CN114639852B - 电化学式氢升压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电化学式氢升压系统，可使电化学式氢升压装置高效率地运转。电化学式氢升压系统具有：氢气升压部，通过对设于质子交换膜的两面的阳极及阴极间施加电流而将氢升压；以及供给管路，将从氢供给源排出的氢引导至氢气升压部。氢气升压部具有供未反应的氢排出的排出口。电化学式氢升压系统还包括：膜电阻计及电压计，获取与质子交换膜的湿润状态有关的信息；第四开闭部及第五开闭部，限制排出口的氢的排出；以及控制装置，控制第四开闭部及第五开闭部。控制装置至少基于质子交换膜的湿润状态来控制第四开闭部及第五开闭部。

Description

电化学式氢升压系统
技术领域
本发明涉及一种电化学式氢升压系统。
背景技术
一般而言，在搭载于燃料电池车辆等的燃料电池的发电反应中，使用氢气作为燃料气体。氢气可利用包括水电解装置的氢制造系统来制造。氢制造系统通过水电解装置将水电分解，在水电解装置的阴极(cathode)产生氢气。
关于所生成的氢气，从降低运输成本或容易对燃料电池进行供给等观点来看，较理想为高密度地储存。作为将氢气升压的装置，有电化学式氢升压装置(例如参照专利文献1)。电化学式氢升压装置包括电解质膜、设于电解质膜的两面的阳电极及阴电极、以及调整在阳电极及阴电极之间流动的电流量的电流调整器，通过利用电流调整器在阳电极及阴电极间流动电流，从而将供给于阳电极侧的氢升压并供给于阴电极侧，将经升压的氢排出。
此外，电化学式氢升压装置中，为了确保电解质膜的良好质子传导性以实现能量效率的提高，要求电解质膜处于湿润状态。专利文献1所记载的氢供给系统中设有露点调整器，此露点调整器对从阳电极侧排出的含氢气体及从外部供给的含氢气体混合而成的混合气体的露点进行调整。由此，可减少电解质膜的质子传导性降低的可能性、及因混合气体中的水蒸气凝缩而由凝缩水导致气体流路产生堵塞的可能性。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2019-099915号公报
发明内容
[发明所要解决的问题]
但是，所述现有技术中，无法控制可能因电化学式氢升压装置内的氢气流动的分布而产生的、电解质膜的湿润状态的分布。因此，在抑制电解质膜的湿润状态产生分布，使电化学式氢升压装置高效率地运转等方面，现有技术有改善的余地。
因此，本发明提供一种电化学式氢升压系统，可使电化学式氢升压装置高效率地运转。
[解决问题的技术手段]
本发明的电化学式氢升压系统(例如实施方式的电化学式氢升压系统1)包括：氢供给源(例如实施方式的氢供给源5)；单位电池(例如实施方式的单位电池81)，由电解质膜(例如实施方式的质子交换膜82)、以及设于所述电解质膜的两面的阳极(例如实施方式的阳极83)及阴极(例如实施方式的阴极84)所形成；电化学式氢升压装置(例如实施方式的氢气升压部7)，通过对所述阳极及所述阴极间施加电流而将氢升压；以及供给管路(例如实施方式的供给管路10、10A)，将从所述氢供给源排出的氢引导至所述电化学式氢升压装置，并且所述电化学式氢升压装置具有：流入口(例如实施方式的流入口94)，供从所述氢供给源供给的氢流入；以及排出口(例如实施方式的低压侧排出口95)，供流入至所述流入口的氢中的未反应的氢排出，所述电化学式氢升压系统还包括：电源(例如实施方式的电源80)，供给施加于所述阳极及所述阴极间的电流；获取部(例如实施方式的膜电阻计101、电压计103)，获取与所述电解质膜的湿润状态有关的信息；限制部(例如实施方式的第四开闭部42、第三减压部44、第五开闭部47)，限制所述排出口的氢的排出；以及控制装置(例如实施方式的控制装置9)，控制所述限制部，所述控制装置至少基于所述湿润状态来控制所述限制部。
根据本发明，可通过限制部来限制排出口的氢的排出，因而可使单位电池内的氢气流动在单位电池间均匀，并且在所有单位电池中使流入的氢气及水蒸气滞留于各单位电池。因此，可抑制电解质膜的湿润状态产生分布，将电解质膜设为良好的湿润状态。因此，可抑制伴随阳极及阴极间的电压上升的、电力消耗量的增加，使电化学式氢升压装置高效率地运转。
所述电化学式氢升压系统中，所述控制装置也可基于所述湿润状态使利用所述限制部的限制状态变化，使向所述排出口侧流通的氢的压力变化。
根据本发明，可使阳极的氢气压力、与电解质膜的含水率的关系适当。因此，可将电解质膜设为良好的湿润状态。
所述电化学式氢升压系统中，也可还包括：加湿器(例如实施方式的加湿器13)，设于所述供给管路，将在所述供给管路中流通的氢加湿；分歧管路(例如实施方式的分歧管路20)，在所述加湿器的上游侧从所述供给管路分歧，且在所述加湿器的下游侧合流至所述供给管路；以及切换部(例如实施方式的第一开闭部12、第三开闭部21)，切换氢向所述分歧管路的流通，所述控制装置基于所述湿润状态来控制所述切换部。
根据本发明，在电解质膜中处于含水率过多的状态的情况下，可从氢供给源对单位电池供给干燥氢气，消除电解质膜的含水率过多的状态。因此，可将电解质膜设为良好的湿润状态。因此，可抑制伴随阳极及阴极间的电压上升的、电力消耗量的增加，使电化学式氢升压装置高效率地运转。
所述电化学式氢升压系统中，也可还包括：加湿器(例如实施方式的加湿器13)，设于所述供给管路，将在所述供给管路中流通的氢加湿；分配管路(例如实施方式的分配管路18)，为所述供给管路的一部分，在所述加湿器的下游侧分歧并连接于所述电化学式氢升压装置；以及分配控制阀(例如第二流量调整部19)，控制所述分配管路各自中的氢的流量，所述电化学式氢升压装置具有将所述单位电池层叠而成的电池单元(例如实施方式的电池单元71)，所述电池单元具有基于所述电化学式氢升压装置的运行时的温度分布所划分的多个区域(例如实施方式的区域A、区域B)，所述分配管路的至少一个连接于所述电池单元的所述多个区域各自。
