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JP7008202B1 - 水素システムおよび水素システムの運転方法 - Google Patents

水素システムおよび水素システムの運転方法 Download PDF

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Abstract

水素システムは、電解質膜を挟んで設けられた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カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、少なくともアノードの圧力を調整する圧力調整器と、停止時に、前記アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、圧力調整器を制御して、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くする制御器と、を備える。

Description

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。
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。
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。そこで、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。
例えば、特許文献１では、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、水の電気分解により、水素ガスの精製および昇圧を行い得ることが記載されている。具体的には、アノードおよびカソードで挟持された高分子電解質膜に電流を流すことで、アノードの水から水素が引き抜かれ、プロトンになる。そして、プロトンがアノードからカソードへと水分子を伴いながら電解質膜内を移動することで、カソードで水素に戻される。なお、アノード、電解質膜およびカソードの積層構造体を膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
また、特許文献１では、燃料電池およびイオンポンプとして機能する電極構造体が、水素精製モード（イオンポンプとして動作）で停止する時に、アノードへ空気を供給し、残留するガス（水素）と水を掃気することが提案されている。
また、例えば、特許文献２では、電気化学デバイスの水素生成動作を終了させる際、アノードの入口の開閉弁を開放したままの状態でアノードの出口の開閉弁を閉止させ、これにより、電気化学デバイスに対して水素生成動作時とは逆方向に電流を流すように電源を制御することで、アノードに滞留する水素含有ガスをカソードと同様の精製水素ガスに置換することが提案されている。
特開２０１１－１００６１０号公報 特開２０２０－１７２４０５号公報
本開示は、一例として、再起動時における水素圧縮動作の効率低下を従来よりも抑制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。
本開示の一態様(aspect)の水素システムは、電解質膜を挟んで設けられたアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素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、少なくとも前記アノードの圧力を調整する圧力調整器と、停止時に、前記アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力が前記カソードの圧力よりも高くする制御器と、を備える。
本開示の一態様の水素システムの運転方法は、電解質膜を挟んで設けられたアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、停止時に、前記アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くするステップと、を備える。
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、再起動時における水素圧縮動作の効率低下を従来よりも抑制し得るという効果を奏することができる。
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は、第１実施形態の第３実施例の水素システムの一例を示す図である。 図３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４は、第２実施形態の第３実施例の水素システムの一例を示す図である。 図５は、第２実施形態の第３実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、第２実施形態の第４実施例の水素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は、第２実施形態の第５実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図８は、第２実施形態の変形例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図９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１０は、第３実施形態の水素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１２は、第４実施形態の水素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は、第５実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図１４は、第５実施形態の水素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は、第５実施形態の変形例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１６は、第６実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図１７は、第６実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１８は、第７実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図１９は、第７実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。
電気化学式の圧縮機では、一般的に、電解質膜は、湿潤状態で所望のプロトン伝導性を示す。このため、圧縮機の水素圧縮動作の効率を所望の値を維持するには、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。そこで、従来から、高湿度の水素含有ガスを圧縮機のアノードに供給することが多い。
ここで、特許文献１のように、停止時にアノードに空気を供給して、アノードに残留する水素および水を排出すれば、アノードにおいてフラッディング（ガス流路の水による閉塞現象）が発生する可能性が低減される。しかしながら、上記特許文献１は、フラッディングの抑制について検討が十分でない。これは、以下の理由による。
まず、圧縮機の水素圧縮動作中は、ＭＥＡ（セル）のアノードとカソードとの間に電圧が印加される。よって、この場合、アノードおよびカソード間に電流が流れることで、プロトンがアノードからカソードへ水分子を同伴しながら電解質膜内を移動する（電気浸透）。一方で、アノードからカソードに移動した電気浸透水は、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移動する（逆拡散）。なお、このとき、カソードからアノードに移動する水の量は、カソード側のガス圧力が高いほど、多い。圧縮機の水素圧縮動作中は、カソードからアノードに水が逆拡散しても、アノード上を水素含有ガスが流通しているので、水が滞留せず、フラッディングが抑制される。
ここで、圧縮機を停止する際に、上記特許文献１の空気によるアノードパージを実行すれば、パージ直前に、アノードに滞留する水は外部に排出されるが、アノードパージ後は、アノードおよびカソード間の差圧がなくなるまでの間に、水の逆拡散が継続し、かつ逆拡散した水はアノード上で滞留する。これにより、圧縮機の停止後に、アノードにおいてフラッディングが発生する可能性が高くなる。仮に、フラッディングが発生すると、再起動時に、圧縮機のアノード上での水素含有ガスの拡散性が阻害されるので、カソードへの所定量のプロトン移動を確保するために必要な電圧印加器の電圧が増加する可能性がある。すると、水素システムは、圧縮機の再起動時に、水素圧縮動作の効率が低下する。
そこで、本開示の第１態様の水素システムは、電解質膜を挟んで設けられた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カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、少なくともアノードの圧力を調整する圧力調整器と、停止時に、アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、圧力調整器を制御して、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くする制御器と、を備える。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、再起動時における水素圧縮動作の効率低下を従来よりも抑制し得る。
具体的には、本態様の水素システムは、停止時に、アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、アノードの圧力がカソードの圧力よりも高くなるように、圧力調整器が制御される。これにより、水素システムの停止時に、カソードからアノードへの水の逆拡散を抑制することができる。また、アノードにおいて、凝縮水が発生した場合には、アノードおよびカソード間の差圧によって、アノードからカソードに凝縮水を拡散させることができる。従って、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しにくくなるので、再起動時における水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
また、アノードでフラッディングの発生を抑制するために特許文献１のように停止時にアノードにガスパージ操作を行ったり、仮に、停止時にアノードでフラッディングが発生した場合に、水素システムの再起動時に、これを解消するためのガスパージ操作を行ったりすることが想定される。しかし、本態様の水素システムは、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くすることで、上記のとおり、アノードに存在する水をカソードに拡散させたり、カソードからアノードへの水の逆拡散を軽減させたりすることができる。従って、本態様の水素システムは、上記の停止時または再起動時のガスパージ操作を無くすことができる。また、仮に、上記ガスパージ操作のいずれかを行う場合でも、本態様の水素システムは、ガスパージ操作の期間を短縮化することができる。
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、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を昇圧することにより、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くしてもよい。
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、制御器が、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を昇圧した後、アノードとカソードとの差圧が低下すると、制御器は、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を昇圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードの圧力の昇圧後において、アノードおよびカソード間の差圧が低下しても、アノードの圧力をさらに昇圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
