JP2020090695A - 電気化学式水素圧縮システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも水素昇圧運転の効率を向上し得る電気化学式水素圧縮システムを提供する。【解決手段】電気化学式水素圧縮システム２００は、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜１１と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソードＣＡと、電解質膜の他方の主面に設けられたアノードＡＮと、を含むセル１００と、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器１２と、アノードに加熱された流体を供給する供給器１０と、起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、供給器を制御して、アノードに加熱された流体を供給させる制御器３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は電気化学式水素圧縮システムに関する。

近年、燃費向上、カーボンフリー燃料の利用の観点から、燃料電池により発電された電力でモーターを駆動して走行する燃料電池車が注目を集めており、発売が開始されている。しかし、燃料電池車の普及にあたっては、燃料となる水素供給のインフラストラクチャを整え、全国に水素ステーションをいかに多く広範囲に設置できるかが課題となっている。これまで、水素ステーションとして、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）で、水素を精製および圧縮する方法などが行われてきたが、装置の大型化および設置コストの増加などが、水素ステーションの全国展開の障害となっている。

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し得る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の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。

また、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。

例えば、特許文献１には、電解質膜が挟持されたアノードとカソードとの間の電圧印加によって、水素の精製および昇圧が行われる水素精製昇圧システムが記載されている。具体的には、アノードとカソードとの間に電流が流れるとき、アノードの水素がプロトンになり、プロトンがアノードからカソードへと、水分子を同伴しながら電解質膜を移動し、カソードで水素に戻される。

また、定置用途の水素利用システムにおいて、Ｐ２Ｇ（Power to Gas）と呼ばれる再生可能エネルギーの余剰電力を用いて水電解で得られた水素を水素貯蔵器に貯蔵することにより、再生可能エネルギーで得られた電力と電力需要との時間的ズレへの対応などが可能となるシステムを構築することができる。この場合、例えば、特許文献１に開示された水素精製昇圧システムを用いて、水電解装置で得られた水素を高圧（例えば、約２０ＭＰａ程度）で水素貯蔵器に貯蔵することができる。

また、例えば、電気化学式水素圧縮装置を用いて、都市ガスの改質などで得られた水素を高圧（例えば、４０ＭＰａ程度）で水素貯蔵器に貯蔵することで、燃料電池搭載のフォークリフトの水素源として使用することができる。

特開２０１５−１１７１３９号公報

従来例では、電気化学式水素圧縮システムの水素昇圧運転の効率向上について十分検討されていない。

本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも水素昇圧運転の効率を向上し得る電気化学式水素圧縮システムを提供する。

本開示の一態様の電気化学式水素圧縮システムは、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノードと、を含むセルと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、前記アノードに加熱された流体を供給する供給器と、起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、前記供給器を制御して、前記アノードに加熱された流体を供給させる制御器と、を備える。

本開示の一態様の電気化学式水素圧縮システムは、従来よりも水素昇圧運転の効率を向上し得るという効果を奏する。

図１は、第１実施形態の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。 図２は、水素ガスが計算モデルに供給される場合における、計算モデルの加熱量および昇温時間の計算結果の一例を示す図である。 図３は、温水が計算モデルに供給される場合における、計算モデルの加熱量および昇温時間の計算結果の一例を示す図である。 図４は、第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。 図５は、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。 図６は、第１実施形態の第３実施例の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。

固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）による電気化学式水素圧縮システムのセルでは、アノードの水素（Ｈ_２）をプロトン化してカソードに移動させ、プロトン（Ｈ^＋）をカソードで水素（Ｈ_２）に戻すことで水素が高圧化される。このとき、一般に、セルの電解質膜は、高温および高加湿の条件（例えば、約６０℃程度）で、プロトン伝導率が上がり、電気化学式水素圧縮システムの水素昇圧運転の効率が向上する。

このような電気化学式水素圧縮システムでは、高圧ガスの圧力に耐える設計が必要になるので、例えば、厚みが大きい高剛性の金属部材などにより上記のセルが覆われていることが多い。

ここで、複数のセルを積層したスタックの場合、例えば、適宜の熱源でスタックを加熱するには、熱源に所望のエネルギーを付与する必要がある。特に、厚みが大きい高剛性の金属部材などにより、電気化学式水素圧縮システムのスタックが覆われている場合、スタックの熱容量が大きいので、電気化学式水素圧縮システムの起動時に、熱源で消費するエネルギー量が増加する。