根据本发明，当电解质膜的湿润状态可能与电池单元的温度分布对应地产生分布时，可利用分配控制阀来分别控制向基于电池单元的温度分布所划分的多个区域供给的氢气，因而可抑制电池单元内的湿润状态的不均一。因此，可使电化学式氢升压装置高效率地运转。
所述电化学式氢升压系统中，也可对所述单位电池各自连接有所述分配管路。
根据本发明，可分别控制对各单位电池供给的氢气，因而可进一步抑制电池单元内的湿润状态的不均一。因此，可使电化学式氢升压装置高效率地运转。
所述电化学式氢升压系统中，也可还包括：分歧管路(例如实施方式的分歧管路20A)，在所述加湿器的上游侧从所述供给管路分歧；以及切换部(例如实施方式的第一开闭部12、第三开闭部21)，切换氢向所述分歧管路的流通，所述分歧管路合流至所述分配管路各自，所述控制装置基于所述湿润状态来控制所述切换部。
根据本发明，在电解质膜中处于含水率过多的状态的情况下，可从氢供给源对单位电池供给干燥氢气，消除电解质膜的含水率过多的状态。尤其分歧管路合流至各个分配管路，因而可对包含处于含水率过多的状态的单位电池的区域选择性地供给干燥氢气。由此，可抑制对电解质膜的含水率不过多的单位电池的、干燥氢气的供给变得过多。因此，可抑制电解质膜的湿润状态的不均一，并且将电解质膜设为良好的湿润状态。因此，可使电化学式氢升压装置高效率地运转。
所述电化学式氢升压系统中，也可还包括：控制阀(例如实施方式的第一流量调整部15)，设于所述供给管路，控制从所述氢供给源排出的氢的流量，所述控制装置以向所述排出口侧流通的氢的压力小于规定值的方式控制所述控制阀。
根据本发明，可抑制向阳极的氢气供给变得过多，可使阳极的氢气压力、与电解质膜的含水率的关系适当。因此，可将电解质膜设为良好的湿润状态。
所述电化学式氢升压系统中，也可还包括：控制阀(例如实施方式的第一流量调整部15)，设于所述供给管路，控制从所述氢供给源排出的氢的流量，所述控制装置也可根据对所述阳极及所述阴极间的电流的施加状态来控制所述控制阀。
根据本发明，在根据施加电流的增减而增减阳极的氢气消耗量的情况下，可将氢气适当供给于阳极，可抑制在阳极产生氢气的过与不足。
[发明的效果]
根据本发明，可提供一种电化学式氢升压系统，可使电化学式氢升压装置高效率地运转。
附图说明
图1为表示第一实施方式的电化学式氢升压系统的结构的图。
图2为表示氢气升压部的截面结构的图。
图3为表示氢气升压部的单位电池的截面结构的图。
图4为表示由第一实施方式的电化学式氢升压系统执行的、处理流程的一例的流程图。
图5为表示由第一实施方式的电化学式氢升压系统执行的、湿润控制运转的处理流程的一例的流程图。
图6为表示由第二实施方式的电化学式氢升压系统执行的、湿润控制运转的处理流程的一例的流程图。
图7为表示第三实施方式的电化学式氢升压系统的结构的图。
图8为表示图7所示的电化学式氢升压系统中的供给管路及氢气升压部的连接的图。
图9为表示第四实施方式的电化学式氢升压系统中的供给管路及氢气升压部的连接的图。
[符号的说明]
1、1A、1B：电化学式氢升压系统
5：氢供给源
7：氢气升压部(电化学式氢升压装置)
9：控制装置
10、10A：供给管路
12：第一开闭部(切换部)
13：加湿器
15：第一流量调整部(控制阀)
18：分配管路
19：第二流量调整部(分配控制阀)
20、20A：分歧管路
21：第三开闭部(切换部)
42：第四开闭部(限制部)
44：第三减压部(限制部)
47：第五开闭部(限制部)
80：电源
81：单位电池
82：质子交换膜(电解质膜)
83：阳极
84：阴极
94：流入口
95：低压侧排出口(排出口)
101：膜电阻计(获取部)
103：电压计(获取部)
具体实施方式
以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。
实施方式的电化学式氢升压系统将氢气压缩至例如1MPa～100MPa，可将经压缩的高压氢气收容至装卸自如地安装于电化学式氢升压系统的氢气罐。此外，以下的说明中，有时将电化学式氢升压系统简称为氢升压系统。
(第一实施方式)
＜电化学式氢升压系统1的结构＞
图1为表示第一实施方式的氢升压系统的结构的图。
如图1所示，氢升压系统1包括氢供给源5、将氢气升压的氢气升压部7、及控制氢升压系统1的各部的控制装置9。而且，氢升压系统1包括：供给管路10，将从氢供给源5排出的氢气引导至氢气升压部7；分歧管路20，绕过供给管路10的一部分；高压排出管路30，供经氢气升压部7升压的高压氢气流通；以及低压排出管路40，供氢气升压部7中剩余的未反应氢气流通。
氢供给源5以可排出储存的干燥氢气的方式形成。例如，氢供给源5为使储存有氢气的气瓶(gas cylinder)集结而成的集装格(curdle)。
供给管路10连接于氢供给源5。由此，从氢供给源5排出的氢气在供给管路10中流通。在供给管路10中，从氢供给源5侧向氢气升压部7侧，依次设有减压部11、第一开闭部12、加湿器13、第二开闭部14及第一流量调整部15。
减压部11调整供给管路10的氢气的压力。减压部11限制通过减压部11的氢气。例如，减压部11为一边将二次侧(下游侧)的压力维持于设定压力一边开阀的减压阀。但是，减压部11不限定于减压阀，例如也可为通过由控制装置9进行开闭控制而将供给管路10的压力维持于设定压力的开闭阀等。而且，减压部11也可包括多个减压阀。
