(57)【要約】      （修正有）【課題】従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法を提供する。【解決手段】電気化学式水素ポンプ１００は、一対の主面を備えるプロトン伝導性電解質膜１０、プロトン伝導性電解質膜の一方の主面に設けられたカソードＣＡ、プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたアノードＡＮを含むセル２０と、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器１４と、セルを冷却する冷却器２１Ｂと、カソード上のカソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、冷却器を制御して、セルの単位時間当たりの冷却量を増加させる制御器５０と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の主面を備えるプロトン伝導性電解質膜、前記プロトン伝導性電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、前記プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルと、
前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、
前記セルを冷却する冷却器と、
前記カソード上のカソードガス流路の圧力が上昇すると、前記冷却器を制御して、前記セルの単位時間当たりの冷却量を増加させる制御器と、
を備える電気化学式水素ポンプ。
【請求項２】
前記制御器は、前記カソードガス流路の圧力が上昇すると、前記冷却器を制御して、前記セルの温度が下がるように、前記セルの単位時間当たりの冷却量を増加させる請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項３】
前記セルを加熱する加熱器を備え、
前記制御器は、前記カソードガス流路の圧力が上昇すると、前記加熱器の加熱量を低下させる請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項４】
前記制御器は、前記電圧印加器で前記電圧を印加する前に、前記加熱器の加熱動作を開始し、前記セルの温度を上昇させる請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項５】
前記制御器は、前記電圧印加器で前記電圧を印加し、前記カソードガス流路の圧力が上昇する期間の少なくとも一部において、前記加熱器の加熱により前記セルの温度を上昇させ、その後、前記カソードガス流路の圧力が上昇すると、前記加熱器の加熱量を低下させる請求項３に記載の電気化学式水素ポンプ。
【請求項６】
一対の主面を備えるプロトン伝導性電解質膜の一方の主面に設けられたカソードと、前記プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたアノードとの間に電圧を印加し、前記カソードに昇圧された水素を供給するステップと、
前記カソード上のカソードガス流路の圧力が上昇すると、前記プロトン伝導性電解質膜、前記アノードおよび前記カソードを含むセルを冷却する冷却器の単位時間当たりの冷却量を増加させるステップと、
を備える電気化学式水素ポンプの運転方法。
【請求項７】
前記カソードガス流路の圧力が上昇すると、前記セルの温度が下がるように冷却器の単位時間当たりの冷却量を増加させる、請求項６に記載の電気化学式水素ポンプの運転方法。
【請求項８】
前記カソードガス流路の圧力が上昇すると、前記セルを加熱する加熱器の加熱量を低下させる請求項７に記載の電気化学式水素ポンプの運転方法。
【請求項９】
前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器で前記電圧を印加する前に、前記加熱器の加熱動作を開始し、前記セルの温度を上昇させるステップを備える請求項８に記載の電気化学式水素ポンプの運転方法。
【請求項１０】
前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器で前記電圧を印加し、前記カソードガス流路の圧力が上昇する期間の少なくとも一部において、前記加熱器の加熱により前記セルの温度を上昇させるステップを備え、その後、前記カソードガス流路の圧力が上昇すると、前記加熱器の加熱量を低下させる請求項８に記載の電気化学式水素ポンプの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法に関する。
【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、水素供給インフラを整備する必要がある。
【０００４】
そこで、水素供給インフラで水素を安定に供給するために、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、アノードおよびカソード間に電解質膜が設けられ、これらのアノードおよびカソード間に電圧を印加することによって、水素の精製および昇圧が行われる水素精製昇圧システムが記載されている。なお、アノード、電解質膜およびカソードの積層構造体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assemblyを略す場合がある）という。
【０００６】
このような水素精製昇圧システムにおいては、カソード側の高ガス圧による押圧に対して、電解質膜およびアノード給電体が変形することで、カソード給電体と、電解質膜およびアノード給電体との間で接触抵抗が増加する可能性がある。
【０００７】
そこで、特許文献２には、電解質膜およびアノード給電体の変形に対して、カソード給電体を電解質膜に密着させるための皿バネまたはコイルバネを備える押圧構造が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１５−１１７１３９号公報
【特許文献２】特開２００６−７０３２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、水素エネルギーを高効率で利用することが従来から望まれているので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率向上が重要である。
【００１０】
ここで、従来例では、電気化学式水素ポンプの触媒層と給電体との間の電気的接触の視点から水素圧縮動作の効率を向上することが検討されているが、電気化学式水素ポンプの水素の拡散性を確保する視点から水素圧縮動作の効率を向上することは検討されていない。
【００１１】
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、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備えるプロトン伝導性電解質膜、前記プロトン伝導性電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、前記プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、前記セルを冷却する冷却器と、前記カソード上のカソードガス流路の圧力が上昇すると、前記冷却器を制御して、前記セルの単位時間当たりの冷却量を増加させる制御器と、を備える。
【００１３】
また、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、一対の主面を備えるプロトン伝導性電解質膜の一方の主面に設けられたカソードと、前記プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたアノードとの間に電圧を印加し、前記カソードに昇圧された水素を供給するステップと、前記カソード上のカソードガス流路の圧力が上昇すると、前記プロトン伝導性電解質膜、前記アノードおよび前記カソードを含むセルを冷却する冷却器の単位時間当たりの冷却量を増加させるステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１４】
