(57)【要約】【課題】水素ステーションを安全かつ効率的に運用することを可能にする水素精製昇圧システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】  本発明によれば、燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスからなる又は前記改質ガスから得られる水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、を備える、水素精製昇圧システムが提供される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を供給する燃料供給配管と、
前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガスからなる又は前記改質ガスから得られる水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、
電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、
前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、
前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、
前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、
前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、
を備える、水素精製昇圧システム。
【請求項２】
燃料を供給する燃料供給配管と、
前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して水素含有ガスを生成する一酸化炭素除去器と、
前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、
電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、
前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、
前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、
前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、
前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、
を備える、水素精製昇圧システム。
【請求項３】
燃料を供給する燃料供給配管と、
前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、
前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して水素含有ガスを生成する一酸化炭素除去器と、
前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、
前記水素含有ガスに酸素ガスを混合する酸素ガス供給配管と、
電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、
前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、
前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、
前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、
前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、
を備える、水素精製昇圧システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１つに記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記改質器を予熱し、前記燃料を供給する工程と、
前記ガス検知器が検出した一酸化炭素濃度が閾値を超えると前記水素含有ガスに酸素ガスを混合する工程と、
前記水素精製昇圧装置の前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加する工程と、
前記精製水素ガスの流量及び圧力を測定して前記燃料の供給量を制御する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法。
【請求項５】
請求項１から請求項３の何れか１つに記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記水素精製昇圧システムの停止時には、
前記燃料の供給を停止する工程と、
前記水素精製昇圧装置への通電を停止する工程と、
前記水素精製昇圧装置への前記水素含有ガスの供給を停止し且つ前記パージ用窒素ガスを導入させて前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法。
【請求項６】
請求項１から請求項３の何れか１つに記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記水素精製昇圧装置は、複数のユニットセルが積層された積層セル構造を備え、
前記ユニットセルは、
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方に積層されるアノード触媒層と、
前記固体高分子電解質膜の他方に積層されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層に対向して前記アノード触媒層の外側に設けられるアノード側給電体と、
前記カソード触媒層に対向して前記カソード触媒層の外側に設けられるカソード側給電体と、
前記アノード側給電体に対向して前記アノード側給電体の外側に設けられ且つ前記水素含有ガスが供給されるアノード側流路を備えたアノード側セパレータと、
前記カソード側給電体に対向して前記カソード側給電体の外側に設けられ且つ前記精製水素ガスが排出されるカソード側流路を備えたカソード側セパレータを備え、
前記カソード側流路中の前記精製水素ガスの圧力を測定する圧力測定部を備え、
前記圧力測定部による測定結果に基づいて、前記燃料の供給量を調節する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法。
【請求項７】
請求項６に記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、
前記圧力測定部は、前記積層セル構造の最後段のユニットセルの前記カソード側流路での前記精製水素ガスの圧力を測定するように配置され、
前記圧力測定部の測定値が所定の基準値未満である場合に前記改質器への前記燃料の供給量を増加させる工程を備える、水素精製昇圧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、燃料電池用の水素精製昇圧システムとして、改質ガスに含まれる水素を精製すると同時に昇圧させる水素精製昇圧装置を用いた水素精製昇圧システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣという。）の開発が進められ、自動車や家庭用自家発電向けに広く開発が進んでいる。家庭用自家発電向けの燃料電池システムはすでに実用化されており、また、燃料電池を搭載した燃料電池自動車も、近い将来に実用化されることが期待されている。家庭用自家発電向けの燃料電池システムと異なり、燃料電池自動車の普及のためには燃料供給インフラを整備する必要がある。すなわち燃料電池自動車の普及に合わせて、各地に水素ステーションを建設していくことが必要である。
【０００３】
水素ステーションにおいては、高純度で高圧な水素を貯蔵し、燃料電池自動車に供給する。そして、水素ステーションに燃料を供給する方法として、他の場所で製造した水素をタンクローリーで輸送する方法と、水素ステーションで水素を製造する方法がある。しかし、水素はエネルギー密度が低いため、ガソリンのようにタンクローリーで輸送することには向かない。このため、水素ステーションにおいて水素を製造して、精製・昇圧を行うことが好ましい。
