JP6902707B1 - 水素システムおよび水素システムの運転方法 - Google Patents

水素システムおよび水素システムの運転方法 Download PDF

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Abstract

水素システムは、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、前記圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、前記第２流路に設けられた開閉弁と、通常停止時に、前記開閉弁を開放させる制御器と、を備える。

Description

本開示は水素システムおよび水素システムの運転方法に関する。
近年、地球温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに開発および普及が進んでいる。
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用することが可能な技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及促進には、水素供給インフラを整備する必要がある。そこで、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を製造、精製、高密度貯蔵する様々な検討が行われている。
例えば、特許文献１には、アノードおよびカソード間に電解質膜が設けられ、アノードおよびカソード間に電圧を印加することによって、水素の精製および昇圧が行われる水素精製昇圧システムが記載されている。なお、アノード、電解質膜およびカソードの積層構造体を膜−電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
ここで、特許文献１には、水素精製昇圧システムの停止時に、システム中に残存するガスを窒素でパージすることが開示されている。
また、特許文献２には、アノードガス流路の凝縮水による閉塞（フラディング）が発生したとき、カソードガスをアノードガス流路に供給することで、アノードガス流路のフラディングを解消することが記載されている。
特許第６２９９０２７号公報 特開２０１８−１９９８５２号公報
本開示は、一例として、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る水素システムおよび水素システムの運転方法を提供することを課題とする。
本開示の一態様(aspect)の水素システムは、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、前記圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、前記第２流路に設けられた開閉弁と、通常停止時に、前記開閉弁を開放させる制御器と、を備える。
本開示の一態様の水素システムの運転方法は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップと、前記水素を圧縮するステップの通常停止時に、前記カソードで圧縮されたカソードオフガスを前記アノードに供給するステップと、前記アノードに供給されたカソードオフガスを、前記アノードから排出される水素含有ガスが流れる流路を介して排出させるステップと、を備える。
本開示の一態様の水素システムおよび水素システムの運転方法は、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る、という効果を奏する。
図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の実施例の水素システムの一例を示す図である。 図３は、第１実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。 図４は、第１実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。 図５は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図６は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図７は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図８は、第５実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図９は、第６実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図１０は、第７実施形態の水素システムの一例を示す図である。
特許文献１では、水素精製昇圧システムの停止時における、クリープによる電解質膜の強度低下について十分に検討されていない。また、特許文献１では、水素精製昇圧システムの再起動時に、システムの水素圧縮動作の効率が低下する可能性について十分に検討されていない。
電気化学式水素ポンプなどの圧縮機のカソードには、停止時に、カソードで生成された高圧の水素（Ｈ２）が存在する。従って、この状態で圧縮機を放置すると、アノードおよびカソード間の差圧に基づく荷重が電解質膜にかかり続ける。すると、電解質膜のクリープによって電解質膜が薄膜化することで、電解質膜の強度が低下する可能性がある。
また、一般的に、電解質膜は、湿潤状態で所望のプロトン伝導性を示す。このため、圧縮機の水素圧縮動作の効率を所望の値を維持するには、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。そこで、従来から、高湿度の水素含有ガスを圧縮機のアノードに供給することが多い。すると、圧縮機が停止した後、水素含有ガスの温度低下によって水素含有ガス中の水蒸気が凝縮することで、アノードガス流路の凝縮水による閉塞（フラディング）が発生する可能性がある。これにより、水素含有ガスの拡散性阻害に起因する圧縮機の拡散過電圧が増加すると、圧縮機の水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
また、特許文献２の電気化学式水素ポンプは、アノードガス流路の閉塞異常が発生したときについては考慮されているが、アノードガス流路の閉塞異常等の異常が発生していない通常停止の場合ついて考慮されていない。具体的には、本通常停止後に、電気化学式水素ポンプなどの圧縮機の温度低下に伴いアノードガス流路に凝縮水が生成することで、アノード流路の閉塞が発生する可能性があるが、特許文献２では、この点について考慮されていない。また、特許文献２では、アノードガス流路の閉塞異常時は、電解質膜のクリープが抑制されるが、通常停止時には、これが抑制されることはない。
そこで、本発明者等は鋭意検討し、圧縮機のカソードに存在する高圧の水素が、アノードに存在する高湿度の水素含有ガスよりも低湿度であることに着目し、これを利用して、圧縮機のアノードガス流路のフラディングを抑制することを着想した。
すなわち、本開示の第１態様の水素システムは、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、第２流路に設けられた開閉弁と、通常停止時に、開閉弁を開放させる制御器と、を備える。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る。具体的には、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放することで、アノードに存在する高湿度の水素含有ガスをカソードから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。つまり、高湿度の水素含有ガスが、低湿度のカソードオフガスによって第１流路へ押し出されるので、アノードに存在するガスが、前者の水素含有ガスから後者のカソードオフガスに置換される。これにより、本態様の水素システムは、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。すると、圧縮機の再起動時に、水素圧縮動作の効率を適切に維持することができる。
