(57)【要約】      （修正有）【課題】水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る水素供給システムの提供。【解決手段】電解質膜１４と、電解質膜１４の一方の主面に設けられたカソード触媒層及びカソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層およびアノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器１９と、電圧印加器１９により電圧を印加して、アノードからカソードにプロトンを移動させる動作中に、電圧印加器１９による電圧印加を中断させる制御器５０と、を備える水素供給システム２００。【選択図】図１
2019031700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層および前記カソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、
前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層および前記アノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、
前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、
前記電圧印加器により電圧を印加して、前記アノードから前記カソードにプロトンを移動させる動作中に、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる制御器と、を備える水素供給システム。
【請求項２】
前記制御器は、予め設定される所定時間、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる請求項１に記載の水素供給システム。
【請求項３】
前記カソードから出力される水素ガスが流れるカソードガス流路と、前記カソードガス流路に設けられた逆止弁と、を備える請求項１または２に記載の水素供給システム。
【請求項４】
前記カソードから出力される水素ガスが流れるカソードガス流路と、前記カソードガス流路に設けられた弁と、を備え、
前記制御器は、前記電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、前記弁を閉止させる請求項１−３のいずれか１項に記載の水素供給システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記電圧印加器の印加電圧が増加すると、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる請求項１−４のいずれか１項に記載の水素供給システム。
【請求項６】
前記カソード側の圧力を計測する圧力計測器を備え、
前記制御器は、前記圧力計測器で計測する圧力が増加すると、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる請求項１−５のいずれか１項に記載の水素供給システム。
【請求項７】
前記アノードにガスを供給するガス供給器を備え、
前記制御器は、前記電圧印加器による電圧印加を中断している時に、前記ガス供給器より前記アノードにガスを供給させる請求項１−６のいずれか１項に記載の水素供給システム。
【請求項８】
前記電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、前記アノードに供給されるガスの露点は、前記電圧印加器により電圧を印加している時に前記アノードに供給される水素ガスの露点よりも小さい請求項７に記載の水素供給システム。
【請求項９】
前記電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、前記アノードに供給されるガスの露点は、前記電圧印加器により電圧を印加している時に前記アノードに供給される水素ガスの露点以下である請求項７に記載の水素供給システム。
【請求項１０】
ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿する加湿器と、前記ガス貯蔵器から出力されるガスが前記加湿器を経由して、前記アノードに供給される第１の流路と、前記ガス貯蔵器から出力されるガスが前記加湿器をバイパスして、前記アノードに供給される第２の流路とを備え、
前記ガス供給器は、前記第１の流路を流れるガスの第１流量および前記第２の流路を流れるガスの第２流量を調整する流量調整器を含み、
前記制御器は、前記流量調整器を制御して、前記電圧印加器により電圧を印加しているとき、前記第１流量を第２流量より多くするとともに、前記電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、前記第１流量を前記第２流量よりも少なくする請求項８に記載の水素供給システム。
【請求項１１】
前記流量調整器が前記第１の流路と第２の流路とを切り替える切替器であり、
前記制御器は、前記電圧印加器により電圧を印加しているとき、前記切替器を前記第１の流路側に切替え、前記電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、前記切替器を前記第２の流路側に切替える請求項１０に記載の水素供給システム。
【請求項１２】
前記水素供給システムが運転停止している第１状態および第１状態と異なる第２状態のいずれであるかを示す情報を報知する報知器を備え、
前記制御器は、前記電圧印加器による電圧印加が中断しているとき、前記報知器を制御して前記水素供給システムが、第２状態であること示す情報を報知する請求項１−１１のいずれか１項に記載の水素供給システム。
【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、燃料電池の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、高密度で水素を貯蔵し、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。そこで、燃料供給インフラにおいて、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。
【０００４】
例えば、高圧水素製造装置では、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。そこで、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（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、膜−電極接合体の損傷の回避および密着性向上のため、チタン繊維とチタン繊維の間に、チタン粉末または炭素系材料粉末などの導電性材料粉末を充填して表面を平滑化した金属繊維積層体を備える電気化学セル用給電体が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、高圧環境に対する耐久性を確保しながら、低コストで改質ガスから水素を精製および昇圧するため、複数枚積層されたセル構造と、このセル構造の積層方向に締結力を付与する締結構造とを備える水素精製昇圧装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−７０３２２号公報
【特許文献２】特開２００２−６９６８１号公報
【特許文献３】国際公開第２０１５／０２００６５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、水素供給システムの水素圧縮動作時の効率向上が重要である。
【０００９】
ここで、従来例では、水素供給システム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時の効率を向上することが検討されているが、水素供給システムの水素の拡散性を確保する視点から水素圧縮動作時の効率を向上することは検討されていない。
【００１０】
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、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る水素供給システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層および前記カソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層および前記アノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、前記電圧印加器により電圧を印加して、前記アノードから前記カソードにプロトンを移動させる動作中に、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる制御器と、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本開示の一態様の水素供給システムは、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、第１実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
【図２】図２は、第１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３】図３は、第１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、電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【図５】図５は、電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【図６】図６は、第１実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図７】図７は、第１実施形態の第１変形例の水素供給システムの一例を示す図である。
【図８】図８は、第１実施形態の第２変形例の水素供給システムの一例を示す図である。
【図９】図９は、第１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１０】図１０は、第１実施形態の第１実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図１１は、第１実施形態の第２実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
【図１２】図１２は、第１実施形態の第２実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１３】図１３は、第２実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図１５】図１５は、第２実施形態の第２実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
【図１６】図１６は、第２実施形態の変形例の水素供給システムの一例を示す図である。
【図１７】図１７は、第３実施形態の水素供給システムの報知器の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、第３実施形態の水素供給システムの報知器の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
水素供給システムの水素圧縮動作時の効率向上について鋭意検討が行われ、水素供給システムの触媒層およびガス拡散層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。
【００１５】
水素供給システムの水素圧縮動作時には、アノードからカソードにプロトンと同伴して移動（浸透）した水が、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逆流（逆浸透）する。これにより、アノード触媒層およびアノード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。
