CN114040995A - 氢系统和氢系统的运转方法 - Google Patents

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Abstract

一种氢系统，具备：通过对夹持电解质膜而配置的阳极与阴极之间施加电压而使从被供给到所述阳极的阳极流体中取出的质子移动到所述阴极，生成压缩氢气的压缩机；对所述阳极与所述阴极施加电压的电压施加器；用于将从所述阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气供给到所述压缩机的阳极的第1流路；设置于所述第1流路的第1开关阀；以及在从起动开始直到所述阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间使所述第1开关阀打开的状态下，使所述电压施加器施加所述电压的控制器。

Description

氢系统和氢系统的运转方法
技术领域
本公开涉及氢系统和氢系统的运转方法。
背景技术
近年来，由于全球变暖等环境问题、石油资源枯竭等能源问题，氢气作为替代化石燃料的清洁的替代能源而受到关注。氢气即使燃烧基本上也只释放出水，不会排出导致全球变暖的二氧化碳，并且也几乎不会排出氮氧化物等，因此作为清洁能源备受期待。另外，作为高效利用氢气作为燃料的装置，例如有燃料电池，面向汽车用电源、面向家庭用自发电的开发和普及正在发展。
在将要到来的氢气社会中，除了制造氢气以外，还要求开发能够高密度地存储氢气、并以小容量且低成本地输送或利用氢气的技术。特别是为了促进成为分散型的能源的燃料电池的普及，需要配备氢气供给基础设施。因此，为了稳定地供给氢气，对于制造、精制、高密度存储高纯度的氢气进行了各种研究。
例如，专利文献1记载了一种氢气精制升压系统，其在阳极与阴极之间设置有电解质膜，通过对阳极与阴极之间施加电压，进行氢气的精制和升压。再者，将阳极、电解质膜和阴极的层叠结构体称为膜电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。另外，专利文献1公开了在氢气精制升压系统的停止时，用氮气吹扫系统中残存的气体。
在此，例如燃料电池车辆中使用的氢气，通常会以几十MPa的高压填充于车内的氢罐中。此时，用于填充到燃料电池车辆的氢罐中的氢气的纯度，在国际标准(ISO14687-2)中规定氢纯度为99.97％以上，并且限定了各杂质的上限值。
因此，专利文献2中提出了一种在氢制造模式开始时，用于从压缩部向填充部填充高纯度的氢气的方法。具体而言，专利文献2中如0043段和0044段记载了在将阴极的压缩氢气向填充部供给之前，一边使离子泵工作一边将阴极废气(offgas)连同阳极废气一起供给到催化燃烧器，进行燃烧处理。
在先技术文献
专利文献1：日本特许第6299027号公报
专利文献2：日本特开2009-123432号公报
发明内容
发明要解决的课题
本公开作为一例，其课题在于提供与以往相比能够提高氢压缩的效率的氢系统和氢系统的运转方法。
用于解决课题的手段
本公开的一个技术方案(aspect)的氢系统，具备压缩机、电压施加器、第1流路、第1开关阀和控制器，所述压缩机通过对夹持电解质膜而配置的阳极与阴极之间施加电压，使从被供给到所述阳极的阳极流体中取出的质子移动到所述阴极，生成压缩氢气，所述电压施加器对所述阳极与所述阴极施加电压，所述第1流路用于将从所述阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气供给到所述压缩机的阳极，所述第1开关阀设置于所述第1流路，所述控制器在从起动开始直到所述阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间使所述第1开关阀打开的状态下，使所述电压施加器施加所述电压。
本公开的一个技术方案的氢系统的运转方法，具备：通过对压缩机的阳极与阴极之间施加电压，使从被供给到阳极的阳极流体中取出的质子经由电解质膜移动到阴极，生成压缩氢气的步骤；以及在从起动开始直到将从所述压缩机的阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间，在打开了设置于用于将所述阴极废气供给到所述压缩机的阳极的第1流路的第1开关阀的状态下，对所述阳极与所述阴极之间施加电压的步骤。
发明的效果
本公开的一个技术方案的氢系统和氢系统的运转方法，发挥与以往相比能够提高氢压缩的效率这样的效果。
附图说明
图1是表示第1实施方式的氢系统的一例的图。
图2是表示第2实施方式的氢系统的一例的图。
图3是表示第2实施方式的第1变形例的氢系统的一例的图。
图4是表示第2实施方式的第2变形例的氢系统的一例的图。
图5是表示第3实施方式的氢系统的一例的图。
图6是表示第3实施方式的第1变形例的氢系统的一例的图。
图7是表示第3实施方式的第2变形例的氢系统的一例的图。
图8是表示第3实施方式的第3变形例的氢系统的一例的图。
图9是表示第4实施方式的氢系统的一例的图。
图10是表示第4实施方式的实施例的氢系统的一例的图。
图11是表示第4实施方式的变形例的氢系统的一例的图。
图12是表示第5实施方式的氢系统的一例的图。
具体实施方式
专利文献1中，在起动氢气精制升压系统时，将包含杂质的阴极废气向氢罐供给，由此有时会导致氢罐内的氢气的纯度不满足上述国际标准。
具体而言，例如电解质膜通常使用固体高分子膜，固体高分子膜不是完全致密的膜。因此，如果夹持电解质膜而配置的阳极和阴极中分别存在的气体的组成(例如杂质成分的气体浓度)不同，则会以由该气体的浓度引起的化学势差为驱动力，杂质和氢经由电解质膜相互扩散(交叉泄漏；cross leak)，最终使阳极和阴极的气体的组成变为相同。再者，经由电解质膜进行交叉泄漏的气体的速度取决于电解质膜的材料和膜厚。
另外，氢气精制升压系统根据下述的阳极和阴极的反应，对阳极与阴极之间施加电压，选择性地使氢从阳极侧电化学地移动到阴极侧，将阴极侧密封，由此能够进行氢气精制升压。
阳极：H2(低压)→2H++2e-
阴极：2H++2e-→H2(高压)
氢气精制升压系统的氢压缩工作中，如上所述，选择性地从阳极电化学地移动到阴极的氢量，与通过交叉泄漏而从阴极移动到阳极的氢量和从阳极移动到阴极的杂质的量相比要大得多，因此即使阳极中的含氢气体中包含杂质，阴极气体中的氢也能够维持高纯度。与此相对，在氢气精制升压系统的氢压缩工作的停止中，由于氢不从阳极向阴极电化学地移动，因此在阳极中的含氢气体中包含杂质的情况下，通过交叉泄漏，由杂质从阳极向阴极的移动或氢从阴极向阳极的移动带来的影响变大，使阴极气体中的氢纯度降低。该情况下，在起动氢气精制升压系统时，如果将阴极废气原样直接供给到氢存储器中，则氢存储器内的氢的纯度有可能降低。
另外，例如在氢气精制升压系统的氢压缩工作的停止中，假如阴极内的气体压力成为外部气体压力以下，则有可能会使杂质从外部混入到阴极内。该情况下，在起动氢气精制升压系统时，如果将阴极废气原样直接供给到氢存储器中，则氢存储器内的氢的纯度有可能降低。
在此，专利文献2公开的发明，虽然能够抑制供给到氢存储器的氢的纯度降低，但由于将阴极气体进行燃烧处理并向系统外排气，因此存在氢压缩的效率降低这样的问题。
因此，本公开人鉴于这样的状况进行了认真研究，结果发现通过在从起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间，一边将包含杂质的阴极废气向压缩机的阳极供给，一边对阳极与阴极之间施加电压，能够减轻以上问题，从而想到了以下的本公开的一个技术方案。
