(57)【要約】      （修正有）【課題】電解質膜を用いた電気化学式水素ポンプの運転中における電解質膜の含水率低下を軽減する、水素供給システムの提供。【解決手段】水素供給システムは、プロトン伝導性電解質膜１、アノードＡＮ、アノード流路６、カソードＣＡ、カソード流路７、及び電圧印加器２１を含み、電圧印加によりアノード流路よりアノードに供給される水素含有ガス中の水素をカソードに昇圧して送り、カソード流路より水素貯蔵器２５に供給する電気化学式水素ポンプ１００と、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を調整する湿度調整器２２と、電気化学式水素ポンプ運転時に湿度調整器を制御して、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行する制御器５０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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アノード、前記アノード上に設けられ、水素含有ガスが流れるアノード流路、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カソード、前記カソード上に設けられ、カソードガスが流れるカソード流路、及び前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加する電圧印加器を含み、前記電圧印加器により電圧を印加することで、前記アノード流路を介して前記アノードに供給される水素含有ガス中の水素を前記カソードに昇圧して送り、前記カソード流路内のカソードガスを水素貯蔵器に供給する電気化学式水素ポンプと、
前記アノード流路および前記カソード流路の少なくとも一方の湿度を調整する湿度調整器と、
相対湿度が１００％未満の水素含有ガスが前記アノード流路に供給され、前記電気化学式水素ポンプが運転しているときに、前記湿度調整器を制御して、前記アノード流路および前記カソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行する制御器と、を備える水素供給システム。
【請求項２】
前記制御器は、間欠的に前記制御を実行する請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記電気化学式水素ポンプの運転時間の積算値が増加すると、前記制御を実行する請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記アノードおよび前記カソード間の抵抗、および、前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧の少なくとも一方が増加すると、前記制御を実行する請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記アノードおよび前記カソード間の抵抗、および、前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧の少なくとも一方が低下すると、前記制御を停止する請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項６】
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アノード、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カソードを備える電気化学式水素ポンプにおいて、前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加することで、前記アノードに供給される水素含有ガス中の水素を前記カソードに昇圧して送るステップ（ａ）と、
前記カソードのカソードガスを水素貯蔵器に供給するステップ（ｂ）と、
前記ステップ（ａ）において、相対湿度が１００％未満の水素含有ガスが前記アノードに供給されているときに、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方の湿度を増加させるステップ（ｃ）と、を備える水素供給システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃費向上、カーボンフリー燃料の利用の観点から、燃料電池により発電された電力でモーターを駆動して走行する燃料電池車が注目を集めており、発売が開始されている。
【０００３】
しかし、燃料電池車の普及に当たっては、燃料となる水素供給のインフラストラクチャを整え、全国に水素ステーションをいかに多く広範囲に設置できるかが課題となっている。これまで、水素ステーションとして、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）で、水素を精製および圧縮する方法などが行われてきたが、装置の大型化および膨大な設置コストなどが、水素ステーションの全国展開の障害となっている。
【０００４】
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水素を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。
【０００５】
そこで、燃料供給インフラで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。
【０００６】
例えば、特許文献１では、水素精製昇圧システムのアノードおよびカソード間に電圧を印加することで、水素を精製および昇圧することが記載されている。具体的には、アノードおよびカソード間の電圧印加により、電解質膜に電流が流れるとき、アノードの低圧の水素（Ｈ２）がプロトン（Ｈ＋）になり、水分子を同伴しながらプロトンがアノードからカソードへ電解質膜を移動して、カソードで高圧の水素（Ｈ２）に戻される。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）という。
【０００７】
特許文献２では、固体高分子形の電解質膜を備えるＭＥＡのアノードおよびカソード間に電圧をかけて、アノード側に供給された水を電気分解することで、アノード側で酸素、カソード側で水素を製造する水素製造システムが提案されている。
【０００８】
非特許文献１では、乾燥状態の水素をアノードに供給する一方で、カソードに設けられた水貯蔵部により電解質膜を湿潤状態にすることで、カソードで水素を昇圧する水素昇圧装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５−１１７１３９号公報
【特許文献２】特許第５４５５８７４号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Y. Hao, H. Nakajima, H. Yoshizumi, A. Inada, K. Sasaki, K. Ito, International Journal of Hydrogen Energy, 41 (2016) 13879.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、従来例は、電気化学式水素ポンプの運転中におけるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下の問題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運転中におけるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得る水素供給システムを提供する。また、本開示の一態様は、このような水素供給システムの運転方法を提供する。
【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供給システムは、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アノード、前記アノード上に設けられ、水素含有ガスが流れるアノード流路、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カソード、前記カソード上に設けられ、カソードガスが流れるカソード流路、及び前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加する電圧印加器を含み、前記電圧印加器により電圧を印加することで、前記アノード流路を介して前記アノードに供給される水素含有ガス中の水素を前記カソードに昇圧して送り、前記カソード流路内の前記カソードガスを水素貯蔵器に供給する電気化学式水素ポンプと、前記アノード流路および前記カソード流路の少なくとも一方の湿度を調整する湿度調整器と、相対湿度が１００％未満の水素含有ガスが前記アノード流路に供給され、前記電気化学式水素ポンプが運転しているときに、前記湿度調整器を制御して、前記アノード流路および前記カソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行する制御器と、を備える。
【００１４】
