(57)【要約】【課題】直列に接続された電気化学デバイスの電解質膜の含水率を高くし、水素純化効率低下を抑制する。【解決手段】水素生成システム１０ａは、アノード１７ａに水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ａと、電気化学デバイス１ａのアノード１７ａとカソード１８ａとの間に電流を流す電源４０ａと、カソード１８ａから排出された水素含有ガスがアノード１７ｂに供給される電気化学デバイス１ｂのアノード１７ｂとカソード１８ｂとの間と、カソード１８ｂから排出された水素含有ガスがアノード１７ｃに供給される電気化学デバイス１ｃのアノード１７ｃとカソード１８ｃとの間に、それぞれ電流を流す電源４０ｂと、最上流の電気化学デバイス１ａの温度が、最上流以外の電気化学デバイス１ｂ，１ｃの温度よりも高くなるように、温度調節器５０ａ，５０ｂを制御する制御器６０ａと、を備える。【選択図】図２
2019167280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
複数の前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、
複数の前記電気化学デバイスの温度を調整するための温度調節器と、
制御器と、を備え、
前記ガス供給手段が、最上流の前記電気化学デバイスの前記アノードに前記水素含有ガスを供給し、上流側の前記電気化学デバイスの前記カソードから排出された水素含有ガスが下流側の前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、直列に接続された水素生成システムであって、
前記制御器は、最上流の前記電気化学デバイスの温度が、最上流以外の前記電気化学デバイスの温度よりも高くなるように、前記温度調節器を制御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、直列に接続された上流の前記電気化学デバイスの温度を、下流の前記電気化学デバイスの温度より高くなるように、前記温度調節器を制御す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３】
電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
複数の前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、
複数の前記電気化学デバイスの温度を調整するための温度調節器と、
を備え、
前記ガス供給手段が、最上流の前記電気化学デバイスの前記アノードに前記水素含有ガスを供給し、上流側の前記電気化学デバイスの前記カソードから排出された水素含有ガスが下流側の前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、直列に接続された水素生成システムの運転方法であって、
前記温度調節器によって、最上流の前記電気化学デバイスの温度が、最上流以外の前記電気化学デバイスの温度よりも高くなるように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、ガス供給装置から供給される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】
水素生成システムは、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、高純度水素を生成するシステムである。この水素生成システムは、例えば、水素イオンを選択的に輸送する電解質膜の両側に、それぞれアノード及びカソードを設けた電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した電気化学デバイスを備えている。
【０００３】
アノードに加湿された水素含有ガス（水素の他に不純物を含む）を供給して、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、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】
2019167280.tif 000003
【０００５】
【化２】
2019167280.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、カソードにおいて水素を生成することができる。
【０００６】
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などを水蒸気改質や部分酸化改質、又はオートサーマル改質して生成される。
【０００７】
この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において、電気化学デバイスを、直列に２段接続することで、水素生成システムから生成する水素の純度を高める構成が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００８】
