JP6979626B2 - Hydrogen supply system - Google Patents
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Description
本開示は水素供給システム関する。 This disclosure relates to a hydrogen supply system.
近年、地球の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、燃料電池の開発および普及が進んでいる。 In recent years, hydrogen has been attracting attention as a clean alternative energy source to replace fossil fuels due to environmental problems such as global warming and energy problems such as depletion of petroleum resources. Even if hydrogen burns, it basically releases only water, carbon dioxide that causes global warming is not emitted, and nitrogen oxides are hardly emitted, so it is expected as a clean energy. Further, as a device that uses hydrogen as a fuel with high efficiency, for example, there is a fuel cell, and the development and popularization of the fuel cell are progressing for a power source for an automobile and a private power generation for home use.
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、高密度で水素を貯蔵し、小容量かつ低コストで水素を輸送または利用し得る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の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。そこで、燃料供給インフラにおいて、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。 In the coming hydrogen society, in addition to producing hydrogen, there is a need for technological development that can store hydrogen at high density and transport or utilize hydrogen at low capacity and low cost. In particular, in order to promote the spread of fuel cells, which are distributed energy sources, it is necessary to develop fuel supply infrastructure. Therefore, various proposals have been made to purify and boost high-purity hydrogen in order to stably supply hydrogen in the fuel supply infrastructure.
例えば、高圧水素製造装置では、カソード側の高ガス圧による押圧に対して、電解質膜およびアノード給電体が変形することで、カソード給電体と、電解質膜およびアノード給電体との間で接触抵抗が増加する可能性がある。そこで、電解質膜およびアノード給電体の変形に対して、カソード給電体を電解質膜に密着させるための皿バネまたはコイルバネを備える押圧構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, in a high-pressure hydrogen production apparatus, the electrolyte membrane and the anode feeder are deformed in response to the pressing by the high gas pressure on the cathode side, so that the contact resistance between the cathode feeder and the electrolyte membrane and the anode feeder is increased. May increase. Therefore, a pressing structure including a disc spring or a coil spring for bringing the cathode feeder into close contact with the electrolyte membrane has been proposed against deformation of the electrolyte membrane and the anode feeder (see, for example, Patent Document 1).
また、膜−電極接合体の損傷の回避および密着性向上のため、チタン繊維とチタン繊維の間に、チタン粉末または炭素系材料粉末などの導電性材料粉末を充填して表面を平滑化した金属繊維積層体を備える電気化学セル用給電体が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, in order to avoid damage to the film-electrode joint and improve adhesion, a metal whose surface is smoothed by filling a conductive material powder such as titanium powder or carbon-based material powder between titanium fibers. A feeder for an electrochemical cell including a fiber laminate has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
また、高圧環境に対する耐久性を確保しながら、低コストで改質ガスから水素を精製および昇圧するため、複数枚積層されたセル構造と、このセル構造の積層方向に締結力を付与する締結構造とを備える水素精製昇圧装置が提案されている(例えば、特許文献3参照)。 In addition, in order to purify and boost hydrogen from the reformed gas at low cost while ensuring durability against a high-pressure environment, a cell structure in which multiple sheets are laminated and a fastening structure that imparts fastening force in the stacking direction of this cell structure. A hydrogen purification booster comprising the above has been proposed (see, for example, Patent Document 3).
ところで、水素エネルギーを高効率で利用することが従来から望まれているので、水素供給システムの水素圧縮動作時の効率向上が重要である。 By the way, since it has been conventionally desired to utilize hydrogen energy with high efficiency, it is important to improve the efficiency of the hydrogen supply system during hydrogen compression operation.
ここで、従来例では、水素供給システムの触媒層と給電体との間の電気的接触の視点から水素圧縮動作時の効率を向上することが検討されているが、水素供給システムの水素の拡散性を確保する視点から水素圧縮動作時の効率を向上することは検討されていない。 Here, in the conventional example, it is considered to improve the efficiency during the hydrogen compression operation from the viewpoint of the electrical contact between the catalyst layer of the hydrogen supply system and the feeder, but the diffusion of hydrogen in the hydrogen supply system From the viewpoint of ensuring the properties, it has not been considered to improve the efficiency during hydrogen compression operation.
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る水素供給システムを提供する。 One aspect (aspect) of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and by appropriately ensuring the diffusivity of hydrogen, hydrogen supply that can improve the efficiency during hydrogen compression operation as compared with the conventional case. Provide the system.
上記課題を解決するため、本開示の一態様の水素供給システムは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層および前記カソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層および前記アノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、前記電圧印加器により電圧を印加して、前記アノードから前記カソードにプロトンを移動させる動作中に、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる制御器と、を備える。 In order to solve the above problems, the hydrogen supply system of one aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane, and a cathode gas provided in contact with the cathode catalyst layer. A cathode including a diffusion layer, an anode including an anode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane and an anode gas diffusion layer provided in contact with the anode catalyst layer, the cathode catalyst layer and the anode catalyst. A voltage applicator that applies a voltage between layers and a controller that interrupts the voltage application by the voltage applicator during the operation of applying a voltage by the voltage applicator to move a proton from the anode to the cathode. And.
本開示の一態様の水素供給システムは、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得るという効果を奏する。 The hydrogen supply system of one aspect of the present disclosure has an effect that the efficiency at the time of hydrogen compression operation can be improved as compared with the conventional case by appropriately ensuring the diffusibility of hydrogen.
水素供給システムの水素圧縮動作時の効率向上について鋭意検討が行われ、水素供給システムの触媒層およびガス拡散層における水の分布状態によりポンプ性能が左右されることが次第に明らかになってきた。 Efforts have been made to improve the efficiency of the hydrogen supply system during hydrogen compression operation, and it has gradually become clear that the pump performance depends on the distribution of water in the catalyst layer and gas diffusion layer of the hydrogen supply system.
水素供給システムの水素圧縮動作時には、アノードからカソードにプロトンと同伴して移動(浸透)した水が、カソードおよびアノード間の差圧によってカソードからアノードに逆流(逆浸透)する。これにより、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディング(ガス流路の水による閉塞現象)を引き起こす可能性がある。 During the hydrogen compression operation of the hydrogen supply system, water that moves (permeates) from the anode to the cathode along with protons flows back (back-permeates) from the cathode to the anode due to the differential pressure between the cathode and the anode. This may cause flooding (a phenomenon of water blockage in the gas flow path) in the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer.
例えば、水素供給システムの水素圧縮動作時に、水素ガス(以下、アノードガス)がアノードガス流路を上流から下流へ通過する過程で、アノードガス中のプロトンが、電解質膜を通じてカソードに移動する構成を取る場合、アノードガス流路の下流側を流れるアノードガス中の水素ガス量は、上流側を流れるアノードガスの水素ガス量よりも少ない。 For example, during the hydrogen compression operation of a hydrogen supply system, the protons in the anode gas move to the cathode through the electrolyte membrane in the process of the hydrogen gas (hereinafter referred to as the anode gas) passing through the anode gas flow path from upstream to downstream. In this case, the amount of hydrogen gas in the anode gas flowing on the downstream side of the anode gas flow path is smaller than the amount of hydrogen gas in the anode gas flowing on the upstream side.
これに対して、アノードガス中には、上記のとおり、カソードおよびアノード間の差圧によってカソードからアノードに水が逆流(逆浸透)する。よって、以上の構成を取る場合、アノードガス流路の下流側を流れるアノードガスの露点は、上流側を流れるアノードガスの露点に比べて高くなる。すると、アノードガス流路の下流側におけるアノード触媒層およびアノードガス拡散層で、上記のフラディングを引き起こしやすい。 On the other hand, in the anode gas, as described above, water flows back (reverse osmosis) from the cathode to the anode due to the differential pressure between the cathode and the anode. Therefore, when the above configuration is adopted, the dew point of the anode gas flowing on the downstream side of the anode gas flow path is higher than the dew point of the anode gas flowing on the upstream side. Then, the above-mentioned flooding is likely to occur in the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer on the downstream side of the anode gas flow path.
そして、このようなフラディングが発生すると、水素供給システムの水素の拡散性が阻害されるので、所望のプロトン移動を確保するためのポンプ動作に必要な電圧印加器の電圧が増加する。つまり、発明者らは、以上のフラディング現象が水素供給システムの水素圧縮動作時の効率を低下させる要因となり得ることを見出し、以下の本開示の一態様を完成させるに至った。 When such flooding occurs, the diffusivity of hydrogen in the hydrogen supply system is hindered, so that the voltage of the voltage adapter required for the pump operation to secure the desired proton transfer increases. That is, the inventors have found that the above flooding phenomenon can be a factor that lowers the efficiency of the hydrogen supply system during the hydrogen compression operation, and have completed the following aspect of the present disclosure.
すなわち、本開示の第1の態様の水素供給システムは、電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層およびカソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層およびアノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、電圧印加器により電圧を印加して、アノードからカソードにプロトンを移動させる動作中に、電圧印加器による電圧印加を中断させる制御器と、を備える。 That is, the hydrogen supply system of the first aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane, and a cathode gas diffusion layer provided in contact with the cathode catalyst layer. And a voltage that applies a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer including the anode gas diffusion layer provided in contact with the anode catalyst layer and the anode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane. It includes an adapter and a controller that interrupts voltage application by the voltage applyer during the operation of applying a voltage by the voltage applyer to move protons from the anode to the cathode.
また、本開示の第2の態様の水素供給システムは、第1の態様の水素供給システムにおいて、制御器は、予め設定される所定時間、電圧印加器による電圧印加を中断させても良い。 Further, in the hydrogen supply system of the second aspect of the present disclosure, in the hydrogen supply system of the first aspect, the controller may interrupt the voltage application by the voltage adapter for a predetermined time set in advance.
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る。 According to such a configuration, the hydrogen supply system of this embodiment can improve the efficiency at the time of hydrogen compression operation as compared with the conventional case by appropriately ensuring the diffusivity of hydrogen.
具体的には、電圧印加器によりカソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧を印加することで、アノードからカソードにプロトンを移動させる動作中において、この電圧印加が中断する。すると、アノードからカソードへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。 Specifically, by applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer with a voltage applyer, this voltage application is interrupted during the operation of moving protons from the anode to the cathode. Then, the movement of protons and water from the anode to the cathode can be stopped for the above-mentioned predetermined time.
