JP2022169883A - 水素精製システム - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、カソードの経時的な乾燥に起因した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は、水素精製モードで運転しているときに、アノード触媒層とカソード触媒層との間の電圧が正常値よりも高く設定された所定値以上になったことから、カソード触媒層が乾燥して水素純化効率が低下したと判断すると、カソード流路とアノード流路のガスの圧力差を小さくすることによって、圧力差でカソード触媒層からアノード触媒層に移動する水分を減らし、電気化学デバイスに供給する水素含有ガスと電流とを水素利用率が変わらないように増加させることによって、水素イオンに随伴してアノード触媒層からカソード触媒層に移動する水分を増やすことで、カソード触媒層を加湿することができる。【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。

特許文献１は、電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ電気化学デバイスのアノードに、水素純度の低い水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を経てカソードへ電流を流すことによって、カソードから水素純度の高い高圧の水素を得る水素精製システムを開示している。

特開２０１９－２１０２０５号公報

本開示は、水素を精製するための運転中にカソードが乾燥して水素純化効率が低下したと判断すると、カソードを加湿して、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。

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、電源と、電圧計と、アノード圧力調整手段と、カソード圧力調整手段と、制御器と、を備えている。

電気化学デバイスは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、アノードと当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、カソードと当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。

電気化学デバイスは、アノード流路を介してアノードに水素含有ガスが供給されているときに、アノードから電解質膜を介してカソードへ電流が流されると、アノードに供給された水素含有ガスに含まれる水素を、電解質膜を介してカソードに昇圧して送って、カソード流路から排出するように構成されている。

水素含有ガス供給手段は、水蒸気を含む水素含有ガスを、指示された供給量で、アノード流路を介してアノードに供給できるように構成されている。

電源は、アノードの電位をカソードの電位よりも高くして、アノードから電解質膜を介してカソードへ、指示された電流値の電流を流すことができるように構成されている。電圧計は、アノードとカソードとの間の電圧を計測できるように構成されている。

アノード圧力調整手段は、アノード流路の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されている。カソード圧力調整手段は、カソード流路の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されている。

水素精製システムは、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
転するときは、制御器の制御によって、水素含有ガス供給手段が指示された供給量でアノードに水素含有ガスを供給し、電源がアノードから電解質膜を介してカソードへ指示された電流値の電流を流し、アノード圧力調整手段とカソード圧力調整手段とによりカソード流路の圧力がアノード流路の圧力よりも所定圧力だけ高くなるように調整される。

制御器は、水素精製モードでの運転中に、電圧計により計測した電圧が正常値よりも高く設定された所定値以上になった場合に、加湿モードに移行するように構成されている。

加湿モードに移行すると、制御器は、カソード流路とアノード流路の圧力差が所定値まで小さくなるように、アノード圧力調整手段とカソード圧力調整手段を調整して、水素含有ガス供給手段に指示する供給量と電源に指示する電流値の両方を、電気化学デバイスの水素利用率が変化しないように増加させる。

本開示における水素精製システムは、水素を精製するための運転中にカソードが乾燥して水素純化効率が低下したと判断すると、カソードを加湿することができる。そのため、カソードの経時的な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

（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、電解質膜をアノードとカソードとで挟んだ電気化学デバイスのアノードに、水素純度の低い水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を経てカソードへ電流を流すことによって、カソードから水素純度の高い高圧の水素を得る水素精製システムの技術があった。

水素精製システムには、水素を生成・昇圧させる水素精製モードでの運転を長く続けると、水素純化効率が低下する課題があった。

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。

当該業界では、水素精製システムの水素純化効率の低下は、電気化学デバイスの電解質膜の乾燥が要因であると推定し、電解質膜が乾燥したと思われるタイミングで、例えば、電気化学デバイス外部の湿度調節器により、電解質膜を加湿する方法が検討されていた。

しかし、電気化学デバイス内部の乾燥による水素純化効率の低下について、内部乾燥のメカニズムや、その評価方法について、十分な検討がされていなかった。

また、対策として、湿度調節器等の新たな部品を設けずに、電気化学デバイスの乾燥を抑制する方法が望まれていた。

そうした状況において、発明者らは、水素純化効率が低下する要因として、更にカソードを構成する高分子電解質が乾燥し、水素イオン伝導性が低下する課題を発見した。

そして、アノードとカソードの間で水が移動するメカニズムをヒントにして、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、水素を精製するための運転中にカソードが乾燥して水素純化効率が低下したと判断すると、カソードとアノードのガスの圧力差を小さくすることによってカソードからアノードに移動する水分を減らし、水素イオンに随伴してアノードからカソードに移動する水分を増やすことで、カソードを加湿して、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、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及び図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１１４と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、電源１２０と、電圧計１２１と、温度調節手段１２３と、制御器１５０と、を備えている。

電気化学デバイス１００は、水素イオン伝導性の高分子からなる電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の主面に設けられたアノードと、電解質膜１０１の他方の主面に設けられたカソードと、アノードと当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、カソードと当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。

また、電気化学デバイス１００は、アノード流路１０９を介してアノードに水素含有ガスが供給されているときに、アノードから電解質膜１０１を介してカソードへ電流が流されると、アノードに供給された水素含有ガスに含まれる水素を、電解質膜１０１を介してカソードに昇圧して送って、カソード流路１１０から排出するように構成されている。

アノードは、２層構造になっていて、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、２層構造になっていて、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、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。

電気化学デバイス１００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使用される。

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及びカソード触媒層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及びカソード触媒層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及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残余のガスを、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には、カソード流路１１０とカソード出口１１３が、それぞれ設けられる。

カソード出口１１３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に流出した精製水素を、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１１
０とカソード出口１１３とが接続する部分は、カソード触媒層１０３の主面における下端部近傍である。