また、本態様の水素システムは、クリープによる電解質膜の強度低下を従来よりも抑制することができる。具体的には、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放することで、アノードおよびカソード間の差圧が速やかに小さくなるので、電解質膜のクリープによって電解質膜が薄膜化しにくくなる。これにより、本態様の水素システムは、電解質膜の強度を適切に維持することができる。
本開示の第２態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスが流れる第３流路を備え、第２流路は、第３流路から分岐してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第２流路が第３流路から分岐しているので、圧縮機において、カソードからカソードオフガスを排出するための箇所を集約することができる。
本開示の第３態様の水素システムは、第１態様または第２態様の水素システムにおいて、圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスが流れる第４流路を備え、第２流路は、第４流路に合流してもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第２流路と第４流路とが合流することで、両者の合流箇所よりも下流側の第４流路に存在する高湿度の水素含有ガスをカソードから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。これにより、本態様の水素システムは、第４流路のフラディングが発生しにくくなる。
本開示の第４態様の水素システムは、第２態様の水素システムにおいて、第２流路に分岐する箇所よりも下流の第３流路に、圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第１逆止弁を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第３流路に第１逆止弁を設けることで、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、カソードからアノードに供給するガスの量を適量に制限することができる。
例えば、圧縮機のカソードで生成される高圧の水素が第３流路を通じて水素貯蔵器に供給される場合、第３流路に第１逆止弁を設けないと、第２流路に設けられた開閉弁を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第３流路および第２流路の順に、これらの流路を通じてアノードに移動する可能性があるが、本態様の水素システムは、第３流路に第１逆止弁を設けることで、このような可能性を低減することができる。これにより、圧縮機の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
ここで、第３流路に設けられた適宜の開閉弁を閉めることで、カソードからアノードに供給するガスの量を制限することは可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、カソードからアノードに供給するガスの量を適切に制限しにくくなる。
これに対して、本態様の水素システムは、構造がシンプルな第１逆止弁を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
本開示の第５態様の水素システムは、第３態様の水素システムにおいて、第２流路が合流する箇所よりも上流の第４流路に、圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第２逆止弁を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、第４流路に第２逆止弁を設けることで、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、カソードからアノードに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、第４流路に第２逆止弁を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
ここで、第４流路に設けられた適宜の開閉弁を閉めることで、低圧仕様のアノードガス供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を抑制しにくくなる。
これに対して、本態様の水素システムは、構造がシンプルな第２逆止弁を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
本開示の第６態様の水素システムは、第１態様から第５態様のいずれか一つの水素システムにおいて、開閉弁よりも下流の第２流路に、第２流路を流れるカソードオフガスを減圧する減圧弁を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、減圧弁によって第２流路を介してアノードに供給されるカソードオフガスの圧力を低下させることができる。これにより、圧縮機のアノードに用いられる部材の破損が発生する可能性を低減することができる。
本開示の第７態様の水素システムは、第６態様の水素システムにおいて、減圧弁よりも下流の第２流路に、第２流路を流れるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第３逆止弁を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、電解質膜が破損した場合であっても、カソードに存在する高圧の水素が、第２流路を通じて減圧弁に逆流することを防止できるので、減圧弁が故障しにくくなる。
本開示の第８態様の水素システムは、第７態様の水素システムにおいて、減圧弁から第３逆止弁までの間の第２流路に、第２流路を流れるカソードオフガスの流量を調整する流量調節器を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、流量調節器によって第２流路を流れるカソードオフガスの流量を所望の流量に制限することができる。すると、本態様の水素システムは、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、第２流路を通じてカソードからアノードにカソードオフガスを安定に供給することができる。また、本態様の水素システムは、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、低湿度のカソードオフガスがアノードを通過する時間を長くすることができる。これにより、本態様の水素システムは、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。
本開示の第９態様の水素システムは、第５態様の水素システムにおいて、第１流路は、第２逆止弁よりも下流の第４流路と合流する。