即、本公开的第1技术方案的氢系统，具备：通过对夹持电解质膜而配置的阳极与阴极之间施加电压，使从被供给到阳极的阳极流体中取出的质子移动到阴极，生成压缩氢气的压缩机；对阳极与阴极施加电压的电压施加器；用于将从阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气供给到压缩机的阳极的第1流路；设置于第1流路的第1开关阀；以及在从起动开始直到所述阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间使第1开关阀打开的状态下，使电压施加器施加上述电压的控制器。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统与以往相比能够提高氢压缩的效率。
具体而言，例如在氢系统的氢压缩工作的停止中，由于氢不从阳极向阴极电化学地移动，因此由阳极和阴极中分别存在的杂质的气体浓度引起的化学势差变小这样的杂质交叉泄漏的影响变大。该情况下，在起动氢系统时，如果将阴极废气原样直接供给到氢存储器，则氢存储器内的氢的纯度有可能降低。
另外，例如在氢系统的氢压缩工作的停止中，假如阴极内的气体压力为外部气体压力以下，则杂质有可能从外部混入到阴极内。该情况下，在起动氢系统时，如果将阴极废气原样直接供给到氢存储器，则氢存储器内的氢的纯度有可能降低。
但是，本技术方案的氢系统，在从起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间使第1开关阀打开的状态下，使电压施加器施加上述电压，由此使被供给到阳极的包含杂质的阴极废气中的氢通过电化学反应而再次供给到阴极。由此，本技术方案的氢系统能够使供给到氢存储器的阴极废气中的氢高纯度化。
并且，本技术方案的氢系统，由于包含杂质的阴极废气作为向阳极供给的含氢气体有效地被再利用，因此与将阴极废气例如像专利文献2那样进行燃烧处理从而向系统外排气的情况相比，氢系统的效率提高。
另外，本技术方案的氢系统，通过在从起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间使第1开关阀打开的状态下，利用电压施加器对阳极与阴极施加电压，与不施加该电压的情况相比，能够将阴极内的气体压力升压。由此，本技术方案的氢系统，在起动氢系统时，容易将包含杂质的阴极废气从阴极供给到阳极。
本公开的第2技术方案的氢系统，在第1技术方案的氢系统的基础上，控制器在通过电压施加器开始施加电压之后，使第1开关阀打开。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统与在通过电压施加器开始施加上述电压之前打开第1开关阀的情况相比，能够将包含杂质的阴极废气适当地供给到压缩机的阳极。例如，在起动开始时，即使阴极内的气体压力为阳极内的气体压力以下的情况下，通过对阳极与阴极施加电压，也能够将阴极内的气体压力升压。由此，本技术方案的氢系统，在起动氢系统时，容易将包含杂质的阴极废气从阴极供给到阳极。
本公开的第3技术方案的氢系统，在第1技术方案或第2技术方案的氢系统的基础上可以设为：具备用于将阴极废气供给到氢存储器的第2流路、和设置于第2流路的第2开关阀，控制器在打开第2开关阀之前，使第1开关阀打开。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统通过在第2开关阀打开之前使第1开关阀打开，与同时打开第1开关阀和第2开关阀的情况以及将第1开关阀和第2开关阀的开放定时反过来的情况相比，能够抑制包含杂质的阴极废气向氢存储器的供给。
本公开的第4技术方案的氢系统，在第3技术方案的氢系统的基础上可以设为：第1流路从第2流路分支。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，在压缩机中能够将用于从阴极排出阴极废气的部位集中。
本公开的第5技术方案的氢系统，在第4技术方案的氢系统的基础上可以设为：在比第1流路分支的部位靠下游的第2流路具备第1止回阀。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，通过在比第1流路分支的部位靠下游的第2流路设置第1止回阀，在从起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间，即使打开设置于第1流路的第1开关阀，也能够适量地限制从第1流路通过的氢量。
例如，将在阴极生成的高压的氢通过第2流路向氢存储器供给的情况下，如果没有在第2流路设置第1止回阀，则在打开设置于第1流路的第1开关阀时，氢存储器内的氢有可能会以第2流路和第1流路的顺序通过这些流路进行移动，但本技术方案的氢系统，通过在比第1流路分支的部位靠下游的第2流路设置第1止回阀，能够降低这样的可能性。由此，能够抑制压缩机的氢压缩工作的效率降低。
在此，通过关闭设置于第2流路的第2开关阀，能够限制氢存储器内的氢向第1流路逆流。但是，假如在该第2开关阀发生工作故障，则难以限制氢向第1流路的逆流。
与此相对，本技术方案的氢系统，通过使用结构简单的第1止回阀，能够减轻上述不良情况。
本公开的第6技术方案的氢系统，在第1技术方案～第5技术方案中任一方案的氢系统的基础上可以设为：阳极流体为含氢气体，第1流路与用于将含氢气体供给到压缩机阳极的第3流路连接。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统在打开设置于第1流路的第1开关阀时，能够将从电化学氢泵的阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路和第3流路供给到阳极，因此不需要将该阴极废气排出到系统外。由此，本技术方案的氢系统中，包含杂质的阴极废气作为向阳极供给的含氢气体有效地被再利用，因此与将阴极废气向系统外排出的情况相比，氢系统的效率提高。
本公开的第7技术方案的氢系统，在第6技术方案的氢系统的基础上可以设为：在比与第3流路合流的部位靠上游的第1流路，具备防止与从压缩机的阴极排出的阴极废气的流动方向逆向的流动的第2止回阀。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，通过在第1流路设置第2止回阀，在打开设置于第1流路的第1开关阀时，即使阴极内的气体压力小于在第3流路中流动的含氢气体的供给压力，也能够抑制在第3流路中流动的氢纯度低的含氢气体向阴极逆流。
本公开的第8技术方案的氢系统，在第6技术方案或第7技术方案的氢系统的基础上可以设为：在比第1流路合流的部位靠上游的第3流路，具备防止与向压缩机的阳极供给的含氢气体的流动方向逆向的流动的第3止回阀。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，通过在第3流路设置第3止回阀，在打开设置于第1流路的第1开关阀时，能够抑制从阴极向阳极供给的高压的阴极废气流入低压规格的阳极气体供给系统。由此，本技术方案的氢系统，与没有在第3流路设置第3止回阀的情况相比，能够减轻阳极气体供给系统中设置的低压规格的设备等的破损。
在此，通过关闭设置于第3流路的适当的开关阀，能够抑制高压的阴极废气向低压规格的阳极气体供给系统流入。但是，假如在该开关阀发生工作故障，则难以抑制这样的阴极废气的流入。
与此相对，本技术方案的氢系统，通过使用结构简单的第3止回阀，能够减轻上述不良情况。