アノードセパレータ１０７及びカソードセパレータは、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及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、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層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されると、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１２０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水素が、カソード触媒層１０３からカソードガス拡散層１０６を介してカソード流路１１０に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１１４は、アノード供給経路１１５を介してアノードセパレータ１０７のアノード入口１１１に、水蒸気を含む所定の温度に調整された水素含有ガスを、制御器１５０に指示された供給量で供給するように構成されている。そして、アノード入口１１１に供給された水素含有ガスは、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に供給される。

本実施の形態では、水素含有ガス供給手段１１４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ている。

水素含有ガスには、水素以外の不純物ガスとして、水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素、アンモニア等が含まれる。なお、一酸化炭素がアノード触媒層１０２、またはカソード触媒層１０３に吸着することで生じる触媒被毒を抑制するために、不純物ガスとして、酸素を含ませることもある。

アノード供給経路１１５は、水素含有ガス供給手段１１４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１１４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。

アノード排出経路１１６は、アノードセパレータ１０７のアノード出口１１２に接続されている。アノード排出経路１１６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残余のガスを、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。

アノード圧力調整手段１１８は、アノード排出経路１１６の途中に設けられる。アノード圧力調整手段１１８は、アノード流路１０９のガスの圧力を設定圧力に保つための背圧弁と、背圧弁よりも上流側のアノード排出経路１１６のガスを吸引する減圧ポンプと、減圧ポンプから排出されたガスを貯めるバッファータンクと、背圧弁よりも上流側のアノード排出経路１１６のガスの圧力を計測する圧力計と、アノード出口１１２から排出されるガス流量を計測する流量計と、を備えている。

アノード圧力調整手段１１８は、アノード流路１０９のガスの圧力の数値と、アノード出口１１２から排出される残余のガス流量の数値とを、それぞれの目標とする数値に調整できるように構成されている。

カソード排出経路１１７は、カソードセパレータのカソード出口１１３に接続される。カソード排出経路１１７は、カソード流路１１０の精製水素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。

カソード圧力調整手段１１９は、カソード排出経路１１７の途中に設けられる。カソード圧力調整手段１１９は、カソード流路１１０の水素の圧力を設定圧力に保つための背圧弁と、背圧弁よりも上流側のカソード排出経路１１７の水素を吸引する減圧ポンプと、減圧ポンプから排出された水素を貯めるバッファータンクと、背圧弁よりも上流側のカソード排出経路１１７の水素の圧力を計測する圧力計と、カソード出口１１３から排出されるガス流量を計測する流量計と、を備えている。

カソード圧力調整手段１１９は、カソード流路１１０のガスの圧力の数値と、カソードセパレータのカソード出口１１３から排出される精製水素の流量の数値とを、それぞれの目標とする数値に調整できるように構成されている。

電源１２０は、アノード触媒層１０２の電位をカソード触媒層１０３の電位よりも高くして、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、制御器１５０に指示された電流値の電流を流すことができるように構成された定電流型の直流電源である。

電源１２０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１２０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。

電圧計１２１は、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３とに電気的に接続されており、水素精製システム１８０の起動後から終了指示か入るまでの間において、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧を計測するように構成されている。

温度調節手段１２３は、電気化学デバイス１００と接するように設けられ、電気化学デバイス１００の温度を計測する温度計と、ヒーターとを備え、電気化学デバイス１００の温度を、所定の温度に調節できるように構成されている。

制御器１５０は、水素含有ガス供給手段１１４と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、電源１２０と、電圧計１２１と、温度調節手段１２３と、に接続されている。

制御器１５０は、水素含有ガス供給手段１１４と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、電源１２０と、電圧計１２１と、温度調節手段１２３と、を制御することができるように構成されている。

水素精製システム１８０は、電気化学デバイス１００が、水素含有ガス供給手段１１４からアノード流路１０９に所定の流量で供給された水素含有ガスに含まれる水素を、電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３に昇圧して送って、カソード流路１１０から所定の流量で排出するように、水素精製モードで運転するときは、制御器１５０の制御によって、温度調節手段１２３が電気化学デバイス１００の温度を指示された所定の温度（水素精製に適した温度）に調節し、水素含有ガス供給手段１１４が指示された供給量でアノ
ード入口１１１に水素含有ガスを供給し、電源１２０がアノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ指示された電流値の電流を流し、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９とによりカソード流路１１０のガスの圧力がアノード流路１０９のガスの圧力よりも所定圧力だけ高くなるように調整されるように構成されている。

制御器１５０は、水素精製モードでの運転中に、電圧計１２１により計測した電圧が正常値よりも高く設定された所定値以上になった場合に、加湿モードに移行するように構成されている。

加湿モードに移行すると、制御器１５０は、カソード流路１１０とアノード流路１０９の圧力差が所定値まで小さくなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整して、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量と電源１２０に指示する電流値の両方を、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が変化しないように増加させるように構成されている。

ここで、水素利用率とは、カソード流路１１０から排出する水素の流量を、水素含有ガス供給手段１１４からアノード流路１０９に供給した水素含有ガスに含まれる水素の流量で割った比率である。

［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及び図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、水素精製モードと、加湿モードとの２つからなる。まず、水素精製モードについて説明する。

まず、制御器１５０は、温度調節手段１２３に対して、所定の温度として、６０℃を指示して、電気化学デバイス１００の温度が６０℃になる（６０℃を維持する）ように、温度調節手段１２３を作動させる（Ｓ１０１）。

本実施の形態の電気化学デバイス１００にとって、６０℃という温度は、水素精製の効率が良い温度である。

次に、制御器１５０は、水素含有ガスがアノード入口１１１に所定条件（温度、組成、流量）で供給されるように、水素含有ガス供給手段１１４を作動させる（Ｓ１０２）。

このとき、制御器１５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４がアノード入口１１１に供給する水素含有ガスの温度は、６０℃である。

