(57)【要約】【課題】ＰＥＭを用いたＥＨＣにおいて、効率よく圧縮水素を製造することが可能な圧縮水素製造システムを提供する。【解決手段】水素圧縮機１４は、イオン伝導体１４Ｂを挟んで一方側にアノード１４Ａ、他方側にカソード１４Ｃが形成されている。アノード１４Ａには、水素導入路２０から水素が導入される。水素導入路２０には、貯水場バブラー１２から水蒸気が供給される。アノード１４Ａから排出されたアノードオフガス中の水は、アノードオフガス路２２により水素導入路２０へ供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで一方側にアノード、他方側にカソードが形成された電気化学的水素圧縮機と、
前記アノードに水素を導入する水素導入路と、
ドライ水素が導入され、前記ドライ水素を加湿して前記水素導入路へ供給する加湿部と、
を備えた圧縮水素製造システム。
【請求項２】
前記アノードから排出されたアノードオフガス中の水を前記水素導入路へ供給するアノードオフガス路、をさらに備えた請求項１に記載の圧縮水素製造システム。
【請求項３】
前記カソードから排出されたカソード排出ガス中の水を前記水素導入路へ供給するカソード排出水循環路、をさらに備えた請求項１または請求項２に記載の圧縮水素製造システム。
【請求項４】
前記加湿部は、液相の水が貯留される液体貯留部と、前記液体貯留部と連通され蒸発した気相の水及び水素が貯留される気体貯留部を有し、前記気体貯留部は、前記水素導入路と連通する循環気体室と、前記循環気体室から隔離された排気気体室と、に区画されている、請求項３に記載の圧縮水素製造システム。
【請求項５】
前記カソードから排出されたカソード排出ガス中の水を前記水素導入路へ供給するカソード排出水循環路は前記循環気体室と連通され、前記アノードから排出されたアノードオフガス中の水を前記水素導入路へ供給するアノードオフガス路は前記排気気体室と連通されている、請求項４に記載の圧縮水素製造システム。
【請求項６】
前記加湿部は、前記水素導入路の中間部に設けられ、液相の水が貯留される液体貯留部と、前記液体貯留部と連通され蒸発した気相の水及び水素が貯留される気体貯留部を有し、前記液体貯留部は前記水素導入路の流入側と連通され、前記気体貯留部は前記水素導入路の流出側と連通されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の圧縮水素製造システム。
【請求項７】
前記加湿部は、水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を挟んで一方側に透過部、他方側に非透過部を有する水蒸気供給部、及び前記水蒸気供給部の非透過側へ液相の水を送出する水タンクを有し、前記透過部で前記水素導入路へ水蒸気が供給される、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の圧縮水素製造システム。
【請求項８】
前記非透過部から排出された水を前記水タンクへ戻す水戻路、を備えた請求項７に記載の圧縮水素製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮水素製造システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮水素を製造する装置として、電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ：Electric Hydrogen Compressor）が知られている。ＥＨＣは、電解質膜と触媒付き電極を有し、電流を流すことによりアノードへ供給された水素がイオン化されてカソードへ移動し、カソードで水素を出力させることができる。アノードに水素と、電流を流し続ければ、アノードからカソードへの水素の移動が続き、カソードの出口背圧を制御することで、高圧の水素を得ることができる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２４２８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような、ＥＨＣの電解質膜として、固体高分子膜（ＰＥＭ：Polymer Electrolyte Membrane）などを用いることが知られている。ＰＥＭを用いたＥＨＣでは、ＰＥＭの性能を効果的に発揮させて、効率よく圧縮水素を製造できるようにするために、工夫が求められる。
【０００５】
