JP2020132934A

JP2020132934A - 水素昇圧システム

Info

Publication number: JP2020132934A
Application number: JP2019026778A
Authority: JP
Inventors: 鵜飼　邦弘; Kunihiro Ukai; 邦弘鵜飼; 貴之中植; Takayuki Nakaue; 幸宗可児; Yukimune Kani
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2019-02-18
Filing date: 2019-02-18
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後、電気化学式水素ポンプの次回の昇圧動作に必要な時間を従来よりも短縮し得る水素昇圧システムを提供する。【解決手段】水素昇圧システムは、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器へ燃料を供給する燃料供給器と、アノードに供給された水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプと、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後も、燃料供給器を制御して、燃焼器による改質器の加熱を行う加熱制御を実行する制御器と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は水素昇圧システムに関する。

近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに、燃料電池の開発および普及が進んでいる。

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又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では、改質器、電解槽などの供給元から供給された水素含有ガスを、電気化学式水素ポンプを用いて、予め決められた高純度の水素ガスに精製する方法が開示されている。

特許文献２では、燃料を改質することで、水素および一酸化炭素などを含む改質ガスを生成する改質器と、改質ガス中の水素ガスを精製および昇圧することで高純度の水素ガスを生成する水素精製昇圧装置とを備える水素精製昇圧システムが開示されている。また、水素ガス中の水素濃度が高くならない等のシステムに不都合が発生した場合、水素精製昇圧装置の運転を停止させることで、メンテナンスを行うことが提案されている。

特表２０１６−５３０１８８号公報特開２０１５−１１７１３９号公報

本開示の一態様（aspect）は、一例として、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後、電気化学式水素ポンプの次回の昇圧動作に必要な時間を従来よりも短縮し得る水素昇圧システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本開示の一態様の水素昇圧システムは、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、前記改質器を加熱する燃焼器と、前記燃焼器へ燃料を供給する燃料供給器と、アノードに供給された水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプと、前記電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後も、前記燃料供給器を制御して、前記燃焼器による前記改質器の加熱を行う加熱制御を実行する制御器と、を備える。

本開示の一態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後、電気化学式水素ポンプの次回の昇圧動作に必要な時間を従来よりも短縮し得るという効果を奏する。

図１は、第１実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。図２Ａは、第１実施形態の水素昇圧システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図３Ａは、第１実施形態の水素昇圧システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図４Ａは、第１実施形態の第１実施例の水素昇圧システムの一例を示す図である。図４Ｂは、第１実施形態の第２実施例の水素昇圧システムの一例を示す図である。図４Ｃは、第１実施形態の第３実施例の水素昇圧システムの一例を示す図である。図５は、第３実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。図６は、第３実施形態の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。図７は、第３実施形態の変形例の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。図８は、第４実施形態の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。図９は、第４実施形態の変形例の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。図１０は、第５実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。

特許文献１および特許文献２の如く、改質器を用いて炭化水素系燃料の改質反応で得られる水素含有ガスを精製および昇圧する水素精製昇圧システムでは、分散型の水素ステーションの所望の場所において、高純度かつ高圧の水素ガスを水素需要体に提供することができる。ここで、電気化学式水素ポンプにおいて、アノードに供給する水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する動作（以下、電気化学式水素ポンプの昇圧動作）が行われる。

しかし、電気化学式水素ポンプで昇圧された水素ガスを、例えば、タンクなどの水素貯蔵器に貯蔵する場合、水素貯蔵器内のガス圧が所定値に到達すると、電気化学式水素ポンプの昇圧動作は、次回の動作開始までは、停止する必要がある。このとき、改質器の改質動作を停止すると、電気化学式水素ポンプで次回の昇圧動作を開始するのに時間がかかる可能性がある。例えば、改質器の改質反応を停止させることで、改質器の温度が低下すると、次回の昇圧動作において、改質器の温度を改質反応に適した温度に上げるための時間を要する。すると、次回の昇圧動作において、改質器から水素含有ガスを適時に、電気化学式水素ポンプに供給できない恐れがある。

そこで、本開示の第１態様の水素昇圧システムは、原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、改質器を加熱する燃焼器と、燃焼器へ燃料を供給する燃料供給器と、アノードに供給された水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプと、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後も、燃料供給器を制御して、燃焼器による改質器の加熱を行う加熱制御を実行する制御器と、を備える。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後、電気化学式水素ポンプの次回の昇圧動作に必要な時間を従来よりも短縮し得る。

具体的には、仮に、改質器の改質反応を停止させることで、改質器の温度が低下すると、電気化学式水素ポンプの次回の昇圧動作において、改質器の温度を改質反応に適した温度に上げるための時間を要するが、本態様の水素昇圧システムでは、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後も、燃焼器による改質器の加熱が行われるので、上記の問題を軽減することができる。つまり、本態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後、燃焼器による改質器の加熱を停止した場合に比べて、電気化学式水素ポンプで次回の昇圧動作を速やかに開始することができる。

本開示の第２態様の水素昇圧システムは、第１態様の水素昇圧システムにおいて、燃料供給器が、改質器に原料を供給する原料供給器であり、改質器の上記の加熱制御の実行中において、燃焼器には、原料供給器からの原料または改質器からの水素含有ガスが供給されてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後も、原料供給器からの原料または改質器からの水素含有ガスを燃焼器に供給することができるので、燃焼器による改質器の加熱を適切に継続することができる。