また、本開示の一態様の水素供給システムの運転方法は、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アノード、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カソードを備える電気化学式水素ポンプにおいて、前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加することで、前記アノードに供給される水素含有ガス中の水素を前記カソードに昇圧して送るステップ（ａ）と、前記カソードのカソードガスを水素貯蔵器に供給するステップ（ｂ）と、前記ステップ（ａ）において、相対湿度が１００％未満の水素含有ガスが前記アノードに供給されているときに、前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方の湿度を増加させるステップ（ｃ）と、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本開示の一態様の水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法は、電気化学式水素ポンプの運転中におけるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、ＭＥＡのアノードおよびカソード間に印加した電圧およびＭＥＡのＩＲロスの変化を、高露点の水素含有ガスをアノードに供給する場合と、乾燥状態の水素含有ガスをアノードに供給する場合とについて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、実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施形態の水素供給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、実施形態の水素供給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４】図４は、実施形態の第１実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施形態の第１実施例の水素供給システムの運転方法の一例を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施形態の第１実施例の水素供給システムの運転方法の一例を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、実施形態の第１実施例の水素供給システムの運転方法の一例を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、実施形態の第１実施例の水素供給システムの運転方法の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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おり、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率向上が重要である。ここで、プロトン伝導性電解質膜（以下、電解質膜）が、例えば、高分子電解質膜である場合、この高分子電解質膜は、湿潤状態で所望のプロトン伝導性を示す。このため、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率を所望の値を維持するには、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。
【００１８】
そこで、従来から、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスを、加湿器により予め加湿する構成を取ることが多い。
【００１９】
例えば、加湿器の温度を制御することで、加湿器を通過したガス中の水分量を調整できる。よって、加湿器を通過した湿潤状態の水素含有ガスを電気化学式水素ポンプのアノードに供給することにより、水素含有ガス中の水分を用いて電解質膜を湿潤状態に維持することができる。しかし、この場合、例えば、アノード出口を封止して、かかる水素含有ガス中の水素を全量、アノードからカソードに昇圧して送ると、アノードの触媒層およびガス拡散層においてフラディング（ガス流路の水による閉塞現象）を引き起こす可能性がある。そして、このようなフラディングが発生すると、電気化学式水素ポンプの水素拡散性が阻害されるので、電気化学式水素ポンプにおいて、所望のプロトン移動を確保するためのポンプ動作に必要な電圧が増加する。その結果、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率が低下する。
【００２０】
これに対して、非特許文献１の如く、電気化学式水素ポンプ内の適所（例えば、カソードのセパレータなど）に運転前から水を溜めた後、アノード出口を封止すれば、乾燥状態の水素含有ガスを電気化学式水素ポンプのアノードに供給しても、アノードからカソードに水素含有ガス中の水素を全量、昇圧して送ることができる。また、このとき、電気化学式水素ポンプ内の水は外部に排出されずに、電解質膜を湿潤状態に保つことが可能なように思われる。
【００２１】
しかし、電気化学式水素ポンプの実用的な使用形態では、電気化学式水素ポンプで昇圧された水素を含むガスを水素貯蔵器に一時的に貯蔵する場合が多い。なお、以下、電気化学式水素ポンプで昇圧された水素を含むガスをカソードガスという。この場合、電気化学式水素ポンプから水素貯蔵器にカソードガスを供給するとき、電気化学式水素ポンプ内に存在する水が電気化学式水素ポンプ外に移動する。そして、かかる水は、例えば、適宜の凝縮器などによりカソードガスから除去される。これにより、電気化学式水素ポンプ内に存在する水の量は、電気化学式水素ポンプの運転時間の経過とともに徐々に減少する。
【００２２】
よって、以上の電気化学式水素ポンプの使用形態を取る場合、電解質膜を湿潤状態に保ったとしても、低露点の水素含有ガス、または、乾燥状態の水素含有ガスを電気化学式水素ポンプのアノードに供給するときは、いずれは、電解質膜の含水率が低下すると考えられる。
【００２３】
そこで、以上の電解質膜の含水率低下を検証する目的、および、このような電解質膜の含水率低下を軽減する方法を案出する目的で行われた実験について説明する。
【００２４】
図１は、ＭＥＡのアノードおよびカソード間に印加した電圧およびＭＥＡのＩＲロスの変化を、高露点の水素含有ガスをアノードに供給する場合と、乾燥状態の水素含有ガスをアノードに供給する場合とについてプロットした実験結果の一例を示す図である。
【００２５】
本実験で使用したＭＥＡ（セル）では、直径が約６７ｍｍ程度の白金メッキを施したＴｉ（チタン）粉末焼結体をアノードガス拡散層に用い、直径が約６７ｍｍ程度の白金メッキを施したＴｉ繊維焼結体をカソードガス拡散層に用いた。
【００２６】
本実験では、ＭＥＡの所定の温度（ここでは、４０℃）において、ＭＥＡのカソードのガス圧を所定の初期圧力から高圧（ここでは、約１９ＭＰａ程度）まで昇圧する水素昇圧動作が行われた。このＭＥＡの水素昇圧動作では、アノードのガス圧力を０．２ＭＰａに固定させ、ＭＥＡ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ＭＥＡのアノードおよびカソード間に所定の電圧を印加した。すると、ＭＥＡのアノードに水素含有ガスを供給した後、ＭＥＡのカソードを封止することによりカソードのガス圧は、時間の経過とともに初期圧力から徐々に上昇した。
【００２７】
ここで、まず、ＭＥＡのカソードのガス圧が、調圧器を通じて常圧でカソードガスが排出されるようにカソード出口を開放するとともに、ＭＥＡのアノード入口に供給する水素含有ガスの露点がＭＥＡの温度とほぼ等しくなるように（つまり、ＭＥＡ内における水素含有ガスの相対湿度がほぼ１００％となるように）、フル加湿の水素含有ガスをＭＥＡのアノードに供給した。このとき、アノード出口も開放した。そして、上記の電流をＭＥＡのアノードおよびカソード間に流すことでＭＥＡを動作させ、ＭＥＡのアノードに供給された水素含有ガス中の水素のうちの約７５％がＭＥＡのカソードに昇圧されて送られるように制御した。つまり、アノードに供給された水素含有ガス中の水素のうち約２５％を、水とともにアノード出口から排出した。
【００２８】
以上の状態で、約１時間程度、ＭＥＡを動作させた後、水素含有ガスの露点が約−７０℃程度になるように、ＭＥＡのアノードに供給する水素含有ガスを湿潤状態の水素含有ガスから乾燥状態の水素含有ガスに切り替えるとともに、カソード出口を封止することで、ＭＥＡの水素昇圧動作を開始した。なお、このときの昇圧速度は、約０．７ＭＰａ／ｍｉｎ程度であった。なお、図１では、便宜上、露点を０℃にしているが、実際は、上記の通り、約−７０℃である。
【００２９】
その結果、図１の点線部Ａに示すように、約９ＭＰａ程度のカソードのガス圧において、ＭＥＡのＩＲロスおよび電圧が上昇傾向を示した。これにより、ＭＥＡの電解質膜の含水率が低下したと考えられる。
【００３０】
そこで、ＭＥＡのＩＲロスおよび電圧が上昇傾向を示した後、ＭＥＡのアノードに供給する水素含有ガスを、乾燥状態の水素含有ガスから上記と同様の湿潤状態の水素含有ガスに切り替えた。すると、図１の点線部Ｂに示すように、約１７ＭＰａ程度のカソードのガス圧において、ＭＥＡのＩＲロスおよび電圧が下降傾向を示した。これにより、ＭＥＡの電解質膜の含水率が上昇したと考えられる。
【００３１】
ＭＥＡのＩＲロスおよび電圧が下降傾向を示した後、ＭＥＡのアノードに供給する水素含有ガスを再び、湿潤状態の水素含有ガスから上記と同様の乾燥状態の水素含有ガスに切り替え、ＭＥＡの水素昇圧動作を継続し、カソードを約１９ＭＰａ程度まで昇圧して、本実験を終えた。
【００３２】
なお、このようなＭＥＡの構成および実験条件などは例示であって、本例に限定されない。