第一开闭部12在加湿器13的上游侧开闭供给管路10。第一开闭部12例如为电磁阀或电阀，基于控制装置9的控制来开闭供给管路10。通过将第一开闭部12设为开状态，从而可从供给管路10向加湿器13供给氢气。
加湿器13将在供给管路10中流通的氢气加湿。例如，加湿器13以起泡(bubbler)加湿方式将氢气加湿。此时，加湿器13具有储存有液体水的密闭容器60，通过使从氢供给源5侧导入的氢气在密闭容器60内的液体水中鼓泡(bubbling)而进行加湿。在密闭容器60内，在液面上方形成有在液体水中通过的氢气积存的氢气储存空间。在密闭容器60，设有向氢气储存空间开口的取出口。经加湿的氢气从取出口排出。
在加湿器13，连接有调整所储存的液体水的温度的、调温装置61。调温装置61包括热交换器62、形成热交换器62与密闭容器60内的循环路的循环流路63、及连接于热交换器62的冷却器64。在循环流路63中设有泵65。由此，储存于密闭容器60的液体水可在加湿器13与热交换器62之间一直循环，可维持于适当设定的温度。
第二开闭部14在加湿器13的下游侧开闭供给管路10。第二开闭部14例如为电磁阀或电阀，基于控制装置9的控制来开闭供给管路10。当第二开闭部14处于闭状态时，从加湿器13向氢气升压部7的氢气排出受到限制。
第一流量调整部15调整从供给管路10导入至氢气升压部7的氢气的流量及压力。第一流量调整部15为控制阀，基于控制装置9的控制来调整通过第一流量调整部15的氢气的流量。
分歧管路20绕过加湿器13。分歧管路20在加湿器13的上游侧的分歧部16从供给管路10分歧，且在加湿器13的下游侧的合流部17合流至供给管路10。分歧部16设于减压部11的下游侧且第一开闭部12的上游侧。合流部17设于第二开闭部14的下游侧且第一流量调整部15的上游侧。分歧管路20具有第三开闭部21。第三开闭部21开闭分歧管路20。第三开闭部21例如为电磁阀或电阀，基于控制装置9的控制来开闭分歧管路20。当第三开闭部21处于闭状态时，分歧管路20中的氢气流通受到限制。当第三开闭部21处于开状态时，允许分歧管路20中流通氢气。第三开闭部21与第一开闭部12一起，作为切换氢向分歧管路20的流通的切换部发挥功能。
氢气升压部7将在供给管路10中流通的氢气升压。氢气升压部7为能以电化学方式将氢气压缩的电化学式氢升压装置(Electrochemical Hydrogen Compressor，EHC)。氢气升压部7具有质子交换膜(电解质膜)82、隔着质子交换膜82而远离的阳极83及阴极84、以及对阳极83及阴极84施加电流的电源80，将供给于阳极83的氢气升压，在阴极84产生高压氢气。
图2为表示氢气升压部的截面结构的图。
如图2所示，氢气升压部7包括将多个单位电池81层叠而成的电池单元71，所述单位电池81包括一组质子交换膜82、阳极83及阴极84。在电池单元71中的单位电池81的层叠方向一端，朝向外方依次配设有端子板(terminal plate)72A、绝缘板73A、挤压单元75及端板(end plate)74A。而且，在电池单元71中的单位电池81的层叠方向另一端，朝向外方依次配设有端子板72B、绝缘板73B及端板74B。
多个单位电池81一体地紧固保持于端板74A、端板74B间。挤压单元75包括：筒状的圆筒(cylinder)76；一对活塞77A、77B，配置于圆筒76的内侧；以及施压构件78，配置于一对活塞77A、77B之间。圆筒76在绝缘板73A与端板74A之间，沿单位电池81的层叠方向延伸。一对活塞77A、77B隔着施压构件78在层叠方向排列。施压构件78将端板74A侧的活塞77A向端板74A侧施压，并且将电池单元71侧的活塞77B向电池单元71侧施压。由此，挤压单元75经由绝缘板73A及端子板72A将电池单元71向端板74B侧挤压，使多个单位电池81一直一体化。在端子板72A、端子板72B的侧部，分别向外方突出设有未图示的端子部。电源80电连接于端子部。电源80可经由端子部向各单位电池81的阳极83及阴极84施加电流。
图3为示意性地表示氢气升压部的单位电池的截面结构的图。
如图3所示，各单位电池81例如包括：圆盘状的电解质膜-电极结构体85、以及夹持电解质膜-电极结构体85的圆盘状的阳极侧隔板(separator)86及阴极侧隔板87。电解质膜-电极结构体85具有质子交换膜82、以及设于质子交换膜82的两面的阳极83及阴极84。各单位电池81中，通过质子交换膜82或未图示的密封构件等，将隔着质子交换膜82的阳极83及阴极84以相互不连通的方式密封(隔离)。
质子交换膜82具有可使质子选择性地移动的质子传导性。质子交换膜82的材料并无特别限定，作为其一例，有全氟磺酸系聚合物等具有磺酸基的氟系高分子膜。此种质子交换膜82通过维持于湿润状态，从而良好地表现其质子传导性。
阳极83具有形成于质子交换膜82的一个面的阳极电极催化剂层83a及阳极侧供电体83b。阴极84具有形成于质子交换膜82的另一面的阴极电极催化剂层84a及阴极侧供电体84b。
阳极侧隔板86与阳极83相向。阳极侧隔板86在与阳极83之间形成低压氢气流路88。低压氢气流路88由设于阳极侧隔板86的与阳极83相向的面的槽等凹部所形成。阴极侧隔板87与阴极84相向。阴极侧隔板87在与阴极84之间形成高压氢气流路89。高压氢气流路89由设于阴极侧隔板87的与阴极84相向的面的槽等凹部所形成。
如图2所示，在氢气升压部7，设有供给连通孔91、第一排出连通孔92及第二排出连通孔93。供给连通孔91、第一排出连通孔92及第二排出连通孔93分别以将单位电池81沿层叠方向贯穿的方式形成。供给连通孔91与各单位电池81的低压氢气流路88连通。第一排出连通孔92与各单位电池81的低压氢气流路88连通，并且经由低压氢气流路88而与供给连通孔91连通。供给连通孔91及第一排出连通孔92贯穿各单位电池81的外周部。第二排出连通孔93与各单位电池81的高压氢气流路89连通。第二排出连通孔93贯穿各单位电池81的中心部。进而，第二排出连通孔93将端子板72A、绝缘板73A、挤压单元75及端板74A沿层叠方向贯穿。
