JP2022023327A - 水素精製システムとその運転方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本開示は、電気化学デバイスのカソードに蓄積したアンモニアを水に溶解させて除去して、電気化学デバイスの水素純化効率が低下するのを抑制できる水素精製システムを提供する。【解決手段】本開示における水素精製システムは、アンモニアと水蒸気とが含まれる水素含有ガスがアノードに供給され、アノードとカソードとの間に電流が流れることにより、水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素が、カソードから排出されるように構成されている。所定条件を満たすと、水素精製モードから排出モードに移行する。排出モードは、ガス供給手段からカソードに水素含有ガスが供給されるように、ガス供給手段と供給経路切替手段を制御し、温度調整器によって、カソードに流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる。カソードに蓄積したアンモニアは、凝縮水に溶出して、カソード排出経路切替手段によって凝縮水排出経路から排出される。【選択図】図３

Description

本開示は、水素精製システムとその運転方法に関する。
特許文献１は、水素純度の低い水素含有ガスから水素純度の高い水素を精製する水素精製システムを開示する。
この水素精製システムは、アノードとカソードとの間に電解質膜を有する電気化学デバイスと、都市ガスなどの炭化水素系の燃料から改質反応により生成した水素含有ガスをアノードに供給する改質器と、アノードとカソードとの間に電流を流す電源と、を備える。
アノードに水素含有ガスが供給され、アノードとカソードとの間に電流が流れることにより、アノードは、水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させ、カソードは、水素イオンと電子とを結合させて水素に戻すので、電気化学デバイスにおいて、水素含有ガスに含まれる水素を精製することができる。
特開２０１５－１１７１３９号公報
本開示は、電気化学デバイスのカソードに蓄積したアンモニアを水に溶解させて除去して、電気化学デバイスの水素純化効率が低下するのを抑制できる水素精製システムとその運転方法を提供する。
本開示の一態様における水素精製システムは、電気化学デバイスと、ガス供給手段と、供給経路切替手段と、カソード排出経路切替手段と、電源と、温度調整器と、制御器と、を備え、電気化学デバイスによって水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モードで運転し、カソードに蓄積されたアンモニアを排出する場合は排出モードで運転する。
電気化学デバイスは、電解質膜、電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、アノードに水素含有ガスが供給され、アノードとカソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素が、カソードから排出されるように構成される。
ガス供給手段は、少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスを、供給する。電源は、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す。温度調整器は、電気化学デバイスの温度を調整する。
供給経路切替手段は、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がガス供給経路を介してガス供給手段の出口と連通し、一方の出口がアノード供給経路を介して電気化学デバイスのアノードの入口と連通し、他方の出口がカソード供給経路を介して電気化学デバイスのカソードの入口と連通する。
カソード排出経路切替手段は、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がカソード排出経路を介して電気化学デバイスのカソードの出口と連通し、一方の出口が水素排出経路の入口に接続され、他方の出口が凝縮水排出経路の入口に接続される。
制御器は、水素精製モードでは、供給経路切替手段の一方の出口を開状態に他方の出口を閉状態にし、さらにカソード排出経路切替手段の一方の出口を開状態に他方の出口を閉状態にして、ガス供給手段および電源を動作させる。
制御器は、排出モードでは、供給経路切替手段の一方の出口を閉状態に他方の出口を開状態にし、さらにカソード排出経路切替手段の一方の出口を閉状態に他方の出口を開状態にして、ガス供給手段を動作させ、電気化学デバイスのカソードに流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するように温度調整器を制御する。
また、本開示の別の態様における水素精製システムは、電気化学デバイスと、ガス供給手段と、アノード排出経路切替手段と、カソード排出経路切替手段と、電源と、アノード温度調整器と、カソード温度調整器と、制御器と、を備え、電気化学デバイスによって水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モードで運転し、カソードに蓄積されたアンモニアを排出する場合は排出モードで運転する。
電気化学デバイスは、電解質膜、電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、アノードに水素含有ガスが供給され、アノードとカソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素が、カソードから排出されるように構成される。
ガス供給手段は、少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスを、ガス供給経路を介して電気化学デバイスのアノードの入口に供給する。電源は、電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す。アノード温度調整器は、電気化学デバイスのアノードの温度を調整し、カソード温度調整器は、電気化学デバイスのカソードの温度を調整する。
アノード排出経路切替手段は、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がアノード排出経路を介して電気化学デバイスのアノードの出口と連通し、一方の出口が外部排出経路の入口に接続され、他方の出口がカソード供給経路を介して電気化学デバイスのカソードの入口と連通する。
カソード排出経路切替手段は、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がカソード排出経路を介して電気化学デバイスのカソードの出口と連通し、一方の出口が水素排出経路の入口に接続され、他方の出口が凝縮水排出経路の入口に接続される。
制御器は、水素精製モードでは、アノード排出経路切替手段の一方の出口を開状態に他方の出口を閉状態にし、さらにカソード排出経路切替手段の一方の出口を開状態に他方の出口を閉状態にして、ガス供給手段および電源を動作させる。
制御器は、排出モードでは、アノード排出経路切替手段の一方の出口を閉状態に他方の出口を開状態にし、さらにカソード排出経路切替手段の一方の出口を閉状態に他方の出口を開状態にして、ガス供給手段を動作させ、電気化学デバイスのアノードの出口からガス状の水素含有ガスが排出されて電気化学デバイスのカソードの入口に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気がカソードにおいて凝縮するように、アノード温度調整器およびカソード温度調整器を制御する。
本開示における水素精製システムは、カソードに蓄積されたアンモニアを排出する場合は排出モードで運転する。
排出モードで運転するときは、ガス供給手段から供給される水素含有ガスを電気化学デバイスのカソードの入口に供給し、温度調整器によって水素精製モードのときよりも電気化学デバイスのカソードの温度を下げて、カソードに流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気を凝縮させ、カソードに蓄積したアンモニアを凝縮水に溶解させる。
そして、カソードの出口から排出されるアンモニアが溶けた凝縮水は、カソード排出経路切替手段によって水素排出経路とは別に設けた凝縮水排出経路に排出する。
そのため、洗浄用の水や水蒸気を含むガスをカソードに供給する手段を追加することなく、簡単な構成でカソードに蓄積したアンモニアを除去し、電気化学デバイスの水素純化効率が低下するのを抑制することができる。
実施の形態１における水素精製システムの構成図 実施の形態１における水素精製システムの水素精製モードで運転しているときの状態を示す説明図 実施の形態１における水素精製システムの排出モードで運転しているときの状態を示す説明図 実施の形態１における水素精製システムの動作を示すフローチャート 実施の形態２における水素精製システムの構成図 実施の形態２における水素精製システムの水素精製モードで運転しているときの状態を示す説明図 実施の形態２における水素精製システムの排出モードで運転しているときの状態を示す説明図 実施の形態２における水素精製システムのアノード洗浄モードで運転しているときの状態を示す説明図 実施の形態２における水素精製システムの動作を示すフローチャート
（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、都市ガスなどの炭化水素系の燃料を、改質器によって水素純度の低い水素含有ガスに改質させ、この水素含有ガスから水素純度の高い高圧の水素を精製する技術があった。
この水素純度が高い高圧の水素を精製する技術は、アノードとカソードとの間に電解質膜を有する電気化学デバイスを用いて水素を精製するものであって、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードとの間に電流を流すことにより、アノード側に供給される水素含有ガスに含まれる水素をカソード側に移動させて、カソード側において、精製昇圧した水素を得るものであった。
しかしながら、窒素ガスを含む燃料を使用すると、改質器において窒素と水素とが反応し、副生成物としてアンモニアが生成され、アンモニアを含む水素含有ガスがアノードに供給される。
そうした状況において、発明者らは、アンモニアを含む水素含有ガスをアノードに供給
しながら、長時間に渡って、水素を精製すると、電気化学デバイスの抵抗が上昇し、水素純化効率が低下する現象に着目した。
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、精製する水素のエネルギーの割合である。
そして、発明者らは、アノードに供給されたアンモニアは、アノードに含まれる水に溶けて、水素イオンに随伴して、アノードから電解質膜を透過してカソードへと移動して、カソードに蓄積することによって、電気化学デバイスの抵抗が上昇して、水素精製に必要な電気エネルギーが増え、水素純化効率が低下するという課題があることを発見した。そして、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。
そこで、本開示は、カソードに蓄積したアンモニアを、水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮した凝縮水に溶解させて除去し、電気化学デバイスの水素純化効率が低下するのを抑制できる水素精製システムとその運転方法を提供する。
以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。
なお、添付図面および以下の説明は、当事者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。
（実施の形態１）
以下、図１から図４を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
図１は、実施の形態１における水素精製システム２００の概略構成を示している。
図１に示すように、水素精製システム２００は、電気化学デバイス１００と、ガス供給手段１２１と、ガス供給経路１２２と、供給経路切替手段１２３と、アノード供給経路１２４と、カソード供給経路１２５と、カソード排出経路切替手段１３１と、カソード排出経路１３２と、水素排出経路１３３と、凝縮水排出経路１３４と、電源１４１と、電圧計１４２と、温度調整器１４３と、制御器１５０と、を備える。
電気化学デバイス１００は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の主面に配置されるアノード１０２と、電解質膜１０１の他方の主面に配置されるカソード１０３とによって構成された電解質膜－電極接合体１０４を有する。
電気化学デバイス１００は、電解質膜－電極接合体１０４を、一対のアノード側セパレータ１０５とカソード側セパレータ１０６とによって挟持した構成となっていて、電解質膜１０１の両主面とアノード１０２の外側の面とカソード１０３の外側の面とが、鉛直方向（重力方向）に対して略平行になるように配置される。