例えば、アノードの圧力を昇圧した後、圧縮機の温度が、時間の経過とともに下がると、アノードに存在する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、アノードに存在する水素含有ガスの気体分子モル量の減少に伴い圧力が減少することで、アノードとカソードの差圧が低下し、アノードからカソードへの水の拡散効果またはカソードからアノードへの水の逆拡散の抑制効果が低減する可能性があるが、本態様の水素システムは、上記の構成により、このような、上記効果が低減する可能性を低減することができる。
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、圧力調整器は、アノードにガスを供給するガス供給器を含み、アノードの出口を封止した状態で、制御器が、ガス供給器を制御してアノードにガスを供給させることにより、アノードの圧力を昇圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードの出口を封止した状態において、アノードに供給するガスの供給圧力を利用することで、アノードの圧力を適切に昇圧させることができる。
本開示の第５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、圧力調整器は、アノードおよびカソードの圧力を調整し、制御器は、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を昇圧し、かつカソードの圧力を減圧することにより、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くしてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、カソードの圧力の減圧のみによって、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くする場合、または、アノードの圧力の昇圧のみよってアノードの圧力をカソードの圧力よりも高くする場合に比べて、アノードおよびカソード間の差圧を維持しやすくなる。これにより、本態様の水素システムは、再起動時における水素圧縮動作の効率低下がさらに抑制される。
本開示の第６態様の水素システムは、第５態様の水素システムにおいて、制御器が、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を昇圧し、かつカソードの圧力を減圧した後、アノードとカソードとの差圧が低下すると、制御器は、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を昇圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードの圧力の昇圧後およびカソードの圧力の減圧後において、アノードおよびカソード間の差圧が低下しても、アノードの圧力をさらに昇圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
本開示の第７態様の水素システムは、第５態様の水素システムにおいて、制御器が、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を昇圧し、かつカソードの圧力を減圧した後、アノードとカソードとの差圧が低下すると、制御器は、圧力調整器を制御して、カソードの圧力を減圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードの圧力の昇圧後およびカソードの圧力の減圧後において、アノードおよびカソード間の差圧が低下しても、カソードの圧力をさらに減圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
本開示の第８態様の水素システムは、第１態様から第７態様のいずれか一つの水素システムにおいて、圧力調整器は、アノードにガスを供給するガス供給器、およびカソードから圧縮水素を含むカソードガスをアノードと異なる箇所に排出するための第１の弁を含み、アノードの出口を封止した状態で、制御器が、ガス供給器を制御してアノードにガスを供給させることによりアノードの圧力を昇圧し、制御器が、第１の弁を開放させることにより、カソードの圧力を減圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードの出口を封止した状態において、アノードに供給するガスの供給圧力を利用することで、アノードの圧力を適切に昇圧させることができる。また、第１の弁は、カソードから高圧のカソードガスをアノードと異なる箇所に逃がすための弁として機能する。よって、本態様の水素システムは、第１の弁の開放により、カソードの圧力を適切に減圧させることができる。
本開示の第９態様の水素システムは、第５態様または第６態様の水素システムにおいて、圧力調整器は、アノードにガスを供給するガス供給器およびカソードから圧縮水素を含むカソードガスをアノードに供給するための第２の弁を含み、制御器が、第２の弁を開放させることによりカソードの圧力を減圧した後、アノードの出口を封止した状態で、ガス供給器を制御して、アノードにガスを供給することによりアノードの圧力を昇圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードの出口を封止した状態において、アノードに供給するガスの供給圧力を利用することで、アノードの圧力を適切に昇圧させることができる。また、本態様の水素システムは、第２の弁の開放により、カソードの圧力がアノードの圧力に近づくようにカソードの圧力を減圧させることができる。
ここで、第２の弁は、カソードからアノードへのカソードガス供給を制御するための弁として機能する。よって、本態様の水素システムは、第２の弁を使用してカソードからアノードにカソードガスを供給することで、カソードガスの供給を行わない場合に比べて、カソードを昇圧するためにガス供給器によってアノードに供給されるガスの供給量が低減する。
本開示の第１０態様の水素システムは、第５態様または第７態様の水素システムにおいて、圧力調整器は、カソードから圧縮水素を含むカソードガスをアノードに供給するための第２の弁およびカソードガスをアノードと異なる箇所に排出するための第１の弁とを備え、アノードの出口を封止した状態で、制御器が、第２の弁を開放させることによりアノードの圧力を昇圧した後、第１の弁を開放させることによりカソードの圧力を減圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第２の弁の開放により、アノードの出口を封止した状態において、カソードガスの圧力を利用することで、アノードの圧力を適切に昇圧させた後、第１の弁の開放によりカソードの圧力を更に減圧させることで、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くすることができる。
本開示の第１１態様の水素システムは、第４態様、および、第８態様から第１０態様のいずれか一つの水素システムにおいて、アノードから排出される水素含有ガスが流れる排出路と、排出路に設けられた第３の弁と、を備え、制御器は、第３の弁を閉止させることによりアノードの出口を封止した状態にしてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、排出路に設けられた第３の弁の閉止をすることで、アノードの出口を簡易に封止状態にすることができる。
本開示の第１２態様の水素システムは、第１態様から第３態様、および、第５態様から第７態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、圧力調整器を制御して、アノードの圧力を１ＭＰａ未満してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、大気圧を基準とするゲージ圧でアノードの圧力を１ＭＰａ未満にすることにより、アノードの圧力をゲージ圧で１ＭＰａ以上とする場合に比べて、水素含有ガス供給系におけるアノードに連接する部材、アノードのガスラインを低圧仕様で構成しやすくなるので、装置のコストを低減することができる。
本開示の第１３態様の水素システムは、第４態様、および、第８態様から第１０態様のいずれか一つの水素システムにおいて、ガス供給器は、水素含有ガスと異なるガスを供給してもよい。
本開示の第１４態様の水素システムは、第５態様から第７態様のいずれか一つの水素システムにおいて、圧力調整器は、アノードおよびカソード間に電圧を印加する電圧印加器を含み、アノードの入口および出口を封止した状態で、制御器は、電圧印加器を制御して、アノードおよびカソード間に、停止前とは逆の電圧を印加することにより、アノードの圧力を昇圧し、カソードの圧力を減圧してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止時に、アノードの入口および出口を封止した状態で、アノードおよびカソード間における、停止前とは逆の電圧印加によって、プロトンが、電解質膜を介してカソードからアノードに移動するので、アノードの圧力を昇圧させるとともに、カソードの圧力を減圧させることができる。
本開示の第１５態様の水素システムの運転方法は、電解質膜を挟んで設けられた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カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、停止時に、アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くするステップと、を備える。
これにより、本態様の水素システムの運転方法は、再起動時における水素圧縮動作の効率低下を従来よりも抑制し得る。
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が奏する作用効果の参酌により容易に理解することができるので説明を省略する。
本開示の第１６態様の水素システムの運転方法は、第１５態様の水素システムの運転方法において、アノードの圧力を昇圧することにより、アノードの圧力をカソードの圧力よりも高くしてもよい。
本開示の第１７態様の水素システムの運転方法は、第１５態様の水素システムの運転方法において、アノードの圧力を昇圧し、かつカソードの圧力を減圧することによりアノードの圧力をカソードの圧力よりも高くしてもよい。
本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果は、第５態様の水素システムが奏する作用効果の参酌により容易に理解することができるので説明を省略する。
本開示の第１８態様の水素システムの運転方法は、第１６態様または第１７態様の水素システムの運転方法において、アノードにガスを供給することによりアノードの圧力を昇圧してもよい。
本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果は、第４態様の水素システムが奏する作用効果の参酌により容易に理解することができるので説明を省略する。
本開示の第１９態様の水素システムの運転方法は、第１７態様の水素システムの運転方法において、圧縮水素を含むカソードガスをカソードから排出することによりカソードの圧力を減圧してもよい。
本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果は、第８態様または第９態様の水素システムが奏する作用効果の参酌により容易に理解することができるので説明を省略する。
本開示の第２０態様の水素システムの運転方法は、第１８態様の水素システムの運転方法において、アノードに水素含有ガスと異なるガスを供給することによりアノードの圧力を昇圧してもよい。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される数値、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、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、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。
（第１実施形態）
以下の実施形態では、上記圧縮機の一例である電気化学式水素ポンプを備える水素システムの構成および動作について説明する。また、以下の実施形態では、大気圧を基準としたゲージ圧が表記されている。
［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。
図１に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１０と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を備える。なお、電気化学式水素ポンプ１００は、複数のＭＥＡ（セル）を積層したスタックを含んでもよい。詳細は後で説明する。