これにより、上記の所定時間は、アノードガスの露点は、アノードガス流路の下流側と上流側とで変化しにくくなる。つまり、この場合、アノードガス流路の入口から流入したアノードガスは、水素ガス量および水蒸気量を一定に保ったまま、アノードガス流路内を通過した後、アノードガス流路の出口から流入する。 As a result, the dew point of the anode gas is less likely to change between the downstream side and the upstream side of the anode gas flow path for the above predetermined time. That is, in this case, the anode gas flowing in from the inlet of the anode gas flow path passes through the anode gas flow path while keeping the hydrogen gas amount and the water vapor amount constant, and then flows in from the outlet of the anode gas flow path. ..
このようにして、本態様の水素供給システムは、上記の所定時間は、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。そして、仮に、フラディングが発生した場合、水素供給システムの水素の拡散性が阻害される可能性があるが、本態様の水素供給システムは、以上の構成により、このような可能性を低減できる。 In this way, the hydrogen supply system of this embodiment can perform a refresh operation for improving the state of causing flooding in the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer for the above-mentioned predetermined time. If flooding occurs, the diffusibility of hydrogen in the hydrogen supply system may be hindered, but the hydrogen supply system of this embodiment can reduce such possibility by the above configuration. ..
本開示の第3の態様の水素供給システムは、第1の態様または第2の態様の水素供給システムにおいて、カソードから出力される水素ガスが流れるカソードガス流路と、カソードガス流路に設けられた逆止弁と、を備えても良い。 The hydrogen supply system of the third aspect of the present disclosure is provided in the cathode gas flow path through which the hydrogen gas output from the cathode flows and the cathode gas flow path in the hydrogen supply system of the first aspect or the second aspect. It may be provided with a check valve.
かかる構成によると、カソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧印加を中断させた場合において、逆止弁の作用により、外部からカソードに流入するガスの流れを抑制できる。よって、本態様の水素供給システムは、逆止弁を備えない場合に比べて、カソードの圧力変動を抑制することができる。 According to such a configuration, when the voltage application between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is interrupted, the flow of gas flowing into the cathode from the outside can be suppressed by the action of the check valve. Therefore, the hydrogen supply system of this embodiment can suppress the pressure fluctuation of the cathode as compared with the case where the check valve is not provided.
本開示の第4の態様の水素供給システムは、第1の態様−第3の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、カソードから出力される水素ガスが流れるカソードガス流路と、カソードガス流路に設けられた弁と、を備え、制御器は、電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、弁を閉止させても良い。 The hydrogen supply system according to the fourth aspect of the present disclosure includes a cathode gas flow path through which hydrogen gas output from the cathode flows and a cathode gas flow path in the hydrogen supply system according to any one of the first aspect and the third aspect. The controller may close the valve when the voltage application by the voltage applyer is interrupted.
かかる構成によると、カソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧印加を中断させた場合において、弁の閉止作用により、カソード内の水素ガスの流れを抑制できる。よって、本態様の水素供給システムは、弁を閉止しない場合に比べてカソードのガス圧を高圧に維持することができる。 According to such a configuration, when the voltage application between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is interrupted, the flow of hydrogen gas in the cathode can be suppressed by the closing action of the valve. Therefore, the hydrogen supply system of this embodiment can maintain the gas pressure of the cathode at a high pressure as compared with the case where the valve is not closed.
以上により、カソード触媒層およびアノード触媒層間の電圧印加を再開した場合に、仮に、カソードのガス圧が低圧になっていると、カソードのガス圧を低圧から高圧するための時間ロスおよびエネルギーロスが発生する恐れがあるが、本態様の水素供給システムは、上記の構成により、このような不都合を軽減できる。 As described above, if the voltage application between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is restarted and the gas pressure of the cathode is low, there is a time loss and an energy loss for increasing the gas pressure of the cathode from low pressure to high pressure. Although it may occur, the hydrogen supply system of this embodiment can alleviate such inconvenience by the above configuration.
また、カソードのガス圧を高圧に維持することにより、電解質膜の膜厚方向および面内方向における電解質膜の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うことができる。よって、電解質膜の電気抵抗の増加を抑制でき、その結果、水素供給システムの水素圧縮動作に必要な消費電力の増加を抑制できる。なお、本リフレッシュ運転の詳細は、第1実施形態の第2変形例で説明する。 Further, by maintaining the gas pressure of the cathode at a high pressure, a refresh operation can be performed to make the distribution of the wet state of the electrolyte membrane uniform in the film thickness direction and the in-plane direction of the electrolyte membrane. Therefore, it is possible to suppress an increase in the electrical resistance of the electrolyte membrane, and as a result, it is possible to suppress an increase in power consumption required for the hydrogen compression operation of the hydrogen supply system. The details of this refresh operation will be described with reference to the second modification of the first embodiment.
本開示の第5の態様の水素供給システムは、第1の態様−第4の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、制御器は、電圧印加器の印加電圧が増加すると、電圧印加器による電圧印加を中断させても良い。 The hydrogen supply system according to the fifth aspect of the present disclosure is the hydrogen supply system according to any one of the first aspect to the fourth aspect. The application may be interrupted.
アノードでフラディングが発生すると、水素供給システムの水素の拡散性が阻害されるので、所望のプロトン移動を確保するためのポンプ動作に必要な電圧印加器の電圧が上昇する。つまり、電圧印加器の電圧は、フラディング現象に相関する値である。 Flooding at the anode impedes the diffusivity of hydrogen in the hydrogen supply system, thus increasing the voltage of the voltage adapter required for pump operation to ensure the desired proton transfer. That is, the voltage of the voltage applyer is a value that correlates with the flooding phenomenon.
また、電圧印加器の電圧はセル抵抗の増加に伴って上昇する。このセル抵抗は電解質膜の電気抵抗と直結しており、電解質膜の湿潤状態が変化することで、電解質膜の電気抵抗が変化する結果、セル抵抗が変化する。例えば、電圧印加器の電圧が増加した場合、電解質膜の湿潤状態に不均一な分布が発生していると予測できる。つまり、電圧印加器の電圧は、電解質膜の湿潤状態に相関する値である。 Further, the voltage of the voltage applyer rises as the cell resistance increases. This cell resistance is directly linked to the electric resistance of the electrolyte membrane, and the cell resistance changes as a result of the change in the electric resistance of the electrolyte membrane due to the change in the wet state of the electrolyte membrane. For example, when the voltage of the voltage applyer increases, it can be predicted that a non-uniform distribution occurs in the wet state of the electrolyte membrane. That is, the voltage of the voltage applyer is a value that correlates with the wet state of the electrolyte membrane.
そこで、本態様の水素供給システムでは、電圧印加器の電圧について所定の閾値電圧が設定されている。そして、電圧印加器の印加電圧が、閾値電圧を上回る場合に、電圧印加器による電圧印加を中断することで、アノードからカソードへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。 Therefore, in the hydrogen supply system of this embodiment, a predetermined threshold voltage is set for the voltage of the voltage applyer. Then, when the voltage applied by the voltage applyer exceeds the threshold voltage, the transfer of protons and water from the anode to the cathode can be stopped for the above-mentioned predetermined time by interrupting the voltage application by the voltage applyer.
これにより、フラディング現象に相関する電圧印加器の印加電圧に基づいて、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。また、電解質膜の湿潤状態に相関する電圧印加器の印加電圧に基づいて、例えば、カソードのガス圧を高圧に維持することで、電解質膜の膜厚方向および面内方向における電解質膜の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うこともできる。 This makes it possible to perform a refresh operation for improving the state of causing flooding in the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer based on the applied voltage of the voltage applyer that correlates with the flooding phenomenon. Further, based on the applied voltage of the voltage adapter that correlates with the wet state of the electrolyte membrane, for example, by maintaining the gas pressure of the cathode at a high pressure, the wet state of the electrolyte membrane in the film thickness direction and the in-plane direction of the electrolyte membrane is maintained. It is also possible to perform a refresh operation to make the distribution of the above uniform.
本開示の第6の態様の水素供給システムは、第1の態様−第5の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、カソード側の圧力を計測する圧力計測器を備え、制御器は、圧力計測器で計測する圧力が増加すると、電圧印加器による電圧印加を中断させても良い。 The hydrogen supply system of the sixth aspect of the present disclosure comprises a pressure measuring instrument for measuring the pressure on the cathode side in any one of the first aspect-fifth aspect, and the controller measures the pressure. When the pressure measured by the device increases, the voltage application by the voltage applyer may be interrupted.
水素供給システムのフラディングは、上記のとおり、アノードからカソードにプロトンと同伴して移動(浸透)した水が、カソードおよびアノード間の差圧によってカソードからアノードに逆流(逆浸透)することで発生する現象である。よって、カソードおよびアノード間の差圧が大きい程(つまり、カソードのガス圧が高い程)、水素供給システムのフラディングは発生しやすくなる。 As described above, flooding of the hydrogen supply system occurs when water that has moved (penetrated) from the anode to the cathode along with protons flows back (back-penetrated) from the cathode to the anode due to the differential pressure between the cathode and the anode. It is a phenomenon that occurs. Therefore, the larger the differential pressure between the cathode and the anode (that is, the higher the gas pressure of the cathode), the more likely it is that the hydrogen supply system will be flooded.
そこで、本態様の水素供給システムでは、常圧(低圧)から水素供給システムの定格運転時の圧力(高圧)までの間の圧力(例えば、中間圧力)を、カソードのガス圧の圧力閾値として設定している。そして、圧力計測器の計測データが、このような圧力閾値を上回る場合には、電圧印加器による電圧印加を中断することで、アノードからカソードへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。 Therefore, in the hydrogen supply system of this embodiment, the pressure (for example, intermediate pressure) between the normal pressure (low pressure) and the rated operating pressure (high pressure) of the hydrogen supply system is set as the pressure threshold of the gas pressure of the cathode. is doing. When the measurement data of the pressure measuring instrument exceeds such a pressure threshold value, the voltage application by the voltage adapter is interrupted to move protons and water from the anode to the cathode for the above-mentioned predetermined time. , Can be stopped.
これにより、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を、カソードのガス圧が圧力閾値を上回る場合にも行うことができる。つまり、本態様の水素供給システムでは、カソードのガス圧が、水素供給システムの定格運転時の圧力より低圧であっても、アノード触媒層およびアノードガス拡散層においてフラディングが発生する可能性があることに鑑み、このような圧力閾値を設定している。 Thereby, the refresh operation for improving the state of causing flooding in the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer can be performed even when the gas pressure of the cathode exceeds the pressure threshold. That is, in the hydrogen supply system of this embodiment, even if the gas pressure of the cathode is lower than the pressure at the rated operation of the hydrogen supply system, flooding may occur in the anode catalyst layer and the anode gas diffusion layer. In view of this, such a pressure threshold is set.
