JP2022119250A - 水素精製システム - Google Patents

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Abstract

【課題】本開示は、電気化学デバイス内部の加湿を阻害していたカソードガス拡散層へ液水を浸透させ、電気化学デバイスの水素純化効率の低下を抑制する水素精製システムを提供する。【解決手段】本開示の水素精製システム１８０は、水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されており、カソード排出弁１２３が開放した状態でカソード液水供給手段１１７による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、カソード液水供給手段１１７を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、液水の温度が所定温度条件を満たすまで液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行する。【選択図】図１

Description

本開示は、電気化学デバイスを用いて、水素含有ガスから水素を精製する水素精製システムに関する。
非特許文献１は、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水素精製システムを開示する。
この水素精製システムは、電解質膜がアノードとカソードとの間に挟まれた電解質膜－電極接合体を、一対のセパレータにおけるガス流路が形成された面で挟持した電気化学デバイスと、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流す電源と、を備える。アノードとカソードは、それぞれ、電解質膜に配置された触媒層と、セパレータにおけるガス流路が形成された面と当接するガス拡散層とを有している。
そして、電気化学デバイスのカソード流路に液水を貯蔵することで電気化学デバイス内部を加湿させて、アノードに水素含有ガスを供給しながらアノードとカソードとの間に直流電流を流し、カソードで水素純度の高い高圧の水素を精製している。
International Journal of Hydrogen Energy 41 (2016) 13879-13887
本開示は、カソードガス拡散層へ液水を浸透させて、電気化学デバイス内部を加湿し、水素を精製する際の電気化学デバイスの内部乾燥に起因した水素純化効率の低下を抑制できる水素精製システムを提供する。
本開示における水素精製システムは、電気化学デバイスと、水素含有ガス供給手段と、カソード液水供給手段と、カソード排出経路と、カソード排出弁と、電源と、制御器と、を備えている。
電気化学デバイスは、アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電解質膜－電極接合体と、アノードと接する面にアノード流路が形成されたアノードセパレータと、カソードと接する面にカソード流路が形成されたカソードセパレータと、を備えている。
アノードは、電解質膜の一方の主面と接するアノード触媒層と、アノードセパレータと接するアノードガス拡散層とを有している。
カソードは、電解質膜の他方の主面と接するカソード触媒層と、カソードセパレータと接するアノードガス拡散層とを有している。
電気化学デバイスは、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る水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソードから排出されるように構成されている。
水素含有ガス供給手段は、アノード流路の入口に水素含有ガスを供給するように構成されている。
カソード液水供給手段は、カソード流路の入口に常温よりも温度が高い液水を供給するように構成されている。
カソード排出経路は、カソード流路から電気化学デバイスの外部に流体を排出できるようにカソード流路の出口に接続されている。カソード排出弁は、カソード排出経路を開閉できるように構成されている。
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ことができるように構成されている。
制御器は、電気化学デバイスにおいて水素を精製する水素精製モードで運転する時に、カソード液水供給手段が停止しカソード排出弁が開放した状態で、水素含有ガス供給手段によってアノードに水素含有ガスを供給し、電源によってアノードとカソードとの間に電流を流すように構成されている。
制御器は、水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されている。
制御器は、加湿モードで運転する場合は、カソード排出弁が開放した状態でカソード液水供給手段による液水の供給を開始して、カソード流路を液水で満たした後に、カソード液水供給手段を停止させるとともにカソード排出弁を閉じて、液水の温度が所定温度条件を満たすまで液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されている。
本開示における水素精製システムは、加湿モードにおいて、カソード流路を液水で満たした後に、液水を冷却させてカソードを負圧雰囲気にするので、カソードガス拡散層へ液水を浸透させて、電気化学デバイス内部を加湿することができる。
そのため、水素精製モードにおける電気化学デバイスの内部乾燥に起因した水素純化効率の低下を抑制できる。
実施の形態１における水素精製システムの構成を示す概略図 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を示す概略図 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 実施の形態３における水素精製システムの構成を示す概略図 実施の形態３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４における水素精製システムの構成を示す概略図 実施の形態４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、アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電気化学デバイスにおいて、アノードに水素含有ガスを供給して、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により、水素含有ガスから水素を精製・昇圧する技術があった。
電気化学デバイスを用いて水素を精製・昇圧させる際に、電解質膜およびカソードを構成する高分子電解質の含水率が少ない（高分子電解質が乾燥している）状態では高分子電解質、水素イオン伝導性が低下することで、水素純化効率が低下する課題があった。
そのため、水素純化効率の低下を抑制する観点から、水素を精製・昇圧する前にカソード流路に液水を貯蔵し、電気化学デバイス内部を加湿させる方法が検討されていた。
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精製する水素のエネルギーの割合である。
アノードとカソードは、それぞれ、電解質膜に配置された触媒層と、セパレータにおけるガス流路が形成された面と当接するガス拡散層とを有している。
しかしながら、電気化学デバイス内部のガスや水分の供給・排出バランスを良好に保つ目的から、アノードガス拡散層と、カソードガス拡散層とには、撥水性で多孔質な導電層が用いられることが一般的であった。
そうした状況において、発明者らは、カソードガス流路から電気化学デバイス内部へ液水を供給しようとすると、カソードガス拡散層が液水の供給を阻害するため、電気化学デバイス内部を十分に加湿できない課題があることを発見し、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、カソードを負圧雰囲気にし、カソードガス拡散層へ液水を浸透させて、電気化学デバイス内部を加湿し、水素を精製・昇圧する際の電気化学デバイスの内部乾燥に起因した水素純化効率の低下を抑制できる水素精製システムを提供する。
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。これは、以下の説明が必要以上に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
なお、添付図面及び以下の説明は、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および図２を用いて、実施の形態１を説明する。
［１－１．構成］
図１に示すように、本実施の形態の水素精製システム１８０は、電気化学デバイス１００と、水素含有ガス供給手段１１５と、カソード液水供給手段１１７と、アノード供給経路１１８と、カソード供給経路１１９と、アノード排出経路１２０と、カソード排出経路１２１と、カソード排出弁１２３と、カソード気液分離手段１２４と、カソード水素排出経路１２５と、カソード液水排出経路１２６と、温度計１２７と、電源１５０と、温度調節器１５１と、制御器１７０と、を備えている。
電気化学デバイス１００は、アノードとカソードとで水素イオン伝導性の高分子からなる電解質膜１０１を挟んだ電解質膜－電極接合体１０４と、アノードと接する面に溝状のアノード流路１０９が形成されたアノードセパレータ１０７と、カソードと接する面に溝状のカソード流路１１０が形成されたカソードセパレータ１０８と、を備えている。
アノードは、電解質膜１０１の一方の主面と接するアノード触媒層１０２と、アノードセパレータ１０７と接するアノードガス拡散層１０５とを有している。
カソードは、電解質膜１０１の他方の主面と接するカソード触媒層１０３と、カソードセパレータ１０８と接するカソードガス拡散層１０６とを有している。
電解質膜－電極接合体１０４は、電解質膜１０１の両主面が鉛直方向と略平行となる向きで、アノードセパレータ１０７とカソードセパレータ１０８との間に挟まれて、使用される。
このとき、アノードセパレータ１０７がアノード（アノードガス拡散層１０５）に接触し、カソードセパレータ１０８がカソード（カソードガス拡散層１０６）に接触する。
電解質膜－電極接合体１０４は、水素イオン透過性の電解質膜１０１と、電解質膜１０１を挟んで電解質膜１０１の一方の主面に配置されるアノード触媒層１０２と、他方の主面に配置されるカソード触媒層１０３と、で構成される。
本実施の形態では、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る。
アノード触媒層１０２およびカソード触媒層１０３は、触媒としての白金を担持した多孔性のカーボン粒子と、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高分子材料と、分散媒との混合物を、カーボン製フェルト上に塗布して乾燥させて分散媒を除去したものである。
アノード触媒層１０２およびカソード触媒層１０３の主面の大きさは、電解質膜１０１の主面よりも小さく、電解質膜１０１の主面の外周部分が露出するように配置される。
アノードガス拡散層１０５およびカソードガス拡散層１０６は、炭素繊維からなる多孔質なフェルトに撥水材を含侵させて撥水処理したものを用いる。
アノードガス拡散層１０５の主面の大きさは、アノード触媒層１０２の主面と略同じ大きさである。
カソードガス拡散層１０６の主面の大きさは、カソード触媒層１０３の主面と略同じ大きさである。
アノードセパレータ１０７には、アノードセパレータ１０７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、アノード入口１１１とアノード出口１１２が、それぞれ設けられる。
