(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、
前記アノードおよび前記カソードに電圧を印加する電圧印加器と、
前記カソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第１流路と、
前記第１流路に設けられた第１開閉弁と、
起動開始から前記カソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に前記第１開閉弁を開放させた状態で、前記電圧印加器に前記電圧を印加させる制御器と、を備える、水素システム。
【請求項２】
前記制御器は、前記電圧印加器による電圧の印加を開始した後、前記第１開閉弁を開放させる、請求項１に記載の水素システム。
【請求項３】
前記カソードオフガスを前記水素貯蔵器に供給するための第２流路と、
前記第２流路に設けられた、第２開閉弁と、を備え、
前記制御器は、前記第２開閉弁を開放する前に、前記第１開閉弁を開放させる、請求項１または２に記載の水素システム。
【請求項４】
前記第１流路は、前記第２流路より分岐している、請求項３に記載の水素システム。
【請求項５】
前記第１流路が分岐する箇所よりも下流の前記第２流路に第１逆止弁を備える、請求項４に記載の水素システム。
【請求項６】
前記アノード流体が、水素含有ガスであり、
前記第１流路は、前記水素含有ガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第３流路に接続される、請求項１−５のいずれか１項に記載の水素システム。
【請求項７】
前記第３流路に合流する箇所よりも上流の第１流路に、前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第２逆止弁を備える、請求項６に記載の水素システム。
【請求項８】
前記第１流路が合流する箇所よりも上流の第３流路に、前記圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第３逆止弁を備える、請求項６または７に記載の水素システム。
【請求項９】
前記アノード流体が、水素含有ガスであり、
原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成器を備え、
前記第１流路は、前記水素生成器に接続されている、請求項１−８のいずれか１項に記載の水素システム。
【請求項１０】
前記水素生成器に改質反応のための反応物を供給する反応物流路を備え、
前記第１流路は、前記反応物流路に合流する、請求項９に記載の水素システム。
【請求項１１】
前記第１流路が合流する箇所よりも上流の前記反応物流路に前記水素生成器に供給される反応物の流れの向きと逆向きの流れを防止する第４逆止弁を備える、請求項１０に記載の水素システム。
【請求項１２】
前記反応物は、前記原料である、請求項１０または１１に記載の水素システム。
【請求項１３】
前記アノードに供給されるアノード流体が流れ、かつ前記第１流路と合流する第３流路と、前記第１流路が合流する箇所よりも上流の第３流路に設けられた、第３開閉弁と、を備え、
前記制御器は、前記第１開閉弁を開放させ、かつ第３開閉弁を閉止させた状態で、
前記電圧印加器に電圧を印加させる、請求項１−１２のいずれか１項に記載の水素システム。
【請求項１４】
前記アノード流体が、水素含有ガスであり、
水素含有ガス中の水素濃度を高めるための水素精製器を備え、
前記第１流路は、前記水素精製器に接続されている、請求項１−８のいずれか１項に記載の水素システム。
【請求項１５】
圧縮機のアノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、
起動開始から前記圧縮機のカソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給開始するまでの間に、前記カソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第１流路に設けられた第１開閉弁を開放した状態で、前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加するステップと、を備える、水素システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は水素システムおよび水素システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球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生成せず、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、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用することが可能な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促進には、水素供給インフラを整備する必要があるので、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、高密度貯蔵する様々な検討が行われている。【０００４】
例えば、特許文献１には、アノードおよびカソード間に電解質膜が設けられ、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、水素の精製および昇圧が行われる水素精製昇圧システムが記載されている。なお、アノード、電解質膜およびカソードの積層構造体を膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。また、特許文献１には、水素精製昇圧システムの停止時に、システム中に残存するガスを窒素でパージすることが開示されている。【０００５】
ここで、例えば、燃料電池車で使用する水素ガスは、一般的に、数十ＭＰａの高圧で車内の水素タンクに充填される。このとき、燃料電池車の水素タンクに充填するための水素ガスの純度は、国際規格（ＩＳＯ１４６８７−２）において、水素純度が９９．９７％以上であることが規定されるととともに、各不純物の上限値が定められている。【０００６】
そこで、特許文献２では、水素製造モード開始時に、圧縮部から充填部に高純度の水素ガスを充填するための方法が提案されている。具体的には、特許文献２には、段落［００４３］および段落［００４４］に記載の如く、カソードの圧縮水素を充填部に供給する前に、イオンポンプを動作させながらカソードオフガスをアノードオフガスとともに触媒燃焼器に供給し、燃焼処理することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第６２９９０２７号公報
【特許文献２】特開２００９−１２３４３２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、従来よりも水素圧縮の効率が向上し得る水素システムおよび水素システムの運転方法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】
本開示の一態様(aspect)の水素システムは、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前記アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、前記アノードおよび前記カソードに電圧を印加する電圧印加器と、前記カソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第１流路と、前記第１流路に設けられた第１開閉弁と、起動開始から前記カソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に前記第１開閉弁を開放させた状態で、前記電圧印加器に前記電圧を印加させる制御器と、を備える。【００１０】
本開示の一態様の水素システムの運転方法は、圧縮機のアノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、起動開始から前記圧縮機のカソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給開始するまでの間に、前記カソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第１流路に設けられた第１開閉弁を開放した状態で、前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加するステップと、を備える。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の一態様の水素システムおよび水素システムの運転方法は、従来よりも水素圧縮の効率が向上し得る、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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２】図２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３】図３は、第２実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。
【図４】図４は、第２実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。
【図５】図５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６】図６は、第３実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。
【図７】図７は、第３実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。
【図８】図８は、第３実施形態の第３変形例の水素システムの一例を示す図である。
【図９】図９は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【図１０】図１０は、第４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１１】図１１は、第４実施形態の変形例の水素システムの一例を示す図である。
【図１２】図１２は、第５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】
【００１３】
特許文献１では、水素精製昇圧システムを起動する際、不純物を含むカソードオフガスを水素タンクに供給することで、水素タンク内の水素の純度が、上記の国際規格を満たさない場合がある。