図４は、非特許文献１に開示された従来の水素生成システムの概略構成図である。
【０００９】
従来の水素生成システム１００は、電解質膜１０６の両側（両主面）に、それぞれアノード１０７及びカソード１０８を設けた電解質膜−電極接合体１１５（ＭＥＡ）を、アノード側セパレータ１１６とカソード側セパレータ１１７によって挟持した電気化学デバイス１０１を２台と、窒素や二酸化炭素などの不純物を含む水素含有ガスを加湿する加湿器１１４とを備えている。
【００１０】
電解質膜の含水率が高いほど、プロトン（Ｈ＋）の導伝性が良いため、窒素や二酸化炭素などの不純物を含む水素含有ガスは、加湿器１１４で水蒸気飽和状態まで加湿されてい
る。
【００１１】
また、電気化学デバイス１０１は、窒素や二酸化炭素などの不純物を含む加湿された水素含有ガスを、アノード１０７に供給するためのアノード側入口１０３と、水素含有ガスを、アノード１０７から排出するためのアノード側出口１０４と、カソード１０８に生成する水素を排出するためのカソード側出口１０５と、を備えている。
【００１２】
さらに、水素生成システム１００は、アノード１０７とカソード１０８との間にアノード１０７側が正の電位でカソード１０８側が負の電位になるように電流を流すための電源１０９と、を備え、上流の電気化学デバイス１０１のカソード側出口１０５から排出された水素含有ガスＢが、下流の電気化学デバイス１０１のアノード側入口１０３に供給されるように直列に接続されている。
【００１３】
また、２台の電気化学デバイス１０１のセル温度を７０℃にするための温度調節器１１２及びこれを制御する制御器１１３を備えている。
【００１４】
これらの構成により、従来の水素生成システムは、カソードに生成する水素ガスの純度を高めている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  １３２  （２００４）  ９２−９８  Ｌｅｅ  ａｔ  ａｌ．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、前記従来の構成では、アノード側のガスに含まれる水分量よりもカソード側に透過したガスに含まれる水分量が少ないため、上流の電気化学デバイスのカソードと下流の電気化学デバイスのアノードを直列に接続して、同一温度で運転すると、下流の電気化学デバイスの電解質膜の含水率が低下し、電解質膜のプロトン導伝性が低下して、電解質膜の抵抗が増大するため水素純化効率が低下するという課題があった。
【００１７】
ここで、含水率とは、各温度における電解質膜内に含むことができる最大の水分量に対する、運転中の電気化学デバイスの電解質膜内に含まれる水分量の割合である。
【００１８】
水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対する生成する水素のエネルギーの割合であり、水素純化効率が低下するとは、同じ水素を生成するために必要な電気エネルギーが多くなることである。
【００１９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直列に接続された下流の電気化学デバイスの電解質膜の含水率を高くして、水素純化効率の低下を抑制す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】
【００２０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の水素生成システムは、ガス供給手段から、最上流の電気化学デバイスのアノードに、加湿された水素含有ガスを供給し、上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、複数の電気化学デバイスが直列に接続された水素生成システムであって、最上流の電気化学デバイスの温度が最上流以外の電気化学デバイスの温度よりも高くなるようにするものである。
【００２１】
これによって、最上流以外の電気化学デバイスの電解質膜の含水率が高くなり、電解質膜のプロトン導伝性が低下せず、電解質膜の抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率の低下が抑制できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の水素生成システムは、最上流の電気化学デバイスの温度を最上流以外の電気化学デバイスの温度よりも高くすることで、最上流の電気化学デバイスの電解質膜内に含むことができる水分量を最大にすることができ、最上流以外の電気化学デバイスは、最上流の電気化学デバイスの温度より低いので、電気化学デバイスの電解質膜の含水率を高くさせることができ、電解質膜のプロトン導伝性が低下せず、電解質膜の抵抗が増大することが抑制されるため、水素純化効率の低下を抑制できる水素生成システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１および２における水素生成システムに用いた電気化学デバイスの概略構成図