【００３３】
以上により、ＭＥＡの水素昇圧動作前から電解質膜を湿潤状態に保ったとしても、ＭＥＡのアノードに乾燥状態の水素含有ガスを供給するとともに、例えば、アノード出口からＭＥＡの外部に水素含有ガスを排出する場合は、図１の点線部Ａに示すように、ＭＥＡの電解質膜の含水率が低下することを実験で確認することができた。なお、本実験では、アノード出口からＭＥＡの外部に水素含有ガスを排出する場合のＭＥＡの電解質膜の含水率低下を検証したが、カソード出口からＭＥＡの外部にカソードガスを排出する場合も同様に、ＭＥＡの電解質膜の含水率が低下すると考えられる。
【００３４】
また、ＭＥＡの電解質膜の含水率が低下しても、図１の点線部Ｂに示すように、湿潤状態の水素含有ガスをＭＥＡのアノードに供給することで、ＭＥＡの電解質膜の含水率を改善できることを実験で確認することができた。
【００３５】
以上のとおり、発明者らは、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作前から電解質膜を湿潤状態に保ったとしても、低露点の水素含有ガス、または、乾燥状態の水素含有ガスを電気化学式水素ポンプのアノードに供給する場合、ＭＥＡの水素昇圧動作を行い得るが、電気化学式水素ポンプの運転中において、電解質膜の含水率が低下する可能性を見出した。また、このとき、ＭＥＡのアノードに供給する水素含有ガスの湿度を増加させることで、電解質膜の含水率低下を軽減させ得ることを見出した。ここで、低露点の水素含有ガスとは、露点が室温以下の水素含有ガスを意味する。室温とは、具体的には、３００Ｋ（２７℃）を意味する。この水素含有ガス中の水素濃度は、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。また、乾燥状態の水素含有ガスとは、露点が−６０℃以下の水素含有ガスを意味する。この水素含有ガス中の水素濃度は、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、水素濃度が１０％〜９９％程度の粗精製水素であってもよい。
【００３６】
すなわち、本開示の第１態様の水素供給システムは、
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アノード、アノード上に設けられ、水素含有ガスが流れるアノード流路、プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたカソード、カソード上に設けられ、カソードガスが流れるカソード流路、及びアノードおよびカソード間に電圧を印加する電圧印加器を含み、電圧印加器により電圧を印加することで、アノード流路を介してアノードに供給される水素含有ガス中の水素をカソードに昇圧して送り、カソード流路内のカソードガスを水素貯蔵器に供給する電気化学式水素ポンプと、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を調整する湿度調整器と、相対湿度が１００％未満の水素含有ガスがアノード流路に供給され、電気化学式水素ポンプが運転しているときに、湿度調整器を制御して、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行する制御器と、を備える。なお、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度とは、アノード流路の湿度、カソード流路の湿度、または、アノード流路およびカソード流路の湿度をいう。
【００３７】
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、電気化学式水素ポンプの運転中におけるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得る。
【００３８】
具体的には、本態様の水素供給システムは、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を適時に増加させる制御により、電気化学式水素ポンプから水素貯蔵器にカソードガスを供給するとき、電気化学式水素ポンプ外に水が移動することで起きるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を抑制することができる。
【００３９】
よって、本態様の水素供給システムは、電気化学式水素ポンプにおいて、プロトン伝導性電解質膜の含水率低下に起因するポンプ動作に必要な電圧増加を抑制できるので、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作を高効率に維持できる。
【００４０】
ここで、上記「相対湿度」は、プロトン伝導性電解質膜、アノード、及びカソードを含むセルの温度における、相対湿度を意味する。また、アノード流路及びカソード流路には水素含有ガスが流れるが、水素濃度は、１００％でなくてもよい。所望量の水素が含まれる水素含有ガスが流れればよい。
【００４１】
また、本開示の他の態様の水素供給システムの運転方法は、
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アノード、プロトン伝導性電解質膜の他方の主面に設けられたカソードを備える電気化学式水素ポンプにおいて、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素をカソードに昇圧して送るステップ（ａ）と、
カソードのカソードガスを水素貯蔵器に供給するステップ（ｂ）と、
ステップ（ａ）において、相対湿度が１００％未満の水素含有ガスがアノードに供給されているときに、アノードおよびカソードの少なくとも一方の湿度を増加させるステップ（ｃ）と、
を備える。なお、アノードおよびカソードの少なくとも一方の湿度とは、アノードの湿度、カソードの湿度、または、アノードおよびカソードの湿度をいう。
【００４２】
これにより、本態様の水素供給システムの運転方法は、電気化学式水素ポンプの運転中におけるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得る。
【００４３】
具体的には、本態様の水素供給システムの運転方法は、アノードおよびカソードの少なくとも一方の湿度を適時に増加させるステップ（ｃ）により、電気化学式水素ポンプから水素貯蔵器にカソードガスを供給するとき、電気化学式水素ポンプ外に水が移動することで起きるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を抑制することができる。
【００４４】
よって、本態様の水素供給システムの運転方法は、電気化学式水素ポンプにおいて、プロトン伝導性電解質膜の含水率低下に起因するポンプ動作に必要な電圧増加を抑制できるので、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作を高効率に維持できる。ここで、上記「相対湿度」は、プロトン伝導性電解質膜、アノード、及びカソードを含むセルの温度における、相対湿度を意味する。
【００４５】
また、本開示の第２態様の水素供給システムは、第１態様の水素供給システムにおいて、制御器は、間欠的に、上記の制御を実行してもよい。
【００４６】
仮に、電気化学式水素ポンプ内の水素含有ガスが常に湿潤状態である場合は、電気化学式水素ポンプ内の水分量が過剰になる可能性がある。そして、電気化学式水素ポンプ内の水分量が過剰になると、電気化学式水素ポンプにおいてフラディングを引き起こす可能性がある。しかし、本態様の水素供給システムは、間欠的にアノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行することで、このような可能性を低減できる。また、本開示の第３態様の水素供給システムは、第１態様の水素供給システムにおいて、制御器は、電気化学式水素ポンプの運転時間の積算値が増加すると、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行してもよい。
【００４７】
電気化学式水素ポンプからカソードガスとともに移動する水を凝縮器により除去する場合、凝縮器で除去される水量は、凝縮器を通過するカソードガスの温度、圧力および体積で決まる。また、凝縮器を通過するカソードガスの積算量は、電気化学式水素ポンプの運転時間の積算値に依存する。よって、本態様の水素供給システムは、制御器が、電気化学式水素ポンプの運転時間の積算値の増加に基づいて、上記の制御を適時に実行することができる。
【００４８】
ところで、図１の点線部Ａから理解できるとおり、アノードおよびカソード間の抵抗、および、アノードおよびカソード間に印加される電圧の少なくとも一方の増加を検知することで、水素含有ガスの湿度増加の開始タイミングを特定することができる。
【００４９】
そこで、本開示の第４態様の水素供給システムは、第１態様の水素供給システムにおいて、制御器は、アノードおよびカソード間の抵抗、および、アノードおよびカソード間に印加される電圧の少なくとも一方が増加すると、湿度調整器を制御して、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行してもよい。これにより、制御器が、以上の抵抗および電圧の少なくとも一方の増加に基づいて、上記の制御を適時に実行することができる。なお、アノードおよびカソード間の抵抗およびアノードおよびカソード間に印加される電圧の少なくとも一方とは、アノードおよびカソード間の抵抗、アノードおよびカソード間に印加される電圧、または、これらの両方をいう。