【０００４】
特許文献１には、水素を含む改質ガスを精製・昇圧する水素昇圧プロセスが記載されている。このプロセスは、ＰＥＦＣのセルに外部電力を加える事により、アノード側に供給する改質ガスから、カソード側に精製・昇圧された水素を作るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３５８８２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１には、具体的なシステム構成や運転方法は開示されておらず、特許文献１に記載の技術のみでは水素ステーションを安全かつ効率的に運用することは困難である。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、水素ステーションを安全かつ効率的に運用することを可能にする水素精製昇圧システム及びその運転方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガスからなる又は前記改質ガスから得られる水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、を備える、水素精製昇圧システムが提供される。
【０００９】
本発明の別の観点によれば、燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して水素含有ガスを生成する一酸化炭素除去器と、前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、を備える、水素精製昇圧システムが提供される。
【００１０】
本発明のさらに別の観点によれば、燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料を改質して水素と一酸化炭素を含有する改質ガスを生成する改質器と、前記改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して水素含有ガスを生成する一酸化炭素除去器と、前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度と水素濃度を測定するガス検知器と、前記水素含有ガスに酸素ガスを混合する酸素ガス供給配管と、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって前記水素含有ガス中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスを生成する水素精製昇圧装置と、前記水素精製昇圧装置の外殻内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管と、前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出するパージ用窒素ガス供給配管と、前記精製水素ガスに含まれる水分を排出する排水口と、前記精製水素ガスを貯留する水素タンクと、を備える、水素精製昇圧システムが提供される。
【００１１】
本発明のさらに別の観点によれば、上記記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、前記改質器を予熱し、前記燃料を供給する工程と、前記ガス検知器が検出した一酸化炭素濃度が閾値を超えると前記水素含有ガスに酸素ガスを混合する工程と、前記水素精製昇圧装置の前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加する工程と、前記精製水素ガスの流量及び圧力を測定して前記燃料の供給量を制御する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法が提供される。
【００１２】
本発明のさらに別の観点によれば、上記記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、前記水素精製昇圧システムの停止時には、前記燃料の供給を停止する工程と、前記水素精製昇圧装置への通電を停止する工程と、前記水素精製昇圧装置への前記水素含有ガスの供給を停止し且つ前記パージ用窒素ガスを導入させて前記水素精製昇圧装置内の残ガスを排出する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法が提供される。
【００１３】
本発明のさらに別の観点によれば、上記記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、前記水素精製昇圧装置は、複数のユニットセルが積層された積層セル構造を備え、前記ユニットセルは、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方に積層されるアノード触媒層と、前記固体高分子電解質膜の他方に積層されるカソード触媒層と、前記アノード触媒層に対向して前記アノード触媒層の外側に設けられるアノード側給電体と、前記カソード触媒層に対向して前記カソード触媒層の外側に設けられるカソード側給電体と、前記アノード側給電体に対向して前記アノード側給電体の外側に設けられ且つ前記水素含有ガスが供給されるアノード側流路を備えたアノード側セパレータと、前記カソード側給電体に対向して前記カソード側給電体の外側に設けられ且つ前記精製水素ガスが排出されるカソード側流路を備えたカソード側セパレータを備え、前記カソード側流路中の前記精製水素ガスの圧力を測定する圧力測定部を備え、前記圧力測定部による測定結果に基づいて、前記燃料の供給量を調節する工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法が提供される。
【００１４】
本発明のさらに別の観点によれば、上記記載の水素精製昇圧システムの運転方法であって、前記圧力測定部は、前記積層セル構造の最後段のユニットセルの前記カソード側流路での前記精製水素ガスの圧力を測定するように配置され、前記圧力測定部の測定値が所定の基準値未満である場合に前記改質器への前記燃料の供給量を増加させる工程を備える、水素精製昇圧システムの運転方法が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
このような水素精製昇圧システム及びその運転方法によれば、水素ステーションを安全かつ効率的に運用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる水素精製昇圧システムのブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる水素精製昇圧装置の概略図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる水素精製昇圧装置のユニットセルの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）中の領域Ｃの拡大図である。
【図４】本発明の第１実施形態にかかる水素精製昇圧装置のカソード側セパレータ内に設置される弾力性を有する導電性部材である。
【図５】（ａ）は、本発明の第１実施形態にかかるアノード側セパレータのアノード側側面図であり、（ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる、カソード側流路を（ａ）のアノード側側面図に重ねた状態を示す。
【図６】本発明の第１実施形態にかかる水素精製昇圧装置の回路図である。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる水素精製昇圧装置の回路図である。
【図８】本発明の第３実施形態にかかる水素精製昇圧装置のカソード側セパレータ内に設置される弾力性を有する導電性部材である。
【図９】本発明の第３実施形態にかかる水素精製昇圧装置のアノード側セパレータのアノード側側面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、他の実施形態にかかる水素精製昇圧装置のアノード側セパレータのアノード側側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１８】
１．第１実施形態
＜水素精製昇圧システムの全体構成＞