本発明は、上記事実を考慮してなされたものであり、ＰＥＭなどの電解質膜を用いたＥＨＣにおいて、効率よく圧縮水素を製造することが可能な圧縮水素製造システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る圧縮水素製造システムは、固体高分子膜を挟んで一方側にアノード、他方側にカソードが形成された電気化学的水素圧縮機と、前記アノードに水素を導入する水素導入路と、ドライ水素が導入され、前記ドライ水素を加湿して前記水素導入路へ供給する加湿部と、を備えている。
【０００７】
請求項１に係る圧縮水素製造システムは、電気化学的水素圧縮機を有している。電気化学的水素圧縮機は、固体高分子膜を挟んで一方側にアノード、他方側にカソードが形成されている。固体高分子膜の性能は相対湿度による影響を受けるため、相対湿度が低いと水素の移動量が低下する。そこで、本発明では、加湿部でドライ水素を加湿して、水素導入路へ供給する。ここでのドライ水素は、露点が室温以下の水素含有ガスを意味する。水素含有ガスは、水蒸気を除いた乾燥状態での水素濃度が９９質量％以上の純水素であってもよいし、水素濃度１０％〜９９％程度の粗精製水素であってもよい。加湿された水素は、水素導入路を経てアノードへ導入される。したがって、高湿の状態で固体高分子膜を使用することができ、効率よく圧縮水素を製造することができる。
【０００８】
請求項２に係る圧縮水素製造システムは、前記アノードから排出されたアノードオフガス中の水を前記水素導入路へ供給するアノードオフガス路、をさらに備えている。
【０００９】
請求項２に係る圧縮水素製造システムでは、アノードから排出されたアノードオフガス中の水は、アノードオフガス路によって水素導入路へ供給される。したがって、圧縮水素製造システム内で水を循環させることができ、システム内への水の供給量を減らす、もしくは、外部からの水の供給を必要としない水自立とすることができる。
【００１０】
なお、アノードオフガス路から水素導入路への水の供給は、直接であっても間接的に他の処理部分を経由してもよい。
【００１１】
請求項３に係る圧縮水素製造システムは、前記カソードから排出されたカソード排出ガス中の水を前記水素導入路へ供給するカソード排出水循環路、をさらに備える。
【００１２】
請求項３に係る圧縮水素製造システムによれば、カソードから排出されたカソード排出ガス中の水は、カソード排出水循環路によって水素導入路へ供給される。したがって、圧縮水素製造システム内で水を循環させることができ、システム内への水の供給量を減らす、もしくは、外部からの水の供給を必要としない水自立とすることができる。なお、カソード排出水循環路は、直接水素導入路へ水を供給するものであってもよいし、別の部分を経由して水素導入路へ水を供給するものであってもよい。
【００１３】
なお、カソード排出水循環路から水素導入路への水の供給は、直接であっても間接的に他の処理部分を経由してもよい。
【００１４】
請求項４に係る圧縮水素製造システムは、前記加湿部は、液相の水が貯留される液体貯留部と、前記液体貯留部と連通され蒸発した気相の水及び水素が貯留される気体貯留部を有し、前記気体貯留部は、前記水素導入路と連通する循環気体室と、前記循環気体室から隔離された排気気体室と、に区画されている。
【００１５】
請求項４に係る圧縮水素製造システムでは、気体貯留部は、水素導入路と連通する循環気体室と、循環気体室から隔離された排気気体室とに区画されているので、水素導入路へ導入する気体とその他の気体を分離することができる。
【００１６】
請求項５に係る圧縮水素製造システムは、前記カソードから排出されたカソード排出ガス中の水を前記水素導入路へ供給するカソード排出水循環路は前記循環気体室と連通され、前記アノードから排出されたアノードオフガス中の水を前記水素導入路へ供給するアノードオフガス路は前記排気気体室と連通されている。
【００１７】
請求項５に係る圧縮水素製造システムでは、カソード排出水循環路は水素導入路と連通する循環気体室と連通されている。したがって、カソード排出ガス中の水に溶解している水素を循環気体室内へ放出させ、水素導入路へ供給することができる。一方、アノードオフガス路は、循環気体室から隔離された排気気体室と連通されている。したがって、アノードオフガス路を経て排気気体室へ送られたアノードオフガス中の気体については水素導      
【００１８】
請求項６に係る圧縮水素製造システムは、前記加湿部は前記水素導入路の中間部に設けられ、液相の水が貯留される液体貯留部と、前記液体貯留部と連通され蒸発した気相の水及び水素が貯留される気体貯留部を有し、前記液体貯留部は前記水素導入路の流入側と連通され、前記気体貯留部は前記水素導入路の流出側と連通されている。