アノードＡＮは、電解質膜１０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１０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１０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。
電解質膜１０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１０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１０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。
アノード触媒層は、電解質膜１０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。
カソード触媒層は、電解質膜１０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。
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。
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。
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１０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、およびチタン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。
以上のような電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１０を挟んで設けられたアノードＡＮとカソードＣＡの間に電圧を印加することによりアノード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装置である。なお、上記の水素含有ガスは、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、炭化水素ガスの改質反応で生成された改質ガスであってもよい。また、上記電圧は、図示しない電圧印加器により印加されてもよい。このような電圧印加器の具体例は第７実施形態で説明する。
圧力調整器２０は、少なくともアノードＡＮの圧力を調整する装置である。圧力調整器２０は、アノードＡＮの圧力を調整することができれば、どのような構成であってもよい。なお、このような圧力調整器２０の具体例は、本実施形態の第３実施例で説明する。
制御器５０は、停止時に、アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くする。なお、このときカソードＣＡの出口は、制御器５０によりカソード弁（図示せず）を閉止させることにより封じられている。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、「停止時」とは、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体（図示せず）への圧縮水素を含むカソードガスの供給停止後のことをいう。なお、水素需要体として、例えば、水素貯蔵器、水素インフラの配管、燃料電池などを挙げることができる。水素貯蔵器として、例えば、水素ボンベなどを挙げることができる。また、「アノードＡＮの圧力」および「カソードＣＡの圧力」とはそれぞれ、アノードＡＮに連通するガス流路およびカソードＣＡに連通するガス流路のそれぞれの圧力をいう。「アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態」を実現するための具体例は、後で説明する。
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。
ここで、図面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。
例えば、電気化学式水素ポンプ１００において、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。
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。
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の一方の端部に連結するように構成する必要がある。また、セパレータのそれぞれのガス流路から適量の水素含有ガスを排出するには、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、これらの上流端が、セパレータのそれぞれのガス流路の他方の端部に連結するように構成する必要がある。さらに、セパレータのそれぞれのカソードから高圧のカソードガスを排出するには、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、これらの上流端が、セパレータのそれぞれのカソードに連結するように構成する必要がある。
以上のような管路のことをマニホールドといい、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。
また、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。
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。
［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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
まず、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、図示しない電圧印加器の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。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１０内を伝導してカソード触媒層に移動する。電子は電圧印加器を通じてカソード触媒層に移動する。
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１０内を移動する際に、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にプロトンに同伴することが知られている。
このとき、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される高圧の圧縮水素が、図示しないカソードガス導出流路を通じて、図示しない水素貯蔵器に供給される場合、カソードガス導出流路に設けられた背圧弁、調整弁（図示せず）などを用いて、カソードガス導出流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（Ｈ２）を圧縮することができる。ここで、カソードガス導出流路の圧損を増加させるとは、カソードガス導出流路に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。
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、電解質膜１０を挟んで設けられたアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することにより、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動作が行われる。カソードＣＡで生成された圧縮水素を含むカソードガスは、例えば、カソードガス中の水分および不純物などを除去した後、水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。
次に、水素システム２００の運転が停止する。具体的には、例えば、カソードガス導出流路に設けられた背圧弁、調整弁を閉止させることで、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素貯蔵器へのカソードガスの供給が停止する。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００が、例えば、燃料電池フォークリフト向けの圧縮機である場合、一般的に、カソードＣＡ側には、約４０ＭＰａ程度の高圧のカソードガスが存在する。また、アノードＡＮ側には、約０．１ＭＰａ程度の低圧かつ高湿度（例えば、約５０℃程度での飽和水蒸気圧、相対湿度１００％で、ガス中の約１２％程度の水蒸気含有量）の水素含有ガスが存在する。そこで、本実施形態の水素システム２００では、水素システム２００の停止時に、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くする動作が行われる。
なお、水素貯蔵器で貯蔵されたカソードガスは、適時に、燃料電池などに供給されてもよい。
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、再起動時における水素圧縮動作の効率低下を従来よりも抑制し得る。
具体的には、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、停止時に、アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、アノードＡＮの圧力がカソードＣＡの圧力よりも高くなるように、圧力調整器２０が制御される。これにより、水素システム２００の停止時に、カソードＣＡからアノードＡＮへの水の逆拡散を抑制することができる。また、アノードＡＮにおいて、凝縮水が発生した場合には、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧によって、アノードＡＮからカソードＣＡに凝縮水を拡散させることができる。従って、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しにくくなるので、再起動時における水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
また、アノードＡＮでフラッディングの発生を抑制するために特許文献１のように停止時にアノードＡＮにガスパージ操作を行ったり、仮に、停止時にアノードＡＮでフラッディングが発生した場合に、水素システム２００の再起動時に、これを解消するためのガスパージ操作を行ったりすることが想定される。しかし、本実施形態の水素システム２００は、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くすることで、上記のとおり、アノードに存在する水をカソードＣＡに拡散させたり、カソードＣＡからアノードＡＮへの水の逆拡散を軽減させたりすることができる。従って、本実施形態の水素システム２００は、上記の停止時または再起動時のガスパージ操作を無くすことができる。また、仮に、上記ガスパージ操作のいずれかを行う場合でも、本実施形態の水素システム２００は、ガスパージ操作の期間を短縮化することができる。
さらに、水素システム２００の停止時において、仮に、カソードＣＡの圧力がアノードＡＮの圧力よりも高いと、カソードＣＡからアノードＡＮへの水の逆拡散によって、カソードＣＡ側における電解質膜１０の部分で、乾湿の変化が生じる可能性がある。すると、かかる電解質膜１０の部分で膨潤および収縮の繰り返しにより電解質膜１０の耐久性が低下する可能性がある。しかし、本実施形態の水素システム２００は、水素システム２００の停止時に、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くすることで、以上の不都合を軽減することができる。
（第１実施例）
本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。
制御器５０は、水素システム２００の停止時に、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力を昇圧することにより、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くする。
なお、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法が奏する作用効果は、第１実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態と同様であってもよい。
（第２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実施形態の水素システム２００と同様である。