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法は、従来よりも水素圧縮動作の効率を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、ＭＥＡの温度をパラメータとして、電気化学式水素ポンプにおけるカソード側圧力と電圧との相関をプロットした実験結果の一例を示す図である。
【図２】図２は、ＭＥＡの温度をパラメータとして、電気化学式水素ポンプにおけるカソード側圧力とＭＥＡのＡＳＲとの相関をプロットした実験結果の一例を示す図である。
【図３】図３は、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
【図５】図５は、実施形態の電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作におけるセルの温度の一例を示す図である。
【図６】図６は、実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ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水素圧縮動作の効率向上について鋭意検討が行われ、電気化学式水素ポンプのＭＥＡ（セル）における水の分布状態によりポンプ性能が左右されることが次第に明らかになってきた。
【００１７】
例えば、ＭＥＡの電解質膜における高プロトン伝導度の確保には、電解質膜を所望の湿潤状態に維持することが必要である。つまり、電解質膜を湿潤状態は、電解質膜の電気抵抗と直結しており、電気化学式水素ポンプのセル抵抗を左右する重要な要因となる。そして、このセル抵抗の増加は、電気化学式水素ポンプの動作効率を低下させる。そこで、例えば、ＭＥＡのアノードに供給する水素（Ｈ２）を加湿器により予め加湿する構成を取ることが多い。
【００１８】
ここで、ＭＥＡのアノードとカソードとの間に電流が流れるとき、プロトンがアノードからカソードへ水分子を同伴しながら電解質膜を移動する（電気浸透）。このとき、ＭＥＡの温度が高い程、電解質膜のプロトン伝導度が高いので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率が良い。
【００１９】
一方、ＭＥＡのアノードからカソードに移動した電気浸透水は、ＭＥＡのカソードおよびアノード間の差圧によってカソードからアノードに移動する（逆拡散）。このとき、電解質膜を逆拡散する水の量は、ＭＥＡのカソードおよびアノード間の差圧、および、ＭＥＡの温度に依存する。具体的には、ＭＥＡのカソードからアノードに移動する水の量は、カソード側のガス圧力（以下、カソード側圧力）が高いほど、および、ＭＥＡの温度が高いほど、増加する。
【００２０】
発明者らは、以上の視点から電気化学式水素ポンプのＭＥＡの温度を適切に制御することで、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を向上し得ることを見出した。そして、かかる知見を以下の実験により検証した。
【００２１】
図１は、ＭＥＡの温度をパラメータとして、電気化学式水素ポンプにおけるカソード側圧力と電圧との相関をプロットした実験結果の一例を示す図である。
【００２２】
本実験で使用したＭＥＡ（単セル）は、直径が約６７ｍｍ程度の白金メッキを施したＴｉ（チタン）粉末焼結体がアノードガス拡散層に用いられ、直径が約６７ｍｍ程度の白金メッキを施したＴｉ繊維焼結体がカソードガス拡散層に用いている。但し、このようなＭＥＡの構成は例示であって、本例に限定されない。
【００２３】
また、実験条件は、以下のとおりである。
【００２４】
まず、本実験は、ＭＥＡの４つの代表温度（３２℃、４０℃、５０℃および６５℃）をパラメータに取って、アノード側のガス圧力を０．２ＭＰａに固定させて、電気化学式水素ポンプのアノードおよびカソード間を電流密度換算で１Ａ／ｃｍ２の一定の電流が流れるようにして行われた。また、ＭＥＡのアノード側に供給する水素（Ｈ２）の露点が本実験のパラメータであるＭＥＡの温度とほぼ等しくなるように水素をフル加湿状態にして行われた。また、ＭＥＡの温度のそれぞれについて、ＭＥＡのカソード側ガス圧の昇圧開始の際には、ＭＥＡのアノード側を乾燥状態して行われ、最終的に、カソード側圧力を約２０ＭＰａ程度まで上昇させた。
【００２５】
但し、以上の実験条件は例示であって、本例に限定されない。
【００２６】
電気化学式水素ポンプのＭＥＡのアノードに上記の水素を供給した後、アノードおよびカソード間に上記電流を流す場合、ＭＥＡのカソード側を封止することによりカソード側圧力は、時間の経過とともに常圧から徐々に上昇する。
【００２７】
ここで、図１に示すように、カソード側圧力が約１４ＭＰａ以下の場合は、ＭＥＡの温度が高い程、電気化学式水素ポンプの電圧が低い。これは、ＭＥＡの温度が高い方が、ＭＥＡの温度が低い場合に比べて、電解質膜のプロトン伝導度が高いからである。そして、このことは、図２に示す如く、ＭＥＡの温度が高い程、カソード側圧力が常圧から２０ＭＰａの領域のいずれにおいても、電気化学式水素ポンプのＭＥＡのＡＳＲが低くなることから裏付けられている。
【００２８】
つまり、カソード側圧力が約１４ＭＰａ以下の領域では、ＭＥＡの温度が高い程、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を向上させることができる。
【００２９】
ところが、ＭＥＡの温度を６５℃に設定したとき、カソード側圧力が約１５ＭＰａ以上の高圧領域において、電気化学式水素ポンプの電圧が急激に上昇する現象が確認された。
【００３０】
また、ＭＥＡの温度を５０℃に設定したとき、カソード側圧力が約１９ＭＰａ以上の高圧領域において、電気化学式水素ポンプの電圧が急激に上昇する現象が確認された。
【００３１】
これに対して、ＭＥＡの温度を４０℃と３２℃に設定したときは、カソード側圧力が常圧から約２０ＭＰａの範囲では、電気化学式水素ポンプの電圧が急激に上昇する現象は確認されなかった。
【００３２】
以上の現象は、カソード側ガス圧が高いほど、および、ＭＥＡの温度が高いほど、カソードおよびアノード間の差圧によってカソードからアノードに移動する水の量が増加するので、フラディング（ガス流路の水による閉塞現象）によりアノード側で水素の拡散性が阻害されるからであると考えられる。
【００３３】
つまり、カソード側圧力の高圧領域では、ＭＥＡの温度を低く設定する方が、温度を高く設定する場合に比べて、ＭＥＡの水素の拡散性が適切に確保されるので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を向上させることができる。
【００３４】
なお、以上のカソード側圧力およびＭＥＡの温度は例示であって、本例に限定されない。
【００３５】
すなわち、本開示の第１態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備えるプロトン伝導性電解質膜、プロトン伝導性電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、セルを冷却する冷却器と、カソード上のカソードガス流路の圧力が上昇すると、冷却器を制御して、セルの単位時間当たりの冷却量を増加させる制御器と、を備える。
【００３６】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る。
【００３７】
ここで、カソードガス流路の圧力が高いほど、および、セルの温度が高いほど、カソードおよびアノード間の差圧によってカソードからアノードに移動する水の量が増加する。つまり、電解質膜を逆拡散する水の量は、カソードガス流路の圧力、および、セルの温度に対して正の相関関係がある。よって、カソードガス流路の圧力が高いほど、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性が高い。
【００３８】
そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス流路の圧力が上昇する過程において、冷却器により、セルの温度を適切に制御することで、このような可能性を低減できる。つまり、カソードガス流路の圧力が上昇すると、冷却器の冷却量を増加させることで、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。これにより、アノード側のアノードガスの拡散性阻害に起因する電気化学式水素ポンプの拡散過電圧の増加を抑制できるので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を高効率に維持できる。
