JP2022179944A - セル装置、セル運転システム及びセル運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制可能なセル装置を提供する。【解決手段】セル装置は、アノード電極６１へ流体を供給する供給流路７０と、カソード電極６２に発生する発生流体を排出する排出流路３３と、排出流路３３から分岐し発生流体の一部を電解質膜６０とアノード電極６１との間に供給する分岐流路３５と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、電解質膜の一方の面に積層されるアノード電極から、電解質膜の他方の面に積層されるカソード電極にプロトンを透過させる電気化学セルを有するセル装置、セル運転システム及びセル運転方法に関する。

セル装置として、燃料電池、水電解装置、或いは、電気化学式の水素昇圧装置等がある。水素昇圧装置では、電気化学セルの数が一つでも燃料電池電気自動車等に必要な高圧水素ガスを発生し得るという利点がある。また、水素昇圧装置では、機械式水素圧縮機に比べて小型で作動音が小さいという利点がある。

水素昇圧装置では、電解質膜に水素の差圧が作用する。このため、電解質膜に隣接して電解質膜を支持する支持部材が水素昇圧装置に備えられる場合がある。例えば、特許文献１には、通気孔を有する複数の金属シートを積層してアノード拡散層（支持部材）を構成する水素昇圧装置が開示される。

特開２０１８－１０９２２１号公報

水素イオン伝導性を有する電解質膜では、水分の量が低下すると電気抵抗が増加する。そのため、電気化学セルに供給する水素ガスに水蒸気を含ませる場合がある。

しかし、電気化学セルの運転条件に応じて、電解質膜に水素を通じて供給される水分量が、電解質膜で消費される水分量よりも多くなる場合がある。この場合、水素の差圧により電解質膜のカソード電極側からアノード電極側に戻る水分がアノードの表面等で凝縮した水として滞留する傾向がある。

アノードの表面等で水分が滞留すると、水素等の処理対象と触媒層との反応面積が減少することで、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することが問題となる。

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜の一方の面に積層されるアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に積層されるカソード電極との間に電圧が印加されることにより、前記アノード電極から前記カソード電極にプロトンを透過させる電気化学セルを有するセル装置であって、前記アノード電極へ流体を供給する供給流路と、前記カソード電極に発生する発生流体を排出する排出流路と、前記排出流路から分岐し前記発生流体の一部を前記電解質膜と前記アノード電極との間に供給する分岐流路と、を備える。

本発明の別の一態様は、セル運転システムであって、上記のセル装置と、前記分岐流路を開閉する開閉弁と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加する電源装置と、前記アノード電極と前記カソード電極との間の電気状態を検出するセンサと、前記電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧の印加を停止するように前記電源装置を制御し、かつ、前記開閉弁を閉状態から開状態に切り替えるように前記開閉弁を制御する制御装置と、を備える。

本発明のさらに別の一態様は、上記のセル装置を運転するセル運転方法であって、前記アノード電極と前記カソード電極との間の電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記アノード電極と前記カソード電極との間に印加される電圧の印加を停止し、前記分岐流路を開閉する開閉弁を閉状態から開状態に切り替える。

上記のセル装置、セル運転システム及びセル運転方法は、電解質膜とアノード電極との間に供給する発生流体で、電解質膜とアノード電極との間に滞留する滞留水を供給流路に押し出すことができる。この結果、上記のセル装置、セル運転システム及びセル運転方法は、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

図１は、実施形態のセル運転システムを示す模式図である。 図２は、セル装置の構成を示す断面図である。 図３は、電気化学セルの積層方向から見たセル装置の積層方向視図である。 図４は、電気化学セルの構成を示す図３のＩＶ－ＩＶ矢視断面図である。 図５は、電気化学セルの外周部分に着目した電気化学セルの構成を示す図３のＶ－Ｖ矢視断面図である。 図６は、受圧部が発生流体の圧力を受けていない場合の開閉部材の様子を図５と同じ視点で示す図である。 図７は、制御処理の手順を示すフローチャートである。 図８は、滞留水が除去される様子を図６と同じ視点で示す図である。