図１に、本発明の第１実施形態の水素精製昇圧システム１を示す。水素精製昇圧システム１は、燃料Ｆとなる純水素ガス、水電解ガス、都市ガス、コークス炉ガスなどの燃料ガスまたはナフサ、灯油、ガソリンなどの燃料液体等の燃料Ｆから取り出した水素を精製及び昇圧して、高純度高圧の精製水素ガスＰを生成し、水素タンク４内に貯留する。水素タンク４内に貯蔵された精製水素ガスＰは、水素ステーションに設置される貯留タンクや燃料電池自動車に充填される。
【００１９】
図１に示すように、水素精製昇圧システム１は、改質器２ａと、一酸化炭素除去器２ｂと、水素精製昇圧装置３と、水素タンク４とを備える。改質器２ａには、燃料Ｆを供給する燃料供給配管４１が接続されており、この配管４１を通じて燃料Ｆが改質器２ａに供給される。配管４１には、配管４１内を流れる燃料Ｆの流量を制御するバルブ４１ｂと、燃料Ｆの流量を計測する流量計４１ｆと、燃料Ｆの圧力を計測する圧力計４１ｐが設けられている。燃料Ｆの一例は、ガスであれば、主成分がメタンであって圧力が１〜１０気圧である都市ガスであるが、改質によって水素を取り出すことができるガスであれば別の種類・圧力のガスを用いることも可能である。改質器２ａは、燃料Ｆに水蒸気を混合して、高温環境下で触媒にさらすことにより燃料Ｆを分解して水素を生成する。燃料Ｆが改質されると、水素と一酸化炭素を含有する改質ガスＭが生成される。改質器２ａには、温度計２ｔが設けられており、改質器２ａ内の温度が計測可能になっている。
【００２０】
改質器２ａで生成された改質ガスＭは、配管４２を通じて一酸化炭素除去器２ｂに送られる。一酸化炭素除去器２ｂは、改質ガスＭ中の一酸化炭素濃度を低減することによって水素精製昇圧装置３中の触媒の劣化を抑制する。一酸化炭素除去器２ｂは、改質ガスＭ中の一酸化炭素濃度を低減する機能を有するものであればその構成は限定されず、改質ガスＭ中の一酸化炭素を選択的に酸化する一酸化炭素選択酸化反応器（ＰＲＯＸ）であっても、改質ガスＭ中の一酸化炭素を選択的にメタン化する一酸化炭素選択メタン化反応器であってもよい。一酸化炭素除去器２ｂが一酸化炭素選択酸化反応器である場合、一酸化炭素除去器２ｂには、改質ガスＭとともに空気が供給され、改質ガスＭ中の一酸化炭素が酸化されて二酸化炭素になる。このような一酸化炭素選択酸化反応器の内部は、メタルハニカムにＰｔＦｅ／モルデナイト触媒を担持したものを使用することが好適である。また、一酸化炭素除去器２ｂが一酸化炭素選択メタン化反応器である場合、メタルハニカムにＲｕまたはＶ−Ｎｉ／アルミナ触媒を担持したものを使用することができる。なお、図１では、一酸化炭素除去器２ｂは、改質器２ａとは別体にしているが、改質器２ａの容器内に一酸化炭素除去器２ｂを配置してもよい。
【００２１】
一酸化炭素除去器２ｂから排出される水素含有ガスＨ（改質ガスＭ中の一酸化炭素濃度を低減することによって得られるガス）は、配管４３を通じて水素精製昇圧装置３に供給される。水素含有ガスＨは、例えば、水素、二酸化炭素、及び水蒸気を含む。配管４３には、配管４３内を流れる水素含有ガスＨの流量を制御するバルブ４３ｂと、水素含有ガスＨの流量を計測する流量計４３ｆと、水素含有ガスＨの圧力を計測する圧力計４３ｐと、水素含有ガスＨ中の一酸化炭素濃度を計測する一酸化炭素濃度検知器４３ｃと、水素含有ガスＨ中の水素濃度を計測する水素濃度検知器４３ｈが設けられている。
【００２２】
また、配管４３には、水素含有ガスＨに酸素ガスを混合する酸素ガス供給配管４４が連結され、配管４４を通じて水素含有ガスＨに酸素ガスが混合される。配管４４には、配管４４内を流れる酸素ガスの流量を制御するバルブ４４ｂが設けられている。一酸化炭素除去器２ｂの設置にも関わらず、下記の生成装置３のアノードに一酸化炭素が蓄積した場合に，導入酸素によりアノード表面に吸着した一酸化
炭素を酸化除去して性能復活を図られる。
【００２３】
水素精製昇圧装置３は、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードの間に電圧を印加することによって水素含有ガスＨ中の水素を精製及び昇圧して精製水素ガスＰを生成する精製昇圧部５と、精製昇圧部５を取り囲む密閉容器である外殻３ａとを備える。精製昇圧部５には、配管４３，４６，４７，５１が接続されており、配管４３を通じて水素含有ガスＨが精製昇圧部５に供給され、配管４６を通じて精製水素ガスＰが排出される。配管５１は、窒素ガスを供給するための配管であり、所望のタイミングで配管５１を通じて精製昇圧部５のカソード側に窒素ガスを供給することによって、精製昇圧部５のカソード側の流路をパージすることができる。配管５１には、配管５１内を流れる窒素ガスの流量を制御するバルブ５１ｂが設けられている。また、使用後の水素含有ガスＨは、配管４７を通じて排ガスＥとして排出される。配管４７には、排ガスＥ中の水素濃度を計測する水素濃度検知器４７ｈが設けられている。精製昇圧部５には、アノードとカソードの間に印加される電圧を計測する電圧計５ｖと、アノードとカソードの間を流れる電流を計測する電流計５ａが設けられている。また、外殻３ａには、外殻３ａ内に加圧ガスを供給する加圧ガス供給配管４５が連結されている。配管４５には、配管４５内を流れる加圧ガスの流量を制御するバルブ４５ｂが設けられている。また、外殻３ａには、外殻３ａ内の水素濃度を計測する水素濃度検知器３ｈと、外殻３ａ内の圧力を計測する圧力計３ｐが設けられている。加圧ガスの種類は特に限定されないが、例えば、空気又は窒素ガスである。外殻３ａ内の圧力は、水素含有ガスＨの圧力より高く、精製水素ガスＰの圧力よりも低いことが好ましい。この場合、水素ガス排出経路の配管４６内の圧力と外殻３ａ内の圧力の差が小さくなり、高圧水素がリークすることが抑制される。また、水素濃度検知器３ｈによって水素リークが速やかに探知される。
【００２４】
水素含有ガスＨは、１〜１０気圧であることが想定されるが、この範囲外の圧力であっても良い。精製昇圧部５において、理論的にはアノード、カソード間にかける電圧が６０ｍＶ、１２０ｍＶ、１８０ｍＶと増加するごとに水素が１０倍、１００倍、１０００倍と精製昇圧される。電解質膜は、原理的には水素イオンのみを透過させ得るため、カソードにはほとんど水素のみが生じる。しかし、アノードガスに含まれる水素以外のガスが膜中をごく僅か透過し、カソード側に不純物として移動する。生成された水素に含まれる不純物は、好ましくは１０ｐｐｍ以下、さらに好ましくは５ｐｐｍ以下、さらに好ましくは１ｐｐｍ以下の濃度である。燃料電池自動車用とする場合は、水素燃料規格を満足するため、水素純度≧９９．９７、全炭化水素≦２ｐｐｍ、Ｈ２Ｏ≦５ｐｐｍ、Ｏ２≦５ｐｐｍ、Ｈｅ≦３００ｐｐｍ、Ａｒ，Ｎ２≦１００ｐｐｍ、ＣＯ２≦２ｐｐｍ、ＣＯ≦０．２ｐｐｍ、Ｓ≦０．００４ｐｐｍ、ＨＣＨＯ≦０．０１ｐｐｍ、ＨＣＯＯＨ≦０．２ｐｐｍ、ＮＨ３≦０．１ｐｐｍ、ハロゲン化物≦０．０５ｐｐｍ、粒子≦１ｍｇ／ｋｇであればよい。昇圧された水素は、７５０気圧以上、好ましくは８５０気圧以上、さらに好ましくは１０００気圧以上の圧力である。なお、本昇圧装置は、高純度の低圧水素を上記のように昇圧する目的で用いることも出来る。
【００２５】
精製水素ガスＰは、配管４６を通じて、精製水素ガスＰを貯留する水素タンク４に送られる。配管４６には、配管４６内を流れる精製水素ガスＰの流量を制御するバルブ４６ａ，４６ｂと、精製水素ガスＰの流量を計測する流量計４６ｆと、精製水素ガスＰの圧力を計測する圧力計４６ｐが設けられている。水素精製昇圧装置３とバルブ４６ａの間には排気用配管４９が連結されており、配管４９には、配管４９内を流れるガスの流量を制御するバルブ４９ｂと、水素精製昇圧装置３内の残ガスを排出する排気ポンプ４９ｐが設けられている。また、バルブ４６ａとバルブ４６ｂの間には排水用配管５０が連結されており、配管５０には、水トラップ・ドレイン器４ａと、その上流側及び下流側にバルブ５０ａ、５０ｂが設けられている。精製昇圧部５に電流が流れる時、アノードからカソードに移動するプロトンが水分子を同伴して電解質膜を移動し、カソード側に浸透水として水が生じる。この水を水素中から効率よく除去するために、水素ガス流路中に水トラップ・ドレイン器４ａが設けられる。水トラップ・ドレイン器４ａは、ドレインバルブ付きの一対の水トラップを有し、交互に切り替え排水除去することで、水素精製昇圧装置３の連続運転時にも水素経路中の水を除去し、水素純度を高めることを可能とする。
また図示しないが、燃料電池自動車用とする場合は、水素燃料規格を満足するため、例えば水分を除去するための露点冷却型、吸着型等の除湿装置や、無機、有機の不純物を除去するための吸着装置や膜分離装置等の除去装置を備えてもよい。