そして、上記の熱源として、スタックに、例えば、電気ヒータなどを埋設する構成を取る場合、スタックの形状が複雑化する。また、電気化学式水素圧縮システムの耐圧性確保のため、スタックの外形をさらに大きくする必要がある。

そこで、本開示者らは、鋭意検討の結果、電気化学式水素圧縮システムの起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、セルのアノードに、加熱された流体を供給することにより、セルを適温に昇温できることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。

すなわち、本開示の第１態様の電気化学式水素圧縮システムは、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソードと、電解質膜の他方の主面に設けられたアノードと、を含むセルと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、アノードに加熱された流体を供給する供給器と、起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、供給器を制御して、アノードに加熱された流体を供給させる制御器と、を備える。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮システムは、従来よりも水素昇圧運転の効率を向上し得る。具体的には、電気化学式水素圧縮システムの起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、供給器によりアノードに供給される流体の熱を、電気化学式水素圧縮システムのセル加熱に利用することができるので、セルを効率的に所定の温度まで昇温することができる。そして、本態様の電気化学式水素圧縮システムは、セル温度が所定の温度に昇温する場合、電解質膜を高温状態および湿潤状態に保ち得るので、電解質膜のプロトン伝導率を向上させることができる。

なお、本態様において、「起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方」とは、起動時または水素昇圧運転開始時と、起動時および水素昇圧運転開始時とを含む。

本開示の第２態様の電気化学式水素圧縮システムは、第１態様の電気化学式水素圧縮システムにおいて、供給器は、アノードに水素含有ガスを供給する供給器と兼用されていてもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮システムは、電気化学式水素圧縮システムの起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、アノードに水素含有ガスを供給するための供給器および供給経路を利用して、加熱された流体をアノードに供給することで、システム構成を簡易化することができる。

本開示の第３態様の電気化学式水素圧縮システムは、第１態様の電気化学式水素圧縮システムにおいて、加熱された流体は、外部の熱源により加熱された流体を含んでもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮システムは、電気化学式水素圧縮システムの起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、外部の熱源の熱をセル加熱に利用することにより、システム内に熱源を設けることが不要となるので、システム構成を簡易化することができる。

本開示の第４態様の電気化学式水素圧縮システムは、第１態様の電気化学式水素圧縮システムにおいて、アノードに供給される流体を加熱する加熱器を備え、加熱された流体は、加熱器により加熱された流体であってもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮システムは、電気化学式水素圧縮システムの起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、加熱器を用いて、アノードに供給する流体の温度が高温になるように、本流体を適切に加熱させることができる。

本開示の第５態様の電気化学式水素圧縮システムは、第１態様の電気化学式水素圧縮システムにおいて、上記の流体は水素含有ガスであってもよい。なお、高温の水素含有ガスを用いて、セルを所定の温度にまで加熱可能であることは、後で説明する簡易的な計算モデルの熱収支計算により検証されている。

本開示の第６態様の電気化学式水素圧縮システムは、第１態様の電気化学式水素圧縮システムにおいて、上記の流体は液体であってもよい。なお、液体の一例である温水を用いて、セルを所定の温度にまで加熱可能であることは、後で説明する簡易的な計算モデルの熱収支計算により検証されている。

本開示の第７態様の電気化学式水素圧縮システムは、第１態様から第６態様のいずれかの電気化学式水素圧縮システムにおいて、制御器は、起動時に、供給器を制御して、アノードに加熱された流体を供給させたのち、電圧印加器を制御して、アノードと前記カソードとの間に電圧を印加させ、水素昇圧運転を開始してもよい。

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮システムは、電気化学式水素圧縮システムの起動時に、加熱された流体によりセルが昇温したのち水素昇圧運転を開始される可能性が高まる。つまり、加熱された流体を供給する前または供給と同時に、水素昇圧運転を開始する場合に比べて、電気化学式水素圧縮システムの水素昇圧運転の効率が向上する可能性が高まる。

本開示の第８態様の電気化学式水素圧縮システムは、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソードと、電解質膜の他方の主面に設けられたアノードと、を含むセルと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、アノードに加熱された流体を供給する供給器と、停止時に、セルの温度が氷点以下であるとき、供給器を制御して、加熱された流体をアノードに供給させる制御器と、を備える。

電気化学式水素圧縮システムの停止時に、セルの温度が氷点以下であるとき、電気化学式水素圧縮システムのセル内に残った水が凍結する可能性がある。ここで、仮に、セル内の水が凍結すると、水から氷になったときに体積が膨張することで、セル内の電解質膜、触媒層などが破損する恐れがある。

