CN116529423A - 氢系统及氢系统的运转方法 - Google Patents
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Abstract
氢系统具备：压缩机，所述压缩机通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩；第1流路，所述第1流路向所述阳极供给含氢气体；第2流路，所述第2流路从所述第1流路分支，并且向所述阴极供给含氢气体；和止逆阀，所述止逆阀设置于所述第2流路中，并且防止与向所述阴极供给含氢气体的流动方向相反的流动。
Description
技术领域
本公开涉及氢系统及氢系统的运转方法。
背景技术
近年来，由于全球变暖等环境问题、石油资源的枯竭等能源问题，作为代替化石燃料的清洁的替代能源，氢受到关注。氢即使燃烧也基本只释放出水，而不排出成为全球变暖的原因的二氧化碳，并且也几乎不排出氮氧化物等，因此，作为清洁能源而受到期待。另外，作为高效地利用氢作为燃料的装置，例如有燃料电池，正在面向汽车用电源、家庭用自备电源进行开发及普及。
在即将到来的氢社会中，除了制造氢之外，还需要开发能将氢以高密度储存、以小容量且低成本来输送或利用的技术。特别是为了成为分散型能源的燃料电池的普及促进，需要配备供给氢的基础设施。因此，为了稳定地供给氢，进行了对高纯度的氢进行制造、纯化、高密度储存的各种研究。
例如，专利文献1中记载了一种氢供给系统，其在阳极与阴极之间设置有电解质膜，通过向阳极与阴极之间施加电压来进行氢的纯化及升压。需要说明的是，将阳极、电解质膜及阴极的层叠结构体称为膜-电极接合体(MEA：Membrane Electrode Assembly)。
在此，专利文献1中公开了在开始电化学式氢泵的氢压缩动作之前、以阴极气体压力相对于阳极气体压力成为高压的方式调节两者的气体压力。由此，能够高效地维持电化学式氢泵的氢压缩动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2019-206749号公报
发明内容
发明所要解决的课题
作为一例，本公开的课题是提供能比以往更高效地维持压缩机的氢压缩动作的、氢系统及氢系统的运转方法。
用于解决课题的手段
本公开的一个实施方式的氢系统具备：压缩机，所述压缩机通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩；第1流路，所述第1流路向所述阳极供给含氢气体；第2流路，所述第2流路从所述第1流路分支，并且向所述阴极供给含氢气体；和止逆阀，所述止逆阀设置于所述第2流路中，并且防止与向所述阴极供给含氢气体的流动方向相反的流动。
另外，本公开的一个实施方式的氢系统具备：压缩机，所述压缩机通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩；第1流路，所述第1流路向所述阳极供给含氢气体；第2流路，所述第2流路从所述第1流路分支，并且向所述阴极供给含氢气体；开关阀，所述开关阀设置于所述第2流路中；和控制器，所述控制器在开始经由所述第1流路向所述阳极供给含氢气体的同时使所述开关阀开放。
另外，本公开的一个实施方式的氢系统的运转方法具备以下步骤：通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩的步骤；和在开始向所述阳极供给含氢气体的同时开始向所述阴极供给所述含氢气体的步骤。
发明效果
本公开的一个实施方式的氢系统及氢系统的运转方法实现能比以往更高效地维持压缩机的氢压缩动作这样的效果。
附图说明
[图1]图1为示出第1实施方式的氢系统的一例的图。
[图2]图2为示出第1实施方式的变形例的氢系统的一例的图。
[图3]图3为示出第2实施方式的氢系统的一例的图。
[图4]图4为示出第2实施方式的变形例的氢系统的一例的图。
具体实施方式
如上所述，专利文献1中公开了在开始电化学式氢泵的氢压缩动作之前、以阴极气体压力相对于阳极气体压力成为高压的方式调节两者的气体压力，但认为专利文献1所公开的发明在电化学式氢泵的氢压缩动作的高效化上仍有改善的余地。