制御器５０が、水素システム２００の停止時に、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力を昇圧した後、アノードＡＮとカソードＣＡとの差圧が低下すると、制御器５０は、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力を昇圧する。
以上により、本実施例の水素システム２００は、アノードＡＮの圧力の昇圧後において、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が低下しても、アノードＡＮの圧力をさらに昇圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
例えば、アノードＡＮの圧力を昇圧した後、電気化学式水素ポンプ１００の温度が、時間の経過とともに下がると、アノードＡＮに存在する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、アノードＡＮに存在する水素含有ガスの気体分子モル量の減少に伴い圧力が減少することで、アノードＡＮとカソードＣＡの差圧が低下し、アノードＡＮからカソードＣＡへの水の拡散効果またはカソードＣＡからアノードＡＮへの水の逆拡散の抑制効果が低減する可能性があるが、本実施例の水素システム２００は、上記の構成により、このような、上記効果が低減する可能性を低減することができる。
本実施例の水素システム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実施例と同様であってもよい。
（第３実施例）
図２は、第１実施形態の第３実施例の水素システムの一例を示す図である。
図２に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、アノード供給路２１と、アノード入口弁２７と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様である。
アノード供給路２１は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給されるガスが流れる流路である。
圧力調整器２０はガス供給器２０Ａを含む装置である。なお、ガス供給器２０Ａは、アノード供給路２１に設けられている。ガス供給器２０Ａは、アノードＡＮにガスを供給する装置である。ガス供給器２０Ａは、アノードＡＮにガスを供給できれば、どのような構成であってもよい。ガス供給器２０Ａとして、例えば、ポンプ、開閉弁、減圧弁を挙げることができる。なお、ガス供給器２０Ａが開閉弁または減圧弁であるとき、アノード供給路２１は、所定の供給圧を有するガス供給源に接続される。所定の供給圧を有するガス供給源としては、ガスボンベが例示される。また、ガス供給器２０Ａは、アノードＡＮに、上記水素含有ガスを供給してもよいし、水素含有ガスと異なるガスを供給してもよい。後者の詳細は、第６実施形態で説明する。
アノード入口弁２７は、圧力調整器２０よりも上流のアノード供給路２１に設けられた弁である。アノード入口弁２７は、このようなアノード供給路２１を遮断することができれば、どのような構成であってもよい。アノード入口弁２７として、例えば、窒素ガスまたは空気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。
本実施例では、アノードＡＮの出口を封止した状態で、制御器５０が、ガス供給器２０Ａを制御してアノードＡＮの入口にガスを供給させることによりアノードＡＮの圧力を昇圧する。アノードＡＮの圧力を昇圧後は、アノード供給路２１に設けられたアノード入口弁２７が閉止される。
ここで、本実施例では、アノードＡＮの入口にガスを供給するときに、「アノードＡＮの出口を封止した状態」にすることで、「アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態」が実現される。また、例えば、アノードＡＮの入口にガスを供給するときに、アノードＡＮの出口に連通するアノード排出路が遮断されると、「アノードＡＮの出口を封止した状態」にすることができる。このようなアノード排出路の遮断は、アノード排出路に設けられたアノード出口弁で行われてもよい。アノード排出路およびアノード出口弁の具体例は、第３実施形態で説明する。
以上により、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、アノードＡＮの出口を封止した状態において、アノードＡＮに供給するガスの供給圧力を利用することで、アノードＡＮの圧力を適切に昇圧させることができる。
本実施例の水素システム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実施例－第２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。
（第２実施形態）
図３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に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は第１実施形態と同様である。
圧力調整器２０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡの圧力を調整する装置である。圧力調整器２０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡの圧力を調整することができれば、どのような構成であってもよい。なお、このような圧力調整器２０の具体例は、本実施形態の第３実施例で説明する。
本実施形態では、制御器５０は、水素システム２００の停止時に、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力を昇圧し、かつカソードＣＡの圧力を減圧することにより、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くする。
以上により、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、カソードＣＡの圧力の減圧のみによって、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くする場合、または、アノードＡＮの圧力の昇圧のみによって、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くする場合に比べて、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧を維持しやすくなる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、再起動時における水素圧縮動作の効率低下がさらに抑制される。
なお、アノードＡＮの圧力を昇圧する動作およびカソードＣＡの圧力を減圧する動作における順番は任意である。本実施形態の第３実施例の如く、カソードＣＡの圧力を減圧する動作を行った後に、アノードＡＮの圧力を昇圧する動作を行ってもよいし、本実施形態の変形例の如く、これらの動作を上記とは逆の順番で行ってもよいし、これらの動作をタイミング的にオーバーラップさせるように実行してもよい。
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、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実施例－第３実施例のいずれかと同様であってもよい。
（第１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。
制御器５０が、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力を昇圧し、かつカソードＣＡの圧力を減圧した後、アノードＡＮとカソードＣＡとの差圧が低下すると、制御器５０は、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力を昇圧する。
以上により、本実施例の水素システム２００は、アノードＡＮの圧力の昇圧後およびカソードＣＡの圧力の減圧後において、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が低下しても、アノードＡＮの圧力をさらに昇圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例および第２実施形態のいずれかと同様であってもよい。
（第２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。
制御器５０が、圧力調整器２０を制御して、アノードＡＮの圧力を昇圧し、かつカソードＣＡの圧力を減圧した後、アノードＡＮとカソードＣＡとの差圧が低下すると、制御器５０は、圧力調整器２０を制御して、カソードＣＡの圧力を減圧する。
以上により、本実施例の水素システム２００は、アノードＡＮの圧力の昇圧後およびカソードＣＡの圧力の減圧後において、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が低下しても、カソードＣＡの圧力をさらに減圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例のいずれかと同様であってもよい。
（第３実施例）
図４は、第２実施形態の第３実施例の水素システムの一例を示す図である。
図４に示す例では、本実施例の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、アノード供給路２１と、アノード排出路２２と、アノード入口弁２７と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は第１実施形態と同様である。アノード供給路２１およびアノード入口弁２７は、第１実施形態の第３実施例と同様である。
圧力調整器２０は、ガス供給器２０Ａおよびカソード弁２０Ｂを含む装置である。ここで、ガス供給器２０Ａは第１実施形態の第３実施例と同様である。
カソード弁２０Ｂは、カソードＣＡから圧縮水素を含むカソードガスをアノードＡＮと異なる箇所に排出するための弁である。カソード弁２０Ｂは、カソードガスをアノードＡＮと異なる箇所に排出できれば、どのような構成であってもよい。アノードＡＮと異なる箇所として、例えば、大気中などを挙げることができるが、これに限定されない。
カソード弁２０Ｂとして、例えば、開閉弁、弁開度が制御される調整弁などを挙げることができる。調整弁は、圧力調整弁でもよいし、流量調整弁でもよい。カソード弁２０Ｂとして、例えば、窒素ガスまたは空気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。なお、カソード弁２０Ｂが、本開示の「第１の弁」の一例に対応する。
アノード排出路２２は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出されるガスが流れる流路である。カソード弁２０Ｂは、アノード排出路２２に設けられている。
本実施例では、アノードＡＮの出口を封止した状態で、制御器５０が、ガス供給器２０Ａを制御してアノードＡＮの入口にガスを供給させることによりアノードＡＮの圧力を昇圧し、制御器５０が、カソード弁２０Ｂを開放させることによりカソードＣＡの圧力を減圧する。
ここで、本実施例では、アノードＡＮの入口にガスを供給するときに、「アノードＡＮの出口を封止した状態」にすることで、「アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態」が実現される。また、例えば、アノードＡＮの入口にガスを供給するときに、アノードＡＮの出口に連通するアノード排出路が遮断されると、「アノードＡＮの出口を封止した状態」にすることができる。このようなアノード排出路の遮断は、アノード排出路に設けられたアノード出口弁で行われてもよい。アノード排出路およびアノード出口弁の具体例は、第３実施形態で説明する。
図５は、第２実施形態の第３実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図５に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
水素システム２００の停止制御が開始すると、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体（図示せず）へのカソードガスの供給が停止する。このとき、カソード弁２０Ｂは閉止状態であるとともに、ガス供給器２０Ａの動作は停止している。なお、このとき、アノード入口弁２７は開放されていてもよいし、閉止されていてもよいが、本例は、アノード入口弁２７が開放状態である場合について説明する。