図１は、実施形態のセル運転システム１０を示す模式図である。セル運転システム１０は、流体供給装置１２と、セル装置１４と、電源装置１６と、制御装置１８とを有する。

流体供給装置１２は、セル装置１４に流体を供給する装置である。流体は、本実施形態の場合、水素ガスである。水素ガスには水蒸気が含まれる。流体供給装置１２は、流体供給源２０と、導入路２２とを備える。導入路２２は、流体供給源２０から出力される流体をセル装置１４に導入する。

本実施形態においては、セル装置１４は、電力を用いて、水素の酸化還元反応により水素を圧縮する電気化学式の水素昇圧装置である。セル装置１４は、電気化学セル２４と、導入ポート２６と、排出ポート２８と、排出ポート３０とを備える。電気化学セル２４の構成は後述する。導入ポート２６には、流体供給装置１２の導入路２２が接続される。導入路２２を流れる流体は、導入ポート２６からセル装置１４に流入する。

排出ポート２８には、導入ポート２６から流入する流体のうち、電気化学セル２４で消費されなかった流体が排出される。排出ポート２８には、返還路３２を介して、流体供給装置１２が接続されてもよい。これにより、流体供給装置１２は、排出ポート２８から返還路３２を介して流入する流体を、再度、セル装置１４に供給することができる。

排出ポート３０には、排出流路３３の第１排出流路３３Ａが接続される。第１排出流路３３Ａは、排出流路３３のうち、セル装置１４の外部に配置される流路である。排出流路３３には、電気化学セル２４における電気化学反応により発生する発生流体が流れる。なお、発生流体は、本実施形態の場合、セル装置１４に供給される水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスである。

第１排出流路３３Ａには、排出流路３３における発生流体の圧力を調整する圧力調整弁３４が設けられる。圧力調整弁３４の開度は、制御装置１８の制御により調整される。なお、圧力調整弁３４は、一次側（弁入力側）の圧力が一定となるように発生流体の圧力を調整する背圧弁であってもよい。

また、第１排出流路３３Ａには、分岐流路３５の第１分岐流路３５Ａが接続される。第１排出流路３３Ａから分岐する第１分岐流路３５Ａの分岐部位は、圧力調整弁３４よりも上流側に位置する。第１分岐流路３５Ａは、分岐流路３５のうち、セル装置１４の外部に配置される流路である。第１分岐流路３５Ａは、第１排出流路３３Ａから分流する発生流体をセル装置１４に導く。

第１排出流路３３Ａには、第１分岐流路３５Ａの分岐部位と圧力調整弁３４との間に、排出側開閉弁３６が設けられる。また、第１分岐流路３５Ａには、第１分岐流路３５Ａの分岐部位とセル装置１４との間に、分岐側開閉弁３７が設けられる。排出側開閉弁３６が開状態、かつ、分岐側開閉弁３７が閉状態にされる場合、第１排出流路３３Ａを流れる発生流体は、排出流路３３を通じて排出される。一方、排出側開閉弁３６が閉状態、かつ、分岐側開閉弁３７が開状態にされる場合、第１排出流路３３Ａを流れる発生流体は、第１分岐流路３５Ａを通じて、セル装置１４に流入する。

電源装置１６は、セル装置１４の電気化学セル２４に電圧を印加する。セル装置１４が複数の電気化学セル２４を備える場合、電源装置１６は、電気化学セル２４の各々に電圧を印加する。

制御装置１８は、セル装置１４に備えられる１又は複数の電気化学セル２４で電気化学反応が行われるように、流体供給装置１２、電源装置１６及び圧力調整弁３４を適宜制御する。

図２は、セル装置１４の構成を示す断面図である。なお、図２は、セル装置１４が複数の電気化学セル２４を備える場合の例である。セル装置１４は、セル積層体３８を備える。セル積層体３８は、複数の電気化学セル２４を備える。複数の電気化学セル２４は、積層される。

セル積層体３８の積層方向の一端には第１端板４０が配置され、セル積層体３８の積層方向の他端には第２端板４２が配置される。セル積層体３８は、第１端板４０と第２端板４２とにより挟持され、所定の締め付け荷重がセル積層体３８に付与される。