本開示の第7の態様の水素供給システムは、第1の態様−第6の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、アノードにガスを供給するガス供給器を備え、制御器は、電圧印加器による電圧印加を中断している時に、ガス供給器よりアノードにガスを供給させても良い。 The hydrogen supply system of the seventh aspect of the present disclosure comprises a gas supply device for supplying gas to the anode in any of the first aspect-sixth aspect of the hydrogen supply system, and the controller is a voltage applyer. Gas may be supplied to the anode from the gas supply device when the voltage application is interrupted.
かかる構成によると、本態様の水素供給システムでは、電圧印加器による電圧印加を中断している時にガス供給器よりアノードにガスを供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードで発生したフラディングを軽減することができる。 According to this configuration, in the hydrogen supply system of this embodiment, gas is supplied from the gas supply device to the anode when the voltage application by the voltage adapter is interrupted, as compared with the case where such gas supply is not performed. Flooding generated at the anode can be reduced.
具体的には、アノードでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。 Specifically, even when flooding occurs at the anode, the flow of gas supplied from the gas supply device to the water that has blocked the gas flow path of the anode catalyst layer and the water that has blocked the gas flow path of the anode gas diffusion layer. Can be effectively drained by the action of.
本開示の第8の態様の水素供給システムは、第7の態様の水素供給システムにおいて、上記の電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、アノードに供給されるガスの露点は、電圧印加器により電圧を印加している時にアノードに供給される水素ガスの露点よりも小さくても良い。 In the hydrogen supply system of the eighth aspect of the present disclosure, in the hydrogen supply system of the seventh aspect, when the voltage application by the voltage applyer is interrupted, the dew point of the gas supplied to the anode is the voltage application. It may be smaller than the dew point of the hydrogen gas supplied to the anode when the voltage is applied by the device.
本開示の第9の態様の水素供給システムは、第7の態様の水素供給システムにおいて、上記の電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、アノードに供給されるガスの露点は、電圧印加器により電圧を印加している時にアノードに供給される水素ガスの露点以下であっても良い。 In the hydrogen supply system of the ninth aspect of the present disclosure, in the hydrogen supply system of the seventh aspect, when the voltage application by the voltage applyer is interrupted, the dew point of the gas supplied to the anode is the voltage application. It may be below the dew point of the hydrogen gas supplied to the anode when a voltage is applied by the device.
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、電圧印加器による電圧印加が中断されている時に、低露点のガスをアノードに供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードで発生したフラディングを軽減することができる。 According to such a configuration, the hydrogen supply system of this embodiment supplies a gas having a low dew point to the anode when the voltage application by the voltage applyer is interrupted, as compared with the case where such gas supply is not performed. Flooding generated at the anode can be reduced.
具体的には、アノードでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。また、アノードに供給されるガスの露点は、電圧印加器により電圧を印加している時にアノードに供給される水素ガス(アノードガス)の露点以下であるので、かかるガスの温度が低下しても、ガス中の水蒸気は凝縮しにくい。よって、アノードに供給されるガスの温度低下により、アノードでフラディングを引き起こすことを適切に抑制できる。 Specifically, even when flooding occurs at the anode, the flow of gas supplied from the gas supply device to the water that has blocked the gas flow path of the anode catalyst layer and the water that has blocked the gas flow path of the anode gas diffusion layer. Can be effectively drained by the action of. Further, since the dew point of the gas supplied to the anode is equal to or lower than the dew point of the hydrogen gas (anode gas) supplied to the anode when the voltage is applied by the voltage adapter, even if the temperature of the gas drops. , Water vapor in the gas is hard to condense. Therefore, it is possible to appropriately suppress the occurrence of flooding at the anode due to a decrease in the temperature of the gas supplied to the anode.
本開示の第10の態様の水素供給システムは、第8の態様の水素供給システムにおいて、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿する加湿器と、ガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器を経由して、アノードに供給される第1の流路と、ガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器をバイパスして、アノードに供給される第2の流路と、を備え、ガス供給器が、第1の流路を流れるガスの第1流量および第2の流路を流れるガスの第2流量を調整する流量調整器を含み、制御器は、流量調整器を制御して、電圧印加器により電圧を印加しているとき、第1流量を第2流量より多くするとともに、電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、第1流量を第2流量より少なくしても良い。 The hydrogen supply system according to the tenth aspect of the present disclosure is the hydrogen supply system according to the eighth aspect, wherein the humidifier that humidifies the gas output from the gas reservoir and the gas output from the gas reservoir are the humidifier. A gas supply device including a first flow rate supplied to the anode via the gas reservoir and a second flow rate in which the gas output from the gas reservoir bypasses the humidifier and is supplied to the anode. Includes a flow rate regulator that regulates a first flow rate of gas flowing through the first flow path and a second flow rate of gas flowing through the second flow path, the controller controlling the flow rate regulator to apply a voltage. When the voltage is applied by the device, the first flow rate may be larger than the second flow rate, and when the voltage application by the voltage applyer is interrupted, the first flow rate may be smaller than the second flow rate.
本開示の第11の態様の水素供給システムは、第10の態様の水素供給システムにおいて、流量調整器が第1の流路と第2の流路とを切り替える切替器であり、制御器は、電圧印加器により電圧を印加しているとき、切替器を第1の流路側に切替え、電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、切替器を第2の流路側に切替えても良い。 The hydrogen supply system of the eleventh aspect of the present disclosure is a switch in which the flow rate regulator switches between the first flow path and the second flow path in the hydrogen supply system of the tenth aspect, and the controller is a controller. When the voltage is applied by the voltage applyer, the switch may be switched to the first flow path side, and when the voltage application by the voltage applicator is interrupted, the switch may be switched to the second flow path side.
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧が印加されているときは、加湿器による加湿量が多い高露点のガスがアノードに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、ガス中の水を用いて電解質膜を所望の湿潤状態に維持することができる。 According to this configuration, in the hydrogen supply system of this embodiment, when a voltage is applied between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, a high dew point gas having a large amount of humidification by the humidifier is supplied to the anode. Compared with the case where such a gas supply is not performed, the water in the gas can be used to maintain the electrolyte membrane in a desired wet state.
また、電圧印加器による電圧印加が中断されているときは、加湿器による加湿量が少ない低露点のガスがアノードに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、アノードで発生したフラディングを軽減することができる。 Further, when the voltage application by the voltage applyer is interrupted, the gas having a low dew point with a small amount of humidification by the humidifier is supplied to the anode, so that the anode is compared with the case where such gas supply is not performed. The generated flooding can be reduced.
本開示の第12の態様の水素供給システムは、第1の態様−第11の態様のいずれかの水素供給システムにおいて、水素供給システムが運転停止している第1状態および第1状態と異なる第2状態のいずれであるかを示す情報を報知する報知器を備え、制御器は、報知器を制御して、電圧印加器による電圧印加が中断しているとき、水素供給システムが、第2状態であること示す情報を報知しても良い。 The hydrogen supply system of the twelfth aspect of the present disclosure is different from the first state and the first state in which the hydrogen supply system is stopped in the hydrogen supply system of any one of the first aspect-11th aspects. A notification device for notifying information indicating which of the two states is provided, the controller controls the notification device, and when the voltage application by the voltage adapter is interrupted, the hydrogen supply system is in the second state. The information indicating that the system may be notified.
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、報知器により、水素供給システムが第2状態であること示す情報を、例えば、操作者などが、適時に知ることができる。 According to such a configuration, in the hydrogen supply system of this embodiment, the information indicating that the hydrogen supply system is in the second state can be known in a timely manner by, for example, an operator or the like by the alarm.
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。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。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. Each of the embodiments described below is an example of each of the above embodiments.
よって、以下で示される数値、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、本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。また、動作においては、必要に応じて、各工程の順序などを変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。 Therefore, the numerical values, shapes, materials, components, and the arrangement positions and connection forms of the components shown below are examples, and do not limit each of the above embodiments unless stated in the claims. .. Further, among the following components, the components not described in the independent claims indicating the highest level concept of this embodiment will be described as arbitrary components. Further, in the drawings, those having the same reference numerals may omit the description. The drawings schematically show each component for the sake of easy understanding, and may not be an accurate display of the shape, dimensional ratio, and the like. Further, in the operation, the order of each process can be changed as needed, and other known processes can be added.
(第1実施形態)
[装置構成]
図1は、第1実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
(First Embodiment)
[Device configuration]
FIG. 1 is a diagram showing an example of the hydrogen supply system of the first embodiment.
図1に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、アノードANと、カソードCAと、電圧印加器19と、を備える。
In the example shown in FIG. 1, the
カソードCAは、電解質膜14の一方の主面上に設けられたカソード触媒層(図1では図示せず)およびカソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層(図1では図示せず)を含む電極である。アノードANは、電解質膜14の他方の主面上に設けられたアノード触媒層(図1では図示せず)およびアノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層(図1では図示せず)を含む電極である。電圧印加器19は、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する装置である。なお、電解質膜14、カソード触媒層、カソードガス拡散層、アノード触媒層、アノードガス拡散層および電圧印加器19の詳細は後で説明する。
The cathode CA includes a cathode catalyst layer (not shown in FIG. 1) provided on one main surface of the
電気化学式水素ポンプ100は、電圧印加器19の電圧によりアノードANとカソードCAとの間に電流を流すことにより水素(H2)の昇圧を行い、高圧状態の水素ガス(以下、カソードガスという場合がある)を水素需要体(図示せず)に供給する装置である。水素需要体として、例えば、家庭用または自動車用の燃料電池などを挙げることができる。具体的には、電気化学式水素ポンプ100のアノードANで、アノードガス中の水素からプロトン(H+)が生成される。そして、プロトン(H+)が電解質膜14を透過し、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで、カソードガスが生成される。このとき、カソードCAにおいて生成される水素量が増加することでカソードガスが昇圧される。なお、電気化学式水素ポンプ100の構成の一例、および、電気化学式水素ポンプ100によるカソードガスの昇圧動作の詳細については後で説明する。
The electrochemical hydrogen pump 100 boosts hydrogen (H 2 ) by passing a current between the anode AN and the cathode CA by the voltage of the
制御器50は、電圧印加器19により電圧を印加して、アノードANからカソードCAにプロトン(H+)を移動させる動作中に、電圧印加器19による電圧印加を中断させる。制御器50は、水素供給システム200の全体の動作を制御しても良い。
The
制御器50は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても良い。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良いし、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良い。
The
図1には示されていないが、水素供給システム200の水素圧縮動作において必要となる機器は適宜、設けられる。例えば、電気化学式水素ポンプ100を冷却するための冷却器(例えば、空冷ファン)、電気化学式水素ポンプ100の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAから排出されたカソードガスを一時的に貯蔵する水素貯蔵器、この水素貯蔵器内のガス圧を検出する圧力検出器などが設けられていても良い。なお、これらの図示しない様々な機器は例示であって、本例に限定されない。
Although not shown in FIG. 1, equipment required for the hydrogen compression operation of the
[電気化学式水素ポンプの構成]
以下、電気化学式水素ポンプ100の構成の一例について図面を参照しながら詳しく説明する。
[Composition of electrochemical hydrogen pump]
Hereinafter, an example of the configuration of the
図2および図3は、第1実施形態の水素供給システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図3は、図2のA部の拡大図である。 2 and 3 are diagrams showing an example of an electrochemical hydrogen pump of the hydrogen supply system of the first embodiment. FIG. 3 is an enlarged view of part A in FIG.