【００１４】
具体的には、例えば、電解質膜には、一般的に、固体高分子膜が使用されており、固体高分子膜は、完全な緻密膜ではない。このため、電解質膜を挟んで配置されるアノードおよびカソードのそれぞれに存在するガスの組成（例えば、不純物成分のガス濃度）が異なると、かかるガスの濃度に起因する化学ポテンシャル差を駆動力として、不純物および水素が、電解質膜を介して相互拡散（クロスリーク）し、最終的にはアノードおよびカソードのガスの組成が同一となる。なお、電解質膜を介してクロスリークするガスの速度は、電解質膜の素材および膜厚に依存する。
【００１５】
また、水素精製昇圧システムは下記のアノードおよびカソードの反応によって、電圧をアノードおよびカソード間に印加し、電気化学的に水素をアノード側からカソード側に選択的に移動させ、カソード側を封止することで、水素精製昇圧をすることができる。
【００１６】
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧）
水素精製昇圧システムの水素圧縮動作中は、上述のように、電気化学的にアノードからカソードに選択的に移動する水素量が、クロスリークによってカソードからアノードに移動する水素量およびアノードからカソードに移動する不純物の量に比べて十分に大きいため、アノード中の水素含有ガス中に不純物が含まれていたとしても、カソードガス中の水素は、高純度に維持される。これに対して、水素精製昇圧システムの水素圧縮動作の停止中は、アノードからカソードに電気化学的に水素が移動しないので、アノード中の水素含有ガス中に不純物が含まれていた場合、クロスリークによって、アノードからカソードへの不純物の移動またはカソードからアノードへの水素の移動による影響が大きくなり、カソードガス中の水素純度が低下する。この場合、水素精製昇圧システムを起動する際、カソードオフガスをそのまま、水素貯蔵器に供給すると、水素貯蔵器内の水素の純度が低下する可能性がある。
【００１７】
また、例えば、水素精製昇圧システムの水素圧縮動作の停止中に、仮に、カソード内のガス圧力が外気圧以下になると、外部からカソード内に不純物が混入する可能性がある。この場合も、水素精製昇圧システムを起動する際、カソードオフガスをそのまま、水素貯蔵器に供給すると、水素貯蔵器内の水素の純度が低下する可能性がある。
【００１８】
ここで、特許文献２に開示された発明は、水素貯蔵器に供給される水素の純度低下は抑制されるが、カソードガスを燃焼処理してシステム外に排気しているため、水素圧縮の効率が低下するという問題がある。
【００１９】
そこで、本開示者らは、このような状況に鑑みて鋭意検討した結果、起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に、不純物を含むカソードオフガスを圧縮機のアノードに供給しながら、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、以上の問題を軽減できることを見出して、以下の本開示の一態様に想到した。
【００２０】
すなわち、本開示の第１態様の水素システムは、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アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンをカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、アノードおよびカソードに電圧を印加する電圧印加器と、カソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを圧縮機のアノードに供給するための第１流路と、第１流路に設けられた第１開閉弁と、起動開始から前記カソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁を開放させた状態で、電圧印加器に上記電圧を印加させる制御器と、を備える。
【００２１】
かかる構成によると、本態様の水素システムは従来よりも水素圧縮の効率が向上し得る。
【００２２】
具体的には、例えば、水素システムの水素圧縮動作の停止中は、アノードからカソードに電気化学的に水素が移動しないので、アノードおよびカソードのそれぞれに存在する不純物のガス濃度に起因する化学ポテンシャル差が小さくなるような不純物クロスリークの影響が大きくなる。この場合、水素システムを起動する際、カソードオフガスをそのまま、水素貯蔵器に供給すると、水素貯蔵器内の水素の純度が低下する可能性がある。
【００２３】
また、例えば、水素システムの水素圧縮動作の停止中に、仮に、カソード内のガス圧力が外気圧以下になると、外部からカソード内に不純物が混入する可能性がある。この場合も、水素システムを起動する際、カソードオフガスをそのまま、水素貯蔵器に供給すると、水素貯蔵器内の水素の純度が低下する可能性がある。
【００２４】
しかし、本態様の水素システムは、起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁を開放させた状態で、電圧印加器に上記電圧を印加させることにより、アノードに供給された、不純物を含むカソードオフガス中の水素が電気化学反応により再度カソードに供給される。これにより、本態様の水素システムは、水素貯蔵器に供給するカソードオフガス中の水素を高純度化させることができる。
【００２５】
そして、本態様の水素システムは、不純物を含むカソードオフガスがアノードに供給される水素含有ガスとして有効に再利用されるので、カソードオフガスを、例えば、特許文献２の如く燃焼処理することで、システム外に排気する場合に比べ、水素システムの効率が向上する。
【００２６】
また、本態様の水素システムは、起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁を開放させた状態で、電圧印加器によりアノードおよびカソードに電圧を印加することで、かかる電圧を印加しない場合に比べて、カソード内のガス圧力を昇圧することができる。これにより、本態様の水素システムは、水素システムを起動する際に、不純物を含むカソードオフガスをカソードからアノードに供給しやすくなる。
【００２７】
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、制御器は、電圧印加器による電圧の印加を開始した後、第１開閉弁を開放させてもよい。
【００２８】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、電圧印加器による上記電圧の印加を開始する前に第１開閉弁を開放する場合に比べて、不純物を含むカソードオフガスを圧縮機のアノードに適切に供給することができる。例えば、起動開始時に、仮に、カソード内のガス圧力がアノード内のガス圧以下の場合でも、アノードおよびカソードに電圧を印加することで、カソード内のガス圧力を昇圧することができる。よって、本態様の水素システムは、水素システムを起動する際に、不純物を含むカソードオフガスをカソードからアノードに供給しやすくなる。
【００２９】
本開示の第３態様の水素システムは、第１態様または第２態様の水素システムにおいて、カソードオフガスを水素貯蔵器に供給するための第２流路と、第２流路に設けられた、第２開閉弁と、を備え、制御器は、第２開閉弁を開放する前に、第１開閉弁を開放させてもよい。
【００３０】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第２開閉弁の開放に先立って、第１開閉弁を開放させることで、第１開閉弁および第２開閉弁を同時に開放する場合、および、第１開閉弁および第２開閉弁の開放タイミングを逆にする場合に比べて、不純物を含むカソードオフガスの水素貯蔵器への供給を抑制することができる。
【００３１】
本開示の第４態様の水素システムは、第３態様の水素システムにおいて、第１流路は、第２流路より分岐していてもよい。
【００３２】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、圧縮機において、カソードからカソードオフガスを排出するための箇所を集約することができる。
【００３３】
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、第１流路が分岐する箇所よりも下流の第２流路に第１逆止弁を備えてもよい。
【００３４】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第１流路が分岐する箇所よりも下流の第２流路に第１逆止弁を設けることで、起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放しても、第１流路を通過する水素量を適量に制限することができる。
【００３５】
例えば、カソードで生成される高圧の水素を、第２流路を通じて水素貯蔵器に供給する場合、第２流路に第１逆止弁を設けないと、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第２流路および第１流路の順に、これらの流路を通じて移動する可能性があるが、本態様の水素システムは、第１流路が分岐する箇所よりも下流の第２流路に第１逆止弁を設けることで、このような可能性を低減することができる。これにより、圧縮機の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
【００３６】
ここで、第２流路に設けられた第２開閉弁を閉めることで、水素貯蔵器内の水素が第１流路に逆流することを制限可能である。しかし、仮に、この第２開閉弁で動作不良が起きると、第１流路への水素の逆流を制限しにくくなる。
【００３７】
これに対して、本態様の水素システムは、構造がシンプルな第１逆止弁を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
【００３８】
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、アノード流体が、水素含有ガスであり、第１流路は、水素含有ガスを圧縮機のアノードに供給するための第３流路に接続されていてもよい。
【００３９】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、電気化学式水素ポンプのカソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを第１流路および第３流路を通じてアノードに供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本態様の水素システムは、不純物を含むカソードオフガスがアノードに供給される水素含有ガスとして有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システムの効率が向上する。