【００３９】
なお、上記第１態様の電気化学式水素ポンプにおいて、「セルの単位時間当たりの冷却量を増加させる」とは、その結果、セルの温度が低下することを必ずしも意味しない。セルの単位時間当たりの冷却量を増加させれば、セルの温度が一定の場合、またはセルの温度上昇が緩和される場合も含む。このようなケースとして、カソードガス流路の圧力が上昇しているときに、セルが発熱するケースが例示される。
【００４０】
本開示の第２態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプにおいて、制御器は、カソードガス流路の圧力が上昇すると、冷却器を制御して、セルの温度が下がるように、セルの単位時間当たりの冷却量を増加させてもよい。
【００４１】
カソードガス流路の圧力が上昇する場合、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性があるが、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス流路の圧力が上昇すると、制御器によりセルの温度が下がるように、セルの単位時間当たりの冷却量を増加させるので、このような可能性を低減できる。
【００４２】
本開示の第３態様の電気化学式水素ポンプは、第１態様の電気化学式水素ポンプにおいて、セルを加熱する加熱器を備え、制御器は、カソードガス流路の圧力が上昇すると、加熱器の加熱量を低下させてもよい。
【００４３】
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス流路の圧力が上昇する過程において、加熱器により、セルの温度を適切に制御することができる。つまり、カソードガス流路の圧力が上昇すると、加熱器の加熱量を低下させることで、セルの温度上昇が緩和され、その結果、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。
【００４４】
本開示の第４態様の電気化学式水素ポンプは、第３態様の電気化学式水素ポンプにおいて、制御器は、電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加する前に、加熱器の加熱動作を開始し、セルの温度を上昇させてもよい。
【００４５】
電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加する前は、アノードおよびカソード間の差圧が発生しない。この場合、電解質膜における水の逆拡散が起こりにくいので、セルの温度を高温にしても、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害されにくい。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加する前に、加熱器の加熱動作を開始することで、かかる加熱動作を行わない場合に比べて、セルの温度を高温にすることができる。これにより、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の開始時に、電解質膜が高プロトン伝導度を示すので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を向上させることができる。
【００４６】
本開示の第５態様の電気化学式水素ポンプは、第３態様の電気化学式水素ポンプにおいて、制御器は、電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加し、カソードガス流路の圧力が上昇する期間の少なくとも一部において、加熱器の加熱によりセルの温度を上昇させ、その後、カソードガス流路の圧力が上昇すると、加熱器の加熱量を低下させてもよい。
【００４７】
かかる構成によると、カソードガス流路の圧力が上昇する過程において、加熱器によりセルの温度を適切に制御することができる。つまり、カソードガス流路の圧力が上昇する期間の少なくとも一部は、セルの温度を高温にしても、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害されにくい期間である。よって、このとき、セルの温度を上昇させることで電解質膜が高プロトン伝導度を示すので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を向上させることができる。また、その後、カソードガス流路の圧力が上昇すると、加熱器の加熱量を低下させることで、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。
【００４８】
本開示の第６態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、一対の主面を備える電解質膜の一方の主面に設けられたカソードと、電解質膜の他方の主面に設けられたアノードとの間に電圧を印加し、カソードに昇圧された水素を供給するステップと、カソード上のカソードガス流路の圧力が上昇すると、電解質膜、アノードおよびカソードを含むセルを冷却する冷却器の単位時間当たりの冷却量を増加させるステップと、を備える。
【００４９】
以上により、本態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る。
【００５０】
上記のとおり、電解質膜を逆拡散する水の量は、カソードガス流路の圧力、および、セルの温度に対して正の相関関係がある。よって、カソードガス流路の圧力が高いほど、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性が高い。
【００５１】
そこで、本態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、カソードガス流路の圧力が上昇する過程において、冷却器により、セルの温度を適切に制御することで、このような可能性を低減できる。つまり、カソードガス流路の圧力が上昇すると、冷却器の冷却量を増加させることで、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。これにより、アノード側のアノードガスの拡散性阻害に起因する電気化学式水素ポンプの拡散過電圧の増加を抑制できるので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を高効率に維持できる。
【００５２】
本開示の第７態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、第６態様の電気化学式水素ポンプの運転方法において、カソードガス流路の圧力が上昇すると、セルの温度が下がるように冷却器の単位時間当たりの冷却量を増加させもよい。
【００５３】
カソードガス流路の圧力が上昇する場合、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性があるが、本態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、カソードガス流路の圧力が上昇すると、セルの温度が下がるように冷却器の単位時間当たりの冷却量を増加させるので、このような可能性を低減できる。
【００５４】
本開示の第８態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、第７態様の電気化学式水素ポンプの運転方法において、カソードガス流路の圧力が上昇すると、セルを加熱する加熱器の加熱量を低下させてもよい。
【００５５】
以上により、本態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、カソードガス流路の圧力が上昇する過程において、加熱器により、セルの温度を適切に制御することができる。つまり、カソードガス流路の圧力が上昇すると、加熱器の加熱量を低下させることで、セルの温度上昇が緩和され、その結果、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。
【００５６】
本開示の第９態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、第８態様の電気化学式水素ポンプの運転方法において、電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加する前に、加熱器の加熱動作を開始し、セルの温度を上昇させるステップを備えてもよい。