例如，在开始向阳极供给含氢气体之前，为了使阴极气体压力相对于阳极气体压力维持为高压，有时通过使氢罐内的高压的氢气返回至阴极而对阴极气体压力进行升压。在该情况下，在再次供给至氢罐之前需要进行阴极气体的再升压，因此电化学式氢泵的效率降低。另外，例如在利用用于向阳极供给含氢气体的氢供给源而使阴极气体压力高于阳极气体压力的情况下，需要在阳极对含氢气体供给压力进行减压。在该情况下，与对从氢供给源不经减压地供给至阳极的含氢气体进行升压的情况相比，电化学式氢泵的效率降低。
因此，本公开的发明人进行了深入研究，结果发现，通过在开始向阳极供给含氢气体时使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力，能够减轻上述问题，从而想到了以下的本公开的一个实施方式。
即，本公开的第1实施方式的氢系统具备：压缩机，所述压缩机通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩；第1流路，所述第1流路向阳极供给含氢气体；第2流路，所述第2流路从第1流路分支，并且向阴极供给含氢气体；和止逆阀，所述止逆阀设置于第2流路中，并且防止与向阴极供给含氢气体的流动方向相反的流动。
根据这样的构成，本实施方式的氢系统能比以往更高效地维持压缩机的氢压缩动作。
具体而言，在开始向阳极供给含氢气体时，氢供给源的含氢气体的供给压力高于阴极气体压力的情况下，两者的差压在打开止逆阀的方向上起作用。因此，止逆阀无需获得外部的动力来进行控制，因此，自动地开始从第1流路的分支部位经由第2流路向阴极供给含氢气体。由此，能够快速地使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力。
需要说明的是，本说明书中，所谓“阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力”，并非要求阳极气体压力与阴极气体压力完全一致，也可包括产生对应于第1流路与第2流路的压力损失之差的差压的情况。
在此，在压缩机的氢压缩动作中，尽管阴极气体压力高于阳极气体压力，在开始向阳极供给含氢气体时，也有可能由于氢供给源的含氢气体的供给压力而产生阳极气体压力及阴极气体压力的大小关系的逆转(阳极气体压力>阴极气体压力)。于是，由于因两者的差压的逆转而导致的电解质膜及气体扩散层的损伤，MEA的接触阻力增加，由此，压缩机的氢压缩动作的效率有可能降低。
但是，就本实施方式的氢系统而言，在开始向阳极供给含氢气体时，可以通过设置于第2流路的止逆阀的自动开放而使阳极气体压力及阴极气体压力力为相同压力，因此能够减轻电解质膜及气体扩散层的损伤。
本公开的第2实施方式的氢系统具备：压缩机，所述压缩机通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩；第1流路，所述第1流路向阳极供给含氢气体；第2流路，所述第2流路从第1流路分支，并且向阴极供给含氢气体；开关阀，所述开关阀设置于第2流路中；和控制器，所述控制器在开始经由第1流路向阳极供给含氢气体的同时使开关阀开放。
根据这样的构成，本实施方式的氢系统能比以往更高效地维持压缩机的氢压缩动作。
具体而言，由于在开始经由第1流路向阳极供给含氢气体的同时使开关阀开放，因此适时地开始从第1流路的分支部位经由第2流路向阴极供给含氢气体。由此，能够快速地使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力。
需要说明的是，在专利文献1中，如图7A所示的那样，示出了在开始向阳极AN供给含氢气体之前向阴极CA供给含氢气体的构成、以及经由压力损失部16向阳极AN供给通过了阴极CA的含氢气体的构成。但是，在图7A所示的构成的情况下，含氢气体先通过阴极CA之后被供给至阳极AN，因此，滞留于阴极CA中的水等有可能与含氢气体一起被供给至阳极AN。于是，向阳极AN供给过剩的水，有在阳极AN发生溢流的可能性。与此相对，本实施方式的氢系统同时向阴极及阳极均供给湿润状态同样的含氢气体，因此降低了上述可能性。