【００４０】
本開示の第７態様の水素システムは、第６態様の水素システムにおいて、第３流路に合流する箇所よりも上流の第１流路に、圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第２逆止弁を備えてもよい。
【００４１】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第１流路に第２逆止弁を設けることで、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、仮に、カソード内のガス圧力が第３流路を流れる水素含有ガスの供給圧より小さくても、第３流路を流れる水素純度が低い水素含有ガスがカソードへ逆流することを抑制することができる。
【００４２】
本開示の第８態様の水素システムは、第６態様または第７態様の水素システムにおいて、第１流路が合流する箇所よりも上流の第３流路に、圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第３逆止弁を備えてもよい。
【００４３】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第３流路に第３逆止弁を設けることで、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、カソードからアノードに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、第３流路に第３逆止弁を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
【００４４】
ここで、第３流路に設けられた適宜の開閉弁を閉めることで、低圧仕様のアノードガス供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を抑制しにくくなる。
【００４５】
これに対して、本態様の水素システムは、構造がシンプルな第３逆止弁を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
【００４６】
本開示の第９態様の水素システムは、第１態様から第８態様のいずれか一つの水素システムにおいて、アノード流体が、水素含有ガスであり、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する水素生成器を備え、第１流路は、水素生成器に接続されていてもよい。
【００４７】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、電気化学式水素ポンプのカソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを、第１流路を通じて水素生成器に供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本態様の水素システムは、不純物を含むカソードオフガス中の水素が水素生成器で有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システムの効率が向上する。
【００４８】
本開示の第１０態様の水素システムは、第９態様の水素システムにおいて、水素生成器に改質反応のための反応物を供給する反応物流路を備え、第１流路は、反応物流路に合流してもよい。
【００４９】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、電気化学式水素ポンプのカソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを第１流路および反応物流路を通じて水素生成器に供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本態様の水素システムは、不純物を含むカソードオフガスを反応物に混合することで、カソードオフガス中の水素が水素生成器で有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システムの効率が向上する。
【００５０】
本開示の第１１態様の水素システムは、第１０態様の水素システムにおいて、第１流路が合流する箇所よりも上流の反応物流路に水素生成器に供給される反応物の流れの向きと逆向きの流れを防止する第４逆止弁を備えてもよい。
【００５１】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、反応物流路に第４逆止弁を設けることで、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、カソードから水素生成器に供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様の反応物供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、反応物流路に第４逆止弁を設けない場合に比べて、反応物供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
【００５２】
ここで、反応物流路に設けられた適宜の開閉弁を閉めることで、低圧仕様の反応物供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を抑制しにくくなる。
【００５３】
これに対して、本態様の水素システムは、構造がシンプルな第４逆止弁を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
【００５４】
本開示の第１２態様の水素システムは、第１０態様または第１１態様の水素システムにおいて、反応物は、原料であってもよい。
【００５５】
本開示の第１３態様の水素システムは、第１態様から第１２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アノード流体が流れ、かつ第１流路と合流する第３流路と、第１流路が合流する箇所よりも上流の第３流路に設けられた、第３開閉弁と、を備え、制御器は、第１開閉弁を開放させ、かつ第３開閉弁を閉止させた状態で、電圧印加器に電圧を印加させてもよい。
【００５６】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁を開放させ、かつ第３開閉弁を閉止させた状態で、電圧印加器に上記電圧を印加させることにより、アノードに供給された、不純物を含むカソードオフガス中の水素が電気化学反応によりカソードに供給される。これにより、本態様の水素システムは、水素貯蔵器に供給するカソードオフガス中の水素を高純度化させることができる。そして、本態様の水素システムは、不純物を含むカソードオフガスがアノードに供給される水素含有ガスとして有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システムの効率が向上する。
【００５７】
また、本態様の水素システムは、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、第３流路に設けられた第３開閉弁を閉止することで、カソードからアノードに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、第３開閉弁を閉止しない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
【００５８】
本開示の第１４態様の水素システムは、第１態様から第８態様のいずれか一つの水素システムにおいて、アノード流体が、水素含有ガスであり、水素含有ガス中の水素濃度を高めるための水素精製器を備え、第１流路は、水素精製器に接続されていてもよい。
【００５９】
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第１流路に設けられた第１開閉弁を開放する際に、電気化学式水素ポンプのカソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを、第１流路を通じて水素精製器に供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本態様の水素システムは、不純物を含むカソードオフガス中の水素が水素精製器で有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システムの効率が向上する。
【００６０】
本開示の第１５態様の水素システムの運転方法は、圧縮機のアノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、起動開始から圧縮機のカソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給開始するまでの間に、カソードオフガスを圧縮機のアノードに供給するための第１流路に設けられた第１開閉弁を開放した状態で、アノードおよびカソード間に電圧を印加するステップと、を備える。
【００６１】
以上により、本態様の水素システムの運転方法は、従来よりも水素圧縮の効率が向上し得る。なお、本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果の詳細は、第１態様の水素システムと同様であるので説明を省略する。
【００６２】
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。なお、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、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、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、上記の各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。
【００６３】
（第１実施形態）
上記圧縮装置のアノード流体は、アノードにおける酸化反応でプロトンを生成する流体であれば、様々な種類のガス、液体が想定される。
【００６４】
例えば、圧縮装置が電気化学式水素ポンプである場合、アノード流体として、水素含有ガスを挙げることができる。この場合、アノード触媒層で、水素含有ガス中の水素（Ｈ２）の酸化反応が行われる。
【００６５】
また、例えば、圧縮装置が水電解装置である場合、アノード流体として、液水を挙げることができる。この場合、アノード触媒層で、水の電気分解反応が行われる。
【００６６】
