JP2020128562A - 水素生成システム - Google Patents
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Abstract
【課題】直列に接続された電気化学デバイスのカソード触媒層の水素イオン輸送抵抗が大きくなることを抑え、水素純化効率の高い水素生成システムを提供する。【解決手段】水素生成システム４００は、直列に接続される第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００を備える。最上流の第１電気化学デバイス１００から順に、下流側の第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００に向うにしたがって、カソードガス拡散層１１３、カソードガス拡散層２１３、カソードガス拡散層３１３の撥水性を順に低くすることにより、カソード触媒層１１２、カソード触媒層２１２、カソード触媒層３１２の液水保持量が順に多くなり、水素イオン輸送抵抗が大きくなることが抑えられるので、水素生成システム４００の水素純化効率が低いことが改善される。【選択図】図４
Description
本発明は、電気化学デバイスを用いて、ガス供給装置から供給される水素含有ガスから純度の高い水素を生成する水素生成システムに関するものである。
水素生成システムは、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、純度の高い水素を生成するシステムである。この水素生成システムは、例えば、水素イオンを輸送する電解質膜の両側にアノードおよびカソードを設けた電解質膜−電極接合体を、セパレータによって挟持した電気化学デバイスを備えている。
アノードに加湿された水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を介してカソードの方向に電流を流すことで、アノードでは、（化１）に示す水素が水素イオンと電子に解離する酸化反応が起こり、カソードでは、（化２）に示す水素イオンと電子から水素が生成する還元反応が起こる。
前記水素生成システムに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料改質器によって、都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系の原料を水蒸気改質や部分酸化改質、またはオートサーマル改質して生成され、水素の他に窒素や二酸化炭素、水分などの不純物を含んでいる。
この水素含有ガスから水素を生成する水素生成システムにおいて、純度の高い水素を生成するために、電気化学デバイスを、直列に２台接続することで、水素生成システムから生成される水素の純度を高める構成が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
図９は、非特許文献１に開示された従来の水素生成システムの概略構成図である。
図９に示すように、従来の水素生成システム９００は、電解質膜９０６の両側にアノード９０７およびカソード９０８を設けた電解質膜−電極接合体９１５を、アノード側セパレータ９１６とカソード側セパレータ９１７とによって挟持した、２台の電気化学デバイス９０１と、加湿器９１４とを備えている。
電解質膜９０６には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜が用いられている。また、アノード９０７とカソード９０８とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜９０６に塗布形成したものが用いられて
いる。
いる。
アノード９０７とカソード９０８とは、液水を多く保持するほど、水素イオン輸送経路が多くなり、水素イオン輸送抵抗が小さくなるため、水素含有ガスは加湿器９１４を用いて露点が高い状態になるように加湿されている。
電気化学デバイス９０１は、加湿された水素含有ガスをアノード９０７に供給するためのアノード側入口９０３と、水素含有ガスをアノード９０７から排出するためのアノード側出口９０４と、カソード９０８において生成する水素を排出するためのカソード側出口９０５とを備えている。
水素生成システム９００は、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出された水素含有ガスが、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給されるように直列に接続されている。
また、水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１のアノード９０７から電解質膜９０６を介してカソード９０８の方向に電流を流すための電源９０９を備えている。
さらに、水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１を所定の温度に維持するための温度調節器９１２を備えている。
以上のように構成された水素生成システム９００は、1台の電気化学デバイス９０１を用いる場合に比べ、2台の電気化学デバイス９０１を直列に接続して用いることで、水素含有ガスから水素を電気化学的に分離し、純度の高い水素を生成している。
H.K.Lee, H.Y.CHoi, J.H.Park ,T.H.Lee,Journal of Power Sources 132(2004)92-98.