【００２６】
水素タンク４には、水素タンク４内の圧力を計測する圧力計４ｐが設けられている。また、水素タンク４には、水素タンク４内の精製水素ガスＰを排出するための配管４８が連結されており、配管４８には、配管４８内を流れる精製水素ガスＰの流量を制御するバルブ４８ｂが設けられている。配管４８は、水素ステーションに設置される貯留タンクや燃料電池自動車に連結されて、圧力差によって精製水素ガスＰが貯留タンク又は燃料電池自動車に充填される。
【００２７】
＜水素精製昇圧システムの運転方法＞
次に、本実施形態の水素精製昇圧システム１の運転方法について説明する。以下の説明中の各判断及び処理は、水素精製昇圧システム１の動作を制御する制御部によって行われることが好ましいが、判断及び処理の一部又は全部を管理者が手動で行ってもよい。
【００２８】
まず、バルブ４１ｂを閉じた状態で改質器２ａを予熱し、改質器２ａ内の温度が規定値に到達したことを温度計２ｔが検知すると、バルブ４１ｂを開いて配管４１を通じて燃料Ｆを改質器２ａに供給する。この際、配管４１内を流れる燃料Ｆの流量及び圧力は、流量計４１ｆ及び圧力計４１ｐによって監視され、流量計４１ｆ及び圧力計４１ｐによる流量及び圧力の計測結果に基づいて燃料Ｆの流量及び圧力が制御される。改質器２ａの予熱温度は、特に限定されないが、例えば、６５０〜７００℃である。
【００２９】
改質器２ａ内での改質反応によって燃料Ｆから、水素と一酸化炭素を含有する改質ガスＭが生成され、配管４２を通じて一酸化炭素除去器２ｂに供給される。一酸化炭素除去器２ｂでは改質ガスＭ中の一酸化炭素が少なくとも部分的に除去されて水素含有ガスＨが生成され、配管４３を通じて水素精製昇圧装置３に送られる。一酸化炭素除去器２ｂの予熱温度は、特に限定されないが、例えば、１００〜１８０℃である。
【００３０】
水素含有ガスＨ中の一酸化炭素濃度は、一酸化炭素濃度検知器４３ｃによって監視され、水素含有ガスＨ中の一酸化炭素濃度が閾値を超えると酸素ガス供給配管４４のバルブ４４ｂを開いて水素含有ガスＨに一酸化炭素の酸化に必要最小量の酸素ガスを混合する。水素含有ガスＨに酸素ガスを混合させると水素精製昇圧装置３中のアノードの触媒層中で水素含有ガスＨ中の一酸化炭素が酸化され、その結果、水素含有ガスＨ中の一酸化炭素濃度を低下させることができる。そして、水素含有ガスＨ中の一酸化炭素濃度が閾値以下になるとバルブ４４ｂを閉じて、酸素ガスの供給を停止する。また、水素含有ガスＨ中の水素濃度は、水素濃度検知器４３ｈによって監視され、水素濃度が所定の閾値以下、または一酸化炭素濃度が閾値（例：１％）以上になった場合は、バルブ４１ｂの開度を調節して燃料Ｆの流量を減少させたり、改質器２ａでの改質条件を調整したりすることによって水素濃度を上昇させることを試みるが、それでも水素濃度が十分に高くならない場合は、バルブ４１ｂを閉じる等の方法によって水素精製昇圧システム１の運転を停止して、改質器２ａ及び／又は一酸化炭素除去器２ｂのメンテナンスを行う。
【００３１】
また、水素精製昇圧装置３に供給される水素含有ガスＨの流量及び圧力は、流量計４３ｆ及び圧力計４３ｐによって監視される。そして、水素精製昇圧装置３に供給される水素含有ガスＨが過剰又は過小である場合には、バルブ４３ｂの開度を調節して水素含有ガスＨの供給量が制御される。
【００３２】
水素精製昇圧装置３では、精製昇圧部５のアノードとカソードの間に印加される電圧によって水素含有ガスＨ中の水素が精製及び昇圧されて精製水素ガスＰが生成される。精製水素ガスＰは、配管４６を通じて水素精製昇圧装置３から排出されて水素タンク４に送られ、その流量及び圧力は、流量計４６ｆ及び圧力計４６ｐによって監視される。水素タンクの圧力計４ｐの圧力に比べ，圧力計４６ｐの値が設定以上に高くなったとき，バルブ４６a，バルブ４６ｂを開けて水素貯蔵を開始する。また、アノードとカソードの間の電圧及び電流は、電圧計５ｖと電流計５ａによって監視され、精製水素ガスＰが所望の流量及び圧力になるように適宜調節される。さらに、燃料Ｆの供給量は、精製水素ガスＰが所望の流量及び圧力になるように適宜調節される。
【００３３】
水素精製昇圧装置３の外殻３ａ内の圧力及び水素濃度は、圧力計３ｐと水素濃度検知器３ｈによって監視され、外殻３ａ内の水素濃度が所定の閾値を超えると、バルブ４１ｂを閉じる等の方法によって水素精製昇圧システム１の運転を停止する。また、外殻３ａ内の圧力が所定の閾値を下回ると、バルブ４５ｂを開いて外殻３ａ内に加圧ガスを供給する。
【００３４】
通常運転時には、バルブ４６ａ，４６ｂは開いていて、バルブ４９ｂ，５０ａは閉じているので、水素精製昇圧装置３からの精製水素ガスＰは、水素タンク４内に充填される。水素タンク４内の圧力は圧力計４ｐによって監視され、計測した圧力が所定の閾値を超えると、バルブ４１ｂを閉じる等の方法によって水素精製昇圧システム１の運転を停止させる。
【００３５】
また、配管内の水は、水トラップ・ドレイン器４ａに貯まり、バルブ４６a，４６ｂを閉じてバルブ５０aを開いて中の水を排出する。一対の水トラップ・ドレイン器を備え、それぞれの水トラップ・ドレイン器の上流側と下流側に独立して開閉可能なバルブを設ければ、上記の操作を行うことで連続運転による精製水素ガスＰの製造・昇圧・貯蔵が可能となる。
【００３６】
水素精製昇圧システム１の運転を停止させる際には、バルブ４１ｂを閉じて燃料Ｆの供給を停止し、水素精製昇圧装置３への通電を停止し、バルブ４３ｂを閉じて水素精製昇圧装置３への水素含有ガスＨの供給を停止し、バルブ４６ａ及び４６ｂを閉じて停止状態とする。メンテナンスまたは長期運転停止する場合は，バルブ４９ｂを開いた状態でバルブ５１ｂを開け、窒素ガスをパージし、水素精製昇圧装置３内の残ガスを排出する。強制的に排気する場合は、バルブ４６aを閉じ、バルブ４９ｂを開け、排気ポンプ４９ｐを起動させてもよい。このような方法で水素精製昇圧システム１の運転を停止させることができる。
【００３７】
＜水素精製昇圧装置の詳細な構成＞
次に、図２〜図８を用いて、水素精製昇圧装置３の詳細な構成を説明する。図２に示すように、水素精製昇圧装置３は、精製昇圧部５と、精製昇圧部５を取り囲む密閉容器である外殻（高圧タンク）３ａとを備える。精製昇圧部５は、複数のユニットセル８が積層された積層セル構造１８を備える。図２では、５つのユニットセル８が積層されている。
【００３８】
積層セル構造１８を構成する各種部材は、は、ベースプレート６と締付プレート７によって積層方向に締付応力を加える押圧構造によって固定されている。締付プレート７と積層セル構造１８の間には、押え治具９が設けられる。
【００３９】
ベースプレート６は、積層セル構造１８の一端に設けられ、締付プレート７は、積層セル構造１８の他端に設けらる。締付プレート７は、ボルト１０及び押圧ばね１０ｂを介在したナット１０ａにて、積層セル構造１８を挟んでベースプレート６に締付けられており、押え治具９に対向する面の中央に球面状凹部（不図示）を有する。押え治具９は、扁平な錐体形状をしており、締付プレート７に対向する面の中心部に球面状凹部（不図示）と嵌合可能な球状突起９ａを有する。また、押え治具９は、積層セル構造１８側の底面が積層セル構造１８の端面と同一形状である。すなわち、押え治具９は、締付プレート７と１点で接し、積層セル構造１８と全面で接する構造となっている。
【００４０】
このように構成された本実施形態のセル構造では、締付プレート７を締め付けるボルト１０、ナット１０ａによる締付トルクに多少ばらつきがあっても、押え治具９には上面中心の球状突起９ａから締付プレート７全体の締付力が集中して作用する。従って、積層セル構造１８の全面は押え治具９により均一な面圧で押さえられ、面圧の偏りが無くなる。また温度上昇や振動によりナット１０ａが緩んだ場合においても、押え治具９が押圧ばね１０ｂにより押さえられるので、積層セル構造１８の締付圧力が緩むことがない。従って、積層セル構造１８の気密性が損なわれることが無く、また接触抵抗も増大しないため、接触抵抗増大による損失が発生することがない。
【００４１】
本実施形態の水素精製昇圧装置３は、液体を用いないため、外殻３ａを任意の方向を上にして設置することができる。水を用いる水電解の水素昇圧装置は、水の供給経路を鉛直方向下方にする必要から、設置方向が決まってしまうことと異なる。ただし、水素の精製昇圧プロセスにより凝縮水が生じる場合があるため、図２のように、精製水素ガスＰを排出するための配管４６が外殻３ａの下側になる向きに設置することが好ましい。