本公开的第9技术方案的氢系统，在第1技术方案～第8技术方案中任一方案的氢系统的基础上可以设为：阳极流体为含氢气体，氢系统具备使用原料通过改性反应生成含氢气体的氢生成器，第1流路与氢生成器连接。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，在打开设置于第1流路的第1开关阀时，能够将从电化学氢泵的阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路供给到氢生成器，因此不需要将该阴极废气排出到系统外。由此，本技术方案的氢系统中，包含杂质的阴极废气中的氢在氢生成器中有效地被再利用，因此与将阴极废气排出到系统外的情况相比，氢系统的效率提高。
本公开的第10技术方案的氢系统，在第9技术方案的氢系统的基础上可以设为：具备向氢生成器供给用于改性反应的反应物的反应物流路，第1流路与反应物流路合流。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，在打开设置于第1流路的第1开关阀时，能够将从电化学氢泵的阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路和反应物流路供给到氢生成器，因此不需要将该阴极废气排出到系统外。由此，本技术方案的氢系统，通过将包含杂质的阴极废气与反应物混合，阴极废气中的氢在氢生成器中有效地被再利用，因此与将阴极废气排出到系统外的情况相比，氢系统的效率提高。
本公开的第11技术方案的氢系统，在第10技术方案的氢系统的基础上可以设为：在比第1流路合流的部位靠上游的反应物流路，具备防止与向氢生成器供给的反应物的流动方向逆向的流动的第4止回阀。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，通过在反应物流路设置第4止回阀，在打开设置于第1流路的第1开关阀时，能够抑制从阴极向氢生成器供给的高压的阴极废气流入低压规格的反应物供给系统。由此，本技术方案的氢系统，与没有在反应物流路设置第4止回阀的情况相比，能够减轻反应物供给系统中设置的低压规格的设备等的破损。
在此，通过关闭设置于反应物流路的适当的开关阀，能够抑制高压的阴极废气向低压规格的反应物供给系统流入。但是，假如在该开关阀发生工作故障，则难以抑制这样的阴极废气的流入。
与此相对，本技术方案的氢系统，通过使用结构简单的第4止回阀，能够减轻上述不良情况。
本公开的第12技术方案的氢系统，在第10技术方案或第11技术方案的氢系统的基础上可以设为：反应物是原料。
本公开的第13技术方案的氢系统，在第1技术方案～第12技术方案中任一方案的氢系统的基础上可以设为：具备流通向阳极供给的阳极流体并且与第1流路合流的第3流路、和在比第1流路合流的部位靠上游的第3流路设置的第3开关阀，控制器在使第1开关阀打开并且使第3开关阀关闭的状态下，使电压施加器施加电压。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，通过在从起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间打开第1开关阀并且关闭第3开关阀的状态下，使电压施加器施加上述电压，将被供给到阳极的包含杂质的阴极废气中的氢气通过电化学反应而供给到阴极。由此，本技术方案的氢系统能够使供给到氢存储器的阴极废气中的氢高纯度化。并且，本技术方案的氢系统中，包含杂质的阴极废气作为向阳极供给的含氢气体有效地被再利用，因此与将阴极废气排出到系统外的情况相比，氢系统的效率提高。
另外，本技术方案的氢系统，通过在打开设置于第1流路的第1开关阀时，关闭设置于第3流路的第3开关阀，能够抑制从阴极向阳极供给的高压的阴极废气流入低压规格的阳极气体供给系统。由此，本技术方案的氢系统，与不关闭第3开关阀的情况相比，能够减轻阳极气体供给系统中设置的低压规格的设备等的破损。
本公开的第14技术方案的氢系统，在第1技术方案～第8技术方案中任一方案的氢系统的基础上可以设为：阳极流体为含氢气体，氢系统具备用于提高含氢气体中的氢浓度的氢精制器，第1流路与氢精制器连接。
根据该技术构成，本技术方案的氢系统，在打开设置于第1流路的第1开关阀时，能够将从电化学氢泵的阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路供给到氢精制器，因此不需要将该阴极废气排出到系统外。由此，本技术方案的氢系统中，包含杂质的阴极废气中的氢在氢精制器中有效地被再利用，因此与将阴极废气排出到系统外的情况相比，氢系统的效率提高。
本公开的第15技术方案的氢系统的运转方法，具备：通过对压缩机的阳极与阴极之间施加电压，使从被供给到阳极的阳极流体中取出的质子经由电解质膜移动到阴极，生成压缩氢气的步骤；以及在从起动开始直到将从压缩机的阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间，在打开了设置于用于将阴极废气供给到压缩机的阳极的第1流路的第1开关阀的状态下，对阳极与阴极之间施加电压的步骤。
根据以上，本技术方案的氢系统的运转方法，与以往相比能够提高氢压缩的效率。再者，关于本技术方案的氢系统的运转方法发挥的作用效果的详细情况，与第1技术方案的氢系统相同，因此省略说明。
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。再者，以下说明的实施方式都只表示上述各技术方案的一例。由此，以下示出的形状、材料、构成要素、以及构成要素的配置位置和连接方式等只是一例，只要没有记载于权利要求中，就不限定上述各技术方案。另外，关于以下的构成要素之中未记载于表示上述各技术方案的最上位概念的独立权利要求的构成要素，作为任意的构成要素进行说明。另外，附图中附带相同标记的部分有时会省略说明。为了便于理解附图，示意性地示出各个构成要素，因此形状和尺寸比例等有时并不是准确的表示。
(第1实施方式)
上述压缩装置的阳极流体，只要是在阳极的氧化反应中生成质子的流体，则可以设想各种气体、液体。
例如，在压缩装置为电化学氢泵的情况下，作为阳极流体可举出含氢气体。该情况下，在阳极催化剂层进行含氢气体中的氢气(H2)的氧化反应。
另外，例如在压缩装置为水电解装置的情况下，作为阳极流体可举出液态水。该情况下，在阳极催化剂层进行水的电解反应。
在以下的本公开的实施方式中，对于在阳极流体为含氢气体的情况下，作为压缩装置的一例的电化学氢泵的构成和工作进行说明。
[装置构成]
图1是表示第1实施方式的氢系统的一例的图。
图1所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、第1流路1、第1开关阀11、电压施加器31和控制器50。
电化学氢泵100的单元(MEA)具备电解质膜30、阳极AN和阴极CA。电化学氢泵100可以具备将多个这样的单元层叠而成的单元组。再者，关于单元组的详细情况会在后面进行说明。
在此，电化学氢泵100是通过对夹持电解质膜30而配置的阳极AN与阴极CA之间施加电压而使从被供给到阳极AN的含氢气体中取出的质子移动到阴极CA，生成压缩氢气的装置。上述含氢气体例如可以是在水的电解中生成的氢气，也可以是在烃原料的改性反应中生成的改性气体。再者，关于用于施加上述电压的电压施加器31的详细情况，会在后面进行说明。
阳极AN设置在电解质膜30的一侧的主面。阳极AN是包含阳极催化剂层和阳极气体扩散层的电极。阴极CA设置在电解质膜30的另一侧的主面。阴极CA是包含阴极催化剂层和阴极气体扩散层的电极。由此，电解质膜30以分别与阳极催化剂层和阴极催化剂层接触的方式，被阳极AN和阴极CA夹持。