本開示の第３態様の水素昇圧システムは、第２態様の水素昇圧システムにおいて、改質器の上記の加熱制御の実行中において、燃焼器に、改質器からの水素含有ガスが供給されているとき、改質器では、原料供給器で供給される原料の改質反応より水素含有ガスが生成されていてもよい。

本開示の第４態様の水素昇圧システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水素昇圧システムにおいて、制御器は、電気化学式水素ポンプの昇圧動作時と改質器の上記の加熱制御時において、改質器の温度が同じになるよう、燃料供給器を制御してもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後も、改質器の温度が改質反応に適した温度であるので、電気化学式水素ポンプで次回の昇圧動作を速やかに開始することができる。

本開示の第５態様の水素昇圧システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水素昇圧システムにおいて、制御器は、改質器の上記の加熱制御時において、改質器の温度が、電気化学式水素ポンプの昇圧動作時よりも低くなるよう、燃料供給器を制御してもよい。

なお、以下、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止から次回の電気化学式水素ポンプの昇圧動作再開までの間の水素昇圧システムの動作を「水素昇圧システムの昇圧待機動作」と略す場合がある。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプで次回の昇圧動作の開始時間を遅延させずに、水素昇圧システムの昇圧待機動作におけるエネルギー消費を抑制することができる。つまり、改質器の上記の加熱制御時の温度が、電気化学式水素ポンプの昇圧動作時の改質器の温度よりも低い温度であるので、前者の改質器の温度が後者の改質器の温度以上である場合に比べて、水素昇圧システムの昇圧待機動作において、改質器から外部への放熱を抑制することができる。その結果、燃焼器の燃料消費量を低減することができる。

本開示の第６態様の水素昇圧システムは、第１態様から第５態様のいずれか一つの水素昇圧システムにおいて、電気化学式水素ポンプで昇圧された水素を含むカソードガスの圧力を検知する検知器を備え、制御器は、検知器で検知された圧力が第１の閾値以上であると、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を停止させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、検知器で検知された圧力に基づいて、カソードガスの圧力が所定の第１の閾値以上になる適時において、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を停止させることができる。

本開示の第７態様の水素昇圧システムは、第５態様の水素昇圧システムにおいて、制御器は、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を再開後、燃料供給器を制御して、改質器の温度を電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止前に戻してもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を再開において、改質器の温度が改質反応に適した温度になる。

本開示の第８態様の水素昇圧システムは、第６態様の水素昇圧システムにおいて、制御器は、検知器で検知された圧力が、第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になると、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を再開してもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、検知器で検知された圧力に基づいて、カソードガスの圧力が所定の第２の閾値以下になる適時において、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を再開することができる。

本開示の第９態様の水素昇圧システムは、第１態様から第８態様のいずれか一つの水素昇圧システムにおいて、制御器は、水素昇圧システムに異常が発生すると、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を停止させ、改質器の上記の加熱制御を実行してもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、水素昇圧システムの異常発生時に、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を停止させた場合でも、燃焼器による改質器の加熱が行われる。よって、本態様の水素昇圧システムは、仮に、水素昇圧システムの昇圧待機動作の実行中に水素昇圧システムの異常が解消すると、電気化学式水素ポンプで次回の昇圧動作を速やかに開始することができる。

本開示の第１０態様の水素昇圧システムは、第９態様の水素昇圧システムにおいて、制御器は、水素昇圧システムの異常発生による改質器の上記の加熱制御の実行後、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を再開させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、水素昇圧システムの昇圧待機動作の実行中、水素昇圧システムの異常解消の確認を行わずに、電気化学式水素ポンプのリトライ動作を速やかに行うことができる。

本開示の第１１態様の水素昇圧システムは、第９態様の水素昇圧システムにおいて、制御器は、改質器の上記の加熱制御時に、水素昇圧システムの異常が解消すると、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を再開させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、水素昇圧システムの昇圧待機動作の実行中の水素昇圧システムの異常が解消する適時において、電気化学式水素ポンプの昇圧動作を再開させることができる。

本開示の第１２態様の水素昇圧システムは、第９態様の水素昇圧システムにおいて、制御器は、改質器の上記の加熱制御時に、水素昇圧システムの異常が解消しないと、このような加熱制御を停止させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、水素昇圧システムの昇圧待機動作の実行中に、水素昇圧システムの異常が解消しない場合、燃焼器による改質器の加熱を行う加熱制御を停止させることで、水素昇圧システムのメンテナンスを速やかに行うことができる。

以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、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、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、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、上記の各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。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。動作においては、必要に応じて、各工程の順序などを変更できる。また、必要に応じて、他の公知の工程を追加できる。

（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。

図１に示す例では、水素昇圧システム２００は、改質器７０と、燃焼器７１と、燃料供給器７２と、電気化学式水素ポンプ１００と、制御器６０と、を備える。

改質器７０は、原料を改質して水素含有ガスを生成する装置である。具体的には、改質器７０において、原料が改質反応して、水素含有ガスが生成される。改質反応は、いずれの形態であってもよい。改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応および部分酸化反応などが挙げることができる。図１には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、水蒸気を生成する蒸発器、および蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、水素昇圧システム２００には、さらに、改質器に空気を供給する空気供給器が設けられる。