図2および図3に示すように、電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、カソード触媒層15と、アノード触媒層16と、カソードガス拡散デバイス31と、アノードガス拡散デバイス9と、電圧印加器19と、締結器27と、を備える。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
カソードガス拡散デバイス31は、カソードガス拡散層31Aと、カソードセパレータ31Bと、を備える。アノードガス拡散デバイス9は、アノードガス拡散層24を備えるアノード本体1と、アノードガス流路板5と、アノード端板10と、を備える。カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の詳細な構成は後で説明する。
The cathode
電気化学式水素ポンプ100の単セル100Aは、電解質膜14と、カソード触媒層15と、アノード触媒層16と、カソードガス拡散デバイス31と、アノードガス拡散デバイス9と、を備える。よって、図2の電気化学式水素ポンプ100は、3段の単セル100Aが積層されたスタックを構成しているが、単セル100Aの段数はこれに限定されない。つまり、単セル100Aの段数は、電気化学式水素ポンプ100の水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
The
締結器27は、電解質膜14、カソード触媒層15、アノード触媒層16、カソードガス拡散層31A、およびアノードガス拡散層24の積層体100Bを締結する。
The
なお、本例では、図1のカソードCAは、例えば、カソード触媒層15およびカソードガス拡散層31Aで構成されている。また、図1のアノードANは、例えば、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24で構成されている。
In this example, the cathode CA in FIG. 1 is composed of, for example, a
ここで、積層体100Bを備える単セル100Aを複数個、積層状態で適切に保持するには、単セル100Aの最上層のカソードガス拡散デバイス31の端面および最下層のアノードガス拡散デバイス9の端面をそれぞれ、図示しない絶縁板などを介して端板26Uおよび端板26Dで挟み、単セル100Aに所望の締結圧をかける必要がある。そこで、端板26Uおよび端板26Dの適所に、単セル100Aに締結圧をかけるための皿ばねなどを備える複数の締結器27が設けられている。
Here, in order to appropriately hold a plurality of
締結器27は、上記の積層体100Bを締結できれば、どのような構成であっても良い。締結器27として、例えば、端板26Uおよび端板26Dの間を貫通するボルト、および皿ばね付きナットなどを例示できる。
The
端板26Uには、カソードガス拡散デバイス31からのカソードガスが流通するカソードガス導出配管30が設けられている。つまり、カソードガス導出配管30は、積層状態の単セル100Aに設けられた筒状のカソードガス導出マニホルド(図示せず)に連通している。なお、カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の間には、平面視において、カソードガス導出マニホルドを囲むように図示しないOリングなどのシール部材が設けられ、カソードガス導出マニホルドが、このシール部材で適切にシールされている。
The
また、端板26Uには、アノードガス拡散デバイス9からの余剰のアノードガスが流通するアノードガス導出配管29も設けられている。つまり、アノードガス導出配管29は、積層状態の単セル100Aに設けられた筒状のアノードガス導出マニホルド29Aに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の間には、平面視において、アノードガス導出マニホルド29Aを囲むようにOリングなどのシール部材40が設けられ、アノードガス導出マニホルド29Aが、シール部材40で適切にシールされている。
Further, the
端板26Dには、アノ−ドガス拡散デバイス9に供給されるアノードガスが流通するアノードガス導入配管28が設けられている。つまり、アノードガス導入配管28は、積層状態の単セル100Aに設けられた筒状のアノードガス導入マニホルド28Aに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の間には、平面視において、アノードガス導入マニホルド28Aを囲むようにOリングなどのシール部材40が設けられ、アノードガス導入マニホルド28Aが、シール部材40で適切にシールされている。
The
電解質膜14は、プロトン(H+)を透過可能なプロトン伝導性電解質膜である。電解質膜14はプロトン伝導性電解質膜であれば、どのような膜であっても良い。例えば、電解質膜14として、フッ素系高分子電解質膜などを挙げることができる。具体的には、例えば、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(商品名、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。
The
カソード触媒層15は、上記のとおり、電解質膜14の一方の主面(例えば、おもて面)に設けられている。なお、平面視において、カソード触媒層15の周囲を囲むようにガスケットなどのシール部材41が設けられ、カソード触媒層15が、シール部材41で適切にシールされている。カソード触媒層15は、例えば、触媒金属として白金(Pt)などを含んでも良いが、これに限定されない。
As described above, the
アノード触媒層16は、上記のとおり、電解質膜14の他方の主面(例えば、うら面)に設けられている。なお、平面視において、アノード触媒層16の周囲を囲むようにガスケットなどのシール部材42が設けられ、アノード触媒層16が、シール部材42で適切にシールされている。アノード触媒層16は、例えば、触媒金属としてPtまたはRuIrFeOxなどを含んでも良いが、これらに限定されない。
As described above, the
カソード触媒層15もアノード触媒層16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ので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気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。カーボンなどの担体に、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良い。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。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の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良い。
The
電圧印加器19は、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加できれば、どのような構成であっても良い。電圧印加器19は、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に印加する電圧を調整する機器でも良く、電圧印加器19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。この場合、DC/DCコンバータは、電圧印加器19が、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられ、AC/DCコンバータは、電圧印加器19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19の低電位側端子が、導電性のカソードガス拡散デバイス31に接続され、電圧印加器19の高電位側端子が、導電性のアノードガス拡散デバイス9に接続されている。
The
[カソードガス拡散デバイスの構成]
図4は、電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
[Cathode gas diffusion device configuration]
FIG. 4 is a diagram showing an example of a cathode gas diffusion device of an electrochemical hydrogen pump.
カソードガス拡散デバイス31は、上記のとおり、カソードガス拡散層31Aと、カソードセパレータ31Bと、を備える。
As described above, the cathode
カソードガス拡散層31Aは、電解質膜14と対向していないカソード触媒層15の主面上に設けられている。また、カソードガス拡散層31Aは、所望の弾性、所望の電気伝導性および所望のガス通気性を備えていれば、どのような構成であっても良い。例えば、カソードガス拡散層31Aは、高弾性の黒鉛化炭素繊維、またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体などで構成され、ペーパー状にしたものを用いることができる。なお、前者の黒鉛化炭素繊維を用いる場合、炭素繊維を、例えば、2000℃以上で熱処理すると黒鉛結晶が発達し黒鉛繊維に変化する。
The cathode
また、電気化学式水素ポンプ100では、カソードセパレータ31Bは、カソードガス拡散層31Aから導出されたカソードガスが流れる凹部35を備える。そして、カソードガス拡散層31Aは、凹部35に収納されている。
Further, in the
カソードセパレータ31Bは、カソードガスが流れるマニホルド孔32Cと、凹部35内のカソードガスをマニホルド孔32Cに導出するカソードガス導出流路33とを備える。
The
本例のカソードガス拡散デバイス31では、カソードガス導出流路33は、マニホルド孔32Cとカソードガス拡散層31Aとを連通する連通孔で構成されている。この連通孔は、例えば、図4に示す如く、凹部35の底面から、カソードセパレータ31Bの厚み方向に形成されたマニホルド孔32Cにまで延伸していても良い。また、単セル100Aが積層された場合、筒状のカソードガス導出マニホルドが、アノードガス拡散デバイス9に設けられたマニホルド孔32A(図5参照)と、マニホルド孔32Cとによって形成される。
In the cathode
以上により、高圧状態のカソードガス拡散層31Aからカソードガス導出流路33を通じてカソードガスを取り出すことができる。カソードガス導出流路33を通過したカソードガスは、カソードガス導出マニホルドおよびカソードガス導出配管30をこの順に流通する。
As described above, the cathode gas can be taken out from the cathode
[アノードガス拡散デバイスの構成]
図5は、電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散デバイスの一例を示す図である。図5(a)は、アノードガス拡散デバイス9のアノード本体1を平面視した図である。図5(b)は、アノードガス拡散デバイス9のアノードガス流路板5を平面視した図である。図5(c)は、アノードガス拡散デバイス9のアノード端板10を平面視した図である。
[Anode gas diffusion device configuration]
FIG. 5 is a diagram showing an example of an anode gas diffusion device of an electrochemical hydrogen pump. FIG. 5A is a plan view of the anode
図5(d)は、アノードガス拡散デバイス9の断面図である。つまり、図5(d)では、図5(a)、図5(b)および図5(c)に平面視で示された部材が積層された場合のD−D部に対応するアノードガス拡散デバイス9の断面が示されている。 FIG. 5D is a cross-sectional view of the anode gas diffusion device 9. That is, in FIG. 5 (d), the anode gas diffusion corresponding to the DD portion when the members shown in plan view in FIGS. 5 (a), 5 (b) and 5 (c) are laminated. A cross section of the device 9 is shown.