【００１９】
請求項６に係る圧縮水素製造システムによれば、液体貯留部へ水素を流入させるので、液体貯留部に貯留された液相の水の蒸発を促進することができる。また、液体貯留部の水を蒸発させつつ、水素と水蒸気を共に水素導入路の下流側へ送出させることができる。
【００２０】
請求項７に係る圧縮水素製造システムは、前記加湿部は、水蒸気を透過させる水蒸気透過膜を挟んで一方側に透過部、他方側に非透過部を有する水蒸気供給部、及び前記水蒸気供給部の非透過側へ液相の水を送出する水タンクを有し、前記透過部で前記水素導入路へ水蒸気が供給される。
【００２１】
請求項７に係る圧縮水素製造システムによれば、水蒸気透過膜を有する水蒸気供給部へ液相の水を供給することにより、水素導入路へ水蒸気を供給することができる。
【００２２】
請求項８に係る圧縮水素製造システムは、前記非透過部から排出された水を前記水タンクへ戻す水戻路、を備えている。
【００２３】
請求項８に係る圧縮水素製造システムによれば、水蒸気供給部の非透過部から排出された水を水タンクへ戻すことにより、有効利用することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る圧縮水素製造システムによれば、ＰＥＭを用いたＥＨＣにおいて、効率よく圧縮水素を製造することが可能な圧縮水素製造システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】第２実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】第３実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【図４】第４実施形態に係る圧縮水素製造システムの構成を模式的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。
【００２７】
［第１実施形態］
図１には、本発明の第１実施形態に係る圧縮水素製造システム１０Ａが示されている。圧縮水素製造システム１０Ａは、貯水バブラー１２、水素圧縮機１４、及び水分離部１６を備えている。
【００２８】
水素圧縮機１４は、触媒を配したガス拡散電極であるアノード１４Ａとカソード１４Ｃが、イオン伝導体１４Ｂの両側に夫々設けられた装置であり、電気化学的に水素を精製及び圧縮することができる電気化学的水素圧縮機（ＥＨＣ：Electric Hydrogen Compressor）である。イオン伝導体１４Ｂは、イオン伝導性を有する固体電解質膜（ＰＥＭ：Polymer Electrolyte Membrane）で形成されている。アノード１４Ａとカソード１４Ｃに、所定の電圧が与えられると、供給ガス中の水素が一方のガス拡散電極（アノード１４Ａ）上でイオン化される、そして、当該イオンがイオン伝導体１４Ｂを移動し、他方のガス拡散電極（カソード１４Ｃ）上でガスに戻ることにより、他方のガス拡散電極側で精製及び圧縮された圧縮水素を得ることができるようになっている。水素圧縮機１４におけるアノード１４Ａとカソード１４Ｃに与えられる電圧は、外部から供給することができる。アノード１４Ａの出口には、水素圧縮機１４で利用されなかった水を含むアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス路２２の一端が接続されている。
【００２９】
貯水バブラー１２は、液相の水を貯留可能な液体貯留部１２Ａと、液体貯留部１２Ａと連通した気体貯留部１２Ｂを有している。貯水バブラー１２の下部に液体貯留部１２Ａが配置され、貯水バブラー１２の上側に液体貯留部１２Ａと連通された気体貯留部１２Ｂが配置される。液体貯留部１２Ａは、不図示の加熱器により加熱され、加熱された温度に対応して液体貯留部１２Ａに貯留された水の飽和蒸気が、気体貯留部１２Ｂへ移動する。
【００３０】
貯水バブラー１２の液体貯留部１２Ａには、上流側の水素導入路としての水素配管１８の一端が接続されている。水素配管１８には、ポンプＰ１が設けられている。水素配管１８の他端は、不図示の水素タンク等と接続されており、純度の高い気相の水素が貯水バブラー１２へ流入される。なお、貯水バブラー１２へ供給される水素は、水蒸気改質直後の水蒸気を含んだ水素を想定しておらず、露点が室温以下の水素含有ガス（ドライ水素）で、水蒸気を除いた乾燥状態での水素濃度が９９質量％以上の純度の高い水素が用いられる。
【００３１】
