(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソード、および、前記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備え、前記電圧印加器により前記アノードおよびカソード間に電圧を印加して、前記アノードに供給される、水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記カソードに移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置と、
前記アノードに供給される、水蒸気を含む水素含有ガスが流れる供給路と、
前記供給路上に設けられた冷却機構と、
前記供給路上に設けられ、前記冷却機構よりも上流の前記供給路を流れる水素含有ガスと前記冷却機構よりも下流の前記供給路を流れる水素含有ガスとの間で熱交換する熱交換器と、を備える水素システム。
【請求項２】
前記供給路より分岐して、前記熱交換器をバイパスした後、前記供給路に合流するバイパス路を備える請求項１に記載の水素システム。
【請求項３】
前記バイパス路を流れる前記水素含有ガスの流量を制御する流量制御器と、前記電解質膜、前記アノードおよび前記カソードを含むセルの温度が上昇すると、前記流量制御器を制御して、前記バイパス路に流れる前記水素含有ガスの流量を増加させる制御器とを備える請求項２に記載の水素システム。
【請求項４】
前記冷却機構は、前記供給路を流れる水素含有ガスを冷却する冷却器を含む、請求項１−３のいずれか１項に記載の水素システム。
【請求項５】
前記電解質膜、前記アノードおよび前記カソードを含むセルの温度が上昇すると、前記冷却器の出力を低下させる制御器を備える請求項４に記載の水素システム。
【請求項６】
前記供給路上に設けられ、前記熱交換器で加熱された水素含有ガスを更に加熱する加熱器を備える、請求項１−５のいずれかに記載の水素システム。
【請求項７】
前記アノードに供給される、水蒸気を含む前記水素含有ガスは、水電解装置で生成された水素含有ガスを含む請求項１−６のいずれか１項に記載の水素システム。
【請求項８】
前記アノードに供給される、水蒸気を含む前記水素含有ガスは、炭素および水素から構成される有機化合物を含む原料の水蒸気改質反応またはオートサーマル改質反応により生成された改質ガスを含む請求項１−６のいずれか１項に記載の水素システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は水素システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されず、かつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。【０００３】
また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに開発および普及が進んでいる。【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輸送又は利用し得る技術開発が求められている。特に、燃料電池の普及促進には水素供給インフラを整備する必要があり、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を製造、精製、高密度で貯蔵する様々な提案が行われている。【０００５】
例えば、特許文献１には、電解質膜を挟んで配置されるアノードおよびカソード間に電圧を印加することによって水素含有ガス中の水素を精製および昇圧して高純度の水素を生成する装置が提案されている。【０００６】
このような電解質膜による電気化学式水素圧縮装置を用いると、機械式の水素圧縮装置を使用する場合に比較して、消費動力が少ない高効率な水素システムの構築することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−１１７１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本開示は、一例として、圧縮装置の水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る水素システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本開示の一態様(aspect)の水素システムは、水素システムは、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノード、前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソード、および、前記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備え、前記電圧印加器により前記アノードおよびカソード間に電圧を印加して、前記アノードに供給される、水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、前記電解質膜を介して前記カソードに移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置と、前記アノードに供給される、水素含有ガスが流れる供給路と、前記供給路上に設けられた冷却機構と、前記供給路上に設けられ、前記冷却機構よりも上流の前記供給路を流れる水素含有ガスと前記冷却機構よりも下流の前記供給路を流れる水素含有ガスとの間で熱交換する熱交換器と、を備える。
【発明の効果】
【００１０】
本開示の一態様の水素システムは、圧縮装置の水素圧縮動作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】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、第１実施形態の水素システムの電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素圧縮装置のＢ部の拡大図である。
【図３Ａ】図３Ａは、第１実施形態の水素システムの電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素圧縮装置のＢ部の拡大図である。
【図４】図４は、第１実施形態の実施例の水素システムの一例を示す図である。
【図５】図５は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【図６】図６は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【図７】図７は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
電解質膜による電気化学式水素圧縮装置では、電気化学的に水素を圧縮する際に、電解質膜の湿潤状態によって性能が左右される。例えば、電気化学式水素圧縮装置は、電解質膜、アノードおよびカソードを含むセルを備え、アノードに供給される水素含有ガス中の（Ｈ２）をプロトン化してカソードに移動させ、プロトン（Ｈ＋）をカソードで水素（Ｈ２）に戻すことで水素が高圧化される。このとき、電解質膜は、一般に、高温および高加湿の条件で、プロトン伝導率が上がり、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の効率が向上する。
【００１３】
なお、このような電気化学式水素圧縮装置では、高圧水素の圧力に耐える設計が必要になるので、例えば、厚みが大きい高剛性の金属部材などにより上記セルが覆われていることが多い。そこで、複数のセルを積層したスタックの場合、適宜の熱源でスタックを加熱するには、熱源に所望のエネルギーを付与する必要がある。例えば、起動時には、電気化学式水素圧縮装置の温度が室温であることが多いので、熱源で消費するエネルギー量が増加する。
【００１４】
また、電気化学式水素圧縮装置では、電気化学的に水素を圧縮する際に、電気化学式水素圧縮装置のセルにおける凝縮水の状態によっても性能が左右される。例えば、アノードに、水の電気分解で得られる水素含有ガス、炭化水素原料の改質で得られる改質ガスなどを供給する場合、これらの水素含有ガスは、露点が約８０℃程度の高温および高加湿の状態で生成される。
【００１５】