【００５０】
よって、本態様の水素供給システムは、プロトン伝導性電解質膜のドライアップを速やかに解消できるので、このような制御を行わない場合に比べて電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率低下を適切に抑制できる。
【００５１】
また、図１の点線部Ｂから理解できるとおり、アノードおよびカソード間の抵抗、および、アノードおよびカソード間に印加される電圧の少なくとも一方の低下を検知することで、水素含有ガスの湿度増加の停止タイミングを特定することができる。
【００５２】
そこで、本開示の第５態様の水素供給システムは、第１態様の水素供給システムにおいて、制御器は、アノードおよびカソード間の抵抗、および、アノードおよびカソード間に印加される電圧の少なくとも一方が低下すると、湿度調整器を制御して、アノード流路およびカソード流路の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を停止してもよい。これにより、制御器が、以上の抵抗および電圧の少なくとも一方の低下に基づいて、上記の制御を適時に停止することができる。
【００５３】
よって、本態様の水素供給システムは、プロトン伝導性電解質膜に必要量を超える水分が供給されることを抑制できるので、上記の停止制御を行わない場合に比べて電気化学式水素ポンプ内の水分量が過剰になることを軽減できる。そして、電気化学式水素ポンプ内の水分量が過剰になると、電気化学式水素ポンプにおいてフラディングを引き起こす可能性があるが、本態様の水素供給システムは、上記の停止制御により、このような可能性を低減できる。
【００５４】
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。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、構成要素の配置位置および接続形態などは、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、本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。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。
【００５５】
（実施形態）
［装置構成］
図２は、実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
【００５６】
図２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、湿度調整器２２と、制御器５０と、を備える。なお、図２の二点鎖線で示された水素貯蔵器２５が水素供給システム２００に併設して設けられる場合がある。
【００５７】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、プロトン伝導性電解質膜（以下、電解質膜１）と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器２１と、を備える。
【００５８】
なお、電気化学式水素ポンプ１００では、図２の二点鎖線で示すように、電気化学式水素ポンプ１００のアノード流路６を形成するアノードセパレータ５Ａ（図３Ａ参照）、および、カソード流路７を形成するカソードセパレータ５Ｃ（図３Ａ参照）を設けることが多い。
【００５９】
電解質膜１は、一対の主面を備える。電解質膜１は、プロトン伝導性を備える膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１として、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、電解質膜１として、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が、これらに限定されない。
【００６０】
アノードＡＮは、電解質膜１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が、アノード触媒層およびアノードガス拡散層の詳細は後で説明する。
【００６１】
カソードＣＡは、電解質膜１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が、カソード触媒層およびカソードガス拡散層の詳細は後で説明する。
【００６２】
アノード流路６は、アノードＡＮ上に設けられ、水素含有ガスが流れる流路である。例えば、図２に示すように、アノード流路６は、アノードＡＮが接するアノードセパレータ５Ａの主面にサーペンタイン状に形成されていてもよい。これにより、水素含有ガスが、アノード流路６を介してアノードＡＮに供給される。
【００６３】
カソード流路７は、カソードＣＡ上に設けられ、カソードガスが流れる流路である。例えば、図２に示すように、カソード流路７は、カソードＣＡの適所から外部に通じるように、カソードセパレータ５Ｃを貫通することで形成されていてもよい。これにより、カソードＣＡ内の高圧状態のカソードガスが、例えば、外部の水素貯蔵器２５に供給される。
【００６４】
電圧印加器２１は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加する装置である。
【００６５】
電圧印加器２１は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することができれば、どのような構成であってもよい。具体的には、電圧印加器２１の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器２１の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。これにより、電圧印加器２１を用いて、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電が行われる。
【００６６】
電圧印加器２１として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器２１が、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられ、ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器２１が、商用電源などの交流電源と接続された場合に用いられる。
【００６７】
電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器２１により上記の電圧を印加することで、アノード流路６を介してアノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素をカソードＣＡに昇圧して送り、カソード流路７内のカソードガスを水素貯蔵器２５に供給する装置である。なお、水素貯蔵器２５として、例えば、タンクを挙げることができる。
【００６８】
以上の電気化学式水素ポンプ１００の具体例は後で説明する。
【００６９】
本実施形態の水素供給システム２００では、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器２５にカソードガスが供給された後、水素貯蔵器２５から適宜の水素消費体にカソードガスが供給されてもよい。かかる水素消費体として、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。
【００７０】
湿度調整器２２は、アノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方の湿度を調整する装置である。湿度調整器２２は、このようなアノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方に存在する水素含有ガスの湿度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。湿度調整器２２として、例えば、加湿器を挙げることができる。また、加湿器としては、例えば、適温に制御された水中に水素含有ガスを潜らせて加湿するバブラー方式の加湿器などを用いることができるが、これに限定されない。なお、バブラー方式の加湿器の詳細は、実施例で説明する。
【００７１】
制御器５０は、相対湿度が１００％未満の水素含有ガスがアノード流路６に供給され、電気化学式水素ポンプ１００を運転しているときに、湿度調整器２２を制御して、アノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行する。また、制御器５０は、間欠的に上記の制御を実行する。
【００７２】
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。
【００７３】
［電気化学式水素ポンプの具体例］
図３Ａおよび図３Ｂは、実施形態の水素供給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。なお、図３Ｂには、電気化学式水素ポンプ１００のアノードガス拡散板３１を平面視した図が示されている。
【００７４】
図３Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、アノードセパレータ５Ａと、カソードセパレータ５Ｃと、電圧印加器２１と、シール部材３３と、を備える。
【００７５】
なお、電解質膜１は、図１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。また、電圧印加器２１の構成は、上記と同様であるので詳細な説明を省略する。