アノード入口１１１は、水素含有ガスをアノード流路１０９（アノード）に供給するための孔である。アノード出口１１２は、アノード流路１０９に供給された水素含有ガスのうちで、カソードに透過しなかったガスを、アノード流路１０９から排出するための孔で
ある。
アノード触媒層１０２の両主面は、重力方向に対して略平行であり、アノード流路１０９とアノード入口１１１とが接続する部分は、アノード触媒層１０２の主面における上端部近傍であり、アノード流路１０９とアノード出口１１２とが接続する部分は、アノード触媒層１０２の主面における下端部近傍である。
なお、アノード流路１０９は、アノード入口１１１からアノード流路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１１２に向かって流れるように形成されている。
カソードセパレータ１０８には、カソードセパレータ１０８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、カソード入口１１３とカソード出口１１４が、それぞれ設けられる。
カソード入口１１３は、電解質膜－電極接合体１０４を加湿する（湿らす）時に、液水をカソード流路１１０（カソード）に供給するための孔である。
カソード出口１１４は、電気化学デバイス１００において水素を精製する時に、カソードからカソード流路１１０に流出した水素を、カソード流路１１０から排出するための孔であるとともに、電解質膜－電極接合体１０４を加湿する（湿らす）ために、カソード流路１１０を満たした液水を、カソード流路１１０から排出するための孔である。
カソード触媒層１０３の両主面は、重力方向に対して略平行であり、カソード流路１１０とカソード入口１１３とが接続する部分は、カソード触媒層１０３の主面における上端部近傍であり、カソード流路１１０とカソード出口１１４とが接続する部分は、カソード触媒層１０３の主面における下端部近傍である。
なお、カソード流路１１０は、カソード入口１１３からカソード流路１１０に供給した液水が、蛇行しながら重力に逆らわずにカソード出口１１４に向かって流れるように、また、カソード流路１１０から液水を排水する時に、液水がカソード流路１１０に残らないように形成されている。
アノードセパレータ１０７およびカソードセパレータ１０８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。
アノードセパレータ１０７およびカソードセパレータ１０８の主面の大きさは、電解質膜１０１の主面と略同じ大きさである。
電気化学デバイス１００は、アノード触媒層１０２に水素含有ガスが供給されている時に、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流が流れると、アノード触媒層１０２において、水素含有ガスに含まれる水素が、水素イオンと電子とに解離し、水素イオンが電解質膜１０１を透過してアノード触媒層１０２からカソード触媒層１０３に移動し、電子が電源１５０を経由してアノード触媒層１０２からカソード触媒層１０３に移動し、カソード触媒層１０３において、水素イオンと電子とが結合して水素になることによって、アノード触媒層１０２に供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソード触媒層１０３から排出されるように構成されている。
水素含有ガス供給手段１１５は、アノード供給経路１１８を介して、アノードセパレータ１０７のアノード入口１１１に水素含有ガスを供給するように構成されている。
本実施の形態では、水素含有ガス供給手段１１５として、都市ガスなどの炭化水素系の燃料から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。
アノード供給経路１１８は、水素含有ガス供給手段１１５の水素含有ガスの出口とアノードセパレータ１０７のアノード入口１１１とが連通するように、経路の入口が水素含有ガス供給手段１１５の水素含有ガスの出口に接続され、経路の出口がアノードセパレータ１０７のアノード入口１１１に接続されている。
カソード液水供給手段１１７は、カソード供給経路１１９を介して、カソードセパレータ１０８のカソード入口１１３に常温よりも温度が高い液水を供給するように構成されている。
カソード液水供給手段１１７は、貯水タンクと、ポンプと、電磁弁と、を備え、液水は貯水タンクにおいて所定の温度（６０℃）に制御（維持）され、カソード入口１１３に供給される。
また、カソード液水供給手段１１７のポンプは、ポンプ動作をしていない時に、カソード供給経路１１９を逆流して水素が漏れ出ないように、電磁弁を閉じるように構成されている。
カソード供給経路１１９は、カソード液水供給手段１１７の液水の出口とカソードセパレータ１０８のカソード入口１１３とが連通するように、経路の入口がカソード液水供給手段１１７の液水の出口に接続され、経路の出口がカソードセパレータ１０８のカソード入口１１３に接続されている。
アノード排出経路１２０は、経路の入口がアノードセパレータ１０７のアノード出口１１２に接続され、アノード流路１０９に供給された水素含有ガスのうちで、カソードに透過しなかったガスを、電気化学デバイス１００の外部に排出するための経路である。
カソード排出経路１２１は、カソード流路１１０の流体（水素または液水）をカソード気液分離手段１２４に排出する経路である。カソード排出経路１２１は、カソードセパレータ１０８のカソード出口１１４とカソード気液分離手段１２４の入口とが連通するように、経路の入口がカソードセパレータ１０８のカソード出口１１４に接続され、経路の出口がカソード気液分離手段１２４の入口に接続されている。
カソード排出弁１２３は、カソード排出経路１２１の途中に設けられ、カソード排出経路１２１を開閉できるように構成されている。
カソード気液分離手段１２４は、カソード排出経路１２１の出口に接続され、カソード排出経路１２１からカソード気液分離手段１２４に排出された流体（水素または液水）を気体と液体とに分離して、水素をカソード水素排出経路１２５に排出し、液水をカソード液水排出経路１２６に排出する。
カソード気液分離手段１２４は、１つの入口と２つの出口を有している。カソード気液分離手段１２４の入口は、カソード排出経路１２１によりカソード出口１１４と接続されている。カソード気液分離手段１２４の一方の出口は、カソード水素排出経路１２５と接続され、カソード気液分離手段１２４の他方の出口は、カソード液水排出経路１２６と接続されている。
カソード液水排出経路１２６は、液水がカソード気液分離手段１２４に逆流しないように下り勾配に構成されている。
電源１５０は、指示された電流値の電流を流す定電流型の直流電源である。電源１５０のプラス側の出力端子はアノード触媒層１０２に電気的に接続され、電源１５０のマイナス側の出力端子はカソード触媒層１０３に電気的に接続されている。
温度調節器１５１は、電気化学デバイス１００において水素を精製する時に、電気化学デバイス１００の温度を、常温よりも高い水素の精製に適した設定温度に調節できるように構成されている。
温度調節器１５１は、温度調節器１５１の内部を通流する所定の温度に制御された液水と電気化学デバイス１００との熱交換によって電気化学デバイス１００の温度を調整するように構成されている。
温度調節器１５１は、電気化学デバイス１００と液水とを熱交換させる熱交換器と、所定の温度に制御した液水を貯蔵する貯水タンクと、貯水タンクの液水を熱交換器に送るポンプとが、液水が通流する配管によって環状に接続されたものである。温度調節器１５１が電気化学デバイス１００の温度を調節しない時は、ポンプは停止している。
温度計１２７は、カソード流路１１０に満たされた液水の温度を計測するものであり、カソードセパレータ１０８のカソード出口１１４からカソード流路１１０に挿入されている。
制御器１７０は、水素含有ガス供給手段１１５と、カソード液水供給手段１１７と、カソード排出弁１２３と、カソード気液分離手段１２４と、電源１５０と、温度調節器１５１と、温度計１２７と、に接続されている。
制御器１７０は、水素含有ガス供給手段１１５と、カソード液水供給手段１１７と、カソード排出弁１２３と、カソード気液分離手段１２４と、電源１５０と、温度調節器１５１と、温度計１２７と、を制御することができる。
制御器１７０は、電気化学デバイス１００において水素を精製する、水素精製モードで運転する時に、カソード液水供給手段１１７が停止しカソード排出弁１２３が開放した状態で、水素含有ガス供給手段１１５によってアノード触媒層１０２に水素含有ガスを供給し、電源１５０によってアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に電流を流すように構成されている。
このとき、カソード気液分離手段１２４は、カソード触媒層１０３から排出される液水をカソード液水排出経路１２６へ排出し、精製された水素をカソード水素排出経路１２５へ排出することができる状態になっている。
制御器１７０は、水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されている。
制御器１７０は、加湿モードで運転する場合は、水素含有ガス供給手段１１５および電源１５０が停止しカソード排出弁１２３が開放した状態で、カソード液水供給手段１１７による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、カソード液水供給手段１１７を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、温度計１２７で計測した液水の温度が所定温度条件を満たすまで液水を自然冷却させ、液水の温度が所定温
度条件を満たした後に、水素精製モードに移行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本実施の形態の水素精製システム１８０について、図１および図２に基づいて、その動作と作用を以下に説明する。
水素精製システム１８０の運転モードは、加湿モードと、水素精製モードとの２つからなる。まず、加湿モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、水素精製システム１８０が停止している（温度調節器１５１が温度調節動作を停止しており、水素含有ガス供給手段１１５およびカソード液水供給手段１１７が供給動作を停止しており、電源１５０が電流を流していない）時に、加湿を開始する指示が入ると、制御器１７０は、カソード排出弁１２３の状態を確認して、弁が開いていれば開放状態を維持し、弁が閉じていれば、カソード排出弁１２３を開放する（Ｓ１０１）。
次に、制御器１７０は、カソード液水供給手段１１７を動作させて、カソード液水供給手段１１７により、カソード入口１１３（カソード流路１１０）に常温よりも高い所定温度の液水を所定流量で所定時間、供給する（Ｓ１０２）。
本実施の形態では、所定温度を６０℃に、所定時間を１０分に、所定流量を２Ｌ／ｍｉｎに、それぞれ設定した。設定時間は、水素精製システム１８０が停止している時にカソード流路１１０に残留していた気体をカソード出口１１４から排出して、カソード流路１１０に液水が満たされるために必要な時間を予め実験により確認して設定した。
次に、制御器１７０は、カソード液水供給手段１１７を停止させると共に、カソード排出弁１２３を閉じる（Ｓ１０３）。カソード排出弁１２３が閉じるまでにカソード排出弁１２３を通過した液水は、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に流出する。
次に、制御器１７０は、自然冷却により、カソード流路１１０に満たした液水を１０分間、冷却する（Ｓ１０４）。このとき、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却される。
カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内の気体は、自然冷却による温度変化（温度低下）によって体積収縮して、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
次に、制御器１７０は、温度計１２７により、カソード流路１１０に満たされた液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になったか確認する（Ｓ１０５）。Ｓ１０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃未満であれば、Ｓ１０４に戻る。
Ｓ１０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、液水がカソードガス拡散層１０６へ浸透するために必要な負圧雰囲気が、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に生じている。
これにより、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。そして、水素精製システム１８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
Ｓ１０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、加湿モードから水素精製モードに移行する。
次に、水素精製モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、カソード排出弁１２３を開放する（Ｓ１０６）。
次に、制御器１７０は、温度調節器１５１を動作させて、電気化学デバイス１００の温度が所定温度になる（所定温度を維持する）ようにする（Ｓ１０７）。なお、本実施の形態では、所定温度を６０℃に設定している。
次に、制御器１７０は、水素含有ガス供給手段１１５を動作させて、水素含有ガス供給手段１１５からアノード供給経路１１８を経由してアノード入口１１１（アノード流路１０９、アノードガス拡散層１０５、アノード触媒層１０２）に、水素含有ガスを所定流量で供給する（Ｓ１０８）。本実施の形態では、所定流量を５Ｌ／ｍｉｎに設定している。
次に、制御器１７０は、電源１５０を動作させて、電源１５０により、アノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ所定電流値の電流を流す（Ｓ１０９）。
所定電流値は、カソード触媒層１０３から設定流量の水素（設定された単位時間当たりの水素精製量）を得るのに必要な電流値である。本実施の形態では、所定電流値を４０Ａに設定している。
これにより、アノード触媒層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る。そして、水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１０１を透過してカソード触媒層１０３に移動し、電子（ｅ－）が電源１５０を経由してカソード触媒層１０３に移動する。そして、カソード触媒層１０３では、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）が結びついて水素になる還元反応が起こる。
Figure 2022119250000002
Figure 2022119250000003
（化１）と（化２）に示す電気化学反応により、アノード触媒層１０２に供給された水素純度の低い水素含有ガスから、カソード触媒層１０３において水素純度の高い水素が精製（生成）される。
カソード流路１１０に満たされていた液水は、Ｓ１０６でカソード排出弁１２３が開放されたことと、重力と、カソード触媒層１０３から排出された水素による圧力で、カソード流路１１０から、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に排出される。
また、電気化学デバイス１００（電解質膜－電極接合体１０４）によって精製され、カ
ソード触媒層１０３から排出された水素は、カソードガス拡散層１０６、カソード流路１１０、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード水素排出経路１２５に排出される（Ｓ１１０）。
電解質膜１０１を透過してアノードからカソードに移動しなかった残余のガスは、アノード出口１１２からアノード排出経路１２０に排出され、十分安全な水素濃度まで希釈されて大気へ放出される。
次に、制御器１７０は、水素の精製を終了する指示が入ったか確認する（Ｓ１１１）。
Ｓ１１１の確認の結果、終了の指示が入っていれば、制御器１７０は、電源１５０と、水素含有ガス供給手段１１５と、温度調節器１５１と、を停止させ（Ｓ１１２）、カソード排出弁１２３を閉じて、水素精製システム１８０の動作を終了する。
Ｓ１１１の確認の結果、終了の指示が入っていなければ、制御器１７０は、水素の精製を１０分間継続してから（Ｓ１１３）、Ｓ１１１に戻る。
［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１８０は、電気化学デバイス１００と、水素含有ガス供給手段１１５と、カソード液水供給手段１１７と、カソード排出経路１２１と、カソード排出弁１２３と、電源１５０と、制御器１７０と、を備えている。
電気化学デバイス１００は、アノードとカソードとで電解質膜１０１を挟んだ電解質膜－電極接合体１０４と、アノードと接する面にアノード流路１０９が形成されたアノードセパレータ１０７と、カソードと接する面にカソード流路１１０が形成されたカソードセパレータ１０８と、を備えている。
アノードは、電解質膜１０１の一方の主面と接するアノード触媒層１０２と、アノードセパレータ１０７と接するアノードガス拡散層１０５とを有している。
カソードは、電解質膜１０１の他方の主面と接するカソード触媒層１０３と、カソードセパレータ１０８と接するカソードガス拡散層１０６とを有している。
電気化学デバイス１００は、アノード触媒層１０２に水素含有ガスが供給されアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流が流れることにより、アノード触媒層１０２に供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソード触媒層１０３から排出されるように構成されている。
水素含有ガス供給手段１１５は、アノード流路１０９のアノード入口１１１に水素含有ガスを供給するように構成されている。
カソード液水供給手段１１７は、カソード流路１１０のカソード入口１１３に常温よりも温度が高い液水を供給するように構成されている。
カソード排出経路１２１は、カソード流路１１０から電気化学デバイス１００の外部に流体を排出できるようにカソード流路１１０のカソード出口１１４に接続されている。カソード排出弁１２３は、カソード排出経路１２１を開閉できるように構成されている。
電源１５０は、電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流を流すことができるように構成されている。
制御器１７０は、電気化学デバイス１００において水素を精製する、水素精製モードで運転する時に、カソード液水供給手段１１７が停止しカソード排出弁１２３が開放した状態で、水素含有ガス供給手段１１５によってアノード触媒層１０２に水素含有ガスを供給し、電源１５０によってアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に電流を流すように構成されている。
制御器１７０は、水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されている。
制御器１７０は、加湿モードで運転する場合は、カソード排出弁１２３が開放した状態でカソード液水供給手段１１７による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、カソード液水供給手段１１７を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、液水の温度が所定温度条件を満たすまで液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されている。
本実施の形態の水素精製システム１８０は、加湿モードにおいて、カソード流路１１０を液水で満たした後に、液水を冷却させるので、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却されて、その気体の体積収縮によってカソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
その結果、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。そして、水素精製システム１８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
そのため、水素精製モードにおける電気化学デバイス１００の内部乾燥に起因した水素純化効率の低下を抑制できる。
本実施の形態のように、水素精製システム１８０は、加湿モードにおいて、液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になるまで冷却しても良い。
これにより、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６をより大きな負圧雰囲気し、カソードガス拡散層１０６へ液水の浸透速度を速め、短時間で電気化学デバイス１００の内部を加湿することができる。
（実施の形態２）
以下、図３および図４を用いて、実施の形態２を説明する。
［２－１．構成］
図３に示すように、本実施の形態の水素精製システム２８０は、図１に示す実施の形態１の水素精製システム１８０の構成に、アノード液水供給手段１１６とアノード排出弁１２２とを加えたものに相当する。
そのため、本実施の形態の水素精製システム２８０において、実施の形態１の水素精製システム１８０と同一構成については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。
アノード液水供給手段１１６は、アノード供給経路１１８を介して、アノードセパレータ１０７のアノード入口１１１に液水を供給するように構成されている。
アノード液水供給手段１１６は、貯水タンクと、ポンプと、電磁弁と、を備え、液水は貯水タンクにおいて所定の温度（３０℃）に制御（維持）され、アノード入口１１１に供給される。
また、アノード液水供給手段１１６のポンプは、ポンプ動作をしていない時に、アノード供給経路１１８を逆流して水素含有ガスが漏れ出ないように、電磁弁を閉じるように構成されている。
アノード供給経路１１８は、２つの入口と１つの出口を有し、水素含有ガス供給手段１１５の水素含有ガスの出口とアノードセパレータ１０７のアノード入口１１１とが連通するとともに、アノード液水供給手段１１６の液水の出口とアノードセパレータ１０７のアノード入口１１１とが連通するように、経路の１つ目の入口が水素含有ガス供給手段１１５の水素含有ガスの出口に接続され、経路の２つ目の入口がアノード液水供給手段１１６の液水の出口に接続され、経路の出口がアノードセパレータ１０７のアノード入口１１１に接続されている。
アノード排出弁１２２は、アノード排出経路１２０の途中に設けられ、アノード排出経路１２０を開閉できるように構成されている。