まず、ステップＳ１でカソード弁２０Ｂを開放する。そして、ステップＳ２で、カソード弁２０Ｂの開放時から「所定時間Ａ」が経過した後、ステップＳ３でカソード弁２０Ｂを閉止する。ステップＳ２の「所定時間Ａ」として、例えば、約１秒～約１時間のうちのいずれかの時間を挙げることができるが、これに限定されない。このとき、ステップＳ２の「所定時間Ａ」として、制御器５０のタイマーで計測された時間を使用することができる。ただし、以上の動作は、例示であって、本例に限定されない。例えば、ステップＳ２の「所定時間Ａ」に代えて、カソードＣＡの圧力に基づいて、上記の動作が実行されてもよい。本動作の詳細は、第４実施形態で説明する。
ステップＳ１～ステップＳ３において、カソード弁２０Ｂが開閉弁であると、カソード弁２０Ｂの開閉操作を繰り返すことで、カソードＣＡの圧力を漸減させることができる。また、カソード弁２０Ｂが圧力調整弁または流量調整弁であると、弁開度に基づいて圧力調整または流量調整を行うことで、カソードＣＡの圧力を漸減させることができる。なお、カソードＣＡの圧力を漸減させる理由は、カソードＣＡの圧力を一気に開放すると、電気化学式水素ポンプ１００における高圧仕様の機器、部品が破損する可能性があるからである。
次に、ステップＳ４で、ガス供給器２０Ａが動作する。そして、ステップＳ５で、ガス供給器２０Ａの動作時から「所定時間Ｂ」が経過した後、ステップＳ６でガス供給器２０Ａの動作が停止するとともに、ステップＳ１６でアノード入口弁２７が閉止される。ステップＳ５の「所定時間Ｂ」として、例えば、約１０秒～約３００秒のうちのいずれかの時間を挙げることができるが、これに限定されない。このとき、ステップＳ５の「所定時間Ｂ」として、制御器５０のタイマーで計測された時間を使用することができる。ただし、以上の動作は、例示であって、本例に限定されない。例えば、ステップＳ２の「所定時間Ｂ」に代えて、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧に基づいて、上記の動作が実行されてもよい。本動作の詳細は、第４実施形態で説明する。
このようにして、水素システム２００の停止制御が完了する。
以上により、本実施例の水素システム２００は、アノードＡＮの出口を封止した状態において、アノードＡＮに供給するガスの供給圧力を利用することで、アノードＡＮの圧力を適切に昇圧させることができる。また、カソード弁２０Ｂは、カソードＣＡから高圧のカソードガスをアノードＡＮと異なる箇所に逃がすための弁として機能する。よって、本実施例の水素システム２００は、カソード弁２０Ｂの開放により、カソードＣＡの圧力を適切に減圧させることができる。
本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例－第２実施例のいずれかと同様であってもよい。
（第４実施例）
図６は、第２実施形態の第４実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図６に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
ここで、図６のステップＳ１～ステップＳ１６の内容は、図５のステップＳ１～ステップＳ１６と同様であるので詳細な説明を省略する。
まず、ステップＳ７で、水素システム２００の停止制御完了時から「所定時間Ｃ」が経過した後、ステップＳ２６でアノード入口弁２７が開放し、ステップＳ１０４で、ガス供給器２０Ａが動作する。そして、ガス供給器２０Ａの動作時からステップＳ１０５で「所定時間ＢＢ」が経過した後、ステップＳ１０６でガス供給器２０Ａの動作が停止するとともに、ステップＳ１１６でアノード入口弁２７が閉止される。ステップＳ７の「所定時間Ｃ」として、例えば、約１時間を挙げることができるが、これに限定されない。このとき、ステップＳ７の「所定時間Ｃ」として、制御器５０のタイマーで計測された時間を使用することができる。なお、図５のステップＳ１０５の「所定時間ＢＢ」は、図４のステップＳ５の「所定時間Ｂ」と同様である。その後、水素システム２００は、適時に起動制御を開始してもよい。
以上により、本実施例の水素システム２００は、カソードＣＡの圧力の減圧後およびアノードＡＮの圧力の昇圧後において、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度が、所定時間Ｃの経過とともに下がることで、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が低下しても、アノードＡＮの圧力をさらに昇圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例－第３実施例のいずれかと同様であってもよい。
（第５実施例）
図７は、第２実施形態の第５実施例の水素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に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
ここで、図７のステップＳ１～ステップＳ１６の内容は、図５のステップＳ１～ステップＳ１６と同様であるので詳細な説明を省略する。
ステップＳ７で、水素システム２００の停止制御完了時から「所定時間Ｃ」が経過した後、ステップＳ１０１で、カソード弁２０Ｂを開放する。そして、ステップＳ１０２で、カソード弁２０Ｂの開放時から「所定時間ＡＡ」が経過した後、ステップＳ１０３でカソード弁２０Ｂを閉止する。ステップＳ７の「所定時間Ｃ」として、例えば、約１時間を挙げることができるが、これに限定されない。このとき、ステップＳ７の「所定時間Ｃ」として、制御器５０のタイマーで計測された時間を使用することができる。図７のステップＳ１０２の「所定時間ＡＡ」は、例えば、約６０秒を挙げることができるが、これに限定されない。このとき、ステップＳ１０２の「所定時間ＡＡ」として、制御器５０のタイマーで計測された時間を使用することができる。その後、水素システム２００は、適時に起動制御を開始してもよい。
以上により、本実施例の水素システム２００は、カソードＣＡの圧力の減圧後およびアノードＡＮの圧力の昇圧後において、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度が、所定時間Ｃの経過とともに下がることで、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が低下しても、カソードＣＡの圧力をさらに減圧させることができるので、両者の差圧を適正に維持することができる。
本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例－第４実施例のいずれかと同様であってもよい。
（変形例）
図８は、第２実施形態の変形例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図８に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
第２実施形態の第３実施例では、図５に示すように、ステップＳ１～ステップＳ３の動作が、ステップＳ４～ステップＳ１６の動作よりも先に行われているが、本変形例では、図８に示すように、ステップＳ４～ステップＳ１６の動作が、ステップＳ１～ステップＳ３の動作よりも先に行われている。
図８のステップＳ４～ステップＳ１６、および、ステップＳ１～ステップＳ３の内容はそれぞれ、上記ステップの順番以外は、図５のステップＳ４～ステップＳ１６、および、ステップＳ１～ステップＳ３のそれぞれと同様である。また、本変形例の水素システム２００が奏する作用効果は、第２実施形態の第３実施例の水素システム２００が奏する作用効果と同様である。よって、これらの説明は省略する。
本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態および第２実施形態の第１実施例－第５実施例のいずれかと同様であってもよい。
（第３実施形態）
図９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９に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、アノード供給路２１と、アノード排出路２２と、アノード出口弁２３と、カソード排出路２４と、アノード入口弁２７と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は第１実施形態と同様である。また、圧力調整器２０およびアノード入口弁２７は、第２実施形態の第３実施例と同様である。なお、以下の例では、ガス供給器２０ＡによりアノードＡＮに水素含有ガスが供給される場合について説明するが、これに限定されない。つまり、本例では、アノード供給路２１は、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ガスが流れる流路である。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、アノード供給路２１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、アノード供給路２１の上流端は、例えば、水素含有ガス供給源（図示せず）に接続していてもよい。なお、水素含有ガスの供給源として、例えば、改質装置、水電解装置、水素ボンベなどを挙げることができる。また、本例では、アノード排出路２２は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れる流路である。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、アノード排出路２２の上流端は、例えば、水素含有ガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。
アノード出口弁２３は、アノード排出路２２に設けられた弁である。アノード出口弁２３は、アノード排出路２２を遮断することができれば、どのような構成であってもよい。アノード出口弁２３として、例えば、窒素ガスまたは空気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。なお、アノード出口弁２３が、本開示の「第３の弁」の一例に対応する。
カソード排出路２４は、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ガスが流れる流路である。なお、カソード弁２０Ｂは、カソード排出路２４に設けられている。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、カソード排出路２４の上流端は、例えば、カソードガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。
本実施形態では、制御器５０は、アノード出口弁２３を閉止させることによりアノードＡＮの出口を封止した状態にする。
図１０は、第３実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図１０に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
ここで、図１０のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ４～ステップＳ１６の内容は、図５のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ４～ステップＳ１６と同様であるので詳細な説明を省略する。なお、水素システム２００の停止制御が開始する際には、カソード弁２０Ｂは閉止状態であるとともに、アノード出口弁２３は閉止状態である。また、ガス供給器２０Ａの動作は停止している。アノード入口弁２７は開放されていてもよいし、閉止されていてもよいが、本例は、アノード入口弁２７が開放状態である場合について説明する。
ステップＳ２で、カソード弁２０Ｂの開放時から「所定時間Ａ」が経過した後、ステップＳ３１でカソード弁２０Ｂを閉止する。これにより、アノードＡＮの出口が封止される。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、アノード排出路２２に設けられたアノード出口弁２３の閉止をすることで、アノードＡＮの出口を簡易に封止状態にすることができる。
本実施形態の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第５実施例および第２実施形態の変形例のいずれかと同様であってもよい。
（第４実施形態）
図１１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１１に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、アノード供給路２１と、アノード排出路２２と、アノード出口弁２３と、カソード排出路２４と、アノード入口弁２７と、第１圧力計３０と、第２圧力計３１と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は第１実施形態と同様である。また、圧力調整器２０、アノード供給路２１、アノード排出路２２、アノード出口弁２３、アノード入口弁２７およびカソード排出路２４は、第３実施形態と同様である。なお、以下の例では、ガス供給器２０ＡによりアノードＡＮに水素含有ガスが供給される場合について説明するが、これに限定されない。