【００５７】
電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加する前は、アノードおよびカソード間の差圧が発生しない。この場合、電解質膜における水の逆拡散が起こりにくいので、セルの温度を高温にしても、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害されにくい。よって、本態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加する前に、加熱器の加熱動作を開始することで、かかる加熱動作を行わない場合に比べて、セルの温度を高温にすることができる。これにより、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の開始時に、電解質膜が高プロトン伝導度を示すので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を向上させることができる。
【００５８】
本開示の第１０態様の電気化学式水素ポンプの運転方法は、第８態様の電気化学式水素ポンプの運転方法において、電圧印加器でアノードとカソードとの間に電圧を印加し、カソードガス流路の圧力が上昇する期間の少なくとも一部において、加熱器の加熱によりセルの温度を上昇させるステップを備え、その後、カソードガス流路の圧力が上昇すると、加熱器の加熱量を低下させてもよい。
【００５９】
以上により、カソードガス流路の圧力が上昇する過程において、加熱器によりセルの温度を適切に制御することができる。つまり、カソードガス流路の圧力が上昇する期間の少なくとも一部は、セルの温度を高温にしても、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害されにくい期間である。よって、このとき、セルの温度を上昇させることで電解質膜が高プロトン伝導度を示すので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率を向上させることができる。また、その後、カソードガス流路の圧力が上昇すると、加熱器の加熱量を低下させることで、フラディングによりアノード側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。
【００６０】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。よって、以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、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。また、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。
【００６１】
（実施形態）
［電気化学式水素ポンプの構成］
図３は、実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【００６２】
図３に示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、セル（ＭＥＡ）２０と、電圧印加器１４と、冷却器２１Ｂと、圧力計２２と、制御器５０と、を備える。ここで、セル２０は、プロトン伝導性電解質膜１０と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を備える。
【００６３】
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、セル２０が容器内を区画するように配置されている。そして、容器のアノードＡＮ側の領域が、アノードガスが流入するアノード室６を構成し、容器のカソードＣＡ側の領域が、水蒸気を含む水素ガス（以下、水素と略す）が流出するカソード室７を構成している。
【００６４】
ここで、アノードガスとして、例えば、水素含有ガスなどを挙げることができる。つまり、アノードＡＮで、水素含有ガス中の水素からプロトンが生成される。なお、水素含有ガスとして、例えば、改質ガス、水の電気分解で発生した水蒸気を含む水素含有ガスなどを挙げることができる。
【００６５】
そこで、以下、アノード室６に供給するアノードガスとして、水素含有ガスを用いる場合の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素供給システム２００の構成について説明する。
【００６６】
図３の電気化学式水素ポンプ１００では、外部から水素含有ガスがアノード室６内に流入する水素流入流路が、アノードガス流路６Ａを構成し、カソード室７に存在する水素がカソード室７外に流出する水素流出流路が、カソードガス流路７Ａを構成している。但し、かかる構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、アノード室６に、アノード室６から水素含有ガスが流出する水素流出流路が設けられていてもよい。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、アノード室６内を水素含有ガスが循環するように構成されていてもよい。
【００６７】
プロトン伝導性電解質膜１０は、一対の主面を備え、プロトン（Ｈ＋）を透過可能な膜である。プロトン伝導性電解質膜１０は、プロトン伝導性を有する電解質膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、プロトン伝導性電解質膜１０として、例えば、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系電解質膜などを挙げることができる。具体的には、例えば、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。
【００６８】
アノードＡＮは、プロトン伝導性電解質膜１０の一方の主面上に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を備える。そして、プロトン伝導性電解質膜１０の一方の主面には、上記のアノード触媒層が設けられている。
【００６９】
カソードＣＡは、プロトン伝導性電解質膜１０の他方の主面上に設けられている。
カソードＣＡは、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を備える。そして、プロトン伝導性電解質膜１０の他方の主面には、上記のカソード触媒層が設けられている。
【００７０】
ここで、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒金属として、例えば、白金（Ｐｔ）を用いることができるが、これに限定されない。また、アノード触媒層およびカソード触媒層の触媒担体としては、例えば、カーボンなどを挙げることができる。
【００７１】
なお、カソード触媒層もアノード触媒層も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボンなどの担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
【００７２】
カソードガス拡散層は、カソード触媒層に設けられている。カソードガス拡散層は、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。カソードガス拡散層は、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。
【００７３】
アノードガス拡散層は、アノード触媒層に設けられている。アノードガス拡散層は、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。アノードガス拡散層は、高圧によるプロトン伝導性電解質膜１０の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。
【００７４】
