JP2018199852A - 電気化学式水素ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 アノード流路及びガス拡散層の水による閉塞を解消する。【解決手段】上記目的を達成するために、電解質膜の両面に電極層を接合した電解質膜と、上記電解質膜の一方面に位置し、複数のアノードガス供給流路と複数のアノードガス排出流路と上記アノードガス供給流路と上記アノードガス排出流路と繋がる複数のガス流路とを持つアノードセパレータと、上記電解質膜の他方面に位置するカソードセパレータと、上記アノードガス供給流路を切り換える、供給流路切替弁と、上記アノードガス排出流路を切り換える、排出流路切替弁と、上記供給流路切替弁と上記排出流路切替弁とを制御する制御装置と、を有する電気化学式水素ポンプを用いる。【選択図】 図２

Description

本発明は、電気化学式水素ポンプの構造に関するものである。

従来の電気化学式水素ポンプとしては、燃料電池と電気化学式ポンプの両方の動作モードを持つものがある（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の燃料電池と電気化学ポンプの両方の動作を行うシステムの構成を示す図である。

図６に示す、燃料電池セル６０１は、高分子イオン交換膜からなる高分子電解質膜６０２の両側に、それぞれアノード側触媒層６０３及びカソード側触媒層６０４を設けた構造をしている。更にその外側にアノード側ガス拡散層６０５及び、カソード側ガス拡散層６０６を設けている。これらをまとめて、ＭＥＡ６０７（電解質膜・電極構造体）と読んでいる。

このＭＥＡ６０７の外側には、ＭＥＡ６０７にアノード側ガス６０８を供給するガス流路を有したアノード側セパレータ６０９と、ＭＥＡ６０７にカソード側ガス６１０を供給するガス流路を有したカソード側セパレータ６１１とがある。

結果、燃料電池セル６０１は、アノード側セパレータ６０９と、カソード側セパレータ６１１とよって挟持されたセル構造をしている。

又、燃料電池セル６０１には、水素ガスであるアノード側ガス６０８を受け入れるアノードガス供給口６１２と、未使用のアノード側ガスを排出する為のアノードガス排出口６１３とを設け、水素供給排出を行っている。

更に、燃料電池モードでブロア６１４を介して供給される空気であるカソード側ガス６１０を受け入れるカソード側入口６１５と、未使用の空気か、精製水素を排出するためのカソード側出口６１６を設けている。

そして、燃料電池セル６０１を燃料電池モードもしくは、水素ポンプモードとして動作させるための制御装置６１７を備えている。

水素ポンプモードにおいては、カソード側入口弁６１８は閉じられ、カソード側出口６１６から精製された水素は、水素タンク６１９に送られ、所定の圧力まで加圧蓄積される。

これより、燃料電池と電気化学式水素ポンプは、同様の構造で実現できる事がわかる。

電気化学式水素ポンプと同様構造の燃料電池では、発電に伴って発生した生成水が、
ガス供給流路であるセパレータ内でガス流路を塞ぎ、ガス供給を妨げるガス流路閉塞が発生する場合があり、アノード側セパレータ流路に改善を加えたものがある（例えば、特許文献２参照）。

図７は、特許文献２に記載された、ガス流路の閉塞対策を行ったアノード側セパレータ６０９の構造を示す図である。

図７において、アノードガス供給側７０１から、水素である供給されたアノード側ガス６０８は、アノードガス供給側７０１からアノードガス排出側７０２まで連通する第１流路７０３と、供給側が閉塞された第２流路７０４と、アノードガス排出側７０２付近に、完全に第１流路７０３をせき止めない突起７０４ａを設けた構造としている。

この完全に第１流路７０３をせき止めない突起７０４ａにより、第１流路７０３内でのガス流路閉塞を発生させない構造とすると共に、第１流路７０３から、第２流路７０４へのアノード側ガス拡散層６０５を介したアノード側伏流ガス７０５を発生させ、全面での発電が可能な構成としている。

特開２００９−１１４０１２号公報 特許第５５００２５４号公報

従来の構成では、発生した生成水が、ガス供給流路であるセパレータ内でガス流路を塞ぎ、ガス供給を妨げるガス流路閉塞は解消可能である。しかし、発生した生成水が、アノード側セパレータとＭＥＡの間にあるアノード側ガス拡散層内でガス供給を妨げるガス拡散層閉塞を、解消することは出来ない。