ここで、仮に、電気化学式水素圧縮装置のセルの温度に対して、アノードに供給される水素含有ガスの加湿量が過剰な場合、アノードで水素含有ガス中の水蒸気が凝縮することで、凝縮水により電気化学式水素圧縮装置のガス流路の閉塞（フラッディング）が発生する可能性がある。例えば、起動時には、電気化学式水素圧縮装置の温度が室温であることが多い。よって、このとき、室温に比べて露点が高い高加湿の水素含有ガスをアノードに供給すると、アノードでフラッディングが発生する可能性が高い。すると、電気化学式水素圧縮装置の水素拡散性が阻害されやすくなる。この場合、所望のプロトン移動を確保するための水素圧縮動作に必要な電力が増加するので、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の効率が低下する。
【００１６】
そこで、発明者らは、以上の問題に対して鋭意検討した結果、アノードに供給される水素含有ガスが流れる供給路に、潜熱を回収するための熱交換器および冷却機構を設けるという着想に到達した。
【００１７】
すなわち、本開示の第１態様の水素システムは、
電解質膜、電解質膜の一方の主面に設けられたアノード、電解質膜の他方の主面に設けられたカソード、および、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備え、電圧印加器によりアノードおよびカソード間に電圧を印加して、アノードに供給される、水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮装置と、
アノードに供給される、水蒸気を含む水素含有ガスが流れる供給路と、
供給路上に設けられた冷却機構と、
供給路上に設けられ、冷却機構よりも上流の供給路を流れる水素含有ガスと冷却機構よりも下流の供給路を流れる水素含有ガスとの間で熱交換する熱交換器と、を備える。
【００１８】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、圧縮装置の水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る。
【００１９】
具体的には、圧縮装置のセルの温度に対して、アノードに供給される水素含有ガスの加湿量が過剰な場合、アノードで水素含有ガス中の水蒸気が凝縮することで、凝縮水により圧縮装置のガス流路のフラッディングが発生する可能性がある。しかし、本態様の水素システムは、アノードに供給される水素含有ガスが流れる供給路に熱交換器および冷却機構を設けることで、アノードに供給される水素含有ガスが熱交換器および冷却機構で除湿されるので、圧縮装置のセルの温度に対して、かかる水素含有ガスの加湿量を適量に制御することができる。これにより、本態様の水素システムは、アノードでフラッディングが発生する可能性を低減することができ、その結果、圧縮装置の水素圧縮動作の効率が向上する。
【００２０】
また、本態様の水素システムは、熱交換器において、冷却機構よりも上流の供給路を流れる水素含有ガス中の水蒸気凝縮時に発生する潜熱を、冷却機構よりも下流の供給路を流れる水素含有ガスで回収することで、かかる潜熱を圧縮装置のセルの加熱に有効に活用することができる。これにより、本態様の水素システムは、本セルを所望の温度まで効果的に昇温することができ、その結果、圧縮装置の水素圧縮動作の効率が向上する。よって、本態様の水素システムは、例えば、電気ヒータなどの熱源を設けずに、圧縮装置のセルを加熱することができる。また、仮に、このような熱源を併用する場合でも、熱源の出力を低減することができる。
【００２１】
本開示の第２態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、供給路より分岐して、熱交換器をバイパスした後、供給路に合流するバイパス路を備えてもよい。
【００２２】
上記のとおり、圧縮装置の水素源として、例えば、水電解で生成される高温および高湿度の水素含有ガス、または、炭化水素原料の改質で生成される高温および高湿度の水素含有ガスなどが、圧縮装置のアノードガスとして利用される。すると、露点が約８０℃程度の高温および高湿度の水素含有ガスが圧縮装置のセルのアノードに供給される。
【００２３】
以上の場合、圧縮装置のセルの温度に対して、アノードに供給される水素含有ガスの加湿量が過剰であると、アノードで水蒸気の凝縮が起き、凝縮水によりアノードでフラディングが発生する可能性がある。逆に、圧縮装置のセルの温度に対して、アノードに供給される水素含有ガスの加湿量が不十分であると、電解質膜でドライアップが起き、電解質膜の高プロトン伝導度の確保に必要な電解質膜の湿潤状態を維持することが困難になる可能性がある。
【００２４】
このように、圧縮装置のセルの温度に対してアノードに供給される水素含有ガスの露点を適切に設定することが、アノードのフラディングの抑制および電解質膜のプロトン伝導率低下の抑制を図る視点において重要である。例えば、露点が本セルの温度にほぼ等しい水素含有ガスがアノードに供給されることが望ましい。
【００２５】
そこで、本態様の水素システムは、バイパス路を通過した高加湿の水素含有ガスの流量と熱交換器および冷却機構で除湿された低加湿の水素含有ガスの流量とを所望の比率で制御することにより、圧縮装置のセルの温度に対して、アノードに供給される水素含有ガスの露点を適切に設定することができる。
【００２６】
本開示の第３態様の水素システムは、第２態様の水素システムにおいて、バイパス路を流れる水素含有ガスの流量を制御する流量制御器と、電解質膜、アノードおよびカソードを含むセルの温度が上昇すると、流量制御器を制御して、バイパス路に流れる水素含有ガスの流量を増加させる制御器とを備えてもよい。
【００２７】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、流量制御器によるバイパス路に流れる水素含有ガスの流量の制御により、圧縮装置のセルの温度上昇に追従するようにして、アノードに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
【００２８】
本開示の第４態様の水素システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水素システムにおいて、冷却機構は、供給路を流れる水素含有ガスを冷却する冷却器を備えてもよい。
【００２９】
熱交換器および冷却機構で除湿された水素含有ガスでも、圧縮装置のセルの温度に対して加湿量が過剰であると、アノードで水素含有ガス中の水蒸気が凝縮する可能性がある。すると、凝縮水によりアノードでフラッディングが発生する可能性がある。例えば、冷却機構で、供給路が自然冷却される場合、外気温と水素含有ガスの温度との関係で、冷却機構による水素含有ガスの除湿が不十分な場合がある。また、例えば、冬季の場合、夏季に比べて、起動時には、圧縮装置のセルの温度が低下しやすいので、熱交換器および冷却機構による水素含有ガスの除湿が不十分な場合がある。
【００３０】
そこで、本態様の水素システムは、上記の冷却器をさらに備えることで、熱交換器および冷却機構で除湿された水素含有ガスをさらに冷却および除湿することができる。よって、本態様の水素システムは、例えば、冬季に起動する場合、熱交換器および冷却機構によるフラッディングの発生を効果的に抑制することができる。
【００３１】
本開示の第５態様の水素システムは、第４態様の水素システムにおいて、電解質膜、アノードおよびカソードを含むセルの温度が上昇すると、冷却器の出力を低下させる制御器を備えてもよい。
【００３２】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、冷却器の出力の制御により、圧縮装置のセルの温度上昇に追従するようにして、アノードに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
【００３３】
本開示の第６態様の水素システムは、第１態様から第５態様のいずれか一つの水素システムにおいて、供給路上に設けられ、熱交換器で加熱された水素含有ガスを更に加熱する加熱器を備えてもよい。
【００３４】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、加熱器を用いて水素含有ガスの温度を適切に上げることができる。よって、水素含有ガスが有する熱によって圧縮装置のセルを所望の温度まで効果的に昇温することができ、その結果、圧縮装置の水素圧縮動作の効率が向上する。
【００３５】
本開示の第７態様の水素システムは、第１態様から第６態様のいずれか一つの水素システムにおいて、アノードに供給される、水蒸気を含む水素含有ガスは、水電解装置で生成された水素含有ガスを含んでもよい。
【００３６】
本開示の第８態様の水素システムは、第１態様から第６態様のいずれか一つの水素システムにおいて、アノードに供給される、水蒸気を含む水素含有ガスは、炭素および水素から構成される有機化合物を含む原料の水蒸気改質反応またはオートサーマル改質反応により生成された改質ガスを含んでもよい。