なお、原料は、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含む炭化水素系ガスである。この炭化水素系ガスとして、例えば、メタンを主成分とする都市ガスまたは天然ガス、あるいは、ＬＰＧなどを用いることができる。原料は、所定の供給圧を備える原料供給源（図示せず）より供給される。原料供給源として、例えば、原料タンク、原料インフラなどが挙げることができる。

燃焼器７１は、改質器７０を加熱する装置である。また、燃料供給器７２は、燃焼器７１へ燃料を供給する装置である。

ここで、燃料供給器７２は、燃焼器７１へ燃料を供給できれば、どのような構成であってもよい。燃料供給器７２として、例えば、弁、ポンプなどを挙げることができる。

燃焼器７１の燃料は、いずれの燃料であってもよい。例えば、燃料供給器７２が、改質器７０に原料を供給する原料供給器（図１では図示せず）である場合、燃焼器７１の燃料として、改質器７０に供給する原料、または、改質器７０で生成された水素含有ガスなどを用いることができる。詳細は実施例で説明する。

電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する装置である。

本実施形態の水素昇圧システム２００では、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮにおいて、水素含有ガスがアノードガス流路３３（図２Ｂ、図３Ｂなど参照）を通過する際に、水素含有ガス中の水素（Ｈ_２）の一部を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつカソードＣＡで昇圧している。このような電気化学式水素ポンプ１００の詳細な構成は後で説明する。

制御器６０は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後も、燃料供給器７２を制御して、燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御を実行する。ここで、「電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作」とは、カソードＣＡにおける水素を含むカソードガスの圧力（カソード圧）を第１の閾値まで昇圧させる動作を意味する。第１の閾値は、電気化学式水素ポンプ１００において設定されたカソード圧の昇圧上限値であってもよい。昇圧上限値としては、４０ＭＰａ、２０ＭＰａが例示される。なお、カソード圧を第１の閾値まで昇圧させた後、電気化学式水素ポンプ１００の動作を停止すると、圧力の高いカソードＣＡからアノードＡＮにカソードガスがクロスリークし、カソード圧が低下するが、この低下を補い、カソード圧を第１の閾値またはそれよりも小さい第３の閾値に維持するための昇圧動作は、「電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作」には含まない。従って、本開示の「電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止」には、電気化学式水素ポンプ１００の動作の停止が含まれる。また、本開示の「電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止」には、電気化学式水素ポンプ１００の動作の停止後のカソード圧を第１の閾値または第３の閾値に維持するための昇圧動作も含んでもよい。

なお、制御器６０は、水素昇圧システム２００の全体の動作を制御してもよい。

制御器６０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器６０は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶回路として、例えば、メモリを例示できる。制御器６０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。

［電気化学式水素ポンプの構成］
図２Ａおよび図３Ａは、第１実施形態の水素昇圧システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。

なお、図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド２８の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図３Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。

図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１００Ａを備える。

なお、電気化学式水素ポンプ１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図２Ａおよび図３Ａでは、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。

水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。

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１３と、アノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。

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１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。

以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２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。なお、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮの積層体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。

電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、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、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、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。

アノード触媒層１３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１３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１２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１２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１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。

なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、水素イオン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。

カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。また、カソードガス拡散層１４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。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ１００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。なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。なお、カソードガス拡散層１４の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層１４の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体などを用いてもよい。

アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。また、アノードガス拡散層１５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。さらに、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００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、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。

なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体を用いることができる。また、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることもできる。

アノードセパレーター１７は、アノードＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた部材である。

そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。

このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。

カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。

アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図３Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。

また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。

ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。

なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。

締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。

例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。

このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の各部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。

ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するカソードガスが流れるカソードガス流路３２が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路３２のそれぞれが連通する構成について説明する。

まず、図２Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド２８は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソードＣＡから排出されるカソードガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド２８と連通している。

さらに、カソードガス導出マニホールド２８は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過したカソードガスが、カソードガス導出マニホールド２８で合流される。そして、合流されたカソードガスがカソードガス導出経路２６に導かれる。

このようにして、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド２８を介して連通している。

カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド２８を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド２８が、このシール部材４０で適切にシールされている。

図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導入経路２９が設けられている。アノードガス導入経路２９は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導入経路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。

また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給された水素含有ガスは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に水素含有ガスが供給される。

また、図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導出経路３１が設けられている。アノードガス導出経路３１は、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導出経路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。

また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素含有ガスが、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。

カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。

図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。

電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。

また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２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。

なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。

ここで、図１、図２Ａおよび図３Ａには示されていないが、本実施形態の水素昇圧システム２００の電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作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、水素昇圧システム２００には、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検知する温度検知器、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧されたカソードガスの圧力を検知する圧力検知器などが設けられている。

また、水素昇圧システム２００には、アノードガス導入経路２９、アノードガス導出経路３１およびカソードガス導出経路２６の適所には、これらの経路を開閉するための弁などが設けられている。

以上の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素昇圧システム２００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノードＡＮに供給する水素含有ガス中の水素（Ｈ_２）を全量、カソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。