そこで、本態様の電気化学式水素圧縮システムは、電気化学式水素圧縮システムの停止時に、セルの温度が氷点以下であるとき、供給器１０により、加熱された流体をアノードに供給することで、このような問題を軽減することができる。

なお、本態様において、「氷点以下であるとき、加熱された流体をアノードに供給する」とは、氷点以下で、加熱された流体の供給を開始する態様だけでなく、氷点より高い温度で、加熱された流体の供給を開始する態様も含む。

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、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、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。また、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。

（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。

図１に示す例では、電気化学式水素圧縮システム２００は、セル１００と、電圧印加器１２と、供給器１０と、制御器３０と、を備える。

なお、図１に示すように、二点鎖線で示された水素貯蔵器２１を電気化学式水素圧縮システム２００に併設して設けてもよいし、電気化学式水素圧縮システム２００が、このような水素貯蔵器２１を備えてもよい。水素貯蔵器２１として、例えば、高圧状態の水素ガスを貯蔵する水素タンクなどを挙げることができる。また、図示を省略するが、電気化学式水素圧縮システム２００は、複数のセル１００を積層したスタックを含む電気化学式水素圧縮装置を備える。

セル１００は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性の電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を備える。

アノードＡＮは、電解質膜１１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拡散層を含む電極である。カソードＣＡは、電解質膜１１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拡散層を含む電極である。これにより、電解質膜１１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１１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１１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１１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１１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。

カソード触媒層は、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、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、触媒の担体としては、導電性の酸化物粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、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。カーボンなどの担体に、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。

カソード拡散層は、カソード触媒層に設けられている。カソード拡散層は、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。カソード拡散層は、電気化学式水素圧縮システム２００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。

アノード拡散層は、アノード触媒層に設けられている。アノード拡散層は、多孔性材料で構成され、導電性および流体拡散性を備える。アノード拡散層は、電気化学式水素圧縮システム２００の動作時に、高圧による電解質膜１１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。

電圧印加器１２は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する装置である。電圧印加器１２は、アノードＡＮとカソードＣＡとの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。図１に示す例では、電圧印加器１２の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器１２の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。これにより、電圧印加器１２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。

電圧印加器１２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１２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１２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１２は、例えば、セル１００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。

供給器１０は、アノードＡＮに、加熱された流体を供給する装置である。なお、「加熱された流体」の具体例は後で説明する。

供給器１０は、アノードＡＮに流入する前のアノード流体が流れるアノード流体導入経路に設けられていてもよいし、図１に示す如く、かかるアノード流体導入経路から分岐した分岐経路に設けられていてもよい。

ここで、アノード流体として、例えば、水素含有ガス、水などを挙げることができる。アノード流体が、水である場合、アノード触媒層で、水の電気分解によりプロトンが生成される。アノード流体が、水素含有ガスである場合、アノード触媒層で、水素含有ガス中の水素からプロトンが生成される。なお、水素含有ガスとして、例えば、改質ガス、水の電気分解で発生した水蒸気を含む水素含有ガスなどを挙げることができる。

供給器１０は、アノードＡＮに、加熱された流体を供給することができれば、どのような構成であってもよい。供給器１０として、例えば、ポンプなどを挙げることができる。

制御器３０は、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、供給器１０を制御して、アノードＡＮに加熱された流体を供給させる。なお、本明細書において、電気化学式水素圧縮システム２００の「起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方」とは、起動時または水素昇圧運転開始時と、起動時および水素昇圧運転開始時とを含む。

制御器３０は、電気化学式水素圧縮システム２００の全体の動作を制御してもよい。例えば、制御器３０は、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時に、供給器１０を制御して、アノードＡＮに加熱された流体を供給させたのち、電圧印加器１２を制御して、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加させ、水素昇圧運転を開始してもよい。

制御器３０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３０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。

なお、図１には示されていないが、電気化学式水素圧縮システム２００の水素昇圧運転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、一対のカーボン製のセパレータのそれぞれが、セル１００のアノード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にアノード流体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に供給するアノード流体が流れる流体流路を備える。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流体流路を備える。これらの流体流路は、セパレータと別に設けることもできるが、セパレータの表面に流体流路の溝を、例えば、サーペンタイン状に形成することが一般的である。