在此，在压缩机的氢压缩动作中，尽管阴极气体压力高于阳极气体压力，在开始向阳极供给含氢气体时，也有可能由于氢供给源的含氢气体的供给压力而产生阳极气体压力及阴极气体压力的大小关系的逆转(阳极气体压力>阴极气体压力)。于是，由于因两者的差压的逆转而导致的电解质膜及气体扩散层的损伤，MEA的接触阻力增加，由此，电化学式氢泵的氢压缩动作的效率有可能降低。
但是，本实施方式的氢系统可以通过在开始向阳极供给含氢气体的同时使设置于第2流路的开关阀开放从而使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力，因此能够减轻电解质膜及气体扩散层的损伤。
本公开的第3实施方式的氢系统可以在第1实施方式或第2实施方式的氢系统中具备压力损失部，所述压力损失部设置于相对于向第2流路的分支部位更靠下游的第1流路中。
另外，本公开的第4实施方式的氢系统可以在第1实施方式至第3实施方式中的任意一种氢系统中使第2流路的压力损失小于相对于向第2流路的分支部位更靠下游的第1流路的压力损失。
根据以上的构成，本实施方式的氢系统的第2流路的压力损失小于相对于向第2流路的分支部位更靠下游的第1流路的压力损失，因此，可以在向阳极供给含氢气体之前向阴极供给含氢气体。由此，可适当地抑制阳极气体压力及阴极气体压力的大小关系的逆转(阳极气体压力>阴极气体压力)。
本公开的第5实施方式的氢系统可以在第1实施方式至第4实施方式中的任意一种氢系统中使经由第1流路供给的含氢气体的供给压力为0.1MPaG～20MPaG。
本公开的第6实施方式的氢系统的运转方法具备以下步骤：通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩的步骤；和在开始向阳极供给含氢气体的同时开始向阴极供给含氢气体的步骤。
由此，本实施方式的氢系统的运转方法能比以往更高效地维持压缩机的氢压缩动作。需要说明的是，本实施方式的氢系统的运转方法所实现的作用效果的详情与第1实施方式或第2实施方式的氢系统所实现的作用效果同样，因此省略详细说明。
以下，参照所附的附图对本公开的实施方式进行说明。需要说明的是，以下说明的实施方式均是表示上述各实施方式的一例的实施方式。因此，以下所示的形状、材料、构成要素及构成要素的配置位置及连接形态等终归是一例，只要未记载于权利要求中，则不对上述各实施方式加以限定。另外，对于以下的构成要素中的、未记载于表示上述各实施方式的最上位概念的独立权利要求中的构成要素，作为任意的构成要素来进行说明。另外，在附图中，标注了相同的附图标记的构成有时省略说明。附图是为了使其容易理解而示意性地示出各构成要素的图，因此，关于形状及尺寸比等，有时并非准确的表示。
(第1实施方式)
在以下的实施方式中，对具备作为上述压缩机的一例的电化学式氢泵的氢系统的构成及动作进行说明。
[装置构成]
图1为示出第1实施方式的氢系统的一例的图。
在图1所示的例子中，本实施方式的氢系统100具备电化学式氢泵10、第1流路1、第2流路2和止逆阀3。
电化学式氢泵10的电池单元(cell)具备电解质膜20、阳极AN和阴极CA。电化学式氢泵10也可以具备将多个这样的电池单元层叠而成的电池堆。详情在后文中进行说明。
阳极AN设置于电解质膜20的一个主面上。阳极AN是包含阳极催化剂层及阳极气体扩散层的电极。阴极CA设置于电解质膜20的另一个主面上。阴极CA是包含阴极催化剂层及阴极气体扩散层的电极。由此，电解质膜20以与阳极催化剂层及阴极催化剂层分别接触的方式被阳极AN和阴极CA夹持。
电解质膜20只要是具备质子传导性的膜即可，可以为任何构成。例如，作为电解质膜20，可以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20，可以使用例如Nafion(注册商标，デュポン社制)、Aciplex(注册商标，旭化成株式会社制)等，但并不限于这些。
阳极催化剂层设置于电解质膜20的一个主面上。阳极催化剂层包含能够以分散状态担载催化剂金属(例如，铂)的碳，但并不限定于此。