第１端板４０及び第２端板４２は、セル積層体３８より大きな平面形状に形成される。第１端板４０の外周部と第２端板４２との外周部とを架け渡すように、側壁４４が設けられる。側壁４４は、セル積層体３８の外周部を囲む。第１端板４０、第２端板４２及び側壁４４によって、セル積層体３８が配置された内部空間４４ａが気密に仕切られる。側壁４４には、導入ポート２６が設けられる。導入ポート２６が設けられる側壁４４の部位とは反対側の側壁４４の部位に、排出ポート２８が設けられる。

内部空間４４ａには、導入ポート２６に連通する分配流路４６が設けられる。分配流路４６は、矢印に示すように、導入ポート２６から導入された水素ガスを分配し、各電気化学セル２４に導く。

また、内部空間４４ａには、排出ポート２８に連通する集合流路４８が設けられる。集合流路４８は、矢印に示すように、各電気化学セル２４で消費されなかった余分な水素ガスを排出ポート２８に導く。

セル積層体３８の中央部には、複数の電気化学セル２４の積層方向に沿って、排出流路３３の第２排出流路３３Ｂが形成される。第２排出流路３３Ｂは、排出ポート３０と連通している。第２排出流路３３Ｂは、排出流路３３のうち、セル装置１４の内部に配置される流路である。第２排出流路３３Ｂは、複数の電気化学セル２４を貫通する貫通孔であってもよい。第２排出流路３３Ｂは、各電気化学セル２４で発生する発生流体を、排出ポート３０を通じて、第１排出流路３３Ａ（図１）に導く。

図３は、電気化学セル２４の積層方向から見たセル装置１４の積層方向視図である。セル装置１４のセル積層体３８、第１端板４０及び第２端板４２は、積層方向視図で円形状に形成される。セル装置１４は、分岐導入ポート５１を備える。分岐導入ポート５１は、導入ポート２６、排出ポート２８及び排出ポート３０とは異なる位置に配置される。分岐導入ポート５１が配置される位置は、導入ポート２６又は排出ポート２８に対してセル装置１４（セル積層体３８）の周方向に略９０°ずれていてもよい。分岐導入ポート５１には、分岐流路３５の第１分岐流路３５Ａ（図２）が接続される。

図４は、電気化学セル２４の構成を示す図３のＩＶ－ＩＶ矢視断面図である。電気化学セル２４は、第１セパレータ５２と、第２セパレータ５４とに挟持される。第１セパレータ５２は、複数の電気化学セル２４の積層方向の一端側（アノード側）に配置される。第２セパレータ５４は、複数の電気化学セル２４の積層方向の他端側（カソード側）に配置される。第１セパレータ５２及び第２セパレータ５４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、或いは、めっき処理鋼板等で構成される。

電気化学セル２４は、電解質膜６０と、アノード電極６１と、カソード電極６２とを備える。

電解質膜６０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。電解質膜６０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜６０は、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜であってもよい。また、電解質膜６０は、繊維状の骨格を含む保護シート（図示せず）をアノード側に有してもよい。

アノード電極６１は、電解質膜６０の一方の面に積層される電極である。アノード電極６１は、アノード給電体６３と、アノード触媒層６４とを有する。

アノード給電体６３は、電解質膜６０の一方の面側に積層される。アノード給電体６３は、具体的には、アノード触媒層６４における電解質膜６０側とは逆側の面上に積層される。アノード給電体６３は、金属やカーボン等の導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせて形成されてもよい。また、アノード給電体６３は、金属やカーボン等の導電性を有する板状の部材で形成されてもよい。

本実施形態においては、アノード給電体６３は、給電層６３Ａと、支持層６３Ｂとの２層構造である。給電層６３Ａは、電解質膜６０側に配置される。給電層６３Ａは、導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせて形成される。支持層６３Ｂは、電解質膜６０側の給電層６３Ａの面とは逆側の給電層６３Ａの面上に配置される。支持層６３Ｂは、導電性を有する板状の部材で形成される。支持層６３Ｂには、電気化学セル２４の積層方向に貫通する複数の貫通孔６３Ｈが形成される。

アノード触媒層６４は、電解質膜６０とアノード給電体６３との間に配置される。アノード触媒層６４は、電解質膜６０の一方の面に接合される。アノード触媒層６４は、例えば、白金等の触媒粒子を担持したカーボン多孔質体で構成される。