しかしながら、前記従来の構成では、各電気化学デバイスにおいて、水素含有ガスから水素を電気化学的に分離してカソードに生成するときに、水素含有ガス中の水素は水素イオンに解離し容易にカソードに移動するが、水素含有ガス中の水分は電解質膜を通ってカソードに移動し難くい。
よって、直列に接続した複数の電気化学デバイスでは、アノードに供給される水素含有ガスの水分の含有率に比べ、カソードに移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
このため、直列に接続した複数の電気化学デバイスのカソードに移動した水素含有ガスの水分の含有率は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって漸次小さくなる。
このことから、直列に接続した複数の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送経路は、上流側から下流側に向かうにしたがって漸次少なくなる。よって、カソードの水素イオン輸送抵抗は、上流側から下流側に向かうにしたがって漸次大きくなる。
これにより、上流側の電気化学デバイスの水素純化効率に比べ、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなり、水素生成システムの水素純化効率が低いという課題を有していた。
ここで、水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対する生成する水素のエネルギーの割合である。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、直列に接続した複数の電気化学デバイスにおいて、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低いことを改善することで、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下のことを見い出した。
電気化学デバイスのカソードは、電解質膜側に配置されるカソード触媒層とカソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成されており、カソードガス拡散層の撥水性が高いと液水をはじく性質がある。
逆に、カソードガス拡散層の撥水性が低いと液水がはじかれることなく、ガス拡散層に吸着される。つまり、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が低いと、カソードガス拡散層の吸水性が高くなり、カソードガス拡散層の液水保持量が多くなる。
カソードガス拡散層で液水が多くなると、カソード触媒層の液水が、カソードガス拡散層へ移動し難くなり、カソード触媒層の液水保持量が多くなる。
カソード触媒層の液水保持量が多くなると、カソード触媒層の水素イオン輸送経路が多くなり、カソード触媒層の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
この原理に基づくと、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を、上流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性よりも低くすることで、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が、カソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、小さくなる。
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が、カソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、小さくなる。よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システムの水素純化効率が低くなることが改善される。
前記従来の課題を解決するその他の手段としては、下流側の電気化学デバイスのカソード触媒層のアイオノマーのＥＷを、上流側の電気化学デバイスのＥＷよりも小さくする方法が考えられる。ここで、ＥＷとは、アイオノマーのスルホン酸基などのイオン交換基１当量当たりの乾燥状態のアイオノマーのグラム数をいう。
しかし、前記手段では、カソード触媒層のアイオノマーのＥＷが異なるスラリーを複数作製し、それぞれを電解質膜に塗布形成しなければならないため、電解質膜−電極接合体の作製工程が煩雑になる。
一方、カソードガス拡散層の撥水性を高くするには、カソードガス拡散層を構成する炭
素繊維からなる多孔質基材への撥水材の含侵時間を調整するだけで、カソードガス拡散層の撥水性を簡単に制御することができる。
素繊維からなる多孔質基材への撥水材の含侵時間を調整するだけで、カソードガス拡散層の撥水性を簡単に制御することができる。
このことから、前記従来の課題を解決する手段としては、カソード触媒層のアイオノマーのＥＷよりも、カソードガス拡散層の撥水性を制御した方が望ましい。
本発明の水素生成システムは、電解質膜と該電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、アノードは電解質膜側に配置されるアノード触媒層と該アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、カソードは電解質膜側に配置されるカソード触媒層と該カソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、複数の電気化学デバイスは、水素含有ガスの供給方向の上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、水素含有ガスの供給方向の下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続されており、ガス供給手段は、複数の電気化学デバイスの内の水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次低くした水素生成システムである。
これにより、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システムの水素純化効率が低いことが改善される。
本発明の水素生成システムは、直列に接続した複数の電気化学デバイスにおいて、下流側の電気化学デバイスのカソード触媒層が、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、水素純化効率の高い水素生成システムにできる。
また、これにより、水素生成システムに用いる電気エネルギーが小さいため、省エネ性の高い水素生成システムを提供できる。
第１の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、アノードは電解質膜側に配置されるアノード触媒層とアノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、カソードは電解質膜側に配置されるカソード触媒層とカソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、複数の電気化学デバイスは、水素含有ガスの供給方向の上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、水素含有ガスの供給方向の下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続されており、ガス供給手段は、複数の電気化学デバイスの内の水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次低くなることを特徴とする水素生成システムである。
これにより、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を低くする前に比べ、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが改善されるため、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することができる。
第２の発明は、特に第１の発明において、カソードガス拡散層に撥水材を備え、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次少なくなることを特徴とする記載の水素生成システムである。
これにより、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量を少なくする前に比べ、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
よって、上下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが改善されるため