本実施の形態の電解質膜－電極接合体１０４は、電解質膜１０１として、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、アノード１０２およびカソード１０３として、白金を担持したカーボン粒子を、カーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いている。
また、本実施の形態の電気化学デバイス１００のアノード側セパレータ１０５およびカソード側セパレータ１０６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１０５には、水素含有ガスをアノード１０２に供給するためのアノード入口１０７と、アノード１０２に供給された水素含有ガスのうちでアノード１０２において消費されなかったものをアノード１０２から排出するためのアノード出口１０８が、アノード側セパレータ１０５における外側の面から内側の面にわたって貫通するようにそれぞれ設けられる。
また、アノード側セパレータ１０５におけるアノード１０２と対向する面には、上流側端部でアノード入口１０７と連通し、下流側端部でアノード出口１０８と連通する溝状のアノード側ガス流路１０９が形成されている。
なお、アノード入口１０７はアノード側ガス流路１０９の上端部に位置し、アノード出口１０８はアノード側ガス流路１０９の下端部に位置する。
アノード側ガス流路１０９は、アノード入口１０７からアノード側ガス流路１０９に流入した水素含有ガスが、蛇行しながら重力に逆らわずにアノード出口１０８に向かって流れるように形成されている。
一方、カソード側セパレータ１０６には、水素含有ガスをカソード１０３に供給するためのカソード入口１１０と、カソード１０３からの排出物を排出するためのカソード出口１１１が、カソード側セパレータ１０６における外側の面から内側の面にわたって貫通するようにそれぞれ設けられる。
また、カソード側セパレータ１０６におけるカソード１０３と対向する面には、上流側端部でカソード入口１１０と連通し、下流側端部でカソード出口１１１と連通する溝状のカソード側ガス流路１１２が形成されている。
なお、カソード入口１１０はカソード側ガス流路１１２の上端部に位置し、カソード出口１１１はカソード側ガス流路１１２の下端部に位置する。
カソード側ガス流路１１２は、カソード入口１１０からカソード側ガス流路１１２に流入した水素含有ガスが、蛇行しながら重力に逆らわずにカソード出口１１１に向かって流れるように形成されている。
電気化学デバイス１００は、アノード入口１０７とアノード側ガス流路１０９を通ってアノード１０２に水素含有ガスが供給され、アノード１０２とカソード１０３との間に、アノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３へと向かう電流が流れることによって、アノード１０２に供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素を、カソード１０３からカソード側ガス流路１１２に排出し、カソード側ガス流路１１２に排出された水素がカソード出口１１１から排出されるように構成される。
ガス供給手段１２１は、水素の他に少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスを、電気化学デバイス１００に供給するものである。本実施の形態では、ガス供給手段１２１として、都市ガスなどの炭化水素系の燃料から水蒸気改質反応を利用して水素含有ガスを生成する燃料改質器を用いる。
都市ガスなどの炭化水素系の燃料には窒素が含まれており、さらに、水蒸気改質反応で
生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、ＣＯ選択酸化除去触媒を用いて二酸化炭素に変換するために空気を混合させると、水素含有ガスにおける窒素の含有比率が増加する。そして、水素含有ガスに含まれる水素と窒素が反応してアンモニアが生成される。
また、水蒸気改質反応では、炭化水素系の燃料と水蒸気を反応させるが、改質触媒上で炭素が析出したり、水素と二酸化炭素が反応して一酸化炭素と水が生成されたりするのを抑制するために、通常、燃料の供給量から算出された理論上の水の供給量に対し、１．５倍程度の水を燃料改質器に供給するので、燃料改質器から排出される水素含有ガスには水蒸気が含まれる。
供給経路切替手段１２３は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
供給経路切替手段１２３の入口は、ガス供給経路１２２を介してガス供給手段１２１の出口と連通する。
供給経路切替手段１２３の一方の出口は、アノード供給経路１２４を介して電気化学デバイス１００のアノード入口１０７（アノード１０２の入口）と連通する。
供給経路切替手段１２３の他方の出口は、カソード供給経路１２５を介して電気化学デバイス１００のカソード入口１１０（カソード１０３の入口）と連通する。
本実施の形態では、供給経路切替手段１２３として、制御器１５０によって二つの出口の開閉を制御可能な三方向電磁弁を用いた。
カソード排出経路切替手段１３１は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
カソード排出経路切替手段１３１の入口は、カソード排出経路１３２を介して電気化学デバイス１００のカソード出口１１１（カソード１０３の出口）と連通する。
カソード排出経路切替手段１３１の一方の出口は、水素排出経路１３３の入口に接続される。
カソード排出経路切替手段１３１の他方の出口は、凝縮水排出経路１３４の入口に接続される。
本実施の形態では、カソード排出経路切替手段１３１として、制御器１５０によって二つの出口の開閉を制御可能な三方向電磁弁を用いた。
カソード排出経路１３２とカソード排出経路切替手段１３１と凝縮水排出経路１３４とは、電気化学デバイス１００のカソード出口１１１から凝縮水排出経路１３４の出口に向かって上り勾配にならないように、できる限り電気化学デバイス１００のカソード出口１１１から凝縮水排出経路１３４の出口に向かって下り勾配になるように配置される。
また、カソード排出経路切替手段１３１は、カソード排出経路切替手段１３１における一方の出口（水素排出経路１３３の入口に接続される出口）が、カソード排出経路切替手段１３１における他方の出口（凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口）よりも鉛直方向の上方に位置するように、配置される。そして、水素排出経路１３３は、凝縮水排出経路１３４よりも鉛直方向の上方に位置するように配置される。
電源１４１は、アノード１０２の電位をカソード１０３の電位よりも高くして、アノード１０２とカソード１０３との間に、アノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３へと向かう方向の電流を流す。
本実施の形態では、電源１４１として、必要とされる流量の水素がカソード排出経路１３２（水素排出経路１３３）を通流するように、制御器１５０によって指示された電流量の電流を流す定電流型の直流電源を用いる。
電源１４１のプラス側出力端子は、アノード側セパレータ１０５を介してアノード１０２と電気的に接続され、電源１４１のマイナス側出力端子は、カソード側セパレータ１０６を介してカソード１０３と電気的に接続されている。
電圧計１４２は、電気化学デバイス１００のアノード１０２とカソード１０３との間の電圧を計測する。電圧計１４２の一方の端子は、アノード側セパレータ１０５を介してアノード１０２と電気的に接続され、電圧計１４２の他方の端子は、カソード側セパレータ１０６を介してカソード１０３と電気的に接続されている。
温度調整器１４３は、電気化学デバイス１００の温度を調整する。本実施の形態では、温度調整器１４３として、電気化学デバイス１００と熱伝達可能に設けられ、制御器１５０によって制御されて、電気化学デバイス１００を、加熱または冷却するペルチェ素子を用いる。
制御器１５０は、ガス供給手段１２１と、供給経路切替手段１２３と、カソード排出経路切替手段１３１と、電源１４１と、温度調整器１４３と、を制御することができる。制御器１５０は、電圧計１４２によって計測されたアノード１０２とカソード１０３との間の電圧を検出することができる。制御器１５０は、時間を管理するためのタイマー機能を有している。
水素精製システム２００は、通常は、電気化学デバイス１００によって水素含有ガスの水素を精製する水素精製モードで運転する。水素精製モードでの運転時間が長くなると、カソード１０３へのアンモニアの蓄積量が増えることによって、カソード１０３の反応面積が減って、水素純化効率が低下する。
そこで、所定条件を満たした場合に、水素精製モードでの運転を終了して、カソード１０３に蓄積されたアンモニアを排出するための排出モードでの運転を開始する。
水素精製システム２００は、電気化学デバイス１００によって水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モードで運転し、カソード１０３に蓄積されたアンモニアを排出する場合は排出モードで運転する。
制御器１５０は、水素精製モードでは、供給経路切替手段１２３の一方の出口（アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口）を開状態に他方の出口（カソード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口）を閉状態にし、さらにカソード排出経路切替手段１３１の一方の出口（水素排出経路１３３の入口に接続される出口）を開状態に他方の出口（凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口）を閉状態にして、ガス供給手段１２１および電源１４１を動作させるように構成されている。
制御器１５０は、排出モードでは、供給経路切替手段１２３の一方の出口（アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口）を閉状態に他方の出口（カソ
ード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口）を開状態にし、さらにカソード排出経路切替手段１３１の一方の出口（水素排出経路１３３の入口に接続される出口）を閉状態に他方の出口（凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口）を開状態にして、ガス供給手段１２１を動作させ、カソード入口１１０に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するように温度調整器１４３を制御するように構成されている。
［１－２．動作］
以上のように構成された水素精製システム２００において、図２から図４に基づいて、その動作、作用を以下に説明する。
図２は、実施の形態１における水素精製システム２００の水素精製モードで運転しているときの状態を示し、図３は、実施の形態１における水素精製システム２００の排出モードで運転しているときの状態を示す。図４は、実施の形態１における水素精製システム２００の動作を示すフローチャートである。
水素精製システム２００は、水素精製モードでの運転を、ある程度行った結果、カソード１０３に蓄積されたアンモニアによって、水素純化効率が低下するので、水素精製モードでの運転を行っている時に、カソード１０３へのアンモニアの蓄積量に関連する所定条件を満たした場合に、カソード１０３に蓄積されたアンモニアを排出するために、水素精製モードでの運転を終了して、排出モードでの運転を開始する。
そのため、水素精製システム２００の動作の説明は、先に水素精製モードでの運転を説明してから、排出モードでの運転を説明する。
まず、水素精製システム２００に対して、水素の精製を開始する（水素精製モードでの運転を開始する）指示が入ると、制御器１５０は、電気化学デバイス１００の温度が７０℃になるように温度調整器１４３を制御する（Ｓ００１）。本実施の形態の電気化学デバイス１００は、電気化学デバイス１００の温度が７０℃前後の場合に、他の温度の場合よりも、電気化学デバイス１００の水素純化効率が高くなるように構成されている。
次に、制御器１５０は、供給経路切替手段１２３において、アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口が開状態、カソード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口が閉状態になるように、供給経路切替手段１２３を制御する。
さらに、カソード排出経路切替手段１３１において、水素排出経路１３３の入口に接続される出口が開状態、凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口が閉状態になるように、カソード排出経路切替手段１３１を制御する（Ｓ００２）。
次に、制御器１５０は、ガス供給手段１２１を起動して、ガス供給手段１２１からアノード１０２への水素含有ガスの供給を開始する（Ｓ００３）。