また、電気化学式水素圧縮システム２００では、通常、高圧の水素が外部へリークしないように、セル１００の両側からガスケットなどのシール材が設けられ、セル１００と一体化して予め組み立てられる。そして、セル１００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１００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１００とセパレータを交互に重ねて、セル１００を１０〜２００積層し、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流体流路に適量の流体を供給するには、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流体流路に連結するように構成する必要がある。このような管路のことをマニホールドといい、このマニホールドは、セパレータ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、電気化学式水素圧縮システム２００では、カソードＣＡの水素の圧力を検出する圧力検出器、セル１００の温度を検出する温度検出器などが設けられている。そして、制御器３０は、これらの圧力検出器および温度検出器の検出データに基づいて、電気化学式水素圧縮システム２００の水素昇圧運転を制御する。

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。

［供給器によりアノードに供給される流体］
本実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００は、供給器１０によりアノードＡＮに供給される流体として、例えば、高温の水素含有ガスおよび高温の液体などを挙げることができる。

そこで、以下、供給器１０によりアノードＡＮに供給される高温の水素ガスの熱または液体の一例である温水の熱を利用することにより、セル１００の温度を適切に昇温が可能かどうかについて検討した。

なお、セル１００の起動時の温度（例えば、２５℃）から所定の温度（例えば、６０℃）までの熱収支シミュレーションは非定常解析である。よって、セル１００を正確に再現した計算モデルにより数値解析シミュレーションを行うことは困難であることが多い。

よって、以下では、このような熱収支の計算を簡略化することで、セル１００を昇温可能かどうかの確認が行われた。具体的には、６７ｍｍ径の触媒層を有し、高さが１５０ｍｍの電極（１１段のスタックで、高さが１５０ｍｍの電極に相当）が、肉厚が７５ｍｍのＳＵＳ３１６製の中空円筒体により覆われている場合の計算モデルを想定した。なお、このような簡易的な計算モデルであっても、セル１００の熱収支の概算を知ることは可能であると考えられる。

＜放熱量および外表面温度の導出＞
以下、計算モデルの放熱計算および計算モデルの外表面温度Ｔ_ＳＵＲの導出について説明する。

まず、計算モデルで放熱量を導出した。なお、このとき、計算簡略化のため、円柱側面からの放熱のみを考慮し、円柱上下面からの放熱を無視した。

温度条件としては、電極の温度が３０℃、周囲の環境温度が２５℃であると仮定した。

物性条件としては、ステファンボルツマン定数として５．６７×１０^−８Ｗ／ｍ^２・Ｋ^４を、ＳＵＳ３１６の熱伝導率として１６．７Ｗ／ｍ・Ｋを、空冷が行われない場合のＳＵＳ３１６の対流熱伝達率として７．５Ｗ／ｍ^２・Ｋを、ＳＵＳ３１６の表面の放射率として０．５を、それぞれ使用した。

そして、上記の温度条件および物性条件のもとで、計算モデルの対流放熱量および放射放熱量を導出するとともに、対流放熱量および放射放熱量の和（以下、放熱量Ｑ_ＲＡ）が、計算モデルを通過する熱量と等しくなるときの計算モデルの外表面温度Ｔ_ＳＵＲ（中空円筒体の外側の側面温度）を導出した。

＜計算モデルの加熱に利用される加熱量の導出＞
（Ａ）流体が水素ガスの場合
ここでは、第１例として、乾燥状態の１００℃の水素ガスが計算モデルに流入し、電極部の温度と同じ温度の水素ガスが計算モデルから流出すると仮定して、水素ガスの流入出において、水素ガスから計算モデルに付与される熱量Ｑ_ＧＡＳを導出した。このとき、計算モデルに供給する水素ガスの流量は、電気化学式水素圧縮システムの動作時に、合計面積が３９６ｃｍ^２の電極部に所定電流（ここでは、電流密度が１Ａ／ｃｍ^２）が流れる場合における水素利用率が９３％に相当する、アノード外への水素ガス排出流量に設定された。

具体的には、電気化学式水素圧縮システムを上記の条件で動作する場合のアノードへの水素ガス供給流量（２．７６Ｌ／ｍｉｎ）の１４．３倍の流量が、計算モデルに供給する水素ガスの流量として設定された。

なお、これらの流量、電流密度および水素利用率の数値は例示であって、本例に限定されない。

以上により、上記の熱量Ｑ_ＧＡＳから放熱量Ｑ_ＲＡを差し引くことで、計算モデルの加熱に利用される加熱量Ｑを知ることができる（式（１））。
Ｑ＝Ｑ_ＧＡＳ−Ｑ_ＲＡ・・・（１）