、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することができる。
、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することができる。
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。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、電気化学デバイスのカソード触媒層の水素イオン輸送抵抗は、水素生成システムの使用環境下における電気化学デバイスのカソード触媒層の水素イオン輸送抵抗を電気化学的に測定して求める。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図３は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図４は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図である。
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図３は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図４は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図である。
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を図１〜図４を参照しながら具体的に説明する。
なお、図４において、図１〜図３と同一の構成要素については同一の符号を付すこととして、詳細な説明は省略する場合もある。
図１に示すように、第１電気化学デバイス１００は、電解質膜１０４の両側に、アノード１０５およびカソード１０６を設けた電解質膜−電極接合体１０７を有し、該電解質膜−電極接合体１０７を一対のアノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９とによって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜１０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード１０５は、電解質膜１０４側に配置されるアノード触媒層１１１と、アノード触媒層１１１の電解質膜１０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層１１０とで構成されている。
また、カソード１０６は、電解質膜１０４側に配置されるカソード触媒層１１２と、カソード触媒層１１２の電解質膜１０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層１１３とで構成されている。
アノード触媒層１１１とカソード触媒層１１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜１０４に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層１１０とカソードガス拡散層１１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層１１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層１１３と液水面との接触角が１２４°の撥水性を有するものを用いる。
アノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ１０８には、水素含有ガスをアノード１０５に供給するためのア
ノード側入口１０１と、水素含有ガスをアノード１０５から排出するためのアノード側出口１０２とが設けられている。
ノード側入口１０１と、水素含有ガスをアノード１０５から排出するためのアノード側出口１０２とが設けられている。
一方、カソード側セパレータ１０９には、カソード１０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口１０３が設けられている。
また、図２に示すように、第２電気化学デバイス２００は、電解質膜２０４の両側に、アノード２０５およびカソード２０６を設けた電解質膜−電極接合体２０７を有し、該電解質膜−電極接合体２０７を一対のアノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９とによって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜２０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード２０５は、電解質膜２０４側に配置されるアノード触媒層２１１と、アノード触媒層２１１の電解質膜２０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層２１０とで構成されている。
また、カソード２０６は、電解質膜２０４側に配置されるカソード触媒層２１２と、カソード触媒層２１２の電解質膜２０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層２１３とで構成されている。
アノード触媒層２１１とカソード触媒層２１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜２０４に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層２１０とカソードガス拡散層２１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層２１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層２１３表面と液水面との接触角が１１５°の撥水性を有するものを用いる。
アノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ２０８には、水素含有ガスをアノード２０５に供給するためのアノード側入口２０１と、水素含有ガスをアノード２０５から排出するためのアノード側出口２０２とが設けられている。
一方、カソード側セパレータ２０９には、カソード２０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口２０３が設けられている。
また、図３に示すように、第３電気化学デバイス３００は、電解質膜３０４の両側に、アノード３０５およびカソード３０６を設けた電解質膜−電極接合体３０７を有し、該電解質膜−電極接合体３０７を一対のアノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９とによって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜３０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード３０５は、電解質膜３０４側に配置されるアノード触媒層３１１と、アノード
触媒層３１１の電解質膜３０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層３１０とで構成されている。
触媒層３１１の電解質膜３０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層３１０とで構成されている。
また、カソード３０６は、電解質膜３０４側に配置されるカソード触媒層３１２と、カソード触媒層３１２の電解質膜３０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層３１３とで構成されている。
アノード触媒層３１１とカソード触媒層３１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜３０４に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層３１０とカソードガス拡散層３１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層３１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層３１３と液水面との接触角が９７°の撥水性を有するものを用いる。
アノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ３０８には、水素含有ガスをアノード３０５に供給するためのアノード側入口３０１と、水素含有ガスをアノード３０５から排出するためのアノード側出口３０２とが設けられている。
一方、カソード側セパレータ３０９には、カソード３０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口３０３が設けられている。