制御器１７０は、加湿モードにおいて、カソード流路１１０が液水で満たされたことによってカソード液水供給手段１１７を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じた後に、アノード排出弁１２２が開放した状態でアノード液水供給手段１１６による液水の供給を開始して、アノード流路１０９を液水で満たした後に、アノード液水供給手段１１６を停止させるとともにアノード排出弁１２２を閉じて、カソード流路１１０の液水の温度が所定温度条件を満たすまでカソード流路１１０の液水を冷却させ、カソード流路１１０の液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行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本実施の形態の水素精製システム２８０について、図３および図４に基づいて、その動作と作用を以下に説明する。
水素精製システム２８０の運転モードは、加湿モードと、水素精製モードとの２つからなる。まず、加湿モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、水素精製システム２８０が停止している（温度調節器１５１が温度調節動作を停止しており、水素含有ガス供給手段１１５、アノード液水供給手段１１６およびカソード液水供給手段１１７が供給動作を停止しており、電源１５０が電流を流していない）時に、加湿を開始する指示が入ると、制御器１７０は、カソード排出弁１２３の状態を確認して、弁が開いていれば開放状態を維持し、弁が閉じていれば、カソード排出弁１２３を開放する（Ｓ２０１）。
次に、制御器１７０は、カソード液水供給手段１１７を動作させて、カソード液水供給手段１１７により、カソード入口１１３（カソード流路１１０）に常温よりも高い所定温度の液水を所定流量で所定時間、供給する（Ｓ２０２）。
本実施の形態では、所定温度を６０℃に、所定時間を１０分に、所定流量を２Ｌ／ｍｉｎに、それぞれ設定した。設定時間は、水素精製システム２８０が停止している時にカソード流路１１０に残留していた気体をカソード出口１１４から排出して、カソード流路１１０に液水が満たされるために必要な時間を予め実験により確認して設定した。
次に、制御器１７０は、カソード液水供給手段１１７を停止させると共に、カソード排出弁１２３を閉じる（Ｓ２０３）。カソード排出弁１２３が閉じるまでにカソード排出弁１２３を通過した液水は、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に流出する。
次に、制御器１７０は、アノード排出弁１２２の状態を確認して、弁が開いていれば開放状態を維持し、弁が閉じていれば、アノード排出弁１２２を開放する（Ｓ２０４）。
次に、制御器１７０は、アノード液水供給手段１１６を動作させて、アノード液水供給手段１１６により、アノード入口１１１（アノード流路１０９）に所定温度の液水を所定流量で所定時間、供給する（Ｓ２０５）。
本実施の形態では、所定温度を３０℃に、所定時間を１０分に、所定流量を２Ｌ／ｍｉｎに、それぞれ設定した。設定時間は、水素精製システム２８０が停止している時にアノード流路１０９に残留していた気体をアノード出口１１２から排出して、アノード流路１０９に液水が満たされるために必要な時間を予め実験により確認して設定した。
次に、制御器１７０は、アノード液水供給手段１１６を停止させると共に、アノード排出弁１２２を閉じる（Ｓ２０６）。アノード排出弁１２２が閉じるまでにアノード排出弁１２２を通過した液水は、アノード排出経路１２０から流出する。
次に、制御器１７０は、電解質膜－電極接合体１０４を介したアノード流路１０９内の液水との熱交換と自然冷却とにより、カソード流路１１０に満たした液水を１０分間、冷却する（Ｓ２０７）。このとき、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却される。
カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内の気体は、電解質膜－電極接合体１０４を介したアノード流路１０９内の液水との熱交換と自然冷却とによる温度変化（温度低下）によって体積収縮して、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
次に、制御器１７０は、温度計１２７により、カソード流路１１０に満たされた液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になったか確認する（Ｓ２０８）。Ｓ２０８の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃未満であれば、Ｓ２０７に戻る。
Ｓ２０８の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、液水がカソードガス拡散層１０６へ浸透するために必要な負圧雰囲気が、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に生じている。
これにより、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。また、アノード流路１０９に満たされた液水も、アノードガス拡散層１０５側から電解質膜－電極接合体１０４を湿らす。そして、水素精製システム２８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
Ｓ２０８の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、加湿モードから水素精製モードに移行する。
次に、水素精製モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、カソード排出弁１２３とアノード排出弁１２２とを開放する（Ｓ２０９）。
次に、制御器１７０は、温度調節器１５１を動作させて、電気化学デバイス１００の温度が所定温度になる（所定温度を維持する）ようにする（Ｓ２１０）。なお、本実施の形態では、所定温度を６０℃に設定している。
次に、制御器１７０は、水素含有ガス供給手段１１５を動作させて、水素含有ガス供給手段１１５からアノード供給経路１１８を経由してアノード入口１１１（アノード流路１０９、アノードガス拡散層１０５、アノード触媒層１０２）に、水素含有ガスを所定流量で供給する（Ｓ２１１）。本実施の形態では、所定流量を５Ｌ／ｍｉｎに設定している。
アノード流路１０９に満たされていた液水は、Ｓ２０９でアノード排出弁１２２が開放されたことと、重力と、水素含有ガス供給手段１１５からアノード流路１０９に供給された水素含有ガスによる圧力で、アノード流路１０９から、アノード出口１１２を通って、アノード排出経路１２０から排出される。
次に、制御器１７０は、電源１５０を動作させて、電源１５０により、アノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ所定電流値の電流を流す（Ｓ２１２）。
所定電流値は、カソード触媒層１０３から設定流量の水素（設定された単位時間当たりの水素精製量）を得るのに必要な電流値である。本実施の形態では、所定電流値を４０Ａに設定している。
これにより、アノード触媒層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る。そして、水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１０１を透過してカソード触媒層１０３に移動し、電子（ｅ－）が電源１５０を経由してカソード触媒層１０３に移動する。そして、カソード触媒層１０３では、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）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、アノード触媒層１０２に供給された水素純度の低い水素含有ガスから、カソード触媒層１０３において水素純度の高い水素が精製（生成）される。
カソード流路１１０に満たされていた液水は、Ｓ２０９でカソード排出弁１２３が開放されたことと、重力と、カソード触媒層１０３から排出された水素による圧力で、カソード流路１１０から、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に排出される。
また、電気化学デバイス１００（電解質膜－電極接合体１０４）によって精製され、カソード触媒層１０３から排出された水素は、カソードガス拡散層１０６、カソード流路１１０、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード水素排出経路１２５に排出される（Ｓ２１３）。
電解質膜１０１を透過してアノードからカソードに移動しなかった残余のガスは、アノード出口１１２からアノード排出経路１２０に排出され、十分安全な水素濃度まで希釈されて大気へ放出される。
次に、制御器１７０は、水素の精製を終了する指示が入ったか確認する（Ｓ２１４）。
Ｓ２１４の確認の結果、終了の指示が入っていれば、制御器１７０は、電源１５０と、水素含有ガス供給手段１１５と、温度調節器１５１と、を停止させ（Ｓ２１５）、カソード排出弁１２３を閉じて、水素精製システム２８０の動作を終了する。
Ｓ２１４の確認の結果、終了の指示が入っていなければ、制御器１７０は、水素の精製を１０分間継続してから（Ｓ２１６）、Ｓ２１４に戻る。
［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２８０は、電気化学デバイス１００と、水素含有ガス供給手段１１５と、カソード液水供給手段１１７と、カソード排出経路１２１と、カソード排出弁１２３と、電源１５０と、制御器１７０と、を備えている。
電気化学デバイス１００は、アノードとカソードとで電解質膜１０１を挟んだ電解質膜－電極接合体１０４と、アノードと接する面にアノード流路１０９が形成されたアノードセパレータ１０７と、カソードと接する面にカソード流路１１０が形成されたカソードセパレータ１０８と、を備えている。
アノードは、電解質膜１０１の一方の主面と接するアノード触媒層１０２と、アノードセパレータ１０７と接するアノードガス拡散層１０５とを有している。
カソードは、電解質膜１０１の他方の主面と接するカソード触媒層１０３と、カソードセパレータ１０８と接するカソードガス拡散層１０６とを有している。
電気化学デバイス１００は、アノード触媒層１０２に水素含有ガスが供給されアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流が流れることにより、アノード触媒層１０２に供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソード触媒層１０３から排出されるように構成されている。
水素含有ガス供給手段１１５は、アノード流路１０９のアノード入口１１１に水素含有ガスを供給するように構成されている。
カソード液水供給手段１１７は、カソード流路１１０のカソード入口１１３に常温よりも温度が高い液水を供給するように構成されている。
カソード排出経路１２１は、カソード流路１１０から電気化学デバイス１００の外部に流体を排出できるようにカソード流路１１０のカソード出口１１４に接続されている。カソード排出弁１２３は、カソード排出経路１２１を開閉できるように構成されている。
電源１５０は、電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流を流すことができるように構成されている。
制御器１７０は、電気化学デバイス１００において水素を精製する、水素精製モードで運転する時に、カソード液水供給手段１１７が停止しカソード排出弁１２３が開放した状態で、水素含有ガス供給手段１１５によってアノード触媒層１０２に水素含有ガスを供給し、電源１５０によってアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に電流を流すように構成されている。