このとき、ガス供給手段１２１から供給される水素含有ガスの流量は、所定流量（５Ｌ／ｍｉｎ）に設定されており、ガス供給手段１２１からアノード１０２に供給される水素含有ガスは、アンモニアと水蒸気とを含んでいる。
Ｓ００２を実施したことにより、供給経路切替手段１２３において、アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口が開状態、カソード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口が閉状態になっているので、ガス供給手段１２１からガス供給経路１２２に排出された水素含有ガスは、供給経路切替手段１２３によっ
てアノード供給経路１２４に流入する。
そして、アノード供給経路１２４に流入した水素含有ガスは、電気化学デバイス１００のアノード入口１０７に流入した後に、アノード側ガス流路１０９に流入する。この時点では、未だ、アノード１０２とカソード１０３との間に電流が流れていないので、アノード側ガス流路１０９に流入した水素含有ガスは、アノード出口１０８を通って、電気化学デバイス１００の外部に排出される。
アノード出口１０８から排出される水素含有ガスは、ガス供給手段１２１の改質触媒を水蒸気改質反応に適した温度に加熱する燃焼器（図示せず）に供給したり、ガス供給手段１２１に供給される炭化水素系の燃料に混合させたりして有効に活用することができる。
ガス供給手段１２１からアノード１０２への水素含有ガスの供給が安定したら、電源１４１のスイッチを入れて、アノード１０２とカソード１０３との間に、アノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３へと流れる電流を所定量（４０Ａ）流す（Ｓ００４）。この４０Ａの電流値は、電気化学デバイス１００のカソード１０３から、所定流量の精製された水素を得るのに必要な電流量である。
これにより、アノード１０２では、（化１）に示す、水素含有ガスに含まれる水素が水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）とに解離する酸化反応が起こり、水素イオン（Ｈ＋）は、電解質膜１０１を透過して、アノード１０２からカソード１０３に移動し、電子（ｅ－）は、電源１４１を介して、アノード１０２からカソード１０３に移動し、カソード１０３では、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）とが結びついて水素になる還元反応が起こる。
Figure 2022023327000002
Figure 2022023327000003
（化１）と（化２）に示す電気化学反応により、アノード１０２に供給された水素純度の低い水素含有ガスから、水素純度の高い水素が精製され、その精製水素は、カソード１０３から、カソード側ガス流路１１２に排出され、カソード側ガス流路１１２に排出された精製水素は、カソード出口１１１を通ってカソード排出経路１３２に排出される。
アノード側ガス流路１０９に流入した水素含有ガスのうちで、電気化学デバイス１００の電気化学反応によってアノード１０２からカソード１０３に移動しなかった残りのガス（水素純度が低下した水素含有ガス）は、アノード出口１０８を通って、電気化学デバイス１００の外部に排出される。
アノード出口１０８から排出される水素純度が低下した水素含有ガスは、ガス供給手段１２１の改質触媒を水蒸気改質反応に適した温度に加熱する燃焼器（図示せず）に供給したり、ガス供給手段１２１に供給される炭化水素系の燃料に混合させたりして有効に活用することができる。
Ｓ００２を実施したことにより、カソード排出経路切替手段１３１において、水素排出経路１３３の入口に接続される出口が開状態、凝縮水排出経路１３４の入口に接続される
出口が閉状態になっているので、カソード排出経路１３２に排出された精製水素は、カソード排出経路切替手段１３１によって、水素排出経路１３３に流入する。
水素排出経路１３３に流入した精製水素は、必要に応じて適切な処理をした後に、貯蔵されたり、水素利用機器で利用されたりする。
次に、制御器１５０は、水素精製システム２００に対して、水素の精製を終了する指示が入ったかを確認する（Ｓ００５）。
そして、Ｓ００５において、水素の精製を終了する指示が入っていれば、Ｓ００５をＹｅｓ側に分岐して、電源１４１のスイッチを切ってアノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３へと流れる電流を停止し（Ｓ０１８）、温度調整器１４３による温度調整とガス供給手段１２１による水素含有ガスの供給を停止し（Ｓ０１９）、水素精製システム２００の運転（水素精製モードでの運転）を終了する。
Ｓ００５において、水素の精製を終了する指示が入っていなければ、Ｓ００５をＮｏ側に分岐して、電圧計１４２によりアノード１０２とカソード１０３との間の電圧を測定し（Ｓ００６）、Ｓ００６で測定した電圧が所定電圧より高いかを確認する。
本実施の形態では、Ｓ００１を実施した時に電圧計１４２によって測定した電圧を初期値とし、初期値の３倍の電圧を所定電圧としている（Ｓ００７）。この所定電圧は、カソード１０３にアンモニアが蓄積されていない状態で水素精製モードでの運転を行っている時に電圧計１４２によって測定される電圧よりも高い電圧である。
ところで、電解質膜－電極接合体１０４は、電解質膜－電極接合体１０４が乾燥し過ぎると、性能が低下するので、電解質膜－電極接合体１０４の湿潤状態（含水量）を、電気化学デバイス１００の電気化学反応に適した状態にする必要があるが、アノード１０２に供給される水素含有ガスに含まれる水蒸気が、電解質膜－電極接合体１０４の湿潤状態（含水量）を、電気化学デバイス１００の電気化学反応に適した状態にするのに役立っている。
また、アノード１０２に供給された水素含有ガスに含まれるアンモニアは、アノード１０２に含まれる水に溶けて、水素イオンに随伴して、アノード１０２から電解質膜１０１を透過してカソード１０３へと移動して、カソード１０３に蓄積されていく。
カソード１０３に蓄積されるアンモニアの量が増えると、カソード１０３における反応面積が減少して、アノード１０２とカソード１０３との間の電気抵抗が高くなる。
アノード１０２とカソード１０３との間の電気抵抗が高くなっても、電源１４１は、所定量（４０Ａ）の電流をアノード１０２とカソード１０３との間に流し続けるので、アノード１０２とカソード１０３との間の電圧は、アノード１０２への水素含有ガスの累積供給量が増加するにつれて高くなる。
Ｓ００７において、電圧計１４２により測定したアノード１０２とカソード１０３との間の電圧が、初期値の３倍（所定電圧）を超えるまでは、Ｓ００７をＮｏ側に分岐して、現在の状態を所定時間（１分間）継続してから（Ｓ００８）、Ｓ００５に戻る。
やがて、Ｓ００７において、電圧計１４２により測定したアノード１０２とカソード１０３との間の電圧が、初期値の３倍（所定電圧）を超えると、Ｓ００７をＹｅｓ側に分岐して、温度調整器１４３による温度調整と、ガス供給手段１２１による水素含有ガスの供
給と、電源１４１の電流とを停止して水素精製モードでの運転を終了する（Ｓ００９）。
次に、制御器１５０は、排出モードでの運転を開始するために、電気化学デバイス１００の温度が３０℃になるように温度調整器１４３を制御する（Ｓ０１０）。
次に、制御器１５０は、供給経路切替手段１２３において、アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口が閉状態、カソード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口が開状態になるように、供給経路切替手段１２３を制御する。
さらに、カソード排出経路切替手段１３１において、水素排出経路１３３の入口に接続される出口が閉状態、凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口が開状態になるように、カソード排出経路切替手段１３１を制御する（Ｓ０１１）。
次に、制御器１５０は、ガス供給手段１２１を起動して、ガス供給手段１２１からアノード１０２への水素含有ガスの供給を開始する（Ｓ０１２）。このとき、ガス供給手段１２１から供給される水素含有ガスの流量は、所定流量（５Ｌ／ｍｉｎ）に設定されており、ガス供給手段１２１からアノード１０２に供給される水素含有ガスは、アンモニアと水蒸気とを含んでいる。
このとき、供給経路切替手段１２３は、Ｓ０１１を実施したことにより、アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口が閉状態、カソード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口が開状態になっているので、ガス供給手段１２１からガス供給経路１２２に排出された水素含有ガスは、供給経路切替手段１２３によってカソード供給経路１２５に流入する。
そして、カソード供給経路１２５に流入した水素含有ガスは、電気化学デバイス１００のカソード入口１１０に流入した後に、カソード側ガス流路１１２に流入するが、温度調整器１４３によって電気化学デバイス１００の温度が３０℃になっているので、水素含有ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水になる。
そして、カソード１０３に蓄積したアンモニアが、凝縮水に溶出して、アンモニアが溶けた凝縮水が、カソード出口１１１からカソード排出経路１３２に排出される。
このとき、カソード排出経路切替手段１３１は、Ｓ０１１を実施したことにより、水素排出経路１３３の入口に接続される出口が閉状態、凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口が開状態になっているので、カソード出口１１１からカソード排出経路１３２に排出された、アンモニアが溶けた凝縮水は、カソード排出経路切替手段１３１によって凝縮水排出経路１３４に流入し、凝縮水排出経路１３４の出口から排出されて、適切に処理される。
これによって、カソード１０３に蓄積したアンモニアを、凝縮水に溶出させて、凝縮水と一緒に、凝縮水排出経路１３４へ排出することができる。
次に、現在の状態（排出モードの動作）を所定時間（１分間）継続する（Ｓ０１３）。
次に、制御器１５０は、排出モードを開始（Ｓ０１０を実施）してからの経過時間を測定し（Ｓ０１４）、Ｓ０１４で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えたかを確認する（Ｓ０１５）。
そして、Ｓ０１４で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えていなければ、所定時間（６０分）を超えるまで、Ｓ０１５をＮｏ側に分岐して、Ｓ０１３に戻る。
やがて、Ｓ０１５において、Ｓ０１４で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えると、Ｓ０１５をＹｅｓ側に分岐する。
そして、制御器１５０は、水素精製システム２００に対して、水素の精製を再開する指示が入ったかを確認する（Ｓ０１６）。
そして、Ｓ０１６において、水素の精製を再開する指示が入っていれば、Ｓ０１６をＹｅｓ側に分岐して、制御器１５０は、温度調整器１４３による温度調整とガス供給手段１２１による水素含有ガスの供給を停止して（Ｓ０１７）、排出モードでの運転を終了し、水素精製モードでの運転を再開するために、Ｓ００１に戻る。
また、Ｓ０１６において、水素の精製を再開する指示が入っていなければ、Ｓ０１６をＮｏ側に分岐して、制御器１５０は、温度調整器１４３による温度調整とガス供給手段１２１による水素含有ガスの供給を停止して（Ｓ０１９）、水素精製システム２００の運転（排出モードでの運転）を終了する。
［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態の水素精製システム２００は、電解質膜－電極接合体１０４をアノード側セパレータ１０５とカソード側セパレータ１０６とによって挟持した電気化学デバイス１００と、ガス供給手段１２１と、供給経路切替手段１２３と、カソード排出経路切替手段１３１と、電源１４１と、温度調整器１４３と、制御器１５０と、を備える。
電解質膜－電極接合体１０４は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の主面に配置されるアノード１０２と、電解質膜１０１の他方の主面に配置されるカソード１０３により構成される。
アノード側セパレータ１０５は、水素含有ガスをアノード１０２に供給するためのアノード入口１０７と、アノード１０２に供給された水素含有ガスのうちでアノード１０２において消費されなかったものをアノード１０２から排出するためのアノード出口１０８とを有する。
アノード側セパレータ１０５におけるアノード１０２と対向する面には、上流側端部でアノード入口１０７と連通し、下流側端部でアノード出口１０８と連通する溝状のアノード側ガス流路１０９が形成されている。
カソード側セパレータ１０６は、水素含有ガスをカソード１０３に供給するためのカソード入口１１０と、カソード１０３からの排出物を排出するためのカソード出口１１１とを有する。
カソード側セパレータ１０６におけるカソード１０３と対向する面には、上流側端部でカソード入口１１０と連通し、下流側端部でカソード出口１１１と連通する溝状のカソード側ガス流路１１２が形成されている。