【００７６】
ここで、図３Ａに示すように、アノードＡＮ（電極）は、アノードガス拡散板３１、アノード触媒層２Ａおよびアノードガス拡散層３Ａで構成されている。カソードＣＡ（電極）は、カソード触媒層２Ｃおよびカソードガス拡散層３Ｃで構成されている。
【００７７】
アノード触媒層２Ａは、電解質膜１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層２Ａは、例えば、触媒金属として白金（Ｐｔ）などを含んでもよいが、これに限定されない。なお、図示を省略しているが、平面視において、アノード触媒層２Ａの周囲を囲むようにシール部材が設けられ、アノードＡＮの水素含有ガスが、このシール部材で適切にシールされている。
【００７８】
カソード触媒層２Ｃは、電解質膜１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層２Ｃは、例えば、触媒金属としてＰｔなどを含んでもよいが、これに限定されない。平面視において、カソード触媒層２Ｃの周囲を囲むようにシール部材３３が設けられ、カソードＣＡのカソードガスが、シール部材３３で適切にシールされている。
【００７９】
カソード触媒層２Ｃもアノード触媒層２Ａ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、導電性の酸化物粉末、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。
【００８０】
アノードガス拡散層３Ａは、例えば、多孔質体などで構成され、耐腐食性、導電性およびガス拡散性を備える。また、アノードガス拡散層３Ａは、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時にアノードＡＮおよびカソードＣＡの間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制し得る高剛性材料で構成する方が望ましい。
【００８１】
アノードセパレータ５Ａは、アノードガス拡散層３Ａの一方の主面および側面を覆うように設けられている。具体的には、アノードガス拡散層３Ａは、アノードセパレータ５Ａの中央部分の凹部内に収納されている。そして、アノードガス拡散層３Ａが接するアノードセパレータ５Ａの主面には、例えば、サーペンタイン状のアノード流路６が形成されている。これにより、アノード入口６ＩＮとアノード出口６ＯＵＴとの間のアノード流路６を水素含有ガスが通過するとき、アノードガス拡散層３Ａに水素含有ガスが供給される。
【００８２】
なお、アノード流路６は、アノードセパレータ５Ａとは別の板部材にサーペンタイン状のスリット孔に設け、両者を一体的に接合することで形成してもよいし、アノードセパレータ５Ａの主面にサーペンタイン状の流路溝を加工することで形成してもよい。
【００８３】
アノードセパレータ５Ａは、例えば、金属部材などで構成され、耐腐食性および導電性を備える。アノードセパレータ５Ａの材質として、例えば、白金メッキが施されたチタンなどを用いることができる。
【００８４】
図３Ａおよび図３Ｂに示すように、電気化学式水素ポンプ１００には、円形のアノードガス拡散板３１が設けられていてもよい。
【００８５】
アノードガス拡散板３１は、アノードガス拡散層３Ａの他方の主面およびアノード触媒層２Ａに接触する円形の中央部分３１Ａと、アノードセパレータ５Ａおよび電解質膜１に接触する円環状の周辺部分３１Ｂと、を備える。
【００８６】
図３Ｂに示すように、アノードガス拡散板３１の中央部分３１Ａには、複数の通気孔が形成されている。これにより、アノード触媒層２Ａとアノードガス拡散層３Ａとの間を水素含有ガスが、通気孔を通じて通過できる。通気孔は、例えば、数十ミクロンの間隔で開けて均等に設けられた数十ミクロン程度の開口であってもよいが、通気孔の大きさおよび間隔は、これに限定されない。なお、かかる通気孔は、例えば、レーザー加工などにより形成することができる。
【００８７】
これに対して、アノードガス拡散板３１の周辺部分３１Ｂには、通気孔が形成されておらず、平坦である。
【００８８】
アノードガス拡散板３１は、例えば、金属板などで構成され、耐腐食性および導電性を備える。アノードガス拡散板３１として、例えば、白金メッキが施されたチタン板を用いることができる。
【００８９】
シール部材３３は、アノードガス拡散板３１の周辺部分３１Ｂ（平坦部）上に、電解質膜１を介して設けられている。よって、電解質膜１は、シール部材３３によりアノードガス拡散板３１の周辺部分３１Ｂに押圧されている。なお、シール部材３３は、平面視において、円環状に形成されている。シール部材３３として、例えば、Ｏリングなどを用いることができる。
【００９０】
以上のアノードガス拡散板３１およびシール部材３３は例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス拡散板３１は円形プレートで構成されているが、これに限定されない。アノードガス拡散層３Ａの平面視の形状が、例えば、矩形状の場合、アノードガス拡散板３１の平面視の形状は矩形状であってもよいし、シール部材３３の平面視の形状が矩形環状であってもよい。
【００９１】
カソードガス拡散層３Ｃは、例えば、多孔質体などで構成され、耐腐食性、導電性およびガス拡散性を備える。例えば、カソードガス拡散層３Ｃは、白金メッキが施されたチタン繊維焼結体などの耐腐食性および導電性を備える多孔質体で構成されている。また、カソードガス拡散層３Ｃは、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作時にアノードＡＮおよびカソードＣＡの間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に追従し得る座屈しにくい弾性材料で構成する方が望ましい。
【００９２】
カソードセパレータ５Ｃは、カソードガス拡散層３Ｃの主面および側面を覆うように設けられている。具体的には、カソードガス拡散層３Ｃは、カソードセパレータ５Ｃの中央部分の凹部内に収納されている。そして、カソードセパレータ５Ｃの適所には、カソードガス拡散層３Ｃの高圧状態のカソードガスを外部へ導出するためのカソード流路７が設けられている。カソード流路７の個数は、図３Ａに示す如く１個でもよいし、複数個でもよい。
【００９３】
カソードセパレータ５Ｃは、例えば、金属部材などで構成され、耐腐食性および導電性を備える。カソードセパレータ５Ｃの材質として、例えば、白金メッキが施されたチタンなどを用いることができる。
【００９４】
なお、上記のシール部材３３は、カソードセパレータ５Ｃに設けられている。具体的には、カソードセパレータ５Ｃの中央部分の凹部には、上記のカソードガス拡散層３Ｃが収納されており、カソードセパレータ５Ｃの外周部分は、電解質膜１に接触している。そして、この外周部分の適所に、円環溝が形成されており、シール部材３３がこの円環溝に嵌めこまれている。
【００９５】
なお、カソードセパレータ５Ｃの形状は、有底の円筒体であってもよいし、有底の矩形筒体であってもよい。但し、カソードセパレータ５Ｃを円筒体で構成することにより、これを矩形筒体で構成する場合に比べ、カソードセパレータ５Ｃのガス圧力に対する耐性を向上させることができる。
【００９６】
ここで、図３Ａには示されていないが、本実施形態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。
【００９７】
例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、ＭＥＡ、アノードセパレータ５Ａおよびカソードセパレータ５Ｃで構成される単セルを１０〜２００個程度、積み重ねて積層体を構成し、この積層体を、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などで締結してもよい。なお、このような単セルの個数は、電気化学式水素ポンプ１００の運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。このとき、高圧ガスが電気化学式水素ポンプ１００から外部へリークしないように、ＭＥＡの両側からＯリング、ガスケットなどのシール部材が設けられ、ＭＥＡと一体化して予め組み立てられていてもよい。そして、ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための上記の導電性のアノードセパレータ５Ａおよびカソードセパレータ５Ｃが配置されている。
【００９８】
また、所定の水素源から電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに水素含有ガスが供給されてもよい。かかる水素源の水素含有ガスは、例えば、水電解装置などにより生成されてもよい。
【００９９】
なお、以上の図示しない様々な部材および機器は例示であって、本例に限定されない。
【０１００】
［動作］
以下、本実施形態の水素供給システム２００の運転方法（動作）について、図面を参照しながら説明する。
【０１０１】
以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から読み出した制御プログラムを用いて行ってもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、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。
【０１０２】