【００１６】
例えば、水素供給システムの水素圧縮動作時に、水素ガス（以下、アノードガス）がアノードガス流路を上流から下流へ通過する過程で、アノードガス中のプロトンが、電解質膜を通じてカソードに移動する構成を取る場合、アノードガス流路の下流側を流れるアノードガス中の水素ガス量は、上流側を流れるアノードガスの水素ガス量よりも少ない。
【００１７】
これに対して、アノードガス中には、上記のとおり、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水が逆流（逆浸透）する。よって、以上の構成を取る場合、アノードガス流路の下流側を流れるアノードガスの露点は、上流側を流れるアノードガスの露点に比べて高くなる。すると、アノードガス流路の下流側におけるアノード触媒層およびアノードガス拡散層で、上記のフラディングを引き起こしやすい。
【００１８】
そして、このようなフラディングが発生すると、水素供給システムの水素の拡散性が阻害されるので、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印加器の電圧が増加する。つまり、発明者らは、以上のフラディング現象が水素供給システムの水素圧縮動作時の効率を低下させる要因となり得ることを見出し、以下の本開示の一態様を完成させるに至った。
【００１９】
すなわち、本開示の第１の態様の水素供給システムは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層およびカソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層およびアノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、電圧印加器により電圧を印加して、アノードからカソードにプロトンを移動させる動作中に、電圧印加器による電圧印加を中断させる制御器と、を備える。
【００２０】
また、本開示の第２の態様の水素供給システムは、第１の態様の水素供給システムにおいて、制御器は、予め設定される所定時間、電圧印加器による電圧印加を中断させても良い。
【００２１】
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る。
【００２２】
具体的には、電圧印加器によりカソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧を印加することで、アノードからカソードにプロトンを移動させる動作中において、この電圧印加が中断する。すると、アノードからカソードへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
【００２３】
これにより、上記の所定時間は、アノードガスの露点は、アノードガス流路の下流側と上流側とで変化しにくくなる。つまり、この場合、アノードガス流路の入口から流入したアノードガスは、水素ガス量および水蒸気量を一定に保ったまま、アノードガス流路内を通過した後、アノードガス流路の出口から流入する。
【００２４】
このようにして、本態様の水素供給システムは、上記の所定時間は、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。そして、仮に、フラディングが発生した場合、水素供給システムの水素の拡散性が阻害される可能性があるが、本態様の水素供給システムは、以上の構成により、このような可能性を低減できる。
【００２５】
本開示の第３の態様の水素供給システムは、第１の態様または第２の態様の水素供給システムにおいて、カソードから出力される水素ガスが流れるカソードガス流路と、カソードガス流路に設けられた逆止弁と、を備えても良い。
【００２６】
かかる構成によると、カソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧印加を中断させた場合において、逆止弁の作用により、外部からカソードに流入するガスの流れを抑制できる。よって、本態様の水素供給システムは、逆止弁を備えない場合に比べて、カソードの圧力変動を抑制することができる。
【００２７】
本開示の第４の態様の水素供給システムは、第１の態様−第３の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、カソードから出力される水素ガスが流れるカソードガス流路と、カソードガス流路に設けられた弁と、を備え、制御器は、電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、弁を閉止させても良い。
【００２８】
かかる構成によると、カソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧印加を中断させた場合において、弁の閉止作用により、カソード内の水素ガスの流れを抑制できる。よって、本態様の水素供給システムは、弁を閉止しない場合に比べてカソードのガス圧を高圧に維持することができる。
【００２９】
以上により、カソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧印加を再開した場合に、仮に、カソードのガス圧が低圧になっていると、カソードのガス圧を低圧から高圧するための時間ロスおよびエネルギーロスが発生する恐れがあるが、本態様の水素供給システムは、上記の構成により、このような不都合を軽減できる。
【００３０】
また、カソードのガス圧を高圧に維持することにより、電解質膜の膜厚方向および面内方向における電解質膜の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うことができる。よって、電解質膜の電気抵抗の増加を抑制でき、その結果、水素供給システムの水素圧縮動作に必要な消費電力の増加を抑制できる。なお、本リフレッシュ運転の詳細は、第１実施形態の第２変形例で説明する。
【００３１】
本開示の第５の態様の水素供給システムは、第１の態様−第４の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、制御器は、電圧印加器の印加電圧が増加すると、電圧印加器による電圧印加を中断させても良い。
【００３２】
アノードでフラディングが発生すると、水素供給システムの水素の拡散性が阻害されるので、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印加器の電圧が上昇する。つまり、電圧印加器の電圧は、フラディング現象に相関する値である。
【００３３】
また、電圧印加器の電圧はセル抵抗の増加に伴って上昇する。このセル抵抗は電解質膜の電気抵抗と直結しており、電解質膜の湿潤状態が変化することで、電解質膜の電気抵抗が変化する結果、セル抵抗が変化する。例えば、電圧印加器の電圧が増加した場合、電解質膜の湿潤状態に不均一な分布が発生していると予測できる。つまり、電圧印加器の電圧は、電解質膜の湿潤状態に相関する値である。
【００３４】
そこで、本態様の水素供給システムでは、電圧印加器の電圧について所定の閾値電圧が設定されている。そして、電圧印加器の印加電圧が、閾値電圧を上回る場合に、電圧印加器による電圧印加を中断することで、アノードからカソードへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
【００３５】
これにより、フラディング現象に相関する電圧印加器の印加電圧に基づいて、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。また、電解質膜の湿潤状態に相関する電圧印加器の印加電圧に基づいて、例えば、カソードのガス圧を高圧に維持することで、電解質膜の膜厚方向および面内方向における電解質膜の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うこともできる。
【００３６】
本開示の第６の態様の水素供給システムは、第１の態様−第５の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、カソード側の圧力を計測する圧力計測器を備え、制御器は、圧力計測器で計測する圧力が増加すると、電圧印加器による電圧印加を中断させても良い。
【００３７】
水素供給システムのフラディングは、上記のとおり、アノードからカソードにプロトンと同伴して移動（浸透）した水が、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逆流（逆浸透）することで発生する現象である。よって、カソードおよびアノード間の差圧が大きい程（つまり、カソードのガス圧が高い程）、水素供給システムのフラディングは発生しやすくなる。
【００３８】
そこで、本態様の水素供給システムでは、常圧（低圧）から水素供給システムの定格運転時の圧力（高圧）までの間の圧力（例えば、中間圧力）を、カソードのガス圧の圧力閾値として設定している。そして、圧力計測器の計測データが、このような圧力閾値を上回る場合には、電圧印加器による電圧印加を中断することで、アノードからカソードへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
【００３９】
これにより、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を、カソードのガス圧が圧力閾値を上回る場合にも行うことができる。つまり、本態様の水素供給システムでは、カソードのガス圧が、水素供給システムの定格運転時の圧力より低圧であっても、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングが発生する可能性があることに鑑み、このような圧力閾値を設定している。
【００４０】
本開示の第７の態様の水素供給システムは、第１の態様−第６の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、アノードにガスを供給するガス供給器を備え、制御器は、電圧印加器による電圧印加を中断している時に、ガス供給器よりアノードにガスを供給させても良い。
【００４１】
かかる構成によると、本態様の水素供給システムでは、電圧印加器による電圧印加を中断している時にガス供給器よりアノードにガスを供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードで発生したフラディングを軽減することができる。
【００４２】
具体的には、アノードでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。
【００４３】
本開示の第８の態様の水素供給システムは、第７の態様の水素供給システムにおいて、上記の電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、アノードに供給されるガスの露点は、電圧印加器により電圧を印加している時にアノードに供給される水素ガスの露点よりも小さくても良い。
【００４４】
本開示の第９の態様の水素供給システムは、第７の態様の水素供給システムにおいて、上記の電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、アノードに供給されるガスの露点は、電圧印加器により電圧を印加している時にアノードに供給される水素ガスの露点以下であっても良い。
【００４５】
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、低露点のガスをアノードに供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードで発生したフラディングを軽減することができる。
【００４６】
具体的には、アノードでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。また、アノードに供給されるガスの露点は、電圧印加器により電圧を印加している時にアノードに供給される水素ガス（アノードガス）の露点以下であるので、かかるガスの温度が低下しても、ガス中の水蒸気は凝縮しにくい。よって、アノードに供給されるガスの温度低下により、アノードでフラディングを引き起こすことを適切に抑制できる。
【００４７】