電気化学デバイス１００は、アノード１０２に水素含有ガスが供給され、アノード１０２とカソード１０３との間に所定方向の電流が流れることにより、アノード１０２に供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素をカソード１０３から排出されるように
構成される。
ガス供給手段１２１は、水素含有ガスを供給する。ガス供給手段１２１によって供給される水素含有ガスには、少なくともアンモニアと水蒸気とが含まれている。
電源１４１は、電気化学デバイス１００のアノード１０２とカソード１０３との間に電流を流す。温度調整器１４３は、電気化学デバイス１００の温度を調整する。
供給経路切替手段１２３は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
供給経路切替手段１２３の入口は、ガス供給経路１２２を介してガス供給手段１２１の出口と連通する。
供給経路切替手段１２３の一方の出口は、アノード供給経路１２４を介して電気化学デバイス１００のアノード入口１０７（アノード１０２の入口）と連通する。
供給経路切替手段１２３の他方の出口は、カソード供給経路１２５を介して電気化学デバイス１００のカソード入口１１０（カソード１０３の入口）と連通する。
カソード排出経路切替手段１３１は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
カソード排出経路切替手段１３１の入口は、カソード排出経路１３２を介して電気化学デバイス１００のカソード出口１１１（カソード１０３の出口）と連通する。
カソード排出経路切替手段１３１の一方の出口は、水素排出経路１３３の入口に接続される。
カソード排出経路切替手段１３１の他方の出口は、凝縮水排出経路１３４の入口に接続される。
水素精製システム２００は、通常は、電気化学デバイス１００によって水素含有ガスの水素を精製する水素精製モードで運転する。水素精製モードでの運転時間が長くなると、カソード１０３へのアンモニアの蓄積量が増えることによって、カソード１０３の反応面積が減って、水素純化効率が低下する。
そこで、所定条件を満たした場合に、水素精製モードでの運転を終了して、カソード１０３に蓄積されたアンモニアを排出するための排出モードでの運転を開始する。
制御器１５０は、水素精製モードでは、供給経路切替手段１２３の一方の出口（アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口）を開状態に他方の出口（カソード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口）を閉状態にし、さらにカソード排出経路切替手段１３１の一方の出口（水素排出経路１３３の入口に接続される出口）を開状態に他方の出口（凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口）を閉状態にして、ガス供給手段１２１および電源１４１を動作させるように構成されている。
制御器１５０は、排出モードでは、供給経路切替手段１２３の一方の出口（アノード供給経路１２４を介してアノード入口１０７と連通する出口）を閉状態に他方の出口（カソード供給経路１２５を介してカソード入口１１０と連通する出口）を開状態にし、さらに
カソード排出経路切替手段１３１の一方の出口（水素排出経路１３３の入口に接続される出口）を閉状態に他方の出口（凝縮水排出経路１３４の入口に接続される出口）を開状態にして、ガス供給手段１２１を動作させ、カソード入口１１０に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するように温度調整器１４３を制御するように構成されている。
これにより、水素精製モードでの運転を終了して排出モードでの運転を開始すると、水素精製モードでの運転時にアノード１０２に供給されていた水素含有ガスがカソード１０３に供給され、水素精製モードの時よりも電気化学デバイス１００の温度が低いために、カソード１０３に供給された水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するので、カソード１０３に蓄積したアンモニアを、凝縮水に溶出させて、凝縮水と一緒に、カソード１０３から排出することができる。
そのため、水蒸気を含むガスを供給するガス供給手段を新たに備えることなく、簡単な構成でカソード１０３に蓄積したアンモニアを除去し、電気化学デバイス１００の水素純化効率が低下するのを抑制することができる。
また、本実施の形態のように、水素精製システム２００が、電気化学デバイス１００のアノード１０２とカソード１０３との間の電圧を計測する電圧計１４２を、さらに備え、電源１４１は、水素精製モードでの運転中は、カソード１０３から所定流量の精製された水素を得るのに必要な所定量（４０Ａ）の電流を流して、制御器１５０が、水素精製モードでの運転中に、電圧計１４２で計測された電圧が所定電圧（初期値の３倍）以上になると、水素精製モードでの運転を終了して、排出モードでの運転を開始するように構成しても構わない。
そのように構成した場合は、カソード１０３に所定量以上のアンモニアが蓄積したことを自動で確認して、水素精製モードから排出モードへ移行することができる。そのため、電気化学デバイス１００の水素純化効率の低下を自動で抑制できる。
（実施の形態２）
以下、図５から図９を用いて、実施の形態２を説明する。
［２－１．構成］
図５は、実施の形態２における水素精製システム４００の概略構成を示している。
図５に示すように、水素精製システム４００は、電気化学デバイス３００と、ガス供給手段３２１と、ガス供給経路３２２と、アノード排出経路３２６と、アノード排出経路切替手段３２７と、外部排出経路３２８と、カソード供給経路３２９と、カソード排出経路切替手段３３１と、カソード排出経路３３２と、水素排出経路３３３と、凝縮水排出経路３３４と、電源３４１と、アノード温度調整器３４３と、カソード温度調整器３４４と、制御器３５０と、を備える。
電気化学デバイス３００は、電解質膜３０１と、電解質膜３０１の一方の主面に配置されるアノード３０２と、電解質膜３０１の他方の主面に配置されるカソード３０３とによって構成された電解質膜－電極接合体３０４を有する。
電気化学デバイス３００は、電解質膜－電極接合体３０４を、一対のアノード側セパレータ３０５とカソード側セパレータ３０６とによって挟持した構成となっていて、電解質膜３０１の両主面とアノード３０２の外側の面とカソード３０３の外側の面とが、鉛直方向（重力方向）に対して略平行になるように配置される。
本実施の形態の電解質膜－電極接合体３０４は、電解質膜３０１として、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、アノード３０２およびカソード３０３として、白金を担持したカーボン粒子を、カーボン製フェルト上に塗布形成したものを用いている。
また、本実施の形態の電気化学デバイス３００のアノード側セパレータ３０５およびカソード側セパレータ３０６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３０５には、水素含有ガスをアノード３０２に供給するためのアノード入口３０７と、アノード３０２に供給された水素含有ガスのうちでアノード３０２において消費されなかったものをアノード３０２から排出するためのアノード出口３０８が、アノード側セパレータ３０５における外側の面から内側の面にわたって貫通するようにそれぞれ設けられる。
また、アノード側セパレータ３０５におけるアノード３０２と対向する面には、上流側端部でアノード入口３０７と連通し、下流側端部でアノード出口３０８と連通する溝状のアノード側ガス流路３０９が形成されている。
なお、アノード入口３０７はアノード側ガス流路３０９の上端部に位置し、アノード出口３０８はアノード側ガス流路３０９の下端部に位置する。
アノード側ガス流路３０９は、アノード入口３０７からアノード側ガス流路３０９に流入した水素含有ガスが、蛇行しながら重力に逆らわずにアノード出口３０８に向かって流れるように形成されている。
一方、カソード側セパレータ３０６には、水素含有ガスをカソード３０３に供給するためのカソード入口３１０と、カソード３０３からの排出物を排出するためのカソード出口３１１が、カソード側セパレータ３０６における外側の面から内側の面にわたって貫通するようにそれぞれ設けられる。
また、カソード側セパレータ３０６におけるカソード３０３と対向する面には、上流側端部でカソード入口３１０と連通し、下流側端部でカソード出口３１１と連通する溝状のカソード側ガス流路３１２が形成されている。
なお、カソード入口３１０はカソード側ガス流路３１２の上端部に位置し、カソード出口３１１はカソード側ガス流路３１２の下端部に位置する。
カソード側ガス流路３１２は、カソード入口３１０からカソード側ガス流路３１２に流入した水素含有ガスが、蛇行しながら重力に逆らわずにカソード出口３１１に向かって流れるように形成されている。
電気化学デバイス３００は、アノード入口３０７とアノード側ガス流路３０９を通ってアノード３０２に水素含有ガスが供給され、アノード３０２とカソード３０３との間に、アノード３０２から電解質膜３０１を通ってカソード３０３へと向かう電流が流れることによって、アノード３０２に供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素を、カソード３０３からカソード側ガス流路３１２に排出し、カソード側ガス流路３１２に排出された水素がカソード出口３１１から排出されるように構成される。
ガス供給手段３２１は、水素の他に少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガ
スを、電気化学デバイス３００に供給するものである。本実施の形態では、ガス供給手段３２１として、都市ガスなどの炭化水素系の燃料から水蒸気改質反応を利用して水素含有ガスを生成する燃料改質器を用いる。
都市ガスなどの炭化水素系の燃料には窒素が含まれており、さらに、水蒸気改質反応で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、ＣＯ選択酸化除去触媒を用いて二酸化炭素に変換するために空気を混合させると、水素含有ガスにおける窒素の含有比率が増加する。そして、水素含有ガスに含まれる水素と窒素が反応してアンモニアが生成される。
また、水蒸気改質反応では、炭化水素系の燃料と水蒸気を反応させるが、改質触媒上で炭素が析出したり、水素と二酸化炭素が反応して一酸化炭素と水が生成されたりするのを抑制するために、通常、燃料の供給量から算出された理論上の水の供給量に対し、１．５倍程度の水を燃料改質器に供給するので、燃料改質器から排出される水素含有ガスには水蒸気が含まれる。
アノード排出経路切替手段３２７は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
アノード排出経路切替手段３２７の入口は、アノード排出経路３２６を介して電気化学デバイス３００のアノード出口３０８（アノード３０２の出口）と連通する。
アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口は、外部排出経路３２８の入口に接続される。
アノード排出経路切替手段３２７の他方の出口は、カソード供給経路３２９を介して電気化学デバイス３００のカソード入口３１０（カソード３０３の入口）と連通する。
本実施の形態では、アノード排出経路切替手段３２７として、制御器３５０によって二つの出口の開閉を制御可能な三方向電磁弁を用いた。
カソード排出経路切替手段３３１は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
カソード排出経路切替手段３３１の入口は、カソード排出経路３３２を介して電気化学デバイス３００のカソード出口３１１（カソード３０３の出口）と連通する。
カソード排出経路切替手段３３１の一方の出口は、水素排出経路３３３の入口に接続される。
カソード排出経路切替手段３３１の他方の出口は、凝縮水排出経路３３４の入口に接続される。
本実施の形態では、カソード排出経路切替手段３３１として、制御器３５０によって二つの出口の開閉を制御可能な三方向電磁弁を用いた。
カソード排出経路３３２とカソード排出経路切替手段３３１と凝縮水排出経路３３４とは、電気化学デバイス３００のカソード出口３１１から凝縮水排出経路３３４の出口に向かって上り勾配にならないように、できる限り電気化学デバイス３００のカソード出口３１１から凝縮水排出経路３３４の出口に向かって下り勾配になるように配置される。
また、カソード排出経路切替手段３３１は、カソード排出経路切替手段３３１における一方の出口（水素排出経路３３３の入口に接続される出口）が、カソード排出経路切替手段３３１における他方の出口（凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口）よりも鉛直方向の上方に位置するように、配置される。そして、水素排出経路３３３は、凝縮水排出経路３３４よりも鉛直方向の上方に位置するように配置される。