阴极催化剂层设置于电解质膜20的另一个主面上。阴极催化剂层包含能够以分散状态担载催化剂金属(例如，铂)的碳，但并不限定于此。
无论是阴极催化剂层还是阳极催化剂层，作为催化剂的调制方法，均可以举出各种方法，没有特别限定。例如，作为碳系粉末，可以举出石墨、炭黑、具有导电性的活性炭等粉末。在碳载体上担载铂或其他催化剂金属的方法没有特别限定。例如，可以使用粉末混合或液相混合等方法。作为后者的液相混合，可举出例如在催化剂成分胶体液中使碳等载体分散并吸附的方法等。铂等催化剂金属在碳载体上的担载状态没有特别限定。例如，可以将催化剂金属进行微粒化，高度分散地担载于载体。
阴极气体扩散层设置于阴极催化剂层上。阴极气体扩散层由多孔性材料构成，具备导电性及气体扩散性。期望阴极气体扩散层具备适当地追随在电化学式氢泵10的动作时因阴极CA与阳极AN之间的差压而产生的构成构件的位移、变形的这样的弹性。作为阴极气体扩散层的基材，可以使用例如碳纤维烧结体、钛纤维烧结体等，但并不限定于此。
阳极气体扩散层设置于阳极催化剂层上。阳极气体扩散层由多孔性材料构成，具备导电性及气体扩散性。期望阳极气体扩散层具备在电化学式氢泵10的动作时能耐受由上述差压引起的电解质膜20的推压的程度的刚性。作为阳极气体扩散层的基材，可以使用例如钛粒子烧结体、碳粒子烧结体等，但并不限定于此。
虽未在图中示出，但电化学式氢泵10具备电压施加器。
电压施加器是向阳极AN与阴极CA之间施加电压的装置。电压施加器只要能够向阳极AN与阴极CA之间施加电压即可，可以为任何构成。例如，电压施加器的高电位侧端子与阳极AN连接，电压施加器的低电位侧端子与阴极CA连接。作为这样的电压施加器，可以举出例如DC/DC转换器、AC/DC转换器等。DC/DC转换器可在电压施加器与太阳能电池、燃料电池、电池等直流电源连接的情况下使用。AC/DC转换器可在电压施加器与工业电源等交流电源连接的情况下使用。另外，电压施加器可以为例如电力型电源，其以供给至电池单元的电力成为规定的设定值的方式调节向阳极AN与阴极CA之间施加的电压、在阳极AN与阴极CA之间流通的电流。
以如上方式操作，电化学式氢泵10使用电压施加器在阳极AN与阴极CA之间进行通电。即，电化学式氢泵10是通过电压施加器向阳极AN与阴极CA之间施加电压从而使供给至阳极AN的含氢气体中的氢向阴极CA移动并且进行压缩的装置。
需要说明的是，上述的含氢气体例如可以为通过水的电解生成的氢气，也可以为通过烃气体的改性反应生成的改性气体。
在此，虽未在图1中示出，但可以适宜地设置在氢系统100的氢压缩动作中所必要的构件及设备。
例如，一对隔板各自可以从外侧分别夹着阳极AN和阴极CA。在该情况下，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构件。该板状构件具备供向阳极AN供给的含氢气体流通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构件。该板状构件具备供从阴极CA导出的氢流通的气体流路。
另外，在电化学式氢泵10中，通常以高压的氢不向外部泄漏的方式从电池单元的两侧设置垫片等密封材料，可与电化学式氢泵10的电池单元一体化地预先组装。而且，在该电池单元的外侧将其机械性地固定，并且配置用于将相邻的电池单元彼此相互串联地电连接的上述隔板。
通常的层叠结构如下：将电池单元与隔板交替重叠，将10～200个左右的电池单元层叠，将该层叠体(电池堆)隔着集电板及绝缘板而用端板夹住，用紧固连杆将两个端板紧固。需要说明的是，在该情况下，为了向隔板各自的气体流路中供给适量的含氢气体，需要如下构成：在各隔板中，从适宜的管路分支出槽状的分支路径，它们的下游端与隔板各自的气体流路连接。将这样的管路称为集流管，该集流管例如通过在构成电池堆的构件各自的适当部位设置的贯穿孔的连接而构成。
进一步，在氢系统100中可以设置检测电池单元的温度的温度检测器、调节电池单元的温度的温度调节器、调节向阳极AN供给的含氢气体的露点的露点调节器等。
需要说明的是，以上的未图示的构件及设备是示例，并不限定于该例。