[動作]
以下、第１実施形態の水素昇圧システム２００の動作の一例について図面を参照しながら説明する。

なお、以下の動作は、例えば、制御器６０の演算回路が、制御器６０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６０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、水素昇圧システム２００の起動時には、燃料供給器７２によって燃焼器７１に燃料が供給されると、改質器７０は、燃焼器７１の燃焼熱により、改質反応に適した温度にまで加熱される。すると、改質器７０において、水素含有ガスが生成される。このとき、燃焼器７１の燃料として、改質器７０に供給する原料を用いることができる。

なお、以上の改質器７０の起動制御運転は公知であるので詳細な説明を省略する。

次に、改質器７０から電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に印加される。すると、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が開始され、アノードＡＮのアノード触媒層１３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（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定量の水が、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。

このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成されたカソードガスを昇圧することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図２Ａのカソードガス導出経路２６を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。

アノード：Ｈ_２（低圧）→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２（高圧）・・・（２）
このようにして、本実施形態の水素昇圧システム２００では、電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮに供給する水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が行われる。

次に、本実施形態の水素昇圧システム２００では、カソードＣＡにおける水素を含むカソードガスの圧力（カソード圧）が、第１の閾値に到達すると、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が停止する。

このとき、電圧印加器１０２による電気化学式水素ポンプ１００への電圧印加を停止するが、カソードガスのクロスリークに伴うカソード圧の低下に伴い、カソード圧が第２の閾値以下になると、電圧印加器１０２による電気化学式水素ポンプ１００への電圧印加を再開してもよい。なお、このとき、カソード圧が、第１の閾値を上回らないように、電気化学式水素ポンプ１００への電圧印加が制御される。具体的には、電気化学式水素ポンプ１００への電圧印加を再開後、第１の閾値になると、電圧印加が停止される。

また、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後も、燃焼器７１による改質器７０の加熱が行われる。具体的には、このような燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御の実行中において、燃焼器７１には、原料供給器７２Ａ（図４Ａ−図４Ｃ参照）からの原料が供給されてもよいし、改質器７０からの水素含有ガスが供給されてもよい。

以上により、本実施形態の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後、電気化学式水素ポンプ１００の次回の昇圧動作に必要な時間を従来よりも短縮し得る。

具体的には、仮に、改質器７０の改質反応を停止させることで、改質器７０の温度が低下すると、電気化学式水素ポンプ１００の次回の昇圧動作において、改質器７０の温度を改質反応に適した温度に上げるための時間を要するが、本実施形態の水素昇圧システム２００では、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後も、燃焼器７１による改質器７０の加熱が行われるので、上記の問題を軽減することができる。つまり、本実施形態の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後、燃焼器７１による改質器７０の加熱を停止した場合に比べて、電気化学式水素ポンプ１００で次回の昇圧動作を速やかに開始することができる。

（第１実施例）
図４Ａは、第１実施形態の第１実施例の水素昇圧システムの一例を示す図である。

図４Ａに示す例では、水素昇圧システム２００は、改質器７０と、燃焼器７１と、燃料供給器７２と、電気化学式水素ポンプ１００と、流量調整器７３Ａと、制御器６０と、を備える。ここで、改質器７０、燃焼器７１および電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。

本実施例の水素昇圧システム２００では、燃料供給器７２は、改質器７０に原料を供給する原料供給器７２Ａである。そして、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後、燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御の実行中において、燃焼器７１には、原料供給器７２Ａからの原料が供給される。つまり、上記の加熱制御の実行中において、流量調整器７３Ａの操作によって、原料供給器７２Ａから送出された原料は、燃焼器７１の燃料として、燃焼器７１に供給される。

流量調整器７３Ａは、改質器７０と燃焼器７１との間で原料供給器７２Ａからの原料の流量を調整することができれば、どのような構成であってもよい。流量調整器７３Ａとして、例えば、三方切り替え弁、三方流量調整弁などを挙げることができるが、これらに限定されない。例えば、流量調整器７３Ｂは、二方弁の組合せでも構成することができる。

原料供給器７２Ａは、改質器７０に原料を供給できれば、どのような構成であってもよい。原料供給器７２Ａは、例えば、改質器７０に供給する原料流量を調整する機器であり、昇圧器と流量調整弁により構成されてもよいし、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器は、例えば、定容積型ポンプなどを挙げることができるが、これに限定されない。

以上により、本実施例の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後も、原料供給器７２Ａからの原料を燃焼器７１に供給することができるので、燃焼器７１による改質器７０の加熱を適切に継続することができる。

本実施例の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であってもよい。

（第２実施例）
図４Ｂは、第１実施形態の第２実施例の水素昇圧システムの一例を示す図である。

図４Ｂに示す例では、水素昇圧システム２００は、改質器７０と、燃焼器７１と、燃料供給器７２と、電気化学式水素ポンプ１００と、流量調整器７３Ｂと、制御器６０と、を備える。ここで、改質器７０、燃焼器７１および電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。

本実施例の水素昇圧システム２００では、燃料供給器７２は、改質器７０に原料を供給する原料供給器７２Ａである。そして、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後、燃焼器７１による改質器７０の加熱制御の実行中において、燃焼器７１には、改質器７０からの水素含有ガスが供給される。また、燃焼器７１に、改質器７０からの水素含有ガスが供給されているとき、改質器７０では、原料供給器７２Ａで供給される原料の改質反応より水素含有ガスが生成されている。つまり、上記の加熱制御の実行中において、流量調整器７３Ｂの操作によって、改質器７０から送出された水素含有ガスは、燃焼器７１の燃料として、燃焼器７１に供給される。