氢气升压部7包括：流入口94，连接于供给管路10的下游端；低压侧排出口95，连接于低压排出管路40的上游端；以及高压侧排出口96，连接于高压排出管路30的上游端。流入口94将供给连通孔91与供给管路10的下游端连通。从氢供给源5供给的氢在流入口94流入。低压侧排出口95将第一排出连通孔92与低压排出管路40的上游端连通。低压侧排出口95将流入至流入口94的氢气中的未反应的氢气(下文将述)排出。流入口94与供给连通孔91的连接部、及低压侧排出口95与第一排出连通孔92的连接部形成于单位电池81的层叠方向不同的位置。流入口94在层叠方向与电池单元71的中间部对应的位置，连接于供给连通孔91。低压侧排出口95在层叠方向与电池单元71的两端部对应的位置，连接于第一排出连通孔92。高压侧排出口96将第二排出连通孔93与高压排出管路30的上游端连通。高压侧排出口96将经升压的高压氢气排出。高压侧排出口96在端板74A，使第二排出连通孔93向氢气升压部7的外部开放。
氢气从供给管路10经由流入口94及供给连通孔91而流入低压氢气流路88。由此，向阳极83供给氢气。在电源80向阳极83及阴极84的电流施加下，氢气升压部7在阴极84生成较供给于阳极83的氢气更为高压的氢气。在阴极84生成的高压氢气在高压氢气流路89中流通，经由第二排出连通孔93及高压侧排出口96从氢气升压部7排出。而且，氢气升压部7可将供给于阳极83的氢气中的未反应的低压氢气经由第一排出连通孔92及低压侧排出口95从氢气升压部7排出。
如图1所示，氢气升压部7包括膜电阻计101、电流计102及电压计103。膜电阻计101测量各单位电池81的质子交换膜82的膜电阻值。电流计102测量对电池单元71整体施加的电流值。电压计103测量各单位电池81的阳极83及阴极84间的电压值。膜电阻计101及电压计103作为后述的获取与质子交换膜82的湿润状态有关的信息的获取部发挥功能。
高压排出管路30将从氢气升压部7排出的高压氢气引导至氢气罐3。高压排出管路30包括氢气排出限制部31。氢气排出限制部31调整高压排出管路30的氢气的压力。氢气排出限制部31限制通过氢气排出限制部31的氢气。例如，高压排出管路30使氢气排出限制部31中的氢气的通过量少于氢气升压部7的阴极84的高压氢气的产量。由此，氢气排出限制部31可使高压排出管路30的氢气的压力上升，设为高压氢气。
例如，氢气排出限制部31为一边将一次侧(上游侧)的压力维持于设定压力一边开阀的背压阀。但是，氢气排出限制部31不限定于背压阀，例如也可为通过由控制装置9进行开闭控制而将高压排出管路30的压力维持于设定压力的开闭阀等。
氢气排出限制部31将高压排出管路30的氢气的压力调整为1MPa～100MPa而设为高压氢气。此外，氢气排出限制部31例如从容易向氢气罐3供给氢气的观点来看，优选将高压氢气的压力至少设为8MPa以上。而且，例如在将氢气供给于燃料电池汽车用的氢气罐等的情况下，氢气排出限制部31优选将高压氢气的压力设为70MPa以上。
在高压排出管路30，设有绕过氢气排出限制部31的旁通部32。在旁通部32，从上游侧向下游侧依次设有第二减压部33及旁通开闭部34。第二减压部33调整旁通部32的氢气的压力。第二减压部33限制通过第二减压部33的氢气。第二减压部33为一边将二次侧(下游侧)的压力维持于设定压力一边开阀的减压阀。旁通开闭部34为开闭旁通部32的闸阀。例如，旁通开闭部34为手动闸阀。当旁通开闭部34处于闭状态时，旁通部32中的氢气流通受到限制。当旁通开闭部34处于开状态时，允许旁通部32中流通氢气。
低压排出管路40使从氢气升压部7排出的低压氢气流通。低压排出管路40包括排放线(vent line)41及回流线46。排放线41的上游端连接于氢气升压部7的低压侧排出口95。排放线41包括第四开闭部42。第四开闭部42开闭排放线41。第四开闭部42例如为电磁阀或电阀，基于控制装置9的控制来开闭排放线41。当第四开闭部42处于开状态时，排放线41的氢气向外部排出。在排放线41，连接有绕过第四开闭部42的调压线43。在调压线43设有第三减压部44。第三减压部44限制通过第三减压部44的氢气。第三减压部44为一边将一次侧(上游侧)的压力维持于设定压力一边开阀的背压阀。
回流线46在较第四开闭部42更靠上游侧，从排放线41分歧。回流线46的下游端与加湿器13的密闭容器60内连通。回流线46从上游侧向下游侧依次设有第五开闭部47及泵48。第五开闭部47开闭回流线46。第五开闭部47例如为电磁阀或电阀，基于控制装置9的控制来开闭回流线46。泵48在第五开闭部47处于开状态时，将回流线46的氢气压送至加湿器13的密闭容器60内。由此，使氢气升压部7的未反应的氢气回流。设于低压排出管路40的第四开闭部42、第三减压部44及第五开闭部47作为限制低压侧排出口95的氢的排出的限制部发挥功能。
控制装置9综合控制氢升压系统1的运行。控制装置9监视氢气升压部7的膜电阻计101、电流计102及电压计103的测量值。控制装置9监视设于氢升压系统1的各管路的未图示的压力传感器或流量计、温度计等的测量值。控制装置9例如为通过由中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)等处理器执行规定的程序而发挥功能的软件功能部。软件功能部为包括CPU等处理器、保存程序的只读存储器(Read Only Memory，ROM)、暂时存储数据的随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)及计时器(timer)等电子电路的电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)。控制装置9的至少一部分也可为大规模集成电路(LargeScale Integration，LSI)等集成电路。