電気化学式水素ポンプでは、高圧となるカソード側の影響で、アノード側ガス拡散層を緻密にする必要があり、アノード側ガス拡散層に水分が溜まりやすい構造となり、動作効率が低下する状態が発生していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、アノード側ガス拡散層に溜まった水分を除去可能とした、電気化学式水素ポンプを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、電解質膜と、上記電解質膜の一方面に位置し、複数のアノードガス供給流路と、複数のアノードガス排出流路と、上記アノードガス供給流路と上記アノードガス排出流路と繋がる複数のガス流路と、を持つアノードセパレータと、上記電解質膜の他方面に位置するカソードセパレータと、上記アノードガス供給流路を切り換える、供給流路切替弁と、上記アノードガス排出流路を切り換える、排出流路切替弁と、上記供給流路切替弁と上記排出流路切替弁とを制御する制御装置と、を有する電気化学式水素ポンプを用いる。

また、ガス流路の流量を検出する流量検出工程と、上記ガス流路の圧力を検出する圧力検出工程と、上記ガス流路の閉塞解消する閉塞解消工程と、を含む電気化学式水素ポンプの運転方法を用いる。

本発明の電気化学式水素ポンプによれば、ガス拡散層に溜まった水分を除去し、動作効率を低下させずに、ポンプ動作を行う事ができる。

本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプ用セルの構成を示す図 本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプ用セルにつながる配管及び、アノード側セパレータの構成図 本発明の実施の形態１における閉塞解消動作フロー図 本発明の実施の形態１における閉塞動作時の配管状態の説明図 本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプ用セル及び周辺回路の構成を示す図 特許文献１に記載された従来の燃料電池と電気化学ポンプの両方の動作を行うシステムの構成を示す図 特許文献２に記載された従来のガス流路の閉塞対策を行ったアノード側セパレータの構造を示す図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電気化学式水素ポンプ用セル１０１の構成を示す断面図である。

図１において、図６、図７と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

電気化学式水素ポンプ用セル１０１は、高分子電解質膜６０２の両側に、アノード側触媒層６０３及びカソード側触媒層６０４を設け、更にその外側に、アノード側ガス拡散層６０５及びカソード側ガス拡散層６０６を設けたＭＥＡ６０７（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅ）を有する。

このＭＥＡ６０７を導電性のアノード側セパレータ１０２とカソード側セパレータ６１１とから成る一対のセパレータで挟持されている。

水素であるアノード側ガス６０８は、アノードガス供給口６１２からアノードガス入口分配１０３で分配され、複数のアノードガス入口１０４を通り、アノード側セパレータ１０２に供給される。

又、使用されなかったガスは、アノード側セパレータ１０２から、複数のアノードガス出口１０５を通り、アノードガス出口１０５で集約され、アノードガス排出口６１３より、排出される構造である。

又、アノード側セパレータ１０２は、アノードガス入口１０４からの流路とアノードガス出口１０５への流路との間はつながっておらず、アノード側ガス拡散層６０５を介して、アノード側ガス６０８が流れる構造である。よって、アノード側セパレータ１０２は、アノード側ガス拡散層６０５に積極的にガスを流す構造である。

カソード側セパレータ６１１にも、ＭＥＡ６０７から精製した水素ガスが安定して外部に排出されるための流路が構成され、カソード側出口６１６から、精製水素が排出される。カソード側セパレータ６１１には、カソード側出口６１６だけでなく、カソード側入口６１５が取り付けられ、電気化学式ポンプの動作前にカソード側セパレータ６１１内を窒素等の不活性ガスでパージし、水素と酸素が混じらない動作を行えるような構成をとっている。

更にこのアノード側セパレータ１０２とカソード側セパレータ６１１とに所定の電圧を印可する事で、アノード側から供給された水素ガスであるアノード側ガス６０８は、アノード側触媒層６０３でプロトン（Ｈ＋）と電子に分離され、プロトン（Ｈ＋）は、高分子電解質膜６０２を通って、カソード側触媒層６０４で、電子と再結合し水素ガスになる、電気化学式水素ポンプの動作を行う事ができる。