カソード電極６２は、電解質膜６０の他方の面に積層される電極である。カソード電極６２は、カソード給電体６５と、カソード触媒層６６とを有する。

カソード給電体６５は、電解質膜６０の他方の面側に積層される。カソード給電体６５は、具体的には、カソード触媒層６６における電解質膜６０側とは逆側の面上に積層される。カソード給電体６５は、金属やカーボン等の導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせて形成されてもよい。また、カソード給電体６５は、金属やカーボン等の導電性を有する板状の部材で形成されてもよい。図４は、導電性を有するメッシュ状のシートを複数重ね合わせてカソード給電体６５が形成される場合の例である。

カソード触媒層６６は、電解質膜６０とカソード給電体６５との間に配置される。カソード触媒層６６は、電解質膜６０の他方の面に接合される。カソード触媒層６６は、例えば、白金等の触媒粒子を担持したカーボン多孔質体で構成される。

電気化学セル２４には、アノード給電体６３の支持層６３Ｂと第１セパレータ５２との間に、供給流路７０が備えられる。供給流路７０は、分配流路４６（図２）及び集合流路４８（図２）と連通する。供給流路７０は、第１セパレータ５２に向く支持層６３Ｂの面、又は、支持層６３Ｂに向く第１セパレータ５２の面に形成される溝であってもよい。なお、支持層６３Ｂには第１セパレータ５２と接触する接触部位がある。この接触部位を介して電気化学セル２４が第１セパレータ５２に支持される。

電気化学セル２４には、カソード給電体６５と第２セパレータ５４との間に、排出流路３３の第３排出流路３３Ｃが備えられる。第３排出流路３３Ｃは、排出流路３３のうち、セル装置１４の内部に配置される流路である。第３排出流路３３Ｃは、第２セパレータ５４に向くカソード給電体６５の面に形成される溝であってもよい。或いは、第３排出流路３３Ｃは、カソード給電体６５に向く第２セパレータ５４の面に形成される溝であってもよい。第３排出流路３３Ｃは、カソード電極６２で発生する発生流体を第２排出流路３３Ｂに導く。

図５は、電気化学セル２４の外周部分に着目した電気化学セル２４の構成を示す図３のＶ－Ｖ矢視断面図である。電解質膜６０、アノード電極６１及びカソード電極６２は、電気化学セル２４のセル枠部材７２の内部に配置される。セル枠部材７２は、支持部材７４に支持される。支持部材７４は、セル枠部材７２と電気化学セル２４との間に配置される。電気化学セル２４のアノード電極６１は、支持部材７４と接触する。一方、電気化学セル２４の電解質膜６０及びカソード電極６２は、支持部材７４と非接触である。

電解質膜６０及びアノード電極６１の直径はカソード電極６２の直径よりも大きい。電解質膜６０及びアノード電極６１は、カソード電極６２より外側に延びる外枠部位を有する。この外枠部位の一部と第２セパレータ５４との間には、耐圧壁部材７６が設けられる。

耐圧壁部材７６と電解質膜６０との間には第１シール部材７８が設けられる。耐圧壁部材７６と第２セパレータ５４との間には第２シール部材８０が設けられる。耐圧壁部材７６の内側では、カソード電極６２の外周面と、カソード電極６２の第１セパレータ５２側の面と、電解質膜６０の第１セパレータ５２側の面の一部とが、排出流路３３の第３排出流路３３Ｃに露出する。

セル枠部材７２、第１セパレータ５２及び第２セパレータ５４には、分岐流路３５の第２分岐流路３５Ｂが形成される。第２分岐流路３５Ｂは、分岐導入ポート５１を通じて分岐流路３５の第１分岐流路３５Ａ（図１）と繋がる。第２分岐流路３５Ｂは、第１分岐流路３５Ａを通じて分岐導入ポート５１から流入する発生流体を、分岐流路３５の第３分岐流路３５Ｃに導く。なお、第２分岐流路３５Ｂの一部は外部と連通する。

第３分岐流路３５Ｃは、セル枠部材７２及び耐圧壁部材７６に形成される。第３分岐流路３５Ｃは、分岐流路３５の第２分岐流路３５Ｂと繋がる。第３分岐流路３５Ｃは、電解質膜６０の外周面に向く流出口を有する。第３分岐流路３５Ｃは、第２分岐流路３５Ｂから流入する発生流体を、電気化学セル２４のアノード電極６１と電解質膜６０との間に導く。