【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概略構成図
【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概略構成図
【図４】従来の水素生成システムの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の発明は、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、複数の電気化学デバイスの温度を調整するための温度調節器と、制御器と、を備え、ガス供給手段が、最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給し、上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続された水素生成システムであって、制御器は、最上流の電気化学デバイスの温度が、最上流以外の電気化学デバイスの温度よりも高くなるように、温度調節器を制御することを特徴とする。
【００２５】
これにより、最上流以外の電気化学デバイスの温度が、最上流の電気化学デバイスよりも低くなるので、全ての電気化学デバイスを同一温度で運転する場合よりも、最上流以外の電気化学デバイス内の電解質膜の含水率が高くなる。
【００２６】
そして、最上流以外の電気化学デバイス内の電解質膜の含水率が高くなると、その電解質膜のプロトン導伝性が低下せず、電解質膜の抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率を高くすることができる。
【００２７】
第２の発明は、特に、第１の発明における制御器が、直列に接続された上流の電気化学デバイスの温度を、下流の電気化学デバイスの温度より高くなるように、複数の温度調節器を制御することを特徴とする。
【００２８】
これにより、すべての下流側の電気化学デバイスの電解質膜内の含水率が高くなり、電解質膜のプロトン導伝性が低下せず、電解質膜の抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率の低下をさらに抑制することができる。
【００２９】
第３の発明は、電解質膜の両主面をアノードとカソードとで挟んだ電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電
流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すための電源と、複数の電気化学デバイスの温度を調整するための温度調節器と、を備え、ガス供給手段が、最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給し、上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続された水素生成システムの運転方法であって、温度調節器によって、最上流の電気化学デバイスの温度が、最上流以外の電気化学デバイスの温度よりも高くなるようにすることを特徴とする。
【００３０】
これにより、最上流以外の電気化学デバイスの温度が、最上流の電気化学デバイスよりも低くなるので、全ての電気化学デバイスを同一温度で運転する場合よりも、最上流以外の電気化学デバイス内の電解質膜の含水率が高くなる。
【００３１】
そして、最上流以外の電気化学デバイス内の電解質膜の含水率が高くなると、その電解質膜のプロトン導伝性が低下せず、電解質膜の抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率を高くする運転方法とすることができる。
【００３２】
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。
【００３３】
（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に用いた電気化学デバイスの概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図である。
【００３４】
図１に示すように、電気化学デバイス１は、電解質膜１６の両側（両主面）に、それぞれアノード１７及びカソード１８を設けた電解質膜−電極接合体１９を、一対のアノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ２１によって挟持した構成となっている。
【００３５】