＜电化学式氢升压系统1的运行＞
对第一实施方式的氢升压系统1的运行进行说明。
当氢升压系统1运转时，根据第一开闭部12及第三开闭部21的开闭状态，从氢供给源5排出的氢气通过加湿器13或绕过加湿器13而被导入至氢气升压部7。在氢气通过加湿器13的情况下，水蒸气与氢气一起被导入至氢气升压部7。另一方面，在氢气绕过加湿器13的情况下，储存于氢供给源5的干燥氢气被导入至氢气升压部7。
被导入至氢气升压部7的氢气经过供给连通孔91而在低压氢气流路88中流通。由此，向阳极83供给氢气。具体而言，低压氢气流路88内的氢气通过多孔质的阳极侧供电体83b，被供给于阳极电极催化剂层83a。在氢气通过加湿器13的情况下，质子交换膜82利用供给于阳极83的水蒸气而维持湿润状态。
通过对阳极83及阴极84施加电流，从而在阳极83将氢气电离而生成质子。所生成的质子偕同水分子一起透过质子交换膜82而到达阴极84，由此还原为氢气。如此，氢气升压部7通过使质子从阳极83向阴极84移动，从而在阴极84生成高压氢气而将氢气升压。
在阴极84生成的高压氢气在高压氢气流路89中流通，经过第二排出连通孔93而排出至高压排出管路30。因此，氢气升压部7可从阴极84排出较供给于阳极83的氢气更为高压的氢气。排出至高压排出管路30的高压氢气根据旁通开闭部34的开闭状态而通过氢气排出限制部31或旁通部32，储存于氢气罐3。
在阳极83并未电离的剩余的未反应氢气在低压氢气流路88中流通，经过第一排出连通孔92而排出至低压排出管路40。排出至低压排出管路40的未反应氢气根据第四开闭部42的开闭状态，通过第四开闭部42而释出至外部，或者限制低压排出管路40的流通直到低压排出管路40的压力达到第三减压部44的设定压力为止。而且，通过将第四开闭部42设为闭状态，且将第五开闭部47设为开状态，从而未反应氢气回流至加湿器13。
＜电化学式氢升压系统1的控制方法＞
对第一实施方式的氢升压系统1的控制方法进行说明。此外，氢升压系统1的各部的控制由控制装置9进行。控制装置9执行以下说明的处理流程，直到例如收到系统停止指示为止。
图4为表示由第一实施方式的氢升压系统执行的、处理流程的一例的流程图。
如图4所示，首先控制装置9进行步骤S10的处理。步骤S10中，伴随氢升压系统1的启动而进行升压运转。升压运转中，将第一开闭部12设为开状态，将第三开闭部21设为闭状态，将氢气供给于氢气升压部7。从氢供给源5向氢气升压部7的氢气供给量由控制装置9适当控制(也包含供给量零)。另外，以对阳极83及阴极84间施加规定电流的方式控制电源80，直到氢气升压部7成为可生成高压氢气的状态为止。若氢气升压部7成为可生成高压氢气的状态，则电源80增大对阳极83及阴极84间赋予的电压，由此对阳极83及阴极84施加电流而开始氢气的升压。由此，氢气升压部7在阴极84产生高压氢气。接下来，进入步骤S20的处理。
步骤S20中，控制装置9判定阴极84的氢气的压力是否达到规定压力以上。在阴极84的压力小于规定压力的情况下(S20：否(NO))，再次进行步骤S10的处理。在阴极84的压力为规定压力以上的情况下(S20：是(YES))，进入步骤S30的处理。
步骤S30中，控制装置9进行常态运转中。常态运转中，为了在氢气罐3储存氢气，而监视高压排出管路30中的氢气的压力或流量、供给管路10中的氢气的流量等，控制第一流量调整部15的开度或对阳极83及阴极84间的施加电流。接下来，进入步骤S40的处理。例如，控制装置9在执行了规定时间的步骤S30的处理的情况下，进入步骤S40的处理。
步骤S40中，控制装置9进行湿润控制运转。湿润控制运转中，控制装置9以将质子交换膜82维持于所需的湿润状态的方式，控制氢升压系统1的各部。本实施方式中，控制装置9基于氢气升压部7的电压计103的测量值，来判定质子交换膜82的湿润状态。然后，控制装置9再次进行步骤S30的处理。关于湿润控制运转的具体处理，将在下文中描述。
此外，步骤S30及步骤S40的处理中，控制装置9也能以向低压侧排出口95侧流通的氢气的压力小于规定值的方式，来控制第一流量调整部15。而且，控制装置9也可根据氢气升压部7的对阳极83及阴极84间的电流的施加状态来控制第一流量调整部15。
＜湿润控制运转＞
图5为表示由第一实施方式的氢升压系统执行的、湿润控制运转的处理流程的一例的流程图。
如图5所示，控制装置9在进行湿润控制运转时，首先进行步骤S410的处理。步骤S410中，控制装置9获取各单位电池81的阳极83及阴极84间的电压，判定多个单位电池81中至少一个单位电池81的每单位时间的电压上升速度是否为第一规定速度以上。第一规定速度可为预定的速度，也可根据单位电池81的温度等而变化。在电压上升速度小于第一规定速度的情况下，进入步骤S420的处理。在电压上升速度为第一规定速度以上的情况下，进入步骤S430的处理。
步骤S420中，控制装置9判定多个单位电池81中至少一个单位电池81的每单位时间的电压上升速度是否为第二规定速度以上。第二规定速度可为预定的速度，也可根据单位电池81的温度等而变化。在电压上升速度小于第二规定速度的情况下，结束堆叠湿润控制运转的处理。在电压上升速度为第二规定速度以上的情况下，进入步骤S440的处理。