図5(d)に示すように、アノードガス拡散デバイス9は、アノード本体1と、アノードガス流路板5と、アノード端板10を備える。
As shown in FIG. 5D, the anode gas diffusion device 9 includes an anode
アノード本体1は、アノードガスを拡散させる金属性部材である。アノード本体1は、アノードガスを拡散させる金属性部材であれば、どのような構成であっても構わない。アノード本体1は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていても良い。アノード本体1の厚みは、数百μm程度(例えば、約400μm程度)であっても良い。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
The
また、アノード本体1は、アノードガス拡散層24と、アノードガス導入用のマニホルド孔3およびアノードガス導出用のマニホルド孔4と、を備える。なお、アノードガス拡散層24は、貫通孔を備える金属板の積層体、多孔構造の金属粉の焼結体などを用いて、アノードガスを拡散し得るように構成されている。
Further, the anode
アノードガス流路板5は、アノード本体1の主面上に設けられている。本実施形態のアノードガス拡散デバイス9では、アノードガス流路板5は、アノード本体1の主面と面接触するように設けられている。
The anode gas
アノードガス流路板5の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノードガス流路板5の厚みは、数十μm程度(例えば、約50μm程度)であっても良い。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
As the material of the anode gas
また、アノードガス流路板5は、アノードガス導入用のマニホルド孔7およびアノードガス導出用のマニホルド孔8と、アノードガス流路6と、を備える。
Further, the anode gas
マニホルド孔7およびマニホルド孔8はそれぞれ、アノード本体1のマニホルド孔3およびマニホルド孔4のそれぞれと対置するように配されている。
The
本実施形態のアノードガス拡散デバイス9では、アノードガス流路板5のアノードガス流路6は、マニホルド孔7と連通し、マニホルド孔8に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔8とは連通しない複数のスリット孔36Dと、マニホルド孔8と連通し、マニホルド孔7に向けて直線状に延伸するとともにマニホルド孔7とは連通しない複数のスリット孔36Uと、で構成されている。つまり、アノードガス流路板5は、スリット孔36Dを備える第1金属層5Dとスリット孔36Uを備える第2金属層5Uとを、これらのスリット孔36Dおよびスリット孔36U同士が重なり合うように一体的に接合することにより形成されている。そして、スリット孔36Dおよびスリット孔36U同士の重なり合う部分が、アノードガス流路板5を貫通するアノードガス流路6のスリット孔36を構成している。この場合、マニホルド孔7は、複数のアノードガス流路6の一端と連通することで、アノードガス拡散層24へのアノードガス導入に用いられる。つまり、アノードガス流路6のスリット孔36とアノードガス拡散層24との接触部分を通過したアノードガスが、アノードガス拡散層24へ送られる。また、マニホルド孔8は、複数のアノードガス流路6の他端と連通することで、アノードガス拡散層24からのアノードガス導出に用いられる。
In the anode gas diffusion device 9 of the present embodiment, the anode
アノード端板10は、アノードガス流路板5の主面のうち、アノード本体1と対向していない主面(以下、反対面)上に設けられている。具体的には、アノードガス流路板5の複数のスリット孔36が、アノード端板10によって反対面から覆われている。
The
アノード端板10の材質としては、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノード端板10の厚みは、数十μm程度(例えば、約50μm程度)であっても良い。これらの材質および数値は例示であって、本例に限定されない。
As the material of the
また、アノード端板10は、アノードガス導入用のマニホルド孔11およびアノードガス導出用のマニホルド孔12を備える。アノード端板10のマニホルド孔11およびマニホルド孔12はそれぞれ、アノードガス流路板5のマニホルド孔7およびマニホルド孔8のそれぞれと対置するように配されている。
Further, the
以上により、単セル100Aが積層される場合、アノードガス導入マニホルド28Aが、マニホルド孔11とマニホルド孔7とマニホルド孔3とカソードガス拡散デバイス31のマニホルド孔とによって形成されている。アノードガス導出マニホルド29Aが、マニホルド孔12とマニホルド孔8とマニホルド孔4とカソードガス拡散デバイス31のマニホルド孔とによって形成されている。
As described above, when the
本実施形態のアノードガス拡散デバイス9では、アノード端板10とアノードガス流路板5とアノード本体1とが、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていても良い。例えば、アノード端板10の主面とアノードガス流路板の主面とアノード本体1の主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていても良い。これにより、アノード端板10とアノードガス流路板5とアノード本体1とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べ、互いの接合部の空隙が消失するのでアノードガス拡散デバイス9の接触抵抗(電気抵抗)を低減できる。すると、アノードガス拡散デバイス9に電圧を印加する場合、電気化学式水素ポンプ100に必要な消費電力の増加を抑制できる。
In the anode gas diffusion device 9 of the present embodiment, the
[動作]
図6は、第1実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
[motion]
FIG. 6 is a flowchart showing an example of the operation of the hydrogen supply system of the first embodiment.
以下、第1実施形態の水素供給システム200の動作について、図面を参照しながら説明する。
Hereinafter, the operation of the
以下の動作は、制御器50の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。例えば、水素供給システム200が、表示機構およびタッチ操作機能を有する液晶ディスプレイなどの表示器を備えても良い。この場合、水素供給システム200の動作状態が表示器に表示されるとともに、操作者の制御指令が、適時に、表示器を介して制御器50の演算回路に入力される。
The following operation may be performed by the arithmetic circuit of the
まず、ステップS1で、電気化学式水素ポンプ100のアノードANにアノードガスが供給される。
First, in step S1, the anode gas is supplied to the anode AN of the
例えば、アノードガス導入配管28を通じて、アノードガスがアノードガス拡散デバイス9に供給される。具体的には、図5のマニホルド孔7にアノードガス導入配管28からアノードガスが供給される。すると、マニホルド孔7は、アノードガス流路板5のアノードガス流路6の一端と連通しているので、マニホルド孔7からアノードガス流路6にガスが送られる。
For example, the anode gas is supplied to the anode gas diffusion device 9 through the anode
このとき、アノードガス流路6を流通するアノードガスの一部は、アノード本体1のアノードガス拡散層24へ送られる。アノードガス拡散層24はガス拡散作用を備えるので、アノードガス流路6からアノードガス流路板5と対向していないアノードガス拡散層24の主面(以下、反対面)へと向かうアノードガスが、アノードガス拡散層24で均一に拡散されながら、この反対面を通過できる。これにより、アノードガス拡散層24の反対面に配されたアノード触媒層16に均一にアノードガスが供給される。なお、上記の反対面を通過しなかった余剰のアノードガスは、アノードガス流路板5のアノードガス流路6の他端と連通したマニホルド孔8に送られ、アノードガス導出配管29へ排出される。なお、アノードガスとして、例えば、水素ガスなどを挙げることができる。
At this time, a part of the anode gas flowing through the anode
次に、ステップS2で、電圧印加器19により、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加することで、以下の如く、カソードCAのガス圧P2が昇圧される。
Next, in step S2, by applying a voltage between the
まず、アノードガス中の水素は、アノード触媒層16上で電子を遊離してプロトン(H+)となる(式(1))。遊離した電子は、電圧印加器19を介してカソード触媒層15へと移動する。
First, hydrogen in the anode gas liberates an electron on the
一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜14内を透過し、カソード触媒層15に移動する。カソード触媒層15では、電解質膜14を透過したプロトンと、電子とによる還元反応が行われ、カソードガスが発生する(式(2))。
On the other hand, the protons permeate the
これにより、アノードガスが、例えば、CO2ガスなどの不純物を含む水素ガスであっても、アノードガスから高効率に水素ガスの純化が行われる。 As a result, even if the anode gas is a hydrogen gas containing impurities such as CO 2 gas, the hydrogen gas is purified from the anode gas with high efficiency.
なお、アノードガスには、例えば、不純物としてCOガスを含有する場合がある。この場合は、COガスは、アノード触媒層16などの触媒活性を低下させるので、COガスは、図示しないCO除去器(例えば、変成器、CO選択酸化器など)で除去する方が良い。
The anode gas may contain CO gas as an impurity, for example. In this case, since the CO gas reduces the catalytic activity of the
そして、カソードガス導出配管30の圧損を増やし、電圧印加器19の電圧Eを上げることで、カソードCAのガス圧P2が高圧になる。具体的には、アノードANのガス圧P1、カソードCAのガス圧P2および電圧印加器19の電圧Eの関係は、以下の式(3)で定式化される。
Then, by increasing the pressure loss of the cathode gas lead-out
アノードAN:H2(低圧)→2H++2e− ・・・(1)
カソードCA:2H++2e−→H2(高圧) ・・・(2)
E=(RT/2F)ln(P2/P1)+ir・・・(3)
Anode AN: H 2 (low pressure) → 2H + + 2e - ··· (1)
Cathode CA: 2H + + 2e - → H 2 ( high pressure) (2)
E = (RT / 2F) ln (P2 / P1) + ir ... (3)
式(3)において、Rは気体定数(8.3145J/K・mol)、Tは電気化学式水素ポンプ100のセル温度(K)、Fはファラデー定数(96485C/mol)、P2はカソードCA側のガス圧、P1はアノードAN側のガス圧、iは電流密度(A/cm2)、rはセル抵抗(Ω・cm2)である。
In the formula (3), R is the gas constant (8.3145 J / K · mol), T is the cell temperature (K) of the
式(3)から、電圧印加器19の電圧Eを上げることで、カソードCAのガス圧P2を上昇させ得ることが容易に理解できる。なお、カソードガス導出配管30の圧損は、例えば、カソードガス導出配管30に設けられた開閉弁の開度により増減させることができる。
From the equation (3), it can be easily understood that the gas pressure P2 of the cathode CA can be increased by increasing the voltage E of the
以上により、電気化学式水素ポンプ100では、上記のカソードガス導出配管30の圧損を大きくするとともに、電圧印加器19の電圧Eを上げることで、カソードCA側のガス圧P2を上昇させる。カソードCA側のガス圧P2が上昇したカソードガスは、例えば、カソードガス導出配管30を通じて外部(例えば、図示しない水素貯蔵器など)に排出される。
As described above, in the
ところで、水素供給システム200の水素圧縮動作時には、アノードANからカソードCAにプロトンと同伴して移動(浸透)した水が、カソードCAおよびアノードAN間の差圧によってカソードCAからアノードANに逆流(逆浸透)する。これにより、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24においてフラディング(ガス流路の水による閉塞現象)を引き起こす可能性がある。
By the way, during the hydrogen compression operation of the
例えば、図2および図5に示す如く、水素供給システム200の水素圧縮動作時に、アノードガスがアノードガス流路6を上流から下流へ通過する過程で、アノードガス中のプロトンが、電解質膜14を通じてカソードに移動する構成を取る場合、アノードガス流路6の下流側を流れるアノードガス中の水素ガス量は、上流側を流れるアノードガスの水素ガス量よりも少ない。
For example, as shown in FIGS. 2 and 5, during the hydrogen compression operation of the
これに対して、アノードガス中には、上記のとおり、カソードCAおよびアノードAN間の差圧によってカソードCAからアノードANに水が逆流(逆浸透)する。よって、以上の構成を取る場合、アノードガス流路6の下流側を流れるアノードガスの露点は、上流側を流れるアノードガスの露点に比べて高くなる。すると、アノードガス流路6の下流側におけるアノード触媒層16およびアノードガス拡散層24で、上記のフラディングを引き起こしやすい。
On the other hand, in the anode gas, as described above, water flows back (reverse osmosis) from the cathode CA to the anode AN due to the differential pressure between the cathode CA and the anode AN. Therefore, when the above configuration is adopted, the dew point of the anode gas flowing on the downstream side of the anode
そこで、本実施形態の水素供給システム200では、電圧印加器19によりカソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加して、アノードANからカソードCAにプロトンを移動させる動作中に、ステップS3で、予め設定された所定時間、このような電圧印加器19による電圧印加を中断させる。
Therefore, in the
なお、ステップS3で、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間への電圧印加を中断しているとき、カソードCAのガス圧P2が、高圧に維持されていても良い。例えば、上記の開閉弁を閉止することで、カソードCAのガス圧P2を高圧に維持することができる。詳細は、第2変形例で説明する。
When the voltage application between the
そして、上記の所定時間が経過した後、ステップS4で、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間への電圧印加が再開される。
Then, after the predetermined time has elapsed, the voltage application between the
以上により、本実施形態の水素供給システム200は、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る。
As described above, the
具体的には、電圧印加器19によりカソード触媒層15およびアノード触媒層16間の電圧を印加することで、アノードANからカソードCAにプロトンを移動させる動作中において、この電圧印加を中断させる。すると、アノードANからカソードCAへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
Specifically, by applying a voltage between the
これにより、上記の所定時間は、アノードガスの露点は、アノードガス流路6の下流側と上流側とで変化しにくくなる。つまり、この場合、アノードガス流路6の入口からに流入したアノードガスは、水素ガス量および水蒸気量を一定に保ったまま、アノードガス流路6内を通過した後、アノードガス流路6の出口から流入する。
As a result, the dew point of the anode gas is less likely to change between the downstream side and the upstream side of the anode
このようにして、本実施形態の水素供給システム200は、上記の所定時間は、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。そして、仮に、フラディングが発生した場合、水素供給システム200の水素の拡散性が阻害される可能性があるが、本実施形態の水素供給システム200は、以上の構成により、このような可能性を低減できる。
In this way, the
(第1変形例)
図7は、第1実施形態の第1変形例の水素供給システムの一例を示す図である。
(First modification)
FIG. 7 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system according to a first modification of the first embodiment.