接下来，对本实施方式的氢系统100的流路构成进行说明。
第1流路1是用于向电化学式氢泵10的阳极AN供给含氢气体的流路。
第1流路1的下游端可以与任意部位连接，只要是与电化学式氢泵10的阳极AN连通的部位即可。例如，在电化学式氢泵10具备上述的电池堆的情况下，第1流路1的下游端可以与含氢气体导入用的集流管连通。
第1流路1的上游端可以与例如适宜的氢供给源连接。作为氢供给源，可以举出例如，水电解装置、改性器、氢罐等。此时，经由第1流路1供给的含氢气体的供给压力例如可以为0.1MPaG以上、且20MPaG以下。
第2流路2是从第1流路1分支并且用于向电化学式氢泵10的阴极CA供给含氢气体的流路。具体而言，第2流路2的上游端在分支部位B与第1流路1连接。而且，第2流路2以与电化学式氢泵10的阴极CA连通的方式延伸。第2流路2的下游端可以与任意部位连接，只要是与电化学式氢泵10的阴极CA连通的部位即可。例如，在电化学式氢泵10具备上述的电池堆的情况下，第2流路2的下游端可以与氢导出用的集流管连通。
需要说明的是，氢系统100也可以如下构成：将在电化学式氢泵10的阴极CA被压缩的氢通过流路(未图示)而供给至适宜的氢储存器(未图示)。作为氢储存器，可以举出例如能填充数十MPaG左右的氢的氢罐。
如图1所示的那样，止逆阀3设置于第2流路2中。止逆阀3是用于防止与向电化学式氢泵10的阴极CA供给含氢气体的流动方向相反的流动的阀。即，止逆阀3如下构成：使从第1流路1流过的含氢气体从分支部位B经由第2流路2向阴极CA的方向(顺向)自动地流动，并且自动地防止反方向的流动。
[动作]
以下，参照附图对氢系统100的氢压缩动作的一例进行说明。
以下的动作例如可以通过控制器(图1中未图示)的运算电路从控制器的存储电路读取控制程序来进行。但是，不一定必须由控制器50进行以下的动作。操作者也可以进行其中的一部分动作。在以下的例子中，对利用控制器来控制动作的情况进行说明。
首先，开始经由第1流路1向电化学式氢泵10的阳极AN供给含氢气体。需要说明的是，含氢气体向阳极AN的供给开始例如可以通过使在第1流路1的上游端设置的氢供给源的旋塞(未图示)开放来进行。
在此，在开始向阳极AN供给含氢气体的同时进行开始向阴极CA供给含氢气体的动作。即，在含氢气体的供给压力高于阴极气体压力的情况下，两者的差压在打开止逆阀3的方向上起作用，因此，自动地开始从第1流路1的分支部位B经由第2流路2向阴极CA供给含氢气体。此时，经由第1流路1供给的含氢气体的供给压力例如可以为0.1MPaG以上、且20MPaG以下。
接下来，若经由第1流路1向阳极AN供给含氢气体、并且电压施加器的电压向电化学式氢泵10供电，则在阳极AN的阳极催化剂层中，含氢气体中的氢分子分离成质子和电子(式(1))。质子在电解质膜20内传导并移动至阴极催化剂层。电子通过电压施加器而移动至阴极催化剂层。然后，在阴极催化剂层中，再次生成氢分子(式(2))。需要说明的是，已知质子在电解质膜20中传导时，规定水量的水作为电渗透水而偕同质子一起从阳极AN向阴极CA移动。
此时，可以在从阴极CA导出的气体的流路中使用背压阀、调节阀(未图示)等，使流路内的压力损失增加，由此对在阴极CA生成的氢(H2)进行压缩。
阳极：H2(低压)→2H++2e-···(1)
阴极：2H++2e-→H2(高压)···(2)
如上所述地操作，在氢系统100中进行如下动作：通过向电化学式氢泵10的阳极AN与阴极CA之间施加电压，从而使供给至阳极AN的含氢气体中的氢经由电解质膜20向阴极CA移动，并且进行压缩。需要说明的是，在阴极CA被压缩的氢的压力即使高于经由第1流路1供给的含氢气体的供给压力，这样的氢要沿反方向流过第2流路2时，止逆阀3也会自动地关闭。
在阴极CA被压缩的氢例如可暂时储存在未图示的氢储存器中。另外，由氢储存器储存的氢适时地被供给至氢需要体。作为氢需要体，可以举出例如使用氢进行发电的燃料电池等。
接下来，停止电化学式氢泵10的阳极AN与阴极CA之间的电压施加。由此，上述的对氢进行压缩的动作停止。