＜昇温時間の導出＞
次に、計算モデルの昇温時間の導出について説明する。

まず、計算モデルにおいて、中空円筒体内にスタックが配置されている場合の熱容量Ｃを、スタックの構成材料の割合から導出した。

そして、この熱容量Ｃをもとに、電極が、２５℃から３０℃まで、計算モデルを昇温するのに必要な昇温時間Ｔを導出した。つまり、昇温時間Ｔは、計算モデルの加熱で利用される加熱量Ｑ（加熱量Ｑの計算に必要な水素ガスの流量は時間の関数）と熱容量Ｃとから知ることができる。

なお、熱伝達率をおおまかに見積もり、本計算の妥当性を確認した。つまり、熱伝達率の計算により、水素ガスからスタックへの熱の移動が、水素ガスの流速に比べて十分に速いことを確認した。

次いで、電極の温度を３５℃、周囲の環境温度を２５℃にそれぞれ設定して、乾燥状態の１００℃の水素ガスが計算モデルに供給される場合について、上記と同様の計算を行った。

このように、電極の温度を５℃ずつ上げて、この温度が６０℃になるまで、３０℃、３５℃・・・６０℃のそれぞれの温度における加熱量Ｑおよび昇温時間Ｔを導出した。

図２は、水素ガスが計算モデルに供給される場合における、計算モデルの加熱量および昇温時間の計算結果の一例を示す図である。

具体的には、電極の温度を５℃ずつ上げて、この温度が５５℃になるまで、３０℃、３５℃・・・５５℃のそれぞれの温度における、加熱量Ｑ（黒丸印）および昇温時間Ｔ（Ｘ印）が図２にプロットされている。

なお、図２の横軸の数値は、電極の温度（℃）を表しており、図２の縦軸の数値は、時間（ｈ）および熱量（Ｗ）の両者を表している。

第１例の計算の結果、図２に示す如く、電極の温度が３０℃〜５５℃の範囲において、加熱量Ｑがプラスの値を示した。これに対して、データのプロットを省略しているが、電極の温度が６０℃において、加熱量Ｑはマイナスの値を示した。つまり、電極の温度が３０℃〜５５℃の範囲において、水素ガスから計算モデルに付与される熱量Ｑ_ＧＡＳが放熱量Ｑ_ＲＡを上回るので（Ｑ_ＧＡＳ＞Ｑ_ＲＡ）、アノードＡＮに供給される水素ガスの熱により計算モデルを５５℃まで加熱できることが確認された。ただし、電極の温度を、例えば、５０℃まで加熱するには、長い時間（５時間程度）を要することがわかった。また、電極の温度が６０℃において、上記の熱量Ｑ_ＧＡＳが放熱量Ｑ_ＲＡを上回るので（Ｑ_ＧＡＳ＜Ｑ_ＲＡ）、アノードＡＮに供給される水素ガスの熱により計算モデルを加熱困難であることが確認された。

また、第２例（比較例）として、以下の水素ガスの温度条件および流量条件以外は、上記と同様の計算を行った。

乾燥状態の１５０℃の水素ガスが計算モデルに流入し、電極部の温度と同じ温度の水素ガスが計算モデルから流出すると仮定して、水素ガスの流入出において、水素ガスから計算モデルに付与される熱量Ｑ_ＧＡＳを導出した。このとき、計算モデルに供給する水素ガスの流量は、電気化学式水素圧縮システムの動作時に、合計面積が３９６ｃｍ^２の電極部に所定電流（ここでは、電流密度が１Ａ／ｃｍ^２）が流れる場合における水素利用率が７０％に相当する、アノード外への水素ガス排出流量に設定された。

具体的には、電気化学式水素圧縮システムを上記の条件で動作する場合のアノードへの水素ガス供給流量（２．７６Ｌ／ｍｉｎ）の１．４３倍の流量が、計算モデルに供給する水素ガスの流量として設定された。

第２例の計算の結果、電極の温度が３５℃以上において、上記の熱量Ｑ_ＧＡＳが放熱量Ｑ_ＲＡを上回るので（Ｑ_ＧＡＳ＜Ｑ_ＲＡ）、アノードＡＮに供給される水素ガスの熱により計算モデルを加熱困難であることが確認された。また、電極の温度を、例えば、３０℃まで加熱するには、長い時間（５時間程度）を要することがわかった。