【００４２】
積層セル構造１８内には、複数のユニットセル８を貫くように管路５３，５５が設けられており、配管４３は、積層セル構造１８内の管路５３を通じて、配管４７に連結されている。水素含有ガスＨは、配管４３を通じて管路５３内に供給され、管路５３内で拡散してアノード側流路２０ａを通じて各ユニットセル８の変換部５７に供給される。変換部５７は、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードを備え、アノードとカソードの間に電圧を印加することによってアノード側で水素含有ガスＨ中の水素分子が水素イオンに変換し、電解質膜を通過した水素イオンをカソード側で水素分子に変換することによって精製水素ガスＰを生成する機能を有する。カソード側で生成された精製水素ガスＰは、カソード側流路３０ａを通じて管路５５に送られ、管路５５に連結された配管４６を通じて水素精製昇圧装置３外に排出される。また、変換部５７において水素含有ガスＨから水素が取り除かれた後の排ガスＥは、図示しない流路を経由し、管路５３に送られ、さらに、配管４７を通じて水素精製昇圧装置３外に排出される。
【００４３】
また、排ガス流路４７中には、水素ガスセンサー４７ｈを設けて水素精製率をモニターする。この流路中での水素ガスを測定することによって水素精製昇圧システム１に適切な負荷電流を選ぶことが出来る。また，システムが正常に動作しているかどうかを確認することができ、測定結果に基づいて、燃料Ｆの供給量を調節することによって、水素精製率を所望の範囲に制御することができる。図２に示すように、アノード側流路２０ａに供給される水素含有ガスＨ中の水素濃度は、下流側にあるユニットセル８ほど低くなるので、積層セル構造１８の最後段のユニットセル８における精製への寄与が最も低くなる。このため、積層セル構造１８の最後段のユニットセル８のアノード側流路２０ａでの水素ガス濃度を測定することによって、水素ガスの供給が十分であるかどうかを確認することができ、水素濃度の測定値が所定の基準値未満である場合（つまり、水素ガスの供給が不十分である場合）には、負荷電流を低減させるか，又は改質器２ａへの燃料Ｆの供給量を増加させる等の方法によって、精製水素ガスＰを効率的に製造することが可能になる。
【００４４】
また圧力による制御を行う場合は、カソード側流路３０ａ中には、精製水素ガスＰの圧力を測定する圧力測定部５９を設けることが好ましい。この流路中での精製水素ガスＰを測定することによって水素精製昇圧システム１が正常に動作しているかどうかを確認することができ、圧力測定部での測定結果に基づいて、燃料Ｆの供給量を調節することによって、精製水素ガスＰの圧力を所望の範囲に制御することができる。また、圧力測定部５９を設置する位置は、精製水素ガスＰの圧力が測定可能な位置であれば特に限定されないが、図２に示すように、積層セル構造１８の最後段のユニットセル８のカソード側流路３０ａでの精製水素ガスＰの圧力を測定するように圧力測定部を配置することが好ましい。アノード側流路２０ａに供給される水素含有ガスＨ中の水素濃度は、下流側にあるユニットセル８ほど低くなるので、積層セル構造１８の最後段のユニットセル８において最も低くなり、従って、積層セル構造１８に含まれる複数のユニットセル８のうち、最後段のユニットセル８で生成される精製水素ガスＰの圧力が最も低くなる。このため、積層セル構造１８の最後段のユニットセル８のカソード側流路３０ａでの精製水素ガスＰの圧力を測定することによって、水素ガスの供給が十分であるかどうかを確認することができ、圧力測定部の測定値が所定の基準値未満である場合（つまり、水素ガスの供給が不十分である場合）には、改質器２ａへの燃料Ｆの供給量を増加させる等の方法によって、精製水素ガスＰを効率的に製造することが可能になる。
【００４５】
また、測定する圧力は、単一のユニットセル８のカソード側流路３０ａでの精製水素ガスＰの圧力であってもよく、２つのユニットセル８のカソード側流路３０ａでの精製水素ガスＰの間の圧力差であってもよい。圧力差が所定の閾値を超える場合は、水素ガスの供給が不十分であるか又はユニットセル８に何らかの不具合が生じていると判断して、改質器２ａへの燃料Ｆの供給量を増加させるか、水素精製昇圧システム１の運転を停止してユニットセル８のメンテナンスを行う等の処置を行うことができる。なお、カソード側流路３０ａでの精製水素ガスＰの圧力を制御に利用する場合、管路５５からカソード側流路３０ａへの精製水素ガスＰの逆流を防止する弁を適宜設ける。
【００４６】
圧力測定部を構成するための圧力計の種類は、特に限定されないが、精製水素ガスＰが非常に高圧であるので、このような高圧に耐える圧力計を用いることが必要であり、そのような圧力計としては、歪み計、ブルドン管ゲージ、ダイヤフラムゲージ、ベローゲージ、カプセルゲージ等の機械式圧力計が好ましい。
【００４７】
ブルドン管ゲージは断面が扁平のＣ形、スパイラルの金属パイプの開口された固定端から導入された測定すべき圧力により、左記のパイプの曲率が変形することを利用したゲージであり、超高圧での計測もでき、かつ警報信号を必要とするマイクロスイッチが内臓された（例えば、上下限の２接点を有する）ゲージ等、種々のブルドン管ゲージがある。このゲージは、水素精製昇圧装置における高濃度高圧の精製水素ガス生成プロセスで何らかの原因で水素昇圧が発生しなくなった時に、装置の緊急停止等に使用できる。また、水素昇圧時での脈動圧の変動にも対応できる耐震性（耐激震性）形ゲージや蒸気・耐熱性形ゲージ等、用途に応じたゲージもある。このゲージは、旭計器工業、第一計器製作所、木幡計器製作所等々のメーカーによって市販されている。
【００４８】
ダイヤフラムゲージは、弾性ある平面が垂直方向に変形しやすい円板状圧電素子である。一般的にダイヤフラムの変位量が少ないため、該変位量を電気信号に変換する方式である。種類として、ダイヤフラムの歪を利用する半導体歪方式とダイヤフラムの変位を利用する静電容量方式がある。このゲージは第一計器製作所等のメーカーによって市販されている。
【００４９】
本実施形態の水素精製昇圧装置に適用可能な半導体歪方式は、金属ダイヤフラム上に直接的に薄膜形成できる「蒸着型半導体歪ゲージ」である。また、ダイヤフラムの変位を利用する静電容量方式は、受圧素子であるダイヤフラムと対応する平板に電極を設け、ダイヤフラムの変位を静電容量（電気的な対抗電極のコンデンサー容量）の変化として計測する。このダイヤフラムの材質は金属・セラミック等が使用される。このゲージはセラミック製圧力センサー（セラファイヤー：高圧プロセス用で70MPaまでの測定が可能）を制作するエンドレスハウザー等のメーカーがある。
【００５０】
また、上記圧力計からの出力電圧は、種々の要因によって変動することがあるので、誤動作を防ぐために、フリップフロップなどの論理回路を用いて、異常発生を示す信号が複数回検出されたときに、異常が発生したと判断するように制御を行うことが好ましい。
【００５１】
図２においては、５つのユニットセル８が積層されているが、ユニットセル８の積層数は、ユニットセル８の面積と、必要な供給電力量によって任意に決定することができる。
【００５２】
一般の水素ステーション向けにおいては、１００Ｎｍ３Ｈ２／ｈの水素を生成する必要がある場合が多い。このためには、１．３３Ａ／ｃｍ２の電流密度のセルを使用する場合、３０×３０ｃｍ２電極断面積のセル１００セルをスタック化したものを２スタック又は１５×１５ｃｍ２電極断面積のセル１００セルをスタック化したものを８スタック用いることが好適である。
【００５３】
また、一般の家庭向け水素貯蔵においては、０．５Ｎｍ３Ｈ２／ｈの水素を生成する必要がある場合が多い。このためには、１．３３Ａ／ｃｍ２の電流密度のセルを使用する場合、１５×１５ｃｍ２電極断面積のセル４セルをスタック化したものを１スタック用いることが好適である。
【００５４】
また、積層枚数を大きくすることで、ユニットセル８当たりのセパレータの流路面積が小さくなる。流路面積と圧力の積が必要な締付圧力に比例するため、積層枚数を増やしてセパレータの流路面積を小さくすることで、積層セル構造１８を締め付けるために必要な締付圧力を低減することが可能となる。
【００５５】
（ユニットセルの構造の詳細説明）
ここで、図３〜図６を用いて、ユニットセル８の構造について詳細に説明する。