【００３７】
以下、添付図面を参照しながら、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。
【００３８】
（第１実施形態）
［水素システムの構成]
図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【００３９】
図１に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００と、熱交換器１１０と、アノードガス供給路２９と、冷却機構１１７と、を備える。
【００４０】
ここで、電気化学式水素圧縮装置１００は、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、電圧印加器１０２と、を備える。そして、電気化学式水素圧縮装置１００は、電圧印加器１０２によりアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加して、アノードＡＮに供給される水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する装置である。電気化学式水素圧縮装置１００は、電解質膜１１による電気化学式の昇圧器であれば、どのような構成であってもよい。例えば、図１の電気化学式水素圧縮装置１００では、上記のアノードガス供給路２９と、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れるアノードガス排出路３１と、カソードＣＡから排出される水素（Ｈ２）が流れるカソードガス排出路２６と、が設けられている。このような電気化学式水素圧縮装置１００の詳細な構成は後で説明する。
【００４１】
なお、アノードＡＮに供給される水蒸気を含む水素含有ガスは、例えば、水電解装置で生成された水素含有ガスを含んでもよいし、炭素および水素から構成される有機化合物を含む原料（以下、炭化水素原料）の水蒸気改質反応またはオートサーマル改質反応により生成された改質ガスを含んでもよい。
【００４２】
アノードガス供給路２９は、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに供給される水蒸気を含む水素含有ガスが流れる流路である。
【００４３】
熱交換器１１０は、アノードガス供給路２９上に設けられ、冷却機構１１７よりも上流のアノードガス供給路２９を流れる水素含有ガスと冷却機構１１７よりも下流のアノードガス供給路２９を流れる水素含有ガスとの間で熱交換する装置である。なお、冷却機構１１７よりも上流のアノードガス供給路２９のうちの熱交換器１１０を通過する部分を、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａといい、冷却機構１１７よりも下流のアノードガス供給路２９のうちの熱交換器１１０を通過する部分を、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂという。
【００４４】
冷却機構１１７は、アノードガス供給路２９上に設けられている。具体的には、冷却機構１１７は、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａのガス流出口と熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂのガス流入口との間のアノードガス供給路２９に設けられている。
【００４５】
冷却機構１１７は、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａと熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂとの間のアノードガス供給路２９を流れる水素含有ガスを冷却することができれば、どのような構成であってもよい。
【００４６】
例えば、冷却機構１１７は、アノードガス供給路２９を構成する配管が断熱材で覆われていないことで、かかる配管を自然冷却するように構成してもよい。また、例えば、冷却機構１１７は、水素含有ガスを冷却する冷却器を備えていてもよい。冷却器として、例えば、放熱フィンなどを備える放熱器、冷却媒体による冷却装置などを挙げることができる。冷却媒体として、例えば、冷気または冷却液などを用いることができる。
【００４７】
なお、図１に示す例では、冷却機構１１７において、アノードガス供給路２９は、自然冷却されている。冷却機構１１７として、冷却器を用いる場合の構成の一例は第３実施形態で説明する。
【００４８】
ここで、熱交換器１１０は凝縮器としても機能しており、熱交換器１１０において、１次側の流路１１０Ａを流れる高湿度の水素含有ガス中の水蒸気を凝縮する際に発生する潜熱を、２次側の流路１１０Ｂを流れる低湿度の水素含有ガスで熱交換により回収する潜熱回収が行われる。つまり、前者の水素含有ガスが熱交換器の加熱流体に相当し、後者の水素含有ガスが熱交換器の受熱流体に相当する。
【００４９】
具体的には、例えば、水電解または炭化水素原料の改質で生成される、高温および高湿度（例えば、温度および露点が約８０℃程度）の水素含有ガスが、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに供給される場合、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａを流れる高温および高加湿の水素含有ガスは、熱交換器１１０で冷却されて温度が低下するとともに水蒸気が凝縮する。つまり、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａにおける水素含有ガスの温度および露点は、水電解または炭化水素原料の改質で生成される水素含有ガスの温度および露点よりも低下する。
【００５０】
このとき、図１に示すように、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａを通過した後の水素含有ガスが再び、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂを流入するようにアノードガス供給路２９が引き回されている。これにより、熱交換器１１０において、２次側の流路１１０Ｂを流れる水素含有ガスには、１次側の流路１１０Ａを流れる水素含有ガス中の水蒸気凝縮で発生する潜熱が伝わる。また、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａを通過した後の水素含有ガスは、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂに流入する前に、冷却機構１１７の自然冷却の作用により冷却されて、温度が低下するとともに水蒸気がさらに凝縮する。
【００５１】
以上により、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂにおける水素含有ガスの温度は、凝縮潜熱で加熱されて上昇するが、露点は低いまま維持される。
【００５２】
[電気化学式水素圧縮装置の構成]
図２Ａおよび図３Ａは、第１実施形態の水素システムの電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素圧縮装置のＢ部の拡大図である。図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素圧縮装置のＢ部の拡大図である。
【００５３】
なお、図２Ａには、平面視において電気化学式水素圧縮装置１００の中心と、カソードガス導出マニホールド２８の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素圧縮装置１００の垂直断面が示されている。また、図３Ａには、平面視において電気化学式水素圧縮装置１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素圧縮装置１００の垂直断面が示されている。
【００５４】
図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電気化学式水素圧縮装置１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１００Ａを備える。
【００５５】