本開示の第１０の態様の水素供給システムは、第８の態様の水素供給システムにおいて、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿する加湿器と、ガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器を経由して、アノードに供給される第１の流路と、ガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器をバイパスして、アノードに供給される第２の流路と、を備え、ガス供給器が、第１の流路を流れるガスの第１流量および第２の流路を流れるガスの第２流量を調整する流量調整器を含み、制御器は、流量調整器を制御して、電圧印加器により電圧を印加しているとき、第１流量を第２流量より多くするとともに、電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、第１流量を第２流量より少なくしても良い。
【００４８】
本開示の第１１の態様の水素供給システムは、第１０の態様の水素供給システムにおいて、流量調整器が第１の流路と第２の流路とを切り替える切替器であり、制御器は、電圧印加器により電圧を印加しているとき、切替器を第１の流路側に切替え、電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、切替器を第２の流路側に切替えても良い。
【００４９】
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧が印加されているときは、加湿器による加湿量が多い高露点のガスがアノードに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、ガス中の水を用いて電解質膜を所望の湿潤状態に維持することができる。
【００５０】
また、電圧印加器による電圧印加が中断されているときは、加湿器による加湿量が少ない低露点のガスがアノードに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、アノードで発生したフラディングを軽減することができる。
【００５１】
本開示の第１２の態様の水素供給システムは、第１の態様−第１１の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、水素供給システムが運転停止している第１状態および第１状態と異なる第２状態のいずれであるかを示す情報を報知する報知器を備え、制御器は、報知器を制御して、電圧印加器による電圧印加が中断しているとき、水素供給システムが、第２状態であること示す情報を報知しても良い。
【００５２】
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、報知器により、水素供給システムが第２状態であること示す情報を、例えば、操作者などが、適時に知ることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは一例であり、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。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。また、動作においては、必要に応じて、各工程の順序などを変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
【００５５】
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１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１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、制御器５０と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器１９と、を備える。
【００５７】
カソードＣＡは、電解質膜１４の一方の主面上に設けられたカソード触媒層（図１では図示せず）およびカソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層（図１では図示せず）を含む電極である。アノードＡＮは、電解質膜１４の他方の主面上に設けられたアノード触媒層（図１では図示せず）およびアノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層（図１では図示せず）を含む電極である。電圧印加器１９は、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する装置である。なお、電解質膜１４、カソード触媒層、カソードガス拡散層、アノード触媒層、アノードガス拡散層および電圧印加器１９の詳細は後で説明する。
【００５８】
電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１９の電圧によりアノードＡＮとカソードＣＡとの間に電流を流すことにより水素（Ｈ２）の昇圧を行い、高圧状態の水素ガス（以下、カソードガスという場合がある）を水素需要体（図示せず）に供給する装置である。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。具体的には、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮで、アノードガス中の水素からプロトン（Ｈ＋）が生成される。そして、プロトン（Ｈ＋）が電解質膜１４を透過し、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで、カソードガスが生成される。このとき、カソードＣＡにおいて生成される水素量が増加することでカソードガスが昇圧される。なお、電気化学式水素ポンプ１００の構成の一例、および、電気化学式水素ポンプ１００によるカソードガスの昇圧動作の詳細については後で説明する。
【００５９】
制御器５０は、電圧印加器１９により電圧を印加して、アノードＡＮからカソードＣＡにプロトン（Ｈ＋）を移動させる動作中に、電圧印加器１９による電圧印加を中断させる。制御器５０は、水素供給システム２００の全体の動作を制御しても良い。
【００６０】
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良い。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良いし、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良い。
【００６１】
図１には示されていないが、水素供給システム２００の水素圧縮動作において必要となる機器は適宜、設けられる。例えば、電気化学式水素ポンプ１００を冷却するための冷却器（例えば、空冷ファン）、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されたカソードガスを一時的に貯蔵する水素貯蔵器、この水素貯蔵器内のガス圧を検出する圧力検出器などが設けられていても良い。なお、これらの図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
【００６２】
［電気化学式水素ポンプの構成］
以下、電気化学式水素ポンプ１００の構成の一例について図面を参照しながら詳しく説明する。
【００６３】
図２および図３は、第１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３は、図２のＡ部の拡大図である。
【００６４】
図２および図３に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、カソード触媒層１５と、アノード触媒層１６と、カソードガス拡散デバイス３１と、アノードガス拡散デバイス９と、電圧印加器１９と、締結器２７と、を備える。
【００６５】
カソードガス拡散デバイス３１は、カソードガス拡散層３１Ａと、カソードセパレータ３１Ｂと、を備える。アノードガス拡散デバイス９は、アノードガス拡散層２４を備えるアノード本体１と、アノードガス流路板５と、アノード端板１０と、を備える。カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の詳細な構成は後で説明する。
【００６６】
電気化学式水素ポンプ１００の単セル１００Ａは、電解質膜１４と、カソード触媒層１５と、アノード触媒層１６と、カソードガス拡散デバイス３１と、アノードガス拡散デバイス９と、を備える。よって、図２の電気化学式水素ポンプ１００は、３段の単セル１００Ａが積層されたスタックを構成しているが、単セル１００Ａの段数はこれに限定されない。つまり、単セル１００Ａの段数は、電気化学式水素ポンプ１００の水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
【００６７】
締結器２７は、電解質膜１４、カソード触媒層１５、アノード触媒層１６、カソードガス拡散層３１Ａ、およびアノードガス拡散層２４の積層体１００Ｂを締結する。
【００６８】
なお、本例では、図１のカソードＣＡは、例えば、カソード触媒層１５およびカソードガス拡散層３１Ａで構成されている。また、図１のアノードＡＮは、例えば、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４で構成されている。
【００６９】
ここで、積層体１００Ｂを備える単セル１００Ａを複数個、積層状態で適切に保持するには、単セル１００Ａの最上層のカソードガス拡散デバイス３１の端面および最下層のアノードガス拡散デバイス９の端面をそれぞれ、図示しない絶縁板などを介して端板２６Ｕおよび端板２６Ｄで挟み、単セル１００Ａに所望の締結圧をかける必要がある。そこで、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの適所に、単セル１００Ａに締結圧をかけるための皿ばねなどを備える複数の締結器２７が設けられている。
【００７０】
締結器２７は、上記の積層体１００Ｂを締結できれば、どのような構成であっても良い。締結器２７として、例えば、端板２６Ｕおよび端板２６Ｄの間を貫通するボルト、および皿ばね付きナットなどを例示できる。
【００７１】
端板２６Ｕには、カソードガス拡散デバイス３１からのカソードガスが流通するカソードガス導出配管３０が設けられている。つまり、カソードガス導出配管３０は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のカソードガス導出マニホルド（図示せず）に連通している。なお、カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、カソードガス導出マニホルドを囲むように図示しないＯリングなどのシール部材が設けられ、カソードガス導出マニホルドが、このシール部材で適切にシールされている。
【００７２】
また、端板２６Ｕには、アノードガス拡散デバイス９からの余剰のアノードガスが流通するアノードガス導出配管２９も設けられている。つまり、アノードガス導出配管２９は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のアノードガス導出マニホルド２９Ａに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、アノードガス導出マニホルド２９Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導出マニホルド２９Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。
【００７３】
端板２６Ｄには、アノ−ドガス拡散デバイス９に供給されるアノードガスが流通するアノードガス導入配管２８が設けられている。つまり、アノードガス導入配管２８は、積層状態の単セル１００Ａに設けられた筒状のアノードガス導入マニホルド２８Ａに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス３１およびアノードガス拡散デバイス９の間には、平面視において、アノードガス導入マニホルド２８Ａを囲むようにＯリングなどのシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホルド２８Ａが、シール部材４０で適切にシールされている。