又、電気化学式水素ポンプ用セル１０１は、シール１０７を介して、アノード側端板１０８及び、カソード側端板１０９を、ねじ等を用いて締結されており、水素ガスが電気化学式水素ポンプ用セル１０１から外部へ漏れる事を防止する構造をとっている。

電気化学式水素ポンプ用セル１０１で、ポンプ動作を行う際には、高分子電解質膜６０２は十分に湿潤状態である必要がある。このため、アノード側ガス６０８は、水素ガスだけでなく水蒸気と一緒に電気化学式水素ポンプ用セル１０１に供給される。ポンプ動作に使用されなかったアノード側ガス６０８は、アノードガス排出口６１３排出からされる。

一方、カソード側では、ポンプ動作により、水素が精製されるが、アノード側から供給された水蒸気もカソード側に移動し、加圧凝縮により水が発生する。ポンプ動作を連続で行うと、カソード側には水分が増加していき、更に、高分子電解質膜６０２を介して、アノード側触媒層６０３及び、アノード側ガス拡散層６０５にも水分が存在するようになる。

このアノード側に発生する水分がアノード側ガス拡散層６０５及びアノード側セパレータ１０２内に多量で生成すると、アノードガス排出口６１３から水素ガスと一緒に排出されずに、アノード側におけるアノード側ガス６０８のガス拡散を阻害して、ポンプ動作の効率を低下させる。

また、電気化学式水素ポンプ用セル１０１において、カソード側は大気より高い圧力に水素ガスを圧縮するので、高分子電解質膜６０２から、アノード側触媒層６０３、アノード側ガス拡散層６０５、アノード側セパレータ１０２は、その高い圧力を受ける。

よって、圧力で変形しにくい構造をとる必要があるが、アノード側ガス拡散層６０５は、ガスを供給するために中に空隙を持った構造も要求される。よって、アノード側ガス拡散層６０５の空隙は通常の燃料電池よりも緻密な空隙を有した構造となるので、水分による閉塞が比較的発生しやすい。

＜配管＞
次に、電気化学式水素ポンプ用セル１０１につながる配管及び、アノード側セパレータ１０２のガス流路について、図２の断面図を用いて説明する。

図２は、電気化学式水素ポンプ用セル１０１のアノード側セパレータ１０２部分を、切断面１１０で切った切断面を表した図であり、アノード側端板１０８及びアノード側セパレータ１０２は、円形である。

図２において、アノードガス供給口６１２から供給された水素ガスは、アノードガス供給流路６１２ａを通り、アノードガス入口分配１０３で、複数のアノードガス入口１０４へ分配され、アノードガス供給流路６１２ｂ、６１２ｃ、６１２ｄへ分かれる。水素ガスは、アノードガス入口１０４である第１アノード入口２０１、第２アノード入口２０２、第３アノード入口２０３を通って、アノード側セパレータ１０２に側面から供給される。

第１アノード入口２０１、第２アノード入口２０２、第３アノード入口２０３は、同一半径状にあり、各々の位置は円周上で均等に配置されている。

又、第１アノード入口２０１から入ったガスは、アノード側セパレータ１０２の同心円状の扇型に作られた、第１入口側流路２０４に、第２アノード入口２０２から入ったガスは、同様にアノード側セパレータ１０２の同心円状の扇型に作られた、第２入口側流路２０５に、第３アノード入口２０３から入ったガスは、同様にアノード側セパレータ１０２の同心円状の扇型に作られた、第３入口側流路２０６に、各々供給される。

次に、使われなかったガスは、アノード側セパレータ１０２の同心円状の扇型に作られた３つの出口流路を通り、アノード側セパレータ１０２の側面から排出される。

具体的には、第１出口側流路２０７を通ったガスは、第１アノード出口２０８に排出し、第２出口側流路２０９を通ったガスは第２アノード出口２１０に排出し、第３出口側流路２１１を通ったガスは第３アノード出口２１２に排出される。

その後、水素ガスは、アノードガス出口集約１０６を通り、アノードガス排出流路６１３ｂ、６１３ｃ、６１３ｄからアノードガス排出流路６１３ａで集められ、アノードガス排出口６１３より、排出される。