なお、電気化学式水素圧縮装置１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図２Ａおよび図３Ａでは、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素圧縮装置１００が昇圧する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。
【００５６】
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。
【００５７】
アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層１３と、アノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
【００５８】
カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
【００５９】
以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。なお、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮの積層体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の部分を電気化学式水素圧縮装置１００のセルという。
【００６０】
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、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。
【００６１】
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００６２】
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
【００６３】
カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。
【００６４】
なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、水素イオン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
【００６５】
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。また、カソードガス拡散層１４は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素圧縮装置１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。なお、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００では、カソードガス拡散層１４として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。なお、カソードガス拡散層１４の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層１４の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体などを用いてもよい。
【００６６】
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。また、アノードガス拡散層１５は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素圧縮装置１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。
【００６７】
なお、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００では、アノードガス拡散層１５として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体を用いることができる。また、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることもできる。
【００６８】
アノードセパレーター１７は、アノードＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた部材である。
【００６９】
そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。
【００７０】
このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。
【００７１】
カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００７２】
アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図３Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
【００７３】
また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。
【００７４】
ここで、電気化学式水素圧縮装置１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。
【００７５】
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。
【００７６】
締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
【００７７】
例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
【００７８】
このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。
【００７９】
以上により、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００では、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持される。
【００８０】
ここで、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出する水素（Ｈ２）が流れるカソードガス流路３２が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路３２のそれぞれが連通する構成について説明する。
【００８１】
まず、図２Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド２８は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス排出路２６が設けられている。カソードガス排出路２６は、カソードＣＡから排出される水素が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス排出路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド２８と連通している。
【００８２】
さらに、カソードガス導出マニホールド２８は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過した水素が、カソードガス導出マニホールド２８で合流される。そして、合流された水素がカソードガス排出路２６に導かれる。
【００８３】
このようにして、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド２８を介して連通している。
【００８４】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド２８を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド２８が、このシール部材４０で適切にシールされている。
【００８５】
図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス供給路２９が設けられている。アノードガス供給路２９は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス供給路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００８６】