制御器１７０は、水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されている。
制御器１７０は、加湿モードで運転する場合は、カソード排出弁１２３が開放した状態でカソード液水供給手段１１７による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、カソード液水供給手段１１７を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、液水の温度が所定温度条件を満たすまで液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されている。
本実施の形態の水素精製システム２８０は、加湿モードにおいて、カソード流路１１０を液水で満たした後に、液水を冷却させるので、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却されて、その気体の体積収縮によってカソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
その結果、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。そして、水素精製システム２８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
そのため、水素精製モードにおける電気化学デバイス１００の内部乾燥に起因した水素純化効率の低下を抑制できる。
本実施の形態のように、水素精製システム２８０は、加湿モードにおいて、液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になるまで冷却しても良い。
これにより、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６をより大きな負圧雰囲気し、カソードガス拡散層１０６へ液水の浸透速度を速め、短時間で電気化学デバイス１００の内部を加湿することができる。
本実施の形態のように、水素精製システム２８０は、アノード流路１０９のアノード入口１１１に液水を供給するアノード液水供給手段１１６と、アノード流路１０９から電気化学デバイス１００の外部に流体を排出できるようにアノード流路１０９のアノード出口に１１２接続されたアノード排出経路１２０と、アノード排出経路１２０を開閉するアノード排出弁１２２と、をさらに備え、アノード液水供給手段１１６によってアノード流路１０９に供給される液水の温度は、カソード液水供給手段１１７によってカソード流路１１０に供給される液水の温度よりも所定温度以上低くなっていても良い。
この場合、制御器１７０は、加湿モードにおいて、カソード流路１１０が液水で満たされたことによってカソード液水供給手段１１７を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じた後に、アノード排出弁１２２が開放した状態でアノード液水供給手段１１６による液水の供給を開始して、アノード流路１０９を液水で満たした後に、アノード液水供給手段１１６を停止させるとともにアノード排出弁１２２を閉じて、カソード流路１１０の液水の温度が所定温度条件を満たすまでカソード流路１１０の液水を冷却させ、カソード流路１１０の液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されていても良い。
これにより、電解質膜－電極接合体１０４を介したアノード流路１０９内の液水との熱交換を利用して、カソード流路１１０に充填した液水の冷却速度を速めることで、カソードガス拡散層１０６への液水の浸透速度を速めるので、短時間で電気化学デバイス１００の内部を加湿することができる。
また、加湿モードにおいて、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らすのに加えて、アノード流路１０９に満たされた液水が、アノードガス拡散層１０５側から電解質膜－電極接合体１０４を湿らすので、水素精製システム２８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部を、短時間で、適度に湿った雰囲気にすることができる。
（実施の形態３）
以下、図５および図６を用いて、実施の形態３を説明する。
［３－１．構成］
図５に示すように、本実施の形態の水素精製システム３８０は、図１に示す実施の形態１の水素精製システム１８０の構成に、加湿モードにおいてカソードセパレータ１０８を介してカソード流路１１０に満たした液水を冷却させるカソード冷却手段１５２を加え、カソード液水供給手段１１７を省いて、温度調節器１５１は、温度調節器１５１の内部の液水を、カソード供給経路１１９を介してカソード流路１１０のカソード入口１１３に供給することによってカソード液水供給手段としても機能するように構成したものに相当する。
そのため、本実施の形態の水素精製システム３８０において、実施の形態１の水素精製システム１８０と同一構成については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。
温度調節器１５１は、電気化学デバイス１００において水素を精製する時に、電気化学デバイス１００の温度を、常温よりも高い水素の精製に適した設定温度に調節できるように構成されている。
温度調節器１５１は、温度調節器１５１の内部を通流する所定の温度に制御された液水と電気化学デバイス１００との熱交換によって電気化学デバイス１００の温度を調整するように構成されている。
温度調節器１５１は、電気化学デバイス１００と液水とを熱交換させる熱交換器と、所定の温度に制御した液水を貯蔵する貯水タンクと、貯水タンクの液水を熱交換器に送るポンプとが、液水が通流する配管によって環状に接続されたものである。
カソード供給経路１１９は、温度調節器１５１の内部の液水をカソード流路１１０のカソード入口１１３に供給することができるように、温度調節器１５１とカソードセパレータ１０８のカソード入口１１３とを接続している。
温度調節器１５１は、貯水タンクの液水をポンプによってカソード供給経路１１９を経てカソード入口１１３に供給する時に、カソード供給経路１１９を開放し、貯水タンクの液水をポンプによってカソード供給経路１１９を経て液水をカソード入口１１３に供給しない（電気化学デバイス１００において水素を精製する）時に、カソード触媒層１０３から排出された水素がカソード供給経路１１９を逆流して漏れ出ないように、カソード供給経路１１９を閉鎖するように構成された電磁弁を備えている。
カソード冷却手段１５２は、カソードセパレータ１０８と液水とを熱交換させる熱交換器と、所定の温度に制御した液水を貯蔵する貯水タンクと、貯水タンクの液水を熱交換器に送るポンプとが、液水が通流する配管によって環状に接続されたものである。
カソード冷却手段１５２の液水の温度は、温度調節器１５１の液水の温度よりも所定温度以上低く、カソード冷却手段１５２によってカソードセパレータ１０８を冷却しない時は、カソード冷却手段１５２のポンプによる液水の循環を停止している。
制御器１７０は、加湿モードで運転する場合は、水素含有ガス供給手段１１５および電源１５０が停止しカソード排出弁１２３が開放した状態で、温度調節器１５１による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、温度調節器１５１を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、温度計１２７で計測した液水の温度が所定温度条件を満たすまで、カソード冷却手段１５２を用いて、液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されている。
［３－２．動作］
以上のように構成された本実施の形態の水素精製システム３８０について、図５および図６に基づいて、その動作と作用を以下に説明する。
水素精製システム３８０の運転モードは、加湿モードと、水素精製モードとの２つからなる。まず、加湿モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、水素精製システム３８０が停止している（カソード冷却手段１５２と温度調節器１５１が停止しており、水素含有ガス供給手段１１５が供給動作を停止しており、電源１５０が電流を流していない）時に、加湿を開始する指示が入ると、制御器１７０は、カソード排出弁１２３の状態を確認して、弁が開いていれば開放状態を維持し、弁が閉じていれば、カソード排出弁１２３を開放する（Ｓ３０１）。
次に、制御器１７０は、温度調節器１５１を動作させて、温度調節器１５１により、カソード入口１１３（カソード流路１１０）に常温よりも高い所定温度の液水を所定流量で所定時間、供給する（Ｓ３０２）。
本実施の形態では、所定温度を６０℃に、所定時間を１０分に、所定流量を２Ｌ／ｍｉｎに、それぞれ設定した。設定時間は、水素精製システム３８０が停止している時にカソード流路１１０に残留していた気体をカソード出口１１４から排出して、カソード流路１１０に液水が満たされるために必要な時間を予め実験により確認して設定した。
次に、制御器１７０は、温度調節器１５１を停止させると共に、カソード排出弁１２３を閉じる（Ｓ３０３）。カソード排出弁１２３が閉じるまでにカソード排出弁１２３を通過した液水は、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に、流出する。
次に、制御器１７０は、カソード冷却手段１５２を動作させて、カソード冷却手段１５２により、カソード流路１１０に満たした液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になるようにカソードセパレータ１０８を介してカソード流路１１０の液水を冷却する（Ｓ３０４）。このカソード冷却手段１５２による強制冷却は、自然冷却よりもカソード流路１１０の冷却速度を速める。
このとき、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却される。
カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内の気体は、カソード冷却手段１５２の強制冷却による温度変化（温度低下）によって体積収縮して、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
次に、制御器１７０は、温度計１２７により、カソード流路１１０に満たされた液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になったか確認する（Ｓ３０５）。Ｓ３０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃未満であれば、Ｓ３０４に戻る。
Ｓ３０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、液水がカソードガス拡散層１０６へ浸透するために必要な負圧雰囲気が、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に生じている。
これにより、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。そして、水素精製システム３８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
Ｓ３０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、カソード冷却手段１５２によるカソード流路１１０の液水の冷却を停止して（Ｓ３０６）、加湿モードから水素精製モードに移行する。