貯水バブラー１２の気体貯留部１２Ｂには、水素導入路２０の一端が接続され、水素導入路２０の他端は、水素圧縮機１４のアノード１４Ａの入口に接続されている。気体貯留部１２Ｂから水蒸気及び水素が流出され、アノード１４Ａへと送出される。アノード１４Ａの出口側に一端が接続されたアノードオフガス路２２の他端は、水素導入路２０に接続されている。アノード１４Ａからアノードオフガス路２２へアノードオフガスが排出される。アノードオフガス路２２には、ポンプＰ２が設けられている。また、アノードオフガス路２２のポンプＰ２よりも下流側には、逆止弁Ｖ２が設けられている。逆止弁Ｖ２により、アノードオフガスの逆流が防止されている。
【００３２】
カソード１４Ｃの出口には、カソード排出ガス路２６の一端が接続されている。カソード排出路２６の他端は水分離部１６の入口と接続されている。水分離部１６は、カソード１４Ｃから排出された高圧のカソード排出ガスから、水を回収し、高圧の水素を圧縮水素出力路２４から送出する。また、水分離部１６の水の出口には、カソード排出水循環路２８の一端が接続され、カソード排出水循環路２８の他端は、貯水バブラー１２と接続されている。水分離部１６で分離された水は、カソード排出水循環路２８を介して貯水バブラー１２へ送出される。カソード排出水循環路２８には、減圧バルブＶ１が設けられている。減圧バルブＶ１により、水分離部１６から送出された水が減圧され、貯水バブラー１２へ送られる。
【００３３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
【００３４】
ポンプＰ１の駆動により、貯水バブラー１２の液体貯留部１２Ａに水素配管１８から水素が導入される。貯水バブラー１２では、液体貯留部１２Ａが加熱され、貯留された液相の水の飽和蒸気が気化され、水素は移管１８から導入された水素と共に水蒸気が気体貯留部１２Ｂへ移動する。そして、水素及び水蒸気が水素導入路２０を経て水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入される。即ち、貯水バブラー１２で水素が加湿されて、水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入される。
【００３５】
アノード１４Ａでは、所定の電力が与えられることにより水素がイオン化され、イオン化された水素がイオン伝導体１４Ｂをカソード１４Ｃ側へ移動し、カソード１４Ｃで水素に戻る。カソード１４Ｃの背圧は不図示の背圧制御部により制御されており、カソード１４Ｃからは、水を含んだ圧縮水素（カソードからの排出ガス）が、カソード排出路２６を介して水分離部１６へ送出される。
【００３６】
水分離部１６では、カソード排出ガスから水が分離され、圧縮水素が圧縮水素出力路２４から送出される。一方、分離された水は、カソード排出水循環路２８から送出される。送出された水は、減圧バルブＶ１で減圧され、液相の水が貯水バブラー１２へ供給される。貯水バブラー１２では、水が液体貯留部１２Ａに貯留され、水に溶解していた水素が気体貯留部１２Ｂへ放出される。
【００３７】
アノード１４Ａからは、アノードオフガスが送出される。アノードオフガスには、カソード１４Ｃへ移動しなかった水蒸気、水素が含まれている。アノードオフガスは、アノードオフガス路２２及び水素導入路２０を介して、再びアノード１４Ａへ供給される。
【００３８】
本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ａでは、貯水バブラー１２で水素が加湿されて水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入されるので、イオン伝導体１４Ｂを高湿の状態で使用することができ、効率よく圧縮水素を製造することができる。
【００３９】
また、水蒸気を含んだアノードオフガスは、アノードオフガス路２２及び水素導入路２０を介してアノード１４Ａへ供給されるので、圧縮水素製造システム１０Ａ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。なお、アノードオフガスに含まれる水素についても、アノードオフガス路２２を経てアノード１４Ａへ供給することができる。
【００４０】
また、カソード排出ガスから分離された水は、貯水バブラー１２へ送出されて再度アノード１４Ａへ供給されるので、圧縮水素製造システム１０Ａ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。
【００４１】
また、カソード排出ガスから分離された水に溶解していた水素が、貯水バブラー１２で回収されて水素圧縮機１４へ送られるので、水素を効率よく利用、回収することができる。
【００４２】