また、図４に示すように、水素生成システム４００は、第１電気化学デバイス１００と、第２電気化学デバイス２００と、第３電気化学デバイス３００とを備えている。
また、第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１に加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段４０２と、ガス供給手段４０２を制御するための制御器４０３とを備えている。
ガス供給手段４０２は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し、供給する燃料改質器で構成され、ガス供給手段４０２は第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１に接続されている。
第１電気化学デバイス１００には、アノード１０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口１０２が設けられている。
第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３は、接続流路４０１によって下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１と接続されている。
第２電気化学デバイス２００には、アノード側入口２０１に供給され、アノード２０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口２０２が設けられている。
さらに、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３は、接続流路４０１によって下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１と接続されている。
第３電気化学デバイス３００には、アノード側入口３０１に供給され、アノード３０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口３０２が設けられている。
第１電気化学デバイス１００には、アノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６の方向に電流を流すための電源１１５が備えられている。
第２電気化学デバイス２００には、アノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６の方向に電流を流すための電源２１５が備えられている。
また、第３電気化学デバイス３００には、アノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６の方向に電流を流すための電源３１５が備えられている。
電源１１５、電源２１５、電源３１５は、制御器４０３により制御されている。電源１１５、電源２１５、電源３１５には直流電源を用いる。
また、第１電気化学デバイス１００、第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００には、温度を調節するための温度調節器１１４、温度調節器２１４、温度調節器３１４が備えられており、温度調節器１１４、温度調節器２１４、温度調節器３１４は、制御器４０３により制御されている。
温度調節器１１４、温度調節器２１４、温度調節器３１４には設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム４００について、以下、その動作、作用を、図４を参照しながら具体的に説明する。
まず、ガス供給手段４０２から、加湿された二酸化炭素３０％と水素７０％とを含む水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１を介してアノード１０５に供給する。
第１電気化学デバイス１００は温度７０℃となるように温度調節器１１４を制御器４０３で制御し、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６の方向に電源１１５から電流を流す。
これにより、第１電気化学デバイス１００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、電解質膜１０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード１０６に移動するため、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
また、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は電解質膜１０４によりカソード１０６への移動が妨げられる。
このため、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率比べ、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
ここで、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２の水素イオン輸送抵抗を
、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４３ｍΩ・ｃｍ２となる。
、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４３ｍΩ・ｃｍ２となる。
次に、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路４０１を介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１に供給する。
第２電気化学デバイス２００は温度７０℃となるように温度調節器２１４を制御器４０３で制御し、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６の方向に電源２１５から電流を流す。
これにより、第２電気化学デバイス２００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード２０６に移動するため、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３からは水素純度９９％の水素含有ガスが排出される。
また、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜２０４によりカソード２０６への移動が妨げられる。
このため、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
よって、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
ここで、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性は低い。
このため、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３に比べ、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
よって、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２に比べて、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２では、液水がカソードガス拡散層２１３に移動し難くなる。
このことから、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水保持量が多くなる。
このため、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
よって、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素
イオン輸送抵抗が小さくなる。
イオン輸送抵抗が小さくなる。
ここで、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４８ｍΩ・ｃｍ２となる。
なお、第２電気化学デバイス２００に第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、７４ｍΩ・ｃｍ２となる。
このことから、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
よって、第２電気化学デバイス２００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム４００の水素純化効率が低いことが改善される。
次に、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路４０１を介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１に供給する。