また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス供給路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給された水素含有ガスは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に水素含有ガスが供給される。
【００８７】
また、図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス排出路３１が設けられている。アノードガス排出路３１は、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス排出路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
【００８８】
また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素含有ガスが、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス排出路３１に導かれる。
【００８９】
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。
【００９０】
図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素圧縮装置１００は、電圧印加器１０２を備える。
【００９１】
電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。
【００９２】
また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
【００９３】
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
【００９４】
ここで、図１、図２Ａおよび図３Ａには示されていないが、本実施形態の水素システム２００の電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮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。
【００９５】
例えば、水素システム２００には、例えば、電気化学式水素圧縮装置１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素圧縮装置１００のカソードＣＡで昇圧された水素の圧力を検出する圧力検出器などが設けられている。
【００９６】
また、水素システム２００には、アノードガス供給路２９、アノードガス排出路３１およびカソードガス排出路２６の適所には、これらの経路を開閉するための弁などが設けられている。
【００９７】
以上の電気化学式水素圧縮装置１００の構成、および、水素システム２００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、電気化学式水素圧縮装置１００は、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス排出路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノードＡＮに供給する水素含有ガス中の水素（Ｈ２）を全量、カソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
【００９８】
[動作]
以下、第１実施形態の水素システムの動作の一例について図面を参照しながら説明する。
【００９９】
なお、以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。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。
【０１００】
まず、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素圧縮装置１００に印加されることで、水素システム２００の電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作が開始される。このとき、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに供給される前の水素含有ガスが、アノードガス供給路２９上に設けられた熱交換器１１０および冷却機構１１７を通過する。
【０１０１】
アノードＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素含有ガス中の水素分子が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。
【０１０２】
そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定量の水が、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。
【０１０３】
このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素を圧縮することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図１および図２Ａのカソードガス排出路２６を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、流量調整弁などを挙げることができる。
【０１０４】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−      ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）      ・・・（２）
このようにして、電気化学式水素圧縮装置１００では、アノードＡＮに供給する水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する動作が行われる。
【０１０５】
また、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａおよび冷却機構１１７では、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに供給される水素含有ガスの冷却により水素含有ガス中の水蒸気の凝縮動作が行われ、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂでは、上記の凝縮動作で発生する潜熱により電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに供給される水素含有ガスの加熱動作が行われる。
【０１０６】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る。
【０１０７】
具体的には、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に対して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの加湿量が過剰な場合、アノードＡＮで水素含有ガス中の水蒸気が凝縮することで、凝縮水により電気化学式水素圧縮装置１００のガス流路のフラッディングが発生する可能性がある。しかし、本実施形態の水素システム２００は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流れるアノードガス供給路２９に熱交換器１１０および冷却機構１１７を設けることで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが熱交換器１１０および冷却機構１１７で除湿されるので、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に対して、かかる水素含有ガスの加湿量を適量に制御することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、アノードＡＮでフラッディングが発生する可能性を低減することができ、その結果、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作の効率が向上する。
【０１０８】