ここで、電解質膜１６には、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を用いる。アノード１７とカソード１８には、白金を担持したカーボン粒子をカーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いる。アノード側セパレータ２０とカソード側セパレータ２１は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
【００３６】
アノード側セパレータ２０には、水素含有ガスをアノード１７に供給するためのアノード側入口１３と、水素含有ガスをアノード１７から排出するためのアノード側出口１４が設けられている。一方、カソード側セパレータ２１には、カソード１８に生成する水素を排出するためのカソード側出口１５が設けられている。
【００３７】
また、図２に示すように、本実施の形態の水素生成システム１０ａは、電気化学デバイス１ａ、電気化学デバイス１ｂ、電気化学デバイス１ｃと、最上流の電気化学デバイス１ａのアノード側入口１３ａに加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ａが設置されている。
【００３８】
ガス供給手段３０ａは、加湿された窒素と二酸化炭素と水素とを含む水素含有ガスを供給可能なポンプで構成されている。電気化学デバイス１ａには、アノード側入口１３ａに供給され、アノード１７ａで利用されなかった水素含有ガスを排出し再利用するためのアノード側出口１４ａが設けられている。
【００３９】
最上流の電気化学デバイス１ａのカソード側出口１５ａは、接続流路１２ａによって下流側の電気化学デバイス１ｂのアノード側入口１３ｂと接続されている。電気化学デバイス１ｂには、アノード側入口１３ｂに供給され、アノード１７ｂで利用されなかった水素含有ガスを排出し再利用するためのアノード側出口１４ｂが設けられている。
【００４０】
さらに電気化学デバイス１ｂのカソード側出口１５ｂは、接続流路１２ｂによって下流側の電気化学デバイス１ｃのアノード側入口１３ｃと接続されている。電気化学デバイス１ｃには、アノード側入口１３ｃに供給され、アノード１７ｃで利用されなかった水素含有ガスを排出し再利用するためのアノード側出口１４ｃが設けられている。
【００４１】
電気化学デバイス１ａには、アノード１７ａとカソード１８ａとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ａ、電気化学デバイス１ｂと電気化学デバイス１ｃには、アノード１７ｂとカソード１８ｂの間と、カソード１８ｂとアノード１７ｃを介してアノード１７ｂとカソード１８ｃとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｂが備えられている。電源４０ａ、電源４０ｂには直流電源を用いる。
【００４２】
ここで、所定方向の電流とは、アノードで水素がプロトン（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方向の電流である。
【００４３】
また、電気化学デバイス１ａには、電気化学デバイス１ａの温度を調節するための温度調節器５０ａが、電気化学デバイス１ｂと電気化学デバイス１ｃには、それらの温度を調節するための温度調節器５０ｂが設置されており、これらを制御する制御器６０ａを備えている。温度調節器５０ａ、温度調節器５０ｂには設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
【００４４】
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１０ａについて、以下、その動作、作用を図１、図２を参照しながら説明する。
【００４５】
まず、ガス供給手段３０ａから、ガス温度７０℃で相対湿度９０％に加湿された窒素１％と二酸化炭素１９％と水素８０％とを含む水素含有ガスを、最上流の電気化学デバイス１ａのアノード側入口１３ａを介してアノード１７ａに供給する。
【００４６】
電気化学デバイス１ａは温度７０℃となるように温度調節器５０ａで制御し、電気化学デバイス１ａのアノード１７ａとカソード１８ａとの間に電源４０ａから所定方向の電流を流す。
【００４７】
ここでは、電流を流すことによる電気化学反応を利用して、水素含有ガスからカソード１８ａにおいて水素を生成する。アノード１７ａで利用されなかった水素含有ガスは、アノード側出口１４ａから排出し再利用される。
【００４８】
ここで、電解質膜１６ａは、わずかではあるが、窒素、二酸化炭素が透過するため、カソード側出口１５ａからは水素以外の窒素、二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
【００４９】
また、電解質膜１６ａは、水蒸気交換機能を有しており、水素含有ガスは加湿されている。ただし、完全な水蒸気交換は困難であるため、水素含有ガスの相対湿度は８５％となる。