また、制御器１５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４がアノード入口１１１に供給する水素含有ガスの組成は、水素が８０％で、二酸化炭素が２０％で、露点が６０℃である。なお、水素と二酸化炭素の組成比率の数値は、水蒸気を除いた状態の水素含有ガスの組成比率である。

また、制御器１５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４がアノード入口１１１に供給する水素含有ガスの流量は、電気化学デバイス１００と水素含有ガスの温度と水素含有ガスの組成とが、上記条件を満たしているときに、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０．３Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流を流した場合に、水素利用率が８５％になる流量（所定流量）である。

次に、制御器１５０は、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０．３Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流が流れるように、電源１２０を作動させる（Ｓ１０３）。

本実施の形態の水素精製システム１８０では、電気化学デバイス１００と水素含有ガスの温度と水素含有ガスの組成とが、上記条件を満たしているときに、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０．３Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流を流すと、電気化学デバイス１００の水素利用率が８５％になり、カソード出口１１３から単位時間当たりに所定の水素精製量を得ることができる。

Ｓ１０３を実行することにより、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１２０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、電気化学デバイス１００は、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に供給された水素含有ガスに含まれる水素を、カソード触媒層１０３に移動させることによって、水素含有ガスの水素を精製して、カソード触媒層１０３からカソードガス拡散層１０６を介してカソード流路１１０に、精製された水素を排出する。

次に、制御器１５０は、カソード流路１１０の水素の圧力がアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力よりも所定圧力（１００ｋＰａ）だけ高くなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整する（Ｓ１０４）。

電気化学デバイス１００において、水素含有ガスから精製・昇圧された精製水素は、カソード出口１１３から、カソード排出経路１１７に排出され、カソード排出経路１１７の途中でカソード圧力調整手段１１９を通過する。

水素含有ガス供給手段１１４からアノード流路１０９に供給された水素含有ガスのうちで電解質膜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１１６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。

ここで、アノード触媒層１０２及びカソード触媒層１０３の湿り具合を把握するため、アノード出口１１２とカソード出口１１３のそれぞれから排出されるガスの水分量比を評価した結果、アノード側：カソード側＝６５：３５となっていたことから、アノード触媒層１０２に比べてカソード触媒層１０３が乾燥している（カソード触媒層１０３の含水量が適量よりも少ない）ことが把握された。

次に、制御器１５０は、電圧計１２１によって、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧Ｖを計測し（Ｓ１０５）、Ｓ１０５で計測した電圧Ｖが所定電圧（５５ｍＶ）以上になったか確認する（Ｓ１０６）。

本実施の形態では、電気化学インピーダンス法等の電気化学解析を用いて、Ｓ１０１からＳ１０４を実行した後のカソード触媒層１０３が乾燥した（カソード触媒層１０３の含水量が適量よりも少ない）状態になることを把握し、その際の電圧を予め実験により確認して、Ｓ１０６における所定電圧を５５ｍＶに設定している。

Ｓ１０６の確認の結果、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧Ｖが所定電圧（５５ｍＶ）以上になっていなければ、Ｓ１０６をＮｏ側に分岐して、現状の水素精製モードでの運転を１０分間継続してから（Ｓ１０７）、Ｓ１０５に戻る。

Ｓ１０６の確認の結果、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧Ｖが所定電圧（５５ｍＶ）以上になっていれば、カソード触媒層１０３が乾燥した（カソード触媒層１０３の含水量が適量よりも少ない）と判断して、加湿モードに移行する。

次に、加湿モードについて説明する。

Ｓ１０６の確認の結果、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧Ｖが所定電圧（５５ｍＶ）以上になっていれば、Ｓ１０６をＹｅｓ側に分岐して、制御器１５０は、カソード流路１１０の水素の圧力とアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力との圧力差が０ｋＰａになるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整する（Ｓ１０８）。

これにより、カソード流路１１０の水素の圧力がアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力よりも高いことに起因したカソード触媒層１０３からアノード触媒層１０２への水の移動を抑制でき、カソード触媒層１０３の乾燥を抑制できる。

ここで、アノード触媒層１０２及びカソード触媒層１０３の湿り具合を把握するため、アノード出口１１２とカソード出口１１３のそれぞれから排出されるガスの水分量比を評価した結果、アノード側：カソード側＝４８：５２となっていたことから、Ｓ１０８を実行することによって、Ｓ１０８を実行する前よりもカソード触媒層１０３が加湿されている（カソード触媒層１０３の含水量が増加した）ことが把握された。

次に、制御器１５０は、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量（水素含有ガス供給手段１１４による水素含有ガスの供給量）と電源１２０に指示する電流値（電源１２０が流す電流）の両方を、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間を流れる電流の電流密度が０．８Ａ／ｃｍ^２に達するまで、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が８５％から変化しないように徐々に増加させる（Ｓ１０９）。

これにより、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へ流れる水素イオン（Ｈ^＋）に随伴する水の移動（電気浸透現象）を促進し、カソード触媒層１０３を加湿（カソード触媒層１０３の含水量を増加）できる。

ここで、アノード触媒層１０２及びカソード触媒層１０３の加湿状態を把握するため、アノード出口１１２とカソード出口１１３のそれぞれから排出されるガスの水分量比を評価した結果、アノード側：カソード側＝４３：５７となっていたことから、Ｓ１０９を実行することによって、Ｓ１０９を実行する前よりもカソード触媒層１０３が加湿されてい
る（カソード触媒層１０３の含水量が増加した）ことが把握された。

次に、制御器１５０は、電圧計１２１によって、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧を計測し、計測した電圧が所定電圧（８０ｍＶ）以下になったか確認する（Ｓ１１０）。

本実施の形態では、Ｓ１０８及びＳ１０９を実行することによって、カソード触媒層１０３が十分に加湿された状態になることを、電気化学インピーダンス法等の電気化学解析を用いて予め把握し、Ｓ１０９で設定した所定電流（０．８Ａ／ｃｍ^２）におけるカソード触媒層１０３が十分に加湿された状態の電圧を予め実験により確認して、Ｓ１１０における所定電圧を８０ｍＶに設定している。