また、本実施形態の水素システム２００は、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａを流れる水素含有ガス中の水蒸気凝縮時に発生する潜熱を、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂを流れる水素含有ガスで回収することで、かかる潜熱を電気化学式水素圧縮装置１００のセルの加熱に有効に活用することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、本セルを所望の温度まで効果的に昇温することができ、その結果、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作の効率が向上する。よって、本実施形態の水素システム２００は、例えば、電気ヒータなどの熱源を設けずに、電気化学式水素圧縮装置１００のセルを加熱することができる。また、仮に、このような熱源を併用する場合でも、熱源の出力を低減することができる。
【０１０９】
（実施例）
図４は、第１実施形態の実施例の水素システムの一例を示す図である。
【０１１０】
図４に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００と、熱交換器１１０と、アノードガス供給路２９と、冷却機構１１７と、凝縮水タンク１１１と、水素貯蔵器１１４と、水素源１２０と、第１弁１１２と、第２弁１１３と、を備える。
【０１１１】
ここで、電気化学式水素圧縮装置１００、冷却機構１１７および熱交換器１１０は第１実施形態と同様である。つまり、図４に示す例では、冷却機構１１７において、アノードガス供給路２９は、自然冷却されている。
【０１１２】
水素源１２０は、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに、熱交換器１１０を介して水素含有ガスを供給する装置である。なお、このような水素源１２０の水素含有ガスは、例えば、水電解または炭化水素原料の改質などにより生成されてもよい。
【０１１３】
凝縮水タンク１１１は、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａおよび冷却機構１１７において水素含有ガス中の水蒸気が凝縮することで発生した凝縮水を貯蔵する装置である。具体的には、凝縮水タンク１１１は、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａのガス流出口と熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂのガス流入口との間のアノードガス供給路２９に設けられ、水素含有ガスが、凝縮水タンク１１１内の上部空間と通過するように構成されている。なお、凝縮水タンク１１１内の凝縮水を外部に排水するための水排水経路および排水弁（図示せず）が、凝縮水タンク１１１の底壁に設けられていてもよい。
【０１１４】
水素貯蔵器１１４は、カソードＣＡで昇圧された水素（Ｈ２）を貯蔵する装置である。水素貯蔵器１１４として、例えば、水素タンクなどを挙げることができる。
【０１１５】
第１弁１１２は、電気化学式水素圧縮装置１００のカソードＣＡのガス流出口と水素貯蔵器１１４のガス流入口との間のカソードガス排出路２６に設けられている。第２弁１１３は、水素貯蔵器１１４のガス流出口から延伸する水素供給経路に設けられている。つまり、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作中に、第１弁１１２を開き、第２弁１１３を閉じることで、水素貯蔵器１１４に高圧状態の水素を貯蔵することができる。また、適時に、第１弁１１２を閉じ、第２弁１１３を開くことで、水素貯蔵器１１４に貯蔵された水素は、水素需要体に供給される。なお、水素需要体として、例えば、水素を燃料として発電する燃料電池を挙げることができる。また、第１弁１１２および第２弁１１３として、例えば、流量調整弁などを挙げることができる。
【０１１６】
ただし、以上の水素システム２００は、例示であって、本例に限定されない。例えば、上記では、電気化学式水素圧縮装置１００から水素貯蔵器１１４に水素が供給される場合について説明したが、水素システム２００が、水素貯蔵器を介さずに、または、水素貯蔵器を備えずに、水素需要体に直接、水素を供給する場合（例えば、燃料電池車の高圧水素タンクに水素を供給する場合など）であっても、以上の本開示の一態様の水素システム２００を適用することができる。
【０１１７】
なお、本実施例の水素システム２００が奏する作用効果は、第１実施形態の水素システム２００と同様であるので説明を省略する。
【０１１８】
本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様であってもよい。
【０１１９】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１２０】
図５に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００と、熱交換器１１０と、アノードガス供給路２９と、冷却機構１１７と、バイパス路１１６と、流量制御器１１５と、制御器５０と、を備える。
【０１２１】
ここで、電気化学式水素圧縮装置１００、冷却機構１１７および熱交換器１１０は第１実施形態と同様である。つまり、図５に示す例では、冷却機構１１７において、アノードガス供給路２９は、自然冷却されている。
【０１２２】
バイパス路１１６は、アノードガス供給路２９より分岐して、熱交換器１１０をバイパスした後、アノードガス供給路２９に合流する流路である。具体的には、図５に示すように、バイパス路１１６の上流端は、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａのガス流入口よりも上流のアノードガス供給路２９で接続しており、バイパス路１１６の下流端は、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂのガス流出口よりも下流のアノードガス供給路２９で接続している。
【０１２３】
流量制御器１１５は、バイパス路１１６を流れる水素含有ガスの流量を制御する装置である。流量制御器１１５は、バイパス路１１６を流れる水素含有ガスの流量を制御することができれば、どのような構成であってもよい。流量制御器１１５として、例えば、流量制御弁などを挙げることができる。このような流量制御弁は、アノードガス供給路２９とバイパス路１１６の上流端との間の接続部（分岐部）上に設けられた、分流比が制御可能な３方弁であってもよい。また、流量制御弁は、この接続部と熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａのガス流入口との間のアノードガス供給路２９上、および、バイパス路１１６上のいずれか一方、または、両方に設けられた、弁開度が制御可能な２方弁であってもよい。
【０１２４】
制御器５０は、バイパス路１１６を流れる高湿度の水素含有ガスの流量が所望の流量となるように流量制御器１１５を制御する。
【０１２５】
なお、制御器５０は、水素システム２００の全体の動作を制御してもよい。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構わない。制御器５０は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示することができる。記憶回路として、例えば、メモリを例示することができる。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。
【０１２６】
上記のとおり、電気化学式水素圧縮装置１００の水素源として、例えば、水電解で生成される高温および高湿度の水素含有ガス、または、炭化水素原料の改質で生成される高温および高湿度の水素含有ガスなどが、電気化学式水素圧縮装置のアノードガスとして利用される。すると、露点が約８０℃程度の高温および高湿度の水素含有ガスが電気化学式水素圧縮装置１００のセルのアノードＡＮに供給される。
【０１２７】
以上の場合、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に対して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの加湿量が過剰であると、アノードＡＮで水蒸気の凝縮が起き、凝縮水によりアノードＡＮでフラディングが発生する可能性がある。逆に、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に対して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの加湿量が不十分であると、電解質膜１１でドライアップが起き、電解質膜１１の高プロトン伝導度の確保に必要な電解質膜１１の湿潤状態を維持することが困難になる可能性がある。