また、アノード排出経路３２６とアノード排出経路切替手段３２７と外部排出経路３２８とは、電気化学デバイス３００のアノード出口３０８から外部排出経路３２８の出口に向かって上り勾配にならないように、できる限り電気化学デバイス３００のアノード出口３０８から外部排出経路３２８の出口に向かって下り勾配になるように配置される。
アノード排出経路切替手段３２７は、電気化学デバイス３００のアノード出口３０８よりも鉛直方向の下方に位置するように、配置される。また、アノード排出経路切替手段３２７は、電気化学デバイス３００のカソード入口３１０よりも鉛直方向の下方に位置するように、配置される。
また、アノード排出経路切替手段３２７は、アノード排出経路切替手段３２７における一方の出口（外部排出経路３２８の入口に接続される出口）が、アノード排出経路切替手段３２７における他方の出口（カソード供給経路３２９の入口に接続される出口）よりも鉛直方向の下方に位置するように、配置される。そして、カソード供給経路３２９は、外部排出経路３２８よりも鉛直方向の上方に位置するように配置される。
電源３４１は、アノード３０２の電位をカソード３０３の電位よりも高くして、アノード３０２とカソード３０３との間に、アノード３０２から電解質膜３０１を通ってカソード３０３へと向かう方向の電流を流す。
本実施の形態では、電源３４１として、必要とされる流量の水素がカソード排出経路３３２（水素排出経路３３３）を通流するように、制御器３５０によって指示された電流量の電流を流す定電流型の直流電源を用いる。
電源３４１のプラス側出力端子は、アノード側セパレータ３０５を介してアノード３０２と電気的に接続され、電源３４１のマイナス側出力端子は、カソード側セパレータ３０６を介してカソード３０３と電気的に接続されている。
アノード温度調整器３４３は、電気化学デバイス３００のアノード３０２の温度を調整する。本実施の形態では、アノード温度調整器３４３として、アノード側セパレータ３０５と熱伝達可能に設けられ、制御器３５０によって制御されて、アノード側セパレータ３０５を介してアノード３０２を、加熱または冷却するペルチェ素子を用いる。
カソード温度調整器３４４は、電気化学デバイス３００のカソード３０３の温度を調整する。本実施の形態では、カソード温度調整器３４４として、カソード側セパレータ３０６と熱伝達可能に設けられ、制御器３５０によって制御されて、カソード側セパレータ３０６を介してカソード３０３を、加熱または冷却するペルチェ素子を用いる。
制御器３５０は、ガス供給手段３２１と、アノード排出経路切替手段３２７と、カソード排出経路切替手段３３１と、電源３４１と、アノード温度調整器３４３と、カソード温度調整器３４４と、を制御することができる。制御器３５０は、時間を管理するためのタイマー機能を有している。
水素精製システム４００は、通常は、電気化学デバイス３００によって水素含有ガスの
水素を精製する水素精製モードで運転する。水素精製モードでの運転時間が長くなると、カソード３０３へのアンモニアの蓄積量が増えることによって、カソード３０３の反応面積が減って、水素純化効率が低下する。
そこで、所定条件を満たした場合に、水素精製モードでの運転を終了して、カソード３０３に蓄積されたアンモニアを排出するための排出モードでの運転を開始する。
水素精製システム４００は、電気化学デバイス３００によって水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モードで運転し、カソード３０３に蓄積されたアンモニアを排出する場合は排出モードで運転する。また、アノード３０２に蓄積されたアンモニアを排出する場合は排出モードでの運転の直後にアノード洗浄モードで運転する。
制御器３５０は、水素精製モードでは、アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口（外部排出経路３２８の入口に接続される出口）を開状態に他方の出口（カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口）を閉状態にし、さらにカソード排出経路切替手段３３１の一方の出口（水素排出経路３３３の入口に接続される出口）を開状態に他方の出口（凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口）を閉状態にして、ガス供給手段３２１および電源３４１を動作させるように構成されている。
制御器３５０は、排出モードでは、アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口（外部排出経路３２８の入口に接続される出口）を閉状態に他方の出口（カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口）を開状態にし、さらにカソード排出経路切替手段３３１の一方の出口（水素排出経路３３３の入口に接続される出口）を閉状態に他方の出口（凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口）を開状態にして、ガス供給手段３２１を動作させ、電気化学デバイス３００のアノード出口３０８からガス状の水素含有ガスが排出されて、電気化学デバイス３００のカソード入口３１０に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が、カソード３０３において凝縮するように、アノード温度調整器３４３およびカソード温度調整器３４４を制御するように構成されている。
制御器３５０は、アノード洗浄モードでは、カソード排出経路切替手段３３１の一方の出口（水素排出経路３３３の入口に接続される出口）の閉状態と他方の出口（凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口）の開状態を排出モードから維持（継続）して、アノード排出経路切替手段３２７については、水素精製モードの時と同様に、アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口（外部排出経路３２８の入口に接続される出口）を開状態に他方の出口（カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口）を閉状態にして、ガス供給手段３２１を動作させ、電気化学デバイス３００のアノード入口３０７に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が、アノード３０２において凝縮するように、アノード温度調整器３４３およびカソード温度調整器３４４を制御するように構成されている。
［２－２．動作］
以上のように構成された水素精製システム４００において、図６から図９に基づいて、その動作、作用を以下に説明する。
図６は、実施の形態２における水素精製システム４００の水素精製モードで運転しているときの状態を示し、図７は、実施の形態２における水素精製システム４００の排出モードで運転しているときの状態を示し、図８は、実施の形態２における水素精製システム４００のアノード洗浄モードで運転しているときの状態を示す。図９は、実施の形態２における水素精製システム４００の動作を示すフローチャートである。
水素精製システム４００は、水素精製モードでの運転を、ある程度行った結果、カソード３０３に蓄積されたアンモニアによって、水素純化効率が低下するので、水素精製モードでの運転を行っている時に、カソード３０３へのアンモニアの蓄積量に関連する所定条件を満たした場合に、カソード３０３に蓄積されたアンモニアを排出するために、水素精製モードでの運転を終了して、排出モードでの運転を開始する。
また、本実施の形態の排出モードでの運転は、アノード側ガス流路３０９を通過してアノード出口３０８から排出された水素含有ガスを、カソード入口３１０からカソード側ガス流路３１２に流すが、排出モードでの運転中は、アノード３０２とカソード３０３との間に電流を流さないので、水素含有ガスに含まれるアンモニアが、排出モードでの運転中にアノード３０２に蓄積される可能性がある。
そして、アンモニアがアノード３０２に蓄積された状態で、水素精製モードでの運転を再開すると、アノード３０２に蓄積されたアンモニアが、アノード３０２に含まれる水に溶けて、水素イオンに随伴して、アノード３０２から電解質膜３０１を透過してカソード３０３へと移動して、カソード３０３に蓄積される可能性がある。
そこで、本実施の形態では、水素精製モードでの運転を再開する前に、アノード３０２に蓄積されたアンモニアを排出するために、排出モードでの運転を終了した後で、アノード洗浄モードでの運転を開始する。
そのため、水素精製システム４００の動作の説明は、先に水素精製モードでの運転を説明してから、排出モードでの運転を説明し、最後にアノード洗浄モードでの運転を説明する。
まず、水素精製システム４００に対して、水素の精製を開始する（水素精製モードでの運転を開始する）指示が入ると、制御器３５０は、電気化学デバイス３００のアノード３０２とカソード３０３の温度が、それぞれ７０℃になるようにアノード温度調整器３４３とカソード温度調整器３４４を制御する（Ｓ１０１）。
本実施の形態の電気化学デバイス３００は、電気化学デバイス３００の温度が７０℃前後の場合に、他の温度の場合よりも、電気化学デバイス３００の水素純化効率が高くなるように構成されている。
次に、制御器３５０は、アノード排出経路切替手段３２７において、外部排出経路３２８の入口に接続される出口が開状態、カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口が閉状態になるように、アノード排出経路切替手段３２７を制御する。
さらに、カソード排出経路切替手段３３１において、水素排出経路３３３の入口に接続される出口が開状態、凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口が閉状態になるように、カソード排出経路切替手段３３１を制御する（Ｓ１０２）。
次に、制御器３５０は、ガス供給手段３２１を起動して、ガス供給手段３２１からアノード３０２への水素含有ガスの供給を開始する（Ｓ１０３）。
このとき、ガス供給手段３２１から供給される水素含有ガスの流量は、所定流量（５Ｌ／ｍｉｎ）に設定されており、ガス供給手段３２１からアノード３０２に供給される水素含有ガスは、アンモニアと水蒸気とを含んでいる。
ガス供給手段３２１からガス供給経路３２２に排出された水素含有ガスは、電気化学デ
バイス３００のアノード入口３０７に流入した後に、アノード側ガス流路３０９に流入する。この時点では、未だ、アノード３０２とカソード３０３との間に電流が流れていないので、アノード側ガス流路３０９に流入した水素含有ガスは、そのまま、アノード出口３０８からアノード排出経路３２６に排出される。
Ｓ１０２を実施したことにより、アノード排出経路切替手段３２７において、外部排出経路３２８の入口に接続される出口が開状態、カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口が閉状態になっているので、アノード排出経路３２６に排出された水素含有ガスは、アノード排出経路切替手段３２７によって外部排出経路３２８に排出される。
外部排出経路３２８に排出される水素含有ガスは、ガス供給手段３２１の改質触媒を水蒸気改質反応に適した温度に加熱する燃焼器（図示せず）に供給したり、ガス供給手段３２１に供給される炭化水素系の燃料に混合させたりして有効に活用することができる。
ガス供給手段３２１からアノード３０２への水素含有ガスの供給が安定したら、電源３４１のスイッチを入れて、アノード３０２とカソード３０３との間に、アノード３０２から電解質膜３０１を通ってカソード３０３へと流れる電流を所定量（４０Ａ）流す（Ｓ１０４）。この４０Ａの電流値は、電気化学デバイス３００のカソード３０３から、所定流量の精製された水素を得るのに必要な電流量である。
これにより、アノード３０２では、（化１）に示す、水素含有ガスに含まれる水素が水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）とに解離する酸化反応が起こり、水素イオン（Ｈ＋）は、電解質膜３０１を透過して、アノード３０２からカソード３０３に移動し、電子（ｅ－）は、電源３４１を介して、アノード３０２からカソード３０３に移動し、カソード３０３では、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）とが結びついて水素になる還元反応が起こる。
（化１）と（化２）に示す電気化学反応により、アノード３０２に供給された水素純度の低い水素含有ガスから、水素純度の高い水素が精製され、その精製水素は、カソード３０３から、カソード側ガス流路３１２に排出され、カソード側ガス流路３１２に排出された精製水素は、カソード出口３１１を通ってカソード排出経路３３２に排出される。
アノード側ガス流路３０９に流入した水素含有ガスのうちで、電気化学デバイス３００の電気化学反応によってアノード３０２からカソード３０３に移動しなかった残りのガス（水素純度が低下した水素含有ガス）は、アノード出口３０８からアノード排出経路３２６に排出される。アノード排出経路３２６に排出された水素含有ガスは、アノード排出経路切替手段３２７によって外部排出経路３２８に排出される。