Ｓ１１０の確認の結果、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧が所定電圧（８０ｍＶ）以下になっていなければ、Ｓ１１０をＮｏ側に分岐して、現状の加湿モードでの運転を１０分間継続してから（Ｓ１１１）、Ｓ１１０に戻る。

Ｓ１１０の確認の結果、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧が所定電圧（８０ｍＶ）以下になっていれば、カソード触媒層１０３が十分に加湿されたと判断して、Ｓ１１０をＹｅｓ側に分岐して、制御器１５０は、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量（水素含有ガス供給手段１１４による水素含有ガスの供給量）と電源１２０に指示する電流値（電源１２０が流す電流）の両方を、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間を流れる電流の電流密度が０．３Ａ／ｃｍ^２に達するまで、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が８５％から変化しないように徐々に減少させる（Ｓ１１２）。

次に、制御器１５０は、カソード流路１１０の水素の圧力がアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力よりも所定圧力（１００ｋＰａ）だけ高くなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整する（Ｓ１１３）。

次に、制御器１５０は、水素精製モードを終了する指示が入ったか否かを確認する（Ｓ１１４）。Ｓ１１４の確認の結果、終了の指示が入っていなければ、Ｓ１１４をＮｏ側に分岐して、水素精製モードのＳ１０５に戻る。

Ｓ１１４の確認の結果、終了の指示が入っていれば、Ｓ１１４をＹｅｓ側に分岐して、制御器１５０は、水素含有ガス供給手段１１４と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、電源１２０と、電圧計１２１と、温度調節手段１２３と、を停止させて（Ｓ１１５）、水素精製システム１８０の動作を終了する。

［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１８０は、電気化学デバイス１００と、水素含有ガス供給手段１１４と、電源１２０と、電圧計１２１と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、制御器１５０と、を備えている。

電気化学デバイス１００は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の主面に設けられたアノード触媒層１０２と、アノード触媒層１０２の外側に積層されたアノードガス拡散層１０５と、電解質膜１０１の他方の主面に設けられたカソード触媒層１０３と、カソード触媒層１０３の外側に積層されたカソードガス拡散層１０６と、アノードガス拡散層１０５と当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、カソードガス拡散層１０６と当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。

電気化学デバイス１００は、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に水素含有ガスが供給されているときに、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へ電流が流されると、アノード触媒層１０２に供給された水素含有ガスに含まれる水素を、電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３、カソードガス拡散層１０６の順に昇圧して送って、カソード流路１１０から排出するように構成されている。

水素含有ガス供給手段１１４は、水蒸気を含む水素含有ガスを、制御器１５０に指示された供給量で、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に供給できるように構成されている。

電源１２０は、アノード触媒層１０２の電位をカソード触媒層１０３の電位よりも高くして、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、制御器１５０に指示された電流値の電流を流すことができるように構成されている。電圧計１２１は、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧を計測できるように構成されている。

アノード圧力調整手段１１８は、アノード流路１０９の圧力を、目標とする圧力に調整できるように構成されている。カソード圧力調整手段１１９は、カソード流路１１０の圧力を、目標とする圧力に調整できるように構成されている。

水素精製システム１８０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ときは、制御器１５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４が指示された供給量でアノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に水素含有ガスを供給し、電源１２０がアノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ指示された電流値の電流（電流密度が０．３Ａ／ｃｍ^２となる電流）を流し、電気化学デバイス１００の水素利用率が８５％になり、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９とによりカソード流路１１０の圧力がアノード流路１０９の圧力よりも所定圧力（１００ｋＰａ）だけ高くなるように調整される。

制御器１５０は、水素精製モードでの運転中に、電圧計１２１により計測した電圧が正常値よりも高く設定された所定値（５５ｍＶ）以上になった場合に、加湿モードに移行するように構成されている。

加湿モードに移行すると、制御器１５０は、カソード流路１１０とアノード流路１０９の圧力差が所定値（０ｋＰａ）まで小さくなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整して、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量と電源１２０に指示する電流値の両方を、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間を流れる電流の電流密度が０．８Ａ／ｃｍ^２に達するまで、電気化学デバイス１００の水素利用率が８５％から変化しないように増加させる。

これにより、本実施の形態の水素精製システム１８０は、水素精製モードで運転しているときに、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧が正常値よりも高く設定された所定値以上になったことから、カソード触媒層１０３が乾燥して水素純化効率が低下したと判断すると、カソード流路１１０とアノード流路１０９のガスの圧力差を小さくすることによって、圧力差でカソード触媒層１０３からアノード触媒層１０２に移動する水分を減らし、水素含有ガスと電流とを水素利用率が変わらないように増加させることによって、水素イオンに随伴してアノード触媒層１０２からカソード触媒層１０３に
移動する水分を増やすことで、カソード触媒層１０３を加湿することができる。

そのため、カソード触媒層１０３の経時的な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、加湿モードに移行した後に、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧が、カソード触媒層１０３が十分に加湿された状態になったと推定できる所定電圧以下に低下すると、水素精製モードに戻るようにしても良い。

そのようにすれば、加湿モードを継続する時間を、無駄に長くせずに、水素精製モードを再開することができる。

（実施の形態２）
以下、図３及び図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、抵抗計１２２を更に加え、制御器１５０を、抵抗計１２２に対応した制御器２５０に替えたものに相当する。

本実施の形態の水素精製システム２８０において、図１に示す実施の形態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ことがある。

抵抗計１２２は、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３とに接続されており、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電気抵抗を計測する。

制御器２５０は、水素含有ガス供給手段１１４と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、電源１２０と、電圧計１２１と、抵抗計１２２と、温度調節手段１２３と、に接続されている。