【００７４】
電解質膜１４は、プロトン（Ｈ＋）を透過可能なプロトン伝導性電解質膜である。電解質膜１４はプロトン伝導性電解質膜であれば、どのような膜であっても良い。例えば、電解質膜１４として、フッ素系高分子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（商品名、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。
【００７５】
カソード触媒層１５は、上記のとおり、電解質膜１４の一方の主面（例えば、おもて面）に設けられている。なお、平面視において、カソード触媒層１５の周囲を囲むようにガスケットなどのシール部材４１が設けられ、カソード触媒層１５が、シール部材４１で適切にシールされている。カソード触媒層１５は、例えば、触媒金属として白金（Ｐｔ）などを含んでも良いが、これに限定されない。
【００７６】
アノード触媒層１６は、上記のとおり、電解質膜１４の他方の主面（例えば、うら面）に設けられている。なお、平面視において、アノード触媒層１６の周囲を囲むようにガスケットなどのシール部材４２が設けられ、アノード触媒層１６が、シール部材４２で適切にシールされている。アノード触媒層１６は、例えば、触媒金属としてＰｔまたはＲｕＩｒＦｅＯｘなどを含んでも良いが、これらに限定されない。
【００７７】
カソード触媒層１５もアノード触媒層１６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良い。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良い。
【００７８】
電圧印加器１９は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加できれば、どのような構成であっても良い。電圧印加器１９は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に印加する電圧を調整する機器でも良く、電圧印加器１９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。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器１９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１９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。また、電圧印加器１９の低電位側端子が、導電性のカソードガス拡散デバイス３１に接続され、電圧印加器１９の高電位側端子が、導電性のアノードガス拡散デバイス９に接続されている。
【００７９】
［カソードガス拡散デバイスの構成］
図４は、電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
【００８０】
カソードガス拡散デバイス３１は、上記のとおり、カソードガス拡散層３１Ａと、カソードセパレータ３１Ｂと、を備える。
【００８１】
カソードガス拡散層３１Ａは、電解質膜１４と対向していないカソード触媒層１５の主面上に設けられている。また、カソードガス拡散層３１Ａは、所望の弾性、所望の電気伝導性および所望のガス通気性を備えていれば、どのような構成であっても良い。例えば、カソードガス拡散層３１Ａは、高弾性の黒鉛化炭素繊維、またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体などで構成され、ペーパー状にしたものを用いることができる。なお、前者の黒鉛化炭素繊維を用いる場合、炭素繊維を、例えば、2000℃以上で熱処理すると黒鉛結晶が発達し黒鉛繊維に変化する。
【００８２】
また、電気化学式水素ポンプ１００では、カソードセパレータ３１Ｂは、カソードガス拡散層３１Ａから導出されたカソードガスが流れる凹部３５を備える。そして、カソードガス拡散層３１Ａは、凹部３５に収納されている。
【００８３】
カソードセパレータ３１Ｂは、カソードガスが流れるマニホルド孔３２Ｃと、凹部３５内のカソードガスをマニホルド孔３２Ｃに導出するカソードガス導出流路３３とを備える。
【００８４】
本例のカソードガス拡散デバイス３１では、カソードガス導出流路３３は、マニホルド孔３２Ｃとカソードガス拡散層３１Ａとを連通する連通孔で構成されている。この連通孔は、例えば、図４に示す如く、凹部３５の底面から、カソードセパレータ３１Ｂの厚み方向に形成されたマニホルド孔３２Ｃにまで延伸していても良い。また、単セル１００Ａが積層された場合、筒状のカソードガス導出マニホルドが、アノードガス拡散デバイス９に設けられたマニホルド孔３２Ａ（図５参照）と、マニホルド孔３２Ｃとによって形成される。
【００８５】
以上により、高圧状態のカソードガス拡散層３１Ａからカソードガス導出流路３３を通じてカソードガスを取り出すことができる。カソードガス導出流路３３を通過したカソードガスは、カソードガス導出マニホルドおよびカソードガス導出配管３０をこの順に流通する。
【００８６】
［アノードガス拡散デバイスの構成］
図５は、電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散デバイスの一例を示す図である。図５（ａ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノード本体１を平面視した図である。図５（ｂ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノードガス流路板５を平面視した図である。図５（ｃ）は、アノードガス拡散デバイス９のアノード端板１０を平面視した図である。
【００８７】
図５（ｄ）は、アノードガス拡散デバイス９の断面図である。つまり、図５（ｄ）では、図５（ａ）、図５（ｂ）および図５（ｃ）に平面視で示された部材が積層された場合のＤ−Ｄ部に対応するアノードガス拡散デバイス９の断面が示されている。
【００８８】
図５（ｄ）に示すように、アノードガス拡散デバイス９は、アノード本体１と、アノードガス流路板５と、アノード端板１０を備える。
【００８９】
アノード本体１は、アノードガスを拡散させる金属性部材である。アノード本体１は、アノードガスを拡散させる金属性部材であれば、どのような構成であっても構わない。アノード本体１は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていても良い。アノード本体１の厚みは、数百μｍ程度（例えば、約４００μｍ程度）であっても良い。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
【００９０】
また、アノード本体１は、アノードガス拡散層２４と、アノードガス導入用のマニホルド孔３およびアノードガス導出用のマニホルド孔４と、を備える。なお、アノードガス拡散層２４は、貫通孔を備える金属板の積層体、多孔構造の金属粉の焼結体などを用いて、アノードガスを拡散し得るように構成されている。
【００９１】
アノードガス流路板５は、アノード本体１の主面上に設けられている。本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、アノードガス流路板５は、アノード本体１の主面と面接触するように設けられている。
【００９２】
アノードガス流路板５の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノードガス流路板５の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であっても良い。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
【００９３】
また、アノードガス流路板５は、アノードガス導入用のマニホルド孔７およびアノードガス導出用のマニホルド孔８と、アノードガス流路６と、を備える。
【００９４】
マニホルド孔７およびマニホルド孔８はそれぞれ、アノード本体１のマニホルド孔３およびマニホルド孔４のそれぞれと対置するように配されている。
【００９５】
本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、アノードガス流路板５のアノードガス流路６は、マニホルド孔７と連通し、マニホルド孔８に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔８とは連通しない複数のスリット孔３６Ｄと、マニホルド孔８と連通し、マニホルド孔７に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔７とは連通しない複数のスリット孔３６Ｕと、で構成されている。つまり、アノードガス流路板５は、スリット孔３６Ｄを備える第１金属層５Ｄとスリット孔３６Ｕを備える第２金属層５Ｕとを、これらのスリット孔３６Ｄおよびスリット孔３６Ｕ同士が重なり合うように一体的に接合することにより形成されている。そして、スリット孔３６Ｄおよびスリット孔３６Ｕ同士の重なり合う部分が、アノードガス流路板５を貫通するアノードガス流路６のスリット孔３６を構成している。この場合、マニホルド孔７は、複数のアノードガス流路６の一端と連通することで、アノードガス拡散層２４へのアノードガス導入に用いられる。つまり、アノードガス流路６のスリット孔３６とアノードガス拡散層２４との接触部分を通過したアノードガスが、アノードガス拡散層２４へ送られる。また、マニホルド孔８は、複数のアノードガス流路６の他端と連通することで、アノードガス拡散層２４からのアノードガス導出に用いられる。
【００９６】
アノード端板１０は、アノードガス流路板５の主面のうち、アノード本体１と対向していない主面（以下、反対面）上に設けられている。具体的には、アノードガス流路板５の複数のスリット孔３６が、アノード端板１０によって反対面から覆われている。
【００９７】
アノード端板１０の材質としては、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノード端板１０の厚みは、数十μｍ程度（例えば、約５０μｍ程度）であっても良い。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
【００９８】
また、アノード端板１０は、アノードガス導入用のマニホルド孔１１およびアノードガス導出用のマニホルド孔１２を備える。アノード端板１０のマニホルド孔１１およびマニホルド孔１２はそれぞれ、アノードガス流路板５のマニホルド孔７およびマニホルド孔８のそれぞれと対置するように配されている。
【００９９】
以上により、単セル１００Ａが積層される場合、アノードガス導入マニホルド２８Ａが、マニホルド孔１１とマニホルド孔７とマニホルド孔３とカソードガス拡散デバイス３１のマニホルド孔とによって形成されている。アノードガス導出マニホルド２９Ａが、マニホルド孔１２とマニホルド孔８とマニホルド孔４とカソードガス拡散デバイス３１のマニホルド孔とによって形成されている。
【０１００】
本実施形態のアノードガス拡散デバイス９では、アノード端板１０とアノードガス流路板５とアノード本体１とが、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていても良い。例えば、アノード端板１０の主面とアノードガス流路板の主面とアノード本体１の主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていても良い。これにより、アノード端板１０とアノードガス流路板５とアノード本体１とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べ、互いの接合部の空隙が消失するのでアノードガス拡散デバイス９の接触抵抗（電気抵抗）を低減できる。すると、アノードガス拡散デバイス９に電圧を印加する場合、電気化学式水素ポンプ１００に必要な消費電力の増加を抑制できる。
【０１０１】
［動作］
図６は、第１実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【０１０２】