外部排出経路３２８に排出される水素純度が低下した水素含有ガスは、ガス供給手段３２１の改質触媒を水蒸気改質反応に適した温度に加熱する燃焼器（図示せず）に供給したり、ガス供給手段３２１に供給される炭化水素系の燃料に混合させたりして有効に活用することができる。
Ｓ１０２を実施したことにより、カソード排出経路切替手段３３１において、水素排出経路３３３の入口に接続される出口が開状態、凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口が閉状態になっているので、カソード排出経路３３２に排出された精製水素は、カソード排出経路切替手段３３１によって、水素排出経路３３３に流入する。
水素排出経路３３３に流入した精製水素は、必要に応じて適切な処理をした後に、貯蔵
されたり、水素利用機器で利用されたりする。
次に、制御器３５０は、水素精製システム４００に対して、水素の精製を終了する指示が入ったかを確認する（Ｓ１０５）。
そして、Ｓ１０５において、水素の精製を終了する指示が入っていれば、Ｓ１０５をＹｅｓ側に分岐して、電源３４１のスイッチを切ってアノード３０２から電解質膜３０１を通ってカソード３０３へと流れる電流を停止し（Ｓ１２５）、アノード温度調整器３４３による温度調整とカソード温度調整器３４４による温度調整とガス供給手段３２１による水素含有ガスの供給を、それぞれ停止して（Ｓ１２６）、水素精製システム４００の運転（水素精製モードでの運転）を終了する。
Ｓ１０５において、水素の精製を終了する指示が入っていなければ、Ｓ１０５をＮｏ側に分岐して、制御器３５０は、水素精製モードを開始（Ｓ１０１を実施）してからの経過時間を測定する（Ｓ１０６）。
次に、制御器３５０は、Ｓ１０６で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えたかを確認する（Ｓ１０７）。本実施の形態では、水素精製モードを開始（Ｓ１０１を実施）してから、アノード３０２とカソード３０３との間の電圧が所定電圧（初期値の３倍）になるまでの経過時間が６０分であることが試験で確認できたことから、所定時間を６０分に設定している。
ところで、電解質膜－電極接合体３０４は、電解質膜－電極接合体３０４が乾燥し過ぎると、性能が低下するので、電解質膜－電極接合体３０４の湿潤状態（含水量）を、電気化学デバイス３００の電気化学反応に適した状態にする必要があるが、アノード３０２に供給される水素含有ガスに含まれる水蒸気が、電解質膜－電極接合体３０４の湿潤状態（含水量）を、電気化学デバイス３００の電気化学反応に適した状態にするのに役立っている。
また、アノード３０２に供給された水素含有ガスに含まれるアンモニアは、アノード３０２に含まれる水に溶けて、水素イオンに随伴して、アノード３０２から電解質膜３０１を透過してカソード３０３へと移動して、カソード３０３に蓄積されていく。
Ｓ１０７において、Ｓ１０６で測定した経過時間が、所定時間（６０分）を超えるまでは、Ｓ１０７をＮｏ側に分岐して、現在の状態を所定時間（１分間）継続してから（Ｓ１０８）、Ｓ１０５に戻る。
やがて、Ｓ１０７において、Ｓ１０６で測定した経過時間が、所定時間（６０分）を超えると、Ｓ１０７をＹｅｓ側に分岐して、アノード温度調整器３４３による温度調整と、カソード温度調整器３４４による温度調整と、ガス供給手段３２１による水素含有ガスの供給と、電源１４１の電流と、を停止して、水素精製モードでの運転を終了する（Ｓ１０９）。
次に、制御器３５０は、排出モードでの運転を開始するために、アノード３０２の温度が７０℃になるようにアノード温度調整器３４３を制御し、カソード３０３の温度が３０℃になるようにカソード温度調整器３４４を制御する（Ｓ１１０）。
次に、制御器３５０は、アノード排出経路切替手段３２７において、外部排出経路３２８の入口に接続される出口が閉状態、カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口が開状態になるように、アノード排出経路切替手段３２７を制御する。
さらに、カソード排出経路切替手段３３１において、水素排出経路３３３の入口に接続される出口が閉状態、凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口が開状態になるように、カソード排出経路切替手段３３１を制御する（Ｓ１１１）。
次に、制御器３５０は、ガス供給手段３２１を起動して、ガス供給手段３２１からアノード３０２への水素含有ガスの供給を開始する（Ｓ１１２）。
このとき、ガス供給手段３２１からガス供給経路３２２を介してアノード入口３０７へ供給される水素含有ガスの流量は、所定流量（５Ｌ／ｍｉｎ）に設定されており、ガス供給手段３２１からアノード３０２（アノード入口３０７）に供給される水素含有ガスは、アンモニアと水蒸気とを含んでいる。
ガス供給手段３２１からガス供給経路３２２に排出された水素含有ガスは、電気化学デバイス３００のアノード入口３０７に流入した後に、アノード側ガス流路３０９に流入する。
排出モードでは、電源３４１によってアノード３０２とカソード３０３との間に電流を流さず、アノード温度調整器３４３によってアノード３０２の温度が７０℃になっているので、アノード側ガス流路３０９に流入した水素含有ガスは、そのまま、アノード出口３０８からアノード排出経路３２６に排出される。
Ｓ１１１を実施したことにより、アノード排出経路切替手段３２７において、外部排出経路３２８の入口に接続される出口が閉状態、カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口が開状態になっているので、アノード排出経路３２６に排出された水素含有ガスは、アノード排出経路切替手段３２７によってカソード供給経路３２９に流入する。
そして、カソード供給経路３２９に流入した水素含有ガスは、電気化学デバイス３００のカソード入口３１０に流入した後に、カソード側ガス流路３１２に流入するが、カソード温度調整器３４４によってカソード３０３の温度が３０℃になっているので、水素含有ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水になる。
そして、カソード３０３に蓄積したアンモニアが、凝縮水に溶出して、アンモニアが溶けた凝縮水が、カソード出口３１１からカソード排出経路３３２に排出される。
このとき、カソード排出経路切替手段３３１は、Ｓ１１１を実施したことにより、水素排出経路３３３の入口に接続される出口が閉状態、凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口が開状態になっているので、カソード出口３１１からカソード排出経路３３２に排出された、アンモニアが溶けた凝縮水は、カソード排出経路切替手段３３１によって凝縮水排出経路３３４に流入し、凝縮水排出経路３３４の出口から排出されて、適切に処理される。
これによって、カソード３０３に蓄積したアンモニアを、凝縮水に溶出させて、凝縮水と一緒に、凝縮水排出経路３３４へ排出することができる。
次に、現在の状態（排出モードの動作）を所定時間（１分間）継続する（Ｓ１１３）。
次に、制御器３５０は、排出モードを開始（Ｓ１１０を実施）してからの経過時間を測定し（Ｓ１１４）、Ｓ１１４で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えたかを確認
する（Ｓ１１５）。
そして、Ｓ１１４で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えていなければ、所定時間（６０分）を超えるまで、Ｓ１１５をＮｏ側に分岐して、Ｓ１１３に戻る。
やがて、Ｓ１１５において、Ｓ１１４で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えると、Ｓ１１５をＹｅｓ側に分岐して、アノード温度調整器３４３による温度調整と、カソード温度調整器３４４による温度調整と、ガス供給手段３２１による水素含有ガスの供給と、を停止して、排出モードでの運転を終了する（Ｓ１１６）。
次に、制御器３５０は、アノード洗浄モードでの運転を開始するために、アノード３０２の温度が３０℃になるようにアノード温度調整器３４３を制御し、カソード３０３の温度が７０℃になるようにカソード温度調整器３４４を制御する（Ｓ１１７）。
次に、制御器３５０は、アノード排出経路切替手段３２７において、外部排出経路３２８の入口に接続される出口が開状態、カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口が閉状態になるように、アノード排出経路切替手段３２７を制御する（Ｓ１１８）。
次に、制御器３５０は、ガス供給手段３２１を起動して、ガス供給手段３２１からアノード３０２への水素含有ガスの供給を開始する（Ｓ１１９）。
このとき、ガス供給手段３２１からガス供給経路３２２を介してアノード入口３０７へ供給される水素含有ガスの流量は、所定流量（５Ｌ／ｍｉｎ）に設定されており、ガス供給手段３２１からアノード３０２（アノード入口３０７）に供給される水素含有ガスは、アンモニアと水蒸気とを含んでいる。
ガス供給手段３２１からガス供給経路３２２に排出された水素含有ガスは、電気化学デバイス３００のアノード入口３０７に流入した後に、アノード側ガス流路３０９に流入する。
アノード洗浄モードでは、電源３４１によってアノード３０２とカソード３０３との間に電流を流さず、アノード温度調整器３４３によってアノード３０２の温度が３０℃になっているので、アノード側ガス流路３０９に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が、冷却されて凝縮水になる。
そして、アノード３０２に蓄積したアンモニアが、凝縮水に溶出して、アンモニアが溶けた凝縮水が、アノード出口３０８からアノード排出経路３２６に排出される。
Ｓ１１８を実施したことにより、アノード排出経路切替手段３２７において、外部排出経路３２８の入口に接続される出口が開状態、カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口が閉状態になっているので、アノード排出経路３２６に排出された、アンモニアが溶けた凝縮水は、アノード排出経路切替手段３２７によって外部排出経路３２８に排出されて、適切に処理される。
これによって、アノード３０２に蓄積したアンモニアを、凝縮水に溶出させて、凝縮水と一緒に、外部排出経路３２８へ排出することができる。
また、アノード洗浄モードでは、カソード温度調整器３４４によってカソード３０３の温度が、排出モードの時の３０℃から７０℃に上昇するので、カソード側ガス流路３１２
に残留する凝縮水は気化し、カソード側ガス流路３１２に残留する水素含有ガスが熱膨張する。
また、アノード洗浄モードでは、カソード側ガス流路３１２は、カソード出口３１１、カソード排出経路３３２、カソード排出経路切替手段３３１を介して、凝縮水排出経路３３４と連通しているので、カソード側ガス流路３１２に残留する水素含有ガスの圧力が、略大気圧にまで低下するように、カソード側ガス流路３１２に残留する水素含有ガスの一部は、凝縮水排出経路３３４から排出される。
次に、現在の状態（アノード洗浄モードの動作）を所定時間（１分間）継続する（Ｓ１２０）。
次に、制御器３５０は、アノード洗浄モードを開始（Ｓ１１７を実施）してからの経過時間を測定し（Ｓ１２１）、Ｓ１２１で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えたかを確認する（Ｓ１２２）。
そして、Ｓ１２１で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えていなければ、所定時間（６０分）を超えるまで、Ｓ１２２をＮｏ側に分岐して、Ｓ１２０に戻る。
やがて、Ｓ１２２において、Ｓ１２１で測定した経過時間が所定時間（６０分）を超えると、Ｓ１２２をＹｅｓ側に分岐する。
そして、制御器３５０は、水素精製システム４００に対して、水素の精製を再開する指示が入ったかを確認する（Ｓ１２３）。
そして、Ｓ１２３において、水素の精製を再開する指示が入っていれば、Ｓ１２３をＹｅｓ側に分岐して、制御器３５０は、アノード温度調整器３４３による温度調整と、カソード温度調整器３４４による温度調整と、ガス供給手段３２１による水素含有ガスの供給と、を停止して（Ｓ１２４）、アノード洗浄モードでの運転を終了し、水素精製モードでの運転を再開するために、Ｓ１０１に戻る。
また、Ｓ１２３において、水素の精製を再開する指示が入っていなければ、Ｓ１２３をＮｏ側に分岐して、制御器３５０は、アノード温度調整器３４３による温度調整と、カソード温度調整器３４４による温度調整と、ガス供給手段３２１による水素含有ガスの供給と、を停止して（Ｓ１２６）、水素精製システム４００の運転（アノード洗浄モードでの運転）を終了する。
［２－３．効果等］
以上のように、本実施の形態の水素精製システム４００は、電解質膜－電極接合体３０４をアノード側セパレータ３０５とカソード側セパレータ３０６とによって挟持した電気化学デバイス３００と、ガス供給手段３２１と、アノード排出経路切替手段３２７と、カソード排出経路切替手段３３１と、電源３４１と、アノード温度調整器３４３と、カソード温度調整器３４４と、制御器３５０と、を備える。