電解質膜６０には、少なくとも第３分岐流路３５Ｃの流出口に向く外周面に、斜面６０Ｓが形成されてもよい。斜面６０Ｓは、内側に向かうほど電解質膜６０に近づくように傾斜する。これにより、斜面６０Ｓがない場合に比べて、アノード電極６１と電解質膜６０との間に導かれる発生流体が増量される。

なお、セル装置１４の内部では、分岐流路３５（第２分岐流路３５Ｂ及び第３分岐流路３５Ｃ）と供給流路７０とは非連通である。分岐流路３５を流通する発生流体の流通方向は、供給流路７０を流通する流体の流通方向と異なる。本実施形態の場合、セル装置１４の内部では、分岐流路３５（第３分岐流路３５Ｃ）を流通する流体の流通方向と、供給流路７０を流通する流体の流通方向とは、セル装置１４（セル積層体３８）の周方向に略９０°ずれている。

第３分岐流路３５Ｃには、開閉部材８２が設けられる。開閉部材８２は、第３分岐流路３５Ｃを開閉する。開閉部材８２は、受圧部８４と、弾性支持部８６とを有する。

受圧部８４には、耐圧壁部材７６に形成された圧力付与路７６Ａを通じて、排出流路３３の第３排出流路３３Ｃに放出される発生流体の圧力が付与される。弾性支持部８６は、受圧部８４を支持する部位であり、弾性を有する。弾性支持部８６として、例えば、コイルばねが挙げられる。

受圧部８４が発生流体の圧力を受けている場合、図５に示すように、弾性支持部８６は、圧縮変形する。この場合、弾性支持部８６は、第３分岐流路３５Ｃを閉じるように受圧部８４を支持する。

図６は、受圧部８４が発生流体の圧力を受けていない場合の開閉部材８２の様子を図５と同じ視点で示す図である。受圧部８４が発生流体の圧力を受けていない場合、弾性支持部８６は、非変形の状態である。この場合、弾性支持部８６は、第３分岐流路３５Ｃを開けるように受圧部８４を支持する。

次に、セル装置１４を運転するセル運転方法に関して説明する。セル運転方法は、制御装置１８によって実行される。制御装置１８は、セル装置１４を運転させて高圧水素ガスを発生させる。すなわち、制御装置１８は、セル装置１４内の１又は複数の電気化学セル２４の各々のアノード電極６１とカソード電極６２との間に電圧を印加するように、電源装置１６を制御する。また、制御装置１８は、セル装置１４に水素ガスを供給するように流体供給装置１２を制御する。さらに、制御装置１８は、排出側開閉弁３６を開けるとともに、分岐側開閉弁３７を閉める。

流体供給装置１２からセル装置１４に供給された水素ガスは、導入ポート２６からセル装置１４内部の分配流路４６に流入する（図２参照）。分配流路４６に流入した水素ガスは、電気化学セル２４の供給流路７０を流れる（図４参照）。

供給流路７０を流れる水素ガスの一部は、アノード電極６１に流れる。アノード電極６１に流れた水素ガスは、アノード触媒層６４の触媒作用によりプロトン（Ｈ⁺イオン）に変換される。プロトンは、アノード電極６１とカソード電極６２との間に印加される電圧に基づいて、アノード電極６１から電解質膜６０を通じてカソード電極６２に輸送される。カソード電極６２に輸送されたプロトンは、カソード触媒層６６の触媒作用を受けて電気化学反応により高圧水素ガスに変換される。変換された高圧水素ガスは、カソード給電体６５を通じて、排出流路３３の第３排出流路３３Ｃに放出される。

第３排出流路３３Ｃに放出された高圧水素ガスは、開閉部材８２の受圧部８４を押さえ付ける。これにより、開閉部材８２の弾性支持部８６は、第３分岐流路３５Ｃを閉じるように受圧部８４を支持する（図５参照）。

また、第３排出流路３３Ｃに放出された高圧水素ガスは、排出流路３３の第２排出流路３３Ｂ（図２）を通じて、排出ポート３０（図１）から排出流路３３の第１排出流路３３Ａに流出する。第１排出流路３３Ａに流出した高圧水素ガスは、圧力調整弁３４を通じて、後段に排出される。