そこで、以下の本開示の実施形態では、アノード流体が水素含有ガスである場合において、圧縮装置の一例である電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。
【００６７】
［装置構成］
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。
【００６８】
図１に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第１開閉弁１１と、電圧印加器３１と、制御器５０と、を備える。
【００６９】
電気化学式水素ポンプ１００のセル（ＭＥＡ）は、電解質膜３０と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、このようなセルを複数個、積層したスタックを備えてもよい。なお、スタックの詳細は後で説明する。
【００７０】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜３０を挟んで配置されるアノードＡＮとカソードＣＡの間に電圧を印加することによってアノードＡＮに供給される水素含有ガスから取り出されたプロトンをカソードＣＡに移動させ、圧縮水素を生成する装置である。上記水素含有ガスは、例えば、水の電気分解で生成された水素ガスであってもよいし、炭化水素原料の改質反応で生成された改質ガスであってもよい。なお、上記電圧を印加するための電圧印加器３１の詳細は、後で説明する。
【００７１】
アノードＡＮは、電解質膜３０の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含む電極である。カソードＣＡは、電解質膜３０の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含む電極である。これにより、電解質膜３０は、アノード触媒層およびカソード触媒層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。
【００７２】
電解質膜３０はプロトン伝導性を備える膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜３０として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系電解質膜などを挙げることができる。具体的には、電解質膜３０として、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができるが、これらに限定されない。
【００７３】
アノード触媒層は、電解質膜３０の一方の主面に設けられている。アノード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
【００７４】
カソード触媒層は、電解質膜３０の他方の主面に設けられている。カソード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
【００７５】
カソード触媒層もアノード触媒層も、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が、特に限定されない。例えば、カーボン系粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、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。カーボン担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。白金などの触媒金属のカーボン担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
【００７６】
カソードガス拡散層は、カソード触媒層上に設けられている。カソードガス拡散層は、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。カソードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ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。カソードガス拡散層の基材として、例えば、カーボン繊維焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。
【００７７】
アノードガス拡散層は、アノード触媒層上に設けられている。アノードガス拡散層は、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。アノードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、上記の差圧による電解質膜３０の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。アノードガス拡散層の基材として、例えば、カーボン粒子焼結体、白金などの貴金属でコーティングしたチタン粒子焼結体などを使用することができるが、これらに限定されない。
【００７８】
ここで、図１には示されていないが、水素システム２００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。
【００７９】
例えば、一対のセパレータのそれぞれが、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれを外側から挟んでいてもよい。この場合、アノードＡＮに接触するセパレータは、アノードＡＮに水素含有ガスを供給するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、アノードＡＮに供給する水素含有ガスが流れるサーペンタイン状のガス流路を備える。カソードＣＡに接触するセパレータは、カソードＣＡから水素を導出するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、カソードＣＡから導出した水素が流れるガス流路を備える。
【００８０】
また、電気化学式水素ポンプ１００では、通常、高圧の水素が外部へリークしないように、セルの両側からガスケットなどのシール材が設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のセルと一体化して予め組み立てられる。そして、このセルの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するセル同士を互いに電気的に直列に接続するための上記のセパレータが配置されている。
【００８１】
セルとセパレータを交互に重ねて、セルを１０〜２００個程度、積層して、その積層体（スタック）を、集電板および絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層構造である。なお、この場合、セパレータのそれぞれのガス流路に適量の水素含有ガスを供給するには、セパレータのそれぞれにおいて、適宜の管路から溝状の分岐経路を分岐させ、これらの下流端が、セパレータのそれぞれのガス流路に連結するように構成する必要がある。このような管路のことをマニホールドといい、このマニホールドは、例えば、スタックを構成する部材のそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。
【００８２】
さらに、水素システム２００には、セルの温度を検知する温度検知器、セルの温度を調整する温度調整器、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を調整する露点調整器などが設けられていてもよい。
【００８３】
なお、以上の図示しない部材および機器は例示であって、本例に限定されない。
【００８４】
次に、本実施形態の水素システム２００の流路構成について説明する。
【００８５】
第１流路１は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路である。第１流路１の上流端は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第１流路１の上流端は、例えば、カソードオフガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。第１流路１の下流端は、カソードＣＡからアノードＡＮにカソードガスを供給することができれば、いずれの箇所に接続していてもよい。第１流路１の下流端は、例えば、アノードＡＮに連通する適宜の箇所に接続していてもよい。かかる接続構成の具体例は、第３実施形態、第４実施形態および第５実施形態で説明する。
【００８６】
なお、水素貯蔵器として、例えば、水素タンクを挙げることができる。水素貯蔵器は、水素吸蔵合金などの水素貯蔵材を用いずに水素を直接容器に充填して貯蔵する形態であってもよいし、水素吸蔵合金などの水素貯蔵材を収納する容器に水素を貯蔵する形態であってもよい。
【００８７】
第１開閉弁１１は、第１流路１に設けられた弁である。第１開閉弁１１は、第１流路１を開閉することができれば、どのような構成であってもよい。第１開閉弁１１として、例えば、窒素ガスなどで駆動する駆動弁または電磁弁などを用いることができるが、これらに限定されない。
【００８８】
電圧印加器３１は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する装置である。電圧印加器３１は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することができれば、どのような構成であってもよい。図１に示す例では、電圧印加器３１の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器３１の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。電圧印加器３１として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器３１が、太陽電池、燃料電池、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられる。ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器３１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３１は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のセルに供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ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。