【００５０】
次に、電気化学デバイス１ａのカソード側出口１５ａから排出された水素含有ガスを、
７０℃に加温された接続流路１２ａを介して、さらに下流側の電気化学デバイス１ｂのアノード側入口１３ｂに供給する。
【００５１】
電気化学デバイス１ｂは温度６５℃となるように温度調節器５０ｂを制御器６０ａで制御し、電気化学デバイス１ｂのアノード１７ｂとカソード１８ｂとの間に電源４０ｂから所定方向の電流を流す。
【００５２】
ここでは、電流を流すことによる電気化学反応を利用して、水素含有ガスからカソード１８ｂにおいて水素を生成する。アノード１７ｂで利用されなかった水素含有ガスは、アノード側出口１４ｂから排出し再利用される。
【００５３】
電気化学デバイス１ｂの温度を電気化学デバイス１ａに比べて低く設定しているため、電気化学デバイス１ｂの電解質膜１６ｂが含水可能な水分量が少なくなり、電気化学デバイス１ａから供給された水分量でも含水率の低下が抑制され電解質膜１６ｂの抵抗が増大することが抑制される。
【００５４】
よって、電気化学デバイス１ｂの温度を、電気化学デバイス１ａと同じにした場合よりも、水素純化効率が高くなる。また、電気化学デバイス１ｂの電解質膜１６ｂは、わずかではあるが、窒素、二酸化炭素が透過するため、カソード側出口１５ｂからは純度９９％の水素含有ガスが排出される。
【００５５】
また、電気化学デバイス１ｂの電解質膜１６ｂは水蒸気交換機能を有しており水素含有ガスは加湿されている。ここで、完全な水蒸気交換は困難であるが、温度が低い分だけ相対湿度は高くなり、水素含有ガスの相対湿度は８５％となる。
【００５６】
次に、電気化学デバイス１ｂのカソード側出口１５ｂから排出された水素含有ガスを、６５℃に加温された接続流路１２ｂを介して、さらに下流側の電気化学デバイス１ｃのアノード側入口１３ｃに供給する。
【００５７】
電気化学デバイス１ｃは温度６５℃となるように温度調節器５０ｂを制御器６０ａで制御し、電気化学デバイス１ｃのアノード１７ｃとカソード１８ｃとの間に電源４０ｂから所定方向の電流を流す。
【００５８】
ここでは、電流を流すことによる電気化学反応を利用して、水素含有ガスから水素をカソード１８ｃにおいて、水素を生成する。アノード１７ｃで利用されなかった水素含有ガスは、アノード側出口１４ｃから排出し再利用される。
【００５９】
電気化学デバイス１ｃの温度を電気化学デバイス１ａに比べて低く設定しているため、電気化学デバイス１ｃの電解質膜１６ｃが含水可能な水分量が少なくなり、電気化学デバイス１ａから、電気化学デバイス１ｂを経由し供給された水分量でも含水率の低下が抑制され電解質膜１６ｃの抵抗が増大することが抑制される。よって電気化学デバイス１ｃの温度を、電気化学デバイス１ａと同じにした場合よりも、水素純化効率が高くなる。
【００６０】
電気化学デバイス１ｃの電解質膜１６ｃは、わずかではあるが窒素、二酸化炭素が透過するが、既に電気化学デバイス１ｂから排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、電気化学デバイス１ｃのカソード側出口１５ｃからは水素純度９９．９％と水素純度の高い水素含有ガスが得られる。
【００６１】
また、この水素含有ガス中の水蒸気量は、電気化学デバイス１ｃの温度を電気化学デバイス１ｂと同じ温度に設定しているが、完全な水蒸気交換は困難であり、水素含有ガスの
相対湿度は８０％となり、電気化学デバイス１ａと電気化学デバイス１ｂの温度と同じにした場合よりも少なくなる。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１０ａは、電解質膜１６の両主面をアノード１７とカソード１８とで挟んだ電解質膜−電極接合体１９を有し、アノード１７に水素含有ガスを供給し、アノード１７とカソード１８との間に所定方向の電流を流すことで、カソード１８において水素を生成する３台の直列接続される電気化学デバイス１ａ，１ｂ，１ｃと、最上流の電気化学デバイス１ａのアノード１７ａに水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ａと、最上流の電気化学デバイス１ａのアノード１７ａとカソード１８ａとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ａと、電気化学デバイス１ａのカソード１８ａから排出された水素含有ガスがアノード１７ｂに供給される電気化学デバイス１ｂのアノード１７ｂとカソード１８ｂとの間と、電気化学デバイス１ｂのカソード１８ｂから排出された水素含有ガスがアノード１７ｃに供給される電気化学デバイス１ｃのアノード１７ｃとカソード１８ｃとの間に、それぞれ所定方向の電流を流すための電源４０ｂと、最上流の電気化学デバイス１ａの温度を調整するための温度調節器５０ａと、最上流以外の電気化学デバイス１ｂ，１ｃ（中流の電気化学デバイス１ｂと最下流の電気化学デバイス１ｃ）の温度を調整するための温度調節器５０ｂと、最上流の電気化学デバイス１ａの温度が、最上流以外の電気化学デバイス１ｂ，１ｃの温度よりも高くなるように、温度調節器５０ａ，５０ｂを制御する制御器６０ａと、を備えている。