水素ガスに含まれる水蒸気の一部は、電解質膜６０の加湿に用いられる。電解質膜６０の余剰な水分は、水素ガスの圧力勾配によってアノード側に戻る。アノード側に戻った水分は、電解質膜６０とカソード電極６２との間に滞留する傾向がある。電解質膜６０とカソード電極６２との間に滞留する滞留水が発生すると、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下する。

そこで、本実施形態の制御装置１８では、滞留水を除去するための制御処理が備えられる。この制御処理は、セル装置１４の運転時に実行される。図７は、制御処理の手順を示すフローチャートである。

ステップＳ１において、制御装置１８は、センサ８８（図１）を用いて、アノード電極６１とカソード電極６２との間の電気状態を時系列に計測する。

なお、セル装置１４に備えられる電気化学セル２４が複数備えられる場合、センサ８８は、複数の電気化学セル２４の各々に対して１つずつ備えられる。この場合、制御装置１８は、各センサ８８を用いて、各電気化学セル２４のアノード電極６１とカソード電極６２との間の電気状態を時系列に計測する。

センサ８８は、アノード電極６１とカソード電極６２との間の電気状態を検出するセンサである。具体的には、電圧センサ又は電流センサが挙げられる。制御装置１８が計測する電気状態は、アノード電極６１とカソード電極６２との間に印加される電圧値Ｖであってもよい。また、制御装置１８が計測する電気状態は、アノード電極６１とカソード電極６２との間を流れる電流値Ｉであってもよい。本実施形態の場合、制御装置１８は、アノード電極６１とカソード電極６２との間に印加される電圧値Ｖを計測する。なお、センサ８８が電流センサであっても、制御装置１８は、電流センサから出力される信号に基づいて、アノード電極６１とカソード電極６２との間に印加される電圧値Ｖを計測し得る。

ステップＳ２において、制御装置１８は、計測した電圧値Ｖを所定の閾値と比較する。ここで、電圧値Ｖが閾値以下である場合、制御装置１８は、ステップＳ１に戻る。一方、電圧値Ｖが所定の閾値を超える場合、制御装置１８は、ステップＳ３に進む。

なお、セル装置１４に備えられる電気化学セル２４が複数備えられる場合、電圧値Ｖが閾値を超える電気化学セル２４が、規定数を超えた場合に、制御装置１８は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、制御装置１８は、アノード電極６１とカソード電極６２との間における電圧の印加を停止するように電源装置１６を制御し、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、制御装置１８は、排出側開閉弁３６を閉じるとともに、分岐側開閉弁３７を開け、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５において、制御装置１８は、電圧の停止時間を計時するためのタイマのカウント値Ｔを「０」に設定し、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、制御装置１８は、タイマのカウント値Ｔを所定のカウント閾値と比較する。ここで、タイマのカウント値Ｔがカウント閾値以下である場合、制御装置１８は、ステップＳ７に進み、タイマのカウント値Ｔを「１」だけインクリメントした後、ステップＳ６に戻る。一方、タイマのカウント値Ｔがカウント閾値を超えた場合、制御装置１８は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、制御装置１８は、排出側開閉弁３６を開けるとともに、分岐側開閉弁３７を閉じ、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、制御装置１８は、アノード電極６１とカソード電極６２との間に電圧の印加を再開するように電源装置１６を制御した後、制御処理を終了する。

なお、ステップＳ９において、制御装置１８は、アノード電極６１とカソード電極６２との間に電圧の印加を再開するように電源装置１６を制御した後、ステップＳ１に戻ってもよい。また、上記の制御処理の順序は変更されてもよい。例えば、ステップＳ３とステップＳ４との先後が入れ替わってもよい。また、ステップＳ８とステップＳ９との先後が入れ替わってもよい。さらに、制御装置１８は、アノード電極６１とカソード電極６２との間に電圧を停止している停止期間中、流体供給装置１２を制御してセル装置１４への水素ガスの供給を停止させてもよい。