次に、水素精製モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、カソード排出弁１２３を開放する（Ｓ３０７）。
次に、制御器１７０は、温度調節器１５１を動作させて、電気化学デバイス１００の温度が所定温度になる（所定温度を維持する）ようにする（Ｓ３０８）。なお、本実施の形態では、所定温度を６０℃に設定している。
次に、制御器１７０は、水素含有ガス供給手段１１５を動作させて、水素含有ガス供給手段１１５からアノード供給経路１１８を経由してアノード入口１１１（アノード流路１０９、アノードガス拡散層１０５、アノード触媒層１０２）に、水素含有ガスを所定流量で供給する（Ｓ３０９）。本実施の形態では、所定流量を５Ｌ／ｍｉｎに設定している。
次に、制御器１７０は、電源１５０を動作させて、電源１５０により、アノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ所定電流値の電流を流す（Ｓ３１０）。
所定電流値は、カソード触媒層１０３から設定流量の水素（設定された単位時間当たりの水素精製量）を得るのに必要な電流値である。本実施の形態では、所定電流値を４０Ａに設定している。
これにより、アノード触媒層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る。そして、水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１０１を透過してカソード触媒層１０３に移動し、電子（ｅ－）が電源１５０を経由してカソード触媒層１０３に移動する。そして、カソード触媒層１０３では、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）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、アノード触媒層１０２に供給された水素純度の低い水素含有ガスから、カソード触媒層１０３において水素純度の高い水素が精製（生成）される。
カソード流路１１０に満たされていた液水は、Ｓ３０７でカソード排出弁１２３が開放されたことと、重力と、カソード触媒層１０３から排出された水素による圧力で、カソード流路１１０から、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に排出される。
また、電気化学デバイス１００（電解質膜－電極接合体１０４）によって精製され、カソード触媒層１０３から排出された水素は、カソードガス拡散層１０６、カソード流路１１０、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード水素排出経路１２５に排出される（Ｓ３１１）。
電解質膜１０１を透過してアノードからカソードに移動しなかった残余のガスは、アノード出口１１２からアノード排出経路１２０に排出され、十分安全な水素濃度まで希釈されて大気へ放出される。
次に、制御器１７０は、水素の精製を終了する指示が入ったか確認する（Ｓ３１２）。
Ｓ３１２の確認の結果、終了の指示が入っていれば、制御器１７０は、電源１５０と、水素含有ガス供給手段１１５と、温度調節器１５１と、を停止させ（Ｓ３１３）、カソード排出弁１２３を閉じて、水素精製システム３８０の動作を終了する。
Ｓ３１２の確認の結果、終了の指示が入っていなければ、制御器１７０は、水素の精製を１０分間継続してから（Ｓ３１４）、Ｓ３１２に戻る。
［３－３．効果等］
以上のように本実施の形態の水素精製システム３８０は、電気化学デバイス１００と、水素含有ガス供給手段１１５と、カソード液水供給手段としての機能を有する温度調節器１５１と、カソード排出経路１２１と、カソード排出弁１２３と、電源１５０と、制御器１７０と、を備えている。
電気化学デバイス１００は、アノードとカソードとで電解質膜１０１を挟んだ電解質膜－電極接合体１０４と、アノードと接する面にアノード流路１０９が形成されたアノードセパレータ１０７と、カソードと接する面にカソード流路１１０が形成されたカソードセパレータ１０８と、を備えている。
アノードは、電解質膜１０１の一方の主面と接するアノード触媒層１０２と、アノードセパレータ１０７と接するアノードガス拡散層１０５とを有している。
カソードは、電解質膜１０１の他方の主面と接するカソード触媒層１０３と、カソードセパレータ１０８と接するカソードガス拡散層１０６とを有している。
電気化学デバイス１００は、アノード触媒層１０２に水素含有ガスが供給されアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流が流れることにより、アノード触媒層１０２に供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソード触媒層１０３から排出されるように構成されている。
水素含有ガス供給手段１１５は、アノード流路１０９のアノード入口１１１に水素含有ガスを供給するように構成されている。
温度調節器１５１は、加湿モードで運転する時は、カソード流路１１０のカソード入口１１３に常温よりも温度が高い液水を供給し、水素精製モードで運転する時は、電気化学
デバイス１００を適温に維持するように構成されている。
カソード排出経路１２１は、カソード流路１１０から電気化学デバイス１００の外部に流体を排出できるようにカソード流路１１０のカソード出口１１４に接続されている。カソード排出弁１２３は、カソード排出経路１２１を開閉できるように構成されている。
電源１５０は、電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流を流すことができるように構成されている。
制御器１７０は、電気化学デバイス１００において水素を精製する、水素精製モードで運転する時に、温度調節器１５１が電気化学デバイス１００を適温に維持しカソード排出弁１２３が開放した状態で、水素含有ガス供給手段１１５によってアノード触媒層１０２に水素含有ガスを供給し、電源１５０によってアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に電流を流すように構成されている。
制御器１７０は、水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されている。
制御器１７０は、加湿モードで運転する場合は、カソード排出弁１２３が開放した状態で温度調節器１５１による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、温度調節器１５１を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、液水の温度が所定温度条件を満たすまで液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されている。
本実施の形態の水素精製システム３８０は、加湿モードにおいて、カソード流路１１０を液水で満たした後に、液水を冷却させるので、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却されて、その気体の体積収縮によってカソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
その結果、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。そして、水素精製システム３８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
そのため、水素精製モードにおける電気化学デバイス１００の内部乾燥に起因した水素純化効率の低下を抑制できる。
本実施の形態のように、水素精製システム３８０は、加湿モードにおいて、液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になるまで冷却しても良い。
これにより、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６をより大きな負圧雰囲気し、カソードガス拡散層１０６へ液水の浸透速度を速め、短時間で電気化学デバイス１００の内部を加湿することができる。
本実施の形態のように、水素精製システム３８０は、水素精製モードにおいて、電気化学デバイス１００の温度を、常温よりも高い水素の精製に適した設定温度に調節できるように構成された温度調節器１５１を備え、温度調節器１５１は、温度調節器１５１の内部の液水と電気化学デバイス１００との熱交換によって電気化学デバイス１００の温度を調整するように構成されるとともに、温度調節器１５１の内部の液水を、カソード供給経路１１９を介してカソード流路１１０のカソード入口１１３に供給することによってカソー
ド液水供給手段としても機能するように構成されても良い。
この場合、制御器１７０は、加湿モードにおいて、温度調節器１５１を、カソード液水供給手段として機能させるのである。
このように、温度調節器１５１をカソード液水供給手段として用いるので、構成を簡素化でき、カソード入口１１３に供給する液水を加熱するために必要なエネルギーを削減でき、水素精製システム３８０の消費電力を抑えることができる。
本実施の形態のように、水素精製システム３８０は、カソードセパレータ１０８を介して、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させるカソード冷却手段１５２を備え、制御器１７０は、加湿モードにおいて、カソード冷却手段１５２を用いて、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させても良い。
このように、加湿モードにおいて、カソード冷却手段１５２を用いて、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させると、自然冷却で、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させる場合よりもカソード流路１１０の冷却速度を速めることができるので、早く加湿モードから水素精製モードに移行することができる。
（実施の形態４）
以下、図７および図８を用いて、実施の形態４を説明する。
［４－１．構成］
図７に示すように、本実施の形態の水素精製システム４８０は、図１に示す実施の形態１の水素精製システム１８０の構成に、加湿モードにおいてカソードセパレータ１０８を介してカソード流路１１０に満たした液水を冷却させるカソード冷却手段１５２を加え、水素含有ガス供給手段１１５として、炭化水素系の燃料を水素含有ガスに改質させる改質器を用い、カソード液水供給手段として、カソード流路１１０のカソード入口１１３に供給する液水を改質器との熱交換によって加熱するように構成された改質器用熱交換手段１５３を用いたものに相当する。
そのため、本実施の形態の水素精製システム４８０において、実施の形態１の水素精製システム１８０や実施の形態３の水素精製システム３８０と同一構成については、同一符号を付して、重複する説明は省略する。
カソード冷却手段１５２は、カソードセパレータ１０８と液水とを熱交換させる熱交換器と、所定の温度に制御した液水を貯蔵する貯水タンクと、貯水タンクの液水を熱交換器に送るポンプとが、液水が通流する配管によって環状に接続されたものである。
カソード冷却手段１５２の液水の温度は、温度調節器１５１の液水の温度よりも所定温度以上低く、カソード冷却手段１５２によってカソードセパレータ１０８を冷却しない時は、カソード冷却手段１５２のポンプによる液水の循環を停止している。