また、水素配管１８から液体貯留部１２Ａへ水素を送出するので、液体貯留部１２Ａに貯留された液相の水の蒸発を促進することができる。また、液体貯留部１２Ａの水を蒸発させつつ、水素を水蒸気と共に水素導入路２０へ送出することができる。
【００４３】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態については、第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｂでは、主に純水素ではなく、水素濃度が質量比１０％〜９９％程度の粗精製水素をアノード１４Ａに導入する点が、第１実施形態と異なっている。なお、ガスの露点が室温以下の水素含有ガス（ドライ水素）である点は、第１実施形態と同様である。水素配管１８の他端は、不図示の粗精製水素を供給する水素タンク等と接続されており、水素配管１８を介して気相の粗精製水素が貯水バブラー１２へ流入される。
【００４５】
貯水バブラー１２には、仕切板１２Ｗが設けられている。仕切板１２Ｗは、気体貯留部１２Ｂの上部から下方へ延出され、液体貯留部１２Ａの上下方向の中間部よりも下側まで伸びている。貯水バブラー１２の内部は、気体貯留部１２Ｂが排気気体室１２Ｂ１と循環気体室１２Ｂ２に区画され、液体貯留部１２Ａが排気側１２Ａ１と循環側１２Ａ２に区画されている。気体貯留部１２Ｂの排気気体室１２Ｂ１と循環気体室１２Ｂ２は互いに隔離されており、液体貯留部１２Ａの排気側１２Ａ１と循環側１２Ａ２は連通されている。
【００４６】
貯水バブラー１２の循環気体室１２Ｂ２には、水素導入路２０の一端が接続され、水素導入路２０の他端は、水素圧縮機１４のアノード１４Ａの入口に接続されている。循環気体室１２Ｂ２から水蒸気及び水素が流出され、アノード１４Ａへと送出される。アノード１４Ａの出口側に一端が接続されたアノードオフガス路２２の他端は、排気気体室１２Ｂ１に接続されている。排気気体室１２Ｂ１には、外部へ気体を排出するための排気管１９が接続されている。アノード１４Ａからアノードオフガス路２２へアノードオフガスが排出される。アノードオフガス路２２には、冷却器１７が設けられている。アノードオフガスは、冷却器１７で冷却されて水蒸気が凝縮され、排気気体室１２Ｂ１へ流入される。
【００４７】
カソード排出水循環路２８の他端は、貯水バブラー１２の循環気体室１３Ｂ２と接続されている。
【００４８】
次に、本実施形態の作用について説明する。
ポンプＰ１の駆動により、貯水バブラー１２の液体貯留部１２Ａに水素配管１８から粗精製水素が導入される。貯水バブラー１２では、液体貯留部１２Ａが加熱され、貯留された液相の水が気化され、導入された粗精製水素と共に水蒸気が気体貯留部１２Ｂへ移動する。そして、水素及び水蒸気が水素導入路２０を経て水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入される。即ち、貯水バブラー１２で水素が加湿されて、水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入される。
【００４９】
水素圧縮機１４では、第１実施形態と同様に反応が進行し、カソード１４Ｃから水蒸気や液相の水を含んだ圧縮水素（カソード排出ガス）が、カソード排出路２６を介して水分離部１６へ送出される。
【００５０】
水分離部１６では、カソード排出ガスから水が分離され、精製された圧縮水素が圧縮水素出力路２４から送出される。一方、分離された水は、カソード排出水循環路２８から送出される。送出された水は、減圧バルブＶ１で減圧され、液相で貯水バブラー１２の循環気体室１２Ｂ２へ供給される。循環気体室１２Ｂ２では、液相の水が液体貯留部１２Ａに貯留され、水に溶解していた水素が気体貯留部１２Ｂへ放出される。
【００５１】
アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスは、冷却器１７へ送出される。アノードオフガスには、カソード１４Ｃへ移動しなかった水蒸気、その他の気体（一酸化炭素や二酸化炭素等）が含まれている。冷却器１７で冷却されたアノードオフガスは、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮され、排気気体室１２Ｂ１へ送出される。凝縮された水は液体貯留部１２Ａに貯留され、それ以外の気体は、排気気体室１２Ｂ１から排気管１９を通ってから外部へ排出される。
【００５２】