第１アノード出口２０８、第２アノード出口２１０、第３アノード出口２１２も、同一半径状にあり、各々の位置は円周上で均等に配置されている。

第１入口側流路２０４と第２出口側流路２０９、第３出口側流路２１１は各々櫛場状になっており接続されておらず、各流路の間には、ガスを通さない導電性の隔壁がある。
そのため、アノード側ガスは、アノード側ガス拡散層６０５を通って入口側流路から、出口側流路にガスが流れていく構造である。

よって、第１アノード入口２０１から供給されたガスは、第１入口側流路２０４からアノード側ガス拡散層６０５を通り、第２出口側流路２０９を通って第２アノード出口２１０及び、第３出口側流路２１１を通って第３アノード出口２１２に排出される。

他の出入り口も同様の構成をとる。

アノードガス入口分配１０３では、圧力測定用の入口圧力計２１３が取り付けられ、その後ろで配管が分岐している。

分岐した第１アノード入口２０１につながる配管には、第１供給切替弁２１４、第１アノード入口流量計２１５が取付られている。

又、分岐した、第２アノード入口２０２につながる配管には、第２供給切替弁２１６、第２アノード入口流量計２１７が取付られている。

更に、第３アノード入口２０３につながる配管には、第３供給切替弁２１８、第３アノード入口流量計２１９が取付られている。

各入口へのガス流量測定と、切替弁を操作する事で各入口へのガス供給のＯＮ／ＯＦＦが可能である。

又、アノードガス出口集約１０６においては、集約後の配管圧力測定行う、出口圧力計２２０が備わっている。

集約前の第１アノード出口２０８につながる配管には、第１排出切替弁２２１、第１アノード出口流量計２２２が取付られている。

又、集約前の第２アノード出口２１０につながる配管には、第２排出切替弁２２３、第２アノード出口流量計２２４が取付られている。

更に、集約前の第３アノード出口２１２につながる配管には、第３排出切替弁２２５、第３アノード出口流量計２２６が取付られている。

各出口からの流量測定と、切替弁を操作する事で各出口からのガス排出のＯＮ／ＯＦＦが可能である。

更に、制御装置２２７には、各切替弁及び、流量計、圧力計が接続され、状況により、各種指令を送る事ができる。

＜動作＞
次に図３のフローで、動作システムを説明する。

＜Ｓ３０１＞
ポンプ動作開始時Ｓ３０１では、第１供給切替弁２１４、第２供給切替弁２１６第、第３供給切替弁２１８及び、第１排出切替弁２２１、第２排出切替弁２２３、第３排出切替弁２２５は全て開いており、電気化学式水素ポンプ用セル１０１の全面にわたり水素ガスが供給され、制御装置２２７はポンプ動作を指令している。

＜Ｓ３０２＞
ポンプ動作開始後、一定周期おきに流量確認Ｓ３０２を行う。今回、周期は１秒毎に行う。流量確認Ｓ３０２においては、３つの入口流量と３つの出口流量に差が無いかを確認し、流量に差が発生した場合、閉塞が発生したと判断し、閉塞解消処理Ｓ３０３に移行する。

以下に、具体的方法について説明する。

まず、入口側の判定を行う。３つの入口側流量を加え、３で割る事で平均流量を算出し、各入口流量と平均流量との差を出し、それを入口流量差比に換算する。
平均入口流量（ＡＶ＿Ｉ）＝（第１入口流量＋第２入口流量＋第３入口流量）／３・・・（１）
入口流量差（ｎ）＝平均入口流量（ＡＶ＿Ｉ）−第ｎ入口流量・・・（２）
入口流量差比（ｎ）＝１００＊（入口流量差（ｎ）／平均入口流量（ＡＶ＿Ｉ））・・・（３）
ここで、ｎ：１〜３である。

次に、各入口流量差比を、あらかじめ設定しておいた流量閾値と比較し、流量閾値より入口流量差比が小さい場合、閉塞しているとして入口判定フラグを記録する。
入口判定フラグは、入口流量差比が流量閾値より大きい場合は正常で０で記録し、流量閾値より小さい場合は１で記録し閉塞状態を示す。