【００６３】
これにより、最上流以外の電気化学デバイス１ｂ，１ｃの電解質膜１６ｂ，１６ｃの含水率が高くなるので、電解質膜１６ｂ，１６ｃのプロトン導伝性が低下せず、電解質膜１６ｂ，１６ｃの抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率の低下が抑制できる水素生成システム１０ａを提供できる。
【００６４】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、窒素、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。
【００６５】
なお、本実施の形態では、電気化学デバイス１ａ，１ｂ，１ｃの数を３台としたが、これに限らない。また、各段の電気化学デバイス１ａ，１ｂ，１ｃの並列台数についても複数にすることもできる。
【００６６】
なお、本実施の形態では、セパレータは、カーボンを用いているが、導電性の金属を用いることもできる。さらには、アノード、カソードに直接電流を流すように接続すれば、導電性を有さない材質を用いることもできる。
【００６７】
なお、本実施の形態では、電源が、各電気化学デバイスに個別に設置されているが、一つの電源から各電気化学デバイスに分配する形態とすることもできる。さらに温度調節器について、熱交換器を用いているが、面状ヒータを用いることもできる。
【００６８】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態における電気化学デバイスは実施の形態１と同じであり、実施の形態２における電気化学デバイスの概略構成図は図１に示すものである。
【００６９】
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の概略構成図である。
【００７０】
図３に示すように本実施の形態の水素生成システム１０ｂは、電気化学デバイス１ｄ、電気化学デバイス１ｅ、電気化学デバイス１ｆと、最上流の電気化学デバイス１ｄのアノード側入口１３ｄに加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ｂが設置されている。
【００７１】
ガス供給手段３０ｂは、加湿された窒素と二酸化炭素と水素とを含む水素含有ガスを供給可能なポンプで構成されている。電気化学デバイス１ｄには、アノード側入口１３ｄに供給され、アノード１７ｄで利用されなかった水素含有ガスを排出し再利用するためのアノード側出口１４ｄが設けられている。
【００７２】
最上流の電気化学デバイス１ｄのカソード側出口１５ｄは、接続流路１２ｃによって下流側の電気化学デバイス１ｅのアノード側入口１３ｅに接続されている。電気化学デバイス１ｅには、アノード側入口１３ｅに供給され、アノード１７ｅで利用されなかった水素含有ガスを排出し再利用するためのアノード側出口１４ｅが設けられている。
【００７３】
さらに、電気化学デバイス１ｅのカソード側出口１５ｅは、接続流路１２ｄによって下流側の電気化学デバイス１ｆのアノード側入口１３ｆに接続されている。電気化学デバイス１ｆには、アノード側入口１３ｆに供給され、アノード１７ｆで利用されなかった水素含有ガスを排出し再利用するためのアノード側出口１４ｆが設けられている。
【００７４】
電気化学デバイス１ｄには、アノード１７ｄとカソード１８ｄとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｄ、電気化学デバイス１ｅには、アノード１７ｅとカソード１８ｅとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｅ、電気化学デバイス１ｆには、アノード１７ｆとカソード１８ｆとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｆが、それぞれ備えられている。電源４０ｄ、電源４０ｅ、電源４０ｆには直流電源を用いる。
【００７５】
また、電気化学デバイス１ｄには、電気化学デバイス１ｄの温度を調節するための温度調節器５０ｄが、電気化学デバイス１ｅには、電気化学デバイス１ｅの温度を調節するための温度調節器５０ｅが、電気化学デバイス１ｆには、電気化学デバイス１ｅの温度を調節するための温度調節器５０ｆが、それぞれ設置されており、これらを制御する制御器６０ｂを備えている。
【００７６】
温度調節器５０ｄ、温度調節器５０ｅ、温度調節器５０ｆには設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
【００７７】