【００８９】
このようにして、水素システム２００は、電圧印加器３１を用いて、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電が行われる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器３１が、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素を、カソードＣＡに移動させ、圧縮水素を生成することができる。
【００９０】
制御器５０は、起動開始から上記カソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁１１を開放させた状態で、電圧印加器３１に上記電圧を印加させる。また、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。ここで、「起動開始」とは、水素システム２００の起動が開始されることを意味しており、例えば、ユーザーが適宜の起動操作を行うことで水素システム２００の起動が開始されてもよいし、所定の起動予定時刻で水素システム２００の起動が自動的に開始されてもよい。
【００９１】
第１開閉弁１１の開放タイミングおよび開放インターバルは、水素システム２００の起動開始から上記カソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間であれば、どのように設定されていてもよい。
【００９２】
例えば、第１流路１の下流端は、適宜のガス供給流路に接続している場合、カソードＣＡ内のガス圧力が、ガス供給流路との接続箇所のガス圧よりも高圧であれば、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の電圧印加を行わずに、第１開閉弁１１が開放されてもよい。逆に、カソードＣＡ内のガス圧力が、ガス供給流路との接続箇所のガス圧以下であれば、アノードＡＮおよびカソードＣＡに電圧を印加することで、カソード内のガス圧力を昇圧した後、第１開閉弁１１が開放される。
【００９３】
制御器５０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００９４】
［動作］
以下、水素システム２００の水素圧縮動作の一例について、図面を参照しながら説明する。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から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、その一部の動作を行ってもよい。
【００９５】
水素システム２００の起動開始以降の適時のタイミングにおいて、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧および高湿度の水素含有ガスが供給されるとともに、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の電圧が印加される。なお、水素システム２００の起動開始時には、第１開閉弁１１は閉止している。
【００９６】
すると、アノードＡＮのアノード触媒層において、水素分子がプロトンと電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜３０内を伝導してカソード触媒層に移動する。電子は電圧印加器３１を通じてカソード触媒層に移動する。
【００９７】
そして、カソード触媒層において、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３０中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
【００９８】
このとき、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される圧縮水素を含むカソードオフガスが、カソードオフガス流路を通じて水素貯蔵器に供給される場合、カソードオフガス供給流路に設けられた開閉弁などを用いて、カソードオフガス供給流路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで水素を圧縮することができる。ここで、カソードオフガス流路の圧損を増加させるとは、上記開閉弁の開度を小さくすることに対応する。
【００９９】
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、水素システム２００において、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスから取り出されたプロトンを、電解質膜３０を介してカソードＣＡに移動させ、圧縮水素を生成する動作が行われる。
【０１００】
ここで、本実施形態の水素システム２００では、水素システム２００の起動開始から電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給開始するまでの間に、上記圧縮水素を含むカソードオフガスをアノードＡＮに供給するための第１流路１に設けられた第１開閉弁１１を開放した状態で、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加する動作が行われる。
【０１０１】
以上により、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給する前に、所望量のカソードオフガスをアノードＡＮに放出することができる。
【０１０２】
例えば、第１流路１の下流端が、適宜のガス供給流路に接続する場合、カソードＣＡ内のガス圧が、ガス供給流路との接続箇所のガス圧よりも高圧であれば、アノードＡＮおよびカソードＣＡに電圧を印加する前に、第１開閉弁１１が一時的に開放される。逆に、カソードＣＡ内のガス圧が上記接続箇所のガス圧以下であれば、アノードＡＮおよびカソードＣＡに電圧を印加することで、カソード内のガス圧力を昇圧した後、第１開閉弁１１が一時的に開放される。
【０１０３】
以上により、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給する前に、所望量のカソードオフガスをガス供給流路に放出することができる。
【０１０４】
その後、第１開閉弁１１が閉止された後、水素貯蔵器でカソードオフガス中の水素が一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、適時に、水素需要体に供給される。水素需要体として、例えば、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
【０１０５】
以上のとおり、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、従来よりも水素圧縮の効率が向上し得る。
【０１０６】
具体的には、例えば、水素システム２００の水素圧縮動作の停止中は、アノードＡＮからカソードＣＡに電気化学的に水素が移動しないので、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれに存在する不純物のガス濃度に起因する化学ポテンシャル差が小さくなる不純物クロスリークの影響が大きくなる。この場合、水素システム２００を起動する際、カソードオフガスをそのまま、水素貯蔵器に供給すると、水素貯蔵器内の水素の純度が低下する可能性がある。なお、このような不純物として、例えば、アノードＡＮに存在する改質ガス中の二酸化炭素ガスなどを挙げることができる。
【０１０７】
また、例えば、水素システム２００の水素圧縮動作の停止中に、仮に、カソードＣＡ内のガス圧力が外気圧以下になると、外部からカソード内に不純物が混入する可能性がある。この場合も、水素システム２００を起動する際、カソードオフガスをそのまま、水素貯蔵器に供給すると、水素貯蔵器内の水素の純度が低下する可能性がある。なお、このような不純物として、例えば、大気中の窒素ガスなどを挙げることができる。
【０１０８】
しかし、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、水素システム２００の起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁１１を開放させた状態で、電圧印加器３１に上記電圧を印加させることにより、アノードＡＮに供給された、不純物を含むカソードオフガス中の水素が電気化学反応によりカソードＣＡに供給される。これにより、本実施形態の水素システム２００は、水素貯蔵器に供給するカソードオフガス中の水素を高純度化させることができる。
【０１０９】
そして、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、不純物を含むカソードオフガスがアノードＡＮに供給される水素含有ガスとして有効に再利用されるので、カソードオフガスを、例えば、特許文献２の如く燃焼処理することで、システム外に排気する場合に比べ、水素システム２００の効率が向上する。
【０１１０】
また、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁１１を開放させた状態で、電圧印加器３１によりアノードＡＮおよびカソードＣＡに電圧を印加することで、かかる電圧を印加しない場合に比べて、カソードＣＡ内のガス圧力を昇圧することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、水素システム２００を起動する際に、不純物を含むカソードオフガスをカソードＣＡからアノードＡＮに供給しやすくなる。
【０１１１】
（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１実施形態と同様である。
【０１１２】
制御器５０は、電圧印加器３１による上記電圧の印加を開始した後、第１開閉弁１１を開放させる。
【０１１３】
以上により、本実施例の水素システム２００は、電圧印加器３１による上記電圧の印加を開始する前に第１開閉弁１１を開放する場合に比べて、不純物を含むカソードオフガスをカソードＣＡからアノードＡＮに適切に供給することができる。例えば、水素システム２００の起動開始時に、仮に、カソードＣＡ内のガス圧力が、アノードＡＮのガス圧以下の場合でも、アノードＡＮおよびカソードＣＡに電圧を印加することで、カソードＣＡ内のガス圧力を昇圧することができる。よって、本実施例の水素システム２００は、水素システム２００を起動する際に、不純物を含むカソードオフガスをカソードＣＡからアノードＡＮに供給しやすくなる。
【０１１４】
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。