步骤S430中，控制装置9进行湿润运转。湿润运转中，将第一开闭部12设为开状态且将第三开闭部21设为闭状态后，基于湿润状态来控制第四开闭部42、第三减压部44及第五开闭部47的至少任一个。具体而言，湿润运转中，通过将第四开闭部42及第五开闭部47设为闭状态，从而限制低压侧排出口95的氢的排出。由此，氢气滞留于电池单元71内，因而消除电池单元71内的氢气的流动偏差。
进而，湿润运转中，基于湿润状态使利用第三减压部44的限制状态变化，使向低压侧排出口95侧流通的氢的压力变化。利用第三减压部44的限制状态为第三减压部44的开度(设定压力)。例如，控制装置9以使向低压侧排出口95侧流通的氢气的压力低于常态运转时的方式来控制第三减压部44。控制装置9若结束步骤S430的处理，则再次进入步骤S410的处理。例如，控制装置9在执行了规定时间的步骤S430的处理的情况下，进入步骤S410的处理。
步骤S440中，控制装置9进行干燥运转。干燥运转中，将第一开闭部12设为闭状态，且将第三开闭部21设为开状态。由此，向电池单元71直接供给从氢供给源5排出的干燥氢气。此外，干燥运转中，也可与湿润运转同样地，控制第四开闭部42、第三减压部44及第五开闭部47的至少任一个。
进而，干燥运转中，基于湿润状态使利用第三减压部44的限制状态变化，使向低压侧排出口95侧流通的氢的压力变化。例如，控制装置9在干燥运转时，以使向低压侧排出口95侧流通的氢气的压力高于常态运转时的方式来控制第三减压部44。控制装置9若结束步骤S440的处理，则再次进入步骤S410的处理。例如，控制装置9在执行了规定时间的步骤S440的处理的情况下，进入步骤S410的处理。
＜电化学式氢升压系统1的作用＞
对第一实施方式的氢升压系统1的作用进行说明。
氢气升压部7中，氢气自流入口94导入至供给连通孔91后，被分配至各单位电池81的低压氢气流路88，由此被供给于阳极83。阳极83中的未反应的氢气从各单位电池81的低压氢气流路88在第一排出连通孔92合流后，从低压侧排出口95排出至低压排出管路40。因此，单位电池81彼此中，低压氢气流路88中的氢气流动可能根据单位电池81相对于流入口94及低压侧排出口95的距离而不同。例如，越是靠近流入口94及低压侧排出口95的单位电池81的低压氢气流路88，氢气越容易流通。本实施方式中，在单位电池81的层叠方向，位于电池单元71的两端部及中间部的单位电池81的低压氢气流路88中，氢气容易流通。
而且，电池单元71在单位电池81的层叠方向的两端接触端子板72A、端子板72B。因此，多个单位电池81中，越是层叠方向靠近电池单元71的两端的单位电池81，越容易经由端子板72A、端子板72B而散热。由此，电池单元71在层叠方向的中间部容易成为高温。
此处，单位电池81中，低压氢气流路88中的氢气流量越小，则氢气所含的水蒸气的供给量也越变小。若水蒸气的供给量减少，则可能质子交换膜82干燥而湿润状态劣化。若质子交换膜82干燥，则质子交换膜82的膜电阻上升。而且，内部温度上升导致质子交换膜82的水分透过系数增大，因而水分大量透过而容易滞留。即，在质子交换膜82的含水率过多的状态下，此状态为质子交换膜82的湿润状态劣化的状态。若液体水(凝缩水)在阳极侧供电体83b及阳极电极催化剂层83a的边界附近滞留，则从阳极电极催化剂层83a向阳极侧供电体83b的氢气供给受阻，在一定的电流施加下，阳极83及阴极84间的电压可能上升。
本实施方式的氢升压系统1中，基于质子交换膜82的湿润状态来控制第四开闭部42及第五开闭部47。由此，通过将第四开闭部42及第五开闭部47设为闭状态，从而可限制低压侧排出口95的氢的排出，因而在所有单位电池81的低压氢气流路88中限制氢气的排出。即，可使低压氢气流路88中的氢气流动在单位电池81间均匀，并且在所有单位电池81中使流入至低压氢气流路88的氢气及水蒸气滞留于低压氢气流路88。因此，根据本实施方式的氢升压系统1，可抑制质子交换膜82的湿润状态产生分布，将质子交换膜82设为良好的湿润状态。因此，可抑制伴随阳极83及阴极84间的电压上升的、电力消耗量的增加，使氢气升压部7高效率地运转。
而且，控制装置9基于质子交换膜82的湿润状态使利用第三减压部44的限制状态变化，使向低压侧排出口95侧流通的氢气的压力变化。由此，可使阳极83的氢气压力、与质子交换膜82的含水率的关系适当。因此，可将质子交换膜82设为良好的湿润状态。
而且，控制装置9基于质子交换膜82的湿润状态，控制第一开闭部12及第三开闭部21，切换氢气向分歧管路20的流通。由此，在质子交换膜82中处于含水率过多的状态的情况下，可从氢供给源5对单位电池81供给干燥氢气，消除质子交换膜82的含水率过多的状态。因此，可将质子交换膜82设为良好的湿润状态。因此，可抑制伴随阳极83及阴极84间的电压上升的、电力消耗量的增加，使氢气升压部7高效率地运转。
而且，控制装置9以向低压侧排出口95侧流通的氢气的压力小于规定值的方式，来控制第一流量调整部15。由此，可抑制向阳极83的氢气供给变得过多，使阳极83的氢气压力、与质子交换膜82的含水率的关系适当。因此，可将质子交换膜82设为良好的湿润状态。
而且，控制装置9根据向阳极83及阴极84间的电流的施加状态来控制第一流量调整部15。由此，在根据施加电流的增减而增减阳极83的氢气消耗量的情况下，可将氢气适当供给于阳极83，可抑制在阳极83产生氢气的过与不足。
(第二实施方式)
＜湿润控制运转＞
接下来，参照图6对第二实施方式的湿润控制运转进行说明。第一实施方式的湿润控制运转中，基于氢气升压部7的电压计103的测量值来判定质子交换膜82的湿润状态。相对于此，第二实施方式的湿润控制运转中，基于氢气升压部7的膜电阻计101的测量值来判定质子交换膜82的湿润状态，此方面与第一实施方式不同。此外，以下说明以外的结构与第一实施方式相同。