流量調整器７３Ｂは、電気化学式水素ポンプ１００と燃焼器７１との間で改質器７０からの水素含有ガスの流量を調整することができれば、どのような構成であってもよい。流量調整器７３Ｂとして、例えば、三方切り替え弁、三方流量調整弁などを挙げることができるが、これらに限定されない。例えば、流量調整器７３Ｂは、二方弁の組合せでも構成することができる。

原料供給器７２Ａは、第１実施形態の第１実施例と同様、改質器７０に原料を供給できれば、どのような構成であってもよい。

以上により、本実施例の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後も、改質器７０からの水素含有ガスを燃焼器７１に供給することができるので、燃焼器７１による改質器７０の加熱を適切に継続することができる。

（第３実施例）
図４Ｃは、第１実施形態の第３実施例の水素昇圧システムの一例を示す図である。

図４Ｃに示す例では、水素昇圧システム２００は、改質器７０と、燃焼器７１と、燃料供給器７２と、電気化学式水素ポンプ１００と、制御器６０と、を備える。ここで、改質器７０、燃焼器７１および電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。

本実施例の水素昇圧システム２００では、燃料供給器７２は、改質器７０に原料を供給する原料供給器７２Ａである。そして、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後、燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御の実行中において、燃焼器７１には、改質器７０からの水素含有ガスが、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮを経由することで供給される。また、燃焼器７１に、改質器７０からの水素含有ガスが供給されているとき、改質器７０では、原料供給器７２Ａで供給される原料の改質反応より水素含有ガスが生成されている。つまり、上記の加熱制御の実行中において、改質器７０から送出された水素含有ガスが、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮのアノードガス流路３３（図２Ｂ、図３Ｂなど参照）を通過した後、燃焼器７１の燃料として、燃焼器７１に供給される。

（第２実施形態）
本実施形態の水素昇圧システム２００は、以下の制御器６０の制御内容以外は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様である。

制御器６０は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作時と、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後の燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御時とにおいて、改質器７０の温度が同じになるよう、燃料供給器７２を制御する。

以上により、本実施形態の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後も、改質器７０の温度が改質反応に適した温度（以下、第１の温度）であるので、電気化学式水素ポンプ１００で次回の昇圧動作を速やかに開始することができる。なお、第１の温度として、例えば、約６５０℃程度を挙げることができるが、これに限定されない。

本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第３実施例のいずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。

（変形例）
本変形例の水素昇圧システム２００は、以下の制御器６０の制御内容以外は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様である。

制御器６０は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後の燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御時において、改質器７０の温度が、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作時よりも低くなるよう、燃料供給器７２を制御する。

また、制御器６０は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を再開後、燃料供給器７２を制御して、改質器７０の温度を電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止前に戻す。すると、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作の再開において、改質器７０の温度が改質反応に適した温度になる。

なお、以下、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止から次回の電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作再開までの間の水素昇圧システム２００の動作を「水素昇圧システム２００の昇圧待機動作」と略す場合がある。

以上により、本変形例の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００で次回の昇圧動作の開始時間を遅延させずに、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作におけるエネルギー消費を抑制することができる。つまり、改質器７０の上記の加熱制御時の温度が、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作時の改質器７０の温度よりも低い第２の温度であるので、前者の改質器７０の温度が後者の改質器７０の温度以上である場合に比べて、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作において、改質器７０から外部への放熱を抑制することができる。その結果、燃焼器７１の燃料消費量を低減することができる。

なお、第２の温度は、改質器７０における原料の予熱量および水の蒸発熱量などを考慮しながら、改質器７０で改質反応の維持が可能な温度を目安に設定すればよい。例えば、第１の温度が、約６５０℃程度である場合、第２の温度は、例えば、約６００℃程度であってもよい。これらの第１の温度および第２の温度は、例示であって本例に限定されない。

本変形例の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第３実施例のいずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。

（第３実施形態）
［装置構成］
図５は、第３実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。

図５に示す例では、水素昇圧システム２００は、改質器７０と、燃焼器７１と、燃料供給器７２と、電気化学式水素ポンプ１００と、検知器９０と、制御器６０と、を備える。ここで、改質器７０、燃焼器７１、燃料供給器７２および電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。

検知器９０は、電気化学式水素ポンプ１００で昇圧された水素を含むカソードガスの圧力Ｐを検知する装置である。検知器９０は、このようなカソードガスの圧力Ｐを検知できれば、どのような構成であってもよい。検知器９０は、カソードガスの圧力Ｐ自体を検知する圧力検知器でもよいが、これに限定されず、カソードの圧力Ｐと相関するパラメーターを検知する検知器であってもよい。

例えば、カソードガスの圧力Ｐは、水素昇圧システム２００における様々なパタメータに相関している。このようなパラメーターとして、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作時間、カソードＣＡのカソードガス流量、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流、改質器７０から電気化学式水素ポンプ１００に供給される水素含有ガス流量、および、改質器７０に供給される原料流量などを挙げることができる。よって、検知器９０として、圧力検知器に代えて、以上のパラメーターを検知する検知器を用いることもできる。