このように、以上の第１例および第２例の計算結果は、水素ガスの熱を利用することで、セル１００の加熱を行うときは、アノードＡＮに供給する水素ガス量を十分に確保することが重要であることを示している。

（Ｂ）流体が温水の場合
ここでは、７７℃の温水が、３６０ｍｌ（ミリリットル）／ｍｉｎの流量で計算モデルに流入し、電極部の温度と同じ温度の温水が、同流量で計算モデルから流出すると仮定して、温水の流入出において、温水から計算モデルに付与される熱量Ｑ_ＬＩＱを導出した。

なお、上記以外の加熱量Ｑおよび昇温時間Ｔの導出方法は、流体が水素ガスである場合の導出方法と同様であるので説明を省略する。

図３は、温水が計算モデルに供給される場合における、計算モデルの加熱量および昇温時間の計算結果の一例を示す図である。

具体的には、電極の温度を５℃ずつ上げて、この温度が６０℃になるまで、３０℃、３５℃・・・６０℃のそれぞれの温度における、加熱量Ｑ（黒丸印）および昇温時間Ｔ（Ｘ印）が図３にプロットされている。

なお、図３の横軸の数値は、電極の温度（℃）を表している。図３の右側の縦軸の数値は、時間（ｈ）を表しており、左側の縦軸は、熱量（Ｗ）の両者を表している。

図２から理解できるとおり、電極の温度が３０℃〜６０℃の全範囲において、加熱量Ｑがプラスの値を示した。つまり、電極の温度が３０℃〜６０℃の全範囲において、温水から計算モデルに付与される熱量Ｑ_ＬＩＱが放熱量Ｑ_ＲＡを上回るので（Ｑ_ＬＩＱ＞Ｑ_ＲＡ）、アノードＡＮに供給される温水の熱により計算モデルを６０℃まで加熱できることが確認された。また、電極の温度を、例えば、６０℃まで、短い時間（０．２５時間程度）で加熱可能であることがわかった。

以上の図２および図３の計算結果から、セル１００の加熱に温水の熱を利用する方が、水素ガスの熱を利用する場合に比べて、加熱量Ｑおよび昇温時間Ｔの観点において有利であることが確認された。

［動作］
以下、電気化学式水素圧縮システム２００の水素昇圧運転（動作）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３０の演算回路が、制御器３０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３０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。

まず、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、アノードＡＮに、供給器１０により、加熱された流体が供給される。これにより、セル１００が適温まで加熱される。

次に、アノードＡＮにアノード流体が供給されるとともに、電圧印加器１２の電力がセル１００に給電される。これにより、電気化学式水素圧縮システム２００の水素昇圧運転が開始する。

すると、アノードＡＮのアノード触媒層において、酸化反応で水素分子が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（２））。プロトンは、電解質膜１１内を伝導してカソードＣＡのカソード触媒層に移動する。電子は電圧印加器１２を通じてカソードの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、還元反応で水素分子が再び生成される（式（３））。

このとき、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、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にプロトンと同伴して移動することが知られている。

ここで、図示しない開閉弁を用いて、カソードガス導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素を昇圧することができる。よって、高圧状態の水素を、適時にセル１００から水素貯蔵器２１に供給することができる。

アノード：Ｈ_２（低圧）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（２）
カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２（高圧） ・・・（３）
このようにして、電気化学式水素圧縮システム２００では、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することにより、アノードＡＮからＣＡカソードに昇圧された水素を供給する動作が行われる。これにより、カソードＣＡで昇圧された水素は、水素貯蔵器２１に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器２１で貯蔵された水素は、適時に、燃料電池などの水素消費体に供給される。

以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００は、従来よりも水素昇圧運転の効率を向上し得る。具体的には、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、供給器１０によりアノードＡＮに供給される流体の熱を、電気化学式水素圧縮システム２００のセル加熱に利用することができるので、セル１００を効率的に所定の温度（例えば、約６０℃程度）まで昇温することができる。そして、本実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００は、セル１００が所定の温度に昇温する場合、電解質膜１１を高温状態および湿潤状態に保ち得るので、電解質膜１１のプロトン伝導率を向上させることができる。

例えば、本実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００は、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時に、加熱された流体によりセル１００が昇温したのち水素昇圧運転を開始させる可能性が高まる。つまり、加熱された流体を供給する前または供給と同時に、水素昇圧運転を開始する場合に比べて、電気化学式水素圧縮システム２００の水素昇圧運転の効率が向上する可能性が高まる。