かかる構成によると、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放することで、圧縮機のアノードに供給された高圧のカソードオフガスが、アノードから排出されても、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、第４流路に第２逆止弁を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
本開示の第１０態様の水素システムの運転方法は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップと、水素を圧縮するステップの通常停止時に、カソードで圧縮されたカソードオフガスをアノードに供給するステップと、アノードに供給されたカソードオフガスを、アノードから排出される水素含有ガスが流れる流路を介して排出させるステップと、を備える。
これにより、本態様の水素システムの運転方法は、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る。また、本態様の水素システムの運転方法は、クリープによる電解質膜の強度低下を従来よりも抑制することができる。なお、本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果の詳細は、第１態様の水素システムと同様であるので説明を省略する。
以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
（第１実施形態）
以下の実施形態では、上記の圧縮機の一例である電気化学式水素ポンプを備える水素システムの構成および動作について説明する。
［装置構成］
図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図１に示す例では、第１実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
電気化学式水素ポンプ１００のセルは、電解質膜２０と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、このようなセルを複数個、積層したスタックを備えてもよい。詳細は後で説明する。
アノードＡＮは、電解質膜２０の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含む電極である。カソードＣＡは、電解質膜２０の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含む電極である。これにより、電解質膜２０は、アノード触媒層およびカソード触媒層のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。
電解質膜２０はプロトン伝導性を備える膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜２０として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系電解質膜などを挙げることができる。具体的には、電解質膜２０として、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができるが、これらに限定されない。
アノード触媒層は、電解質膜２０の一方の主面に設けられている。アノード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
カソード触媒層は、電解質膜２０の他方の主面に設けられている。カソード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
カソード触媒層もアノード触媒層も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるが、特に限定されない。例えば、カーボン系粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボン担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。白金などの触媒金属のカーボン担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
カソードガス拡散層は、カソード触媒層上に設けられている。カソードガス拡散層は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。カソードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。カソードガス拡散層の基材として、例えば、カーボン繊維焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。
アノードガス拡散層は、アノード触媒層上に設けられている。アノードガス拡散層は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。アノードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、上記の差圧による電解質膜２０の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。アノードガス拡散層の基材として、例えば、カーボン粒子焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。
図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器２１を備える。
電圧印加器２１は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する装置である。電圧印加器２１は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することができれば、どのような構成であってもよい。図１に示す例では、電圧印加器２１の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器２１の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。電圧印加器２１として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器２１が、太陽電池、燃料電池、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられる。ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器２１が、商用電源などの交流電源と接続された場合に用いられる。また、電圧印加器２１は、例えば、セルに供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
このようにして電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器２１を用いて、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電が行われる。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器２１が、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素を、カソードＣＡに移動させ、かつ圧縮する装置である。これにより、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで高圧の水素が生成される。
なお、上記の水素含有ガスは、例えば、水の電気分解で生成された水素ガスであってもよいし、炭化水素ガスの改質反応で生成された改質ガスであってもよい。