まず、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜１を湿潤状態に保った状態で、低露点の水素含有ガス、または、乾燥状態の水素含有ガスをアノード入口６ＩＮからアノード流路６に供給する。すると、この水素含有ガスが、アノード流路６を通じて電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される。そして、電圧印加器２１の電力が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。
【０１０３】
すると、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮのアノード触媒層２Ａにおいて、酸化反応で水素含有ガス中の水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（１））。プロトンは、湿潤状態の電解質膜１内を伝導してカソードＣＡのカソード触媒層２Ｃに移動する。電子は電圧印加器２１を通じてカソード触媒層２Ｃに移動する。そして、カソードＣＡのカソード触媒層２Ｃにおいて、還元反応で水素が再び生成される（式（２））。
【０１０４】
このとき、プロトンが電解質膜１中を伝導する際に、所定水量の水が、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。
【０１０５】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００のカソード流路７より導出されたカソードガスが流通するガス導出経路（図示せず）に設けられた流量調整器（例えば、図示しない配管に設けられた背圧弁、調整弁など）を用いて、ガス導出経路の圧損を増加させることにより、カソードで生成された水素を昇圧することができる。よって、高圧状態のカソードガスを、適時に、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器２５に供給することができる。
【０１０６】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
【０１０７】
ところで、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器２５にカソードガスを供給するとき、電気化学式水素ポンプ１００外に水が移動するので、低露点の水素含有ガス、または、乾燥状態の水素含有ガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給する場合、電気化学式水素ポンプ１００の運転中に電解質膜１の含水率が低下する可能性がある。
【０１０８】
そこで、本実施形態の水素供給システム２００の運転方法は、
電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素をカソードＣＡに昇圧して送るステップ（ａ）と、
カソードＣＡのカソードガスを水素貯蔵器２５に供給するステップ（ｂ）と、
ステップ（ａ）において、相対湿度が１００％未満の水素含有ガスがアノードＡＮに供給されているときに、アノードＡＮおよびカソードＣＡの少なくとも一方の湿度を増加させるステップ（ｃ）と、を備える。ここで、上記のステップ（ｃ）は、ステップ（ｂ）の実行前、実行中および実行後のいずれのタイミングに実施してもよいが、ステップ（ｂ）の実行中または実行後のタイミングに実施するのが適切である。
【０１０９】
以上により、本実施形態の水素供給システム２００および水素供給システム２００の運転方法は、電気化学式水素ポンプ１００の運転中における電解質膜１の含水率低下を従来よりも軽減し得る。
【０１１０】
具体的には、アノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方の湿度を適時に増加させる制御（アノードＡＮおよびカソードＣＡの少なくとも一方の湿度を増加させるステップ（ｃ））により、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器２５にカソードガスを供給するとき、電気化学式水素ポンプ１００外に水が移動することで起きる電解質膜１の含水率低下を抑制することができる。
【０１１１】
よって、本実施形態の水素供給システム２００および水素供給システム２００の運転方法は、電気化学式水素ポンプ１００において、電解質膜１の含水率低下に起因するポンプ動作に必要な電圧増加を抑制できるので、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作を高効率に維持できる。
【０１１２】
また、仮に、電気化学式水素ポンプ１００内の水素含有ガスが常に湿潤状態である場合は、電気化学式水素ポンプ１００内の水分量が過剰になる可能性がある。そして、電気化学式水素ポンプ１００内の水分量が過剰になると、電気化学式水素ポンプ１００においてフラディングを引き起こす可能性がある。
【０１１３】
しかし、本実施形態の水素供給システム２００は、間欠的にアノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行することで、このような可能性を低減できる。
【０１１４】
（第１実施例）
[装置構成]
図４は、実施形態の第１実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
【０１１５】
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、湿度調整器２２と、水素供給器２３と、凝縮器２４と、水素貯蔵器２５と、制御器５０と、を備える。
【０１１６】
電気化学式水素ポンプ１００および水素貯蔵器２５は、本開示の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１１７】
本実施例の水素供給システム２００では、湿度調整器２２は、温水を貯蔵するバブリングタンク２２Ａ、一対の三方弁１５および三方弁１６、バブリングタンク２２Ａ内の水温を調節する機器（例えば、ヒーターなど；図示せず）、および、水温を検知する温度検知器（図示せず）などを備える。三方弁１５および三方弁１６として、例えば、三方向電磁弁などを用いることができる。
【０１１８】
つまり、本実施例の水素供給システム２００は、アノードＡＮのアノード入口６ＩＮに供給する水素含有ガスがバブラー方式により所望の加湿量に加湿されるように構成されている。具体的には、バブリングタンク２２Ａ内の温水を通過した水素含有ガスの露点は温水の温度とほぼ等しくなるので、かかる温水の温度制御により、アノード入口６ＩＮに供給する水素含有ガスの加湿量を調整することができる。
【０１１９】
水素供給器２３は、水素源からアノード入口６ＩＮに水素含有ガスを供給するための水素供給経路２６に設けられ、水素供給経路２６を流れる水素含有ガスの流量を調整する機器である。水素供給器２３は、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、ポンプが用いられるが、これに限定されない。なお、水素源の水素含有ガスは、上記のとおり、図示しない水電解装置などにより生成されてもよい。
【０１２０】
水素供給器２３には、上記の三方弁１５および三方弁１６が設けられている。
【０１２１】
ここで、水素供給器２３および三方弁１５間の連通経路は、三方弁１５を介してバブリングタンク２２Ａ内の温水中にまで延伸する経路２６Ａおよびバブリングタンク２２Ａをバイパスするバイパス経路２６Ｃの両方に接続されている。
【０１２２】
アノード入口６ＩＮおよび三方弁１６間の連通経路は、三方弁１６を介してバブリングタンク２２Ａ内の上方空間にまで延伸する経路２６Ｂおよびバブリングタンク２２Ａをバイパスするバイパス経路２６Ｃの両方に接続されている。
【０１２３】
よって、水素供給システム２００は、三方弁１５および三方弁１６の弁操作により、アノード入口６ＩＮに供給する前の水素含有ガスが、バブリングタンク２２Ａ内の温水を通過するか、バブリングタンク２２Ａをバイパスするか選択できるように構成されている。
【０１２４】
リサイクル経路２７は、アノード出口６ＯＵＴより送出される水素含有ガスを水素供給器２３よりも上流の水素供給経路２６内に供給するための流路である。
【０１２５】
リサイクル経路２７には、開閉弁１７および逆止弁１４が設けられている。開閉弁１７として、例えば、電磁弁などを用いることができる。逆止弁１４は、アノード出口６ＯＵＴより送出された水素含有ガスが、リサイクル経路２７と水素供給経路２６との接続部に向かう方向を順方向に取るように配置されている。これにより、開閉弁１７を開いたとき、リサイクル経路２７内の水素含有ガスが逆流することが抑制される。
【０１２６】
凝縮器２４は、カソードＣＡのカソード流路７（図３Ａ参照）より導出された高圧のカソードガスを水素貯蔵器２５に供給するための水素導出経路２８に設けられ、このカソードガス中の水分を除去するように構成されている。また、凝縮器２４とカソードＣＡのカソード流路７との間の水素導出経路２８には開閉弁１８が設けられている。開閉弁１８として、例えば、電磁弁などを用いることができる。
【０１２７】
なお、水素貯蔵器２５に貯蔵されたカソードガスは、開閉弁１９（例えば、電磁弁など）を開くことにより、適時に、水素消費体（例えば、燃料電池など）に供給することができる。
【０１２８】
以上の水素供給システム２００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、アノード入口６ＩＮに供給する前の水素含有ガスが流れる経路の切り替え装置は、図４に示された三方弁１５および三方弁１６に代えて、複数の二方弁の組合せにより構成することも可能である。