電解質膜－電極接合体３０４は、電解質膜３０１と、電解質膜３０１の一方の主面に配置されるアノード３０２と、電解質膜３０１の他方の主面に配置されるカソード３０３により構成される。
アノード側セパレータ３０５は、水素含有ガスをアノード３０２に供給するためのアノード入口３０７と、アノード３０２に供給された水素含有ガスのうちでアノード３０２に
おいて消費されなかったものをアノード３０２から排出するためのアノード出口３０８とを有する。
アノード側セパレータ３０５におけるアノード３０２と対向する面には、上流側端部でアノード入口３０７と連通し、下流側端部でアノード出口３０８と連通する溝状のアノード側ガス流路３０９が形成されている。
カソード側セパレータ３０６は、水素含有ガスをカソード３０３に供給するためのカソード入口３１０と、カソード３０３からの排出物を排出するためのカソード出口３１１とを有する。
カソード側セパレータ３０６におけるカソード３０３と対向する面には、上流側端部でカソード入口３１０と連通し、下流側端部でカソード出口３１１と連通する溝状のカソード側ガス流路３１２が形成されている。
電気化学デバイス３００は、アノード３０２に水素含有ガスが供給され、アノード３０２とカソード３０３との間に所定方向の電流が流れることにより、アノード３０２に供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素をカソード３０３から排出されるように構成される。
ガス供給手段３２１は、水素含有ガスを供給する。ガス供給手段３２１によって供給される水素含有ガスには、少なくともアンモニアと水蒸気とが含まれている。
電源３４１は、電気化学デバイス３００のアノード３０２とカソード３０３との間に電流を流す。アノード温度調整器３４３は、電気化学デバイス３００のアノード３０２の温度を調整する。カソード温度調整器３４４は、電気化学デバイス３００のカソード３０３の温度を調整する。
アノード排出経路切替手段３２７は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
アノード排出経路切替手段３２７の入口は、アノード排出経路３２６を介して電気化学デバイス３００のアノード出口３０８（アノード３０２の出口）と連通する。
アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口は、外部排出経路３２８の入口に接続される。
アノード排出経路切替手段３２７の他方の出口は、カソード供給経路３２９を介して電気化学デバイス３００のカソード入口３１０（カソード３０３の入口）と連通する。
カソード排出経路切替手段３３１は、一つの入口と二つの出口を有し、二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成される。
カソード排出経路切替手段３３１の入口は、カソード排出経路３３２を介して電気化学デバイス３００のカソード出口３１１（カソード３０３の出口）と連通する。
カソード排出経路切替手段３３１の一方の出口は、水素排出経路３３３の入口に接続される。
カソード排出経路切替手段３３１の他方の出口は、凝縮水排出経路３３４の入口に接続
される。
水素精製システム４００は、通常は、電気化学デバイス３００によって水素含有ガスの水素を精製する水素精製モードで運転する。水素精製モードでの運転時間が長くなると、カソード３０３へのアンモニアの蓄積量が増えることによって、カソード３０３の反応面積が減って、水素純化効率が低下する。
そこで、所定条件を満たした場合に、水素精製モードでの運転を終了して、カソード３０３に蓄積されたアンモニアを排出するための排出モードでの運転を開始する。
制御器３５０は、水素精製モードでは、アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口（外部排出経路３２８の入口に接続される出口）を開状態に他方の出口（カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口）を閉状態にし、さらにカソード排出経路切替手段３３１の一方の出口（水素排出経路３３３の入口に接続される出口）を開状態に他方の出口（凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口）を閉状態にして、ガス供給手段３２１および電源３４１を動作させるように構成されている。
制御器３５０は、排出モードでは、アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口（外部排出経路３２８の入口に接続される出口）を閉状態に他方の出口（カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口）を開状態にし、さらにカソード排出経路切替手段３３１の一方の出口（水素排出経路３３３の入口に接続される出口）を閉状態に他方の出口（凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口）を開状態にして、ガス供給手段３２１を動作させ、電気化学デバイス３００のアノード出口３０８からガス状の水素含有ガスが排出されて、電気化学デバイス３００のカソード入口３１０に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が、カソード３０３において凝縮するように、アノード温度調整器３４３およびカソード温度調整器３４４を制御するように構成されている。
これにより、水素精製モードでの運転を終了して排出モードでの運転を開始すると、水素精製モードでの運転時にアノード３０２に供給されていた水素含有ガスが、アノード３０２で消費されることも凝縮されることもなく、そのまま、アノード３０２の出口から排出されて、カソード３０３に供給される。
そして、排出モードでは、水素精製モードの時よりもカソード３０３の温度が低いために、カソード３０３に供給された水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するので、カソード３０３に蓄積したアンモニアを、凝縮水に溶出させて、凝縮水と一緒に、カソード３０３から排出することができる。
そのため、水蒸気を含むガスを供給するガス供給手段を新たに備えることなく、簡単な構成でカソード３０３に蓄積したアンモニアを除去し、電気化学デバイス３００の水素純化効率が低下するのを抑制することができる。
また、本実施の形態のように、水素精製システム４００は、排出モードでの運転によってアノード３０２に蓄積されたアンモニアを排出する場合は、排出モードでの運転の直後にアノード洗浄モードで運転しても構わない。
アノード洗浄モードでは、制御器３５０は、カソード排出経路切替手段３３１の一方の出口（水素排出経路３３３の入口に接続される出口）の閉状態と他方の出口（凝縮水排出経路３３４の入口に接続される出口）の開状態を排出モードから維持（継続）して、アノード排出経路切替手段３２７については、水素精製モードの時と同様に、アノード排出経路切替手段３２７の一方の出口（外部排出経路３２８の入口に接続される出口）を開状態
に他方の出口（カソード供給経路３２９を介してカソード入口３１０と連通する出口）を閉状態にして、ガス供給手段３２１を動作させ、電気化学デバイス３００のアノード入口３０７に流入した水素含有ガスに含まれる水蒸気が、アノード３０２において凝縮するように、アノード温度調整器３４３およびカソード温度調整器３４４を制御する。
このように、排出モードでの運転の直後にアノード洗浄モードで運転すると、排出モードの時よりも電気化学デバイス３００のアノード３０２の温度が低いために、アノード３０２に供給された水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するので、アノード３０２に蓄積したアンモニア（排出モードでの運転によってアノード３０２に蓄積されたアンモニア）を、凝縮水に溶出させて、凝縮水と一緒に、アノード３０２から排出することができる。
さらに、アノード３０２に蓄積されたアンモニアが溶けた凝縮水は、アノード排出経路切替手段３２７によって、カソード３０３に流入することなく、外部排出経路３２８から排出されるので、アノード３０２に蓄積されたアンモニアが溶けた凝縮水によって、カソード３０３が汚れるのを防止できる。
そのため、水蒸気を含むガスを供給するガス供給手段を新たに備えることなく、簡単な構成で、排出モードでの運転によってアノード３０２に蓄積したアンモニアを除去し、電気化学デバイス３００の水素純化効率が低下するのを抑制することができる。
また、本実施の形態のように、水素精製システム４００は、水素精製モードでの運転中に、直近の水素精製モードでの運転開始から所定時間（６０分）が経過すると、水素精製モードでの運転を終了して、排出モードでの運転を開始するように、制御器３５０を構成しても構わない。
なお、この所定時間（６０分）は、アノード３０２とカソード３０３との間の電圧が、カソード３０３にアンモニアが蓄積されていない時のアノード３０２とカソード３０３との間の電圧より高く設定された所定電圧（例えば、初期値の３倍の電圧）になるまでの時間を基に設定することができる。
そのように構成した場合は、アノード３０２とカソード３０３との間の電圧を計測する電圧計をさらに備えることなく、カソード３０３に所定量以上のアンモニアが蓄積したことを自動で確認して、水素精製モードから排出モードへ移行できる。そのため、電気化学デバイス３００の水素純化効率の低下を自動で抑制できる。
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１および実施の形態２を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。
また、上記実施の形態１および実施の形態２で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
例えば、実施の形態１における図４のＳ００７の電圧の判定基準を変更しても良い。また、実施の形態２における図９のＳ１０７の経過時間の判定基準を変更してもよい。
水素精製モードでの運転において、カソード排出経路切替手段における、水素排出経路側の出口を閉から開に、凝縮水排出経路側の出口を開から閉にするタイミングを、電源によりアノードとカソードとの間に電流を流した後で、十分な水素純度の精製水素がカソード排出経路から流出するようになるタイミングに変更しても構わない。
そのようにした場合は、水素精製モードでの運転開始時にカソード（カソード側ガス流路を含む）に水素含有ガスが残留しているために、水素精製モードでの運転開始直後に、純度が低い水素が水素排出経路に流出するのを抑制できる。
なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
本開示は、電気化学式水素精製システムに適用可能である。具体的には、電気化学デバイスを用いて、アンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスの水素を純化する水素精製システムなどに適用可能である。
１００ 電気化学デバイス
１０１ 電解質膜
１０２ アノード
１０３ カソード
１０４ 電解質膜－電極接合体
１０５ アノード側セパレータ
１０６ カソード側セパレータ
１０７ アノード入口
１０８ アノード出口
１０９ アノード側ガス流路
１１０ カソード入口
１１１ カソード出口
１１２ カソード側ガス流路
１２１ ガス供給手段
１２２ ガス供給経路
１２３ 供給経路切替手段
１２４ アノード供給経路
１２５ カソード供給経路
１３１ カソード排出経路切替手段
１３２ カソード排出経路
１３３ 水素排出経路
１３４ 凝縮水排出経路
１４１ 電源
１４２ 電圧計
１４３ 温度調整器
１５０ 制御器
２００ 水素精製システム
３００ 電気化学デバイス
３０１ 電解質膜
３０２ アノード
３０３ カソード
３０４ 電解質膜－電極接合体
３０５ アノード側セパレータ
３０６ カソード側セパレータ
３０７ アノード入口
３０８ アノード出口
３０９ アノード側ガス流路
３１０ カソード入口
３１１ カソード出口
３１２ カソード側ガス流路
３２１ ガス供給手段
３２２ ガス供給経路
３２６ アノード排出経路
３２７ アノード排出経路切替手段
３２８ 外部排出経路
３２９ カソード供給経路
３３１ カソード排出経路切替手段
３３２ カソード排出経路
３３３ 水素排出経路
３３４ 凝縮水排出経路
３４１ 電源
３４３ アノード温度調整器
３４４ カソード温度調整器
３５０ 制御器
４００ 水素精製システム

Claims (7)

  1. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、前記アノードに水素含有ガスが供給され、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、前記アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素が、前記カソードから排出されるように構成された電気化学デバイスと、