入口判定（ｍ）＝（０ｏｒ１）：入口流量差比（ｎ）＜流量閾値・・・（４）
ｍが１である時は、入口流量差比が流量閾値より小さい場合（閉塞）である。
ｍが０である時は、入口流量差比が流量閾値より大きい場合。（正常）である。
流量閾値は、１〜１００の範囲である。今回は８０で設定した。

次に、出口側の判定を行う。３つの出口流量を加え、３で割る事で平均流量を算出し、各出口流量と平均流量との差を出し、それを出口流量差比に換算する。
平均出口流量（ＡＶ＿Ｏ）＝（第１出口流量＋第２出口流量＋第３出口流量）／３・・・（５）
出口流量差（ｎ）＝平均出口流量（ＡＶ＿Ｏ）−第ｎ出口流量・・・（６）
出口流量差比（ｎ）＝１００＊（出口流量差（ｎ）／平均出口流量（ＡＶ＿Ｏ））・・・（７）
ここで、ｎは１〜３のいずれかである。

次に、各出口流量差比をあらかじめ設定しておいた、流量閾値と比較し、流量閾値より出口流量差比が小さい場合、閉塞しているとして出口判定フラグを記録する。
出口判定フラグは、出口流量差比が流量閾値より大きい場合は正常で０で記録し、流量閾値より小さい場合は１で記録し閉塞状態を示す。
出口判定（ｍ）＝（０ｏｒ１）：出口流量差比（ｎ）＜流量閾値・・・（４）
ｍが１とは、入口流量差比が流量閾値より小さい場合で、閉塞を意味する。ｍが０とは、入口流量差比が流量閾値より大きい場合で、正常を意味する。流量閾値：１〜１００の範囲である。今回は、８０で設定した。

＜判断＞
入口判定（ｎ）と出口判定（ｎ）でどれか一つでも閉塞状態（ｍが１の場合）があった場合、閉塞解消動作＿ＦのＳ３０３を実施する。一方、すべてが正常であった場合、圧力確認１のＳ３０４に移る。

＜Ｓ３０３＞
次に閉塞解消動作＿ＦのＳ３０３の動作を説明する。

閉塞解消動作＿ＦのＳ３０３において、まず、ガス設定動作―１のＳ３０６を行う。

＜Ｓ３０６＞
ガス設定動作―１のＳ３０６では、入口判定（ｎ）と出口判定（ｎ）の条件により、ＮＧ条件を選択し、ＮＧ条件により、動作させる弁の設定を行う。

表１は、入口判定（ｎ）と出口判定（ｎ）の条件により決定されるＮＧ条件を表したもの一例で、入口判定（２）が１で閉塞と判定された場合の例である。表１においては、０が正常で、１が閉塞と判定された場合である。左端列が、入口判定（ｎ）と出口判定（ｎ）の結果であり、上の行がＮＧ条件である。

入口判定（ｎ）と出口判定（ｎ）の条件によりＮＧ条件が決まる。具体的には表１で入口判定（２）が１で閉塞と判定され、出口判定（２）のみ１で閉塞と判断された場合、Ｐ２３がＮＧ条件となり、入口判定（２）が１で閉塞と判定され、出口判定（２）と出口判定（３）が１と閉塞判定された場合、Ｐ２７がＮＧ条件になります。

表２は、ＮＧ条件による、出入り口弁の開閉設定を示したものの１例である。表２においては、上の行が表１によって決定された、ＮＧ条件である。左端列が、各供給排出切替弁を示し、「開」と記載されている場合には、弁が開き、「閉」と記載されている場合には、弁を閉じる。

例えば、Ｐ２３のＮＧ条件であった場合、第２供給切替弁と第２排出切替弁が開きます。開いた後に、閉塞解消動作として、所定量の流量で、水蒸気を含まない水素ガスを所定時間供給する。この際動作回数は、複数回の設定が可能です。

上記の切替弁の選択と水蒸気を含まない水素ガスを供給する事で、閉塞した状態のガス流路及びアノード側ガス拡散層の水分を排出流路側に吹き飛ばす事で、閉塞状態を解消させる。