電圧印加器１４は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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１４の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器１４の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。電圧印加器１４により、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電が行われる。電圧印加器１４は、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電を行うことができれば、どのような構成であってもよい。
【００７５】
電圧印加器１４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。
【００７６】
また、電圧印加器１４は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００に供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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。
【００７７】
冷却器２１Ｂは、セル２０を冷却する装置である。冷却器２１Ｂは、セル２０を冷却することができれば、どのような構成であってもよい。冷却器２１Ｂは、例えば、電気化学式水素ポンプ１００を外周から冷却するように構成された冷却ファンなどであってもよいが、電気化学式水素ポンプ１００が、セル２０とセパレータを交互に積み重ねた積層体を備える場合、冷却器２１Ｂは、かかる積層体に冷水を循環させることでセル２０を冷却する冷却装置であってもよい。つまり、この場合、積層体内に冷水が通過する水流路（図示せず）が形成されており、冷却器２１Ｂは、かかる冷水を適温に維持するための装置を備える。なお、水流路は、例えば、セル２０と対向しないセパレータの裏面に形成されていてもよい。これにより、セル２０は、低温の冷水との熱交換により冷却される。
【００７８】
制御器５０は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、冷却器２１Ｂを制御して、セル２０の単位時間当たりの冷却量を増加させる。つまり、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、セル２０を冷却する冷却器２１Ｂの単位時間当たりの冷却量を増加させるステップが行われる。
【００７９】
例えば、制御器５０は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、冷却器２１Ｂを制御して、セル２０の温度が下がるように、セル２０の単位時間当たりの冷却量を増加させてもよい。つまり、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、セル２０の温度が下がるように冷却器２１Ｂの単位時間当たりの冷却量を増加させるステップが行われる。
【００８０】
ここで、例えば、冷却器２１Ｂが、セル２０とセパレータを交互に積み重ねた積層体に冷水を循環させることでセル２０を冷却する冷却装置である場合、制御器５０は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、かかる積層体に送る冷水の温度を低下させてもよい。
【００８１】
例えば、図３に示すように、カソード室７に存在する水素がカソード室７外に流出するカソードガス流路７Ａに圧力計２２が設けられ、制御器５０は、圧力計２２の計測データに基づいて、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、冷却器２１Ｂを制御して、セル２０の単位時間当たりの冷却量を増加させてもよい。
【００８２】
なお、本明細書において、「セル２０の単位時間当たりの冷却量を増加させる」とは、その結果、セル２０の温度が低下することを必ずしも意味しない。セル２０の単位時間当たりの冷却量を増加させれば、セル２０の温度が一定の場合、またはセル２０の温度上昇が緩和される場合も含む。このようなケースとして、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇しているときに、セル２０が発熱するケースが例示される。また、「セル２０の単位時間あたりの冷却量を増加させる」とは、かかる冷却量がゼロからの増加、つまり、冷却器２１Ｂをオフ（ＯＦＦ）からオン（ＯＮ）にする動作を含む。
【００８３】
ここで、上記において、冷却器２１Ｂによりセル２０の温度を低下させるときは、露点調整器３１（図４参照；例えば、加湿器）を用いて、電気化学式水素ポンプ１００のアノード室６に流入する水素含有ガスの露点を、セル２０の温度に合わせて低下させる方が望ましい。例えば、アノード室６に流入する水素含有ガスの露点がセル２０の温度以下になるよう加湿器で、水素含有ガスの露点を調整してもよい。
【００８４】
制御器５０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であってもよい。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。
【００８５】
なお、図３には示されていないが、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作において必要となる部材は適宜、設けられる。
【００８６】
例えば、一対のカーボン製のセパレータのそれぞれが、セル２０のアノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれを外側から挟んでいてもよい。この場合、アノードＡＮに接触するセパレータは、アノードＡＮに水素含有ガスを供給するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、アノードＡＮに供給する水素含有ガスが流れる流体流路を備える。カソードＣＡに接触するセパレータは、カソードＣＡから水素を導出するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、カソードＣＡから導出した水素が流れる流体流路を備える。これらの流体流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に流体流路の溝を、例えば、サーペンタイン状に形成することが一般的である。
【００８７】
また、電気化学式水素ポンプ１００では、通常、高圧の水素が外部へリークしないように、セル２０の両側からガスケットなどのシール材が設けられ、セル２０と一体化して予め組み立てられる。そして、セル２０の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するセル２０同士を互いに電気的に直列に接続するための上記のセパレータが配置されている。
【００８８】
セル２０とセパレータを交互に重ねて、セル２０を１０〜２００積層し、その積層体を、集電板および絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層構造である。なお、この場合、セパレータのそれぞれの流体流路に適量の流体を供給するには、セパレータのそれぞれにおいて、適宜の管路から溝状の分岐経路を分岐させ、これらの下流端が、セパレータのそれぞれの流体流路に連結するように構成する必要がある。このような管路のことをマニホルドといい、このマニホルドは、セパレータのそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。
【００８９】
なお、以上の図示しない部材は例示であって、本例に限定されない。
【００９０】
［水素供給システムの構成］
図４は、実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
【００９１】
図４に示す例では、水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、水素製造器３０と、露点調整器３１と、水素貯蔵器３２と、第１水素供給器３３と、第２水素供給器３４と、を備える。図４の電気化学式水素ポンプ１００は、図３の電気化学式水素ポンプ１００と同様であるので説明を省略する。
【００９２】