制御器６０は、検知器９０で検知された圧力Ｐが第１の閾値以上であると、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を停止させる。

［動作］
図６は、第３実施形態の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。

以下の動作は、制御器６０の演算回路が、制御器６０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６０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。

ステップＳ１で、電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮに供給する水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が行われる。なお、ステップＳ１の電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので詳細な説明を省略する。

次に、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作中、ステップＳ２において、検知器９０で検知された圧力Ｐが第１の閾値以上であるか否かが判定される。なお、第１の閾値は、例えば、水素昇圧システム２００から高圧タンクなどの水素貯蔵器にカソードガスを貯蔵する場合、水素貯蔵器で貯蔵し得るカソードガスの最高圧力などを目安に設定することができる。第１の閾値として、例えば、約４０ＭＰａ程度に設定してもよい。なお、第１の閾値は、例示であって本例に限定されない。

検知器９０で検知された圧力Ｐが第１の閾値未満である場合（ステップＳ２で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ１において、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が継続される。

検知器９０で検知された圧力Ｐが第１の閾値以上である場合（ステップＳ２で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ３で、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が停止され、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後も、燃焼器７１による改質器７０の加熱が行われる。つまり、水素昇圧システム２００の昇圧動作から水素昇圧システム２００の昇圧待機動作に移行する。

なお、このとき、改質器７０の温度が上記の第１の温度または第２の温度になるように、燃料供給器７２が制御されてもよい。

以上により、本実施形態の水素昇圧システム２００は、検知器９０で検知された圧力Ｐに基づいて、カソードガスの圧力が所定の第１の閾値以上になる適時において、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を停止させることができる。

本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第３実施例、第２実施形態および第２実施形態の変形例のいずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。

（変形例）
本変形例の水素昇圧システム２００は、以下の制御器６０の制御内容以外は、第３実施形態の水素昇圧システム２００と同様である。

制御器６０は、検知器９０で検知された圧力Ｐが、第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になると、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を再開する。

図７は、第３実施形態の変形例の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。

ここで、図７のステップＳ３は、図６のステップＳ３と同様であるので詳細な説明を省略する。

水素昇圧システム２００の昇圧待機動作の実行中、ステップＳ４において、検知器９０で検知された圧力Ｐが、第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下であるか否かが判定される。なお、第２の閾値は、例えば、水素昇圧システム２００から高圧タンクなどの水素貯蔵器にカソードガスを貯蔵する場合、水素貯蔵器から水素需要体へのカソードガス供給に支障が生じない圧力などを目安に設定することができる。例えば、第１の閾値が、約４０ＭＰａ程度である場合、第２の閾値として、例えば、約３５ＭＰａ程度に設定してもよい。なお、第１の閾値および第２の閾値は、例示であって本例に限定されない。水素需要体として、例えば、燃料電池などを挙げることができる。

検知器９０で検知された圧力Ｐが第２の閾値を上回る場合（ステップＳ４で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ３において、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作が継続される。

検知器９０で検知された圧力Ｐが第２の閾値以下である場合（ステップＳ４で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ５で、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が再開される。つまり、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作から水素昇圧システム２００の昇圧動作に移行する。ステップＳ５の電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので詳細な説明を省略する。

以上により、本変形例の水素昇圧システム２００は、検知器９０で検知された圧力に基づいて、カソードガスの圧力が所定の第２の閾値以下になる適時において、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を再開することができる。

本変形例の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例および第３実施形態のいずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。

（第４実施形態）
本実施形態の水素昇圧システム２００は、以下の制御器６０の制御内容以外は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様である。

制御器６０は、水素昇圧システム２００に異常が発生すると、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を停止させ、燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御を実行する。

なお、水素昇圧システム２００の異常とは、水素昇圧システム２００に設けられた検知器の信号により検知してもよい。例えば、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作中の所定時間内に、カソードＣＡにおける水素を含むカソードガスの圧力（カソード圧）が所定圧力まで昇圧しないという異常については、カソード圧を検知する検知器の信号により、この異常が検知される。また、例えば、改質器７０の温度が、改質器７０の温度が制御温度範囲外になる異常は、改質器７０の温度を検知する検知器の信号により検知される。また、例えば、燃焼器７１が失火する異常については、燃焼器７１の燃焼を検知する検知器の信号により検知される。また、水素昇圧システム２００における水素漏れの異常については、可燃ガスを検知する検知器の信号により検知される。

なお、制御器６０は、水素昇圧システム２００の異常発生による上記の加熱制御の実行後、メンテナンス作業を行わず、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を再開させてもよい。これにより、メンテナンス作業を行うことがないので、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を速やかに再開することができる。なお、このとき、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作の再開前に、所定のリセット動作を実行してもよい。例えば、燃焼器７１に失火の異常が発生した場合、燃焼器７１の燃焼空間を空気などでパージした後、着火器による燃焼器７１の再着火を行い、着火が確認された後、電圧印加器１０２による電気化学式水素ポンプ１００への電圧印加を再開してもよい。また、例えば、カソード圧の昇圧に異常が発生した場合、アノードＡＮのアノードガス流路３３を水素ガスなどでパージした後、電圧印加器１０２による電気化学式水素ポンプ１００への電圧印加を再開してもよい。