制御器２５０は、水素含有ガス供給手段１１４と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、電源１２０と、電圧計１２１と、抵抗計１２２と、温度調節手段１２３と、を制御することができるように構成されている。

水素精製システム２８０は、電気化学デバイス１００が、水素含有ガス供給手段１１４からアノード流路１０９に所定の流量で供給された水素含有ガスに含まれる水素を、電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３に昇圧して送って、カソード流路１１０から所定の流量で排出するように、水素精製モードで運転するときは、制御器２５０の制御によって、温度調節手段１２３が電気化学デバイス１００の温度を指示された所定の温度（水素精製に適した温度）に調節し、水素含有ガス供給手段１１４が指示された供給量でアノード入口１１１に水素含有ガスを供給し、電源１２０がアノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ指示された電流値の電流を流し、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９とによりカソード流路１１０のガスの圧力がアノード流路１０９のガスの圧力よりも所定圧力だけ高くなるように調整されるように構成されている。

制御器２５０は、水素精製モードでの運転中に、電圧計１２１で計測した電圧と、抵抗計１２２で計測した抵抗と、電源１２０によりアノード触媒層１０２とカソード触媒層１
０３との間に流す電流量と、温度調節手段１２３により調節した電気化学デバイス１００の温度と、アノード圧力調整手段１１８により調整したアノード圧力と、カソード圧力調整手段１１９により調整したカソード圧力と、から、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧を計算し、計算したカソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧が所定値以上になった場合に、加湿モードに移行するように構成されている。

加湿モードに移行すると、制御器２５０は、電気化学デバイス１００の温度が加湿モードに移行する前よりも低くなるように、温度調節手段１２３を制御し、カソード流路１１０とアノード流路１０９の圧力差が所定値まで小さくなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整して、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量と電源１２０に指示する電流値の両方を、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が変化しないように増加させ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及び図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、水素精製モードと、加湿モードとの２つからなる。まず、水素精製モードについて説明する。

まず、制御器２５０は、温度調節手段１２３に対して、所定の温度として、６０℃を指示して、電気化学デバイス１００の温度が６０℃になる（６０℃を維持する）ように、温度調節手段１２３を作動させる（Ｓ２０１）。

本実施の形態の電気化学デバイス１００にとって、６０℃という温度は、水素精製の効率が良い温度である。

次に、制御器２５０は、水素含有ガスがアノード入口１１１に所定条件（温度、組成、流量）で供給されるように、水素含有ガス供給手段１１４を作動させる（Ｓ２０２）。

このとき、制御器２５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４がアノード入口１１１に供給する水素含有ガスの温度は、６０℃である。

また、制御器２５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４がアノード入口１１１に供給する水素含有ガスの組成は、水素が８０％で、二酸化炭素が２０％で、露点が６０℃である。なお、水素と二酸化炭素の組成比率の数値は、水蒸気を除いた状態の水素含有ガスの組成比率である。

また、制御器２５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４がアノード入口１１１に供給する水素含有ガスの流量は、電気化学デバイス１００と水素含有ガスの温度と水素含有ガスの組成とが、上記条件を満たしているときに、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０．３Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流を流した場合に、水素利用率が８５％になる流量（所定流量）である。

次に、制御器２５０は、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０．３Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流が流れるように、電源１２０を作動させる（Ｓ２０３）。

本実施の形態の水素精製システム２８０では、電気化学デバイス１００と水素含有ガスの温度と水素含有ガスの組成とが、上記条件を満たしているときに、アノード触媒層１０
２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ０．３Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流を流すと、電気化学デバイス１００の水素利用率が８５％になり、カソード出口１１３から単位時間当たりに所定の水素精製量を得ることができる。

Ｓ２０３を実行することにより、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１２０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、電気化学デバイス１００は、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に供給された水素含有ガスに含まれる水素を、カソード触媒層１０３に移動させることによって、水素含有ガスの水素を精製して、カソード触媒層１０３からカソードガス拡散層１０６を介してカソード流路１１０に、精製された水素を排出する。

次に、制御器２５０は、カソード流路１１０の水素の圧力がアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力よりも所定圧力（１００ｋＰａ）だけ高くなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整する（Ｓ２０４）。

電気化学デバイス１００において、水素含有ガスから精製・昇圧された精製水素は、カソード出口１１３から、カソード排出経路１１７に排出され、カソード排出経路１１７の途中でカソード圧力調整手段１１９を通過する。

水素含有ガス供給手段１１４からアノード流路１０９に供給された水素含有ガスのうちで電解質膜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１１６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。

ここで、アノード触媒層１０２及びカソード触媒層１０３の湿り具合を把握するため、アノード出口１１２とカソード出口１１３のそれぞれから排出されるガスの水分量比を評価した結果、アノード側：カソード側＝６５：３５となっていたことから、アノード触媒層１０２に比べてカソード触媒層１０３が乾燥している（カソード触媒層１０３の含水量が適量よりも少ない）ことが把握された。

次に、制御器２５０は、電圧計１２１によって、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧Ｖを計測する（Ｓ２０５）。

次に、制御器２５０は、抵抗計１２２によって、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の抵抗Ｒを計測する（Ｓ２０６）。

次に、制御器２５０は、Ｓ２０６で抵抗計１２２によって計測した抵抗Ｒと、電源１２０によりアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に流す電流値Ｉと、を用いて、（数１）より、ＩＲ過電圧ηＩＲを計算する（Ｓ２０７）。

次に、制御器２５０は、温度調節手段１２３により調節した電気化学デバイス１００の温度Ｔと、アノード圧力調整手段１１８により調整したアノード流路１０９のガスの圧力ＰＡＮと、カソード圧力調整手段１１９により調整したカソード流路１１０のガスの圧力ＰＣＡと、定数Ｃを用いて、（数２）よりネルンスト過電圧ηネルンストを計算する（Ｓ２０８）。

