０４）。
【０１３１】
次に、電源１０４により、電気化学デバイス１０２のアノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１へ算出された電流値Ｃ（Ａ）の電流を流す（Ｓ４０５）。
【０１３２】
次に、電圧計１０６で電気化学センサー１０３の第１電極１１４と第２電極１１５との
間の電圧を測定し、測定した値を測定値Ｖ（Ｖ）とする（Ｓ４０６）。
【０１３３】
次に、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入るか否かを判定する（Ｓ４０７）。ここで、α（Ｖ）は許容電圧値である。本実施の形態では、Ｖ０は３０ｍＶで、αは４ｍＶとする。
【０１３４】
そして、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、Ｓ４０７の判定を繰り返し、基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲外の場合は、Ｓ４０８に移行して、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きいか否かを判定する（Ｓ４０８）。
【０１３５】
そして、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きい場合は、Ｓ４０９に移行して、電気化学デバイス１０２に流す電流値Ｃを１％小さくし（Ｓ４０９）、Ｓ４０６に戻る。また、Ｓ４０８の判定で、測定値Ｖ（Ｖ）が、基準電圧Ｖ０−α（Ｖ）よりも小さい（基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きくない）場合はＳ４１０に移行して、電気化学デバイス１０２に流す電流値Ｃを１％大きくし（Ｓ４１０）、Ｓ４０６に戻る。
【０１３６】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１０１は、第１電解質膜１０８をアノード１１０とカソード１１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体１０９を有し、アノード１１０に水素含有ガスを供給するとともに、アノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に電流を流すことで、カソード１１１において水素を生成する電気化学デバイス１０２と、第２電解質膜１１２を第１電極１１４と第２電極１１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１１３を有する電気化学センサー１０３と、アノード１１０に水素含有ガスを供給するガス供給手段１０７と、第１電極１１４に空気を供給する空気供給手段１２０と、第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を計測する電圧計１０６と、アノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に電流を流す電源１０４と、制御器１０５と、ガス供給手段１０７からアノード１１０に水素含有ガスを供給可能に、ガス供給手段１０７とアノード１１０を接続する水素含有ガス供給配管１１６と、アノード１１０から第２電極１１５に水素含有オフガスを供給可能にアノード１１０と第２電極１１５を接続する水素含有オフガス配管１１７と、カソード１１１で生成された水素をカソード１１１から排出する生成水素排出配管１１８と、第２電極１１５に供給された水素含有オフガスを第２電極１１５から排出する水素含有オフガス排出配管１１９と、を備え、ガス供給手段１０７がアノード１１０に水素含有ガスを供給し電源１０４が電流を流しているときに、アノード１１０に供給された水素含有ガスのうちでアノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に透過せずにアノード１１０から排出される水素含有オフガスが第２電極１１５を経由して排出されるように構成された水素生成システム１０１である。
【０１３７】
そして、制御器１０５が、電気化学デバイス１０２を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段１０７に供給動作をさせた後に、ガス供給手段１０７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆと水素ガス濃度Ｙを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Ｈから算出した電流値Ｃの電流を電源１０４に流させるとともに、電圧計１０６により第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を計測し、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、電圧計１０６により電圧を計測する工程に戻り、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きい場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流値Ｃを１％小さくしてから、電圧計１０６による電圧の計測をやり直し、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０−α（Ｖ）よりも小さい場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流値Ｃを１％大きくしてから、電圧計１０６による電圧の計測をやり直すのである。
【０１３８】
これにより、供給する水素含有ガスに含まれる水素量に対する電気化学デバイス１０２に流す電流値を高精度で決定するので、高純度の水素を高効率で生成する水素生成システム１０１を提供することができる。
【０１３９】
また、水素欠乏によるアノード１１０の触媒の劣化をより確実に抑制することができるので、より耐久性の高い水素生成システム１０１を提供することができる。
【０１４０】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６の水素生成システムの概略構成を示すブロック図は、図５に示す実施の形態４の水素生成システム１０１の概略構成を示すブロック図と同じである。図８は、本発明の実施の形態６における水素生成システム１０１の制御処理を示すフローチャートである。
【０１４１】
なお、本実施の形態において、実施の形態４の水素生成システム１０１と同一構成については同一符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【０１４２】
本実施の形態６の水素生成システム１０１について、図５を参照しながら、その動作、作用を、図８を用いて説明する。
【０１４３】
まず、水素含有ガスを、ガス供給手段１０７より、水素含有ガス供給配管１１６を介して、電気化学デバイス１０２のアノード１１０へ供給する（Ｓ５０１）。
【０１４４】
次に、空気供給手段１２０から電気化学センサー１０３の第１電極１１４へ空気を供給し（Ｓ５０２）、電源１０４をＯＮにする（Ｓ５０３）。
【０１４５】
次に、ガス供給手段１０７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆ（Ｌ／ｍｉｎ）と水素ガス濃度Ｙとから、水素含有ガスに含まれる水素量Ｈ（Ｌ／ｍｉｎ）を算出する。さらに、ファラデーの電気分解の法則により（数２）を用いて電気化学デバイス１０２へ流す電流値Ｃ（Ａ）を算出する（Ｓ５０４）。