図８は、第４実施形態の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。

ここで、図８のステップＳ１およびステップＳ３はそれぞれ、図６のステップＳ１およびステップＳ３のそれぞれと同様であるので詳細な説明を省略する。

水素昇圧システム２００の昇圧動作中、ステップＳ６で、水素昇圧システム２００に異常が発生したか否かが判定される。

水素昇圧システム２００に異常が発生しない場合（ステップＳ６で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ１において、水素昇圧システム２００の昇圧動作が継続される。

水素昇圧システム２００に異常が発生した場合（ステップＳ６で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ３で、水素昇圧システム２００の昇圧動作から水素昇圧システム２００の昇圧待機動作に移行する。

以上により、本実施形態の水素昇圧システム２００は、水素昇圧システム２００の異常発生時に、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を停止させた場合でも、燃焼器７１による改質器７０の加熱が行われる。つまり、水素昇圧システム２００の異常発生時に、水素昇圧システム２００の動作が停止せずに、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作が開始する。よって、本実施形態の水素昇圧システム２００は、仮に、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作の実行中に、水素昇圧システムの異常が解消すると、電気化学式水素ポンプ１００で次回の昇圧動作を速やかに開始することができる。

本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態および第３実施形態の変形例のいずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。

（変形例）
本変形例の水素昇圧システム２００は、以下の制御器６０の制御内容以外は、第４実施形態の水素昇圧システム２００と同様である。

制御器６０は、燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御時に、水素昇圧システム２００の異常が解消すると、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を再開させる。

逆に、制御器６０は、燃焼器７１による改質器７０の加熱を行う加熱制御時に、水素昇圧システム２００の異常が解消しないと、改質器７０の加熱制御を停止させる。

図９は、第４実施形態の変形例の水素昇圧システムの動作の一例を示すフローチャートである。

ここで、図９のステップＳ３およびステップＳ５はそれぞれ、図７のステップＳ３およびステップＳ５のそれぞれと同様であるので詳細な説明を省略する。

水素昇圧システム２００の昇圧待機動作中、ステップＳ７で、水素昇圧システム２００の異常が解消したか否かが判定される。

水素昇圧システム２００の異常が解消しない場合（ステップＳ７で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ８で、燃焼器７１による改質器７０の加熱が停止される。つまり、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作から水素昇圧システム２００の動作停止に移行する。

水素昇圧システム２００の異常が解消した場合（ステップＳ７で「Ｙｅｓ」の場合）、ステップＳ５で、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が再開される。

以上により、本実施形態の水素昇圧システム２００は、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作の実行中の水素昇圧システム２００の異常が解消する適時において、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作を再開させることができる。

また、本実施形態の水素昇圧システム２００は、水素昇圧システムの昇圧待機動作の実行中に、水素昇圧システム２００の異常が解消しない場合、燃焼器７１による改質器７０の加熱を停止させることで、水素昇圧システム２００のメンテナンスを速やかに行うことができる。

本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第３実施形態の変形例および第４実施形態のいずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。

（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。

図１０に示す例では、水素昇圧システム２００は、改質器７０と、燃焼器７１と、燃料供給器７２と、電気化学式水素ポンプ１００と、水素純化器８０と、制御器６０と、を備える。ここで、改質器７０、燃焼器７１、燃料供給器７２および電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。

改質器７０で生成される水素含有ガスは、水素ガス以外の不純物を含む。このような不純物として、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）などを挙げることができる。そして、改質器７０から送出された水素含有ガス中の不純物濃度は、改質器７０の構成により変化する。

このとき、仮に改質器７０からの水素含有ガス中のＣＯ濃度が高い場合、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに、改質器７０からの水素含有ガスをそのまま供給すると、水素含有ガス中のＣＯにより電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮの白金触媒が被毒される可能性がある。そして、水素含有ガス中のＣＯにより電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮの白金触媒が被毒された場合、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作が阻害される恐れがある。

そこで、本実施形態の水素昇圧システム２００では、改質器７０からの水素含有ガスの水素純度を上げる水素純化器８０が、改質器７０と電気化学式水素ポンプ１００との間の水素含有ガスが流れる経路に設けられている。これにより、水素純化器８０から電気化学式水素ポンプ１００に供給される水素含有ガス中のＣＯ濃度を適切に低減することができる。その結果、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮの白金触媒が被毒される可能性を低減することができる。

水素純化器８０は、改質器７０からの水素含有ガスの水素純度を上げることができれば、どのような構成であってもよい。例えば、水素純化器８０は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮの白金触媒を、ＣＯ耐性を備える触媒に代えることにより、電気化学式水素ポンプ１００と同様に構成することができる。つまり、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンが電解質膜１１を介して移動する際に、水素含有ガス中の不純物の通過が抑制されるので、電気化学式水素ポンプを通過する際に水素含有ガスの水素純度を上げることができる。

ＣＯ耐性を備える触媒として、例えば、白金・ルテニウム合金触媒などを挙げることができるが、これに限定されない。

なお、本実施形態の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の昇圧動作停止後、上記と同様、水素昇圧システム２００の昇圧待機動作が行われる。ただし、このとき、改質器７０からの水素含有ガスを、燃焼器７１の燃料として燃焼器７１に供給する構成を取る場合、燃焼器７１の燃料が流れる燃料経路の上流端は、改質器７０から送出された水素含有ガスが流れる流路であれば、いずれの箇所に接続されていてもよい。