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１０ｂについて、本実施の形態２における動作、作用を図１、図３を参照しながら説明する。
【００７８】
まず、ガス供給手段３０ｂから、ガス温度７０℃で相対湿度９０％に加湿された窒素１％と二酸化炭素１９％と水素８０％とを含む水素含有ガスを、最上流の電気化学デバイス１ｄのアノード側入口１３ｄを介してアノード１７ｄに供給する。
【００７９】
電気化学デバイス１ｄは温度７０℃となるように温度調節器５０ｄを制御器６０ｂで制御し、電気化学デバイス１ｄのアノード１７ｄとカソード１８ｄとの間に電源４０ｄから所定方向の電流を流す。
【００８０】
ここでは、電流を流すことによる電気化学反応を利用して、水素含有ガスからカソード１８ｄにおいて水素を生成する。アノード１７ｄで利用されなかった水素含有ガスは、アノード側出口１４ｄから排出し再利用される。
【００８１】
ここで、電解質膜１６ｄは、わずかではあるが窒素、二酸化炭素が透過するため、カソード側出口１５ｄからは水素以外の窒素、二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
【００８２】
また、電解質膜１６ｄは、水蒸気交換機能を有しており、水素含有ガスは、加湿されている。ここで、完全な水蒸気交換は困難であるため、水素含有ガスの相対湿度は８５％となる。
【００８３】
次に、電気化学デバイス１ｄのカソード側出口１５ｄから排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路１２ｃを介して、さらに下流側の電気化学デバイス１ｅのアノード側入口１３ｅに供給する。
【００８４】
電気化学デバイス１ｅは温度６５℃となるように温度調節器５０ｅを制御器６０ｂで制御し、電気化学デバイス１ｅのアノード１７ｅとカソード１８ｅとの間に電源４０ｅから所定方向の電流を流す。
【００８５】
ここでは、電流を流すことによる電気化学反応を利用して、水素含有ガスからカソード１８ｅにおいて水素を生成する。アノード１７ｅで利用されなかった水素含有ガスは、アノード側出口１４ｅから排出し再利用される。
【００８６】
電気化学デバイス１ｅの温度を電気化学デバイス１ｄに比べて低く設定しているため、電気化学デバイス１ｅの電解質膜１６ｅが含水可能な水分量が少なくなり、電気化学デバイス１ｄから供給された水分量でも含水率は低下しないので、電解質膜１６ｅの抵抗が増大することが抑制され、電気化学デバイス１ｅの温度を、電気化学デバイス１ｄと同じにした場合よりも、水素純化効率が高くなる。
【００８７】
また、電気化学デバイス１ｅの電解質膜１６ｅは、わずかではあるが窒素、二酸化炭素が透過するため、カソード側出口１５ｅからは純度９９％の水素含有ガスが排出される。また、電気化学デバイス１ｅの電解質膜１６ｅは、水蒸気交換機能を有しており、水素含有ガスは加湿されている。ここで、完全な水蒸気交換は困難であるが、温度が低い分だけ相対湿度は高くなり、水素含有ガスの相対湿度は８５％となる。
【００８８】
次に、電気化学デバイス１ｅのカソード側出口１５ｅから排出された水素含有ガスを、６５℃に加温された接続流路１２ｄを介して、さらに下流側の電気化学デバイス１ｆのアノード側入口１３ｆに供給する。
【００８９】
電気化学デバイス１ｆは温度５５℃となるように温度調節器５０ｆを制御器６０ｂで制御し、電気化学デバイス１ｆのアノード１７ｆとカソード１８ｆとの間に電源４０ｆから所定方向の電流を流す。
【００９０】
ここでは、電流を流すことによる電気化学反応を利用して、水素含有ガスからカソード１８ｆにおいて水素を生成し、カソード側出口１５ｆから純度の高い水素を排出する。アノード１７ｆで利用されなかった水素含有ガスは、アノード側出口１４ｆから排出し再利用される。
【００９１】
電気化学デバイス１ｆの温度を電気化学デバイス１ｅに比べて、さらに低く設定しているため、電気化学デバイス１ｆの電解質膜１６ｆが含水可能な水分量が少なくなり、電気化学デバイス１ｅから供給された水分量でも含水率は低下しないので、電解質膜１６ｆの抵抗が増大することが抑制され、電気化学デバイス１ｆの温度を、電気化学デバイス１ｅの温度と同じにした場合よりも、水素純化効率がさらに高くなる。
【００９２】
また、電気化学デバイス１ｆの電解質膜１６ｆは、わずかではあるが窒素、二酸化炭素が透過するが、既に電気化学デバイス１ｅから排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、電気化学デバイス１ｆからは水素純度９９．９％と、水素純度の高い水素
含有ガスが得られる。
【００９３】