本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｂでは、貯水バブラー１２で水素が加湿されて水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入されるので、高湿の状態でイオン伝導体１４Ｂを使用することができ、効率よく圧縮水素を製造することができる。
【００５３】
また、アノードオフガス中の水蒸気は、アノードオフガス路２２を経て凝縮されて貯水バブラー１２へ回収され、再び気化されて水素導入路２０を介してアノード１４Ａへ供給されるので、圧縮水素製造システム１０Ｂ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。
【００５４】
また、カソード排出ガスから分離された水についても、カソード排出水循環路２８から貯水バブラー１２を経て再度アノード１４Ａへ供給されるので、圧縮水素製造システム１０Ｂ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。
【００５５】
また、水素配管１８から液体貯留部１２Ａの循環側１２Ａ２へ粗精製水素を送出するので、液体貯留部１２Ａに貯留された液相の水の蒸発を促進することができる。また、液体貯留部１２Ａの水を蒸発させつつ、水素と水蒸気を共に水素導入路２０へ送出することができる。
【００５６】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態については、第１、第２実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５７】
本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｃでは、主に水蒸気供給部３０を有している点、及び、貯水バブラー１２に代えて、貯水タンク１３を有している点、が第１実施形態と異なっている。
【００５８】
水蒸気供給部３０は、水分離膜３０Ｂにより互いに隔離された水供給部３０Ｃと水蒸気透過部３０Ａを有している。水分離膜３０Ｂは、水供給部３０Ｃを流れる水（液相）の一部を水蒸気として透過させる機能を有する。すなわち、水分離膜３０Ｂは、膜蒸留が可能な膜であり、水供給部３０Ｃと水蒸気透過部３０Ａとの分圧差などがあることで、水供給部３０Ｃの一部の水を水蒸気として水蒸気透過部３０Ａ側に透過させるものである。水分離膜３０Ｂは、例えば、水蒸気を透過させる複数の微細な孔を有する多孔膜で形成することができる。
【００５９】
貯水タンク１３は、液相の水を貯留可能な液体貯留部１３Ａと、液体貯留部１３Ａと連通した気体貯留部１３Ｂを有している。貯水タンク１３の下側に液体貯留部１３Ａが配置され、貯水タンク１３の上側に液体貯留部１３Ａと連通された気体貯留部１３Ｂが配置されている。
【００６０】
水蒸気供給部３０の水蒸気透過部３０Ａの入口には、水素導入路としての水素配管１８の一端が接続されている。水素配管１８には、ポンプＰ１が設けられている。水素配管１８の他端は、不図示の水素タンク等と接続されている。水素配管１８を通って、第１実施形態と同様の純度が高く水蒸気含有量が低い、ドライ水素（気相）が水蒸気透過部３０Ａへ流入される。
【００６１】
水蒸気供給部３０の水供給部３０Ｃの入口には、水供給管３２の一端が接続されており、水供給管３２の他端は、貯水タンク１３の液体貯留部１３Ａと接続されている。水供給管３２には、ポンプＰ２が設けられており、ポンプＰ２により、液体貯留部１３Ａから水供給管３２を通って、水蒸気供給部３０の水供給部３０Ｃへ水が供給される。水供給部３０Ｃの出口には、水循環管３４の一端が接続されており、水循環管３４の他端が貯水タンク１３と接続されている。水供給部３０Ｃから水循環管３４を通って、水が貯水タンク１３へ戻される。
【００６２】
貯水タンク１３の気体貯留部１３Ｂには、水蒸気供給管３６の一端が接続され、水蒸気供給管３６の他端は、水素配管１８と接続されている。気体貯留部１３Ｂからは、水蒸気及び水に溶存していた水素が気体貯留部１３Ｂへ放出されたものが送出され、水素配管１８を通ってポンプＰ１で送出された水素と共に水蒸気供給部３０の水蒸気透過部３０Ａへ供給される。水蒸気透過部３０Ａの出口には、加湿水素導入路３８の一端が接続され、加湿水素導入路３８の他端は、水素圧縮機１４のアノード１４Ａの入口に接続されている。水蒸気透過部３０Ａから、アノード１４Ａの入口へ、水蒸気及び水素、すなわち加湿された水素が供給される。
【００６３】
アノード１４Ａの出口には、アノードオフガス路２２の一端が接続され、アノードオフガス路２２の他端は、水素配管１８のポンプＰ１よりも上流側に接続されている。
【００６４】
次に、本実施形態の作用について説明する。