第３電気化学デバイス３００は温度７０℃となるように温度調節器３１４を制御器４０３で制御し、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６の方向に電源３１５から電流を流す。
これにより、第３電気化学デバイス３００において電気化学反応が進行し、カソード３０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード３０６に移動する。
しかしながら、既に第２電気化学デバイス２００から排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス３００のカソード側出口３０３からは水素純度９９．９７％と純度の高い水素含有ガスが得られる。
また、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜３０４によりカソード３０６への移動が妨げられる。
このため、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード３０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
このため、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２および第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
ここで、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性は低い。
このため、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
よって、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２および第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２に比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２では、液水がカソードガス拡散層３１３に移動し難くなる。
このことから、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の液水保持量が多くなる。
このため、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
よって、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
ここで、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、６３ｍΩ・ｃｍ２となる。
なお、第３電気化学デバイス３００に第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、１０５ｍΩ・ｃｍ２となる。
また、第３電気化学デバイス３００に第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、８６ｍΩ・ｃｍ２となる。
このことから、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
よって、第３電気化学デバイス３００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム４００の水素純化効率が低いことが改善される。
以上のように、本実施の形態においては、第１電気化学デバイス１００と、第２電気化学デバイス２００と、第３電気化学デバイス３００とを直列に接続して水素生成システム４００を構成し、最上流の第１電気化学デバイス１００から順に、下流側の第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００に向うにしたがって、カソードガス拡散層１１３、カソードガス拡散層２１３、カソードガス拡散層３１３の撥水性を漸次低くし、カソード触媒層１１２、カソード触媒層２１２、カソード触媒層３１２の液水保持量を漸次多くして、水素イオン輸送抵抗を小さくすることで、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水
分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が上流側の第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同一の場合に比べ、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム４００にできる。
分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が上流側の第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同一の場合に比べ、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム４００にできる。
なお、本実施の形態では、電解質膜を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜としているが、電解質膜としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含むフッ素系の樹脂を用いてもよい。
なお、本実施の形態では、電解質膜として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。
なお、本実施の形態では、電気化学デバイスの数を３台としたが、この台数はあくまで一例であって、２台以上の別の台数であってもよい。
なお、本実施の形態では、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値はカソードガス拡散層と液水面との接触角、または単位体積あたりの撥水材含有量としているが、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、気孔径、表面粗さなどであってもよい。これら物性値に基づき、上流側から下流側に向かうにしたがって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が順に低くなるように、各電気化学デバイスに用いるカソードガス拡散層の撥水性を選択してよい。
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図６は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図７は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図８は、本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図である。
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図６は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図７は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図８は、本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図である。
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を図５〜図８を参照しながら具体的に説明する。
なお、図８において、図５〜図７と同一の構成要素については同一の符号を付すこととして、詳細な説明は省略する場合もある。
図５に示すように、第１電気化学デバイス５００は、電解質膜５０４の両側に、それぞれアノード５０５およびカソード５０６を設けた電解質膜−電極接合体５０７を有し、該電解質膜−電極接合体５０７を一対のアノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９とによって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜５０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード５０５は、電解質膜５０４側に配置されるアノード触媒層５１１と、アノード触媒層５１１の電解質膜５０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層５１０とで構成されている。
また、カソード５０６は、電解質膜５０４側に配置されるカソード触媒層５１２と、カソード触媒層５１２の電解質膜５０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層５１３とで構成されている。