以下、第１実施形態の水素供給システム２００の動作について、図面を参照しながら説明する。
【０１０３】
以下の動作は、制御器５０の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。例えば、水素供給システム２００が、表示機構およびタッチ操作機能を有する液晶ディスプレイなどの表示器を備えても良い。この場合、水素供給システム２００の動作状態が表示器に表示されるとともに、操作者の制御指令が、適時に、表示器を介して制御器５０の演算回路に入力される。
【０１０４】
まず、ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮにアノードガスが供給される。
【０１０５】
例えば、アノードガス導入配管２８を通じて、アノードガスがアノードガス拡散デバイス９に供給される。具体的には、図５のマニホルド孔７にアノードガス導入配管２８からアノードガスが供給される。すると、マニホルド孔７は、アノードガス流路板５のアノードガス流路６の一端と連通しているので、マニホルド孔７からアノードガス流路６にガスが送られる。
【０１０６】
このとき、アノードガス流路６を流通するアノードガスの一部は、アノード本体１のアノードガス拡散層２４へ送られる。アノードガス拡散層２４はガス拡散作用を備えるので、アノードガス流路６からアノードガス流路板５と対向していないアノードガス拡散層２４の主面（以下、反対面）へと向かうアノードガスが、アノードガス拡散層２４で均一に拡散されながら、この反対面を通過できる。これにより、アノードガス拡散層２４の反対面に配されたアノード触媒層１６に均一にアノードガスが供給される。なお、上記の反対面を通過しなかった余剰のアノードガスは、アノードガス流路板５のアノードガス流路６の他端と連通したマニホルド孔８に送られ、アノードガス導出配管２９へ排出される。なお、アノードガスとして、例えば、水素ガスなどを挙げることができる。
【０１０７】
次に、ステップＳ２で、電圧印加器１９により、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加することで、以下の如く、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が昇圧される。
【０１０８】
まず、アノードガス中の水素は、アノード触媒層１６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１９を介してカソード触媒層１５へと移動する。
【０１０９】
一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜１４内を透過し、カソード触媒層１５に移動する。カソード触媒層１５では、電解質膜１４を透過したプロトンと、電子とによる還元反応が行われ、カソードガスが発生する（式（２））。
【０１１０】
これにより、アノードガスが、例えば、ＣＯ２ガスなどの不純物を含む水素ガスであっても、アノードガスから高効率に水素ガスの純化が行われる。
【０１１１】
なお、アノードガスには、例えば、不純物としてＣＯガスを含有する場合がある。この場合は、ＣＯガスは、アノード触媒層１６などの触媒活性を低下させるので、ＣＯガスは、図示しないＣＯ除去器（例えば、変成器、ＣＯ選択酸化器など）で除去する方が良い。
【０１１２】
そして、カソードガス導出配管３０の圧損を増やし、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が高圧になる。具体的には、アノードＡＮのガス圧Ｐ１、カソードＣＡのガス圧Ｐ２および電圧印加器１９の電圧Ｅの関係は、以下の式（３）で定式化される。
【０１１３】
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（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（３）
【０１１４】
式（３）において、Ｒは気体定数（８.３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは電気化学式水素ポンプ１００のセル温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ２はカソードＣＡ側のガス圧、Ｐ１はアノードＡＮ側のガス圧、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ２）、ｒはセル抵抗（Ω・ｃｍ２）である。
【０１１５】
式（３）から、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を上昇させ得ることが容易に理解できる。なお、カソードガス導出配管３０の圧損は、例えば、カソードガス導出配管３０に設けられた開閉弁の開度により増減させることができる。
【０１１６】
以上により、電気化学式水素ポンプ１００では、上記のカソードガス導出配管３０の圧損を大きくするとともに、電圧印加器１９の電圧Ｅを上げることで、カソードＣＡ側のガス圧Ｐ２を上昇させる。カソードＣＡ側のガス圧Ｐ２が上昇したカソードガスは、例えば、カソードガス導出配管３０を通じて外部（例えば、図示しない水素貯蔵器など）に排出される。
【０１１７】
ところで、水素供給システム２００の水素圧縮動作時には、アノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動（浸透）した水が、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に逆流（逆浸透）する。これにより、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４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。
【０１１８】
例えば、図２および図５に示す如く、水素供給システム２００の水素圧縮動作時に、アノードガスがアノードガス流路６を上流から下流へ通過する過程で、アノードガス中のプロトンが、電解質膜１４を通じてカソードに移動する構成を取る場合、アノードガス流路６の下流側を流れるアノードガス中の水素ガス量は、上流側を流れるアノードガスの水素ガス量よりも少ない。
【０１１９】
これに対して、アノードガス中には、上記のとおり、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に水が逆流（逆浸透）する。よって、以上の構成を取る場合、アノードガス流路６の下流側を流れるアノードガスの露点は、上流側を流れるアノードガスの露点に比べて高くなる。すると、アノードガス流路６の下流側におけるアノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４で、上記のフラディングを引き起こしやすい。
【０１２０】
そこで、本実施形態の水素供給システム２００では、電圧印加器１９によりカソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加して、アノードＡＮからカソードＣＡにプロトンを移動させる動作中に、ステップＳ３で、予め設定された所定時間、このような電圧印加器１９による電圧印加を中断させる。
【０１２１】
なお、ステップＳ３で、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間への電圧印加を中断しているとき、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が、高圧に維持されていても良い。例えば、上記の開閉弁を閉止することで、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を高圧に維持することができる。詳細は、第２変形例で説明する。
【０１２２】
そして、上記の所定時間が経過した後、ステップＳ４で、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間への電圧印加が再開される。
【０１２３】
以上により、本実施形態の水素供給システム２００は、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る。
【０１２４】
具体的には、電圧印加器１９によりカソード触媒層１５およびアノード触媒層１６間の電圧を印加することで、アノードＡＮからカソードＣＡにプロトンを移動させる動作中において、この電圧印加を中断させる。すると、アノードＡＮからカソードＣＡへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
【０１２５】
これにより、上記の所定時間は、アノードガスの露点は、アノードガス流路６の下流側と上流側とで変化しにくくなる。つまり、この場合、アノードガス流路６の入口からに流入したアノードガスは、水素ガス量および水蒸気量を一定に保ったまま、アノードガス流路６内を通過した後、アノードガス流路６の出口から流入する。
【０１２６】
このようにして、本実施形態の水素供給システム２００は、上記の所定時間は、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。そして、仮に、フラディングが発生した場合、水素供給システム２００の水素の拡散性が阻害される可能性があるが、本実施形態の水素供給システム２００は、以上の構成により、このような可能性を低減できる。
【０１２７】
（第１変形例）
図７は、第１実施形態の第１変形例の水素供給システムの一例を示す図である。
【０１２８】
図７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、制御器５０と、カソードガス流路６０と、逆止弁６１と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００および制御器５０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１２９】
カソードガス流路６０は、カソードＣＡから出力される水素ガスが流れる流路である。カソードガス流路６０は、カソードＣＡから出力される水素ガスが流れる流路であれば、どのような構成であっても良い。カソードガス流路６０は、例えば、カソードガス導出配管３０（図２参照）により構成されていても良い。
【０１３０】
逆止弁６１は、カソードガス流路６０に設けられている。具体的には、逆止弁６１は、カソードＣＡから電気化学式水素ポンプ１００の外部に水素が流出する方向が正方向となるように、カソードガス流路６０に設けられている。
【０１３１】
以上により、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６間の電圧印加を中断させた場合において、逆止弁６１の作用により、外部からカソードＣＡに流入するガスの流れを抑制できる。よって、本変形例の水素供給システム２００は、逆止弁６１を備えない場合に比べて、カソードＣＡの圧力変動を抑制することができる。
【０１３２】
本変形例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態の水素供給システム２００と同様であっても良い。
【０１３３】
（第２変形例）
電気化学式水素ポンプ１００の動作における電解質膜１４のプロトン伝導性について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
【０１３４】
電解質膜１４のプロトン伝導性確保には、電解質膜１４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１４を湿潤状態は、電解質膜１４の電気抵抗と直結しており、電気化学式水素ポンプ１００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、電圧印加器１９の電圧Ｅの上昇を招くので、電気化学式水素ポンプ１００の動作効率、ひいては、水素供給システム２００の動作効率を低下させる。
【０１３５】
ここで、発明者らは、電気化学式水素ポンプ１００の動作における電解質膜１４の湿潤状態が、カソードＣＡに存在する水の電解質膜１４への浸透と密接に関係することを見出した。