ポンプＰ１の駆動により、水蒸気供給部３０の水蒸気透過部３０Ａに水素配管１８から水素が導入される。貯水タンク１３の液体貯留部１３Ａからは、水蒸気供給部３０の水供給部３０Ｃへ液相の水が供給される。水蒸気供給部３０では、水供給部３０Ｃへ供給された水の一部が水分離膜３０Ｂを水蒸気として透過して水蒸気透過部３０Ａ側に移動する。水蒸気透過部３０Ａからアノード１４Ａの入口へ、加湿水素導入路３８を介して、水蒸気及び水素が供給される。
【００６５】
水素圧縮機１４では、第１実施形態と同様に反応が進行し、カソード１４Ｃから水蒸気及び液相の水を含んだ圧縮水素（カソード排出ガス）が、カソード排出ガス路２６を介して水分離部１６へ送出される。
【００６６】
水分離部１６では、カソード排出ガスから水が分離され、圧縮水素が圧縮水素出力路２４から送出される。一方、分離された水は、カソード排出水循環路２８から送出される。送出された水は、減圧バルブＶ１で減圧され、貯水タンク１３へ供給される。貯水タンク１３では、水が液体貯留部１３Ａに貯留され、水に溶解していた水素が気体貯留部１３Ｂへ放出される。
【００６７】
アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスは、水素配管１８のポンプＰ１よりも上流側で純水素と合流し、水蒸気透過部３０Ａへ送出される。アノードオフガスには、カソード１４Ｃへ移動しなかった水蒸気、その他の気体（水素、一酸化炭素、二酸化炭素等）が含まれている。
【００６８】
本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｃでは、水蒸気供給部３０で水素が加湿されて水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入されるので、高湿の状態でイオン伝導体１４Ｂを使用することができ、効率よく圧縮水素を製造することができる。
【００６９】
また、アノードオフガス中の水蒸気は、アノードオフガス路２２を経て水素配管１８へ供給されるので、圧縮水素製造システム１０Ｃ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。
【００７０】
また、カソード排出ガスから分離された水についても、カソード排出水循環路２８から貯水タンク１３を経て再度アノード１４Ａへ供給されるので、圧縮水素製造システム１０Ｃ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。
【００７１】
なお、本実施形態では、アノードオフガス路２２の他端を、水素配管１８のポンプＰ１よりも上流側で合流させたが、ポンプＰ１よりも下流側で合流させてもよい。本実施形態のように、水素配管１８のポンプＰ１よりも上流側で合流させることにより、別途循環ブロワや逆止弁等を設ける必要がなく、簡易な構成にすることができる。
【００７２】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態については、第１〜第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７３】
本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｄでは、主に純水素ではなく、第２実施形態と同様の粗精製水素をアノード１４Ａに導入する点が、第３実施形態と異なっている。
【００７４】
水素配管１８の他端は、不図示の粗精製水素を供給する水素タンク等と接続されており、水素配管１８を介して粗精製水素が水蒸気供給部３０の水蒸気透過部３０Ａの入口へ供給される。
【００７５】
貯水タンク１３には、仕切板１３Ｗが設けられている。仕切板１３Ｗは、気体貯留部１３Ｂの上部から下方へ延出され、液体貯留部１３Ａの液面よりも下側まで伸びている。貯水タンク１３の内部は、気体貯留部１３Ｂが排気気体室１３Ｂ１と循環気体室１３Ｂ２に区画され、液体貯留部１３Ａが排気側１３Ａ１と循環側１３Ａ２に区画されている。気体貯留部１３Ｂの排気気体室１３Ｂ１と循環気体室１３Ｂ２は互いに隔離されており、液体貯留部１３Ａの排気側１３Ａ１と循環側１３Ａ２は連通されている。
【００７６】
貯水タンク１３の循環気体室１２Ｂ２には、水蒸気供給管３６の一端が接続され、水蒸気供給管３６の他端は、水素配管１８と接続されている。循環気体室１２Ｂ２からは、水蒸気が送出され、水素配管１８で水素と共に水蒸気供給部３０の水蒸気透過部３０Ａへ供給される。
【００７７】