水素製造器３０は、水素含有ガスを製造する装置である。水素製造器３０は、水素含有ガスを製造することができれば、どのような構成であってもよい。水素製造器３０として、例えば、水の電気分解により、水素含有ガスを発生する水電解装置を挙げることができるが、これに限定されない。なお、図示を省略するが、水電解装置で水素含有ガスを発生するのに必要な機器が適宜、設けられる。例えば、水電解装置に水を供給するための水ポンプ、水の電気分解により発生したプロトンを伝導するための電解質膜などが設けられていてもよい。また、電解質膜の主面のそれぞれに触媒層が設けられてもよい。そして、これらの触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器が設けられていてもよい。
【００９３】
水素貯蔵器３２は、電気化学式水素ポンプ１００のカソード室７よりカソードガス流路７Ａ（図３参照）を通じて供給された高圧の水素（Ｈ２）を貯蔵する装置である。水素貯蔵器３２は、このような水素を貯蔵することができれば、どのような構成であってもよい。水素貯蔵器３２として、例えば、タンクを挙げることができるが、これに限定されない。
【００９４】
なお、水素貯蔵器３２の水素は、適時に、水素需要体に供給されてもよい。水素需要体として、例えば、家庭用または自動車用の燃料電池などを挙げることができる。
【００９５】
露点調整器３１は、電気化学式水素ポンプ１００のアノード室６にアノードガス流路６Ａ（図３参照）を通じて供給される水素含有ガスの露点を調整する装置である。露点調整器３１は、このような水素含有ガスの露点を調整することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、露点調整器３１は、水素含有ガスを加湿する加湿器を備えてもよい。加湿器として、例えば、水素含有ガスを温水に通気して加湿するバブラー構成の加湿器、水素含有ガスを透湿膜で加湿する構成の加湿器などを挙げることができる。
【００９６】
第１水素供給器３３は、水素製造器３０により露点調整器３１に供給される水素含有ガスの流量を調整する装置である。第１水素供給器３３は、露点調整器３１に供給される水素含有ガスの流量を調整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水素供給器３３として、例えば、開閉弁、マスフローコントローラ、流量調整弁などを挙げることができる。
【００９７】
第２水素供給器３４は、水素製造器３０により露点調整器３１をバイパスして電気化学式水素ポンプ１００のアノード室６に供給される水素含有ガスの流量を調整する装置である。第２水素供給器３４は、アノード室６に供給される水素含有ガスの流量を調整することがきれば、どのような構成であってもよい。第２水素供給器３４として、例えば、開閉弁、マスフローコントローラ、流量調整弁などを挙げることができる。
【００９８】
なお、第１水素供給器３３および第２水素供給器３４に代えて、第２水素供給器３４が設けられるバイパス流路の分岐部に、第１水素供給器３３と第２水素供給器３４とを兼用する第３水素供給器（図示せず）を設けてもよい。第３水素供給器としては、三方切替弁、三方流量調整弁などが例示される。
【００９９】
また、アノード室６内の水素含有ガスを排出し、水素製造器３０と上記の分岐部との間の水素供給流路に送るためのリサイクル流路（図示せず）が設けられていてもよい。
【０１００】
以上の構成により、本実施形態の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００のアノード室６に供給される水素含有ガスの加湿量を露点調整器３１により適量に調整することができる。例えば、露点調整器３１が、例えば、上記のバブラー構成の加湿器を備える場合、温水の温度により、水素含有ガスの加湿量を適切に調整することができる。
【０１０１】
また、本実施形態の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００のアノード室６に供給される水素含有ガスの加湿量を、露点調整器３１を通過する湿潤状態の水素含有ガスと露点調整器３１をバイパスする乾燥状態の水素含有ガスとを混合させることにより、適量に調整することができる。
【０１０２】
なお、このとき、露点調整器３１をバイパスする乾燥状態の水素含有ガスの温度は、露点調整器３１を通過する湿潤状態の水素含有ガスに比べて低温であることが多いので、露点調整器３１をバイパスする乾燥状態の水素含有ガスの流量を多くすることにより、電気化学式水素ポンプ１００のセル２０を冷却することもできる。
【０１０３】
［動作］
以下、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の運転方法（水素圧縮動作）について図面を参照しながら説明する。ただし、ここでは、アノードＡＮに供給するアノードガスとして、水素含有ガスを用いる場合の電気化学式水素ポンプ１００の運転方法について説明する。
【０１０４】
なお、以下に示す動作は、例えば、制御器５０の演算回路が記憶回路から制御プログラムを読み出すことで行われる。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構わない。
【０１０５】
まず、電圧印加器１４により、セル２０のアノードＡＮとカソードＣＡの間に電圧を印加する。
【０１０６】
次に、セル２０に水素含有ガスが供給されると、水素含有ガス中の水素（Ｈ２）は、アノードＡＮ上で電子を遊離してプロトン（Ｈ＋）となる（式（１））。遊離した電子は、電圧印加器１４を介してカソードＣＡへと移動する。
【０１０７】
一方、プロトンは、プロトン伝導性電解質膜１０内を透過し、カソードＣＡに触れる。カソードＣＡでは、プロトン伝導性電解質膜１０を透過したプロトンと電子とによって還元反応が行われ、水素（Ｈ２）が生成される（式（２））。
【０１０８】
ここで、アノード室６のガス圧ＰＡＮと、カソード室７のガス圧ＰＣＡと、電圧印加器１４の電圧Ｅとの間の関係式は、以下の酸化還元反応におけるネルンストの式（３）から導かれ、この式（３）から、電圧印加器１４の電圧Ｅを上げることで、カソード室７のガス圧ＰＣＡを上昇させ得ることが容易に理解できる。
【０１０９】
アノードＡＮ：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−・・・（１）
カソードＣＡ：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）・・・（２）
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（ＰＣＡ／ＰＡＮ）＋ｉｒ・・・（３）
式（３）において、Ｒは気体定数（８.３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、ＰＣＡはカソード室７のガス圧、ＰＡＮはアノード室６のガス圧、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ２）、ｒはセル抵抗（Ω・ｃｍ２）である。
【０１１０】
このようにして、カソードＣＡとアノードＡＮとの間に電圧を印加し、カソードＣＡに昇圧された水素を供給するステップが行われる。
【０１１１】
ここで、図３に示すように、セル２０のアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電流が流れるとき、プロトン（Ｈ＋）がアノードＡＮからカソードＣＡへ水分子を同伴しながらプロトン伝導性電解質膜１０を移動する（電気浸透）。このとき、セル２０の温度が高い程、プロトン伝導性電解質膜１０のプロトン伝導度が高いので、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率が良い。
【０１１２】
一方、セル２０のアノードＡＮからカソードＣＡに移動した水は、図３の一点鎖線で示す如く、セル２０のカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によってカソードＣＡからアノードＡＮに移動する（逆拡散）。このとき、プロトン伝導性電解質膜１０を逆拡散する水の量は、セル２０のカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧、および、セル２０の温度に依存する。具体的には、セル２０のカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水の量は、カソード室７のガス圧が高いほど、および、セル２０の温度が高いほど、増加する。
【０１１３】
そこで、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００の運転方法では、以上の視点からセル２０の温度が、以下の如く制御されている。なお、以下では、カソード側圧力Ｐｘが上昇すると、セル２０の温度を下げる制御が例示されている。