【０１３６】
水素供給システム２００の水素圧縮動作時、電気化学式水素ポンプ１００では、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜１４内を透過し、カソード触媒層１５に移動する。つまり、アノードＡＮからカソードＣＡに水が移動する。このとき、カソードＣＡに移動した水と電解質膜１４との接触により、電解質膜１４がカソードＣＡから加湿される。そして、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水の量が多い程、アノードＡＮからの電解質膜１４の加湿量が減少することとなり、その結果、電解質膜１４の膜厚方向および面内方向における湿潤状態の分布（不均一）が発生する可能性がある。
【０１３７】
一方、カソードＣＡからの電解質膜１４の加湿量はカソードＣＡのガス圧Ｐ２の高低に依存する。つまり、電解質膜１４と接触する水は、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が高い程、電解質膜１４に水が浸透しやすくなり、その結果、電解質膜１４の加湿が促進される。
【０１３８】
第１実施形態の第２変形例の水素供給システム２００では、以上の原理を利用して、電解質膜１４の均一な湿潤状態が維持される。
【０１３９】
図８は、第１実施形態の第２変形例の水素供給システムの一例を示す図である。
【０１４０】
図８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、制御器５０と、カソードガス流路６０と、弁６２と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。カソードガス流路６０は、第１実施形態の第１変形例と同様であるので説明を省略する。
【０１４１】
弁６２は、カソードガス流路６０に設けられている。具体的には、弁６２は、カソードガス流路６０を開放および閉止可能な開閉弁である。弁６２として、例えば、電磁式開閉弁を用いることができるが、これに限定されない。
【０１４２】
そして、制御器５０は、電圧印加器１９による電圧印加を中断しているとき、弁６２を閉止させる。すると、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６間の電圧印加を中断させた場合において、弁６２の閉止作用により、カソードＣＡ内のカソードガスの流れを抑制できる。よって、本変形例の水素供給システム２００は、弁６２を閉止しない場合に比べてカソードＣＡのガス圧Ｐ２を高圧に維持することができる。
【０１４３】
以上により、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６間の電圧印加を再開した場合に、仮に、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が低圧になっていると、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を低圧から高圧するための時間ロスおよびエネルギーロスが発生する恐れがあるが、本変形例の水素供給システム２００は、上記の構成により、このような不都合を軽減できる。
【０１４４】
また、カソードＣＡのガス圧Ｐ２は、上記のとおり、電解質膜１４の加湿を促進させる効果を発揮する。そこで、本変形例の水素供給システム２００では、電圧印加器１９による電圧印加を中断しているとき、弁６２を閉止させることにより、カソードＣＡ内のガス圧Ｐ２を電解質膜１４に均一に付与することで、カソードＣＡに存在する水を電解質膜１４の面内において均一に浸透させることができる。これにより、電解質膜１４の膜厚方向および面内方向における電解質膜１４の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うことができる。よって、電解質膜１４の電気抵抗の増加を抑制でき、その結果、水素供給システム２００の水素圧縮動作に必要な消費電力の増加を抑制できる。
【０１４５】
なお、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加させずに、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を高圧にする期間は、水素供給システム２００のそれまでの運転時間、直前のカソードＣＡのガス圧Ｐ２、電解質膜１４の湿潤状態と電解質膜１４の電気抵抗などの物性との相関などを考慮して、電解質膜１４の膜厚方向および面内方向における湿潤状態を改善できる期間として、予め設定することが望ましい。
【０１４６】
本変形例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１変形例の水素供給システム２００と同様であっても良い。
【０１４７】
（第１実施例）
図９は、第１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。
【０１４８】
図９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、制御器５０と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器１９と、電圧計測器７０と、を備える。
【０１４９】
電解質膜１４、アノードＡＮ、カソードＣＡおよび電圧印加器１９は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１５０】
電圧計測器７０は、電圧印加器１９でカソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間にかける電圧Ｅを計測する装置である。電圧計測器７０は、電圧印加器１９の電圧Ｅを計測できれば、どのような構成であっても良い。
【０１５１】
なお、本実施例の水素供給システム２００は、電圧計測器７０を備えているが、このような電圧計測器を備えなくても良い。後者の場合、電圧印加器１９の電圧Ｅは、例えば、制御器５０で電圧印加器１９を制御する場合の電圧印加器１９の制御量として把握することができる。
【０１５２】
制御器５０は、電圧印加器１９の印加電圧が増加すると、電圧印加器１９による電圧印加を中断させる。
【０１５３】
図１０は、第１実施形態の第１実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【０１５４】
以下の動作は、制御器５０の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。
【０１５５】
図１０のステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３およびステップＳ４は、図６のステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３およびステップＳ４と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１５６】
ステップＳ５で、電圧印加器１９の電圧Ｅ（例えば、電圧計測器７０で計測する電圧）が、予め設定された電圧閾値を上回るか否かが判定される。
【０１５７】
電圧印加器１９の電圧Ｅが、電圧閾値以下の場合（ステップＳ５で、Ｎｏの場合）、ステップＳ２で、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加することで、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を昇圧する動作が継続される。
【０１５８】
電圧印加器１９の電圧Ｅが、電圧閾値を上回る場合（ステップＳ５で、Ｙｅｓの場合）、ステップＳ３で、予め設定された所定時間、電圧印加器１９によるカソード触媒層１５およびアノード触媒層１６間への電圧印加が中断され、上記の所定時間が経過した後、ステップＳ４で、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間への電圧印加が再開される。そして、ステップＳ２で、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加することで、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を昇圧する動作が継続される。
【０１５９】
ここで、アノードＡＮでフラディングが発生すると、水素供給システム２００の水素の拡散性が阻害されるので、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印加器１９の電圧Ｅが上昇する。つまり、電圧印加器１９の電圧Ｅは、フラディング現象に相関する値である。
【０１６０】
また、電圧印加器１９の電圧Ｅはセル抵抗の増加に伴って上昇する。このセル抵抗は電解質膜１４の電気抵抗と直結しており、電解質膜１４の湿潤状態が変化することで、電解質膜１４の電気抵抗が変化する結果、セル抵抗が変化する。例えば、電圧印加器１９の電圧Ｅが増加した場合、電解質膜１４の湿潤状態に不均一な分布が発生していると予測できる。つまり、電圧印加器１９の電圧Ｅは、電解質膜１４の湿潤状態に相関する値である。
【０１６１】
そこで、本実施例の水素供給システム２００では、ステップＳ５に示す如く、電圧印加器１９の電圧について所定の閾値電圧が設定されている。そして、電圧印加器１９の印加電圧が、閾値電圧を上回る場合に、電圧印加器１９による電圧印加を中断することで、アノードＡＮからカソードＣＡへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
【０１６２】
これにより、フラディング現象に相関する電圧印加器１９の印加電圧に基づいて、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。また、電解質膜１４の湿潤状態に相関する電圧印加器１９の印加電圧に基づいて、例えば、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を高圧に維持することで、電解質膜１４の膜厚方向および面内方向における電解質膜１４の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うこともできる。
【０１６３】
なお、ステップＳ５の電圧閾値は、電解質膜１４の湿潤状態と電解質膜１４の電気抵抗などの物性との相関などを考慮して、水素供給システム２００の水素圧縮動作の安定性、水素供給システム２００の目標効率を達成し得る電圧を指標として設定すると良い。閾値電圧は、例えば、触媒金属が溶出する下限電圧より小さい値であっても良い。例えば、触媒金属としてＰｔが用いられている場合は、閾値電圧は、触媒金属が溶出する下限電圧（例えば、１．１９Ｖ）よりも小さい値で設定しても良い。
【０１６４】
本実施例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの水素供給システム２００と同様であっても良い。
【０１６５】
（第２実施例）
図１１は、第１実施形態の第２実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
【０１６６】
図１１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、制御器５０と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器１９と、電圧計測器７０と、圧力計測器７１と、を備える。
【０１６７】
電解質膜１４、アノードＡＮ、カソードＣＡおよび電圧印加器１９は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。電圧計測器７０は、第１実施形態の第１実施例と同様であるので説明を省略する。
【０１６８】
圧力計測器７１は、カソードＣＡ側の圧力を計測する装置である。つまり、圧力計測器７１により、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が計測される。圧力計測器７１は、カソードＣＡ側の圧力を計測できれば、どのような構成であっても良い。
【０１６９】
制御器５０は、圧力計測器７１で計測する圧力が増加すると、電圧印加器１９による電圧印加を中断させる。