水蒸気供給部３０の水供給部３０Ｃの入口には、水供給管３２の一端が接続されており、水供給管３２の他端は、貯水タンク１３の液体貯留部１３Ａの循環側１３Ａ２と接続されている。水供給管３２には、ポンプＰ２が設けられており、ポンプＰ２により、液体貯留部１３Ａの循環側１３Ａ２から水供給管３２を通って、水蒸気供給部３０の水供給部３０Ｃへ水が供給される。
【００７８】
アノード１４Ａの出口側に一端が接続されたアノードオフガス路２２の他端は、排気気体室１３Ｂ１に接続されている。排気気体室１３Ｂ１には、外部へ気体を排出するための排気管１９が接続されている。アノードオフガスは、冷却器１７で冷却されて水蒸気が凝縮され、排気気体室１３Ｂ１へ流入される。
【００７９】
カソード排出水循環路２８の他端は、貯水タンク１３の循環気体室１２Ｂ２と接続されている。
【００８０】
次に、本実施形態の作用について説明する。
水蒸気供給部３０の水蒸気透過部３０Ａに水素配管１８から粗精製水素が導入される。貯水タンク１３の液体貯留部１３Ａの循環側１３Ａ２からは、水蒸気供給部３０の水供給部３０Ｃへ液相の水が供給される。水蒸気供給部３０では、第３実施形態と同様に、水供給部３０Ｃへ供給された水の一部が水分離膜３０Ｂを水蒸気として透過して水蒸気透過部３０Ａ側に移動する。水蒸気透過部３０Ａからアノード１４Ａの入口へ、加湿水素導入路３８を介して、水蒸気及び水素が供給される。
【００８１】
水素圧縮機１４では、第１実施形態と同様に反応が進行し、カソード１４Ｃから水を含んだ圧縮水素（カソード排出ガス）が、カソード排出ガス路２６を介して水分離部１６へ送出される。
【００８２】
水分離部１６では、カソード排出ガスから水が分離され、精製された圧縮水素が圧縮水素出力路２４から送出される。一方、分離された水は、カソード排出水循環路２８から送出される。送出された水は、減圧バルブＶ１で減圧され、貯水タンク１３の循環気体室１３Ｂ２へ供給される。循環気体室１３Ｂ２では、水が液体貯留部１３Ａに貯留され、水に溶解していた水素が循環気体室１３Ｂ２へ放出される。
【００８３】
アノード１４Ａから排出されたアノードオフガスは、第２実施形態と同様に、冷却器１７を経て、排気気体室１３Ｂ１へ送出される。凝縮された水は液体貯留部１３Ａに貯留され、それ以外の気体は、排気管１９から外部へ排出される。
【００８４】
本実施形態の圧縮水素製造システム１０Ｄでは、水蒸気供給部３０で水素が加湿されて水素圧縮機１４のアノード１４Ａへ導入されるので、高湿の状態でイオン伝導体１４Ｂを使用することができ、効率よく圧縮水素を製造することができる。
【００８５】
また、アノードオフガス中の水蒸気は、アノードオフガス路２２の途中に設けられた冷却器１７を経て凝縮されて貯水タンク１３へ回収され、再び気化されて循環気体室１３Ｂ２から送出されるので、圧縮水素製造システム１０Ｄ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。
【００８６】
また、カソードオフガスから分離された水についても、カソード排出水循環路２８から貯水タンク１３の循環気体室１３Ｂ２へ送出されて再度アノード１４Ａへ供給されるので、圧縮水素製造システム１０Ｄ内で水を循環させることができ、水を有効利用することができる。
【００８７】
なお、上記の第１〜第４実施形態では貯水タンク１３に外部から水を導入する水導入管を設けていないが、水不足時などに対応できるように、例えばイオン交換された水を貯水タンク１３へ導入する経路を設けても良い。
【符号の説明】
【００８８】
１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  圧縮水素製造システム
１２   貯水バブラー（加湿部）、  １３  貯水タンク（加湿部）
１２Ａ、１３Ａ  液体貯留部
１２Ｂ１、１３Ｂ１  排気気体室、  １２Ｂ、１３Ｂ  気体貯留部
１２Ｂ２、１３Ｂ２  循環気体室、    １４  水素圧縮機
１４Ａ  アノード、  １４Ｂ  イオン伝導体（電解質膜）、  １４Ｃ  カソード
１８  水素配管（水素導入路）、２０  水素導入路、  ２２  アノードオフガス路
２８  カソード排出水循環路、  ３０ 水蒸気供給部
３０Ａ  水蒸気透過部（透過部）、  ３０Ｂ  水分離膜（水蒸気透過膜）
３０Ｃ 水供給部（非透過部）、  ３４  水循環管（水戻管）、  ３６  水蒸気供給管
３８   加湿水素導入路（水素導入路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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