【０１１４】
図５は、実施形態の電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作におけるセルの温度の一例を示す図である。図５の横軸には、カソードガス流路７Ａの圧力（以下、カソード側圧力Ｐｘ）が取られ、縦軸には、電気化学式水素ポンプ１００のセル２０の温度（以下、セル温度Ｔｘ）取られている。
【０１１５】
まず、電気化学式水素ポンプ１００の起動の際には、制御器５０は、冷却器２１Ｂを制御して、セル温度Ｔｘを温度Ｔ１にまで上げる。ここで、温度Ｔ１を、例えば、約６５℃程度に設定してもよい。
【０１１６】
そして、カソード側圧力Ｐｘが高くない水素圧縮動作の初期段階（本例では、圧力Ｐ１未満の圧力区間）では、プロトン伝導性電解質膜１０を逆拡散する水の量は少ない。よって、このような初期段階では、制御器５０は、冷却器２１Ｂを制御して、セル温度Ｔｘを温度Ｔ１に維持している。
【０１１７】
次に、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ１に到達すると、セル温度Ｔｘが温度Ｔ１のままでは、プロトン伝導性電解質膜１０を逆拡散する水の量が増え過ぎることで、フラディングによりアノードＡＮ側で水素含有ガスの拡散性が阻害される恐れが生じる。
【０１１８】
そこで、制御器５０は、冷却器２１Ｂを制御して、カソードガス流路７Ａの圧力が高いほど、セル２０の温度を低下させる。つまり、カソードガス流路７Ａの圧力が高いほど（例えば、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると）、冷却器２１Ｂによりセル２０の温度を低下させるステップが行われる。
【０１１９】
一例として、図５に示すように、制御器５０は、冷却器２１Ｂを制御して、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ１から圧力Ｐ２まで上昇すると、セル温度Ｔｘを温度Ｔ１から温度Ｔ２にまで低下させる。具体的には、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ２に到達したとき、セル温度Ｔｘが、温度Ｔ２になるように、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ１から上昇するに連れて、カソード側圧力Ｐｘに対してセル温度Ｔｘをほぼ直線的に低下させている。ここで、温度Ｔ２を、例えば、約５０℃程度に設定してもよい。また、圧力Ｐ１および圧力Ｐ２をそれぞれ、約１２ＭＰａ程度および約１５ＭＰａ程度に設定してもよい。
【０１２０】
次に、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ３に到達すると、セル温度Ｔｘが温度Ｔ２のままでは、プロトン伝導性電解質膜１０を逆拡散する水の量が増え過ぎることで、フラディングによりアノードＡＮ側で水素含有ガスの拡散性が阻害される恐れが生じる。
【０１２１】
そこで、制御器５０は、冷却器２１Ｂを制御して、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ３から圧力Ｐ４まで上昇すると、セル温度Ｔｘを温度Ｔ２から温度Ｔ３にまで低下させる。具体的には、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ４に到達したとき、セル温度Ｔｘが、温度Ｔ３になるように、カソード側圧力Ｐｘが圧力Ｐ３から上昇するに連れて、カソード側圧力Ｐｘに対してセル温度Ｔｘをほぼ直線的に低下させている。ここで、温度Ｔ３を、例えば、約４０℃程度に設定してもよい。また、圧力Ｐ３および圧力Ｐ４をそれぞれ、約１８ＭＰａ程度および約２０ＭＰａ程度に設定してもよい。
【０１２２】
なお、以上の温度および圧力は例示であって、本例に限定されない。
【０１２３】
以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る。
【０１２４】
具体的には、カソードガス流路７Ａの圧力が高いほど、および、セル２０の温度が高いほど、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によってカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水の量が増加する。つまり、プロトン伝導性電解質膜１０を逆拡散する水の量は、カソードガス流路７Ａの圧力、および、セル２０の温度に対して正の相関関係がある。よって、カソードガス流路７Ａの圧力が高いほど、フラディングによりアノードＡＮ側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性が高い。
【０１２５】
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇する過程において、冷却器２１Ｂにより、セル２０の温度を適切に制御することで、このような可能性を低減できる。つまり、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、冷却器２１Ｂの冷却量を増加させることで、フラディングによりアノードＡＮ側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。これにより、アノードＡＮ側のアノードガスの拡散性阻害に起因する電気化学式水素ポンプ１００の拡散過電圧の増加を抑制できるので、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作を高効率に維持できる。
【０１２６】
（第１実施例）
図６は、実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
【０１２７】
図６に示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、セル（ＭＥＡ）２０と、電圧印加器１４と、加熱器２１Ａと、圧力計２２と、制御器５０と、を備える。
【０１２８】
ここで、セル２０、電圧印加器１４および圧力計２２は実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１２９】
加熱器２１Ａは、セル２０を加熱する装置である。加熱器２１Ａは、セル２０を加熱することができれば、どのような構成であってもよい。加熱器２１Ａは、例えば、電気化学式水素ポンプ１００を外周から加熱するように構成された電気ヒータなどであってもよいが、電気化学式水素ポンプ１００が、セル２０とセパレータを交互に積み重ねた積層体を備える場合、加熱器２１Ａは、かかる積層体に温水を循環させることでセル２０を加熱する加熱装置であってもよい。つまり、この場合、積層体内に温水が通過する水流路（図示せず）が形成されており、加熱器２１Ａは、かかる温水を適温に維持するための装置を備える。なお、水流路は、例えば、セル２０と対向しないセパレータの裏面に形成されていてもよい。これにより、セル２０は、高温の温水との熱交換により加熱される。
【０１３０】
制御器５０は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、加熱器２１Ａの加熱量を低下させる。つまり、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、加熱器２１Ａの加熱量を低下させるステップが行われる。例えば、加熱器２１Ａが、セル２０とセパレータを交互に積み重ねた積層体に温水を循環させることでセル２０を加熱する加熱装置である場合、制御器５０は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、かかる積層体に送る温水の温度を低下させてもよい。
【０１３１】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇する過程において、加熱器２１Ａにより、セル２０の温度を適切に制御することができる。つまり、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、加熱器２１Ａの加熱量を低下させることで、セル２０の温度上昇が緩和され、その結果、フラディングによりアノードＡＮ側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。