【０１２９】
制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００の運転時間の積算値が増加すると、湿度調整器２２を制御して、アノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行する。なお、電気化学式水素ポンプ１００の運転時間の積算値には、運転時間の積算値と直接的または間接的に関係する値が含まれる。直接的に関係する値とは、運転時間の積算値自体である。間接的に関係する値とは、運転時間の積算値に相関する値であり、例えば、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間を流れる電流の積算値、凝縮器２４を通過するカソードガスの積算量、水素貯蔵器２５に供給するカソードガスの積算量などが挙げられる。
【０１３０】
[動作]
以下、実施形態の第１実施例の水素供給システム２００の運転方法（動作）について、図面を参照しながら説明する。
【０１３１】
以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から読み出した制御プログラムを用いて行ってもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、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。
【０１３２】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは、実施形態の第１実施例の水素供給システムの運転方法の一例を示す図である。
【０１３３】
図４Ａでは、電気化学式水素ポンプ１００で水素昇圧動作を開始する前に、アノード入口６ＩＮに湿潤状態の水素含有ガスを供給している状態が図示されている。
【０１３４】
図４Ｂでは、アノード入口６ＩＮに乾燥状態の水素含有ガスを供給しながら、電気化学式水素ポンプ１００で水素昇圧動作が行われている状態が図示されている。
【０１３５】
図４Ｃでは、図４Ｂの水素昇圧動作において、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器２５にカソードガスが供給されている状態が図示されている。
【０１３６】
図４Ｄでは、図４Ｂの水素昇圧動作において、アノード入口６ＩＮに供給する水素含有ガスを乾燥状態の水素含有ガスから湿潤状態の水素含有ガスに切り替えた状態が図示されている。
【０１３７】
なお、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄにおいて、図面の内容が理解しやすくなるよう、便宜上、三方弁１５および三方弁１６の開放側が黒で示され、閉止側が白で示されている。また、開放状態の開閉弁１７および開閉弁１８は黒で示され、閉止状態の開閉弁１７および開閉弁１８は白で示されている。また、水素含有ガス、カソードガスおよびプロトンの移動が矢印で示されている。
【０１３８】
電気化学式水素ポンプ１００で水素昇圧動作を開始する前は、図４Ａに示すように、三方弁１５および三方弁１６の弁操作により、経路２６Ａを通じてバブリングタンク２２Ａ内の温水に水素含有ガスを潜らせ、水素含有ガスを加湿する。そして、経路２６Ｂを通じてアノード入口６ＩＮに湿潤状態の水素含有ガスを供給する。例えば、バブリングタンク２２Ａ内の温水の温度を、電気化学式水素ポンプ１００の温度に等しくする場合、電気化学式水素ポンプ１００において相対湿度がほぼ１００％のフル加湿の水素含有ガスが、アノード入口６ＩＮに供給される。
【０１３９】
このとき、開閉弁１７を開放しているので、アノード入口６ＩＮに供給された水素含有ガスは全量、リサイクル経路２７を通じて、水素供給器２３よりも上流の水素供給経路２６に送られる。
【０１４０】
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００のアノード出口６ＯＵＴからバブリングタンク２２Ａを経由してアノード入口６ＩＮにまで延伸する循環経路が形成され、湿潤状態の水素含有ガスは、この循環経路内を循環する。湿潤状態の水素含有ガスが上記の循環経路を循環する過程で、水素含有ガス中の水分により電解質膜１の含水率が上昇した。
【０１４１】
電解質膜１の含水率が所望の値に到達すると、図４Ｂに示すように、電気化学式水素ポンプ１００で水素昇圧動作を開始する。また、このとき、三方弁１５および三方弁１６の弁操作により、水素供給経路２６を流れる水素含有ガスが、バイパス経路２６Ｃを通じてバブリングタンク２２Ａをバイパスする。すると、乾燥状態の水素含有ガスがアノード入口６ＩＮに供給される。このとき、開閉弁１７を閉止しているので、アノード入口６ＩＮに供給された水素含有ガス中の水素の全量が、電気化学式水素ポンプ１００でカソードＣＡに昇圧して送られる。
【０１４２】
電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作により、カソードＣＡのカソードガスの圧力が所定の高圧に到達すると、図４Ｃに示すように、開閉弁１８を開放することで、電気化学式水素ポンプ１００から水素導出経路２８を通じて水素貯蔵器２５にカソードガスが供給される。このとき、水素導出経路２８を流れるカソードガスとともに移動する水分は、凝縮器２４により除去される。
【０１４３】
開閉弁１８を開くことで、カソードＣＡのカソードガスの圧力が所定の圧力以下になると、開閉弁１８を閉めて、図４Ｂで示す如く、電気化学式水素ポンプ１００で水素昇圧動作が再開される。
【０１４４】
このようにして、図４Ｂの電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作および図４Ｃの水素貯蔵器２５への水素供給動作が交互に行われる。すると、このような動作を繰り返すことにより、電気化学式水素ポンプ１００内に存在する水の量は、電気化学式水素ポンプ１００の運転時間とともに徐々に減少する。そして、いずれは、電解質膜１の含水率が低下する。
【０１４５】
そこで、本実施例の水素供給システム２００では、図４Ｄに示すように、三方弁１５および三方弁１６の弁操作により、経路２６Ａを通じてバブリングタンク２２Ａ内の温水に水素含有ガスを潜らせ、水素含有ガスを加湿する。そして、経路２６Ｂを通じてアノード入口６ＩＮに湿潤状態の水素含有ガスを供給する。つまり、アノード入口６ＩＮに供給する水素含有ガスを乾燥状態の水素含有ガス（図４Ｂ）から湿潤状態の水素含有ガス（図４Ｄ）に切り替える。すると、アノード流路６（図３Ａ参照）およびアノードＡＮの湿度が増加するので、アノード流路６およびアノードＡＮに存在する水素含有ガス中の水分により電解質膜１の含水率を上げることができる。
【０１４６】
なお、電解質膜１の含水率が所望の値に到達すると、アノード入口６ＩＮに供給する水素含有ガスを湿潤状態の水素含有ガス（図４Ｄ）から乾燥状態の水素含有ガス（図４Ｂ）に再び切り替える。
【０１４７】
以上により、本実施例の水素供給システム２００および水素供給システム２００の運転方法は、電気化学式水素ポンプ１００の運転中におけるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得る。
【０１４８】
具体的には、アノード入口６ＩＮに供給する水素含有ガスを乾燥状態の水素含有ガス（図４Ｂ）から湿潤状態の水素含有ガス（図４Ｄ）に切り替える制御を行うことにより、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器２５にカソードガスを供給するとき、電気化学式水素ポンプ１００外に水が移動することで起きる電解質膜１の含水率低下を抑制することができる。
【０１４９】
よって、本実施例の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００において、電解質膜１の含水率低下に起因するポンプ動作に必要な電圧増加を抑制できるので、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作を高効率に維持できる。
【０１５０】
また、図４Ｃに示す如く、電気化学式水素ポンプ１００からカソードガスとともに移動する水を凝縮器２４により除去する場合、凝縮器２４で除去される水量は、開閉弁１８を開放することで凝縮器２４を通過するカソードガスの温度、圧力および体積で決まる。また、開閉弁１８を開放することで凝縮器２４を通過するカソードガスの積算量が、電気化学式水素ポンプ１００の運転時間の積算値に依存する。よって、本実施例の水素供給システム２００は、制御器５０が、電気化学式水素ポンプ１００の運転時間の積算値の増加に基づいて、上記の切り替え制御を適時に実行することができる。
【０１５１】
但し、図４Ａ−図４Ｄに示された制御器５０の制御内容は例示であって、本例に限定されない。
【０１５２】
例えば、図４Ｄでは、湿度調整器２２により、アノード流路６およびアノードＡＮの湿度を増加させているが、これに限定されない。アノード流路６およびアノードＡＮの湿度増加に代えて、または、アノード流路６およびアノードＡＮの湿度増加ともに、図示しない適宜の湿度調整器により、カソード流路７およびカソードＣＡの湿度を増加させてもよい。
【０１５３】
また、例えば、図４Ｄでは、図４Ｂの電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の実行中において、経路２６Ｂを通じてアノード入口６ＩＮに湿潤状態の水素含有ガスを供給しているが、図４Ｃの水素貯蔵器２５への水素供給動作の実行中において、経路２６Ｂを通じてアノード入口６ＩＮに湿潤状態の水素含有ガスを供給してもよい。