ここで、図１には示されていないが、水素システム２００の水素圧縮動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。
例えば、一対のセパレータのそれぞれが、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれを外側から挟んでいてもよい。この場合、アノードＡＮに接触するセパレータは、アノードＡＮに水素含有ガスを供給するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、アノードＡＮに供給する水素含有ガスが流れるサーペンタイン状のガス流路を備える。カソードＣＡに接触するセパレータは、カソードＣＡから水素を導出するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、カソードＣＡから導出した水素が流れるガス流路を備える。
また、電気化学式水素ポンプ１００では、通常、高圧の水素が外部へリークしないように、セルの両側からガスケットなどのシール材が設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のセルと一体化して予め組み立てられる。そして、このセルの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するセル同士を互いに電気的に直列に接続するための上記のセパレータが配置されている。
セルとセパレータを交互に重ねて、セルを１０〜２００個程度、積層して、その積層体（スタック）を、集電板および絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層構造である。なお、この場合、セパレータのそれぞれのガス流路に適量の水素含有ガスを供給するには、セパレータのそれぞれにおいて、適宜の管路から溝状の分岐経路を分岐させ、これらの下流端が、セパレータのそれぞれのガス流路に連結するように構成する必要がある。このような管路のことをマニホールドといい、このマニホールドは、例えば、スタックを構成する部材のそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。
さらに、水素システム２００には、セルの温度を検知する温度検知器、セルの温度を調整する温度調整器、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を調整する露点調整器などが設けられていてもよい。
なお、以上の図示しない部材および機器は例示であって、本例に限定されない。
次に、本実施形態の水素システム２００の流路構成について説明する。
第１流路１は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第１流路１は、例えば、水素含有ガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。
ここで、第２流路２は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路である。第２流路２は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路であれば、どのような構成であってもよい。なお、このようなカソードオフガスは、カソードＣＡで生成される高圧の水素を含む。
例えば、第２流路２の上流端は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。
また、第２流路２の下流端は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。
図１に示すように、開閉弁５は、第２流路２に設けられた弁である。開閉弁５は、第２流路２を開閉することができれば、どのような構成であってもよい。開閉弁５として、例えば、電磁弁などを用いることができるが、これに限定されない。
制御器５０は、通常停止時に、開閉弁５を開放させる。制御器５０は、水素システム２００の全体の動作を制御してもよい。ここで、「通常停止」は、ガス流路のフラディングなどの異常発生に起因する停止(異常停止）と異なる停止である。具体的には、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体への水素供給の完了に伴う停止、換言すると、水素需要体の水素需要が満たされることに伴う停止が例示される。水素需要体の水素需要が満たされるとは、例えば、水素タンク内に水素が満たされることである。また、水素システム２００の通常停止では、水素システム２００の運転が停止されてもよい。このとき、例えば、電圧印加器２１におけるアノードＡＮおよびカソードＣＡ間の電圧印加が停止してもよいし、水素含有ガス供給源からアノードＡＮへの水素含有ガスの供給が停止してもよい。なお、水素含有ガス供給源として、例えば、改質器、水電解装置、水素タンク、水素インフラなどを挙げることができる。
制御器５０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
［動作］
以下、水素システム２００の水素圧縮動作の一例について、図面を参照しながら説明する。
以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧および高湿度の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器２１の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。すると、アノードＡＮのアノード触媒層において、水素分子がプロトンと電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜２０内を伝導してカソード触媒層に移動する。電子は電圧印加器２１を通じてカソード触媒層に移動する。なお、このとき、開閉弁５は閉止されている。
そして、カソード触媒層において、水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜２０中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
このとき、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素が第３流路３（図２参照）を通じて、図示しない水素貯蔵器に供給される場合、第３流路３に設けられた背圧弁、調整弁（図示せず）などを用いて、第３流路３の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素（Ｈ２）を圧縮することができる。ここで、第３流路３の圧損を増加させるとは、第３流路３に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧） ・・・（２）
このようにして、水素システム２００において、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜２０を介してカソードＣＡに移動させ、かつ圧縮する動作が行われる。カソードＣＡで生成された高圧の水素は、適時に、水素需要体に供給される。水素需要体として、例えば、水素貯蔵器、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。水素貯蔵器として、例えば、水素タンクを挙げることができる。