如上所述，本实施方式的氢系统100及氢系统100的运转方法能比以往更高效地维持电化学式氢泵10的氢压缩动作。
具体而言，在开始向阳极AN供给含氢气体时，氢供给源的含氢气体的供给压力高于阴极气体压力的情况下，两者的差压在打开止逆阀3的方向上起作用。因此，止逆阀3无需获得外部的动力来进行控制，因此，自动地开始从第1流路1的分支部位B经由第2流路2向阴极CA供给含氢气体。由此，能够快速地使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力。
在此，在电化学式氢泵10的氢压缩动作中，尽管阴极气体压力高于阳极气体压力，在开始向阳极AN供给含氢气体时，也有可能由于氢供给源的含氢气体的供给压力而产生阳极气体压力及阴极气体压力的大小关系的逆转(阳极气体压力>阴极气体压力)。于是，由于因两者的差压的逆转而导致的电解质膜20及气体扩散层的损伤，MEA的接触阻力增加，由此，电化学式氢泵10的氢压缩动作的效率有可能降低。
但是，就本实施方式的氢系统100及氢系统100的运转方法而言，在开始向阳极AN供给含氢气体时，可以通过设置于第2流路2的止逆阀3的自动开放而使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力，因此能够减轻电解质膜20及气体扩散层的损伤。
(变形例)
图2为示出第1实施方式的变形例的氢系统的一例的图。
在图2所示的例子中，本变形例的氢系统100具备电化学式氢泵10、第1流路1、第2流路2、止逆阀3和压力损失部6。
在此，电化学式氢泵10、第1流路1、第2流路2及止逆阀3与第1实施方式是同样的，因此省略详细说明。
压力损失部6设置于相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1中。对于压力损失部6而言，只要能够在相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1中设定所希望的压力损失即可，可以为任何构成。例如，压力损失部6可以通过使构成相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1的配管的一部分的直径比其他部分小来实现。另外，压力损失部6也可以通过在相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1中设置止逆阀等阀来实现。
另外，本变形例的氢系统100的第2流路2的压力损失小于相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1的压力损失。例如，可以使用压力损失部6，如上所述的那样设定第2流路2的压力损失与相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1的压力损失的大小关系。需要说明的是，在利用阀构成压力损失部6的情况下，该阀的压力损失大于设置于第2流路2的止逆阀3的压力损失。
通过以上方式，本变形例的氢系统100的第2流路2的压力损失小于相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1的压力损失，因此，可以在向阳极AN供给含氢气体之前向阴极CA供给含氢气体。由此，可适当地抑制阳极气体压力及阴极气体压力的大小关系的逆转(阳极气体压力>阴极气体压力)。
本变形例的氢系统100可以除了上述特征以外与第1实施方式的氢系统100是同样的。
(第2实施方式)
[装置构成]
图3为示出第2实施方式的氢系统的一例的图。
在图3所示的例子中，本实施方式的氢系统100具备电化学式氢泵10、第1流路1、第2流路2、开关阀4和控制器50。
在此，电化学式氢泵10、第1流路1及第2流路2与第1实施方式是同样的，因此省略详细说明。
开关阀4设置于第2流路2中。开关阀4只要能够使第2流路2开关即可，可以为任何构成。作为开关阀4，可以使用例如利用氮气等进行驱动的驱动阀或电磁阀等，但并不限于这些。