【０１７０】
図１２は、第１実施形態の第２実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【０１７１】
以下の動作は、制御器５０の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。
【０１７２】
図１２のステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３およびステップＳ４は、図６のステップＳ１、ステップＳ２、ステップＳ３およびステップＳ４と同様であるので詳細な説明を省略する。図１２のステップＳ５は、図１０のステップＳ５と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１７３】
ステップＳ６で、圧力計測器７１で計測する圧力が、予め設定された圧力閾値を上回るか否かが判定される。
【０１７４】
圧力計測器７１で計測する圧力が、圧力閾値以下の場合（ステップＳ６で、Ｎｏの場合）、ステップＳ２で、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加することで、カソードＣＡのガス圧Ｐ２を昇圧する動作が継続される。
【０１７５】
圧力計測器７１で計測する圧力が、圧力閾値を上回る場合（ステップＳ６で、Ｙｅｓの場合）、次の判定ステップＳ５に進む。そして、ステップＳ５では、第１実施形態の第１実施例の水素供給システムと同様の動作が行われる。
【０１７６】
ここで、水素供給システム２００のフラディングは、上記のとおり、アノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動（浸透）した水が、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に逆流（逆浸透）することで発生する現象である。よって、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧が大きい程（つまり、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が高い程）、水素供給システム２００のフラディングは発生しやすくなる。
【０１７７】
そこで、本実施例の水素供給システム２００では、常圧から水素供給システム２００の定格運転時の圧力（高圧）までの間の圧力（例えば、中間圧力）を、カソードＣＡのガス圧Ｐ２の圧力閾値として設定している。圧力閾値は複数、設定されていても良い。そして、圧力計測器７１の計測データが、このような圧力閾値を上回る場合には、電圧印加器１９による電圧印加を中断することで、アノードＡＮからカソードＣＡへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
【０１７８】
これにより、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が圧力閾値を上回る場合にも行うことができる。つまり、本実施例の水素供給システム２００では、カソードＣＡのガス圧Ｐ２が、水素供給システム２００の定格運転時の圧力より低圧であっても、アノード触媒層１６およびアノードガス拡散層２４においてフラディングが発生する可能性があることに鑑み、このような圧力閾値を設定している。
【０１７９】
本実施例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第１実施形態の第１実施例のいずれかの水素供給システム２００と同様であっても良い。
【０１８０】
（第２実施形態）
図１３は、第２実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
【０１８１】
図１３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、制御器５０と、ガス供給器８０と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器１９と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１８２】
ガス供給器８０は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮにガスを供給する装置である。ガス供給器８０は、アノードＡＮにガスを供給することができれば、どのような構成であっても良い。
【０１８３】
ガス供給器８０は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮへ供給するガス流量を調整する流量調整器を備えても良い。流量調整器は、昇圧器および流量調整弁の両方、または、いずれか一方により構成されても良い。昇圧器として、例えば、ブースターポンプなどを挙げることができるが、これに限定されない。
【０１８４】
また、水素供給システム２００では、所定の供給圧を有するガス供給源（図示せず）からガス供給器８０にガスが供給される。ガス供給源として、例えば、ガス貯蔵器（例えば、ガスボンベ）、ガス供給インフラなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
【０１８５】
制御器５０は、電圧印加器１９による電圧印加を中断している時に、ガス供給器８０よりアノードＡＮにガスを供給させる。
【０１８６】
図１４は、第２実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【０１８７】
以下の動作は、制御器５０の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。
【０１８８】
図１４のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ４は、図６のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ４と同様であるので詳細な説明を省略する。
【０１８９】
電圧印加器１９によりカソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧を印加して、アノードＡＮからカソードＣＡにプロトンを移動させる動作中に、ステップＳ３Ａで、予め設定された所定時間、このような電圧印加器１９による電圧印加を中断させるとともに、ガス供給器８０によりアノードＡＮにガスが供給される。
【０１９０】
このとき、ガス供給器８０からアノードＡＮに供給されるガスは、例えば、水素ガス（アノードガス）であるが、これに限定されず、窒素などの酸素を除く他のガスであっても良い。ガス供給器８０からアノードＡＮに供給されるガスが、水素ガス（アノードガス）である場合、アノードＡＮにアノードガスを供給するステップＳ１の動作が継続されていても良い。つまり、この場合、ステップＳ３Ａは、ステップＳ３と同様であっても良い。
【０１９１】
また、ガス供給器８０からアノードＡＮに供給されるガスが、窒素などの他のガスである場合、図示を省略しているが、ステップＳ３Ａで、ステップＳ１の動作が停止されていても良い。これにより、上記のリフレッシュ運転において水素ガスを使用せずに済む。
【０１９２】
以上により、本実施形態の水素供給システム２００は、電圧印加器１９による電圧印加を中断している時にガス供給器８０よりアノードＡＮにガスを供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードＡＮで発生したフラディングを軽減することができる。
【０１９３】
具体的には、アノードＡＮでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層１６のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層２４のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器８０から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。
【０１９４】
本実施形態の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第１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と同様であっても良い。例えば、図１４では、図６のステップＳ３が、上記のステップＳ３Ａに置き換えられているが、図１０のステップＳ３が、上記のステップＳ３Ａに置き換えられても良いし、図１２のステップＳ３が、上記のステップＳ３Ａに置き換えられても良い。
【０１９５】
（第１実施例）
第２実施形態の第１実施例の水素供給システム２００は、以下の特徴以外は、第２実施形態の水素供給システム２００と同様である。
【０１９６】
電圧印加器１９による電圧印加が中断されている時に、ガス供給器８０からアノードＡＮに供給されるガスの露点は、電圧印加器１９により電圧を印加している時にアノードＡＮに供給される水素ガス（アノードガス）の露点以下であっても良い。例えば、ガス供給器８０からアノードＡＮに供給されるガスが、水素ガス（アノードガス）である場合、両者の露点が等しくなる場合がある。
【０１９７】
また、ガス供給器８０からアノードＡＮに供給されるガスの露点は、電圧印加器１９により電圧を印加している時にアノードＡＮに供給される水素ガス（アノードガス）の露点よりも小さくても良い。かかる装置構成の一例は、第２実施例で説明する。
【０１９８】
以上により、本実施例の水素供給システム２００は、電圧印加器１９による電圧印加が中断されている時に、低露点のガスをアノードＡＮに供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードＡＮで発生したフラディングを軽減することができる。
【０１９９】
具体的には、アノードＡＮでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層１６のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層２４のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器８０から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。また、アノードＡＮに供給されるガスの露点は、電圧印加器１９により電圧を印加している時にアノードＡＮに供給される水素ガス（アノードガス）の露点以下であるので、かかるガスの温度が低下しても、ガス中の水蒸気は凝縮しにくい。よって、アノードＡＮに供給されるガスの温度低下により、アノードＡＮでフラディングを引き起こすことを適切に抑制できる。
【０２００】
（第２実施例）
図１５は、第２実施形態の第２実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
【０２０１】
図１５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、制御器５０と、ガス供給器１８０と、加湿器８２と、第１の流路８３と、第２の流路８４と、を備える。ガス供給器１８０は、流量調整器８５を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器１９と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０２０２】
なお、ガス供給器１８０からアノードＡＮに供給されるガスは、例えば、水素ガス（アノードガス）である。
【０２０３】
第１の流路８３は、図示しないガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器８２を経由して、アノードＡＮに供給される流路である。また、第２の流路８４は、ガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器８２をバイパスして、アノードＡＮに供給される流路である。
【０２０４】
なお、ガス貯蔵器は、アノードＡＮに供給されるガスを貯蔵する装置であり、ガス貯蔵器として、例えば、ガスボンベなどを挙げることができる。なお、図示を省略しているが、水素供給システム２００が、このようなガス貯蔵器を備えても良い。