改質器用熱交換手段１５３は、改質器（水素含有ガス供給手段１１５）と液水とを熱交換させる熱交換器と、改質器（水素含有ガス供給手段１１５）とを熱交換した液水を貯蔵する貯水タンクと、貯水タンクの液水をカソード供給経路１１９を経てカソード入口１１３に送るとともに熱交換器と貯水タンクとの間で液水を循環させるポンプと、電磁弁と、が、液水が通流する配管によって接続されたものである。
カソード供給経路１１９は、改質器用熱交換手段１５３の液水をカソード流路１１０の
カソード入口１１３に供給することができるように、改質器用熱交換手段１５３とカソードセパレータ１０８のカソード入口１１３とを接続している。
改質器用熱交換手段１５３は、水素含有ガス供給手段１１５における改質反応で生じた熱を熱交換器で回収して、貯水タンクの液水を温度制御する。
熱交換器で温度制御された液水は、ポンプによって、カソード供給経路１１９を経由して、カソード入口１１３に供給させる。
改質器用熱交換手段１５３の電磁弁は、改質器（水素含有ガス供給手段１１５）と熱交換した液水をポンプによってカソード供給経路１１９を経てカソード入口１１３に供給する時に、カソード供給経路１１９を開放し、改質器（水素含有ガス供給手段１１５）と熱交換した液水をポンプによってカソード供給経路１１９を経てカソード入口１１３に供給しない（電気化学デバイス１００において水素を精製する）時に、カソード触媒層１０３から排出された水素がカソード供給経路１１９を逆流して漏れ出ないように、カソード供給経路１１９を閉鎖するように構成されている。
制御器１７０は、加湿モードで運転する場合は、水素含有ガス供給手段１１５および電源１５０が停止しカソード排出弁１２３が開放した状態で、改質器用熱交換手段１５３による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、改質器用熱交換手段１５３からの液水の供給を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、温度計１２７で計測した液水の温度が所定温度条件を満たすまで、カソード冷却手段１５２を用いて、液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されている。
［４－２．動作］
以上のように構成された本実施の形態の水素精製システム４８０について、図７および図８に基づいて、その動作と作用を以下に説明する。
水素精製システム４８０の運転モードは、加湿モードと、水素精製モードとの２つからなる。まず、加湿モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、水素精製システム４８０が停止している（カソード冷却手段１５２と温度調節器１５１が停止しており、水素含有ガス供給手段１１５（改質器）が供給動作を停止しており、電源１５０が電流を流していない）時に、加湿を開始する指示が入ると、制御器１７０は、カソード排出弁１２３の状態を確認して、弁が開いていれば開放状態を維持し、弁が閉じていれば、カソード排出弁１２３を開放する（Ｓ４０１）。
次に、制御器１７０は、改質器用熱交換手段１５３を動作させて、改質器用熱交換手段１５３により、カソード入口１１３（カソード流路１１０）に常温よりも高い所定温度の液水を所定流量で所定時間、供給する（Ｓ４０２）。
本実施の形態では、所定温度を６０℃に、所定時間を１０分に、所定流量を２Ｌ／ｍｉｎに、それぞれ設定した。設定時間は、水素精製システム４８０が停止している時にカソード流路１１０に残留していた気体をカソード出口１１４から排出して、カソード流路１１０に液水が満たされるために必要な時間を予め実験により確認して設定した。
次に、制御器１７０は、改質器用熱交換手段１５３を停止させると共に、カソード排出弁１２３を閉じる（Ｓ４０３）。カソード排出弁１２３が閉じるまでにカソード排出弁１２３を通過した液水は、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に
流出する。
次に、制御器１７０は、カソード冷却手段１５２を動作させて、カソード冷却手段１５２により、カソード流路１１０に満たした液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になるようにカソードセパレータ１０８を介してカソード流路１１０の液水を冷却する（Ｓ４０４）。このカソード冷却手段１５２による強制冷却は、自然冷却よりもカソード流路１１０の冷却速度を速める。
このとき、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却される。
カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内の気体は、カソード冷却手段１５２の強制冷却による温度変化（温度低下）によって体積収縮して、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
次に、制御器１７０は、温度計１２７により、カソード流路１１０に満たされた液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になったか確認する（Ｓ４０５）。Ｓ４０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃未満であれば、Ｓ４０４に戻る。
Ｓ４０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、液水がカソードガス拡散層１０６へ浸透するために必要な負圧雰囲気が、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に生じている。
これにより、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。そして、水素精製システム４８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
Ｓ４０５の確認の結果、温度変化（温度低下）が２０℃以上になっていれば、カソード冷却手段１５２によるカソード流路１１０の液水の冷却を停止して（Ｓ４０６）、加湿モードから水素精製モードに移行する。
次に、水素精製モードについて説明する。
まず、制御器１７０は、カソード排出弁１２３を開放する（Ｓ４０７）。
次に、制御器１７０は、温度調節器１５１を動作させて、電気化学デバイス１００の温度が所定温度になる（所定温度を維持する）ようにする（Ｓ４０８）。なお、本実施の形態では、所定温度を６０℃に設定している。
次に、制御器１７０は、水素含有ガス供給手段１１５（改質器）を動作させて、水素含有ガス供給手段１１５（改質器）からアノード供給経路１１８を経由してアノード入口１１１（アノード流路１０９、アノードガス拡散層１０５、アノード触媒層１０２）に、水素含有ガスを所定流量で供給する（Ｓ４０９）。本実施の形態では、所定流量を５Ｌ／ｍｉｎに設定している。
次に、制御器１７０は、電源１５０を動作させて、電源１５０により、アノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ所定電流値の電流を流す（Ｓ４１０）。
所定電流値は、カソード触媒層１０３から設定流量の水素（設定された単位時間当たりの水素精製量）を得るのに必要な電流値である。本実施の形態では、所定電流値を４０Ａに設定している。
これにより、アノード触媒層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る。そして、水素イオン（Ｈ＋）が電解質膜１０１を透過してカソード触媒層１０３に移動し、電子（ｅ－）が電源１５０を経由してカソード触媒層１０３に移動する。そして、カソード触媒層１０３では、（化２）に示す、水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ－）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、アノード触媒層１０２に供給された水素純度の低い水素含有ガスから、カソード触媒層１０３において水素純度の高い水素が精製（生成）される。
カソード流路１１０に満たされていた液水は、Ｓ４０７でカソード排出弁１２３が開放されたことと、重力と、カソード触媒層１０３から排出された水素による圧力で、カソード流路１１０から、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード液水排出経路１２６に排出される。
また、電気化学デバイス１００（電解質膜－電極接合体１０４）によって精製され、カソード触媒層１０３から排出された水素は、カソードガス拡散層１０６、カソード流路１１０、カソード出口１１４、カソード排出経路１２１を経由した後に、カソード気液分離手段１２４からカソード水素排出経路１２５に排出される（Ｓ４１１）。
電解質膜１０１を透過してアノードからカソードに移動しなかった残余のガスは、アノード出口１１２からアノード排出経路１２０に排出され、十分安全な水素濃度まで希釈されて大気へ放出される。
次に、制御器１７０は、水素の精製を終了する指示が入ったか確認する（Ｓ４１２）。
Ｓ４１２の確認の結果、終了の指示が入っていれば、制御器１７０は、電源１５０と、水素含有ガス供給手段１１５と、温度調節器１５１と、を停止させ（Ｓ４１３）、カソード排出弁１２３を閉じて、水素精製システム４８０の動作を終了する。
Ｓ４１２の確認の結果、終了の指示が入っていなければ、制御器１７０は、水素の精製を１０分間継続してから（Ｓ４１４）、Ｓ４１２に戻る。
［４－３．効果等］
以上のように本実施の形態の水素精製システム４８０は、電気化学デバイス１００と、水素含有ガス供給手段１１５と、カソード液水供給手段の機能を有する改質器用熱交換手段１５３と、カソード排出経路１２１と、カソード排出弁１２３と、電源１５０と、制御器１７０と、を備えている。
電気化学デバイス１００は、アノードとカソードとで電解質膜１０１を挟んだ電解質膜－電極接合体１０４と、アノードと接する面にアノード流路１０９が形成されたアノードセパレータ１０７と、カソードと接する面にカソード流路１１０が形成されたカソードセパレータ１０８と、を備えている。
アノードは、電解質膜１０１の一方の主面と接するアノード触媒層１０２と、アノード
セパレータ１０７と接するアノードガス拡散層１０５とを有している。
カソードは、電解質膜１０１の他方の主面と接するカソード触媒層１０３と、カソードセパレータ１０８と接するカソードガス拡散層１０６とを有している。
電気化学デバイス１００は、アノード触媒層１０２に水素含有ガスが供給されアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流が流れることにより、アノード触媒層１０２に供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソード触媒層１０３から排出されるように構成されている。
水素含有ガス供給手段１１５は、アノード流路１０９のアノード入口１１１に水素含有ガスを供給するように構成されている。
カソード排出経路１２１は、カソード流路１１０から電気化学デバイス１００の外部に流体を排出できるようにカソード流路１１０のカソード出口１１４に接続されている。カソード排出弁１２３は、カソード排出経路１２１を開閉できるように構成されている。
電源１５０は、電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に所定方向の電流を流すことができるように構成されている。
制御器１７０は、電気化学デバイス１００において水素を精製する、水素精製モードで運転する時に、改質器用熱交換手段１５３が停止しており、カソード排出弁１２３が開放した状態で、水素含有ガス供給手段１１５によってアノード触媒層１０２に水素含有ガスを供給し、電源１５０によってアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に電流を流すように構成されている。