电解质膜30只要是具备质子传导性的膜，则可以是任意结构。例如，作为电解质膜30，可举出氟系高分子电解质膜、烃系电解质膜等。具体而言，作为电解质膜30，例如可以使用Nafion(注册商标，杜邦公司制)、Aciplex(注册商标，旭化成株式会社制)等，但不限定于此。
阳极催化剂层设置在电解质膜30的一侧的主面。阳极催化剂层包含能够将催化剂金属(例如铂)以分散状态担载的碳，但不限定于此。
阴极催化剂层设置在电解质膜30的另一侧的主面。阴极催化剂层包含能够将催化剂金属(例如铂)以分散状态担载的碳，但不限定于此。
阴极催化剂层和阳极催化剂层，作为催化剂的调制方法，可举出各种方法，没有特别限定。例如，作为碳系粉末，可举出石墨、炭黑、具有导电性的活性炭等的粉末。对于在碳载体担载铂或其他催化剂金属的方法没有特别限定。例如，可以采用粉末混合或液相混合等方法。作为后者的液相混合，例如可举出使碳等载体分散于催化剂成分胶体液中进行吸附的方法等。对于铂等催化剂金属担载于碳载体的状态没有特别限定。例如，催化剂金属可以微粒化，高分散地担载于载体。
阴极气体扩散层设置在阴极催化剂层上。阴极气体扩散层由多孔性材料构成，具备导电性和气体扩散性。阴极气体扩散层优选具备能够适当追随在电化学氢泵100的工作时由于阴极CA与阳极AN之间的压差而产生的结构部件的位移、变形的弹性。作为阴极气体扩散层的基材，例如可以使用碳纤维烧结体等，但不限定于此。
阳极气体扩散层设置在阳极催化剂层上。阳极气体扩散层由多孔性材料构成，具备导电性和气体扩散性。阳极气体扩散层优选具备在电化学氢泵100的工作时能够承受由上述压差导致的电解质膜30的挤压的程度的刚性。作为阳极气体扩散层的基材，例如可以使用碳粒子烧结体、由铂等的贵金属涂布的钛粒子烧结体等，但不限定于此。
在此，虽然在图1中没有示出，但可以适当设置在氢系统200的氢压缩工作中所需的部件和设备。
例如，可以由一对隔板分别从外侧夹持阳极AN和阴极CA。该情况下，与阳极AN接触的隔板是用于向阳极AN供给含氢气体的导电性的板状的部件。该板状的部件具备供于向阳极AN供给的含氢气体流动的蜿蜒状的气体流路。与阴极CA接触的隔板是用于从阴极CA导出氢的导电性的板状的部件。该板状的部件具备供于从阴极CA导出的氢气流动的气体流路。
另外，电化学氢泵100中，通常为了不使高压的氢气向外部泄漏，从单元的两侧设置垫片等密封材料，与电化学氢泵100的单元一体化而预先组装。并且，在该单元的外侧配置有用于将其机械固定，并将相邻的单元彼此相互电串联的上述隔板。
通常的层叠结构是将单元与隔板交替重叠，层叠大致10～200个单元，将其层叠体(单元组)隔着集电板和绝缘板而由端板夹持，并用紧固杆将两个端板紧固。再者，该情况下，为了向隔板各自的气体流路供给适量的含氢气体，需要在各个隔板中，从适当的管路分支出槽状的分支路径，将它们的下游端构成为与隔板各自的气体流路连结。将这样的管路称为歧管，该歧管例如通过设置在构成单元组的各部件的适当位置的贯通孔的连接而构成。
另外，氢系统200可以设有检测单元的温度的温度检测器、调整单元的温度的温度调整器、调整向阳极AN供给的含氢气体的露点的露点调整器等。
再者，以上的未图示的部件和设备只是例示，并不限定于本例。
接着，对本实施方式的氢系统200的流路结构进行说明。
第1流路1是用于将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气向电化学氢泵100的阳极AN供给的流路。只要是与电化学氢泵100的阴极CA连通的部位，第1流路1的上游端可以连接到任意部位。在电化学氢泵100具备上述单元组的情况下，第1流路1的上游端例如可以与阴极废气导出用的歧管连通。只要能够从阴极CA向阳极AN供给阴极气体，第1流路1的下游端可以连接到任意部位。第1流路1的下游端例如可以连接到与阳极AN连通的适当部位。该连接结构的具体例，会在第3实施方式、第4实施方式和第5实施方式中进行说明。
再者，作为氢存储器，例如可举出氢罐。氢存储器可以是不使用氢吸藏合金等氢存储材料，而是将氢直接填充于容器中进行存储的形态，也可以是在收纳有氢吸藏合金等氢存储材料的容器中存储氢的形态。
第1开关阀11是设置于第1流路1的阀。第1开关阀11只要能够将第1流路1开闭，就可以是任意结构。作为第1开关阀11，例如可以使用利用氮气等进行驱动的驱动阀或电磁阀等，但不限定于此。
电压施加器31是对阳极AN与阴极CA之间施加电压的装置。电压施加器31只要能够对阳极AN与阴极CA之间施加电压，就可以是任意结构。图1所示的例子中，电压施加器31的高电位侧端子与阳极AN连接，电压施加器31的低电位侧端子与阴极CA连接。作为电压施加器31，例如可举出DC/DC转换器、AC/DC转换器等。DC/DC转换器用于电压施加器31与太阳能电池、燃料电池、蓄电池等直流电源连接的情况。AC/DC转换器用于电压施加器31与商用电源等交流电源连接的情况。另外，电压施加器31例如可以是调整对阳极AN与阴极CA之间施加的电压、在阳极AN与阴极CA之间流动的电流，以使得向电化学氢泵100的单元供给的电力成为预定的设定值的电力型电源。
这样，氢系统200利用电压施加器31在电化学氢泵100的阳极AN与阴极CA之间进行通电。由此，电化学氢泵100能够通过电压施加器31对阳极AN与阴极CA之间施加电压，使被供给到阳极AN的含氢气体中的氢移动到阴极CA，生成压缩氢气。
控制器50在从起动开始直到上述阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间打开第1开关阀11的状态下，使电压施加器31施加上述电压。另外，控制器50可以控制氢系统200的整体的工作。在此，“起动开始”意味着氢系统200的起动开始，例如可以通过使用者进行适当的起动操作而使氢系统200的起动开始，也可以在规定的起动预定时刻自动开始氢系统200的起动。
关于第1开关阀11的开放定时和开放间隔，只要是在从氢系统200的起动开始直到上述阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间，就可以任意设定。
例如，在第1流路1的下游端与适当的气体供给流路连接的情况下，如果阴极CA内的气体压力高于与气体供给流路的连接部位的气体压力，则可以不进行阳极AN与阴极CA之间的电压施加，打开第1开关阀11。相反，如果阴极CA内的气体压力为与气体供给流路的连接部位的气体压力以下，则通过对阳极AN与阴极CA施加电压，使阴极内的气体压力升压之后，打开第1开关阀11。
控制器50例如具备运算电路(未图示)和存储控制程序的存储电路(未图示)。作为运算电路，例如可举出MPU、CPU等。作为存储电路，例如可举出存储器等。控制器50可以由进行集中控制的单独的控制器构成，也可以由相互协作进行分散控制的多个控制器构成。
[工作]
以下，参照附图对氢系统200的氢压缩工作的一例进行说明。以下的工作例如可以由控制器50的运算电路从控制器50的存储电路中读取控制程序来进行。但并不是必须由控制器50进行以下的工作。也可以由操作者进行其中一部分的工作。
在氢系统200的起动开始之后的适当的定时，向电化学氢泵100的阳极AN供给低压且高湿度的含氢气体，并且对阳极AN与阴极CA之间施加电压。再者，在氢系统200的起动开始时，第1开关阀11关闭。
这样，在阳极AN的阳极催化剂层中，氢分子分离成质子和电子(式(1))。质子在电解质膜30内传导而移动到阴极催化剂层。电子通过电压施加器31移动到阴极催化剂层。
然后，在阴极催化剂层中，再次生成氢分子(式(2))。再者，已知质子在电解质膜30中传导时，预定水量的水作为电渗透水伴随质子从阳极AN移动到阴极CA。