例えば、燃料経路の上流端は、改質器７０と水素純化器８０との間の経路に接続されていてもよいし、水素純化器８０と電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮとの間の経路に接続されていてもよいし、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮの水素含有ガス流出口に接続されていてもよい。また、水素純化器８０を電気化学式水素ポンプ１００と同様に構成する場合、燃料経路の上流端は、水素純化器８０のアノードの水素含有ガス流出口に接続されていてもよい。

以上のとおり、本実施形態の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００に流入する前の水素含有ガス中の水素含有ガスの水素純度を上げる水素純化器８０を設けることで、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮの白金触媒が被毒される可能性を低減することができる。

また、仮に、改質器７０と電気化学式水素ポンプ１００との間の水素含有ガスが流れる経路に水素純化器を設けない場合、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンが電解質膜１１を介して移動する際に、水素含有ガス中の不純物の一部がカソードＣＡのカソードガスに混入する可能性がある。しかし、本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の経路に水素純化器８０を設けることで、このような可能性を低減することができる。よって、本実施形態の水素昇圧システム２００は、例えば、水素昇圧システム２００から水素貯蔵器にカソードガスを貯蔵する場合、高純度の水素ガスを水素貯蔵器に貯蔵することができる。

本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第３実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第３実施形態の変形例、第４実施形態および第４実施形態の変形例のいずれかの水素昇圧システム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、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第３実施形態の変形例、第４実施形態、第４実施形態の変形例および第５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構わない。

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することができる。

本開示の一態様は、例えば、電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後、電気化学式水素ポンプの次回の昇圧動作に必要な時間を従来よりも短縮し得る水素昇圧システムに利用することができる。

１１：電解質膜
１２：カソード触媒層
１３：アノード触媒層
１４：カソードガス拡散層
１５：アノードガス拡散層
１６：カソードセパレーター
１７：アノードセパレーター
２１：絶縁体
２２Ａ：アノード給電板
２２Ｃ：カソード給電板
２３Ａ：アノード絶縁板
２３Ｃ：カソード絶縁板
２４Ａ：アノード端板
２４Ｃ：カソード端板
２５：締結器
２６：カソードガス導出経路
２７：アノードガス導入マニホールド
２８：カソードガス導出マニホールド
２９：アノードガス導入経路
３０：アノードガス導出マニホールド
３１：アノードガス導出経路
３２：カソードガス流路
３３：アノードガス流路
３４：カソードガス通過経路
３５：第１アノードガス通過経路
３６：第２アノードガス通過経路
４０：シール部材
４２：シール部材
４３：シール部材
６０：制御器
７０：改質器
７１：燃焼器
７２：燃料供給器
７２Ａ：原料供給器
７３Ａ：流量調整器
７３Ｂ：流量調整器
８０：水素純化器
９０：検知器
１００：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ：水素ポンプユニット
１０２：電圧印加器
２００：水素昇圧システム
ＡＮ：アノード
ＣＡ：カソード

Claims

原料を改質して水素含有ガスを生成する改質器と、
前記改質器を加熱する燃焼器と、
前記燃焼器へ燃料を供給する燃料供給器と、
アノードに供給された水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプと、
前記電気化学式水素ポンプの昇圧動作停止後も、前記燃料供給器を制御して、前記燃焼器による前記改質器の加熱を行う加熱制御を実行する制御器と、
を備える水素昇圧システム。
前記燃料供給器が、前記改質器に原料を供給する原料供給器であり、
前記加熱制御の実行中において、前記燃焼器には、前記原料供給器からの原料または前記改質器からの水素含有ガスが供給される請求項１に記載の水素昇圧システム。
前記加熱制御の実行中において、前記燃焼器に、前記改質器からの水素含有ガスが供給されているとき、前記改質器では、前記原料供給器で供給される原料の改質反応より水素含有ガスが生成されている請求項２に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記昇圧動作時と前記加熱制御時において、前記改質器の温度が同じになるよう、前記燃料供給器を制御する請求項１−３のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記加熱制御時において、前記改質器の温度が、前記昇圧動作時よりも低くなるよう、前記燃料供給器を制御する請求項１−３のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。
前記昇圧された水素を含むカソードガスの圧力を検知する検知器を備え、
前記制御器は、前記検知器で検知された圧力が第１の閾値以上であると、前記電気化学式水素ポンプの前記昇圧動作を停止させる請求項１−５のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記昇圧動作を再開後、前記燃料供給器を制御して、前記改質器の温度を前記昇圧動作停止前に戻す請求項５に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記検知器で検知された圧力が、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値以下になると、前記電気化学式水素ポンプの前記昇圧動作を再開する請求項６に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記水素昇圧システムに異常が発生すると、前記昇圧動作を停止させ、前記加熱制御を実行する、請求項１−８のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記異常発生による前記加熱制御の実行後、前記昇圧動作を再開させる請求項９に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記加熱制御時に、前記異常が解消すると、前記昇圧動作を再開させる請求項９に記載の水素昇圧システム。
前記制御器は、前記加熱制御時に、前記異常が解消しないと、前記加熱制御を停止させる請求項９に記載の水素昇圧システム。