次に、上記のステップＳ４において、排出側開閉弁３６が閉じられるとともに、分岐側開閉弁３７が開けられた場合の高圧水素ガスの流れを説明する。排出側開閉弁３６が閉じ、かつ、分岐側開閉弁３７が開く場合、排出流路３３の第１排出流路３３Ａを流れる高圧水素ガスは、分岐流路３５の第１分岐流路３５Ａを流れる。第１分岐流路３５Ａを流れる高圧水素ガスは、分岐導入ポート５１（図３）を通じて、分岐流路３５の第２分岐流路３５Ｂ（図５）を流れる。第２分岐流路３５Ｂを流れる高圧水素ガスは、外部に放出される。

外部に放出される高圧水素ガスに応じて、第３排出流路３３Ｃ（図６）内の高圧水素ガスの圧力が弱まる。第３排出流路３３Ｃ内の高圧水素ガスの圧力に比べて、開閉部材８２における弾性支持部８６の弾性力が上回まわると、図６に示すように、弾性支持部８６に支持される受圧部８４が遷移して第３分岐流路３５Ｃが開く。第３分岐流路３５Ｃが開くと、第２分岐流路３５Ｂを流れる高圧水素ガスの一部は、分岐流路３５の第３分岐流路３５Ｃを流れ、アノード電極６１と電解質膜６０との間に流出する。

図８は、滞留水が除去される様子を図６と同じ視点で示す図である。アノード電極６１と電解質膜６０との間に流出した高圧水素ガスは、破線で示すように、アノード電極６１と電解質膜６０との間に滞留する滞留水を供給流路７０に押し出す。この結果、滞留水に起因する水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することが抑制される。

上記の実施形態は、下記のように変形してもよい。

例えば、セル装置１４は、水を電気分解して水素ガスを発生流体として生成する水分解装置であってもよい。セル装置１４が水分解装置である場合、流体供給装置１２は、セル装置１４に水を供給する。この場合、セル装置１４に備えられる電気化学セル２４におけるアノード給電体６３の支持層６３Ｂは省かれてもよい。

セル装置１４が水分解装置であっても、電気化学セル２４の運転条件によって、電解質膜６０とアノード電極６１との間に滞留水が滞留する場合がある。このため、セル装置１４が水分解装置であっても、セル装置１４が水素昇圧装置である場合と同様に、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することが抑制され得る。

以上の実施形態の記載から把握し得る本発明として、第１の発明、第２の発明及び第３の発明が挙げられる。

第１の発明は、電解質膜（６０）の一方の面に積層されるアノード電極（６１）と、電解質膜（６０）の他方の面に積層されるカソード電極（６２）との間に電圧が印加されることにより、アノード電極（６１）からカソード電極（６２）にプロトンを透過させる電気化学セル（２４）を有するセル装置（１４）である。セル装置（１４）は、アノード電極（６１）へ流体を供給する供給流路（７０）と、カソード電極（６２）に発生する発生流体を排出する排出流路（３３）と、排出流路（３３）から分岐し発生流体の一部を電解質膜（６０）とアノード電極（６１）との間に供給する分岐流路（３５）と、を備える。
これにより、セル装置（１４）は、電解質膜（６０）とアノード電極（６１）との間に供給する発生流体によって、電解質膜（６０）とアノード電極（６１）との間に滞留する滞留水を供給流路（７０）に押し出すことができる。この結果、セル装置（１４）は、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

発生流体は、電解質膜（６０）及びアノード電極（６１）の外周側から供給されてもよい。これにより、発生流体が電解質膜（６０）及びアノード電極（６１）の内周側から供給される場合に比べて、セル装置（１４）の内部で分岐流路（３５）が設置し易い。

電気化学セル（２４）の積層方向から見た場合に、分岐流路（３５）を流通する発生流体の流通方向は、供給流路（７０）を流通する流体の流通方向と異なってもよい。これにより、発生流体の流通方向と流体の流通方向とが同じである場合に比べて、セル装置（１４）の内部で供給流路（７０）に連通しない状態で分岐流路（３５）が設置し易い。

分岐流路（３５）には、発生流体の圧力によって分岐流路（３５）を開閉する開閉部材（８２）が設けられてもよい。これにより、セル装置（１４）は、運転時にカソード電極（６２）で発生する発生流体が分岐流路（３５）に流出することを制限することができる。