（第１実施例）
図４は、第１実施形態の第１実施例の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。

図４に示す例では、電気化学式水素圧縮システム２００は、セル１００と、電圧印加器１２と、供給器１０Ａと、制御器３０と、を備える。

ここで、セル１００および電圧印加器１２は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

供給器１０Ａは、アノードＡＮに水素含有ガスを供給する装置である。つまり、供給器１０Ａは、図１の供給器１０と兼用されている。供給器１０Ａは、アノードＡＮに水素含有ガスを供給することができれば、どのような構成であってもよい。供給器１０Ａとして、実施形態の供給器１０と同様、例えば、ポンプなどを挙げることができる。

なお、図４の「加熱された流体」が水素含有ガスである場合、かかる流体が流れる専用の分岐経路を設けなくてもよい。この場合、電気化学式水素圧縮システム２００が、例えば、水素含有ガスを加熱する図示しない加熱器を備え、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、供給器１０ＡによりアノードＡＮに供給される高温の水素含有ガスの熱が、電気化学式水素圧縮システム２００のセル加熱に利用される。なお、高温の水素含有ガスを用いて、セル１００を所定の温度にまで加熱可能であることは、上記の簡易的な計算モデルの熱収支計算により検証されている。

以上のとおり、本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００は、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、アノードＡＮに水素含有ガスを供給するための供給器１０Ａおよび供給経路を利用して、加熱された流体をアノードＡＮに供給することで、システム構成を簡易化することができる。

なお、電気化学式水素圧縮システム２００の水素昇圧運転が開始する際には、供給器１０Ａにより水素含有ガスをセル１００のアノードＡＮに供給することで、水素含有ガス中の水素がカソードＣＡで昇圧される。

このとき、図４に示すように、アノードＡＮのアノード出口から排出された水素含有ガスを、供給器１０Ａよりも上流の経路に供給するためのリサイクル経路が設けられていてもよい。

また、電気化学式水素圧縮システム２００には、アノード出口から排出される水素含有ガスと、外部の水素源によりアノード入口に供給される水素含有ガスとが混合された水素含有ガス（混合ガス）の露点を調整する露点調整器（図示せず）が設けられていてもよい。

上記の露点調整器は、例えば、バブリングタンクを備え、バブリングタンク内の水中を混合ガスが通過ように構成されていてもよい。そして、露点調整器は、温調機構によりバブリングタンク内の水の温度を所望の温度に維持するように構成されるとよい。これにより、バブリングタンク内の水中を通過した混合ガスの露点が、バブリングタンク内の水の温度とほぼ等しくなるので、混合ガスの露点を所望の値に調整することができる。例えば、混合ガスの露点をセル１００の温度に近接させることで、アノードＡＮでフラディングが発生すること、および、電解質膜１１がドライアップすることを抑制できる。

ただし、以上の水素含有ガスの再利用（リサイクル）の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードＡＮのアノード入口に供給される水素含有ガスが全量、セル１００のアノードＡＮからカソードＣＡに供給され、カソードＣＡで昇圧されてもよい。

本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００と同様であってもよい。

（第２実施例）
図５は、第１実施形態の第２実施例の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。

図５に示す例では、電気化学式水素圧縮システム２００は、セル１００と、電圧印加器１２と、供給器１０と、制御器３０と、を備える。

つまり、本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００は、図１の「加熱された流体」が、外部の熱源により加熱された流体を含むこと以外、第１実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００と同様である。

ここで、外部の熱源として、例えば、温水を貯める貯湯タンクなどを挙げることができる。この場合、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、供給器１０によりアノードＡＮに供給される温水の熱が、電気化学式水素圧縮システム２００のセル加熱に利用される。なお、温水を用いて、セル１００を所定の温度にまで加熱可能であることは、上記の簡易的な計算モデルの熱収支計算により検証されている。

以上のとおり、本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００は、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、外部の熱源によりアノードＡＮに供給される流体の熱を利用することにより、システム内に熱源を設けることが不要となるので、システム構成を簡易化することができる。

なお、セル１００が所定の温度に昇温すると、適時に、供給器１０の動作を停止することで、上記の流体の供給が停止されてもよい。

本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００と同様であってもよい。

（第３実施例）
図６は、第１実施形態の第３実施例の電気化学式水素圧縮システムの一例を示す図である。

図６に示す例では、電気化学式水素圧縮システム２００は、セル１００と、電圧印加器１２と、供給器１０と、制御器３０と、加熱器４０と、を備える。

ここで、セル１００、電圧印加器１２および供給器１０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。

加熱器４０は、アノードＡＮに供給される流体を加熱する装置である。つまり、本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００では、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、加熱器４０により加熱された流体がアノードＡＮに供給される。