第１圧力計３０は、アノードＡＮの圧力（以下、アノード圧）を計測するためのセンサである。第１圧力計３０は、アノード圧を計測できれば、どのような構成であってもよい。図１１に示す例では、第１圧力計３０は、ガス供給器２０Ａよりも下流のアノード供給路２１に設けられている。
第２圧力計３１は、カソードＣＡの圧力（以下、カソード圧）を計測するためのセンサである。第２圧力計３１は、カソード圧を計測できれば、どのような構成であってもよい。図１１に示す例では、第２圧力計３１は、カソード弁２０Ｂよりも上流のカソード排出路２４に設けられている。
図１２は、第４実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図１２に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
ここで、図１２のステップＳ１、ステップＳ３１、ステップＳ４、ステップＳ６およびステップＳ１６の内容は、図１０のステップＳ１、ステップＳ３１、ステップＳ４、ステップＳ６およびステップＳ１６と同様であるので詳細な説明を省略する。なお、水素システム２００の停止制御が開始する際には、カソード弁２０Ｂは閉止状態であるとともに、アノード出口弁２３は閉止状態である。また、ガス供給器２０Ａの動作は停止している。アノード入口弁２７は開放されていてもよいし、閉止されていてもよいが、本例は、アノード入口弁２７が開放状態である場合について説明する。
ステップＳ１でカソード弁２０Ｂを開放した状態において、ステップＳ２１で、カソード圧が所定値Ａ以下に到達したかどうかが判定される。ステップＳ２１の「所定値Ａ」として、例えば、約０．０１ＭＰａ～０．１ＭＰａのうちのいずれかのゲージ圧を挙げることができるが、これに限定されない。
ここで、カソード圧が、所定値Ａを上回る場合（ステップＳ２１で「Ｎｏ」の場合）、カソード弁２０Ｂを開放したままの状態が維持される。カソード圧が、所定値Ａ以下に到達すると（ステップＳ２１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ３１に進み、ステップＳ３１で、カソード弁２０Ｂを閉止する。
ステップＳ４でガス供給器２０Ａを動作した状態において、ステップＳ５１でアノード圧およびカソード圧間の差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達したかであるかどうかが判定される。ステップＳ５１の「所定値Ｂ」として、例えば、約０．０１ＭＰａ～１ＭＰａのうちのいずれかのゲージ圧を挙げることができるが、これに限定されない。
ここで、上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達していない場合（ステップＳ５１で「Ｎｏ」の場合）、ガス供給器２０Ａを動作させたままの状態が維持される。上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達した場合（ステップＳ５１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ６に進み、ステップＳ６で、ガス供給器２０Ａの動作が停止する。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、第１圧力計３０で計測されるカソード圧に基づいて、カソード弁２０Ｂを閉止するタイミングを適切に知ることができる。また、本実施形態の水素システム２００は、第１圧力計３０および第２圧力計３１で計測されるアノード圧およびカソード圧間の差圧「アノード圧－カソード圧」に基づいて、ガス供給器２０Ａの動作を停止するタイミングを適切に知ることができる。
また、本実施形態の水素システム２００は、大気圧を基準とするゲージ圧でアノード圧を１ＭＰａ未満とすることにより、アノード圧をゲージ圧で１ＭＰａ以上にする場合に比べて、水素含有ガス供給系におけるアノードＡＮに連接する部材、アノードＡＮのガスラインを低圧仕様で構成しやすくなるので、装置のコストを低減することができる。
ただし、以上の所定値Ａおよび所定値Ｂは、例示であって、本例に限定されない。つまり、本実施形態の水素システム２００では、水素システム２００の停止時に、アノード圧がカソード圧よりも高いという条件を満たせば、所定値Ａおよび所定値Ｂは、どのような数値に設定しても構わない。例えば、電気化学式水素ポンプ１００が、燃料電池フォークリフト向けの圧縮機である場合、一般的に、カソードＣＡ側には、約４０ＭＰａ程度の高圧のカソードガスが存在する。このため、所定値Ａおよび所定値Ｂは、必ずしも、１ＭＰａ未満の大気圧近傍の値に設定しなくても構わない。
本実施形態の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第５実施例、第２実施形態の変形例および第３実施形態のいずれかと同様であってもよい。
（第５実施形態）
図１３は、第５実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図１３に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、アノード供給路２１と、アノード排出路２２と、アノード出口弁２３と、アノード入口弁２７と、カソード排出路２４と、連通路２５と、第１圧力計３０と、第２圧力計３１と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様である。また、アノード供給路２１、アノード排出路２２、アノード出口弁２３、アノード入口弁２７およびカソード排出路２４、第３実施形態と同様である。また、第１圧力計３０および第２圧力計３１は、第４実施形態と同様である。
圧力調整器２０は、ガス供給器２０Ａと、カソード弁２０Ｂと、連通弁２０Ｃと、を備える。ここで、ガス供給器２０Ａは第１実施形態の第３実施例と同様である。また、カソード弁２０Ｂは第２実施形態の第３実施例と同様である。なお、以下の例では、ガス供給器２０ＡによりアノードＡＮに水素含有ガスが供給される場合について説明するが、これに限定されない。
連通弁２０Ｃは、カソードＣＡからカソードガスをアノードＡＮに供給するための弁である。連通弁２０Ｃは、カソードＣＡからカソードガスをアノードＡＮに供給できれば、どのような構成であってもよい。連通弁２０Ｃとして、例えば、窒素ガスまたは空気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。なお、連通弁２０Ｃが、本開示の「第２の弁」の一例に対応する。
連通弁２０Ｃは、連通路２５に設けられている。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、連通路２５の上流端は、例えば、カソードガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。連通路２５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。図１３に示す例では、連通路２５の下流端が、ガス供給器２０Ａよりも下流のアノード供給路２１に接続するとともに、連通路２５の上流端が、カソード弁２０Ｂよりも上流のカソード排出路２４に接続している。
本実施形態では、制御器５０が、連通弁２０Ｃを開放させることによりカソード圧を減圧した後、アノードＡＮの出口を封止した状態で、ガス供給器２０Ａを制御して、アノードＡＮの入口に水素含有ガスを供給することによりアノード圧を昇圧する。
ここで、本実施形態では、カソードＣＡからカソードガスをアノードＡＮに供給するときに、「アノードＡＮの入口および出口を封止した状態」にすることで、「アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態」が実現される。図１３に示す例では、連通弁２０Ｃを開放するときに、アノードＡＮの入口に連通するアノード供給路２１に設けられたアノード入口弁２７と、アノードＡＮの出口に連通するアノード排出路２２に設けられた、アノード出口弁２３とが閉止されると、「アノードＡＮの入口および出口を封止した状態」にすることができる。
また、本実施形態では、アノードＡＮの入口にガスを供給するときに、「アノードＡＮの出口を封止した状態」にすることで、「アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態」が実現される。図１３に示す例では、ガス供給器２０Ａを制御して、アノードＡＮの入口にガスを供給するときに、アノードＡＮの出口に連通するアノード排出路２２に設けられた、アノード出口弁２３が閉止されると、「アノードＡＮの出口を封止した状態」にすることができる。
図１４は、第５実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図１４に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
ここで、図１４のステップＳ１、ステップＳ２１およびステップＳ３１の内容は、図１２のステップＳ１、ステップＳ２１およびステップＳ３１と同様であるので詳細な説明を省略する。ただし、図示を省略するが、図１４のステップＳ１、ステップＳ２１およびステップＳ３１の動作は、ステップＳ８の連通弁２０Ｃの開放に先立って、カソード弁２０Ｂを所定時間だけ開閉する予備動作である。これは、カソードＣＡ側に高圧のカソードガスが存在する場合、以上の予備動作を行わずに連通弁２０Ｃを開放すると、低圧仕様の水素含有ガス供給系に高圧のカソードガスが供給される可能性があるからである。よって、かかる予備動作は、水素システム２００の停止制御開始時におけるカソードＣＡに存在するカソードガスの圧力に依存して不要な場合がある。
水素システム２００の停止制御が開始すると、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体（図示せず）へのカソードガスの供給が停止する。このとき、カソード弁２０Ｂおよび連通弁２０Ｃは閉止状態であるとともに、アノード出口弁２３は閉止状態である。また、ガス供給器２０Ａの動作は停止している。アノード入口弁２７は開放されていてもよいし、閉止されていてもよいが、本例は、アノード入口弁２７が開放状態である場合について説明する。
ここで、ステップＳ３１で、カソード弁２０Ｂを閉止するとともに、ステップＳ８で連通弁２０Ｃを開放する。なお、ステップＳ８の前にアノード出口弁２３を開放してもよい。アノード出口弁２３を開放した状態で、ステップＳ８で連通弁２０Ｃを開放すると、アノードＡＮ上に存在するガスは、カソードガスによりパージされる。
そして、ステップＳ９で、連通弁２０Ｃの開放時から「所定時間Ｄ」が経過した後、ステップＳ１０で連通弁２０Ｃを閉止する。これにより、カソードＣＡから高圧のカソードガスがアノードＡＮに供給され、その結果、アノード圧およびカソード圧が同圧に近づくように制御することができる。ステップＳ９の「所定時間Ｄ」として、例えば、約６０秒～約３０分のうちのいずれかの時間を挙げることができるが、これに限定されない。このとき、ステップＳ９の「所定時間Ｄ」として、制御器５０のタイマーで計測された時間を使用することができる。
その後、ステップＳ４でガス供給器２０Ａの動作が開始される。このとき、図示を省略するが、連通弁２０Ｃの開放時にアノード出口弁２３が開放状態であった場合は、アノード出口弁２３は閉止される。
ステップＳ４でガス供給器２０Ａを動作した状態において、ステップＳ５１でアノード圧およびカソード圧間の差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達したかであるかどうかが判定される。ステップＳ５１の「所定値Ｂ」として、例えば、約０．０１ＭＰａ～１ＭＰａのうちのいずれかのゲージ圧を挙げることができるが、これに限定されない。
ここで、上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達していない場合（ステップＳ５１で「Ｎｏ」の場合）、ガス供給器２０Ａを動作させたままの状態が維持される。上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達した場合（ステップＳ５１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ６に進み、ステップＳ６で、ガス供給器２０Ａの動作が停止するとともに、ステップＳ１６でアノード入口弁２７が閉止される。