【０１４６】
次に、電源１０４により、電気化学デバイス１０２のアノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１へ算出された電流値Ｃ（Ａ）の電流を流す（Ｓ５０５）。
【０１４７】
次に、電圧計１０６で電気化学センサー１０３の第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を測定し、測定した値を測定値Ｖ（Ｖ）とする（Ｓ５０６）。
【０１４８】
次に、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入るか否かを判定する（Ｓ５０７）。ここで、α（Ｖ）は許容電圧値である。本実施の形態では、Ｖ０は３０ｍＶで、αは４ｍＶとする。
【０１４９】
そして、測定値Ｖ（Ｖ）が基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、Ｓ５０７の判定を繰り返し、基準電圧Ｖ０（Ｖ）±α（Ｖ）の範囲外の場合は、Ｓ５０８に移行して、電源１０４の電流値を０にして（Ｓ５０８）、電源１０４をＯＦＦにし（Ｓ５０９）、ガス供給手段１０７から電気化学デバイス１０２への水素含有ガスの供給を停止する（Ｓ５１０）。
【０１５０】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１０１は、第１電解質膜１０８をアノード１１０とカソード１１１とで挟んだ第１電解質膜−電極接合体１０９を有し、アノー
ド１１０に水素含有ガスを供給するとともに、アノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に電流を流すことで、カソード１１１において水素を生成する電気化学デバイス１０２と、第２電解質膜１１２を第１電極１１４と第２電極１１５とで挟んだ第２電解質膜−電極接合体１１３を有する電気化学センサー１０３と、アノード１１０に水素含有ガスを供給するガス供給手段１０７と、第１電極１１４に空気を供給する空気供給手段１２０と、第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を計測する電圧計１０６と、アノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に電流を流す電源１０４と、制御器１０５と、ガス供給手段１０７からアノード１１０に水素含有ガスを供給可能に、ガス供給手段１０７とアノード１１０を接続する水素含有ガス供給配管１１６と、アノード１１０から第２電極１１５に水素含有オフガスを供給可能にアノード１１０と第２電極１１５を接続する水素含有オフガス配管１１７と、カソード１１１で生成された水素をカソード１１１から排出する生成水素排出配管１１８と、第２電極１１５に供給された水素含有オフガスを第２電極１１５から排出する水素含有オフガス排出配管１１９と、を備え、ガス供給手段１０７がアノード１１０に水素含有ガスを供給し電源１０４が電流を流しているときに、アノード１１０に供給された水素含有ガスのうちでアノード１１０から第１電解質膜１０８を介してカソード１１１に透過せずにアノード１１０から排出される水素含有オフガスが第２電極１１５を経由して排出されるように構成された水素生成システム１０１である。
【０１５１】
そして、制御器１０５が、電気化学デバイス１０２を用いて水素生成動作を開始するときに、ガス供給手段１０７に供給動作をさせた後に、ガス供給手段１０７から供給される水素含有ガスの供給量Ｆと水素ガス濃度Ｙを基に算出した水素含有ガスに含まれる水素量Ｈから算出した電流値Ｃの電流を電源１０４に流させるとともに、電圧計１０６により第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧を計測し、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０±α（Ｖ）の範囲内に入る場合は、電源１０４が電気化学デバイス１０２に流す電流の電流値Ｃを変えずに、電圧計１０６により電圧を計測する工程に戻り、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０±α（Ｖ）の範囲を外れた場合には、電源１０４による電流と、ガス供給手段１０７による水素含有ガスの供給を停止するのである。
【０１５２】
これにより、異常が発生した場合には、安全に停止することができ、信頼性の高い水素生成システム１０１を提供することができる。
【０１５３】
なお、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０＋α（Ｖ）よりも大きい場合は、ガス供給手段１０７からの水素含有ガス供給量を増やし、電圧計１０６による電圧の測定値Ｖが基準電圧Ｖ０−α（Ｖ）よりも小さい場合は、ガス供給手段１０７からの水素含有ガス供給量を減らすことで異常状態から正常状態に移行させるようにしても、信頼性の高い水素生成システム１０１を提供することができる。
【０１５４】
なお、本実施の形態では、電気化学センサー１０３の第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧値が所定の範囲を超えたら運転を停止したが、電気化学センサー１０３の第１電極１１４と第２電極１１５との間の電圧値が所定の範囲を超えたら、異常であることを報知するように構成しても構わない。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素欠乏によるアノードの触媒劣化を抑制し、水素を含む混合ガスを無駄に排出することなく、高純度の水素を安定して生成することができるので、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから純度の高い水素を生成する、信頼性や安定性、耐久性が求められる水素生成システムに最適である。
【符号の説明】
【０１５６】
１  水素生成システム
２  電気化学デバイス
３  電気化学センサー
４  電源
５  制御器
６  電圧計
７  ガス供給手段
８  第１電解質膜
９  第１電解質膜−電極接合体
１０  アノード
１１  カソード
１２  第２電解質膜
１３  第２電解質膜−電極接合体
１４  第１電極
１５  第２電極
１６  水素含有ガス供給一次配管
１７  水素含有ガス供給二次配管
１８  水素含有オフガス配管
１９  生成水素排出配管
２０  水素含有オフガス排出配管
１０１  水素生成システム
１０２  電気化学デバイス
１０３  電気化学センサー
１０４  電源
１０５  制御器
１０６  電圧計
１０７  ガス供給手段
１０８  第１電解質膜
１０９  第１電解質膜−電極接合体
１１０  アノード
１１１  カソード
１１２  第２電解質膜
１１３  第２電解質膜−電極接合体
１１４  第１電極
１１５  第２電極
１１６  水素含有ガス供給配管
１１７  水素含有オフガス配管
１１８  生成水素排出配管
１１９  水素含有オフガス排出配管
１２０  空気供給手段
１２１  空気供給配管
【図１】
2020117412.tif 000008
【図２】
2020117412.tif 000009
【図３】
2020117412.tif 000010
【図４】
2020117412.tif 000011
【図５】
2020117412.tif 000012
【図６】
2020117412.tif 000013
【図７】
2020117412.tif 000014
【図８】
2020117412.tif 000015