此时，例如在电化学氢泵100的阴极CA所生成的包含压缩氢气的阴极废气通过阴极废气流路向氢存储器供给的情况下，通过使用设置于阴极废气供给流路的开关阀等，增加阴极废气供给流路的压力损失，由此能够在阴极CA将氢气压缩。在此，增加阴极废气流路的压力损失对应于减小上述开关阀的开度。
阳极：H2(低压)→2H++2e-···(1)
阴极：2H++2e-→H2(高压)···(2)
这样，在氢系统200中，通过对电化学氢泵100的阳极AN与阴极CA之间施加电压，使从被供给到阳极AN的含氢气体中取出的质子经由电解质膜30移动到阴极CA，进行生成压缩氢气的工作。
在此，本实施方式的氢系统200中，在从氢系统200的起动开始直到将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间，在打开了设置于用于将上述包含压缩氢气的阴极废气供给到阳极AN的第1流路1的第1开关阀11的状态下，进行对阳极AN与阴极CA之间施加电压的工作。
根据以上，能够在将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气向氢存储器供给之前，将期望量的阴极废气向阳极AN放出。
例如，在第1流路1的下游端与适当的气体供给流路连接的情况下，如果阴极CA内的气体压力高于与气体供给流路的连接部位的气体压力，则在对阳极AN与阴极CA施加电压之前，暂时打开第1开关阀11。相反，如果阴极CA内的气体压力为上述连接部位的气体压力以下，则通过对阳极AN与阴极CA施加电压而使阴极内的气体压力升压之后，暂时打开第1开关阀11。
根据以上，能够在将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气向氢存储器供给之前，将期望量的阴极废气向气体供给流路放出。
然后，在第1开关阀11关闭之后，在氢存储器中暂时存储阴极废气中的氢气。另外，由氢存储器存储的氢气适时地向氢需求体供给。作为氢需求体，例如可举出利用氢进行发电的燃料电池等。
如上所述，本实施方式的氢系统200和氢系统200的运转方法与以往相比，能够提高氢压缩的效率。
具体而言，例如在氢系统200的氢压缩工作的停止中，氢不从阳极AN向阴极CA电化学地移动，因此由分别存在于阳极AN和阴极CA的杂质的气体浓度引起的化学势差减小的杂质交叉泄漏的影响变大。该情况下，在起动氢系统200时，如果将阴极废气原样直接供给到氢存储器，则氢存储器内的氢的纯度有可能降低。再者，作为这样的杂质，例如可举出存在于阳极AN的改性气体中的二氧化碳气体等。
另外，例如在氢系统200的氢压缩工作的停止中，如果阴极CA内的气体压力为外部气体压力以下，则杂质有可能从外部混入到阴极内。该情况下，在起动氢系统200时，如果将阴极废气原样直接供给到氢存储器，则氢存储器内的氢的纯度有可能降低。再者，作为这样的杂质，例如可举出大气中的氮气等。
但是，本实施方式的氢系统200和氢系统200的运转方法，通过在从氢系统200的起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间打开第1开关阀11的状态下使电压施加器31施加上述电压，将被供给到阳极AN的包含杂质的阴极废气中的氢通过电化学反应而向阴极CA供给。由此，本实施方式的氢系统200能够使向氢存储器供给的阴极废气中的氢高纯度化。
本实施方式的氢系统200和氢系统200的运转方法，使包含杂质的阴极废气作为向阳极AN供给的含氢气体有效地被再利用，因此与将阴极废气例如像专利文献2那样通过燃烧处理而向系统外排气的情况相比，氢系统200的效率提高。
另外，本实施方式的氢系统200和氢系统200的运转方法，通过在从起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间打开第1开关阀11的状态下由电压施加器31对阳极AN与阴极CA施加电压，与不施加该电压的情况相比，能够将阴极CA内的气体压力升压。由此，本实施方式的氢系统200和氢系统200的运转方法，在起动氢系统200时，容易将包含杂质的阴极废气从阴极CA向阳极AN供给。
(实施例)
本实施例的氢系统200，除了以下说明的控制器50的控制内容以外，与第1实施方式相同。
控制器50在通过电压施加器31开始施加上述电压之后，打开第1开关阀11。
根据以上，本实施例的氢系统200，与在通过电压施加器31开始施加上述电压之前打开第1开关阀11的情况相比，能够将包含杂质的阴极废气从阴极CA向阳极AN适当地供给。例如，在氢系统200的起动开始时，即使阴极CA内的气体压力为阳极AN的气体压力以下，通过对阳极AN与阴极CA施加电压，也能够将阴极CA内的气体压力升压。由此，本实施例的氢系统200，在起动氢系统200时，容易将包含杂质的阴极废气从阴极CA向阳极AN供给。
本实施例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式的氢系统200相同。
(第2实施方式)
图2是表示第2实施方式的氢系统的一例的图。
图2所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1、第2流路2、第1开关阀11、第2开关阀12和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。
第2流路2是用于将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气供给到氢存储器的流路。只要是与电化学氢泵100的阴极CA连通的部位，第2流路2的上游端可以连接到任意部位。在电化学氢泵100具备上述单元组的情况下，第2流路2的上游端例如可以与阴极废气导出用的歧管连通，但不限定于此。关于第2流路的上游端的连接部位的其他例子，会在第1变形例中进行说明。
第2开关阀12是设置于第2流路2的阀。第2开关阀12只要能够将第2流路2开闭，就可以是任意结构。作为第2开关阀12，例如可以使用由氮气等进行驱动的驱动阀或电磁阀等，但不限定于此。
控制器50在打开第2开关阀12之前，使第1开关阀11打开。
根据以上，本实施方式的氢系统200，通过在第2开关阀12打开之前将第1开关阀11打开，与同时打开第1开关阀11和第2开关阀12的情况、以及将第1开关阀11和第2开关阀12的开关定时反过来的情况相比，能够抑制包含杂质的阴极废气向氢存储器供给。
本实施方式的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式或第1实施方式的实施例的氢系统200相同。
(第1变形例)
图3是表示第2实施方式的第1变形例的氢系统的一例的图。
图3所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1A、第2流路2A、第1开关阀11、第2开关阀12和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第2开关阀12与第2实施方式相同，因此省略说明。
第1流路1A从第2流路2A分支。也就是说，在比第1流路1A分支的部位B靠下游的第1流路1A中设有第1开关阀11，在比第1流路1A分支的部位B靠下游的第2流路2A中设有第2开关阀12。再者，如上所述，第2流路2A以将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气供给到氢存储器的方式延伸。
根据以上，本变形例的氢系统200，在电化学氢泵100中，能够将用于从阴极CA排出阴极废气的部位集中。