【０１１５】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１１６】
図２に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１と、第２流路２と、第１開閉弁１１と、第２開閉弁１２と、制御器５０と、を備える。
【０１１７】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１、第１流路１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１１８】
第２流路２は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給するための流路である。第２流路２の上流端は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第２流路２の上流端は、例えば、カソードオフガス導出用のマニホールドに連通していてもよいが、これに限定されない。第２流路の上流端の接続箇所の他の例は、第１変形例で説明する。
【０１１９】
第２開閉弁１２は、第２流路２に設けられた弁である。第２開閉弁１２は、第２流路２を開閉することができれば、どのような構成であってもよい。第２開閉弁１２として、例えば、窒素ガスなどで駆動する駆動弁または電磁弁などを用いることができるが、これらに限定されない。
【０１２０】
制御器５０は、第２開閉弁１２を開放する前に、第１開閉弁１１を開放させる。
【０１２１】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、第２開閉弁１２の開放に先立って、第１開閉弁１１を開放することで、第１開閉弁１１および第２開閉弁１２を同時に開放する場合、および、第１開閉弁１１および第２開閉弁１２の開放タイミングを逆にする場合に比べて、不純物を含むカソードオフガスの水素貯蔵器への供給を抑制することができる。
【０１２２】
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。
【０１２３】
（第１変形例）
図３は、第２実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。
【０１２４】
図３に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ａと、第２流路２Ａと、第１開閉弁１１と、第２開閉弁１２と、制御器５０と、を備える。
【０１２５】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第２開閉弁１２は、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１２６】
第１流路１Ａは、第２流路２Ａから分岐している。つまり、第１流路１Ａが分岐する箇所Ｂよりも下流の第１流路１Ａに第１開閉弁１１が設けられ、第１流路１Ａが分岐する箇所Ｂよりも下流の第２流路２Ａに第２開閉弁１２が設けられている。なお、第２流路２Ａは、上記のとおり、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを水素貯蔵器に供給するように延伸している。
【０１２７】
以上により、本変形例の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００において、カソードＣＡからカソードオフガスを排出するための箇所を集約することができる。
【０１２８】
本変形例の水素システム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。
【０１２９】
（第２変形例）
図４は、第２実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。
【０１３０】
図４に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１Ａと、第２流路２Ａと、第１開閉弁１１と、第２開閉弁１２と、第１逆止弁２１と、制御器５０と、を備える。
【０１３１】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第２開閉弁１２は、第２実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１流路１Ａおよび第２流路２Ａは、第２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。
【０１３２】
第１逆止弁２１は、第１流路１Ａが分岐する箇所Ｂよりも下流の第２流路２Ａに設けられた弁である。なお、図４に示す例では、第１逆止弁２１は、第２開閉弁１２よりも上流の第２流路２Ａに設けられているが、これに限定されない。例えば、両者の配置位置が逆であってもよい。かかる第１逆止弁２１は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
【０１３３】
以上により、本変形例の水素システム２００は、第１流路１Ａが分岐する箇所Ｂよりも下流の第２流路２Ａに第１逆止弁２１を設けることで、水素システム２００の起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に、第１流路１Ａに設けられた第１開閉弁１１を開放しても、第１流路１Ａを通過する水素量を適量に制限することができる。
【０１３４】
例えば、カソードＣＡで生成される高圧の水素を、第２流路２Ａを通じて水素貯蔵器に供給する場合、第２流路２Ａに第１逆止弁２１を設けないと、第１流路１Ａに設けられた第１開閉弁１１を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第２流路２Ａおよび第１流路１Ａの順に、これらの流路を通じて移動する可能性があるが、本態様の水素システムは、第１流路１Ａが分岐する箇所Ｂよりも下流の第２流路２Ａに第１逆止弁２１を設けることで、このような可能性を低減することができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
【０１３５】
ここで、第２流路２Ａに設けられた第２開閉弁１２を閉めることで、水素貯蔵器内の水素が第１流路１Ａに逆流することを制限可能である。しかし、仮に、この第２開閉弁１２で動作不良が起きると、第１流路１Ａへの水素の逆流を制限しにくくなる。
【０１３６】
これに対して、本変形例の水素システム２００は、構造がシンプルな第１逆止弁２１を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
【０１３７】
本変形例の水素システム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実施形態および第２実施形態の第１変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１３８】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１３９】
図５に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｂと、第３流路３と、第１開閉弁１１と、制御器５０と、を備える。
【０１４０】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１４１】
第１流路１Ｂは、水素含有ガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための第３流路３に接続されている。つまり、第１流路１Ｂは、第１流路１Ｂが第３流路３と合流する箇所Ｃ１にまで延伸している。
【０１４２】
第３流路３の下流端は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第３流路３の下流端は、例えば、水素含有ガス導入用のマニホールドに連通していてもよい。また、第３流路３の上流端は、例えば、水素含有ガス供給源に接続していてもよい。なお、水素含有ガス供給源として、例えば、水素生成器（例えば、改質器または水電解装置）、水素タンク、水素インフラなどを挙げることができる。
【０１４３】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、第１流路１Ｂに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを第１流路１Ｂおよび第３流路３を通じてアノードＡＮに供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本実施形態の水素システム２００は、不純物を含むカソードオフガスがアノードＡＮに供給する水素含有ガスとして有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システム２００の効率が向上する。
【０１４４】
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実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１４５】
（第１変形例）
図６は、第３実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。
【０１４６】
図６に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｂと、第３流路３と、第１開閉弁１１と、第２逆止弁２２と、制御器５０と、を備える。
【０１４７】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１流路１Ｂおよび第３流路３は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１４８】
第２逆止弁２２は、第３流路３に合流する箇所Ｃ１よりも上流の第１流路１Ｂに設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。なお、図６に示す例では、第２逆止弁２２は、第１開閉弁１１よりも下流の第１流路１Ｂに設けられているが、これに限定されない。例えば、両者の配置位置が逆であってもよい。
【０１４９】
以上により、本変形例の水素システム２００は、第１流路１Ｂに第２逆止弁２２を設けることで、第１流路１Ｂに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、仮に、カソードＣＡ内のガス圧力が第３流路３を流れる水素含有ガスの供給圧より小さくても、第３流路３を流れる水素純度が低い水素含有ガスがカソードＣＡへ逆流することを抑制することができる。
【０１５０】