控制器50在开始经由第1流路1向阳极AN供给含氢气体的同时使开关阀4开放。控制器50也可以控制氢系统100的全部动作。含氢气体向阳极AN的供给开始例如可以通过控制器50使在第1流路1的上游端设置的氢供给源的旋塞(未图示)开放来进行。
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，可以举出例如MPU、CPU等。作为存储电路，可以举出例如存储器等。控制器50可以由进行集中控制的单独的控制器构成，也可以由相互协同地进行分散控制的多个控制器构成。
[动作]
以下，参照附图对氢系统100的氢压缩动作的一例进行说明。
以下的动作例如可以通过控制器50的运算电路从控制器50的存储电路读取控制程序来进行。但是，不一定必须由控制器50进行以下的动作。操作者也可以进行其中的一部分动作。在以下的例子中，对利用控制器50来控制动作的情况进行说明。
首先，开始经由第1流路1向电化学式氢泵10的阳极AN供给含氢气体。需要说明的是，含氢气体向阳极AN的供给开始例如可以通过使在第1流路1的上游端设置的氢供给源的旋塞(未图示)开放来进行。
在此，在开始向阳极AN供给含氢气体的同时进行开始向阴极CA供给含氢气体的动作。即，在开始供给含氢气体的同时使开关阀4开放。此时，经由第1流路1供给的含氢气体的供给压力例如可以为0.1MPaG以上、且20MPaG以下。
接下来，若经由第1流路1向阳极AN供给含氢气体、并且电压施加器的电压向电化学式氢泵10供电，则在阳极AN的阳极催化剂层中，含氢气体中的氢分子分离成质子和电子(式(1))。质子在电解质膜20内传导并移动至阴极催化剂层。电子通过电压施加器而移动至阴极催化剂层。然后，在阴极催化剂层中，再次生成氢分子(式(2))。需要说明的是，已知质子在电解质膜20中传导时，规定水量的水作为电渗透水而偕同质子一起从阳极AN向阴极CA移动。
于是，可以在从阴极CA导出的气体的流路中使用背压阀、调节阀(未图示)等，使流路内的压力损失增加，由此对在阴极CA生成的氢(H2)进行压缩。需要说明的是，此时，开关阀4被关闭。
阳极：H2(低压)→2H++2e-···(1)
阴极：2H++2e-→H2(高压)···(2)
如上所述地操作，在氢系统100中进行如下动作：通过向电化学式氢泵10的阳极AN与阴极CA之间施加电压，从而使供给至阳极AN的含氢气体中的氢经由电解质膜20向阴极CA移动，并且进行压缩。
在阴极CA被压缩的氢例如可暂时储存在未图示的氢储存器中。另外，由氢储存器储存的氢适时地被供给至氢需要体。作为氢需要体，可以举出例如使用氢进行发电的燃料电池等。
接下来，停止电化学式氢泵10的阳极AN与阴极CA之间的电压施加。由此，上述的对氢进行压缩的动作停止。
如上所述，本实施方式的氢系统100及氢系统100的运转方法能比以往更高效地维持电化学式氢泵10的氢压缩动作。
具体而言，由于在开始经由第1流路1向阳极AN供给含氢气体的同时使开关阀4开放，因此适时地开始从第1流路1的分支部位B经由第2流路2向阴极CA供给含氢气体。由此，能够快速地使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力。
在此，在电化学式氢泵10的氢压缩动作中，尽管阴极气体压力高于阳极气体压力，在开始向阳极AN供给含氢气体时，也有可能由于氢供给源的含氢气体的供给压力而产生阳极气体压力及阴极气体压力的大小关系的逆转(阳极气体压力>阴极气体压力)。于是，由于因两者的差压的逆转而导致的电解质膜20及气体扩散层的损伤，MEA的接触阻力增加，由此，电化学式氢泵10的氢压缩动作的效率有可能降低。
但是，本实施方式的氢系统100及氢系统100的运转方法可以通过在开始向阳极AN供给含氢气体的同时使设置于第2流路2的开关阀4开放从而使阳极气体压力及阴极气体压力为相同压力，因此能够减轻电解质膜20及气体扩散层的损伤。
本实施方式的氢系统100可以除了上述特征以外与第1实施方式的氢系统100是同样的。
(变形例)
图4为示出第1实施方式的变形例的氢系统的一例的图。
在图4所示的例子中，本变形例的氢系统100具备电化学式氢泵10、第1流路1、第2流路2、开关阀4和压力损失部6。