アノード触媒層５１１とカソード触媒層５１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜５０４に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層５１０とカソードガス拡散層５１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層５１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積あたりの撥水材含有量が１９％であるものを用いる。
アノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ５０８には、水素含有ガスをアノード５０５に供給するためのアノード側入口５０１と、水素含有ガスをアノード５０５から排出するためのアノード側出口５０２とが設けられている。
一方、カソード側セパレータ５０９には、カソード５０６に生成する水素を排出するためのカソード側出口５０３が設けられている。
また、図６に示すように、第２電気化学デバイス６００は、電解質膜６０４の両側に、アノード６０５およびカソード６０６を設けた電解質膜−電極接合体６０７を有し、該電解質膜−電極接合体６０７を一対のアノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９とによって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜６０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード６０５は、電解質膜６０４側に配置されるアノード触媒層６１１と、アノード触媒層６１１の電解質膜６０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層６１０とで構成されている。
また、カソード６０６は、電解質膜６０４側に配置されるカソード触媒層６１２と、カソード触媒層６１２の電解質膜６０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層６１３とで構成されている。
アノード触媒層６１１とカソード触媒層６１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜６０４に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層６１０とカソードガス拡散層６１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層６１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積あたりの撥水材含有量が１４％であるものを用いる。
アノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ６０８には、水素含有ガスをアノード６０５に供給するためのアノード側入口６０１と、水素含有ガスをアノード６０５から排出するためのアノード側出口６０２とが設けられている。
一方、カソード側セパレータ６０９には、カソード６０６に生成する水素を排出するためのカソード側出口６０３が設けられている。
また、図７に示すように、第３電気化学デバイス７００は、電解質膜７０４の両側に、アノード７０５およびカソード７０６を設けた電解質膜−電極接合体７０７を有し、該電解質膜−電極接合体７０７を一対のアノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９とによって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜７０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード７０５は、電解質膜７０４側に配置されるアノード触媒層７１１と、アノード触媒層７１１の電解質膜７０４側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層７１０とで構成されている。
また、カソード７０６は、電解質膜７０４側に配置されるカソード触媒層７１２と、カソード触媒層７１２の電解質膜７０４側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層７１３とで構成されている。
アノード触媒層７１１とカソード触媒層７１２とには、白金を担持したカーボン粒子とスルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系のアイオノマー水溶液とを混合したスラリーを、電解質膜７０４に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層７１０とカソードガス拡散層７１３とには、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層７１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積あたりの撥水材含有量が１１％であるものを用いる。
アノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ７０８には、水素含有ガスをアノード７０５に供給するためのアノード側入口７０１と、水素含有ガスをアノード７０５から排出するためのアノード側出口７０２とが設けられている。
一方、カソード側セパレータ７０９には、カソード７０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口７０３が設けられている。
また、図８に示すように、本実施の形態の水素生成システム８００は、第１電気化学デバイス５００と、第２電気化学デバイス６００と、第３電気化学デバイス７００とを備えている。
また、第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１に加湿された水素含有ガス
を供給するガス供給手段８０２と、ガス供給手段８０２を制御するための制御器８０３とを備えている。
を供給するガス供給手段８０２と、ガス供給手段８０２を制御するための制御器８０３とを備えている。
ガス供給手段８０２は、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し、供給する燃料改質器で構成され、ガス供給手段８０２は第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１に接続されている。
第１電気化学デバイス５００には、アノード５０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口５０２が設けられている。
第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３は、接続流路８０１によって下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１と接続されている。
第２電気化学デバイス６００には、アノード側入口６０１に供給され、アノード６０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口６０２が設けられている。
さらに、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３は、接続流路８０１によって下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１と接続されている。
第３電気化学デバイス７００には、アノード側入口７０１に供給され、アノード７０５で利用されなかった水素含有ガスを排出するためのアノード側出口７０２が設けられている。
第１電気化学デバイス５００には、アノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６の方向に電流を流すための電源５１５が備えられている。
第２電気化学デバイス６００には、アノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６の方向に電流を流すための電源６１５が備えられている。
また、第３電気化学デバイス７００には、アノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６の方向に電流を流すための電源７１５が備えられている。
電源５１５、電源６１５、電源７１５は、制御器８０３により制御されている。電源５１５、電源６１５、電源７１５には直流電源を用いる。
また、第１電気化学デバイス５００、第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００には、温度を調節するための温度調節器５１４、温度調節器６１４、温度調節器７１４が備えられており、温度調節器５１４、温度調節器６１４、温度調節器７１４は、制御器８０３により制御されている。