本変形例の水素システム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実施形態の第１変形例−第２変形例および第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。
【０１５１】
（第２変形例）
図７は、第３実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。
【０１５２】
図７に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｂと、第３流路３と、第１開閉弁１１と、第３逆止弁２３と、制御器５０と、を備える。
【０１５３】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１流路１Ｂおよび第３流路３は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１５４】
第３逆止弁２３は、第１流路１Ｂが合流する箇所Ｃ１よりも上流の第３流路３に設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
【０１５５】
以上により、本変形例の水素システム２００は、第３流路３に第３逆止弁２３を設けることで、第１流路１Ｂに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、カソードＣＡからアノードＡＮに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本変形例の水素システム２００は、第３流路３に第３逆止弁２３を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
【０１５６】
ここで、第３流路３に設けられた適宜の開閉弁（図示せず）を閉めることで、低圧仕様のアノードガス供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を抑制しにくくなる。
【０１５７】
これに対して、本変形例の水素システム２００は、構造がシンプルな第３逆止弁２３を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
【０１５８】
本変形例の水素システム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実施形態の第１変形例−第２変形例、第３実施形態および第３実施形態の第１変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。例えば、図７の第１流路１Ｂに、第３実施形態の第１変形例の第２逆止弁２２と同様の弁が設けられていてもよい。
【０１５９】
（第３変形例）
図８は、第３実施形態の第３変形例の水素システムの一例を示す図である。
【０１６０】
図８に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｂと、第３流路３と、第１開閉弁１１と、第３開閉弁１３と、制御器５０と、を備える。
【０１６１】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１流路１Ｂおよび第３流路３は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１６２】
第３開閉弁１３は、第１流路１Ｂが合流する箇所Ｃ１よりも上流の第３流路３に設けられた弁である。第３開閉弁１３は、第１流路１Ｂが合流する箇所Ｃ１よりも上流の第３流路３を開閉することができれば、どのような構成であってもよい。第３開閉弁１３として、例えば、窒素ガスなどで駆動する駆動弁または電磁弁などを用いることができるが、これらに限定されない。
【０１６３】
制御器５０は、第１開閉弁１１を開放させ、かつ第３開閉弁１３を閉止させた状態で、電圧印加器３１に上記電圧を印加させる。
【０１６４】
以上により、本変形例の水素システム２００は、起動開始からカソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に第１開閉弁１１を開放させ、かつ第３開閉弁１３を閉止させた状態で、電圧印加器３１に上記電圧を印加させることにより、アノードＡＮに供給された、不純物を含むカソードオフガス中の水素が電気化学反応によりカソードＣＡに供給される。これにより、本変形例の水素システム２００は、水素貯蔵器に供給するカソードオフガス中の水素を高純度化させることができる。そして、本変形例の水素システム２００は、不純物を含むカソードオフガスがアノードＡＮに供給される水素含有ガスとして有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システム２００の効率が向上する。
【０１６５】
また、本変形例の水素システム２００は、第１流路１Ｂに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、第３流路３に設けられた第３開閉弁１３を閉止することで、カソードＣＡからアノードＡＮに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本変形例の水素システム２００は、第３流路３に第３開閉弁１３を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
【０１６６】
本変形例の水素システム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実施形態の第１変形例−第２変形例、第３実施形態および第３実施形態の第１変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。例えば、図８の第１流路１Ｂに、第３実施形態の第１変形例の第２逆止弁２２と同様の弁が設けられていてもよい。
【０１６７】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１６８】
図９に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｃと、第３流路３と、第１開閉弁１１と、水素生成器４０と、制御器５０と、を備える。
【０１６９】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第３流路３は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１７０】
水素生成器４０は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成する装置である。水素生成器４０は、原料を用いて改質反応により水素含有ガスを生成することができれば、どのような構成であってもよい。
【０１７１】
水素生成器４０は、例えば、改質器を備える。この改質器においては、原料の改質反応により、水素含有ガス（改質ガス）が生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応、部分酸化反応などを挙げることができる。原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧなどの少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスであってもよいし、液体であってもよい。液体として、メタノールなどのアルコールを挙げることができる。なお、水素生成器４０は、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を低減するためのＣＯ低減器を備えていてもよい。水素生成器４０で上記改質反応が行われる際には、改質器の他、例えば、燃焼器、原料供給器、水供給器および各種の検知器（例えば、温度検知器、流量計など）などの様々な機器、デバイスが必要となるが、これらは何れも公知である。
【０１７２】
第１流路１Ｃは、水素生成器４０に接続されている。第１流路１Ｃの下流端は、水素生成器４０と連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。例えば、第１流路１Ｃの下流端は、適宜の流路に接続していてもよい。詳細は、実施例で説明する。
【０１７３】
以上により、本実施形態の水素システムは、第１流路１Ｃに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを、第１流路１Ｃを通じて水素生成器４０に供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本実施形態の水素システム２００は、不純物を含むカソードオフガス中の水素が水素生成器４０で有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システム２００の効率が向上する。
【０１７４】
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実施形態の第１変形例−第２変形例、第３実施形態および第３実施形態の第１変形例−第３変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１７５】
（実施例）
図１０は、第４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。
【０１７６】
図１０に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｄと、第３流路３と、反応物流路４と、第１開閉弁１１と、水素生成器４０と、制御器５０と、を備える。
【０１７７】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第３流路３は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。また、水素生成器４０は、第４実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１７８】
反応物流路４は、水素生成器４０に改質反応のための反応物を供給する流路である。なお、反応物は、原料、水、空気などを例示することができる。例えば、改質反応が、水蒸気改質反応またはオートサーマル反応である場合、上記の反応物として、例えば、原料および水蒸気、または、原料、水蒸気および酸素などを挙げることができる。
【０１７９】
図１０に示すように、第１流路１Ｄは、反応物流路４に合流する。つまり、第１流路１Ｄは、第１流路１Ｄが反応物流路４と合流する箇所Ｃ２にまで延伸している。なお、反応物が原料である場合、反応物流路４の上流端は、適宜の原料源に接続されている。例えば、原料として、都市ガスを使用する場合、反応物流路４の上流端は、原料源としての都市ガス元栓に接続されている。