図7に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、カソードガス流路60と、逆止弁61と、を備える。電気化学式水素ポンプ100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。
In the example shown in FIG. 7, the
カソードガス流路60は、カソードCAから出力される水素ガスが流れる流路である。カソードガス流路60は、カソードCAから出力される水素ガスが流れる流路であれば、どのような構成であっても良い。カソードガス流路60は、例えば、カソードガス導出配管30(図2参照)により構成されていても良い。
The cathode
逆止弁61は、カソードガス流路60に設けられている。具体的には、逆止弁61は、カソードCAから電気化学式水素ポンプ100の外部に水素が流出する方向が正方向となるように、カソードガス流路60に設けられている。
The
以上により、カソード触媒層15およびアノード触媒層16間の電圧印加を中断させた場合において、逆止弁61の作用により、外部からカソードCAに流入するガスの流れを抑制できる。よって、本変形例の水素供給システム200は、逆止弁61を備えない場合に比べて、カソードCAの圧力変動を抑制することができる。
As described above, when the voltage application between the
本変形例の水素供給システム200は、上記特徴以外は、第1実施形態の水素供給システム200と同様であっても良い。
The
(第2変形例)
電気化学式水素ポンプ100の動作における電解質膜14のプロトン伝導性について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
(Second modification)
The proton conductivity of the
電解質膜14のプロトン伝導性確保には、電解質膜14を所望の湿潤状態に維持することが必要である。つまり、電解質膜14を湿潤状態は、電解質膜14の電気抵抗と直結しており、電気化学式水素ポンプ100のセル抵抗を左右する重要な要因となる。そして、このセル抵抗の増加は、電圧印加器19の電圧Eの上昇を招くので、電気化学式水素ポンプ100の動作効率、ひいては、水素供給システム200の動作効率を低下させる。
In order to ensure the proton conductivity of the
ここで、発明者らは、電気化学式水素ポンプ100の動作における電解質膜14の湿潤状態が、カソードCAに存在する水の電解質膜14への浸透と密接に関係することを見出した。
Here, the inventors have found that the wet state of the
水素供給システム200の水素圧縮動作時、電気化学式水素ポンプ100では、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜14内を透過し、カソード触媒層15に移動する。つまり、アノードANからカソードCAに水が移動する。このとき、カソードCAに移動した水と電解質膜14との接触により、電解質膜14がカソードCAから加湿される。そして、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水の量が多い程、アノードANからの電解質膜14の加湿量が減少することとなり、その結果、電解質膜14の膜厚方向および面内方向における湿潤状態の分布(不均一)が発生する可能性がある。
During the hydrogen compression operation of the
一方、カソードCAからの電解質膜14の加湿量はカソードCAのガス圧P2の高低に依存する。つまり、電解質膜14と接触する水は、カソードCAのガス圧P2が高い程、電解質膜14に水が浸透しやすくなり、その結果、電解質膜14の加湿が促進される。
On the other hand, the amount of humidification of the
第1実施形態の第2変形例の水素供給システム200では、以上の原理を利用して、電解質膜14の均一な湿潤状態が維持される。
In the
図8は、第1実施形態の第2変形例の水素供給システムの一例を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system according to a second modification of the first embodiment.
図8に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、カソードガス流路60と、弁62と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。カソードガス流路60は、第1実施形態の第1変形例と同様であるので説明を省略する。
In the example shown in FIG. 8, the
弁62は、カソードガス流路60に設けられている。具体的には、弁62は、カソードガス流路60を開放および閉止可能な開閉弁である。弁62として、例えば、電磁式開閉弁を用いることができるが、これに限定されない。
The
そして、制御器50は、電圧印加器19による電圧印加を中断しているとき、弁62を閉止させる。すると、カソード触媒層15およびアノード触媒層16間の電圧印加を中断させた場合において、弁62の閉止作用により、カソードCA内のカソードガスの流れを抑制できる。よって、本変形例の水素供給システム200は、弁62を閉止しない場合に比べてカソードCAのガス圧P2を高圧に維持することができる。
Then, the
以上により、カソード触媒層15およびアノード触媒層16間の電圧印加を再開した場合に、仮に、カソードCAのガス圧P2が低圧になっていると、カソードCAのガス圧P2を低圧から高圧するための時間ロスおよびエネルギーロスが発生する恐れがあるが、本変形例の水素供給システム200は、上記の構成により、このような不都合を軽減できる。
As described above, when the voltage application between the
また、カソードCAのガス圧P2は、上記のとおり、電解質膜14の加湿を促進させる効果を発揮する。そこで、本変形例の水素供給システム200では、電圧印加器19による電圧印加を中断しているとき、弁62を閉止させることにより、カソードCA内のガス圧P2を電解質膜14に均一に付与することで、カソードCAに存在する水を電解質膜14の面内において均一に浸透させることができる。これにより、電解質膜14の膜厚方向および面内方向における電解質膜14の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うことができる。よって、電解質膜14の電気抵抗の増加を抑制でき、その結果、水素供給システム200の水素圧縮動作に必要な消費電力の増加を抑制できる。
Further, the gas pressure P2 of the cathode CA exerts the effect of promoting the humidification of the
なお、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加させずに、カソードCAのガス圧P2を高圧にする期間は、水素供給システム200のそれまでの運転時間、直前のカソードCAのガス圧P2、電解質膜14の湿潤状態と電解質膜14の電気抵抗などの物性との相関などを考慮して、電解質膜14の膜厚方向および面内方向における湿潤状態を改善できる期間として、予め設定することが望ましい。
The period during which the gas pressure P2 of the cathode CA is increased without applying a voltage between the
本変形例の水素供給システム200は、上記特徴以外は、第1実施形態または第1実施形態の第1変形例の水素供給システム200と同様であっても良い。
The
(第1実施例)
図9は、第1実施形態の第1実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
(First Example)
FIG. 9 is a diagram showing an example of the hydrogen supply system of the first embodiment of the first embodiment.
図9に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、アノードANと、カソードCAと、電圧印加器19と、電圧計測器70と、を備える。
In the example shown in FIG. 9, the
電解質膜14、アノードAN、カソードCAおよび電圧印加器19は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
Since the
電圧計測器70は、電圧印加器19でカソード触媒層15およびアノード触媒層16の間にかける電圧Eを計測する装置である。電圧計測器70は、電圧印加器19の電圧Eを計測できれば、どのような構成であっても良い。
The
なお、本実施例の水素供給システム200は、電圧計測器70を備えているが、このような電圧計測器を備えなくても良い。後者の場合、電圧印加器19の電圧Eは、例えば、制御器50で電圧印加器19を制御する場合の電圧印加器19の制御量として把握することができる。
Although the
制御器50は、電圧印加器19の印加電圧が増加すると、電圧印加器19による電圧印加を中断させる。
The
図10は、第1実施形態の第1実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 FIG. 10 is a flowchart showing an example of the operation of the hydrogen supply system of the first embodiment of the first embodiment.
以下の動作は、制御器50の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。
The following operation may be performed by the arithmetic circuit of the
図10のステップS1、ステップS2、ステップS3およびステップS4は、図6のステップS1、ステップS2、ステップS3およびステップS4と同様であるので詳細な説明を省略する。 Since step S1, step S2, step S3 and step S4 in FIG. 10 are the same as step S1, step S2, step S3 and step S4 in FIG. 6, detailed description thereof will be omitted.
ステップS5で、電圧印加器19の電圧E(例えば、電圧計測器70で計測する電圧)が、予め設定された電圧閾値を上回るか否かが判定される。 In step S5, it is determined whether or not the voltage E of the voltage adapter 19 (for example, the voltage measured by the voltage measuring instrument 70) exceeds the preset voltage threshold value.