次に、水素システム２００の通常停止が行われる。例えば、本通常停止では、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮおよびカソードＣＡ間における電圧印加が停止されてもよいし、水素含有ガス供給源からアノードＡＮへの水素含有ガスの供給が停止されてもよい。これにより、カソードＣＡで水素を圧縮する動作が停止する。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００が、例えば、燃料電池フォークリフト向けの圧縮機である場合、上記の水素圧縮動作の通常停止時に、カソードＣＡ側には、約４０ＭＰａ程度の高圧かつ低湿度（例えば、約５０℃程度で相対湿度が約３００ｐｐｍ程度）の水素が存在する。また、アノードＡＮ側には、約０．１ＭＰａ程度の低圧かつ高湿度（例えば、約５０℃程度で相対湿度が約１２％程度）の水素含有ガスが存在する。
そこで、上記の水素圧縮動作の通常停止時に、開閉弁５が開放される。すると、カソードＣＡで圧縮された高圧の水素をカソードオフガスとして、第２流路２を介してアノードＡＮに供給する動作が行われる。このとき、アノードＡＮに供給されたカソードオフガスを、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れる第１流路１を介して排出させる動作が行われる。
以上のとおり、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、アノードＡＮでフラッディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る。具体的には、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、通常停止時に、第２流路２に設けられた開閉弁５を開放することで、アノードＡＮに存在する高湿度の水素含有ガスをカソードＣＡから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。つまり、高湿度の水素含有ガスが、低湿度のカソードオフガスによって第１流路１へ押し出されるので、アノードＡＮに存在するガスが、前者の水素含有ガスから後者のカソードオフガスに置換される。これにより、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。すると、電気化学式水素ポンプ１００の再起動時に、水素圧縮動作の効率を適切に維持することができる。
また、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、クリープによる電解質膜２０の強度低下を従来よりも抑制することができる。具体的には、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、通常停止時に、第２流路２に設けられた開閉弁５を開放することで、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が速やかに小さくなるので、電解質膜２０のクリープによって電解質膜２０が薄膜化しにくくなる。これにより、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、電解質膜２０の強度を適切に維持することができる。
（実施例）
図２は、第１実施形態の実施例の水素システムの一例を示す図である。
図２に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
第３流路３は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第３流路３は、例えば、カソードオフガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。また、水素システム２００は、カソードＣＡで生成された高圧の水素を、第３流路３を通じて水素貯蔵器（図示せず）に供給するように構成されていてもよい。なお、水素貯蔵器として、例えば、数十ＭＰａ程度の水素を充填可能な水素タンクを挙げることができる。図２に示す例では、第２流路２Ａは、第３流路３から分岐するように延伸している。なお、両者の接続箇所の他の例は、第１変形例で説明する。
第４流路４は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される水素含有ガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第４流路４は、例えば、水素含有ガス導入用のマニホールドに連通していてもよい。また、第４流路４の上流端は、例えば、水素含有ガス供給源に接続していてもよい。図２に示す例では、第２流路２Ａは、第４流路４に合流するように延伸している。なお、両者の接続箇所の他の例は、第２変形例で説明する。
以上により、本実施形態の実施例の水素システム２００は、第２流路２Ａが第３流路３から分岐しているので、電気化学式水素ポンプ１００において、カソードＣＡからカソードオフガスを排出するための箇所を集約することができる。
また、本実施形態の実施例の水素システム２００は、第２流路２Ａと第４流路４とが合流することで、両者の合流箇所よりも下流側の第４流路４に存在する高湿度の水素含有ガスをカソードＣＡから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４のフラディングが発生しにくくなる。
なお、本実施例の水素システム２００が奏する作用効果は、上記の作用効果以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。
本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様であってもよい。
（第１変形例）
図３は、第１実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。
図３に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ｂと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
第２流路２Ｂは、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路である。図３に示す例では、第２流路２Ｂは、第３流路３の上流端とは異なる箇所でカソードＣＡと連通するとともに、第４流路４で合流するように延伸している。
なお、本変形例の水素システム２００が奏する作用効果は、第２流路２Ａが第３流路３から分岐する構成によって発揮される作用効果以外は、第１実施形態の実施例の水素システム２００と同様である。
本変形例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の水素システム２００と同様であってもよい。
（第２変形例）
図４は、第１実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。
図４に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ｃと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
第２流路２Ｃは、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路である。図４に示す例では、第２流路２Ｃは、第３流路３から分岐するとともに、第４流路４の下流端とは異なる箇所でアノードＡＮと連通するように延伸している。
なお、本変形例の水素システム２００が奏する作用効果は、第２流路２Ａが第４流路４に合流する構成によって発揮される作用効果以外は、第１実施形態の実施例の水素システム２００と同様である。