次に、Ｐ２７のＮＧ条件であった場合の動作を説明する。この条件時は、一番下の行にある、排出弁切替が「有」になっているので、排出弁を切替えた動作を行う。まず、第２供給切替弁と第２排出切替弁が開き、開いた後に、閉塞解消動作として、所定量の流量で、水蒸気を含まない水素ガスを所定時間、所定回数供給します。次に、第２供給切替弁と第３排出切替弁が開き、開いた後に、閉塞解消動作として、所定量の流量で、水蒸気を含まない水素ガスを所定時間、所定回数供給します。

ここで、排出弁切替が「有」とは、出口判定でＮＧになった出口が、単独でなく複数個存在していた場合に排出弁切替を「有」とする。出口判定でＮＧになった出口が単独の場合、排出弁切替は無となる。

＜Ｓ３０７＞
次に、圧力確認２のＳ３０７にて、圧力確認ステップ１のＳ３０４と同様の最終判定を行う。選択されたＮＧ条件に基づいた弁設定をした後に、圧力確認１のＳ３０４と同様に判定処理と行う。判定結果として、閉塞が解消されない場合には、エラー処理３０８になり、閉塞が解消された場合、通常動作に戻ります。

又、排出弁切替が「有」の場合、排出弁を切りかえたそれぞれの弁について、圧力確認１のＳ３０４を各々行い、どれか一つの条件でも閉塞が解消されない場合には、エラー処理３０８になり、全ての条件で解消された場合、通常動作に戻る。

＜Ｓ３０８＞
エラー処理Ｓ３０８では、水素ポンプとしての動作を停止させます。
今回の表１は入口判定（２）が閉塞であった場合の条件であったが、同様に入口判定（１）が閉塞であった場合は、ＮＧ条件Ｐ１１からＰ１８とし、入口判定（３）が閉塞であった場合は、条件Ｐ３１からＰ３８とする。それらの場合も、上記同様、ＮＧ条件表に合わせて、弁の切替、閉塞解消動作、圧力判定を行う。

＜Ｓ３０４＞
圧力確認ステップ１のＳ３０４では、個別流量に差は無いが、全体的に一様に閉塞が進んだ場合での閉塞がどうかを確認する。

このステップでは、流量ではなく入口圧力と出口圧力の差から、現在流れているガス流量より閉塞がどうかを確認する。

まず、出入り口の圧力差を算出し、式（１）で求めた平均入口流量より、圧力判定値を算出する。
出入り口圧力差＝入口圧力−出口圧力・・・（９）
圧力判定値＝Ａ＊（出入り口圧力差／平均入口流量）・・・（１０）
Ａは、定数（セルの特性により異なり、事前に決定する）である。

次に、圧力判定値を、あらかじめ設定しておいた圧力閾値と比較し、圧力閾値より圧力判定値が大きい場合、閉塞しているとして圧力判定フラグを記録する。圧力判定フラグは、圧力判定値が流量閾値より小さい場合は、正常で０で記録し、流量閾値より大きい場合は１で記録し閉塞状態を示す。
圧力判定フラグ＝（ｍ＝０ｏｒ１）：圧力判定値＞圧力閾値・・・（１１）
ｍが１は、圧力判定値が圧力閾値より大きい場合で、閉塞である。ｍが０は、圧力判定値が圧力閾値より小さい場合で、正常である。今回は、正常動作時の圧力判定値を、１であった場合、圧力閾値は２と設定する。上記圧力判定でＮＧ（ｍが１）の場合、閉塞解消動作Ｓ３０５を実施する。

＜Ｓ３０５＞
次に閉塞解消動作＿ＰのＳ３０５の動作を説明します。

閉塞解消動作＿ＰのＳ３０５において、まず、ガス設定動作―２のＳ３０９を行う。

＜Ｓ３０９＞
ガス設定動作―２のＳ３０９では、ＮＧ条件Ｐ１２からＰ１４、Ｐ２２からＰ２４、Ｐ３２からＰ３４を順次切替弁設定、閉塞解消動作、圧力確認、複数回処理を行う。