電圧印加器19の電圧Eが、電圧閾値以下の場合(ステップS5で、Noの場合)、ステップS2で、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加することで、カソードCAのガス圧P2を昇圧する動作が継続される。
When the voltage E of the
電圧印加器19の電圧Eが、電圧閾値を上回る場合(ステップS5で、Yesの場合)、ステップS3で、予め設定された所定時間、電圧印加器19によるカソード触媒層15およびアノード触媒層16間への電圧印加が中断され、上記の所定時間が経過した後、ステップS4で、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間への電圧印加が再開される。そして、ステップS2で、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加することで、カソードCAのガス圧P2を昇圧する動作が継続される。
When the voltage E of the
ここで、アノードANでフラディングが発生すると、水素供給システム200の水素の拡散性が阻害されるので、所望のプロトン移動を確保するためのポンプ動作に必要な電圧印加器19の電圧Eが上昇する。つまり、電圧印加器19の電圧Eは、フラディング現象に相関する値である。
Here, when flooding occurs in the anode AN, the diffusibility of hydrogen in the
また、電圧印加器19の電圧Eはセル抵抗の増加に伴って上昇する。このセル抵抗は電解質膜14の電気抵抗と直結しており、電解質膜14の湿潤状態が変化することで、電解質膜14の電気抵抗が変化する結果、セル抵抗が変化する。例えば、電圧印加器19の電圧Eが増加した場合、電解質膜14の湿潤状態に不均一な分布が発生していると予測できる。つまり、電圧印加器19の電圧Eは、電解質膜14の湿潤状態に相関する値である。
Further, the voltage E of the
そこで、本実施例の水素供給システム200では、ステップS5に示す如く、電圧印加器19の電圧について所定の閾値電圧が設定されている。そして、電圧印加器19の印加電圧が、閾値電圧を上回る場合に、電圧印加器19による電圧印加を中断することで、アノードANからカソードCAへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
Therefore, in the
これにより、フラディング現象に相関する電圧印加器19の印加電圧に基づいて、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を行うことができる。また、電解質膜14の湿潤状態に相関する電圧印加器19の印加電圧に基づいて、例えば、カソードCAのガス圧P2を高圧に維持することで、電解質膜14の膜厚方向および面内方向における電解質膜14の湿潤状態の分布を均一にするリフレッシュ運転を行うこともできる。
As a result, it is possible to perform a refresh operation for improving the state of causing flooding in the
なお、ステップS5の電圧閾値は、電解質膜14の湿潤状態と電解質膜14の電気抵抗などの物性との相関などを考慮して、水素供給システム200の水素圧縮動作の安定性、水素供給システム200の目標効率を達成し得る電圧を指標として設定すると良い。閾値電圧は、例えば、触媒金属が溶出する下限電圧より小さい値であっても良い。例えば、触媒金属としてPtが用いられている場合は、閾値電圧は、触媒金属が溶出する下限電圧(例えば、1.19V)よりも小さい値で設定しても良い。
The voltage threshold in step S5 is the stability of the hydrogen compression operation of the
本実施例の水素供給システム200は、上記特徴以外は、第1実施形態および第1実施形態の第1変形例−第2変形例のいずれかの水素供給システム200と同様であっても良い。
The
(第2実施例)
図11は、第1実施形態の第2実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
(Second Example)
FIG. 11 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system according to a second embodiment of the first embodiment.
図11に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、アノードANと、カソードCAと、電圧印加器19と、電圧計測器70と、圧力計測器71と、を備える。
In the example shown in FIG. 11, the
電解質膜14、アノードAN、カソードCAおよび電圧印加器19は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。電圧計測器70は、第1実施形態の第1実施例と同様であるので説明を省略する。
Since the
圧力計測器71は、カソードCA側の圧力を計測する装置である。つまり、圧力計測器71により、カソードCAのガス圧P2が計測される。圧力計測器71は、カソードCA側の圧力を計測できれば、どのような構成であっても良い。
The
制御器50は、圧力計測器71で計測する圧力が増加すると、電圧印加器19による電圧印加を中断させる。
When the pressure measured by the
図12は、第1実施形態の第2実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 FIG. 12 is a flowchart showing an example of the operation of the hydrogen supply system of the second embodiment of the first embodiment.
以下の動作は、制御器50の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。
The following operation may be performed by the arithmetic circuit of the
図12のステップS1、ステップS2、ステップS3およびステップS4は、図6のステップS1、ステップS2、ステップS3およびステップS4と同様であるので詳細な説明を省略する。図12のステップS5は、図10のステップS5と同様であるので詳細な説明を省略する。 Since step S1, step S2, step S3 and step S4 in FIG. 12 are the same as step S1, step S2, step S3 and step S4 in FIG. 6, detailed description thereof will be omitted. Since step S5 in FIG. 12 is the same as step S5 in FIG. 10, detailed description thereof will be omitted.
ステップS6で、圧力計測器71で計測する圧力が、予め設定された圧力閾値を上回るか否かが判定される。
In step S6, it is determined whether or not the pressure measured by the
圧力計測器71で計測する圧力が、圧力閾値以下の場合(ステップS6で、Noの場合)、ステップS2で、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加することで、カソードCAのガス圧P2を昇圧する動作が継続される。
When the pressure measured by the
圧力計測器71で計測する圧力が、圧力閾値を上回る場合(ステップS6で、Yesの場合)、次の判定ステップS5に進む。そして、ステップS5では、第1実施形態の第1実施例の水素供給システムと同様の動作が行われる。
When the pressure measured by the
ここで、水素供給システム200のフラディングは、上記のとおり、アノードANからカソードCAにプロトンと同伴して移動(浸透)した水が、カソードCAおよびアノードAN間の差圧によってカソードCAからアノードANに逆流(逆浸透)することで発生する現象である。よって、カソードCAおよびアノードAN間の差圧が大きい程(つまり、カソードCAのガス圧P2が高い程)、水素供給システム200のフラディングは発生しやすくなる。
Here, in the flooding of the
そこで、本実施例の水素供給システム200では、常圧から水素供給システム200の定格運転時の圧力(高圧)までの間の圧力(例えば、中間圧力)を、カソードCAのガス圧P2の圧力閾値として設定している。圧力閾値は複数、設定されていても良い。そして、圧力計測器71の計測データが、このような圧力閾値を上回る場合には、電圧印加器19による電圧印加を中断することで、アノードANからカソードCAへのプロトンおよび水の移動を上記の所定時間の間、停止できる。
Therefore, in the
これにより、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24においてフラディングを引き起こす状態を改善するリフレッシュ運転を、カソードCAのガス圧P2が圧力閾値を上回る場合にも行うことができる。つまり、本実施例の水素供給システム200では、カソードCAのガス圧P2が、水素供給システム200の定格運転時の圧力より低圧であっても、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24においてフラディングが発生する可能性があることに鑑み、このような圧力閾値を設定している。
Thereby, the refresh operation for improving the state of causing flooding in the
本実施例の水素供給システム200は、上記特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の第1変形例−第2変形例および第1実施形態の第1実施例のいずれかの水素供給システム200と同様であっても良い。
The
(第2実施形態)
図13は、第2実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 13 is a diagram showing an example of the hydrogen supply system of the second embodiment.
図13に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、ガス供給器80と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、アノードANと、カソードCAと、電圧印加器19と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
In the example shown in FIG. 13, the
ガス供給器80は、電気化学式水素ポンプ100のアノードANにガスを供給する装置である。ガス供給器80は、アノードANにガスを供給することができれば、どのような構成であっても良い。
The
ガス供給器80は、電気化学式水素ポンプ100のアノードANへ供給するガス流量を調整する流量調整器を備えても良い。流量調整器は、昇圧器および流量調整弁の両方、または、いずれか一方により構成されても良い。昇圧器として、例えば、ブースターポンプなどを挙げることができるが、これに限定されない。
The
また、水素供給システム200では、所定の供給圧を有するガス供給源(図示せず)からガス供給器80にガスが供給される。ガス供給源として、例えば、ガス貯蔵器(例えば、ガスボンベ)、ガス供給インフラなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
Further, in the
制御器50は、電圧印加器19による電圧印加を中断している時に、ガス供給器80よりアノードANにガスを供給させる。
The
図14は、第2実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 FIG. 14 is a flowchart showing an example of the operation of the hydrogen supply system of the second embodiment.
以下の動作は、制御器50の演算回路が、記憶回路から制御プログラムにより行われても構わない。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、その一部または全部の動作を行っても構わない。
The following operation may be performed by the arithmetic circuit of the
図14のステップS1、ステップS2およびステップS4は、図6のステップS1、ステップS2およびステップS4と同様であるので詳細な説明を省略する。 Since step S1, step S2 and step S4 in FIG. 14 are the same as step S1, step S2 and step S4 in FIG. 6, detailed description thereof will be omitted.
電圧印加器19によりカソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加して、アノードANからカソードCAにプロトンを移動させる動作中に、ステップS3Aで、予め設定された所定時間、このような電圧印加器19による電圧印加を中断させるとともに、ガス供給器80によりアノードANにガスが供給される。
During the operation of applying a voltage between the
このとき、ガス供給器80からアノードANに供給されるガスは、例えば、水素ガス(アノードガス)であるが、これに限定されず、窒素などの酸素を除く他のガスであっても良い。ガス供給器80からアノードANに供給されるガスが、水素ガス(アノードガス)である場合、アノードANにアノードガスを供給するステップS1の動作が継続されていても良い。つまり、この場合、ステップS3Aは、ステップS3と同様であっても良い。
At this time, the gas supplied from the
また、ガス供給器80からアノードANに供給されるガスが、窒素などの他のガスである場合、図示を省略しているが、ステップS3Aで、ステップS1の動作が停止されていても良い。これにより、上記のリフレッシュ運転において水素ガスを使用せずに済む。
Further, when the gas supplied from the
以上により、本実施形態の水素供給システム200は、電圧印加器19による電圧印加を中断している時にガス供給器80よりアノードANにガスを供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードANで発生したフラディングを軽減することができる。
As described above, the
具体的には、アノードANでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層16のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層24のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器80から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。
Specifically, even when flooding occurs in the anode AN, water that blocks the gas flow path of the
本実施形態の水素供給システム200は、上記特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の第1変形例−第2変形例および第1実施形態の第1実施例−第2実施例のいずれかの水素供給システム200と同様であっても良い。例えば、図14では、図6のステップS3が、上記のステップS3Aに置き換えられているが、図10のステップS3が、上記のステップS3Aに置き換えられても良いし、図12のステップS3が、上記のステップS3Aに置き換えられても良い。
Except for the above features, the
(第1実施例)
第2実施形態の第1実施例の水素供給システム200は、以下の特徴以外は、第2実施形態の水素供給システム200と同様である。
(First Example)
The
電圧印加器19による電圧印加が中断されている時に、ガス供給器80からアノードANに供給されるガスの露点は、電圧印加器19により電圧を印加している時にアノードANに供給される水素ガス(アノードガス)の露点以下であっても良い。例えば、ガス供給器80からアノードANに供給されるガスが、水素ガス(アノードガス)である場合、両者の露点が等しくなる場合がある。
When the voltage application by the
また、ガス供給器80からアノードANに供給されるガスの露点は、電圧印加器19により電圧を印加している時にアノードANに供給される水素ガス(アノードガス)の露点よりも小さくても良い。かかる装置構成の一例は、第2実施例で説明する。
Further, the dew point of the gas supplied from the
以上により、本実施例の水素供給システム200は、電圧印加器19による電圧印加が中断されている時に、低露点のガスをアノードANに供給することで、このようなガス供給を行わない場合に比べてアノードANで発生したフラディングを軽減することができる。
As described above, the
具体的には、アノードANでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層16のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層24のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器80から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。また、アノードANに供給されるガスの露点は、電圧印加器19により電圧を印加している時にアノードANに供給される水素ガス(アノードガス)の露点以下であるので、かかるガスの温度が低下しても、ガス中の水蒸気は凝縮しにくい。よって、アノードANに供給されるガスの温度低下により、アノードANでフラディングを引き起こすことを適切に抑制できる。
Specifically, even when flooding occurs in the anode AN, water that blocks the gas flow path of the
(第2実施例)
図15は、第2実施形態の第2実施例の水素供給システムの一例を示す図である。
(Second Example)
FIG. 15 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system according to a second embodiment of the second embodiment.