【０１３２】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、上記の特徴以外は、実施形態の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法と同様であってもよい。
【０１３３】
（第２実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプおよびその運転方法は、以下に説明する制御器５０による加熱器２１Ａの制御内容以外は、第１実施例（図６）の電気化学式水素ポンプおよびその運転方法と同様である。
【０１３４】
制御器５０は、電圧印加器１４でアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する前に、加熱器２１Ａの加熱動作を開始し、セル２０の温度を上昇させる。つまり、電圧印加器１４でアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する前に、加熱器２１Ａの加熱動作を開始し、セル２０の温度を上昇させるステップが行われる。
【０１３５】
電圧印加器１４でアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する前は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が発生しない。この場合、プロトン伝導性電解質膜１０における水の逆拡散が起こりにくいので、セル２０の温度を高温にしても、フラディングによりアノードＡＮ側でアノードガスの拡散性が阻害されにくい。よって、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、電圧印加器１４でアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する前に、加熱器２１Ａの加熱動作を開始することで、かかる加熱動作を行わない場合に比べて、セル２０の温度を高温にすることができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の開始時に、プロトン伝導性電解質膜１０が高プロトン伝導度を示すので、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率を向上させることができる。
【０１３６】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、上記の特徴以外は、実施形態または実施形態の第１実施例の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法と同様であってもよい。
【０１３７】
（第３実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプおよびその運転方法は、以下に説明する制御器５０による加熱器２１Ａの制御内容以外は、第１実施例（図６）の電気化学式水素ポンプおよびその運転方法と同様である。
【０１３８】
制御器５０は、電圧印加器１４でアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加し、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇する期間の少なくとも一部において、加熱器２１Ａの加熱によりセル２０の温度を上昇させ、その後、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、加熱器２１Ａの加熱量を低下させる。つまり、電圧印加器１４でアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加し、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇する期間の少なくとも一部において、加熱器２１Ａの加熱によりセル２０の温度を上昇させるステップを備え、その後、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、加熱器２１Ａの加熱量を低下させることが行われる。
【０１３９】
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇する過程において、加熱器２１Ａによりセル２０の温度を適切に制御することができる。つまり、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇する期間の少なくとも一部は、セル２０の温度を高温にしても、フラディングによりアノードＡＮ側でアノードガスの拡散性が阻害されにくい期間である。よって、このとき、セル２０の温度を上昇させることでプロトン伝導性電解質膜１０が高プロトン伝導度を示すので、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率を向上させることができる。また、その後、カソードガス流路７Ａの圧力が上昇すると、加熱器２１Ａの加熱量を低下させることで、フラディングによりアノードＡＮ側でアノードガスの拡散性が阻害される可能性を低減できる。
【０１４０】
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法は、上記の特徴以外は、実施形態または実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの電気化学式水素ポンプ１００およびその運転方法と同様であってもよい。
【０１４１】
なお、実施形態、実施形態の第１実施例、実施形態の第２実施例および実施形態の第３実施例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
【０１４２】
例えば、電気化学式水素ポンプ１００が、セル２０とセパレータを交互に積み重ねた積層体に形成された水流路に水を循環させる水循環装置を備える場合、この水循環装置は、かかる積層体を通過する水の温度を適切に調整することにより、実施形態の冷却器２１Ｂとしても第１実施例の加熱器２１Ａとしても機能することができる。
【０１４３】
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良または他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、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、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。
【０１４４】
例えば、上記では、電気化学式水素ポンプ１００の起動の際には、加熱器２１Ａにより、セル２０の温度を上げる加熱動作が行われることを説明したが、これに限定されない。例えば、電気化学式水素ポンプ１００のセル２０のＩＲロス、水の凝縮熱などによりセル２０が発熱するので、このような加熱動作が不要な場合がある。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、セル２０を冷却する機能のみを備える場合がある。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本開示の一態様は、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法に利用することができる。
【符号の説明】
【０１４６】
６      ：アノード室
６Ａ    ：アノードガス流路
７      ：カソード室
７Ａ    ：カソードガス流路
１０    ：プロトン伝導性電解質膜
１４    ：電圧印加器
２０    ：セル
２１Ａ  ：加熱器
２１Ｂ  ：冷却器
２２    ：圧力計
３０    ：水素製造器
３１    ：露点調整器
３２    ：水素貯蔵器
３３    ：第１水素供給器
３４    ：第２水素供給器
５０    ：制御器
１００  ：電気化学式水素ポンプ
２００  ：水素供給システム
ＡＮ    ：アノード
ＣＡ    ：カソード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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