以上のとおり、本実施形態の水素システムは、アノードＡＮの出口を封止した状態において、アノードＡＮに供給する水素含有ガスの供給圧力を利用することで、アノード圧を適切に昇圧させることができる。また、本実施形態の水素システム２００は、連通弁２０Ｃの開放により、カソード圧がアノード圧に近づくようにカソード圧を減圧させることができる。
ここで、連通弁２０Ｃは、カソードＣＡからアノードＡＮへのカソードガス供給を制御するための弁として機能する。よって、本実施形態の水素システム２００は、連通弁２０Ｃを使用してカソードＣＡからアノードＡＮにカソードガスを供給することで、カソードガスの供給を行わない場合に比べて、カソードＣＡを昇圧するためにガス供給器２０ＡによってアノードＡＮに供給される水素含有ガスの供給量が低減する。
本実施形態の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第５実施例、第２実施形態の変形例、第３実施形態および第４実施形態のいずれかと同様であってもよい。
（変形例）
本変形例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第５実施形態と同様である。
アノードＡＮの出口を封止した状態で、制御器５０が、連通弁２０Ｃを開放させることによりアノード圧を昇圧した後、カソード弁２０Ｂを開放させることによりカソード圧を減圧する。
ここで、本変形例では、カソードＣＡからカソードガスをアノードＡＮに供給するときに、「アノードＡＮの入口および出口を封止した状態」にすることで、「アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態」が実現される。図１３に示す例では、連通弁２０Ｃを開放するときに、アノードＡＮの入口に連通するアノード供給路２１に設けられたアノード入口弁２７と、アノードＡＮの出口に連通するアノード排出路２２に設けられた、アノード出口弁２３とが閉止されると、「アノードＡＮの入口および出口を封止した状態」にすることができる。
図１５は、第５実施形態の変形例の水素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に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
第５実施形態では、図１４に示すように、ステップＳ１０で連通弁２０Ｃを閉止した後、ステップＳ４、ステップＳ５１およびステップＳ６の動作が行われているが、本変形例では、これらの動作に代えて、以下の動作が行われる。
ステップＳ２０１でカソード弁２０Ｂを開放した状態において、ステップＳ５１でアノード圧およびカソード圧間の差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達したかであるかどうかが判定される。ステップＳ５１の「所定値Ｂ」として、例えば、約０．０１ＭＰａ～１ＭＰａのうちのいずれかのゲージ圧を挙げることができるが、これに限定されない。
ここで、上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達していない場合（ステップＳ５１で「Ｎｏ」の場合）、カソード弁２０Ｂを開放したままの状態が維持される。上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達した場合（ステップＳ５１で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ２０３に進み、ステップＳ２０３でカソード弁２０Ｂが閉止される。
以上のとおり、本変形例の水素システム２００は、連通弁２０Ｃの開放により、アノードＡＮの出口を封止した状態において、カソードガスの圧力を利用することで、アノード圧を適切に昇圧させた後、カソード弁２０Ｂの開放によりカソードＣＡの圧力を更に減圧させることで、アノードＡＮの圧力をカソードＣＡの圧力よりも高くすることができる。
本変形例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第５実施例、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態および第５実施形態のいずれかと同様であってもよい。
（第６実施形態）
図１６は、第６実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図１６に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、アノード供給路２１と、アノード排出路２２と、アノード出口弁２３と、カソード排出路２４と、ガス封入弁２０ＡＢと、ガス供給路２６と、ガス貯蔵器４０と、第１圧力計３０と、第２圧力計３１と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様である。また、アノード供給路２１、アノード排出路２２、アノード出口弁２３およびカソード排出路２４、第３実施形態と同様である。また、第１圧力計３０および第２圧力計３１は、第４実施形態と同様である。
圧力調整器２０は、ガス供給器２０ＡＡと、ガス封入弁２０ＡＢと、カソード弁２０Ｂと、を備える。ここで、カソード弁２０Ｂは、第２実施形態の第３実施例と同様である。
ガス供給器２０ＡＡは、アノードＡＮに水素含有ガスと異なるガスを供給する装置である。ガス供給器２０ＡＡは、アノードＡＮに水素含有ガスと異なるガスを供給できれば、どのような構成であってもよい。ガス供給器２０ＡＡとして、例えば、ポンプを挙げることができる。また、水素含有ガスと異なるガスとして、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス、空気、都市ガス、液化石油ガスなどを挙げることができる。
ガス封入弁２０ＡＢは、ガス供給路２６に設けられ、ガス貯蔵器４０からアノードＡＮに上記ガスを供給するための弁である。ガス封入弁２０ＡＢおよびガス供給路２６は、ガス貯蔵器４０から上記ガスをアノードＡＮに供給できれば、どのような構成であってもよい。図１６に示す例では、ガス供給路２６の上流端が、ガス貯蔵器４０に接続しており、ガス供給路２６の下流端が、ガス供給器２０ＡＡに接続しているが、これに限定されない。例えば、ガス貯蔵器４０内のガス圧が高圧である場合、ガス供給路２６の下流端は、第１圧力計３０よりも上流のアノード供給路２１に接続してもよい。ガス封入弁２０ＡＢとして、例えば、窒素ガスまたは空気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。
図１７は、第６実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図１７に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
ここで、図１７のステップＳ１、ステップＳ２１およびステップＳ３１の内容は、図１２のステップＳ１、ステップＳ２１およびステップＳ３１と同様であるので詳細な説明を省略する。なお、水素システム２００の停止制御が開始する際には、カソード弁２０Ｂおよびガス封入弁２０ＡＢは閉止状態であるとともに、アノード出口弁２３は閉止状態である。また、ガス供給器２０ＡＡの動作は停止している。
ステップＳ３１でカソード弁２０Ｂを閉止するとともに、ステップＳ１１で、ガス封入弁２０ＡＢを開放する。また、ステップＳ２０４でガス供給器２０ＡＡが動作する。すると、ガス貯蔵器４０からアノードＡＮへのガスの供給が開始する。よって、アノードＡＮに水素含有ガスと異なるガスを供給することにより、アノード圧を昇圧する動作が行われる。
ステップＳ２０４でガス供給器２０ＡＡを動作した状態において、ステップＳ５１でアノード圧およびカソード圧間の差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達したかであるかどうかが判定される。ステップＳ５１の「所定値Ｂ」として、例えば、約０．０１ＭＰａ～１ＭＰａのうちのいずれかのゲージ圧を挙げることができるが、これに限定されない。
ここで、上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達していない場合（ステップＳ５１で「Ｎｏ」の場合）、ガス封入弁２０ＡＢを開放したままの状態、および、ガス供給器２０ＡＡを動作させたままの状態が維持される。上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達した場合（ステップＳ５１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ２０６およびステップＳ１２に進み、ステップＳ２０６で、ガス供給器２０ＡＡの動作が停止するとともに、ステップＳ１２で、ガス封入弁２０ＡＢを閉止する。すると、ガス貯蔵器４０からアノードＡＮへのガスの供給が停止する。
なお、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法が奏する作用効果は、第１実施形態－第４実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法が奏する作用効果の参酌により容易に理解することができるので説明を省略する。
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、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第５実施例、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態および第５実施形態の変形例のいずれかと同様であってもよい。
（第７実施形態）
図１８は、第７実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図１８に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、圧力調整器２０と、アノード出口弁２３と、アノード入口弁２７と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様である。アノード出口弁２３およびアノード入口弁２７は、第３実施形態と同様である。
圧力調整器２０は、電圧印加器２０Ｄを含む装置である。電圧印加器２０Ｄは、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加する装置である。電圧印加器２０Ｄは、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することができれば、どのような構成であってもよい。これにより、電圧印加器２０Ｄを用いて、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電が行われる。なお、電圧印加器２０Ｄ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２０Ｄ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２０Ｄ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２０Ｄ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。
本実施形態では、水素システム２００の停止時に、アノードＡＮの入口および出口を封止した状態で、制御器５０は、電圧印加器２０Ｄを制御して、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に、水素システム２００の停止前とは逆の電圧を印加することにより、アノード圧を昇圧し、カソード圧を減圧する。具体的には、水素システム２００の停止前には、電圧印加器２０Ｄの高電位が、アノードＡＮに印加され、電圧印加器２０Ｄの低電位が、カソードＣＡに印加されるのに対して、水素システム２００の停止時には、電圧印加器２０Ｄの高電位が、カソードＣＡに印加され、電圧印加器２０Ｄの低電位が、アノードＡＮに印加される。
ここで、本実施形態では、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に、水素システム２００の停止前とは逆の電圧を印加するとき、「アノードＡＮの入口および出口を封止した状態」にすることで、「アノードＡＮからの水素含有ガスの流出を封じた状態」が実現される。また、例えば、アノードＡＮの入口に連通するアノード供給路に設けられたアノード入口弁２７、および、アノードＡＮの出口に連通するアノード排出路に設けられたアノード出口弁２３が閉止されると、「アノードＡＮの入口および出口を封止した状態」にすることができる。
図１９は、第７実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。図１９に示された動作は、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、本動作を制御器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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