【０１２８】
このように、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に対してアノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を適切に設定することが、アノードＡＮのフラディングの抑制および電解質膜１１のプロトン伝導率低下の抑制を図る視点において重要である。例えば、露点が本セルの温度にほぼ等しい水素含有ガスがアノードＡＮに供給されることが望ましい。
【０１２９】
そこで、本実施形態の水素システム２００は、バイパス路１１６を通過した高加湿の水素含有ガスの流量と熱交換器１１０および冷却機構１１７で除湿された低加湿の水素含有ガスの流量とを所望の比率で制御することにより、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に対して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を適切に設定することができる。
【０１３０】
具体的には、図５に示すように、バイパス路１１６を流れる水素含有ガスは、熱交換器１１０を経由せずに、高湿度のまま、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに供給される。つまり、バイパス路１１６を流れる高湿度の水素含有ガスの流量が増加する程（換言すると、熱交換器１１０を経由する低湿度の水素含有ガスの流量が減少する程）、アノードガス供給路２９とバイパス路１１６の下流端との間の接続部（合流部）を通過する水素含有ガスの露点が高くなる。よって、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に合わせて、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を適切に設定することができる。
【０１３１】
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の水素システム２００と同様であってもよい。
【０１３２】
（実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第２実施形態の水素システム２００と同様である。
【０１３３】
制御器５０は、電解質膜１１、アノードＡＮおよびカソードＣＡを含むセルの温度が上昇すると、流量制御器１１５を制御して、バイパス路１１６に流れる水素含有ガスの流量を増加させる。
【０１３４】
以上により、本実施例の水素システム２００は、流量制御器１１５によるバイパス路１１６に流れる水素含有ガスの流量の制御により、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度上昇に追従するようにして、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
【０１３５】
例えば、起動時には、電気化学式水素圧縮装置１００の温度が室温であることが多い。このとき、一例として、熱交換器１１０を経由する水素含有ガスの流量を、バイパス路１１６に流れる水素含有ガスの流量よりも多くする。これにより、水素含有ガスの流量の比率を上記と逆にする場合に比べて電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに低加湿の水素含有ガスを供給できるので、アノードＡＮでフラディングが発生する可能性を低減することができる。
【０１３６】
また、例えば、運転時には、水素含有ガス中の水蒸気凝縮時に発生する潜熱、および、電解質膜１１を流れる電流に応じたＩＲロスで発生する熱によって、電気化学式水素圧縮装置１００の運転時間の経過とともに電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度が上昇する。このとき、一例として、熱交換器１１０を経由する水素含有ガスの流量を、バイパス路１１６に流れる水素含有ガスの流量よりも少なくする。これにより、水素含有ガスの流量の比率を上記と逆にする場合に比べて電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに高加湿の水素含有ガスを供給できるので、電解質膜１１でドライアップが発生する可能性を低減することができる。
【０１３７】
なお、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度は、熱電対、サーミスタなどの適宜の温度検知器（図示せず）により検知してもよいし、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に相関するパラメータにより検知してもよい。このようなパラメータとして、例えば、上記のとおり、電気化学式水素圧縮装置１００の運転時間などを挙げることができる。
【０１３８】
本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第２実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１３９】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１４０】
図６に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００と、熱交換器１１０と、アノードガス供給路２９と、冷却機構１１７と、制御器５０と、を備える。
【０１４１】
ここで、電気化学式水素圧縮装置１００および熱交換器１１０は第１実施形態と同様である。
【０１４２】
冷却機構１１７は、アノードガス供給路２９を流れる水素含有ガスを冷却する冷却器１１７Ａを含む。つまり、冷却器１１７Ａは、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａを通過後、熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂに流入する前の水素含有ガスを冷却する装置である。具体的には、冷却器１１７Ａは、熱交換器１１０の１次側の流路１１０Ａのガス流出口と熱交換器１１０の２次側の流路１１０Ｂのガス流入口との間のアノードガス供給路２９に設けられている。
【０１４３】
冷却器１１７Ａは、上記の水素含有ガスを冷却する冷却機能を備える装置であれば、どのような構成であってもよい。冷却器１１７Ａは、例えば、放熱フィンなどを備える放熱器であってもよい。放熱フィンは、例えば、断熱材で覆われていない、アノードガス供給路２９を構成する配管に設けられていてもよい。また、冷却器１１７Ａは、例えば、空冷式の冷却器でもよいし、冷却液を用いる冷却器でもよい。前者の冷却器は、例えば、冷却ファン、冷却フィンなどを備える。後者の冷却器は、例えば、冷却液が流れる流路部材を備える。冷却液として、例えば、冷却水、不凍液などを用いることができる。
【０１４４】
制御器５０は、冷却器１１７Ａの出力が所望の出力となるように冷却器１１７Ａを制御する。
【０１４５】
なお、制御器５０は、水素システム２００の全体の動作を制御してもよい。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構わない。制御器５０は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示することができる。記憶回路として、例えば、メモリを例示することができる。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。
【０１４６】
熱交換器１１０および冷却機構１１７で除湿された水素含有ガスでも、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に対して加湿量が過剰であると、アノードＡＮで水素含有ガス中の水蒸気が凝縮する可能性がある。すると、凝縮水によりアノードＡＮでフラッディングが発生する可能性がある。例えば、冷却機構１１７で、アノードガス供給路２９が自然冷却される場合、外気温と水素含有ガスの温度との関係で、冷却機構１１７による水素含有ガスの除湿が不十分な場合がある。また、例えば、冬季の場合、夏季に比べて、起動時に、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度が低下しやすいので、熱交換器１１０および冷却機構１１７による水素含有ガスの除湿が不十分な場合がある。