本变形例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例和第2实施方式中的任一氢系统200相同。
(第2变形例)
图4是表示第2实施方式的第2变形例的氢系统的一例的图。
图4所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、第1流路1A、第2流路2A、第1开关阀11、第2开关阀12、第1止回阀21和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第2开关阀12与第2实施方式相同，因此省略说明。另外，第1流路1A和第2流路2A与第2实施方式的第1变形例相同，因此省略说明。
第1止回阀21是设置在比第1流路1A分支的部位B靠下游的第2流路2A的阀。再者，图4所示的例子中，第1止回阀21设置在比第2开关阀12靠上游的第2流路2A，但不限定于此。例如，两者的配置位置也可以反过来。该第1止回阀21是防止与从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气的流动方向逆向的流动的阀。
根据以上，本变形例的氢系统200通过在比第1流路1A分支的部位B靠下游的第2流路2A设置第1止回阀21，在从氢系统200的起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给的期间，即使将设置于第1流路1A的第1开关阀11打开，也能够适量地限制第1流路1A中通过的氢量。
例如，在将阴极CA生成的高压的氢气通过第2流路2A向氢存储器供给的情况下，如果没有在第2流路2A设置第1止回阀21，则在打开设置于第1流路1A的第1开关阀11时，氢存储器内的氢气有可能以第2流路2A和第1流路1A的顺序通过这些流路进行移动，但本技术方案的氢系统，通过在比第1流路1A分支的部位B靠下游的第2流路2A设置第1止回阀21，能够降低这样的可能性。由此，能够抑制电化学氢泵100的氢压缩工作的效率降低。
在此，通过关闭设置于第2流路2A的第2开关阀12，能够限制氢存储器内的氢气向第1流路1A逆流。但是，如果在该第2开关阀12发生工作故障，则难以限制氢气向第1流路1A的逆流。
与此相对，本变形例的氢系统200，通过使用结构简单的第1止回阀21，能够减轻上述不良情况。
本变形例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式和第2实施方式的第1变形例中的任一氢系统200相同。
(第3实施方式)
图5是表示第3实施方式的氢系统的一例的图。
图5所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1B、第3流路3、第1开关阀11和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。
第1流路1B与用于将含氢气体供给到电化学氢泵100的阳极AN的第3流路3连接。也就是说，第1流路1B延伸到第1流路1B与第3流路3合流的部位C1。
只要是与电化学氢泵100的阳极AN连通的部位，第3流路3的下游端可以连接到任意部位。在电化学氢泵100具备上述单元组的情况下，第3流路3的下游端例如可以与含氢气体导入用的歧管连通。另外，第3流路3的上游端例如可以与含氢气体供给源连接。再者，作为含氢气体供给源，例如可举出氢生成器(例如改性器或水电解装置)、氢罐、氢基础设施等。
根据以上，本实施方式的氢系统200，在打开设置于第1流路1B的第1开关阀11时，能够将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路1B和第3流路3供给到阳极AN，因此不需要将该阴极废气向系统外排气。由此，本实施方式的氢系统200，使包含杂质的阴极废气作为向阳极AN供给的含氢气体有效地被再利用，因此与将阴极废气向系统外排气的情况相比，氢系统200的效率提高。
本实施方式的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式和第2实施方式的第1变形例-第2变形例中的任一氢系统200相同。
(第1变形例)
图6是表示第3实施方式的第1变形例的氢系统的一例的图。
图6所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1B、第3流路3、第1开关阀11、第2止回阀22和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第1流路1B和第3流路3与第3实施方式相同，因此省略说明。
第2止回阀22设置于比与第3流路3合流的部位C1靠上游的第1流路1B，是防止与从电化学氢泵100的阴极CA排出的阴极废气的流动方向逆向的流动的阀。再者，图6所示的例子中，第2止回阀22设置在比第1开关阀11靠下游的第1流路1B，但不限定于此。例如，两者的配置位置也可以反过来。
根据以上，本变形例的氢系统200，通过在第1流路1B设置第2止回阀22，在打开设置于第1流路1B的第1开关阀11时，即使阴极CA内的气体压力小于在第3流路3中流动的含氢气体的供给压力，也能够抑制在第3流路3中流动的氢纯度低的含氢气体向阴极CA逆流。
本变形例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例和第3实施方式中的任一氢系统200相同。
(第2变形例)
图7是表示第3实施方式的第2变形例的氢系统的一例的图。
图7所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1B、第3流路3、第1开关阀11、第3止回阀23和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第1流路1B和第3流路3与第3实施方式相同，因此省略说明。
第3止回阀23设置在比第1流路1B合流的部位C1靠上游的第3流路3，是防止与向电化学氢泵100的阳极AN供给的含氢气体的流动方向逆向的流动的阀。
根据以上，本变形例的氢系统200，通过在第3流路3设置第3止回阀23，在打开设置于第1流路1B的第1开关阀11时，能够抑制从阴极CA向阳极AN供给的高压的阴极废气流入低压规格的阳极气体供给系统。由此，本变形例的氢系统200，与没有在第3流路3设置第3止回阀23的情况相比，能够减轻设置于阳极气体供给系统的低压规格的设备等的破损。
在此，通过关闭设置于第3流路3的适当的开关阀(未图示)，能够抑制高压的阴极废气流入低压规格的阳极气体供给系统。但是，如果在该开关阀发生工作故障，则难以抑制这样的阴极废气的流入。
与此相对，本变形例的氢系统200，通过使用结构简单的第3止回阀23，能够减轻上述不良情况。
本变形例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例、第3实施方式和第3实施方式的第1变形例中的任一氢系统200相同。例如，可以在图7的第1流路1B设有与第3实施方式的第1变形例的第2止回阀22同样的阀。
(第3变形例)
图8是表示第3实施方式的第3变形例的氢系统的一例的图。
图8所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1B、第3流路3、第1开关阀11、第3开关阀13和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第1流路1B和第3流路3与第3实施方式相同，因此省略说明。