制御器１７０は、水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されている。
制御器１７０は、加湿モードで運転する場合は、カソード排出弁１２３が開放した状態で改質器用熱交換手段１５３による液水の供給を開始して、カソード流路１１０を液水で満たした後に、改質器用熱交換手段１５３を停止させるとともにカソード排出弁１２３を閉じて、液水の温度が所定温度条件を満たすまで液水を冷却させ、液水の温度が所定温度条件を満たした後に、水素精製モードに移行するように構成されている。
本実施の形態の水素精製システム４８０は、加湿モードにおいて、カソード流路１１０を液水で満たした後に、液水を冷却させるので、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に残留していた気体も同時に冷却されて、その気体の体積収縮によってカソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６内に負圧雰囲気が生じる。
その結果、カソード流路１１０に満たされた液水が、カソードガス拡散層１０６へ浸透し、カソード触媒層１０３、電解質膜１０１、アノード触媒層１０２を順に湿らす。そして、水素精製システム４８０が停止していたことで乾燥していた電気化学デバイス１００の内部が適度に湿った雰囲気になる。
そのため、水素精製モードにおける電気化学デバイス１００の内部乾燥に起因した水素純化効率の低下を抑制できる。
本実施の形態のように、水素精製システム４８０は、加湿モードにおいて、液水の温度変化（温度低下）が２０℃以上になるまで冷却しても良い。
これにより、カソード触媒層１０３およびカソードガス拡散層１０６をより大きな負圧雰囲気し、カソードガス拡散層１０６へ液水の浸透速度を速め、短時間で電気化学デバイス１００の内部を加湿することができる。
本実施の形態のように、水素精製システム４８０は、カソードセパレータ１０８を介して、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させるカソード冷却手段１５２を備え、制御器１７０は、加湿モードにおいて、カソード冷却手段１５２を用いて、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させても良い。
このように、加湿モードにおいて、カソード冷却手段１５２を用いて、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させると、自然冷却で、カソード流路１１０に満たした液水を冷却させる場合よりもカソード流路１１０の冷却速度を速めることができるので、早く加湿モードから水素精製モードに移行することができる。
本実施の形態のように、水素精製システム４８０は、水素含有ガス供給手段１１５として、炭化水素系の燃料を水素含有ガスに改質させる改質器を用い、カソード液水供給手段として、カソード流路１１０のカソード入口１１３に供給する液水を改質器との熱交換によって加熱するように構成された改質器用熱交換手段１５３を用い、制御器１７０は、改質器用熱交換手段１５３により加熱された液水をカソード入口１１３に供給しても良い。
これにより、改質器用熱交換手段１５３をカソード液水供給手段として用いるので、カソード入口１１３に供給する液水を加熱制御するために必要なエネルギーを削減でき、水素精製システム４８０の消費電力を抑えることができる。
（その他の実施の形態）
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から４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、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から４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。
そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
本実施の形態１～６では、水素精製モードにおいて、水素精製の指示が入った場合は、水素精製システム１８０、２８０、３８０、４８０の動作を終了するようにしたが、加湿モードに戻ってもよい。
これにより、水素精製モード終了後に、加湿モードを直ぐに動作させることができ、水素精製システム４８０の稼働率を上げることができる。
本実施の形態１～４および６では、温度調節器１５１にヒーターを用いてもよい。
これにより、水素精製システム４８０をコンパクト化できる。
本実施の形態３～４では、カソード冷却手段１５２の冷媒に液水を用いたが、それ以外の熱媒体を用いてもよい。また、ペルチェ素子等のその他の冷却手段を用いてもよい。
これにより、水素精製システム４８０をコンパクト化できる。
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 アノード触媒層
１０３ カソード触媒層
１０４ 電解質膜－電極接合体
１０５ アノードガス拡散層
１０６ カソードガス拡散層
１０７ アノードセパレータ
１０８ カソードセパレータ
１０９ アノード流路
１１０ カソード流路
１１１ アノード入口
１１２ アノード出口
１１３ カソード入口
１１４ カソード出口
１１５ 水素含有ガス供給手段
１１６ アノード液水供給手段
１１７ カソード液水供給手段
１１８ アノード供給経路
１１９ カソード供給経路
１２０ アノード排出経路
１２１ カソード排出経路
１２２ アノード排出弁
１２３ カソード排出弁
１２４ カソード気液分離手段
１２５ カソード水素排出経路
１２６ カソード液水排出経路
１２７ 温度計
１５０ 電源
１５１ 温度調節器
１５２ カソード冷却手段
１５３ 改質器用熱交換手段
１７０ 制御器
１８０，２８０，３８０，４８０ 水素精製システム

Claims (6)

  1. アノードとカソードとで電解質膜を挟んだ電解質膜－電極接合体と、前記アノードと接する面にアノード流路が形成されたアノードセパレータと、前記カソードと接する面にカソード流路が形成されたカソードセパレータと、を備え、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る水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、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、
    前記アノード流路の入口に前記水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給手段と、
    前記カソード流路の入口に常温よりも温度が高い液水を供給するカソード液水供給手段と、
    前記カソード流路から前記電気化学デバイスの外部に流体を排出できるように前記カソード流路の出口に接続されたカソード排出経路と、
    前記カソード排出経路を開閉するカソード排出弁と、
    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ための電源と、
    前記電気化学デバイスにおいて水素を精製する、水素精製モードで運転する時に、前記カソード液水供給手段が停止し前記カソード排出弁が開放した状態で、前記水素含有ガス供給手段によって前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記電源によって前記アノードと前記カソードとの間に前記電流を流す制御器と、
    を備えた水素精製システムであって、
    前記アノードは、前記電解質膜の一方の主面と接するアノード触媒層と、前記アノードセパレータと接するアノードガス拡散層とを有し、
    前記カソードは、前記電解質膜の他方の主面と接するカソード触媒層と、前記カソードセパレータと接するアノードガス拡散層とを有し、
    前記制御器は、前記水素精製モードで運転する前に、加湿モードで運転を行うように構成されており、
    前記制御器は、前記加湿モードで運転する場合は、前記カソード排出弁が開放した状態で前記カソード液水供給手段による前記液水の供給を開始して、前記カソード流路を前記液水で満たした後に、前記カソード液水供給手段を停止させるとともに前記カソード排出弁を閉じて、前記液水の温度が所定温度条件を満たすまで前記液水を冷却させ、前記液水の温度が所定温度条件を満たした後に、前記水素精製モードに移行するように構成されている、
    水素精製システム。
  2. 前記制御器は、前記加湿モードにおいて、前記液水の温度が２０℃以上低下するまで前記液水を冷却させる、
    請求項１に記載の水素精製システム。
  3. 前記アノード流路の入口に液水を供給するアノード液水供給手段と、
    前記アノード流路から前記電気化学デバイスの外部に流体を排出できるように前記アノード流路の出口に接続されたアノード排出経路と、
    前記アノード排出経路を開閉するアノード排出弁と、
    をさらに備え、
    前記アノード液水供給手段によって前記アノード流路に供給される液水の温度が、前記カソード液水供給手段によって前記カソード流路に供給される液水の温度よりも所定温度以上低くなっており、
    前記制御器は、前記加湿モードにおいて、前記カソード流路が前記液水で満たされたことによって前記カソード液水供給手段を停止させるとともに前記カソード排出弁を閉じた後に、前記アノード排出弁が開放した状態で前記アノード液水供給手段による前記液水の
    供給を開始して、前記アノード流路を前記液水で満たした後に、前記アノード液水供給手段を停止させるとともに前記アノード排出弁を閉じて、前記カソード流路の前記液水の温度が所定温度条件を満たすまで前記カソード流路の前記液水を冷却させ、前記カソード流路の前記液水の温度が所定温度条件を満たした後に、前記水素精製モードに移行するように構成されている、
    請求項１または２に記載の水素精製システム。
  4. 前記カソードセパレータを介して、前記カソード流路に満たした液水を冷却させるカソード冷却手段を、さらに備え、
    前記制御器は、前記加湿モードにおいて、前記カソード冷却手段を用いて、前記カソード流路に満たした液水を冷却させる、
    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. 前記水素精製モードにおいて、前記電気化学デバイスの温度を、常温よりも高い水素の精製に適した設定温度に調節できるように構成された温度調節器を、さらに備え、
    前記温度調節器は、前記温度調節器の内部の液水と前記電気化学デバイスとの熱交換によって前記電気化学デバイスの温度を調整するように構成されるとともに、前記温度調節器の内部の液水を、カソード供給経路を介して前記カソード流路の入口に供給することによって前記カソード液水供給手段としても機能するように構成されており、
    前記制御器は、前記加湿モードにおいて、前記温度調節器を、前記カソード液水供給手段として機能させる、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の水素精製システム。
  6. 前記水素含有ガス供給手段は、炭化水素系の燃料を水素含有ガスに改質させる改質器であり、
    前記カソード液水供給手段は、前記カソード流路の入口に供給する液水を前記改質器との熱交換によって加熱するように構成された改質器用熱交換手段である、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の水素精製システム。
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