温度調節器５１４、温度調節器６１４、温度調節器７１４には設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム８００について、以下、その動作、作用を、図８を参照しながら具体的に説明する。
まず、ガス供給手段８０２から、加湿された二酸化炭素３０％と水素７０％とを含む水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１を介してアノード５０５に供給する。
第１電気化学デバイス５００は温度７０℃となるように温度調節器５１４を制御器８０３で制御し、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６の方向に電源５１５から電流を流す。
これにより、第１電気化学デバイス５００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、電解質膜５０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード５０６に移動するため、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度９８％の水素含有ガスが排出される。
また、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は電解質膜５０４によりカソード５０６への移動が妨げられる。
このため、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
ここで、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４３ｍΩ・ｃｍ２となる。
次に、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路８０１を介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１に供給する。
第２電気化学デバイス６００は温度７０℃となるように温度調節器６１４を制御器８０３で制御し、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６の方向に電源６１５から電流を流す。
これにより、第２電気化学デバイス６００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード６０６に移動するため、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３からは水素純度９９％の水素含有ガスが排出される。
また、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜６０４によりカソード６０６への移動が妨げられる。
このため、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
よって、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
ここで、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの
撥水材含有量に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量は少ない。
撥水材含有量に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量は少ない。
このため、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
よって、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２に比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２では、液水がカソードガス拡散層６１３に移動し難くなる。
このことから、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の液水保持量が高くなる。
このため、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
よって、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
ここで、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、４８ｍΩ・ｃｍ２となる。
なお、第２電気化学デバイス６００に第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、７４ｍΩ・ｃｍ２となる。
このことから、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
よって、第２電気化学デバイス６００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム８００の水素純化効率が低いことが改善される。
次に、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路８０１を介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１に供給する。
第３電気化学デバイス７００は温度７０℃となるように温度調節器７１４を制御器８０３で制御し、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６の方向に電源７１５から電流を流す。
これにより、第３電気化学デバイス７００において電気化学反応が進行し、第３電気化学デバイス７００のカソード７０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４は、わずかではあるが、二酸化炭素がカソード７０６に移動する。
しかしながら、既に第２電気化学デバイス６００から排出された水素含有ガスの水素純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス７００のカソード側出口７０３からは水素純度９９．９７％と純度の高い水素含有ガスが得られる。
また、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜７０４によりカソード７０６への移動が妨げられる。
このため、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に供給された水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード７０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
このため、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２および第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さくなる。
ここで、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量は少ない。
このため、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３では、吸水性が高くなり、液水保持量が高くなる。
よって、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２および第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２に比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２では、液水がカソードガス拡散層７１３に移動し難くなる。
よって、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水保持量が多くなる。
このため、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送経路が小さくなる。
よって、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
ここで、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、６３ｍΩ・ｃｍ２となる。
なお、第３電気化学デバイス７００に第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、１０５ｍΩ・ｃｍ２となる。
また、第３電気化学デバイス７００に第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、６３ｍΩ・ｃｍ２となる。