图6为表示由第二实施方式的氢升压系统执行的、湿润控制运转的处理流程的一例的流程图。
如图6所示，控制装置9在进行湿润控制运转时，首先进行步骤S450的处理。步骤S450中，控制装置9获取各单位电池81的质子交换膜82的膜电阻值，判定多个单位电池81中一个单位电池81的质子交换膜82的膜电阻值、与另一单位电池81的质子交换膜82的膜电阻值之差是否为第一规定值以上。例如，控制装置9将质子交换膜82的膜电阻值最大的单位电池81、与阳极83及阴极84间的电压最小的单位电池81进行比较。但是，作为比较对象的单位电池81不限定于此，也可将规定的两个单位电池81进行比较。第一规定值可为预定的电阻值，也可根据单位电池81的温度等而变化。在膜电阻值之差小于第一规定值的情况下，进入步骤S460的处理。在膜电阻值之差为第一规定值以上的情况下，进入步骤S430的处理。
步骤S460中，控制装置9判定多个单位电池81中至少一个单位电池81的质子交换膜82的膜电阻值是否为第二规定值以下。即，控制装置9判定多个单位电池81中质子交换膜82的膜电阻值最小的单位电池81的膜电阻值是否为第二规定值以下。第二规定值可为预定的电阻值，也可根据单位电池81的温度等而变化。在膜电阻值大于第二规定值的情况下，结束堆叠湿润控制运转的处理。在膜电阻值为第二规定值以下的情况下，进入步骤S440的处理。
如此，本实施方式中，基于使用质子交换膜82的膜电阻值所判定的湿润状态来进行湿润运转及干燥运转，因而可发挥与第一实施方式相同的作用效果。
(第三实施方式)
＜电化学式氢升压系统1A的结构＞
图7为表示第三实施方式的氢升压系统的结构的图。
第三实施方式的氢升压系统1A中，在供给管路10A设有分配管路18，分歧管路20A合流至各个分配管路18，此方面与第一实施方式不同。此外，以下说明以外的结构与第一实施方式相同。
如图7所示，氢升压系统1A包括连接于氢气升压部7的多个分配管路18。分配管路18为供给管路10A的一部分，在加湿器13的下游侧分歧。分配管路18在第一流量调整部15的下游侧相互分歧。分配管路18以与后述的电池单元71的区域A、区域B相同的数量设置。在各分配管路18设有第二流量调整部19(分配控制阀)。第二流量调整部19为控制阀，基于控制装置9的控制来调整通过第二流量调整部19的氢气的流量。即，第二流量调整部19控制各个分配管路18的氢的流量。
分歧管路20A在加湿器13的上游侧的分歧部16从供给管路10A分歧。在分歧管路20A设有第三流量调整部22。第三流量调整部22为控制阀，基于控制装置9的控制来调整通过第三流量调整部22的氢气的流量。第三流量调整部22设于第三开闭部21的下游侧。分歧管路20A包括在第三开闭部21及第三流量调整部22的下游侧相互分支的多个枝部26。枝部26以与分配管路18相同的数量设置。各枝部26一对一地连接于各个分配管路18。枝部26在第二流量调整部19的下游侧，合流至分配管路18。
图8为表示图7所示的氢升压系统中的供给管路及氢气升压部的连接的图。
如图8所示，氢气升压部7的电池单元71具有基于氢气升压部7的运行时的温度分布所划分的多个区域A、B。多个区域A、B在单位电池81的层叠方向排列。电池单元71所具有的各单位电池81包含于多个区域A、B中的任一个区域。多个区域A、B是基于在规定条件下使氢气升压部7运行时的单位电池81的温度而设定。例如，多个区域A、B为高温区域A及低温区域B，高温区域A包含温度高于规定温度的单位电池81，低温区域B包含温度低于规定温度的单位电池81。如上文所述，本实施方式的电池单元71在层叠方向的中间部可能成为高温。因此，高温区域A包含电池单元71的、单位电池81的层叠方向的中间部。而且，低温区域B包含电池单元71的层叠方向的两端部，以在层叠方向夹持高温区域A的方式设置。
分配管路18的下游端逐一连接于电池单元71的多个区域A、B各自。各分配管路18在电池单元71的各区域A、B中，与供给连通孔91(参照图3)连通。各分配管路18可对连接目的地区域的单位电池81不经由其他区域的单位电池81而供给氢。此外，本实施方式中，关于供给连通孔91，也可在电池单元71的各区域A、B间使连通阻断。例如，氢气升压部7在电池单元71的多个区域A、B各自，逐一包括连接分配管路18的下游端的、流入口94(参照图2)。
＜湿润控制运转＞
对第三实施方式的氢升压系统1的控制方法进行说明。
第三实施方式中，基于电池单元71的多个区域A、B各自的湿润状态来控制第二流量调整部19，调整对各区域A、B的单位电池81供给的氢气所含的水蒸气的供给量。例如，多个区域A、B各自的湿润状态可与第一实施方式同样地基于电压计103的测量值来判定，也可与第二实施方式同样地基于膜电阻计101的测量值来判定。而且，控制装置9可基于各区域A、B的测量值来判定各区域A、B的湿润状态，也可基于多个区域A、B中一部分区域的测量值来判定其他区域的湿润状态。
如此，本实施方式中，电池单元71具有基于氢气升压部7的运行时的温度分布所划分的多个区域A、B，作为供给管路10A的一部分的分配管路18的至少一个连接于电池单元71的多个区域A、B各自。根据所述结构，在质子交换膜82的湿润状态可能与电池单元71的温度分布对应地产生分布时，可通过第二流量调整部19来分别控制对基于电池单元71的温度分布所划分的多个区域A、B供给的氢气，因而可抑制电池单元71内的湿润状态的不均一。因此，可使氢气升压部7高效率地运转。