次に、制御器２５０は、Ｓ２０５で電圧計１２１によって計測した電圧Ｖと、Ｓ２０７で（数１）より計算したＩＲ過電圧ηＩＲと、Ｓ２０８で（数２）より計算したネルンスト過電圧ηネルンストと、を用いて、（数３）より、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードを計算する（Ｓ２０９）。

本実施の形態では、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３とで起きる電荷移動反応に伴う過電圧は、ＩＲ過電圧ηＩＲ及びネルンスト過電圧ηネルンストに比べ非常に小さな値であることを、電気化学インピーダンス法等の電気化学解析から予め把握し、（数３）の計算では、電荷移動反応に伴う過電圧は考慮していない。

次に、制御器２５０は、Ｓ２０９で（数３）より計算したカソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードが、所定電圧（２０ｍＶ）以上になったか確認する（Ｓ２１０）。

Ｓ２１０の確認の結果、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードが、所定電圧（２０ｍＶ）以上になっていなければ、Ｓ２１０をＮｏ側に分岐して、現状の水素精製モードでの運転を１０分間継続してから（Ｓ２１１）、Ｓ２０５に戻る。

Ｓ２１０の確認の結果、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードが、所定電圧（２０ｍＶ）以上になっていれば、カソード触媒層１０３が乾燥した（カソード触媒層１０３の含水量が適量よりも少ない）と判断して、加湿モードに移行する。

次に、加湿モードについて説明する。

Ｓ２１０の確認の結果、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードが、所定電圧（２０ｍＶ）以上になっていれば、Ｓ２１０をＹｅｓ側に分岐して、制御器２５０は、カソード流路１１０の水素の圧力とアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力との圧力差が０ｋＰａになるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整する（Ｓ２１２）。

これにより、カソード流路１１０の水素の圧力がアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力よりも高いことに起因したカソード触媒層１０３からアノード触媒層１０２への水の移動を抑制でき、カソード触媒層１０３の乾燥を抑制できる。

次に、制御器２５０は、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量（水素含有ガス供給手段１１４による水素含有ガスの供給量）と電源１２０に指示する電流値（電源１２０が流す電流）の両方を、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間を流れる電流の電流密度が０．８Ａ／ｃｍ^２に達するまで、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が８５％から変化しないように徐々に増加させる（Ｓ２１３）。

これにより、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へ流れる水素イオン（Ｈ^＋）に随伴する水の移動（電気浸透現象）を促進し、カソード触媒層１０３を加湿（カソード触媒層１０３の含水量を増加）できる。

次に、制御器２５０は、温度調節手段１２３に対して、所定の温度として、５７℃を指示して、電気化学デバイス１００の温度が５７℃になる（５７℃を維持する）ように、温度調節手段１２３を作動させる（Ｓ２１４）。

これにより、電気化学デバイス１００の温度を水素精製モードのときよりも低くすることで、水蒸気を多く含む水素含有ガスをアノードガス拡散層１０５とアノード触媒層１０２において結露させ、アノード触媒層１０２の含水量を増やしてアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との含水量の勾配を大きくし、アノード触媒層１０２からカソード触媒層１０３への水の移動を促進し、カソード触媒層１０３を加湿できる。

ここで、アノード触媒層１０２及びカソード触媒層１０３の加湿状態を把握するため、アノード出口１１２とカソード出口１１３のそれぞれから排出されるガスの水分量比を評価した結果、アノード側：カソード側＝４１：５９となっていたことから、カソード触媒層１０３が加湿されている（カソード触媒層１０３の含水量が増加した）ことが把握された。

次に、制御器２５０は、（数３）より計算したカソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードが、所定電圧（２９ｍＶ）以下になったか確認する（Ｓ２１５）。

本実施の形態では、Ｓ２１２～Ｓ２１４を実行することによって、カソード触媒層１０３が十分に加湿された状態になることを、電気化学インピーダンス法等の電気化学解析を用いて予め把握し、Ｓ２１３で設定した所定電流（０．８Ａ／ｃｍ^２）におけるカソード触媒層１０３が十分に加湿された状態の電圧を予め実験により確認して、Ｓ２１５における所定電圧を２９ｍＶに設定している。

Ｓ２１５の確認の結果、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードが所定電圧（２９ｍＶ）以下になっていなければ、Ｓ２１５をＮｏ側に分岐して、現状の加湿モードでの運転を１０分間継続してから（Ｓ２１６）、Ｓ２１５に戻る。

Ｓ２１５の確認の結果、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧ηカソードが所定電圧（２９ｍＶ）以下になっていれば、カソード触媒層１０３が十分に加湿されたと判断し、Ｓ２１５をＹｅｓ側に分岐して、制御器２５０は、温度調節手段１２３に対して、所定の温度として、６０℃を指示して、電気化学デバイス１００の温度が６０℃になる（６０℃を維持する）ように、温度調節手段１２３を作動させる（Ｓ２１７）。

次に、制御器２５０は、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量（水素含有ガス供給手段１１４による水素含有ガスの供給量）と電源１２０に指示する電流値（電源１２０が流す電流）の両方を、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間を流れる電流の電流密度が０．３Ａ／ｃｍ^２に達するまで、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が８５％から変化しないように徐々に減少させる（Ｓ２１８）。

次に、制御器２５０は、カソード流路１１０の水素の圧力がアノード流路１０９の水素含有ガスの圧力よりも所定圧力（１００ｋＰａ）だけ高くなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整する（Ｓ２１９）。

次に、制御器２５０は、水素精製モードを終了する指示が入ったか否かを確認する（Ｓ２２０）。Ｓ２２０の確認の結果、終了の指示が入っていなければ、Ｓ２２０をＮｏ側に分岐して、水素精製モードのＳ２０５に戻る。