このことから、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同じ場合と比べ、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
よって、第３電気化学デバイス７００の水素純化効率が低くなることが抑制され、水素生成システム８００の水素純化効率が低いことが改善される。
以上のように、本実施の形態においては、第１電気化学デバイス５００と、第２電気化学デバイス６００と、第３電気化学デバイス７００とを直列に接続して水素生成システム８００を構成し、最上流の第１電気化学デバイス５００から順に、下流側の第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００に向うにしたがって、カソードガス拡散層５１３、カソードガス拡散層６１３、カソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量を漸次少なくし、カソード触媒層５１２、カソード触媒層６１２、カソード触媒層７１２の液水保持量を漸次多くして、水素イオン輸送抵抗を小さくすることで、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が上流側の第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同一の場合に比べ、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム８００にできる。
なお、本実施の形態では、電解質膜を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜としているが、電解質膜としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含むフッ素系の樹脂を用いてもよい。
なお、本実施の形態では、電解質膜として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。
なお、本実施の形態では、電気化学デバイスの数を３台としたが、この台数はあくまで一例であって、２台以上の別の台数であってもよい。
なお、本実施の形態では、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値はカソードガス拡散層と液水面との接触角、または単位体積あたりの撥水材含有量としているが、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、気孔径、表面粗さなどであってもよい。
これら物性値に基づき、上流側から下流側に向かうにしたがって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が順に高くなるように、各電気化学デバイスに用いるカソードガス拡散層の撥水性を選択してよい。
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素純化効率が低いことを改善できるため、電気化学デバイスを複数台用いて、不純物を含む水素含有ガスから純度の高い水素を製造する水素生成システムに最適である。
１００、５００ 第１電気化学デバイス
１０１、２０１、３０１、５０１、６０１、７０１ アノード側入口
１０２、２０２、３０２、５０２、６０２、７０２ アノード側出口
１０３、２０３、３０３、５０３、６０３、７０３ カソード側出口
１０４、２０４、３０４、５０４、６０４、７０４ 電解質膜
１０５、２０５、３０５、５０５、６０５、７０５ アノード
１０６、２０６、３０６、５０６、６０６、７０６ カソード
１０７、２０７、３０７、５０７、６０７、７０７ 電解質膜−電極接合体
１０８、２０８、３０８、５０８、６０８、７０８ アノード側セパレータ
１０９、２０９、３０９、５０９、６０９、７０９ カソード側セパレータ
１１０、２１０、３１０、５１０、６１０、７１０ アノードガス拡散層
１１１、２１１、３１１、５１１、６１１、７１１ アノード触媒層
１１２、２１２、３１２、５１２、６１２、７１２ カソード触媒層
１１３、２１３、３１３、５１３、６１３、７１３ カソードガス拡散層
１１４、２１４、３１４、５１４、６１４、７１４ 温度調節器
１１５、２１５、３１５、５１５、６１５、７１５ 電源
２００、６００ 第２電気化学デバイス
３００、７００ 第３電気化学デバイス
４００、８００ 水素生成システム
４０１、８０１ 接続流路
４０２、８０２ ガス供給手段
４０３、８０３ 制御器
１０１、２０１、３０１、５０１、６０１、７０１ アノード側入口
１０２、２０２、３０２、５０２、６０２、７０２ アノード側出口
１０３、２０３、３０３、５０３、６０３、７０３ カソード側出口
１０４、２０４、３０４、５０４、６０４、７０４ 電解質膜
１０５、２０５、３０５、５０５、６０５、７０５ アノード
１０６、２０６、３０６、５０６、６０６、７０６ カソード
１０７、２０７、３０７、５０７、６０７、７０７ 電解質膜−電極接合体
１０８、２０８、３０８、５０８、６０８、７０８ アノード側セパレータ
１０９、２０９、３０９、５０９、６０９、７０９ カソード側セパレータ
１１０、２１０、３１０、５１０、６１０、７１０ アノードガス拡散層
１１１、２１１、３１１、５１１、６１１、７１１ アノード触媒層
１１２、２１２、３１２、５１２、６１２、７１２ カソード触媒層
１１３、２１３、３１３、５１３、６１３、７１３ カソードガス拡散層
１１４、２１４、３１４、５１４、６１４、７１４ 温度調節器
１１５、２１５、３１５、５１５、６１５、７１５ 電源
２００、６００ 第２電気化学デバイス
３００、７００ 第３電気化学デバイス
４００、８００ 水素生成システム
４０１、８０１ 接続流路
４０２、８０２ ガス供給手段
４０３、８０３ 制御器
Claims (2)
- 電解質膜と前記電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜−電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
複数の前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、
前記アノードは前記電解質膜側に配置されるアノード触媒層と前記アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、
前記カソードは前記電解質膜側に配置されるカソード触媒層と前記カソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、
複数の前記電気化学デバイスは、前記水素含有ガスの供給方向の上流側の前記電気化学デバイスの前記カソードから排出された水素含有ガスが、前記水素含有ガスの供給方向の下流側の前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、直列に接続されており、
前記ガス供給手段は、複数の前記電気化学デバイスの内の前記水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスの前記アノードに前記水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、
前記電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性は、前記水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次低くなることを特徴とする水素生成システム。 - 前記カソードガス拡散層に撥水材を備え、
前記電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量は、前記水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次少なくなることを特徴とする請求項１に記載の水素生成システム。
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Citations (3)
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| JP2015135788A (ja) * | 2014-01-20 | 2015-07-27 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 燃料電池スタック |
| JP2017145187A (ja) * | 2016-02-16 | 2017-08-24 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 電気化学式水素ポンプ |
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