而且，分歧管路20A合流至各个分配管路18，控制装置9基于质子交换膜82的湿润状态来控制第一开闭部12及第三开闭部21，切换氢气向分歧管路20A的流通。由此，在质子交换膜82中处于含水率过多的状态的情况下，可从氢供给源5对单位电池81供给干燥氢气，消除质子交换膜82的含水率过多的状态。尤其分歧管路20A的枝部26合流至各个分配管路18，因而可对电池单元71的区域A、B中包含处于含水率过多的状态的单位电池81的区域选择性地供给干燥氢气。由此，可抑制对质子交换膜82的含水率并非过多的单位电池81的、干燥氢气的供给变得过多。因此，可抑制质子交换膜82的湿润状态的不均一，且将质子交换膜82设为良好的湿润状态。因此，可使氢气升压部7高效率地运转。
此外，本实施方式中，分歧管路20A在第二流量调整部19的下游侧，对各分配管路18进行合流，但不限定于此结构。即，分歧管路也可第二流量调整部19的上游侧，对供给管路10A进行合流。
(第四实施方式)
＜电化学式氢升压系统1B的结构＞
图9为表示第四实施方式的氢升压系统中的供给管路及氢气升压部的连接的图。
第四实施方式的氢升压系统1B中，对各个单位电池81逐一连接有分配管路18，此方面与第三实施方式不同。此外，以下说明以外的结构与第三实施方式相同。
如图9所示，分配管路18以与单位电池81相同的数量设置。分歧管路20A的枝部26一对一地连接于分配管路18。分配管路18的下游端逐一连接于各个单位电池81。各分配管路18在各单位电池81中与供给连通孔91(参照图3)连通。各分配管路18可对连接目的地的单位电池81不经由其他单位电池81而供给氢。此外，本实施方式中，关于供给连通孔91，也可在相邻的单位电池81间使连通阻断。例如，氢气升压部7也可在各单位电池81，逐一包括连接分配管路18的下游端的、流入口94(参照图2)。
如此，本实施方式中，作为供给管路10A的一部分的分配管路18的至少一个连接于电池单元71的多个区域A、B各自。因此，可与第三实施方式同样地发挥作用效果。
进而，本实施方式中，分配管路18连接于各单位电池81。根据所述结构，可分别控制对各单位电池81供给的氢气，因而可进一步抑制电池单元71内的湿润状态的不均一。因此，可使氢气升压部7高效率地运转。
此外，本发明不限定于参照附图所说明的所述实施方式，在其技术范围内可想到各种变形例。
例如，所述实施方式中，氢供给源5设为储存有氢气的集装格。但是，氢供给源不限定于此，例如也可为水电解装置。
而且，所述实施方式中，氢气升压部包括多个单位电池81，但单位电池81的数量不限定于此。即便单位电池81为一个，根据本发明，也可在单位电池81内消除湿润状态的分布，因而可发挥所述作用效果。
而且，所述第一实施方式中，控制装置9在步骤S410中，将多个单位电池81中一对单位电池81的阳极83及阴极84间的电压差作为判定对象。但是，控制装置9也可将多个单位电池81中阳极83及阴极84间的电压最大的单位电池81的电压作为判定对象。
此外，可适当在不偏离本发明的主旨的范围内，将所述实施方式的结构元件替换为众所周知的结构元件，而且，也可将所述各实施方式适当组合。

Claims (7)

1.一种电化学式氢升压系统，包括：
氢供给源；
电化学式氢升压装置，具有由电解质膜、以及设于所述电解质膜的两面的阳极及阴极所形成的单位电池，通过对所述阳极及所述阴极间施加电流而将氢升压；以及
供给管路，将从所述氢供给源排出的氢引导至所述电化学式氢升压装置，且
所述电化学式氢升压装置具有：
流入口，供从所述氢供给源供给的氢流入；
排出口，供流入至所述流入口的氢中的未反应的氢排出；以及
电池单元，由所述单位电池层叠而成，
所述电化学式氢升压系统还包括：
电源，供给对所述阳极及所述阴极间施加的电流；
获取部，获取与所述电解质膜的湿润状态有关的信息；
限制部，限制所述排出口的氢的排出；
控制装置，控制所述限制部；
加湿器，设于所述供给管路，将在所述供给管路中流通的氢加湿；
分配管路，为所述供给管路的一部分，在所述加湿器的下游侧分歧并连接于所述电化学式氢升压装置；以及
分配控制阀，控制所述分配管路各自的氢的流量，
所述电池单元具有基于所述电化学式氢升压装置的运行时的温度分布所划分的多个区域，
所述分配管路的至少一个连接于所述电池单元的各所述多个区域，
所述控制装置至少基于所述湿润状态来控制所述限制部。
2.根据权利要求1所述的电化学式氢升压系统，其中，
所述控制装置基于所述湿润状态使利用所述限制部的限制状态变化，使向所述排出口侧流通的氢的压力变化。
3.根据权利要求1或2所述的电化学式氢升压系统，还包括：
分歧管路，在所述加湿器的上游侧从所述供给管路分歧，在所述加湿器的下游侧合流至所述供给管路；以及
切换部，切换氢向所述分歧管路的流通，
所述控制装置基于所述湿润状态来控制所述切换部。
4.根据权利要求1所述的电化学式氢升压系统，其中，
所述分配管路连接于各个所述单位电池。
5.根据权利要求1所述的电化学式氢升压系统，还包括：
分歧管路，在所述加湿器的上游侧从所述供给管路分歧；以及
切换部，切换氢向所述分歧管路的流通，
所述分歧管路合流至所述分配管路各自，
所述控制装置基于所述湿润状态来控制所述切换部。
6.根据权利要求1所述的电化学式氢升压系统，还包括：
控制阀，设于所述供给管路，控制从所述氢供给源排出的氢的流量，
所述控制装置以向所述排出口侧流通的氢的压力小于规定值的方式控制所述控制阀。
7.根据权利要求1所述的电化学式氢升压系统，还包括：
控制阀，设于所述供给管路，控制从所述氢供给源排出的氢的流量，
所述控制装置根据对所述阳极及所述阴极间的电流的施加状态来控制所述控制阀。
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