Ｓ２２０の確認の結果、終了の指示が入っていれば、Ｓ２２０をＹｅｓ側に分岐して、制御器２５０は、水素含有ガス供給手段１１４と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、電源１２０と、電圧計１２１と、抵抗計１２２と、温度調節手段１２３と、を停止させて（Ｓ２２１）、水素精製システム２８０の動作を終了する。

［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２８０は、電気化学デバイス１００と、水素含有ガス供給手段１１４と、電源１２０と、電圧計１２１と、抵抗計１２２と、温度調節手段１２３と、アノード圧力調整手段１１８と、カソード圧力調整手段１１９と、制御器２５０と、を備えている。

電気化学デバイス１００は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の主面に設けられたアノード触媒層１０２と、アノード触媒層１０２の外側に積層されたアノードガス拡散層１０５と、電解質膜１０１の他方の主面に設けられたカソード触媒層１０３と、カソード触媒層１０３の外側に積層されたカソードガス拡散層１０６と、アノードガス拡散層１０５と当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、カソードガス拡散層１０６と当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。

電気化学デバイス１００は、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に水素含有ガスが供給されているときに、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へ電流が流されると、アノード触媒層１０２に供給された水素含有ガスに含まれる水素を、電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３、カソードガス拡散層１０６の順に昇圧して送って、カソード流路１１０から排出するように構成されている。

水素含有ガス供給手段１１４は、水蒸気を含む水素含有ガスを、制御器２５０に指示された供給量で、アノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に供給できるように構成されている。

電源１２０は、アノード触媒層１０２の電位をカソード触媒層１０３の電位よりも高くして、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、制御器２５０に指示された電流値の電流を流すことができるように構成されている。

電圧計１２１は、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電圧を計測できるように構成されている。抵抗計１２２は、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間の電気抵抗を計測できるように構成されている。

アノード圧力調整手段１１８は、アノード流路１０９の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されている。カソード圧力調整手段１１９は、カソード流路１１０の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されている。

温度調節手段１２３は、電気化学デバイス１００の温度を、制御器２５０に指示された温度に調節できるように構成されている。

水素精製システム２８０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ときは、制御器２５０の制御によって、水素含有ガス供給手段１１４が指示された供給量でアノード流路１０９とアノードガス拡散層１０５を介してアノード触媒層１０２に水素含有ガスを供給し、電源１２０がアノード触媒層１０２から電解質膜１０１を介してカソード触媒層１０３へ指示された電流値の電流（電流密度が０．３Ａ／ｃｍ^２となる電流）を流し、電気化学デバイス１００の水素利用率が８５％になり、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９とによりカソード流路１１０の圧力がアノード流路１０９の圧力よりも所定圧力（１００ｋＰａ）だけ高くなるように調整される。

制御器２５０は、水素精製モードでの運転中に、電圧計１２１によって計測した電圧Ｖと、抵抗計１２２で計測した抵抗Ｒ、電源１２０によりアノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間に流す電流Ｉを基に計算したＩＲ過電圧と、温度調節手段１２３により調節した電気化学デバイス１００の温度Ｔ、アノード圧力調整手段１１８により調整したアノード流路１０９のガスの圧力ＰＡＮ、カソード圧力調整手段１１９により調整したカソード流路１１０のガスの圧力ＰＣＡを基に計算したネルンスト過電圧と、を基に計算したカソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧が、所定電圧（２０ｍＶ）以上になった場合に、加湿モードに移行するように構成されている。

加湿モードに移行すると、制御器２５０は、カソード流路１１０とアノード流路１０９の圧力差が所定値（０ｋＰａ）まで小さくなるように、アノード圧力調整手段１１８とカソード圧力調整手段１１９を調整して、水素含有ガス供給手段１１４に指示する供給量と電源１２０に指示する電流値の両方を、アノード触媒層１０２とカソード触媒層１０３との間を流れる電流の電流密度が０．８Ａ／ｃｍ^２に達するまで、電気化学デバイス１００の水素利用率が８５％から変化しないように増加させる。

これにより、本実施の形態の水素精製システム２８０は、水素精製モードで運転しているときに、計算により得られたカソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧が所定電圧に上昇したことから、カソード触媒層１０３が乾燥して水素純化効率が低下したと判断すると、電気化学デバイス１００の温度を下げることによって、アノード触媒層１０２の含水量を増加させ、カソード流路１１０とアノード流路１０９のガスの圧力差を小さくすることによって、圧力差でカソード触媒層１０３からアノード触媒層１０２に移動する水分を減らし、水素含有ガスと電流とを水素利用率が変わらないように増加させることによって、水素イオンに随伴してアノード触媒層１０２からカソード触媒層１０３に移動する水分を増やすことで、カソード触媒層１０３を加湿することができる。

そのため、カソード触媒層１０３の経時的な乾燥によって水素純化効率が低下したことを、実施の形態１の水素精製システム１８０よりも的確にタイミング良く把握して、カソード触媒層１０３を加湿することができ、カソード触媒層１０３の経時的な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の制御器２５０は、加湿モードでは、電気化学デバイス１００の温度が水素精製モードでの設定温度（６０℃）よりも低く設定された加湿モードでの設定温度（５７℃）になるように温度調節手段１２３を制御してもよい。

そのようにすれば、カソード触媒層１０３の乾燥に起因した過電圧が上昇し、加湿モードに移行したときに、電気化学デバイス１００の温度を下げることによって、水素含有ガスに含まれる水蒸気の凝縮を促進して、アノード触媒層１０２の含水量を増加させることができるので、電気化学デバイス１００の温度を下げない場合よりも、カソード触媒層１０３の加湿を促進することができる。

（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１～２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、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態１～２のように、水素含有ガス供給手段１１４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と、水素含有ガスに一酸化炭素が含まれるが、一酸化炭素は、アノード触媒層１０２やカソード触媒層１０３の触媒を被毒して、電気化学デバイス１００の水素純化効率が低下するので、そのような場合は、電気化学デバイス１００のアノード触媒層１０２に供給される水素含有ガスに酸素が含まれるようにするとよい。