在此，电化学式氢泵10、第1流路1、第2流路2及开关阀4与第1实施方式是同样的，因此省略详细说明。压力损失部6与第1实施方式的变形例是同样的，因此省略详细说明。
本变形例的氢系统100的第2流路2的压力损失小于相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1的压力损失。例如，可以使用压力损失部6，如上所述的那样设定第2流路2的压力损失与相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1的压力损失的大小关系。需要说明的是，在利用阀构成压力损失部6的情况下，该阀的压力损失大于使设置于第2流路2的开关阀4开放的情况下的压力损失。
通过以上方式，本变形例的氢系统100的第2流路2的压力损失小于相对于向第2流路2的分支部位B更靠下游的第1流路1的压力损失，因此，可以在向阳极AN供给含氢气体之前向阴极CA供给含氢气体。由此，可适当地抑制阳极气体压力及阴极气体压力的大小关系的逆转(阳极气体压力>阴极气体压力)。
本变形例的氢系统100可以除了上述特征以外与第2实施方式的氢系统100是同样的。
需要说明的是，第1实施方式、第1实施方式的变形例、第2实施方式及第2实施方式的变形例也可以相互组合，只要不相互排除对方即可。
根据上述说明，对于本领域技术人员而言，本公开的许多改良及其他实施方式是显而易见的。因此，上述说明仅应解释为示例，是出于向本领域技术人员教导执行本公开的最佳方式的目的而提供的。可以在不脱离本公开的主旨的情况下实质性地变更其结构和/或功能的详情。
产业可利用性
本公开的一个实施方式可以用于能比以往更简易且高效地维持压缩机的氢压缩动作的氢系统及氢系统的运转方法中。
附图标记说明
1：第1流路
2：第2流路
3：止逆阀
4：开关阀
6：压力损失部
10：电化学式氢泵
20：电解质膜
50：控制器
100：氢系统
AN：阳极
B：分支部位
CA：阴极
Claims (6)
1.一种氢系统，其具备：
压缩机，所述压缩机通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩；
第1流路，所述第1流路向所述阳极供给含氢气体；
第2流路，所述第2流路从所述第1流路分支，并且向所述阴极供给含氢气体；和
止逆阀，所述止逆阀设置于所述第2流路中，并且防止与向所述阴极供给含氢气体的流动方向相反的流动。
2.一种氢系统，其具备：
压缩机，所述压缩机通过向阳极与阴极之间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩；
第1流路，所述第1流路向所述阳极供给含氢气体；
第2流路，所述第2流路从所述第1流路分支，并且向所述阴极供给含氢气体；
开关阀，所述开关阀设置于所述第2流路中；和
控制器，所述控制器在开始经由所述第1流路向所述阳极供给含氢气体的同时使所述开关阀开放。
3.根据权利要求1或2所述的氢系统，其具备压力损失部，所述压力损失部设置于相对于向所述第2流路的分支部位更靠下游的第1流路中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的氢系统，所述第2流路的压力损失小于相对于向所述第2流路的分支部位更靠下游的第1流路的压力损失。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的氢系统，经由所述第1流路供给的含氢气体的供给压力为0.1MPaG～20MPaG。
6.一种氢系统的运转方法，其具备以下步骤：
通过向阳极及阴极间施加电压，从而使供给至阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动，并且进行压缩的步骤；和
在开始向所述阳极供给含氢气体的同时开始向所述阴极供给所述含氢气体的步骤。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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