＜Ｓ３１０＞
次に、圧力確認ステップ３のＳ３１０にて、圧力確認ステップ１のＳ３０４と同様の最終判定を行い、解消されない場合には、エラー処理３０８になり、エラー処理Ｓ３０８では、水素ポンプとしての動作を停止させます。
今回の表１は、入口判定（２）が閉塞であった場合の条件であったが、同様に入口判定（１）が閉塞であった場合のＮＧ条件Ｐ１１からＰ１８、入口判定（３）が閉塞であった場合の条件Ｐ３１からＰ３８もあり、その場合ＮＧ条件表に合わせて、弁の切替、閉塞解消動作、圧力判定を行う。

上記特徴としては、以下である。流量確認Ｓ３０２だけでなく、圧力確認１のＳ３０４もしていることである。さらに、流量確認Ｓ３０２で不可となって、閉塞解消動作後、再度、圧力確認１のＳ３０４をしている。また、圧力確認１のＳ３０４が不可でも、閉塞解消動作後、再度、圧力確認３のＳ３１０をしている。

結果、定期的に確実に、効率的に閉塞解消動作を行い、長期の運転を確保している。

なお、流量確認Ｓ３０２のステップだけでもよい。また、入口判定（ｎ）、出口判定（ｎ）の片方のみの検査で、その流路を閉塞解消動作してもよい。

＜具体的例＞
図４に閉塞解消動作がＮＧ２３（表１）の時のガス設定動作―１＜Ｓ３０６＞でのセル状態イメージを示す。図４において、第１供給切替弁２１４と、第３供給切替弁２１８、第１排出切替弁２２１、第２排出切替弁２２３は閉じ、第２供給切替弁２１６と第２排出切替弁２２３が開き、セル内の一部の範囲にのみガスを流します。

図４に示すように、ガスの流れる範囲を絞る事で、ガス拡散層に与える圧力を上げて閉塞した水分を除去し、閉塞を解消します。
上記の様に、分割したガス流路毎のガス流量測定により、閉塞したガス流路を判定し、閉塞した流路だけに多量のガスを流す事により、ガス閉塞の解消を行い、供給排出間のガス圧力差を測定する事で、ガス閉塞の解消可否の判断を行う事が出来る。

今回は、入口及び出口を３個ずつの分割としたが、入口及び出口を２分割以上にすることで解消する効果を得る事は可能である。又、入口と出口の分割数を合わせる必要は無い。

又、流量センサ、圧力センサを用いた、閉塞判定を説明したが、流量判定、圧力判定を使用せずに、ポンプ動作時の効率計算や、過電圧情報を用いて、閉塞解消動作を行う事も可能である。

更に、上記情報の蓄積により、閉塞が発生する前兆を捉え、運転条件、加湿条件等を変更させることにより、閉塞を起こさない運転を行う事も可能である。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における電気化学式水素ポンプ用セル１０１及び周辺回路の構成を示す断面図である。

図５において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。異なる部分を中心に説明する。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。

図５では、カソード側入口６１５は、高圧切替弁５０１によって、カソード側出口６１６は、高圧調整弁５０２によって、一定の高圧になるように調整されている。

更に、高圧であるカソード側出口６１６は、高圧切替弁５０３によって、アノードガス供給口６１２と接続されており、高圧逆止弁５０４によって、アノードガス入口１０４までの回路が高圧にならないように構成されている。

高圧としては、大気圧の３倍である、約３００ｋＰａＧでも効果はあるが、５００ｋＰａＧ以上の高圧を使用する事で、高い効果が期待できる。

この構成をとれば、アノードガス入口１０４からの水素ガスではなく、高圧化されたカソードの高圧水素ガスを用いて、閉塞解消動作時に、アノード側ガス拡散層６０５への高圧ガスを供給する事が可能となり、閉塞をより効果的に解消させることが可能となる。