ここで、図１９のステップＳ１およびステップＳ２１の内容は、図１２のステップＳ１およびステップＳ２１と同様であるので詳細な説明を省略する。なお、水素システム２００の停止制御が開始する際には、カソード弁２０Ｂ（図４参照）およびアノード出口弁２３は閉止状態である。アノード入口弁２７は開放されていてもよいし、閉止されていてもよいが、本例は、アノード入口弁２７が開放状態である場合について説明する。また、電圧印加器２０Ｄの動作は停止している。
ステップＳ３１Ａでカソード弁２０Ｂを閉止すとともに、アノード入口弁２７を閉止する。この状態において、ステップＳ１３で、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に、水素システム２００の停止前とは逆の電圧を印加するように、電圧印加器２０Ｄを動作する。これにより、水素システム２００の停止時には、プロトンが、電解質膜１０を介してカソードＣＡからアノードＡＮに移動する。
ステップＳ１３で電圧印加器２０Ｄを動作した状態において、ステップＳ５１でアノード圧およびカソード圧間の差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達したかであるかどうかが判定される。ステップＳ５１の「所定値Ｂ」として、例えば、約０．０１ＭＰａ～１ＭＰａのうちのいずれかのゲージ圧を挙げることができるが、これに限定されない。
ここで、上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達していない場合（ステップＳ５１で「Ｎｏ」の場合）、電圧印加器２０Ｄを動作させたままの状態が維持される。上記差圧「アノード圧－カソード圧」が所定値Ｂに到達した場合（ステップＳ５１で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップＳ１４に進み、ステップＳ１４で、電圧印加器２０Ｄの動作が停止する。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、水素システム２００の停止時に、アノードＡＮの入口および出口を封止した状態で、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に、水素システム２００の停止前とは逆の電圧印加によって、プロトンが、電解質膜１０を介してカソードＣＡからアノードＡＮに移動するので、アノード圧を昇圧させるとともに、カソード圧を減圧させることができる。
本実施形態の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第５実施例、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第５実施形態の変形例および第６実施形態のいずれかと同様であってもよい。
第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の第１実施例－第５実施例、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第５実施形態の変形例、第６実施形態および第７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。
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。
本開示の一態様は、再起動時における水素圧縮動作の効率低下を従来よりも抑制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。
１０ ：電解質膜
２０ ：圧力調整器
２０Ａ ：ガス供給器
２０ＡＡ ：ガス供給器
２０ＡＢ ：ガス封入弁
２０Ｂ ：カソード弁
２０Ｃ ：連通弁
２０Ｄ ：電圧印加器
２１ ：アノード供給路
２２ ：アノード排出路
２３ ：アノード出口弁
２４ ：カソード排出路
２５ ：連通路
２６ ：ガス供給路
２７ ：アノード入口弁
３０ ：第１圧力計
３１ ：第２圧力計
４０ ：ガス貯蔵器
５０ ：制御器
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

Claims (20)

  1. 電解質膜を挟んで設けられたアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素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、
    少なくとも前記アノードの圧力を調整する圧力調整器と、
    停止時に、前記アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くする制御器と、を備える、水素システム。
  2. 前記制御器は、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を昇圧することにより、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くする、請求項１に記載の水素システム。
  3. 前記制御器が、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を昇圧した後、前記アノードと前記カソードとの差圧が低下すると、前記制御器は、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を昇圧する、請求項２に記載の水素システム。
  4. 前記圧力調整器は、前記アノードにガスを供給するガス供給器を含み、
    前記アノードの出口を封止した状態で、前記制御器が、前記ガス供給器を制御して前記アノードにガスを供給させることにより前記アノードの圧力を昇圧する、請求項１－３のいずれか１項に記載の水素システム。
  5. 前記圧力調整器は、前記アノードおよび前記カソードの圧力を調整し、前記制御器は、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を昇圧し、かつ前記カソードの圧力を減圧することにより、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くする、請求項１に記載の水素システム。
  6. 前記制御器が、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を昇圧し、かつ前記カソードの圧力を減圧した後、前記アノードと前記カソードとの差圧が低下すると、前記制御器は、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を昇圧する、請求項５に記載の水素システム。
  7. 前記制御器が、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を昇圧し、かつ前記カソードの圧力を減圧した後、前記アノードと前記カソードとの差圧が低下すると、前記制御器は、前記圧力調整器を制御して、前記カソードの圧力を減圧する、請求項５に記載の水素システム。
  8. 前記圧力調整器は、前記アノードにガスを供給するガス供給器、および前記カソードから圧縮水素を含むカソードガスを前記アノードと異なる箇所に排出するための第１の弁を含み、
    前記アノードの出口を封止した状態で、前記制御器が、前記ガス供給器を制御して前記アノードにガスを供給させることにより前記アノードの圧力を昇圧し、前記制御器が、前記第１の弁を開放させることにより、前記カソードの圧力を減圧する、請求項５－７のいずれか１項に記載の水素システム。
  9. 前記圧力調整器は、前記アノードにガスを供給するガス供給器および前記カソードから圧縮水素を含むカソードガスを前記アノードに供給するための第２の弁を含み、
    前記制御器が、前記第２の弁を開放させることにより前記カソードの圧力を減圧した後、前記アノードの出口を封止した状態で、前記ガス供給器を制御して、前記アノードにガスを供給することにより前記アノードの圧力を昇圧する、請求項５または６に記載の水素システム。
  10. 前記圧力調整器は、前記カソードから圧縮水素を含むカソードガスを前記アノードに供給するための第２の弁および前記カソードガスを前記アノードと異なる箇所に排出するための第１の弁とを備え、
    前記アノードの出口を封止した状態で、前記制御器が、前記第２の弁を開放させることにより前記アノードの圧力を昇圧した後、前記第１の弁を開放させることにより前記カソードの圧力を減圧する、請求項５または７に記載の水素システム。
  11. 前記アノードから排出される水素含有ガスが流れる排出路と、前記排出路に設けられた第３の弁と、を備え、
    前記制御器は、前記第３の弁を閉止させることにより前記アノードの出口を封止した状態にする、請求項４、８－１０のいずれか１項に記載の水素システム。
  12. 前記制御器は、前記圧力調整器を制御して、前記アノードの圧力を１ＭＰａ未満とする請求項１―３、５－７のいずれか１項に記載の水素システム。
  13. 前記ガス供給器は、前記水素含有ガスと異なるガスを供給する、請求項４、８、９のいずれか１項に記載の水素システム。
  14. 前記圧力調整器は、前記アノードおよび前記カソード間に電圧を印加する電圧印加器を含み、前記アノードの入口および出口を封止した状態で、前記制御器は、前記電圧印加器を制御して、前記アノードおよび前記カソード間に、停止前とは逆の電圧を印加することにより、前記アノードの圧力を昇圧し、前記カソードの圧力を減圧する、請求項５－７のいずれか１項に記載の水素システム。
  15. 電解質膜を挟んで設けられたアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、
    停止時に、前記アノードからの水素含有ガスの流出を封じた状態で、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くするステップと、を備える、水素システムの運転方法。
  16. 前記アノードの圧力を昇圧することにより、前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くする、請求項１５に記載の水素システムの運転方法。
  17. 前記アノードの圧力を昇圧し、かつ前記カソードの圧力を減圧することにより前記アノードの圧力を前記カソードの圧力よりも高くする、請求項１５に記載の水素システムの運転方法。
  18. 前記アノードにガスを供給することにより前記アノードの圧力を昇圧する、請求項１６または１７に記載の水素システムの運転方法。
  19. 前記圧縮水素を含むカソードガスを前記カソードから排出することにより前記カソードの圧力を減圧する、請求項１７に記載の水素システムの運転方法。
  20. 前記アノードに水素含有ガスと異なるガスを供給することにより前記アノードの圧力を昇圧する、請求項１８に記載の水素システムの運転方法。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009114012A (ja) * 2007-11-05 2009-05-28 Honda Motor Co Ltd イオンポンプシステム及びその運転方法
JP2011256432A (ja) * 2010-06-09 2011-12-22 Honda Motor Co Ltd 水電解装置の運転停止方法
JP2019031700A (ja) * 2017-08-04 2019-02-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システム
JP2019206749A (ja) * 2018-05-24 2019-12-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009114012A (ja) * 2007-11-05 2009-05-28 Honda Motor Co Ltd イオンポンプシステム及びその運転方法
JP2011256432A (ja) * 2010-06-09 2011-12-22 Honda Motor Co Ltd 水電解装置の運転停止方法
JP2019031700A (ja) * 2017-08-04 2019-02-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システム
JP2019206749A (ja) * 2018-05-24 2019-12-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法

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