【０１４７】
そこで、本実施形態の水素システム２００は、上記の冷却器１１７Ａを備えることで、熱交換器１１０および冷却機構１１７で除湿された水素含有ガスをさらに冷却および除湿することができる。よって、本実施形態の水素システム２００は、例えば、冬季に起動する場合、凝縮水によるフラッディングの発生を効果的に抑制することができる。
【０１４８】
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第２実施形態および第２実施形態の実施例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１４９】
（実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第３実施形態の水素システム２００と同様である。
【０１５０】
制御器５０は、電解質膜１１、アノードＡＮおよびカソードＣＡを含むセルの温度が上昇すると、冷却器１１７Ａの出力を低下させる。
【０１５１】
これにより、本実施例の水素システム２００は、冷却器１１７Ａの出力の制御により、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度上昇に追従するようにして、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
【０１５２】
例えば、起動時には、電気化学式水素圧縮装置１００の温度が室温であることが多い。このとき、一例として、冷却器１１７Ａの出力を低下させない。これにより、冷却器１１７Ａの出力を低下させる場合に比べて電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに低加湿の水素含有ガスを供給できるので、アノードＡＮでフラディングが発生する可能性を低減することができる。
【０１５３】
また、例えば、運転時には、水素含有ガス中の水蒸気凝縮時に発生する潜熱、および、電解質膜１１を流れる電流に応じたＩＲロスで発生する熱によって、電気化学式水素圧縮装置１００の運転時間の経過とともに電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度が上昇する。このとき、一例として、冷却器１１７Ａの出力を低下させる。これにより、冷却器１１７Ａの出力を低下させない場合に比べて電気化学式水素圧縮装置１００のアノードＡＮに高加湿の水素含有ガスを供給できるので、電解質膜１１でドライアップが発生する可能性を低減することができる。
【０１５４】
なお、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度は、熱電対、サーミスタなどの適宜の温度検知器（図示せず）により検知してもよいし、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの温度に相関するパラメータにより検知してもよい。このようなパラメータとして、例えば、上記のとおり、電気化学式水素圧縮装置１００の運転時間などを挙げることができる。
【０１５５】
本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第２実施形態、第２実施形態の実施例および第３実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１５６】
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１５７】
図７に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００と、熱交換器１１０と、アノードガス供給路２９と、冷却機構１１７と、加熱器１３０と、を備える。
【０１５８】
ここで、電気化学式水素圧縮装置１００、冷却機構１１７および熱交換器１１０は第１実施形態と同様である。つまり、図７に示す例では、冷却機構１１７において、アノードガス供給路２９は、自然冷却されている。
【０１５９】
加熱器１３０は、アノードガス供給路２９上に設けられ、熱交換器１１０で加熱された水素含有ガスを更に加熱する装置である。
【０１６０】
加熱器１３０は、このような水素含有ガスを加熱することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、加熱器１３０は、電気式の加熱装置であってもよいし、適宜の熱媒体による熱交換式の加熱装置であってもよい。
【０１６１】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、加熱器１３０を用いて水素含有ガスの温度を適切に上げることができる。よって、水素含有ガスが有する熱によって電気化学式水素圧縮装置１００のセルを所望の温度まで効果的に昇温することができ、その結果、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作の効率が向上する。
【０１６２】
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第２実施形態、第２実施形態の実施例、第３実施形態および第３実施形態の実施例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１６３】
なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第２実施形態、第２実施形態の実施例、第３実施形態、第３実施形態の実施例および第４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よい。
【０１６４】
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することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１６５】
本開示の一態様は、例えば、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る水素システムに利用することができる。
【符号の説明】
【０１６６】
１１      ：電解質膜
１２      ：カソード触媒層
１３      ：アノード触媒層
１４      ：カソードガス拡散層
１５      ：アノードガス拡散層
１６      ：カソードセパレーター
１７      ：アノードセパレーター
２１      ：絶縁体
２２Ａ    ：アノード給電板
２２Ｃ    ：カソード給電板
２３Ａ    ：アノード絶縁板
２３Ｃ    ：カソード絶縁板
２４Ａ    ：アノード端板
２４Ｃ    ：カソード端板
２５      ：締結器
２６      ：カソードガス排出路
２７      ：アノードガス導入マニホールド
２８      ：カソードガス導出マニホールド
２９      ：アノードガス供給路
３０      ：アノードガス導出マニホールド
３１      ：アノードガス排出路
３２      ：カソードガス流路
３３      ：アノードガス流路
３４      ：カソードガス通過経路
３５      ：第１アノードガス通過経路
３６      ：第２アノードガス通過経路
４０      ：シール部材
４２      ：シール部材
４３      ：シール部材
５０      ：制御器
１００    ：電気化学式水素圧縮装置
１００Ａ  ：水素ポンプユニット
１０２    ：電圧印加器
１１０    ：熱交換器
１１０Ａ  ：流路
１１０Ｂ  ：流路
１１１    ：凝縮水タンク
１１２    ：第１弁
１１３    ：第２弁
１１４    ：水素貯蔵器
１１５    ：流量制御器
１１６    ：バイパス路
１１７    ：冷却機構
１１７Ａ  ：冷却器
１２０    ：水素源
１３０    ：加熱器
２００    ：水素システム
ＡＮ      ：アノード
ＣＡ      ：カソード
【図１】
0006893310.tif 000002
【図２Ａ】
0006893310.tif 000003
【図２Ｂ】
0006893310.tif 000004
【図３Ａ】
0006893310.tif 000005
【図３Ｂ】
0006893310.tif 000006
【図４】
0006893310.tif 000007
【図５】
0006893310.tif 000008
【図６】
0006893310.tif 000009
【図７】
0006893310.tif 000010