【０２０５】
ここで、加湿器８２は、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿する装置である。加湿器８２は、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿できれば、どのような構成であっても良い。
【０２０６】
例えば、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿するのにバブリング方式を用いても良い。この場合、加湿器８２は、第１の流路８３に接続されたバブリングタンク（図示せず）を備える。バブリングタンク内の水に、第１の流路８３を流通するガスをバブリングすることで、ガスが加湿される。そして、バブリングタンクの上部空間に充満した加湿状態のガスが、第１の流路８３を通じてアノードＡＮに供給される。
【０２０７】
ガス供給器１８０の流量調整器８５は、第１の流路８３を流れるガスの第１流量および第２の流路８４を流れるガスの第２流量を調整する装置である。流量調整器８５は、第１流量および第２流量を調整できれば、どのような構成であっても良い。
【０２０８】
例えば、流量調整器８５は、第１の流路８３と第２の流路８４とを切り替える切替器であっても良い。つまり、第１流量および第２流量の調整には、第１流量および第２流量のいずれか一方がゼロになる場合が含まれる。
【０２０９】
上記の切替器は、第１の流路８３と第２の流路８４との分岐領域８６Ａに設けられた切替弁（図示せず）を備えても良い。また、切替器は、第１の流路８３と第２の流路８４との合流領域８６Ｂに設けられた切替弁（図示せず）を備えても良い。切替弁は、例えば、三方弁で構成しても良いし、二方弁の組合せで構成しても良い。
【０２１０】
制御器５０は、流量調整器８５を制御して、電圧印加器１９により電圧を印加しているとき、第１流量を第２流量より多くするとともに、電圧印加器１９による電圧印加を中断しているとき、第１流量を第２流量よりも少なくする。
【０２１１】
流量調整器８５が、上記の切替器である場合、制御器５０は、電圧印加器１９により電圧を印加しているとき、切替器を第１の流路８３側に切替え、電圧印加器１９による電圧印加を中断しているとき、切替器を第２の流路８４側に切替える。
【０２１２】
以上により、本実施例の水素供給システム２００は、カソード触媒層１５およびアノード触媒層１６の間に電圧が印加されているときは、加湿器８２による加湿量が多い高露点のガスがアノードＡＮに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、ガス中の水を用いて電解質膜１４を所望の湿潤状態に維持することができる。
【０２１３】
また、電圧印加器１９による電圧印加が中断されているときは、加湿器８２による加湿量が少ない低露点のガスがアノードＡＮに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、アノードＡＮで発生したフラディングを軽減することができる。具体的には、アノードＡＮでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層１６のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層２４のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器１８０から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。また、アノードＡＮに供給されるガスは、低露点であるので、かかるガスの温度が低下しても、ガス中の水蒸気は凝縮しにくい。よって、アノードＡＮに供給されるガスの温度低下により、アノードＡＮでフラディングを引き起こすことを適切に抑制できる。
【０２１４】
本実施例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第２実施形態の第１実施例の水素供給システム２００と同様であっても良い。
【０２１５】
（変形例）
アノードＡＮから排出されるアノードガスは、所望量の水蒸気を含む高露点のガスである。よって、水素供給システム２００は、アノードＡＮから排出されるアノードガス（リサイクルガス）を、ガス供給器８０から出力されるアノードガスに混合させることで、ガス供給器８０から出力されるアノードガスを加湿する構成を取っても良い。
【０２１６】
図１６は、第２実施形態の変形例の水素供給システムの一例を示す図である。
【０２１７】
図１６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、制御器５０と、ガス供給器８０と、流量調整器８７と、リサイクルガス流路８８と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器１９と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。ガス供給器８０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０２１８】
流量調整器８７は、ガス供給器８０から出力されるアノードガスに混合されるリサイクルガスの流量を調整する装置である。流量調整器８７は、このようなリサイクル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良い。流量調整器８７として、例えば、流量調整弁などを挙げることができる。
【０２１９】
リサイクルガス流路８８は、アノードＡＮから排出されるリサイクルガスを、アノードＡＮとガス供給器８０との間のガス流路内のアノードガスに送るための流路である。
【０２２０】
制御器５０は、この流量調整器８７を制御して、電圧印加器１９により電圧を印加しているとき、ガス供給器８０から出力されるガスに混合されるリサイクルガスの流量を多くするとともに、電圧印加器１９による電圧印加を中断しているとき、このようなリサイクルガスの流量を少なくする。
【０２２１】
以上により、本変形例の水素供給システム２００は、ガス供給器８０から出力されるアノードガスをリサイクルガス中の水蒸気により加湿することができる。また、アノードＡＮから排出される水素ガスを適切に再利用することもできる。
【０２２２】
本変形例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第２実施形態の第１実施例の水素供給システム２００と同様であっても良い。
【０２２３】
（第３実施形態）
第３実施形態の水素供給システム２００は、以下の報知器が設けられていること以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例−第２実施例および第２実施形態の変形例のいずれかの水素供給システム２００と同様である。
【０２２４】
報知器は、水素供給システム２００が運転停止している第１状態および第１状態と異なる第２状態のいずれであるかを示す情報を報知する装置である。第２状態は、例えば、水素供給システム２００の通常の運転状態、電圧印加器１９による電圧印加が中断している状態（上記のリフレッシュ運転の状態）などが例示される。
【０２２５】
図１７および図１８は、第３実施形態の水素供給システムの報知器の一例を示す図である。図１７には、水素供給システム２００の通常の運転状態を表示する表示器９０の表示画面９０Ａが示されている。図１８には、水素供給システム２００のリフレッシュ運転の状態を表示する表示器９０の表示画面９０Ｂが示されている。なお、表示器９０として、例えば、タッチ操作機能を備える液晶ディスプレイなどを挙げることができる。これにより、水素供給システム２００の動作状態が表示器９０の表示画面に表示されるとともに、操作者が、制御器５０に対して適宜の制御指令を入力することもできる。
【０２２６】
制御器５０は、電圧印加器１９による電圧印加が中断しているとき、報知器を制御して水素供給システム２００が、このような第２状態であること示す情報を報知する。
【０２２７】
本実施形態の水素供給システム２００では、水素供給システム２００の第１状態および第２状態を報知する報知器が、制御器５０に設けられる表示器９０により構成されているが、これに限定されない。報知器は、例えば、情報端末に、水素供給システム２００の状態が、第１状態および第２状態のいずれであるかを示す情報を送信する送信器であっても良い。送信器は、LTE、Wi-Fi（登録商標）、Bluetooth（登録商標）などの通信規格に対応する無線通信機を挙げることができるが、これに限定されない。
【０２２８】
以上により、本実施形態の水素供給システム２００は、表示器９０により、水素供給システム２００がリフレッシュ運転などの第２状態であること示す視覚情報を、例えば、操作者などが、適時に知ることができる。また、表示器９０のタッチ操作機能により、操作者が、例えば、リフレッシュ運転を適時に解除することもできる。
【０２２９】
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例−第２実施例、第２実施形態の変形例および第３実施形態は、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。
【０２３０】
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】
【０２３１】
本開示の一態様は、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る水素供給システムに利用することができる。
【符号の説明】
【０２３２】
１        ：アノード本体
３        ：マニホルド孔
４        ：マニホルド孔
５        ：アノードガス流路板
５Ｄ      ：第１金属層
５Ｕ      ：第２金属層
６        ：アノードガス流路
７        ：マニホルド孔
８        ：マニホルド孔
９        ：アノードガス拡散デバイス
１０      ：アノード端板
１１      ：マニホルド孔
１２      ：マニホルド孔
１４      ：電解質膜
１５      ：カソード触媒層
１６      ：アノード触媒層
１９      ：電圧印加器
２４      ：アノードガス拡散層
２６Ｄ    ：端板
２６Ｕ    ：端板
２７      ：締結器
２８      ：アノードガス導入配管
２８Ａ    ：アノードガス導入マニホルド
２９      ：アノードガス導出配管
２９Ａ    ：アノードガス導出マニホルド
３０      ：カソードガス導出配管
３１      ：カソードガス拡散デバイス
３１Ａ    ：カソードガス拡散層
３１Ｂ    ：カソードセパレータ
３２Ａ    ：マニホルド孔
３２Ｃ    ：マニホルド孔
３３      ：カソードガス導出流路
３５      ：凹部
３６      ：スリット孔
３６Ｄ    ：スリット孔
３６Ｕ    ：スリット孔
４０      ：シール部材
４１      ：シール部材
４２      ：シール部材
５０      ：制御器
６０      ：カソードガス流路
６１      ：逆止弁
６２      ：弁
７０      ：電圧計測器
７１      ：圧力計測器
８０      ：ガス供給器
８２      ：加湿器
８３      ：第１の流路
８４      ：第２の流路
８５      ：流量調整器
８６Ａ    ：分岐領域
８６Ｂ    ：合流領域
８７      ：流量調整器
８８      ：リサイクルガス流路
９０      ：表示器
９０Ａ    ：表示画面
９０Ｂ    ：表示画面
１００    ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ  ：単セル
１００Ｂ  ：積層体
１８０    ：ガス供給器
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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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