第3开关阀13是设置在比第1流路1B合流的部位C1靠上游的第3流路3的阀。第3开关阀13只要能够将比第1流路1B合流的部位C1靠上游的第3流路3开闭，就可以是任意结构。作为第3开关阀13，例如可以使用通过氮气等进行驱动的驱动阀或电磁阀等。
控制器50在使第1开关阀11打开并且使第3开关阀13关闭的状态下，使电压施加器31施加上述电压。
根据以上，本变形例的氢系统200，通过在从起动开始直到阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间打开第1开关阀11并且关闭第3开关阀13的状态下，使电压施加器31施加上述电压，将被供给到阳极AN的包含杂质的阴极废气中的氢通过电化学反应而向阴极CA供给。由此，本变形例的氢系统200能够使向氢存储器供给的阴极废气中的氢高纯度化。并且，本变形例的氢系统200，使包含杂质的阴极废气作为向阳极AN供给的含氢气体有效地被再利用，因此与将阴极废气向系统外排气的情况相比，氢系统200的效率提高。
另外，本变形例的氢系统200，通过在打开设置于第1流路1B的第1开关阀11时，关闭设置于第3流路3的第3开关阀13，能够抑制从阴极CA向阳极AN供给的高压的阴极废气流入低压规格的阳极气体供给系统。由此，本变形例的氢系统200与没有在第3流路3设置第3开关阀13的情况相比，能够减轻设置于阳极气体供给系统的低压规格的设备等的破损。
本变形例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例、第3实施方式和第3实施方式的第1变形例中的任一氢系统200相同。例如，可以在图8的第1流路1B设有与第3实施方式的第1变形例的第2止回阀22同样的阀。
(第4实施方式)
图9是表示第4实施方式的氢系统的一例的图。
图9所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1C、第3流路3、第1开关阀11、氢生成器40和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第3流路3与第3实施方式相同，因此省略说明。
氢生成器40是使用原料并通过改性反应(重整反应)生成含氢气体的装置。氢生成器40只要能够使用原料并通过改性反应生成含氢气体，就可以是任意结构。
氢生成器40例如具备改性器。在该改性器中，通过原料的改性反应，生成含氢气体(改性气体)。改性反应可以是任意形态(方式)。作为改性反应，例如可举出水蒸气改性反应、自热反应、部分氧化反应等。原料可以是以甲烷为主要成分的城市煤气、天然气、LPG等至少包含由碳和氢构成的有机化合物的气体，也可以是液体。作为液体可举出甲醇等醇。再者，氢生成器40可以具备用于减少改性气体中的一氧化碳(CO)的CO减少器。在氢生成器40进行上述改性反应时，除了改性器以外，例如需要燃烧器、原料供给器、水供给器和各种检测器(例如温度检测器、流量计等)各种设备、装置，这些都是公知的。
第1流路1C与氢生成器40连接。只要是与氢生成器40连通的部位，第1流路1C的下游端可以连接到任意部位。例如，第1流路1C的下游端可以与适当的流路连接。详细情况会在实施例中说明。
根据以上，本实施方式的氢系统，在打开设置于第1流路1C的第1开关阀11时，能够将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路1C供给到氢生成器40，因此不需要将该阴极废气向系统外排气。由此，本实施方式的氢系统200，使包含杂质的阴极废气中的氢在氢生成器40中有效地被再利用，因此与将阴极废气向系统外排气的情况相比，氢系统200的效率提高。
本实施方式的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例、第3实施方式和第3实施方式的第1变形例-第3变形例中的任一氢系统200相同。
(实施例)
图10是表示第4实施方式的实施例的氢系统的一例的图。
图10所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1D、第3流路3、反应物流路4、第1开关阀11、氢生成器40和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第3流路3与第3实施方式相同，因此省略说明。另外，氢生成器40与第4实施方式相同，因此省略说明。
反应物流路4是将用于改性反应的反应物供给到氢生成器40的流路。再者，反应物可例示出原料、水、空气等。例如，改性反应为水蒸气改性反应或自热反应的情况下，作为上述反应物，例如可举出原料和水蒸气，或是原料、水蒸气和氧等。
如图10所示，第1流路1D与反应物流路4合流。也就是说，第1流路1D延伸到第1流路1D与反应物流路4合流的部位C2。再者，反应物为原料的情况下，反应物流路4的上游端与适当的原料源连接。例如，作为原料使用城市煤气的情况下，反应物流路4的上游端与作为原料源的城市煤气总栓连接。
根据以上，本实施例的氢系统200，在打开设置于第1流路1D的第1开关阀11时，能够将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路1D和反应物流路4供给到氢生成器40，因此不需要将该阴极废气向系统外排气。由此，本实施例的氢系统200，通过将包含杂质的阴极废气与反应物混合，使阴极废气中的氢在氢生成器40中有效地被再利用，因此与将阴极废气向系统外排气的情况相比，氢系统200的效率提高。
本实施例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例、第3实施方式、第3实施方式的第1变形例-第3变形例和第4实施方式中的任一氢系统200相同。
(变形例)
图11是表示第4实施方式的变形例的氢系统的一例的图。
图11所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1D、第3流路3、反应物流路4、第1开关阀11、第4止回阀24、氢生成器40和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第3流路3与第3实施方式相同，因此省略说明。另外，氢生成器40与第4实施方式相同，因此省略说明。另外，第1流路1D和反应物流路4与第4实施方式的实施例相同，因此省略说明。
第4止回阀24设置于比第1流路1C合流的部位C2靠上游的反应物流路4，是防止与向氢生成器40供给的反应物的流动方向逆向的流动的阀。
根据以上，本变形例的氢系统200，通过在反应物流路4设置第4止回阀24，能够在打开设置于第1流路1C的第1开关阀11时，抑制从阴极CA向氢生成器40供给的高压的阴极废气流入低压规格的反应物供给系统。
由此，本变形例的氢系统200，与没有在反应物流路4设置第4止回阀24的情况相比，能够减轻设置于反应物供给系统的低压规格的设备等的破损。例如，在反应物为原料的情况下，本变形例的氢系统200，能够减轻设置于原料供给系统的低压规格的设备等的破损。
在此，通过关闭设置于反应物流路4的适当的开关阀(未图示)，能够抑制高压的阴极废气流入低压规格的反应物供给系统。但是，如果在该开关阀发生工作故障，则难以抑制这样的阴极废气的流入。
与此相对，本变形例的氢系统200，通过使用结构简单的第4止回阀24，能够减轻上述不良情况。
本变形例的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例、第3实施方式、第3实施方式的第1变形例-第3变形例、第4实施方式和第4实施方式的实施例中的任一氢系统200相同。例如，可以在图11的第1流路1D设有与第3实施方式的第1变形例的第2止回阀22同样的阀。