本変形例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の第１変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図５に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、第１逆止弁７と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
第１逆止弁７は、第２流路２Ａに分岐する箇所よりも下流の第３流路３に設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、第３流路３に第１逆止弁７を設けることで、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、カソードＣＡからアノードＡＮに供給するガスの量を適量に制限することができる。
例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素が第３流路３を通じて水素貯蔵器（図示せず）に供給される場合、第３流路３に第１逆止弁７を設けないと、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第３流路３および第２流路２Ａの順に、これらの流路を通じてアノードＡＮに移動する可能性があるが、本実施形態の水素システム２００は、第３流路３に第１逆止弁７を設けることで、このような可能性を低減することができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
ここで、第３流路３に設けられた適宜の開閉弁（図示せず）を閉めることで、カソードＣＡからアノードＡＮに供給するガスの量を制限することは可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、カソードＣＡからアノードＡＮに供給するガスの量を適切に制限しにくくなる。
これに対して、本実施形態の水素システム２００は、構造がシンプルな第１逆止弁７を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の第１変形例−第２変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。例えば、第１実施形態の第１変形例（図３）の水素システム２００でも、上記と同様の作用効果を奏する。つまり、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素が第３流路３を通じて水素貯蔵器に供給される場合、第３流路３に第１逆止弁を設けないと、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第３流路３、カソードＣＡ内および第２流路２Ａの順に、これらの流路を通じてアノードＡＮに移動する可能性があるが、本実施形態の水素システム２００は、第３流路３に第１逆止弁を設けることで、このような可能性を低減することができる。
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図６に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、第２逆止弁８と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
第２逆止弁８は、第２流路２Ａが合流する箇所よりも上流の第４流路４に設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４に第２逆止弁８を設けることで、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、カソードＣＡからアノードＡＮに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４に第２逆止弁８を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。なお、アノードガス供給系とは、アノードガス供給ラインを除く、改質器、水電解装置または水素タンクなどの水素含有ガス供給源を意味する。
ここで、第４流路４に設けられた適宜の開閉弁（図示せず）を閉めることで、低圧仕様のアノードガス供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を適切に抑制しにくくなる。
これに対して、本態様の水素システム２００は、構造がシンプルな第２逆止弁８を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例および第２実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
（第４実施形態）
図７は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図７に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、減圧弁９と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
減圧弁９は、開閉弁５よりも下流の第２流路２Ａに設けられ、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスを減圧する弁である。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、減圧弁９によって第２流路２Ａを介してアノードＡＮに供給されるカソードオフガスの圧力を低下させることができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに用いられる部材の破損が発生する可能性を低減することができる。
なお、減圧弁９の個数は、１個に限定されない。例えば、第２流路２Ａに２個以上の減圧弁を設けることで、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの圧力を所望の値に調整しやすくなる。
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第２実施形態および第３実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
（第５実施形態）
図８は、第５実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図８に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、減圧弁９と、第３逆止弁１０と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。また、減圧弁９は、第４実施形態と同様であるので説明を省略する。
第３逆止弁１０は、減圧弁９よりも下流の第２流路２Ａに設けられ、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、電解質膜２０が破損した場合であっても、カソードＣＡに存在する水素が、電解質膜２０および第２流路２Ａを通じて減圧弁９に逆流することを防止できるので、減圧弁９が故障しにくくなる。
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
（第６実施形態）