積層セル構造１８に含まれる複数のユニットセル８は、セパレータ８ａによって区切られている。隣接する２つのセパレータ８ａ間には、固体高分子電解質膜４０が挟まれる。隣接するセパレータ８ａの一方は、アノード側流路２０ａを備えるアノード側セパレータ２０として機能し、他方は、カソード側流路３０ａを備えるカソード側セパレータ３０として機能する。積層セル構造８は、隣接する２つのセパレータ８ａ間のシール部分が、ガスケット１２が押圧されることでシールされる。また、図３（ｂ）に示すように、アノード側セパレータ２０及びカソード側セパレータ３０には、それぞれ、互いに対向する面に平坦部が形成されており、平坦部の両方又は一方に環状突部２０ｄ、３０ｄが形成されている。そして、環状突部２０ｄ、３０ｄをガスケット１２に押し当てることによってシール性を向上させている。具体的には、環状突部２０ｄ、３０ｄの断面は三角形状をしており、好ましくは正三角形又は頂角が３０〜１５０度の二等辺三角形で頂点を丸めた構造を有している。頂点が丸められていることにより、ガスケット１２を傷つけることを防止する。環状突部２０ｄ、３０ｄはアノード側セパレータ２０、カソード側セパレータ３０の平坦部から削り出しにより形成される。このようなシール構造は、シール面が多少傾いたとしても良好なシール性を保ち、またシール面にＯリングを設ける必要がないためコスト低減が可能である。
【００５６】
本実施形態において、セパレータ８ａの断面は矩形状に形成される。矩形状にすることによって、セパレータ製造時にセパレータの材料を効率よく利用することができるという利点がある。また、矩形状の中でも正方形、長方形などの種々の形状があるが、正方形が特に耐圧性を向上させる面からは好ましい。この場合、セパレータ８ａの断面のみならず、アノード側流路２０ａ、カソード側流路３０ａなども同様に図５に示すように矩形状にすることがセパレータ材料を効率よく利用する面からは好ましい。また、この場合、押え治具９は、底面がセパレータと同一の形状の四角錐形状にすれば、積層セル構造１８と全面で接して略均一な圧力を加える事ができる。
【００５７】
固体高分子電解質膜４０の一方にアノード触媒層２３が積層され、固体高分子電解質膜４０の他方にカソード触媒層３３が積層される。
【００５８】
アノード触媒層２３の外側に、導電性撥水層２２が積層される。さらに、導電性撥水層２２の外側にアノード側給電体２１がアノード触媒層２３に対向して設けられる。さらに、アノード側給電体２１の外側に、アノード側流路２０ａを備えたアノード側セパレータ２０が設けられる。
【００５９】
カソード触媒層３３の外側に、導電性撥水層３２が積層される。さらに、導電性撥水層３２の外側にカソード側給電体３１がカソード触媒層３３に対向して設けられる。さらに、カソード側給電体３１の外側に、精製水素ガスＰが管路５５へ排出されるためのカソード側流路３０ａを備えたカソード側セパレータ３０が設けられる。さらに、カソード側流路３０ａには少なくとも一部が導電性を有し、積層セル構造１８の積層方向にカソード側給電体３１を付勢するための、弾力性を有する導電性部材３４が配置される。
【００６０】
カソード側セパレータ３０に形成されるカソード側流路３０ａは、固体高分子電解質膜４０と平行な面方向において、アノード側セパレータ２０に形成されるアノード側流路２０ａに対して内側に収まる大きさに形成される。
【００６１】
このような構成により、固体高分子電解質膜４０のアノード側とカソード側は、固体高分子電解質膜４０によって物理的に分離され、シールされる。このため、気体は、固体高分子電解質膜４０を介して固体高分子電解質膜４０のアノード側とカソード側を行き来することができない。固体高分子電解質膜４０はイオン伝導体であり、本実施形態の場合、水素イオンは固体高分子電解質膜４０を介して固体高分子電解質膜４０のアノード側とカソード側を行き来することができる。
【００６２】
以下、このセル構造を構成する各要素について詳細に説明する。
（ｉ）固体高分子電解質膜
本実施形態では、固体高分子電解質膜４０は、プロトン（水素イオン）を伝導可能な固体材料を用いることができる。このようにプロトン（水素イオン）を伝導可能な固体材料を用いると固体高分子電解質膜４０に電流を加える事により、カソード側流路に水素を生成するという利点があるからである。具体的には、固体高分子電解質膜４０は、ポリマーの不織布やフィブリル、ガラス繊維で補強したフッ化炭素系電解質（ＰＦＳＡ（パーフルオロスルホン酸）膜、Nafion(R)（デュポン社製）など）、又は炭化水素系電解質膜（SPEKP（スルフォン酸化ポリエーテルケトンフォスフィンオキシド）、SPK-bl-1（スルフォン酸化ポリエーテルケトンブロック共重合体）、SPEEK（スルホン化ポリエーテルエーテルケトン）など）を用いる。膜中のガス透過が低いため、炭化水素系電解質膜を使用することが最も好ましい。
【００６３】
（ｉｉ）触媒層
上述したように、固体高分子電解質膜４０の一方にはアノード触媒層２３が積層され、固体高分子電解質膜４０の他方にはカソード触媒層３３が積層されている。このアノード触媒層２３は、水素をプロトン（水素イオン）と電子に分解可能な多孔質材料を用いることができる。このように水素をプロトン（水素イオン）と電子に分解可能な多孔質材料を用いるとアノード触媒層で水素が効率よく分解されるからである。具体的には、このアノード触媒層２３は、カーボンブラックに担持されたPt単味またはPtRu合金の微粒子触媒（Pt/CBまたはPtRu/CB）を、固体高分子電解質膜４０に薄層コーティングすることにより、形成される。特に、PtRu/CB触媒は、COの酸化活性、被毒耐性に優れるため、一酸化炭素選択酸化反応器で完全にCO除去がされていない恐れがある場合に有用である。一方、カソード触媒層３３は、カーボンブラックに担持されたPt単味の微粒子触媒（Pt/CB）を、固体高分子電解質膜４０に薄層コーティングすることにより、形成される。さらに、これらの触媒層２３、３３において、カーボンブラックに担持された微粒子触媒にPFSAが薄層にコーティングされる。
【００６４】
このような構成により、アノード触媒層２３、カソード触媒層３３において、触媒層内に触媒粒子面と、気体の水素通路と、固体高分子電解質膜４０の電解質面とが接触する三相帯界面を形成される。そして、アノード触媒層２３における水素酸化反応、カソード触媒層における水素発生反応が円滑に進む。この結果、このような構成は、アノード触媒層２３、カソード触媒層３３それぞれの反応活性を高めるという利点がある。反応の活性が高まる結果、触媒層に使用される貴金属（Pt、Ru）の使用量を低減することで、触媒層の低コスト化を図ることが可能となる。
【００６５】
これらの触媒層２３、３３は、以下のように、触媒金属と、導電性材料と、電解質材料との混合物を固体高分子膜４０のそれぞれの面に塗装するという手順にて作成する。このような手順で作成すると、触媒金属の使用量を抑えつつ、高い反応性をえるという利点があるからである。
【００６６】
具体的には、まず、Pt/CBまたはPtRu/CB、純水、及びエタノールの混合物をボールミルで粉砕、混合する。その後、5w%Nafion溶液（たとえばNafion/CB=0.7〜1.0）を追加し、さらにボールミルで粉砕、混合する。これにより、触媒層用インクが形成される。
【００６７】
次いで、この触媒層用インクを、スワールスプレー装置によって、固体高分子電解質膜４０のそれぞれの面に塗装する。これより、固体高分子電解質膜４０の一方の面にアノード触媒層２３を形成し、他方の面にカソード触媒層３３を形成する。アノード触媒層２３及びカソード触媒層３３が形成された固体高分子電解質膜４０を、100℃にて真空乾燥後、130℃、50MPaの条件でホットプレスすることにより、燃料電池用電極膜（CCM：Catalyst Coated Membrane）が形成される。
【００６８】
この時、触媒金属担持量としては、0.02〜0.5mg／cm2、好ましくは0.05〜0.2mg／cm2、さらに好ましくは0.08〜0.12mg／cm2がよい。特に、コスト／性能のバランスの観点から触媒金属担持量として0.1mg／cm2を採用する。
【００６９】
（ｉｉｉ）導電性撥水層