以上のように、本実施の形態の水素生成システム１０ｂは、電解質膜１６の両主面をアノード１７とカソード１８とで挟んだ電解質膜−電極接合体１９を有し、アノード１７に水素含有ガスを供給し、アノード１７とカソード１８との間に所定方向の電流を流すことで、カソード１８において水素を生成する３台の直列接続される電気化学デバイス１ｄ，１ｅ，１ｆと、最上流の電気化学デバイス１ｄのアノード１７ｄに水素含有ガスを供給するガス供給手段３０ｂと、最上流の電気化学デバイス１ｄのアノード１７ｄとカソード１８ｄとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｄと、最上流の電気化学デバイス１ｄのカソード１８ｄから排出された水素含有ガスがアノード１７ｅに供給される中流の電気化学デバイス１ｅのアノード１７ｅとカソード１８ｅとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｅと、中流の電気化学デバイス１ｅのカソード１８ｅから排出された水素含有ガスがアノード１７ｆに供給される最下流の電気化学デバイス１ｆのアノード１７ｆとカソード１８ｆとの間に所定方向の電流を流すための電源４０ｆと、最上流の電気化学デバイス１ｄの温度を調整するための温度調節器５０ｄと、中流の電気化学デバイス１ｅの温度を調整するための温度調節器５０ｅと、最下流の電気化学デバイス１ｆの温度を調整するための温度調節器５０ｆと、最上流の電気化学デバイス１ｄの温度が、中流の電気化学デバイス１ｅの温度よりも高くなるように、中流の電気化学デバイス１ｅの温度が、最下流の電気化学デバイス１ｆの温度よりも高くなるように温度調節器５０ｄ，５０ｅ，５０ｆを制御する制御器６０ｂと、を備えている。
【００９４】
これにより、中流の電気化学デバイス１ｅの電解質膜１６ｅと、最下流の電気化学デバイス１ｆの電解質膜１６ｆ内の含水率が高くなるので、電解質膜１６ｅと電解質膜１６ｆのプロトン導伝性が低下せず、電解質膜１６ｅと電解質膜１６ｆの抵抗が増大することが抑制され、水素純化効率の低下を抑制することができる水素生成システム１０ｂを提供できる。
【００９５】
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、窒素、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。
【００９６】
なお、本実施の形態は、電気化学デバイスの数を３台としているが、これに限らない。また、各段の電気化学デバイスの並列台数についても複数にすることもできる。
【００９７】
なお、本実施の形態では、セパレータは、カーボンを用いているが、導電性の金属を用いることもできる。さらには、アノード、カソードに直接電流を流すように接続すれば、導電性を有さない材質を用いることもできる。
【００９８】
なお、本実施の形態では、電源が、各電気化学デバイスに個別に設置されているが、一つの電源から各電気化学デバイスに分配する形態とすることもできる。さらに温度調節器について、熱交換器を用いているが、面状ヒータを用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素純化効率の低下を抑制することができるため、電気化学デバイスを複数台用いて、不純物を含む水素含有ガスから純度の高い水素を製造する水素生成システムに最適である。
【符号の説明】
【０１００】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ  電気化学デバイス
１０ａ，１０ｂ  水素生成システム
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  接続流路
１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ  アノード側入口
１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ  アノード側出口
１５，１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ  カソード側出口
１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，１６ｅ，１６ｆ  電解質膜
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｆ  アノード
１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ｅ，１８ｆ  カソード
１９  電解質膜−電極接合体
２０  アノード側セパレータ
２１  カソード側セパレータ
３０ａ，３０ｂ  ガス供給手段
４０ａ，４０ｂ，４０ｄ，４０ｅ，４０ｆ  電源
５０ａ，５０ｂ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆ  温度調節器
６０ａ，６０ｂ  制御器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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