本発明の電気化学式水素ポンプは、流路及びガス拡散層の閉塞を解消し、燃料電池にも適用できる。

１０１ 電気化学式水素ポンプ用セル
１０２ アノード側セパレータ
１０３ アノードガス入口分配
１０４ アノードガス入口
１０５ アノードガス出口
１０６ アノードガス出口集約
１０７ シール
１０８ アノード側端板
１０９ カソード側端板
１１０ 切断面
２０１ 第１アノード入口
２０２ 第２アノード入口
２０３ 第３アノード入口
２０４ 第１入口側流路
２０５ 第２入口側流路
２０６ 第３入口側流路
２０７ 第１出口側流路
２０８ 第１アノード出口
２０９ 第２出口側流路
２１０ 第２アノード出口
２１１ 第３出口側流路
２１２ 第３アノード出口
２１３ 入口圧力計
２１４ 第１供給切替弁
２１５ 第１アノード入口流量計
２１６ 第２供給切替弁
２１７ 第２アノード入口流量計
２１８ 第３供給切替弁
２１９ 第３アノード入口流量計
２２０ 出口圧力計
２２１ 第１排出切替弁
２２２ 第１アノード出口流量計
２２３ 第２排出切替弁
２２４ 第２アノード出口流量計
２２５ 第３排出切替弁
２２６ 第３アノード出口流量計
２２７ 制御装置
３０８ エラー処理
５０１ 高圧切替弁
５０２ 高圧調整弁
５０３ 高圧切替弁
５０４ 高圧逆止弁
６０１ 燃料電池セル
６０２ 高分子電解質膜
６０３ アノード側触媒層
６０４ カソード側触媒層
６０５ アノード側ガス拡散層
６０６ カソード側ガス拡散層
６０７ ＭＥＡ
６０８ アノード側ガス
６０９ アノード側セパレータ
６１０ カソード側ガス
６１１ カソード側セパレータ
６１２ アノードガス供給口
６１２ａ アノードガス供給流路
６１２ｂ アノードガス供給流路
６１３ アノードガス排出口
６１３ａ アノードガス排出流路
６１３ｂ アノードガス排出流路
６１４ ブロア
６１５ カソード側入口
６１６ カソード側出口
６１７ 制御装置
６１８ カソード側入口弁
６１９ 水素タンク
７０１ アノードガス供給側
７０２ アノードガス排出側
７０３ 第１流路
７０４ 第２流路
７０４ａ 突起
７０５ アノード側伏流ガス
Ｓ３０１ ポンプ動作開始時
Ｓ３０２ 流量確認
Ｓ３０３ 閉塞解消処理
Ｓ３０５ 閉塞解消動作
Ｓ３０８ エラー処理

Claims (10)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方面に位置し、
   複数のアノードガス供給流路と、複数のアノードガス排出流路と、前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路と繋がる複数のガス流路と、を持つアノードセパレータと、
   前記電解質膜の他方面に位置するカソードセパレータと、
   前記アノードガス供給流路を切り換える、供給流路切替弁と、
   前記アノードガス排出流路を切り換える、排出流路切替弁と、
   前記供給流路切替弁と前記排出流路切替弁とを制御する制御装置と、
   を有する電気化学式水素ポンプ。
2. 前記複数のアノードガス供給流路上に、
   第１ガス流速検出手段を設けた請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
3. 前記複数のアノードガス排出経路上に、
   第２ガス流速検出手段を設けた請求項１に記載の電気化学式水素ポンプ。
4. 前記第１ガス流速検出手段または前記第２ガス流速検出手段により、閉塞した前記ガス流路を判定し、閉塞した前記流路だけに多量のガスを流す事により、ガス閉塞の解消を行う制御部を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
5. 前記複数のアノードガス供給流路と前記複数のアノードガス排出経路との上に、
   ガス圧力検出手段を設けた請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
6. 前記ガス圧力検出手段により供給排出間のガス圧力差を測定する事で、ガス閉塞の解消可否の判断を行う制御部を有する請求項５記載の電気化学式水素ポンプ。
7. 前記カソードセパレータのカード高圧ガス流路を、前記アノードガス供給流路に接続した請求項１から６のいずれか１項に記載の電気化学式水素ポンプ。
8. ガス流路の流量を検出する流量検出工程と、
   前記ガス流路の圧力を検出する圧力検出工程と、
   前記ガス流路の閉塞解消する閉塞解消工程と、を含む電気化学式水素ポンプの運転方法。
9. 前記閉塞解消工程では、複数のガス流路を個別に閉塞解消を行う請求項８の電気化学式水素ポンプの運転方法。
10. 前記流量検出工程で合格の場合、圧力検出工程を行い、
    前記流量検出工程で不合格の場合、前記閉塞解消工程を行う
    請求項８または９記載の電気化学式水素ポンプの運転方法。
    

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