流体は、水素ガスであり、発生流体は、水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスであり、セル装置（１４）は、水素の酸化還元反応により水素を圧縮する水素昇圧装置であってもよい。これにより、セル装置（１４）は、水素ガスから高圧水素ガスを生成することができる。

第２の発明は、セル運転システム（１０）である。セル運転システム（１０）は、上記のセル装置（１４）と、分岐流路（３５）を開閉する開閉弁（３７）と、アノード電極（６１）とカソード電極（６２）との間に電圧を印加する電源装置（１６）と、アノード電極（６１）とカソード電極（６２）との間の電気状態を検出するセンサ（８８）と、電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、電圧の印加を停止するように電源装置（１６）を制御し、かつ、開閉弁（３７）を閉状態から開状態に切り替えるように開閉弁（３７）を制御する制御装置（１８）と、を備える。
これにより、セル運転システム（１０）は、電解質膜（６０）とアノード電極（６１）との間に供給する発生流体によって、電解質膜（６０）とアノード電極（６１）との間に滞留する滞留水を供給流路（７０）に押し出すことができる。この結果、セル運転システム（１０）は、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

第３の発明は、上記のセル装置（１４）を運転するセル運転方法である。セル運転方法は、アノード電極（６１）とカソード電極（６２）との間の電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、アノード電極（６１）とカソード電極（６２）との間に印加される電圧の印加を停止し、分岐流路（３５）を開閉する開閉弁（３７）を閉状態から開状態に切り替える。
これにより、セル運転方法は、電解質膜（６０）とアノード電極（６１）との間に供給する発生流体によって、電解質膜（６０）とアノード電極（６１）との間に滞留する滞留水を供給流路（７０）に押し出すことができる。この結果、セル運転方法は、水素の輸送性能及びエネルギー効率が低下することを抑制することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。

１０：セル運転システム １２：流体供給装置
１４：セル装置 １６：電源装置
１８：制御装置 ２４：電気化学セル
３３：排出流路 ３５：分岐流路
３６：排出側開閉弁 ３７：分岐側開閉弁
６０：電解質膜 ６１：アノード電極
６２：カソード電極 ７０：供給流路
８２：開閉部材 ８８：センサ

Claims (7)

1. 電解質膜の一方の面に積層されるアノード電極と、前記電解質膜の他方の面に積層されるカソード電極との間に電圧が印加されることにより、前記アノード電極から前記カソード電極にプロトンを透過させる電気化学セルを有するセル装置であって、
   前記アノード電極へ流体を供給する供給流路と、
   前記カソード電極に発生する発生流体を排出する排出流路と、
   前記排出流路から分岐し前記発生流体の一部を前記電解質膜と前記アノード電極との間に供給する分岐流路と、
   を備えるセル装置。
2. 請求項１に記載のセル装置であって、
   前記発生流体は、前記電解質膜及び前記アノード電極の外周側から供給される、セル装置。
3. 請求項１又は２に記載のセル装置であって、
   前記電気化学セルの積層方向から見た場合に、前記分岐流路を流通する前記発生流体の流通方向は、前記供給流路を流通する前記流体の流通方向と異なっている、セル装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のセル装置であって、
   前記分岐流路には、前記発生流体の圧力によって前記分岐流路を開閉する開閉部材が設けられる、セル装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載のセル装置であって、
   前記流体は、水素ガスであり、前記発生流体は、前記水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスであり、前記セル装置は、水素の酸化還元反応により水素を圧縮する水素昇圧装置である、セル装置。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載のセル装置と、
   前記分岐流路を開閉する開閉弁と、
   前記アノード電極と前記カソード電極との間に電圧を印加する電源装置と、
   前記アノード電極と前記カソード電極との間の電気状態を検出するセンサと、
   前記電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記電圧の印加を停止するように前記電源装置を制御し、かつ、前記開閉弁を閉状態から開状態に切り替えるように前記開閉弁を制御する制御装置と、
   を備えるセル運転システム。
7. 請求項１～５のいずれか１項に記載のセル装置を運転するセル運転方法であって、
   前記アノード電極と前記カソード電極との間の電気状態を示す値が所定の閾値を超える場合に、前記アノード電極と前記カソード電極との間に印加される電圧の印加を停止し、前記分岐流路を開閉する開閉弁を閉状態から開状態に切り替える、セル運転方法。

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