【０１８０】
以上により、本実施例の水素システム２００は、第１流路１Ｄに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを第１流路１Ｄおよび反応物流路４を通じて水素生成器４０に供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本実施例の水素システム２００は、不純物を含むカソードオフガスを反応物に混合することで、カソードオフガス中の水素が水素生成器４０で有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システム２００の効率が向上する。
【０１８１】
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実施形態の第１変形例−第２変形例、第３実施形態、第３実施形態の第１変形例−第３変形例および第４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。
【０１８２】
（変形例）
図１１は、第４実施形態の変形例の水素システムの一例を示す図である。
【０１８３】
図１１に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｄと、第３流路３と、反応物流路４と、第１開閉弁１１と、第４逆止弁２４と、水素生成器４０と、制御器５０と、を備える。
【０１８４】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第３流路３は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。また、水素生成器４０は、第４実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第１流路１Ｄおよび反応物流路４は、第４実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
【０１８５】
第４逆止弁２４は、第１流路１Ｃが合流する箇所Ｃ２よりも上流の反応物流路４に設けられ、水素生成器４０に供給される反応物の流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
【０１８６】
以上により、本変形例の水素システム２００は、反応物流路４に第４逆止弁２４を設けることで、第１流路１Ｃに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、カソードＣＡから水素生成器４０に供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様の反応物供給系に流れ込むことを抑制することができる。
【０１８７】
これにより、本変形例の水素システム２００は、反応物流路４に第４逆止弁２４を設けない場合に比べて、反応物供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。例えば、反応物が原料である場合、本変形例の水素システム２００は、原料供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
【０１８８】
ここで、反応物流路４に設けられた適宜の開閉弁（図示せず）を閉めることで、低圧仕様の反応物供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を抑制しにくくなる。
【０１８９】
これに対して、本変形例の水素システム２００は、構造がシンプルな第４逆止弁２４を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
【０１９０】
本変形例の水素システム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実施形態の第１変形例−第２変形例、第３実施形態、第３実施形態の第１変形例−第３変形例、第４実施形態および第４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。例えば、図１１の第１流路１Ｄに、第３実施形態の第１変形例の第２逆止弁２２と同様の弁が設けられていてもよい。
【０１９１】
（第５実施形態）
図１２は、第５実施形態の水素システムの一例を示す図である。
【０１９２】
図１２に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、電圧印加器３１と、第１流路１Ｅと、第３流路３と、第１開閉弁１１と、水素精製器６０と、制御器５０と、を備える。
【０１９３】
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、電圧印加器３１および第１開閉弁１１は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第３流路３は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
【０１９４】
水素精製器６０は、水素含有ガス中の水素濃度を高めるための装置である。第１流路１Ｅは、水素精製器６０に接続されている。第１流路１Ｅの下流端は、水素精製器６０と連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。例えば、図示を省略するが、第１流路１Ｅの下流端は、水素精製器６０に供給するための純度が低い水素含有ガスが流れるガス流路に接続していてもよい。
【０１９５】
水素精製器６０は、アノードとカソードの間に電圧を印加することにより、アノードに供給された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、精製された水素含有ガスを生成する水素純化装置を備えていてもよい。なお、本実施形態の水素システム２００では、水素純化装置は、低圧仕様の電気化学式の水素ポンプで構成されている。つまり、水素純化装置のスタックは、積層部材が、低圧仕様の素材および形態で構成されること以外は、電気化学式水素ポンプ１００のスタックと同様である。この水素純化装置においては、例えば、製鉄工場などからの副次生成物である純度が低い副生水素を、電気化学的に高純度化させることができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給する水素含有ガスを得ることができる。
【０１９６】
また、水素精製器６０は、ガス分離装置を備えてもよい。このガス分離装置においては、例えば、製鉄工場などからの副次生成物である純度が低い副生水素を、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）により高純度化させることができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給する水素含有ガスを得ることができる。
【０１９７】
以上により、本実施形態の水素システム２００は、第１流路１Ｅに設けられた第１開閉弁１１を開放する際に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを、第１流路１Ｅを通じて水素精製器６０に供給することができるので、かかるカソードオフガスをシステム外に排気する必要がない。これにより、本実施形態の水素システム２００は、不純物を含むカソードオフガス中の水素が水素精製器６０で有効に再利用されるので、カソードオフガスをシステム外に排気する場合に比べ、水素システム２００の効率が向上する。
【０１９８】
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実施形態の第１変形例−第２変形例、第３実施形態、第３実施形態の第１変形例−第３変形例、第４実施形態、第４実施形態の実施例および第４実施形態の変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
【０１９９】
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実施形態の第１変形例−第２変形例、第３実施形態、第３実施形態の第１変形例−第３変形例、第４実施形態、第４実施形態の実施例、第４実施形態の変形例および第５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。
【０２００】
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。例えば、本開示は、水電解装置などの電気化学式水素ポンプ１００以外の圧縮機を備える水素システムにも適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０１】
本開示の一態様は、従来よりも水素圧縮の効率が向上し得る水素システムおよび水素システムの運転方法に利用することができる。
【符号の説明】
【０２０２】
１      ：第１流路
１Ａ    ：第１流路
１Ｂ    ：第１流路
１Ｃ    ：第１流路
１Ｄ    ：第１流路
１Ｅ    ：第１流路
２      ：第２流路
２Ａ    ：第２流路
３      ：第３流路
４      ：反応物流路
１１    ：第１開閉弁
１２    ：第２開閉弁
１３    ：第３開閉弁
２１    ：第１逆止弁
２２    ：第２逆止弁
２３    ：第３逆止弁
２４    ：第４逆止弁
３０    ：電解質膜
３１    ：電圧印加器
４０    ：水素生成器
５０    ：制御器
６０    ：水素精製器
１００  ：電気化学式水素ポンプ
２００  ：水素システム
ＡＮ    ：アノード
ＣＡ    ：カソード
【要約】
水素システムは、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前記アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、前記アノードおよび前記カソードに電圧を印加する電圧印加器と、前記カソードから排出された圧縮水素を含むカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第１流路と、前記第１流路に設けられた第１開閉弁と、起動開始から前記カソードオフガスが水素貯蔵器に供給開始されるまでの間に前記第１開閉弁を開放させた状態で、前記電圧印加器に前記電圧を印加させる制御器と、を備える。【図１】
0006975922.tif 000002
【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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