そのようにすれば、一酸化炭素と酸素とが触媒上で反応して二酸化炭素になるので、触媒被毒を抑制でき、触媒被毒による電気化学デバイス１００の水素純化効率の低下を抑制できる。

また、実施の形態１のＳ１０９と、実施の形態２のＳ２１３において、水素含有ガス供給手段１１４による水素含有ガスの供給量と電源１２０が流す電流の両方を、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が８５％から変化しないように徐々に増加させたが、水素含有ガス供給手段１１４による水素含有ガスの供給量と電源１２０が流す電流の両方を徐々に増加させるときに、電気化学デバイス１００の水素利用率（Ｕｆ）が徐々に小さくなってもよい。

そのようにすれば、アノードのガスの圧力を更に高めることができ、カソードとアノードとの圧力差に起因したカソードからアノードへの水の移動を更に抑制でき、カソード触媒層の乾燥を更に抑制できる。

本開示は、電解質膜－電極接合体を備えた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 カソード出口
１１４ 水素含有ガス供給手段
１１５ アノード供給経路
１１６ アノード排出経路
１１７ カソード排出経路
１１８ アノード圧力調整手段
１１９ カソード圧力調整手段
１２０ 電源
１２１ 電圧計
１２２ 抵抗計
１２３ 温度調節手段
１５０，２５０ 制御器
１８０，２８０ 水素精製システム

Claims (3)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、前記アノードと当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、前記カソードと当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、前記アノード流路を介して前記アノードに水素含有ガスが供給されているときに、前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードへ電流が流されると、前記アノードに供給された水素含有ガスに含まれる水素を、前記電解質膜を介して前記カソードに昇圧して送って、前記カソード流路から排出するように構成された電気化学デバイスと、
   水蒸気を含む水素含有ガスを、指示された供給量で、前記アノード流路を介して前記アノードに供給できるように構成された水素含有ガス供給手段と、
   前記アノードの電位を前記カソードの電位よりも高くして、前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードへ、指示された電流値の電流を流すことができるように構成された電源と、
   前記アノードと前記カソードとの間の電圧を計測できるように構成された電圧計と、
   前記アノード流路の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されたアノード圧力調整手段と、
   前記カソード流路の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されたカソード圧力調整手段と、
   制御器と、を備え、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ときは、前記制御器の制御によって、前記水素含有ガス供給手段が指示された供給量で前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記電源が前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードへ指示された電流値の電流を流し、前記アノード圧力調整手段と前記カソード圧力調整手段とにより前記カソード流路の圧力が前記アノード流路の圧力よりも所定圧力だけ高くなるように調整される、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の運転中に、前記電圧計により計測した電圧が正常値よりも高く設定された所定値以上になった場合に、加湿モードに移行するように構成され、
   前記加湿モードに移行すると、前記制御器は、前記カソード流路と前記アノード流路の圧力差が所定値まで小さくなるように、前記アノード圧力調整手段と前記カソード圧力調整手段を調整して、前記水素含有ガス供給手段に指示する供給量と前記電源に指示する電流値の両方を、前記電気化学デバイスの水素利用率が変化しないように増加させることを特徴とする、水素精製システム。
2. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードと、前記アノードと当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、前記カソードと当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、前記アノード流路を介して前記アノードに水素含有ガスが供給されているときに、前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードへ電流が流されると、前記アノードに供給された水素含有ガスに含まれる水素を、前記電解質膜を介して前記カソードに昇圧して送って、前記カソード流路から排出するように構成された電気化学デバイスと、
   水蒸気を含む水素含有ガスを、指示された供給量で、前記アノード流路を介して前記アノードに供給できるように構成された水素含有ガス供給手段と、
   前記アノードの電位を前記カソードの電位よりも高くして、前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードへ、指示された電流値の電流を流すことができるように構成された電源と、
   前記アノードと前記カソードとの間の電圧を計測できるように構成された電圧計と、
   前記アノードと前記カソードとの間の電気抵抗を計測するように構成された抵抗計と、
   前記アノード流路の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されたアノード圧力調整手段と、
   前記カソード流路の圧力を目標とする圧力に調整できるように構成されたカソード圧力調整手段と、
   前記電気化学デバイスの温度を、指示された温度に調整可能に構成された温度調節手段と、
   制御器と、を備え、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ときは、前記制御器の制御によって、前記水素含有ガス供給手段が指示された供給量で前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記電源が前記アノードから前記電解質膜を介して前記カソードへ指示された電流値の電流を流し、前記アノード圧力調整手段と前記カソード圧力調整手段とにより前記カソード流路の圧力が前記アノード流路の圧力よりも所定圧力だけ高くなるように調整される、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の運転中に、前記電圧計で計測した電圧と、前記抵抗計で計測した抵抗と、前記電源により前記アノードと前記カソードとの間に流す電流と、前記温度調節手段により調節した前記電気化学デバイスの温度と、前記アノード圧力調整手段により調整したアノード圧力と、前記カソード圧力調整手段により調整したカソード圧力と、から前記カソードの乾燥に起因した過電圧を計算し、前記カソードの乾燥に起因した過電圧が所定値以上になった場合に、加湿モードに移行するように構成され、
   前記加湿モードに移行すると、前記制御器は、前記カソード流路と前記アノード流路の圧力差が所定値まで小さくなるように、前記アノード圧力調整手段と前記カソード圧力調整手段を調整して、前記水素含有ガス供給手段に指示する供給量と前記電源に指示する電流値の両方を、前記電気化学デバイスの水素利用率が変化しないように増加させることを特徴とする、水素精製システム。
3. 前記制御器は、前記加湿モードでは、前記加湿モードに移行する前よりも低い温度を、前記温度調節手段に指示する、請求項２に記載の水素精製システム。

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