図９は、第６実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図９に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、減圧弁９と、第３逆止弁１０と、流量調節器１１と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。また、減圧弁９および第３逆止弁１０はそれぞれ、第４実施形態および第５実施形態のそれぞれと同様であるので説明を省略する。
流量調節器１１は、減圧弁９から第３逆止弁１０までの間の第２流路２Ａに設けられ、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流量を調整する機器である。流量調節器１１は、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流量を調整することができれば、どのような構成であってもよい。流量調節器１１として、例えば、マスフローコントローラーなどを挙げることができる。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、流量調節器１１によって第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流量を所望の流量に制限することができる。すると、本実施形態の水素システム２００は、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、第２流路２Ａを通じてカソードＣＡからアノードＡＮにカソードオフガスを安定に供給することができる。また、本実施形態の水素システム２００は、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、低湿度の水素がアノードＡＮを通過する時間を長くすることができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態および第５実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
（第７実施形態）
図１０は、第７実施形態の水素システムの一例を示す図である。
図１０に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１Ａと、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、第２逆止弁８と、制御器５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第２逆止弁８は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
第１流路１Ａは、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第１流路１Ａは、例えば、水素含有ガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。
ここで、第１流路１Ａは、第２逆止弁８よりも下流の第４流路４と合流するように延伸している。なお、水素システム２００は、第１流路１Ａに、開閉弁（図示せず）を設けるように構成されていてもよい。
以上により、本実施形態の水素システム２００は、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放することで、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給された高圧のカソードオフガスが、アノードＡＮから排出されても、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４に第２逆止弁８を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態および第６実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例−第２変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態および第７実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。
本開示の一態様は、アノードでフラッディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る水素システムおよび水素システムの運転方法に利用することができる。
１ ：第１流路
１Ａ ：第１流路
２ ：第２流路
２Ａ ：第２流路
２Ｂ ：第２流路
２Ｃ ：第２流路
３ ：第３流路
４ ：第４流路
５ ：開閉弁
７ ：第１逆止弁
８ ：第２逆止弁
９ ：減圧弁
１０ ：第３逆止弁
１１ ：流量調節器
２０ ：電解質膜
２１ ：電圧印加器
５０ ：制御器
１００ ：電気化学式水素ポンプ
２００ ：水素システム
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (10)

  1. アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、
    前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、
    前記第２流路に設けられた開閉弁と、
    通常停止時に、前記開閉弁を開放させる制御器と、
    を備える、水素システム。
  2. 前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスが流れる第３流路を備え、
    前記第２流路は、前記第３流路から分岐する、請求項１に記載の水素システム。
  3. 前記圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスが流れる第４流路を備え、
    前記第２流路は、前記第４流路に合流する、請求項１または２に記載の水素システム。
  4. 前記第２流路に分岐する箇所よりも下流の前記第３流路に、前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第１逆止弁を備える、請求項２に記載の水素システム。
  5. 前記第２流路が合流する箇所よりも上流の前記第４流路に、前記圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第２逆止弁を備える、請求項３に記載の水素システム。
  6. 前記開閉弁よりも下流の前記第２流路に、前記第２流路を流れるカソードオフガスを減圧する減圧弁を備える、請求項１−５のいずれか１項に記載の水素システム。
  7. 前記減圧弁よりも下流の前記第２流路に、前記第２流路を流れるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第３逆止弁を備える、請求項６に記載の水素システム。
  8. 前記減圧弁から前記第３逆止弁までの間の前記第２流路に、前記第２流路を流れるカソードオフガスの流量を調整する流量調節器を備える、請求項７に記載の水素システム。
  9. 前記第１流路は、前記第２逆止弁よりも下流の前記第４流路と合流する、請求項５に記載の水素システム。
  10. アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップと、
    前記水素を圧縮するステップの通常停止時に、前記カソードで圧縮されたカソードオフガスを前記アノードに供給するステップと、
    前記アノードに供給されたカソードオフガスを、前記アノードから排出される水素含有ガスが流れる流路を介して排出させるステップと、を備える、水素システムの運転方法。
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