    少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスを、供給するガス供給手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がガス供給経路を介して前記ガス供給手段の出口と連通し、一方の出口がアノード供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記アノードの入口と連通し、他方の出口がカソード供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの入口と連通する供給経路切替手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がカソード排出経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの出口と連通し、一方の出口が水素排出経路の入口に接続され、他方の出口が凝縮水排出経路の入口に接続されたカソード排出経路切替手段と、
    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前記電流を流す電源と、
    前記電気化学デバイスの温度を調整する温度調整器と、
    制御器と、を備え、
    前記電気化学デバイスによって前記水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モードで運転し、前記カソードに蓄積された前記アンモニアを排出する場合は排出モードで運転する水素精製システムであって、
    前記制御器は、
    前記水素精製モードでは、前記供給経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にして、前記ガス供給手段および前記電源を動作させ、
    前記排出モードでは、前記供給経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にして、前記ガス供給手段を動作させ、前記電気化学デバイスの前記カソードに流入した前記水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するように前記温度調整器を制御する水素精製システム。
  2. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、前記アノードに水素含有ガスが供給され、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、前記アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素が、前記カソードから排出されるように構成された電気化学デバイスと、
    少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスを、ガス供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記アノードの入口に供給するガス供給手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がアノード排出経路を介して前記電気化学デバイスの前記アノードの出口と連通し、一方の出口が外部排出経路の入口に接続され、他方の出口がカソード供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの入口と連通するアノード排出経路切替手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がカソード排出経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの出口と連通し、一方の出口が水素排出経路の入口に接続され、他方の出口が凝縮水排出経路の入口に接続されたカソード排出経路切替手段と、
    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前記電流を流す電源と、
    前記電気化学デバイスの前記アノードの温度を調整するアノード温度調整器と、
    前記電気化学デバイスの前記カソードの温度を調整するカソード温度調整器と、
    制御器と、を備え、
    前記電気化学デバイスによって前記水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モー
    ドで運転し、前記カソードに蓄積された前記アンモニアを排出する場合は排出モードで運転する水素精製システムであって、
    前記制御器は、
    前記水素精製モードでは、前記アノード排出経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にして、前記ガス供給手段および前記電源を動作させ、
    前記排出モードでは、前記アノード排出経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にして、前記ガス供給手段を動作させ、前記電気化学デバイスの前記アノードの出口からガス状の前記水素含有ガスが排出されて前記電気化学デバイスの前記カソードの入口に流入した前記水素含有ガスに含まれる水蒸気が前記カソードにおいて凝縮するように、前記アノード温度調整器および前記カソード温度調整器を制御する水素精製システム。
  3. 前記水素精製システムは、前記アノードに蓄積された前記アンモニアを排出する場合は前記排出モードでの運転の直後にアノード洗浄モードで運転し、
    前記制御器は、前記アノード洗浄モードでは、前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口の閉状態と前記他方の出口の開状態とは維持して、前記アノード排出経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にして、前記ガス供給手段を動作させ、前記電気化学デバイスの前記アノードに流入した前記水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するように、前記アノード温度調整器および前記カソード温度調整器を制御する請求項２に記載の水素精製システム。
  4. 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の電圧を計測する電圧計をさらに備え、
    前記電源は、前記水素精製モードでの運転中は、前記カソードから設定量の水素を得るのに必要な電流を流し、
    前記制御器は、前記水素精製モードでの運転中に、前記電圧計で計測された電圧が所定値以上になると、前記水素精製モードでの運転を終了して、前記排出モードでの運転を開始する請求項１から３のいずれか１項に記載の水素精製システム。
  5. 前記制御器は、前記水素精製モードでの運転中に、直近の前記水素精製モードでの運転開始から所定時間が経過すると、前記水素精製モードでの運転を終了して、前記排出モードでの運転を開始する請求項１から３のいずれか１項に記載の水素精製システム。
  6. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、前記アノードに水素含有ガスが供給され、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、前記アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素が、前記カソードから排出されるように構成された電気化学デバイスと、
    少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスを、供給するガス供給手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がガス供給経路を介して前記ガス供給手段の出口と連通し、一方の出口がアノード供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記アノードの入口と連通し、他方の出口がカソード供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの入口と連通する供給経路切替手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がカソード排出経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの出口と連通し、一方の出口が水素排出経路の入口に接続され、他方の出口が凝縮水排出経路の入口に接続されたカソード排出経路切替手段と、
    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前記電流を流す電源と、
    前記電気化学デバイスの温度を調整する温度調整器と、
    を備え、前記電気化学デバイスによって前記水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モードで運転し、前記カソードに蓄積された前記アンモニアを排出する場合は排出モードで運転する水素精製システムの運転方法であって、
    前記水素精製モードでは、前記供給経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にして、前記ガス供給手段および前記電源を動作させ、
    前記排出モードでは、前記供給経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にして、前記ガス供給手段を動作させ、前記電気化学デバイスの前記カソードに流入した前記水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するように前記温度調整器によって前記電気化学デバイスの温度を調整する水素精製システムの運転方法。
  7. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体が構成され、前記アノードに水素含有ガスが供給され、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、前記アノードに供給された水素含有ガスよりも水素の純度が高い水素が、前記カソードから排出されるように構成された電気化学デバイスと、
    少なくともアンモニアと水蒸気とを含む水素含有ガスを、ガス供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記アノードの入口に供給するガス供給手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がアノード排出経路を介して前記電気化学デバイスの前記アノードの出口と連通し、一方の出口が外部排出経路の入口に接続され、他方の出口がカソード供給経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの入口と連通するアノード排出経路切替手段と、
    二つの出口がそれぞれ開閉可能に構成され、入口がカソード排出経路を介して前記電気化学デバイスの前記カソードの出口と連通し、一方の出口が水素排出経路の入口に接続され、他方の出口が凝縮水排出経路の入口に接続されたカソード排出経路切替手段と、
    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前記電流を流す電源と、
    前記電気化学デバイスの前記アノードの温度を調整するアノード温度調整器と、
    前記電気化学デバイスの前記カソードの温度を調整するカソード温度調整器と、
    を備え、前記電気化学デバイスによって前記水素含有ガスの水素を精製する場合は水素精製モードで運転し、前記カソードに蓄積された前記アンモニアを排出する場合は排出モードで運転する水素精製システムの運転方法であって、
    前記水素精製モードでは、前記アノード排出経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を開状態に前記他方の出口を閉状態にして、前記ガス供給手段および前記電源を動作させ、
    前記排出モードでは、前記アノード排出経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にし、さらに前記カソード排出経路切替手段の前記一方の出口を閉状態に前記他方の出口を開状態にして、前記ガス供給手段を動作させ、前記電気化学デバイスの前記アノードの出口からガス状の前記水素含有ガスが排出されて前記電気化学デバイスの前記カソードに流入した前記水素含有ガスに含まれる水蒸気が凝縮するように、前記アノード温度調整器および前記カソード温度調整器によって前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードの温度を調整する水素精製システムの運転方法。
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