上述したように、アノード触媒層２３とアノード側給電体２１との間には、導電性多孔質の導電性撥水層２２が設けられている。また、カソード触媒層３３とカソード側給電体３１との間には、導電性多孔質の導電性撥水層３２が設けられている、これらの導電性撥水層２２、３２は、良導電性を有し、多孔質であり、平滑な面を有し、耐腐食性を有する。また、アノード側導電性撥水層２２においては、水素含有ガスＨが拡散され、アノード側触媒層２３に均一に水素含有ガスＨを供給することを補助する。このような構成の導電性撥水層２２、３２によれば、アノード触媒層で起こる電気化学反応によって給電体の金属が腐食することを防止でき、且つ、給電体から供給される電流の抵抗を増加することなく、水素含有ガスＨを良好かつ均一にアノード側触媒層２３まで輸送および生成水素をカソード側触媒層３３から排出することができるという利点がある。
【００７０】
このような導電性撥水層２２、３２は、具体的には、以下の手順のように炭素材料と、界面活性剤と、フッ素樹脂の重合体ディスパージョン希釈体との混合物を、粉砕・混合したものをアノード側給電体２１及び／又はカソード側給電体３１に塗装し、乾燥し、プレスすることにより一体形成して作成する。
【００７１】
具体的には、まず、炭素材料としてカーボンブラックと、界面活性剤としてTriton 10〜20％と、フッ素樹脂としてPTFEまたはFEP（フッ化エチレン/プロピレン共重合体）のディスパージョン希釈体との混合物を、ボールミルで粉砕、混合する。このとき、カーボンブラックとフッ素樹脂に対する比率は、１／４〜２／３が好ましい。
【００７２】
次いで、これより形成される導電性撥水層用インクを、スワールスプレー装置にて、アノード側給電体２１及び／又はカソード側給電体３１の片面に塗装する。これを窒素雰囲気下、280℃の条件で界面活性剤を除去した後、300℃、50MPaの条件にてホットプレスすることにより、アノード側給電体２１及び／又はカソード側給電体３１と導電性撥水層２２、３２が一体形成される。導電性撥水層２２、３２の厚さは、20〜100μmがよく、好ましくは40〜80μmがよく、さらに好ましくは55〜65μmがよい。導電性撥水層２２、３２の気孔率は、３０〜８０％がよく、さらに好ましくは４０〜７０％がよく、さらに好ましくは５０〜６０％がよい。このような導電性撥水層２２、３２の製造方法によれば、低コストで高品質な導電性撥水層を製造できるという利点がある。
【００７３】
（ｉｖ）給電体
上述のように、アノード触媒層２３の外側に、アノード側給電体２１がアノード触媒層２３に（導電性撥水層２２を介して）対向して設けられる。また、カソード触媒層３３の外側に、カソード側給電体３１がカソード触媒層３３に（導電性撥水層３２を介して）対向して設けられる。アノード側給電体２１、カソード側給電体３１は、所定の空孔率を有する導電性材料を用いることができる。このような材料であれば良好な導電性とガス拡散特性を両方兼ね備えるという利点があるからである。このような材料の中でも、良導電性を有し、多孔質であり、平滑な面を有し、耐腐食性を有する材料を用いることが好ましい。具体的には、アノード側給電体２１、カソード側給電体３１には、金属焼結体多孔質シート(PMS）が用いられる。さらに好ましくは、高圧縮環境にさらされる事による材料のクリープ変形を抑止するため、金属焼結体多孔質シートに焼き入れ処理を施し、給電接触面にメッキ等により抵抗低減処理を施したPMSを用いる。
【００７４】
さらに、アノード側給電体２１、カソード側給電体３１に上述の導電性撥水層２２、３２が形成される場合、金属焼結体多孔質シート自体は必ずしも耐食性金属である必要はない。このとき、金属焼結体多孔質シートとしてはCu等の安価な金属が使用可能である。
【００７５】
（ｖ）弾力性を有する導電性部材
図４を用いて、弾力性を有する導電性部材３４の具体的形状について説明する。上述したように、カソード側給電体３１とカソード側セパレータ３０の間には、少なくとも一部が導電性を有し、積層セル構造１８の積層方向に荷重を付与する導電性部材３４が配置される。この導電性部材３４は、カソード側流路３０ａ内に収納される形状をしており、矩形状のプレートを、波状に折り曲げることにより波状形状３４ａが形成されている。波状形状３４ａは、積層セル構造１８に組み込まれた場合、弾性変形することによりセル構造の積層方向に荷重を付与する。
【００７６】
このような構成により、導電性部材３４がカソード側セパレータ３０及びカソード側給電体３１に荷重を付与するため、カソード側給電体３１が、カソード側セパレータ３０又はカソード側触媒層３３から浮き上がり電気的接触が悪化する問題を防止することができる。
【００７７】
（ｖｉ）アノード側流路
図５（ａ）を用いて、アノード側セパレータ２０に形成されるアノード側流路２０ａについて説明する。アノード側流路２０ａは、水素含有ガス入口８ｃと水素含有ガス出口８ｄを有する。水素含有ガス入口８ｃと水素含有ガス出口８ｄは、どちらも管路５３に連通されている。水素含有ガスＨのアノード側流路２０ａ内の拡散を補助するために、溝部分８ｆと壁部分８ｅが形成される。溝部分８ｆと壁部分８ｅが存在することによって、アノード側流路２０ａ内に大きな濃度分布が発生して未反応の水素含有ガスＨが水素含有ガス出口８ｄに排出されることを防止する。水素含有ガスＨは、アノード側流路２０ａと同一形状の導電性撥水層付き多孔質金属シート（アノード側給電体２１）を介してアノード触媒層２３に供給される。
【００７８】
（ｖｉｉ）カソード側流路
図５（ｂ）は、固体高分子電解質膜４０に対して垂直な方向から見たアノード側セパレータ２０に、カソード側流路３０ａを重ねた状態を示す。図５（ｂ）に示すように、カソード側流路３０ａは、固体高分子電解質膜４０に対して垂直な方向から見た場合に、アノード側セパレータ２０に形成されるアノード側流路２０ａに対して内側に収まる大きさに形成される。具体的には、図５（ｂ）に示すように、カソード側流路３０ａ（点線）は、アノード側流路２０ａに対して、流路の中心を同じくして、アノード側流路２０ａを均等に縮小した構成をとっている。このような構成をとることによって、カソード側流路３０ａに高圧の水素が生成されても電解質膜が破れにくいという利点がある。カソード触媒層３３で生成した精製水素ガスＰは、カソード側流路３０ａと同一形状の導電性撥水層付き多孔質金属シート（カソード側給電体３１）を介して管路５５に排出される。
【００７９】
（ｖｉｉｉ）直列式の電気的接続
図６を用いて、積層セル構造１８の電気的接続について説明する。図６に示すように、本実施形態では、積層セル構造１８を構成する複数のユニットセル８が、電気的に直列に接続されている。すなわち、この積層セル構造１８では、アノード側セパレータ２０、アノード側給電体２１、アノード側導電性撥水層２２、アノード側触媒層２３は電気的に接続されている。また、カソード側セパレータ３０、弾力性を有する導電性部材３４、カソード側給電体３１、カソード側導電性撥水層３２、カソード側触媒層３３は電気的に接続されている。
また、固体高分子電解質膜４０およびガスケット１２は非導電性であり、電気的に絶縁されている。しかし、固体高分子電解質膜４０はイオン伝導体であるため、水素イオンが固体高分子電解質膜４０内を伝導するため、アノード側からカソード側に電荷が運ばれる。
【００８０】
よって、図６に示すように、積層セル構造１８の一方の端部のアノード側セパレータ２０に、外部電源１５の正極１３を接続し、積層セル構造１８の他方の端部のカソード側セパレータ３０に、外部電源１５の負極１４を接続し、アノード側セパレータ２０に水素含有ガスＨを供給することで、複数のユニットセル８に直列に通電することが可能である。すなわち、外部電源１５と複数のユニットセル８は、電気的に直列に接続される。このように複数のユニットセル８が、電気的に直列に接続されていることによって、積層しない場合と比較して各セル間の給電端子の電源との接続が省略でき、比較的高い電圧で作動するという利点がある。
【００８１】
外部電源１５により印加される電圧に応じて、所定の圧力まで昇圧された水素がカソード側流路３０ａに生成される。外部電源１５で印加する電圧を大きくするほど、カソード側流路３０ａに生成される水素の圧力を高くすることができる。
【００８２】
＜作用効果＞
本実施形態の水素精製昇圧装置３は、上述のような構成を有するため、下記に記載する有利な効果を奏する。
（１）特許文献２に示すような水電解から高圧水素を製造する従来技術と比較して、本実施形態の場合は水を用いないため、積層セル構造１８を構成する各部品が腐食しにくい。このため、耐腐食性のセル材料を使用する必要がなく、低コスト化を図ることが可能である。