【０１５４】
また、例えば、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄのそれぞれにおいて、開閉弁１７を閉止した状態で、電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作、水素貯蔵器２５への水素供給動作およびアノード入口６ＩＮへの湿潤状態の水素供給動作のそれぞれを行っているが、開閉弁１７を開放した状態で、上記の各動作を行ってもよい。
【０１５５】
つまり、後者の場合は、アノード入口６ＩＮに供給された水素含有ガス中の水素の一部が電気化学式水素ポンプ１００でカソードＣＡに昇圧して送られ、水素含有ガスの残りがアノード出口６ＯＵＴからリサイクル経路２７を通じて、水素供給器２３よりも上流の水素供給経路２６に送られる。
【０１５６】
また、例えば、図４Ｂおよび図４Ｄの電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の実行中において、水素貯蔵器２５に貯蔵されたカソードガスを、開閉弁１９（例えば、電磁弁など）を開くことにより、水素消費体（例えば、燃料電池など）に供給してもよい。
【０１５７】
また、例えば、図４Ｂおよび図４Ｃにおいて、乾燥状態の水素含有ガスをアノード入口６ＩＮに供給しているが、これは例示であって、本例に限定されない。例えば、電気化学式水素ポンプ１００において相対湿度が１００％未満の水素含有ガスであれば、仮に、湿度調整器２２で加湿された水素含有ガス（例えば、相対湿度が約８０％程度の水素含有ガス）をアノード入口６ＩＮに供給した場合でも、電解質膜１の含水率が低下する場合がある。
【０１５８】
ところで、開閉弁１７を開放した状態でアノード入口６ＩＮに水素含有ガスを供給する場合でも、アノード出口６ＯＵＴから排出される水蒸気の量を、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度およびアノード出口６ＯＵＴから排出される水素含有ガスの量から予測することができる。
【０１５９】
また、開閉弁１７を開放した状態で、アノード入口６ＩＮに所定の露点以上の水素含有ガスを供給する場合に、電気化学式水素ポンプ１００でカソードＣＡに昇圧して送られる水素含有ガス中の水素の割合が大きいと、アノード出口６ＯＵＴから凝縮水が排水される場合がある。この場合でも、電気化学式水素ポンプ１００の運転中に、カソードＣＡのガス中の水蒸気分圧が常に飽和水蒸気圧であるなど仮定を置くことにより、アノード出口６ＯＵＴから排水される凝縮水の量を予測することができる。
【０１６０】
よって、以上のアノード出口６ＯＵＴから排出される水蒸気および凝縮水を、例えば、リサイクル経路２７外に排出する構成を取る場合であっても、制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００の運転時間の積算値の増加に基づいて、電解質膜１の抵抗が上がる適切なタイミングにおいて、アノード入口６ＩＮに供給する水素含有ガスを乾燥状態の水素含有ガス（図４Ｂ）から湿潤状態の水素含有ガス（図４Ｄ）に切り替える制御を実行することができる。
【０１６１】
本実施例の水素供給システム２００は、上記の特徴以外は、実施形態の水素供給システム２００と同様であってもよい。
【０１６２】
（第２実施例）
本実施例の水素供給システム２００は、以下の制御器５０の制御内容以外は、実施形態の水素供給システム２００と同様である。
【０１６３】
図１の点線部Ａから理解できるとおり、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の抵抗、および、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧の少なくとも一方の増加を検知することで、水素含有ガスの湿度増加の開始タイミングを特定することができる。
【０１６４】
そこで、本実施例の水素供給システム２００では、制御器５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の抵抗、および、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧の少なくとも一方が増加すると、湿度調整器２２を制御して、アノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を実行する。これにより、制御器５０が、このような抵抗および電圧の少なくとも一方の増加に基づいて、上記の制御を適時に実行することができる。
【０１６５】
よって、本実施例の水素供給システム２００は、電解質膜１のドライアップを速やかに解消できるので、このような制御を行わない場合に比べて電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作の効率低下を適切に抑制できる。
【０１６６】
本実施例の水素供給システム２００は、上記の特徴以外は、実施形態または実施形態の第１実施例の水素供給システム２００と同様であってもよい。
【０１６７】
（第３実施例）
本実施例の水素供給システム２００は、以下の制御器５０の制御内容以外は、実施形態の水素供給システム２００と同様である。
【０１６８】
図１の点線部Ｂから理解できるとおり、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の抵抗、および、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧の少なくとも一方の低下を検知することで、水素含有ガスの湿度増加の停止タイミングを特定することができる。
【０１６９】
そこで、本実施例の水素供給システム２００では、制御器５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の抵抗、および、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧の少なくとも一方が低下すると、湿度調整器２２を制御してアノード流路６およびカソード流路７の少なくとも一方の湿度を増加させる制御を停止する。これにより、制御器５０が、このような抵抗および電圧の少なくとも一方の低下に基づいて、上記の制御を適時に停止することができる。
【０１７０】
よって、本実施例の水素供給システム２００は、電解質膜１に必要量を超える水分が供給されることを抑制できるので、上記の停止制御を行わない場合に比べて電気化学式水素ポンプ１００内の水分量が過剰になることを軽減できる。そして、電気化学式水素ポンプ１００内の水分量が過剰になると、電気化学式水素ポンプ１００においてフラディングを引き起こす可能性があるが、本実施例の水素供給システム２００は、上記の停止制御により、このような可能性を低減できる。
【０１７１】
本実施例の水素供給システム２００は、上記の特徴以外は、実施形態、実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの水素供給システム２００と同様であってもよい。
【０１７２】
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よい。
【０１７３】
また、上記説明から、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。
【産業上の利用可能性】
【０１７４】
本開示の一態様は、電気化学式水素ポンプの運転中におけるプロトン伝導性電解質膜の含水率低下を従来よりも軽減し得る水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法に利用することができる。
【符号の説明】
【０１７５】
１        ：電解質膜
２Ａ      ：アノード触媒層
２Ｃ      ：カソード触媒層
３Ａ      ：アノードガス拡散層
３Ｃ      ：カソードガス拡散層
５Ａ      ：アノードセパレータ
５Ｃ      ：カソードセパレータ
６        ：アノード流路
６ＩＮ     ：アノード入口
６ＯＵＴ    ：アノード出口
７        ：カソード流路
１４      ：逆止弁
１５      ：三方弁
１６      ：三方弁
１７      ：開閉弁
１８      ：開閉弁
１９      ：開閉弁
２１      ：電圧印加器
２２      ：湿度調整器
２２Ａ    ：バブリングタンク
２３      ：水素供給器
２４      ：凝縮器
２５      ：水素貯蔵器
２６      ：水素供給経路
２６Ａ    ：経路
２６Ｂ    ：経路
２６Ｃ    ：バイパス経路
２７      ：リサイクル経路
２８      ：水素導出経路
３１      ：アノードガス拡散板
３１Ａ    ：中央部分
３１Ｂ    ：周辺部分
３３      ：シール部材
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３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2019210205.tif 000009
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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