加熱器４０は、アノードＡＮに流入する前のアノード流体が流れるアノード流体導入経路に設けられていてもよいし、図６に示す如く、かかるアノード流体導入経路から分岐した分岐経路に設けられていてもよい。

加熱器４０は、アノードＡＮに供給される流体を加熱することができれば、どのような構成であってもよい。加熱器４０として、例えば、電気ヒータなどを挙げることができる。

以上のとおり、本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００は、電気化学式水素圧縮システム２００の起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、加熱器４０を用いて、アノードＡＮに供給する流体の温度が高温になるように、本流体を適切に加熱させることができる。

なお、セル１００が所定の温度に昇温すると、適時に、供給器１０および加熱器４０の動作を停止することで、上記の流体の供給および加熱を停止してもよい。

本実施例の電気化学式水素圧縮システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００と同様であってもよい。

（第２実施形態）
本実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００は、制御器３０による以下の制御内容以外は、第１実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００と同様である。

本実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００では、制御器３０は、電気化学式水素圧縮システム２００の停止時に、セル１００の温度が氷点以下であるとき、供給器１０を制御して、加熱された流体をアノードＡＮに供給させる。

なお、電気化学式水素圧縮システム２００の停止時とは、電気化学式水素圧縮システム２００の水素昇圧運転の停止から起動までの期間をいう。

電気化学式水素圧縮システム２００の停止時に、セル１００の温度が氷点以下であるとき、電気化学式水素圧縮システムのセル１００内に残った水が凍結する可能性がある。ここで、仮に、セル１００内の水が凍結すると、水から氷になったときに体積が膨張することで、セル１００内の電解質膜１１、触媒層などが破損する恐れがある。

そこで、本実施形態の電気化学式水素圧縮システム２００は、電気化学式水素圧縮システム２００の停止時に、セル１００の温度が氷点以下であるとき、供給器１０により、加熱された流体をアノードＡＮに供給することで、このような問題を軽減することができる。

なお、本明細書において、「氷点以下であるとき、加熱された流体をアノードＡＮに供給する」とは、氷点以下で、加熱された流体の供給を開始する態様だけでなく、氷点より高い温度で、加熱された流体の供給を開始する態様も含む。

例えば、電気化学式水素圧縮システム２００の停止時に、セル１００の温度が氷点以下であるとき、供給器１０により、図示しない貯湯タンクの温水をアノードＡＮに供給することで、セル１００内の水の凍結を抑制することができる。

本実施形態の電気化学式水素圧縮システム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実施例のいずれかの電気化学式水素圧縮システム２００と同様であってもよい。

なお、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実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。

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できる。

本開示の一態様は、従来よりも水素昇圧運転の効率を向上し得る電気化学式水素圧縮システムに利用することができる。

１０ ：供給器
１０Ａ ：供給器
１１ ：電解質膜
１２ ：電圧印加器
２１ ：水素貯蔵器
３０ ：制御器
４０ ：加熱器
１００ ：セル
２００ ：電気化学式水素圧縮システム
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (7)

1. 一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソードと、
   前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノードと、
   を含むセルと、
   前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、
   前記アノードに加熱された流体を供給する供給器と、
   起動時および水素昇圧運転開始時の少なくとも一方において、前記供給器を制御して、前記アノードに加熱された流体を供給させる制御器と、
   を備える電気化学式水素圧縮システム。
2. 前記供給器は、前記アノードに水素含有ガスを供給する供給器と兼用されている請求項１に記載の電気化学式水素圧縮システム。
3. 前記加熱された流体は、外部の熱源により加熱された流体を含む請求項１に記載の電気化学式水素圧縮システム。
4. 前記アノードに供給される流体を加熱する加熱器を備え、
   前記加熱された流体は、前記加熱器により加熱された流体である請求項１に記載の電気化学式水素圧縮システム。
5. 前記流体は水素含有ガスである請求項１に記載の電気化学式水素圧縮システム。
6. 前記流体は液体である請求項１に記載の電気化学式水素圧縮システム。
7. 前記制御器は、起動時に、前記供給器を制御して、前記アノードに加熱された流体を供給させたのち、前記電圧印加器を制御して、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加させ、水素昇圧運転を開始する請求項１−６のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮システム。

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