(第5实施方式)
图12是表示第5实施方式的氢系统的一例的图。
图12所示的例子中，氢系统200具备电化学氢泵100、电压施加器31、第1流路1E、第3流路3、第1开关阀11、氢精制器60和控制器50。
在此，电化学氢泵100、电压施加器31和第1开关阀11与第1实施方式相同，因此省略说明。另外，第3流路3与第3实施方式相同，因此省略说明。
氢精制器60是用于提高含氢气体中的氢浓度的装置。第1流路1E与氢精制器60连接。只要是与氢精制器60连通的部位，第1流路1E的下游端可以连接到任意部位。例如，虽然省略了图示，但第1流路1E的下游端可以连接到用于向氢精制器60供给的纯度低的含氢气体所流动的气体流路。
氢精制器60可以具备通过对阳极与阴极之间施加电压，使被供给到阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜移动到阴极，生成精制的含氢气体的氢纯化装置。再者，本实施方式的氢系统200中，氢纯化装置由低压规格的电化学式的氢泵构成。也就是说，氢纯化装置的单元组，除了层叠部件以低压规格的材料和形态构成以外，与电化学氢泵100的单元组相同。该氢纯化装置中，例如能够使来自于制铁工厂等的副产物即纯度低的副生成氢电化学地高纯度化。由此，能够得到向电化学氢泵100的阳极AN供给的含氢气体。
另外，氢精制器60可以具备气体分离装置。该气体分离装置中，例如能够采用压力变动吸附法(PSA法)使来自于制铁工厂等的副产物即纯度低的副生成氢高纯度化。由此，能够得到向电化学氢泵100的阳极AN供给的含氢气体。
根据以上，本实施方式的氢系统200，在打开设置于第1流路1E的第1开关阀11时，能够将从电化学氢泵100的阴极CA排出的包含压缩氢气的阴极废气通过第1流路1E供给到氢精制器60，因此不需要将该阴极废气向系统外排气。由此，本实施方式的氢系统200，使包含杂质的阴极废气中的氢在氢精制器60中有效地被再利用，因此与将阴极废气向系统外排气的情况相比，氢系统200的效率提高。
本实施方式的氢系统200，除了上述特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例、第3实施方式、第3实施方式的第1变形例-第3变形例、第4实施方式、第4实施方式的实施例和第4实施方式的变形例中的任一氢系统200相同。
再者，第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的第1变形例-第2变形例、第3实施方式、第3实施方式的第1变形例-第3变形例、第4实施方式、第4实施方式的实施例、第4实施方式的变形例和第5实施方式，只要不彼此排斥，就可以相互组合。
根据上述说明，本领域技术人员能够了解到本公开的多种改良以及其它实施方式。因此，上述说明应仅解释为例示，是为了将执行本公开的最佳方式教导给本领域技术人员而提供的。在不脱离本公开的精神的情况下，可以对其结构和/或功能的详细情况进行实质性变更。例如，本公开也能够适用于水电解装置等的除了电化学氢泵100以外的具备压缩机的氢系统。
产业可利用性
本公开的一个技术方案，可利用于与以往相比能够提高氢压缩的效率的氢系统和氢系统的运转方法。
附图标记说明
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：反应物流路
11：第1开关阀
12：第2开关阀
13：第3开关阀
21：第1止回阀
22：第2止回阀
23：第3止回阀
24：第4止回阀
30：电解质膜
31：电压施加器
40：氢生成器
50：控制器
60：氢精制器
100：电化学氢泵
200：氢系统
AN：阳极
CA：阴极。

Claims (15)

1.一种氢系统，具备压缩机、电压施加器、第1流路、第1开关阀和控制器，
所述压缩机通过对夹持电解质膜而配置的阳极与阴极之间施加电压，使从被供给到所述阳极的阳极流体中取出的质子移动到所述阴极，生成压缩氢气，
所述电压施加器对所述阳极与所述阴极施加电压，
所述第1流路用于将从所述阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气供给到所述压缩机的阳极，
所述第1开关阀设置于所述第1流路，
所述控制器在从起动开始直到所述阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间使所述第1开关阀打开的状态下，使所述电压施加器施加所述电压。
2.根据权利要求1所述的氢系统，
所述控制器在通过所述电压施加器开始施加电压之后，使所述第1开关阀打开。
3.根据权利要求1或2所述的氢系统，
具备用于将所述阴极废气供给到所述氢存储器的第2流路、和设置于所述第2流路的第2开关阀，
所述控制器在打开所述第2开关阀之前，使所述第1开关阀打开。
4.根据权利要求3所述的氢系统，
所述第1流路从所述第2流路分支。
5.根据权利要求4所述的氢系统，
在比所述第1流路分支的部位靠下游的所述第2流路具备第1止回阀。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的氢系统，
所述阳极流体为含氢气体，
所述第1流路与用于将所述含氢气体供给到所述压缩机的阳极的第3流路连接。
7.根据权利要求6所述的氢系统，
在比与所述第3流路合流的部位靠上游的第1流路，具备防止与从所述压缩机的阴极排出的阴极废气的流动方向逆向的流动的第2止回阀。
8.根据权利要求6或7所述的氢系统，
在比所述第1流路合流的部位靠上游的第3流路，具备防止与向所述压缩机的阳极供给的含氢气体的流动方向逆向的流动的第3止回阀。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的氢系统，
所述阳极流体为含氢气体，
所述氢系统具备使用原料通过改性反应生成含氢气体的氢生成器，
所述第1流路与所述氢生成器连接。
10.根据权利要求9所述的氢系统，
具备向所述氢生成器供给用于改性反应的反应物的反应物流路，
所述第1流路与所述反应物流路合流。
11.根据权利要求10所述的氢系统，
在比所述第1流路合流的部位靠上游的所述反应物流路，具备防止与向所述氢生成器供给的反应物的流动方向逆向的流动的第4止回阀。
12.根据权利要求10或11所述的氢系统，
所述反应物为所述原料。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的氢系统，
具备流通向所述阳极供给的阳极流体并且与所述第1流路合流的第3流路、和在比所述第1流路合流的部位靠上游的第3流路设置的第3开关阀，
所述控制器在使所述第1开关阀打开并且使第3开关阀关闭的状态下，使所述电压施加器施加电压。
14.根据权利要求1～8中任一项所述的氢系统，
所述阳极流体为含氢气体，
所述氢系统具备用于提高含氢气体中的氢浓度的氢精制器，
所述第1流路与所述氢精制器连接。
15.一种氢系统的运转方法，具备：
通过对压缩机的阳极与阴极之间施加电压，使从被供给到阳极的阳极流体中取出的质子经由电解质膜移动到阴极，生成压缩氢气的步骤；以及
在从起动开始直到将从所述压缩机的阴极排出的包含压缩氢气的阴极废气开始向氢存储器供给为止的期间，在打开了设置于用于将所述阴极废气供给到所述压缩机的阳极的第1流路的第1开关阀的状态下，对所述阳极与所述阴极之间施加电压的步骤。
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