（２）ユニットセル８を積層するため、ユニットセル８の流路（アノード側流路２０ａおよびカソード側流路３０ａ）の面積が小さくなり、複数のユニットセル８の積層方向の締付応力が小さくなる。すなわち、本実施形態の水素精製昇圧装置３は、水素ステーション向けの用途で必要とされることが多い７５０気圧以上、好ましくは８５０気圧以上、さらに好ましくは１０００気圧以上まで水素を昇圧することが可能である。
（３）特許文献２に示すような水電解から高圧水素を製造する従来技術と比較して発熱量が少なく、且つ、アノード側流路２０ａに流れる精製水素ガスＰが固体高分子電解質膜４０を冷却するため、積層セル構造１８に冷却機構を設ける必要がない。
（４）カソード側流路３０ａは、アノード側流路２０ａに対して内側に収まる大きさに形成されるため、カソード側流路３０ａに高圧の水素が生成されても、アノード側流路２０ａとカソード側流路３０ａの圧力差によって固体高分子電解質膜４０が破れることが防止される。
（５）導電性部材３４がカソード側セパレータ３０及びカソード側給電体３１に荷重を付与するため、カソード側給電体３１が、カソード側セパレータ３０又はカソード側触媒層３３から浮き上がり電気的接触が悪化する問題を防止する。
（６）給電体２１（３１）と触媒層２３（３３）の間に、導電性撥水層２２（３２）が設けられるため、給電体２１（３１）が触媒層２３（３３）の影響で腐食することを防止することが可能である。
（７）環状突部２０ｄ、３０ｄがガスケット１２を押し当てる構造を有するため、平坦部でガスケット１２を押圧する場合と比較して、シール性が向上し、Ｏリングを用いてシールすることが不要となる。さらに、カソード側流路３０ａに生成される水素の圧力によってガスケット１２が外側に押し出されることを防止することが可能である。
（８）押え治具９は、締付プレート７と１点で接するため、締付プレート７を締め付ける締付トルクに多少ばらつきがあったり、生成水素圧の低下、温度上昇や振動により締付けトルクが緩んだ場合においても、押圧バネ１０ｂとの協働により押え治具９を介して積層セル構造１８の全面を均一な面圧で抑えることが可能となる。
【００８３】
２．第２実施形態（並列接続の場合）
本実施形態の水素精製昇圧システム１は、水素精製昇圧装置３の積層セル構造１８を構成する複数のユニットセル８が電気的に並列に接続されている点を除いては、第１実施形態と基本的に同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。そのため、同様の構成および作用効果については説明を省略する。
【００８４】
図７を用いて、本実施形態の水素精製昇圧装置３の積層セル構造１８の電気的接続について説明する。第１実施形態のセパレータ８ａは、セパレータ８ａの一方をアノード側セパレータ２０として機能させれ、他方をカソード側セパレータ３０として機能させている。本実施形態のセパレータ８ａは、あるセパレータ８ａの両面をアノード側セパレータ２０として機能させ、隣り合う他のセパレータ８ａの両面をカソード側セパレータ３０として機能させる。
【００８５】
このため、積層セル構造１８の各アノード側セパレータ２０に、外部電源１５の正極１３を接続し、積層セル構造１８の各カソード側セパレータ３０に、外部電源１５の負極１４を接続し、アノード側セパレータ２０に水素含有ガスＨを供給することで、積層構造１８を構成する複数のユニットセル８に並列に通電することが可能である。
【００８６】
このような水素精製昇圧装置３は、下記に記載する有利な効果を奏する。
（１）積層セル構造１８を構成する複数のユニットセル８が電気的に並列に接続されるため、いずれかのセルが故障した場合に、他のユニットセル８を使用して発電を継続することが可能になり、連続運転性の向上が期待される。
（２）複数のユニットセル８が電気的に並列に接続されるため、いずれかのセルが故障した場合に、どのセルが故障したかを電気的に特定することが容易になり、メンテナンス性がよくなる。
【００８７】
３．第３実施形態（セル構造の断面形状が円形の場合）
本実施形態の水素精製昇圧システム１は、水素精製昇圧装置３の積層セル構造１８の断面形状が円形である点を除いては、第１実施形態と基本的に同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。そのため、同様の構成および作用効果については説明を省略する。
【００８８】
図８〜図９を用いて、本実施形態の水素精製昇圧装置３について説明する。本実施形態においては、積層セル構造１８の断面形状が円形となる。この場合、弾力性を有する導電性部材３４は、図８のように同心円上の波状形状３４ａを有する。また、アノード側セパレータ２０に形成されるアノード側流路２０ａは、図９のように渦巻き状の流路を有する。水素含有ガスＨは、アノード側流路２０ａの端部に形成される水素含有ガス入口８ｃから供給され、アノード側流路２０ａの中央に形成される水素含有ガス出口８ｄから排出される。
【００８９】
このような断面形状が円形の積層セル構造１８は、シール性や耐圧性が良好である。また、円筒形の外殻３ａ内に設置した場合に、無駄な空間が少ないために水素精製昇圧装置３の体格を小さくすることができ、また円筒のセパレータは旋盤による加工で容易に加工できるため、加工性がよいという利点もある。
【００９０】
４．その他の変形例
次に、図１０（ａ）〜（ｂ）を用いて、セパレータの流路形状のバリエーションについて説明する。図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、セパレータの流路は、水素含有ガス入口８ｃから水素含有ガス出口８ｄへ流れる水素含有ガス経路８ｆが蛇行していてもよい。このように、水素含有ガス流路８ｆが蛇行すると、アノード側流路２０ａ内に水素含有ガスＨが滞在する滞在時間が長くなるため、水素含有ガスＨ中の水素のうち、アノード側触媒層２３で反応する水素の割合が高まる。
【００９１】
図１０（ｃ）〜（ｄ）に示すように、セパレータの流路は、水素含有ガス入口８ｃからる水素含有ガス出口８ｄへ流れる経路が連通していなくてもよい。この場合、水素含有ガス入口８ｃから流入した水素含有ガスＨは、一旦、アノード側給電体２１、アノード側導電性撥水層２２、又はアノード側触媒層２３の中を拡散した後、水素含有ガス出口８ｄ側のアノード側流路２０ａに流れる。このような流路形状においても、アノード側流路２０ａ内に水素含有ガスＨが均等に配給され、また水素含有ガスＨ中の水素が消費されるにのに対応し、本来必要な流路長を短縮することによって流速を均等に保てるため、水素含有ガスＨ中の水素のうち、アノード側触媒層２３で反応する水素の割合が高まる。
【００９２】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【００９３】
例えば、上記実施の形態では都市ガスなどの燃料Ｆから、水素を精製・昇圧する方式としたが、純水素を昇圧する場合にも用いることができる。このようにすれば、上記実施の形態の水素精製昇圧装置をコンプレッサの代替として使用することで、低コストで水素を昇圧できるという利点が得られる。
【符号の説明】
【００９４】
１：水素精製昇圧システム
２ａ：改質器
２ｂ：一酸化炭素選択酸化反応器（ＰＲＯＸ： Preferencial Oxidation）
３：水素精製昇圧装置
３ａ：外殻
３ｂ：外殻内部
４：水素タンク
４ａ：水トラップ・ドレイン器
５：精製昇圧部
６：ベースプレート
７：締付プレート
８：ユニットセル
８ａ：セパレータ
８ｂ：ボルト挿通孔
８ｃ：水素含有ガス入口
８ｄ：水素含有ガス出口
８ｅ：壁部分
８ｆ：溝部分（水素含有ガス経路）
１８：積層セル構造
２０ａ：アノード側流路
３０ａ：カソード側流路
９：押え治具
１０：ボルト
１０ａ：ナット
１０ｂ：押圧ばね
１２：ガスケット
１３：外部電源の正極
１４：外部電源の負極
１５：外部電源
２０：アノード側セパレータ
２１：アノード側焼結多孔質金属シート（アノード側給電体）
２２：アノード側導電性撥水層
２３：アノード側触媒層（アノード側電極）
３０：カソード側セパレータ
２０ｄ、３０ｄ：環状突部
３１：カソード側焼結多孔質金属シート（カソード側給電体）
３２：カソード側導電性撥水層
３３：カソード側触媒層（カソード側電極）
３４：弾力性を有する導電性部材（集電部材）
３４ａ：波状形状
４０：固体高分子電解質膜
【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】
2015117139.tif 000011
【図１０】
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