図15に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、ガス供給器180と、加湿器82と、第1の流路83と、第2の流路84と、を備える。ガス供給器180は、流量調整器85を備える。電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、アノードANと、カソードCAと、電圧印加器19と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
In the example shown in FIG. 15, the
なお、ガス供給器180からアノードANに供給されるガスは、例えば、水素ガス(アノードガス)である。
The gas supplied from the
第1の流路83は、図示しないガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器82を経由して、アノードANに供給される流路である。また、第2の流路84は、ガス貯蔵器から出力されるガスが加湿器82をバイパスして、アノードANに供給される流路である。
The
なお、ガス貯蔵器は、アノードANに供給されるガスを貯蔵する装置であり、ガス貯蔵器として、例えば、ガスボンベなどを挙げることができる。なお、図示を省略しているが、水素供給システム200が、このようなガス貯蔵器を備えても良い。
The gas reservoir is a device for storing the gas supplied to the anode AN, and examples of the gas reservoir include gas cylinders and the like. Although not shown, the
ここで、加湿器82は、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿する装置である。加湿器82は、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿できれば、どのような構成であっても良い。
Here, the
例えば、ガス貯蔵器から出力されるガスを加湿するのにバブリング方式を用いても良い。この場合、加湿器82は、第1の流路83に接続されたバブリングタンク(図示せず)を備える。バブリングタンク内の水に、第1の流路83を流通するガスをバブリングすることで、ガスが加湿される。そして、バブリングタンクの上部空間に充満した加湿状態のガスが、第1の流路83を通じてアノードANに供給される。
For example, a bubbling method may be used to humidify the gas output from the gas reservoir. In this case, the
ガス供給器180の流量調整器85は、第1の流路83を流れるガスの第1流量および第2の流路84を流れるガスの第2流量を調整する装置である。流量調整器85は、第1流量および第2流量を調整できれば、どのような構成であっても良い。
The
例えば、流量調整器85は、第1の流路83と第2の流路84とを切り替える切替器であっても良い。つまり、第1流量および第2流量の調整には、第1流量および第2流量のいずれか一方がゼロになる場合が含まれる。
For example, the
上記の切替器は、第1の流路83と第2の流路84との分岐領域86Aに設けられた切替弁(図示せず)を備えても良い。また、切替器は、第1の流路83と第2の流路84との合流領域86Bに設けられた切替弁(図示せず)を備えても良い。切替弁は、例えば、三方弁で構成しても良いし、二方弁の組合せで構成しても良い。
The switch may include a switching valve (not shown) provided in the
制御器50は、流量調整器85を制御して、電圧印加器19により電圧を印加しているとき、第1流量を第2流量より多くするとともに、電圧印加器19による電圧印加を中断しているとき、第1流量を第2流量よりも少なくする。
When the
流量調整器85が、上記の切替器である場合、制御器50は、電圧印加器19により電圧を印加しているとき、切替器を第1の流路83側に切替え、電圧印加器19による電圧印加を中断しているとき、切替器を第2の流路84側に切替える。
When the
以上により、本実施例の水素供給システム200は、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧が印加されているときは、加湿器82による加湿量が多い高露点のガスがアノードANに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、ガス中の水を用いて電解質膜14を所望の湿潤状態に維持することができる。
As described above, in the
また、電圧印加器19による電圧印加が中断されているときは、加湿器82による加湿量が少ない低露点のガスがアノードANに供給されるので、このようなガス供給を行わない場合に比べて、アノードANで発生したフラディングを軽減することができる。具体的には、アノードANでフラディング発生した場合でも、アノード触媒層16のガス流路を閉塞した水、アノードガス拡散層24のガス流路を閉塞した水を、ガス供給器180から供給されるガスの流れの作用によって効果的に排水することができる。また、アノードANに供給されるガスは、低露点であるので、かかるガスの温度が低下しても、ガス中の水蒸気は凝縮しにくい。よって、アノードANに供給されるガスの温度低下により、アノードANでフラディングを引き起こすことを適切に抑制できる。
Further, when the voltage application by the
本実施例の水素供給システム200は、上記特徴以外は、第2実施形態の第1実施例の水素供給システム200と同様であっても良い。
The
(変形例)
アノードANから排出されるアノードガスは、所望量の水蒸気を含む高露点のガスである。よって、水素供給システム200は、アノードANから排出されるアノードガス(リサイクルガス)を、ガス供給器80から出力されるアノードガスに混合させることで、ガス供給器80から出力されるアノードガスを加湿する構成を取っても良い。
(Modification example)
The anode gas discharged from the anode AN is a gas having a high dew point containing a desired amount of water vapor. Therefore, the
図16は、第2実施形態の変形例の水素供給システムの一例を示す図である。 FIG. 16 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system according to a modification of the second embodiment.
図16に示す例では、水素供給システム200は、電気化学式水素ポンプ100と、制御器50と、ガス供給器80と、流量調整器87と、リサイクルガス流路88と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、アノードANと、カソードCAと、電圧印加器19と、を備える。電気化学式水素ポンプ100は、第2実施形態と同様であるので説明を省略する。ガス供給器80は、第1実施形態と同様であるので説明を省略する。
In the example shown in FIG. 16, the
流量調整器87は、ガス供給器80から出力されるアノードガスに混合されるリサイクルガスの流量を調整する装置である。流量調整器87は、このようなリサイクル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良い。流量調整器87として、例えば、流量調整弁などを挙げることができる。
The
リサイクルガス流路88は、アノードANから排出されるリサイクルガスを、アノードANとガス供給器80との間のガス流路内のアノードガスに送るための流路である。
The recycled
制御器50は、この流量調整器87を制御して、電圧印加器19により電圧を印加しているとき、ガス供給器80から出力されるガスに混合されるリサイクルガスの流量を多くするとともに、電圧印加器19による電圧印加を中断しているとき、このようなリサイクルガスの流量を少なくする。
The
以上により、本変形例の水素供給システム200は、ガス供給器80から出力されるアノードガスをリサイクルガス中の水蒸気により加湿することができる。また、アノードANから排出される水素ガスを適切に再利用することもできる。
As described above, the
本変形例の水素供給システム200は、上記特徴以外は、第2実施形態の第1実施例の水素供給システム200と同様であっても良い。
The
(第3実施形態)
第3実施形態の水素供給システム200は、以下の報知器が設けられていること以外は、第1実施形態、第1実施形態の第1変形例−第2変形例、第1実施形態の第1実施例−第2実施例、第2実施形態、第2実施形態の第1実施例−第2実施例および第2実施形態の変形例のいずれかの水素供給システム200と同様である。
(Third Embodiment)
The
報知器は、水素供給システム200が運転停止している第1状態および第1状態と異なる第2状態のいずれであるかを示す情報を報知する装置である。第2状態は、例えば、水素供給システム200の通常の運転状態、電圧印加器19による電圧印加が中断している状態(上記のリフレッシュ運転の状態)などが例示される。
The alarm is a device that notifies information indicating whether the
図17および図18は、第3実施形態の水素供給システムの報知器の一例を示す図である。図17には、水素供給システム200の通常の運転状態を表示する表示器90の表示画面90Aが示されている。図18には、水素供給システム200のリフレッシュ運転の状態を表示する表示器90の表示画面90Bが示されている。なお、表示器90として、例えば、タッチ操作機能を備える液晶ディスプレイなどを挙げることができる。これにより、水素供給システム200の動作状態が表示器90の表示画面に表示されるとともに、操作者が、制御器50に対して適宜の制御指令を入力することもできる。
17 and 18 are diagrams showing an example of the alarm of the hydrogen supply system of the third embodiment. FIG. 17 shows a
制御器50は、電圧印加器19による電圧印加が中断しているとき、報知器を制御して水素供給システム200が、このような第2状態であること示す情報を報知する。
When the voltage application by the
本実施形態の水素供給システム200では、水素供給システム200の第1状態および第2状態を報知する報知器が、制御器50に設けられる表示器90により構成されているが、これに限定されない。報知器は、例えば、情報端末に、水素供給システム200の状態が、第1状態および第2状態のいずれであるかを示す情報を送信する送信器であっても良い。送信器は、LTE、Wi-Fi(登録商標)、Bluetooth(登録商標)などの通信規格に対応する無線通信機を挙げることができるが、これに限定されない。
In the
以上により、本実施形態の水素供給システム200は、表示器90により、水素供給システム200がリフレッシュ運転などの第2状態であること示す視覚情報を、例えば、操作者などが、適時に知ることができる。また、表示器90のタッチ操作機能により、操作者が、例えば、リフレッシュ運転を適時に解除することもできる。
As described above, in the
なお、第1実施形態、第1実施形態の第1変形例−第2変形例、第1実施形態の第1実施例−第2実施例、第2実施形態、第2実施形態の第1実施例−第2実施例、第2実施形態の変形例および第3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。 It should be noted that the first embodiment of the first embodiment, the first modification of the first embodiment-the second modification, the first embodiment of the first embodiment-the second embodiment, the second embodiment, and the first embodiment of the second embodiment. Example-The second embodiment, the modified example of the second embodiment, and the third embodiment may be combined with each other as long as the other party is not excluded from each other.
また、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できる。 Also, from the above description, many improvements and other embodiments of the present disclosure will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the above description should be construed as an example only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best aspects of carrying out the present disclosure. The details of its structure and / or function can be substantially modified without departing from the spirit of the present disclosure.
本開示の一態様は、水素の拡散性を適切に確保することで、水素圧縮動作時の効率を従来よりも向上し得る水素供給システムに利用することができる。 One aspect of the present disclosure can be used in a hydrogen supply system that can improve the efficiency during hydrogen compression operation as compared with the conventional case by appropriately ensuring the diffusibility of hydrogen.
1 :アノード本体
3 :マニホルド孔
4 :マニホルド孔
5 :アノードガス流路板
5D :第1金属層
5U :第2金属層
6 :アノードガス流路
7 :マニホルド孔
8 :マニホルド孔
9 :アノードガス拡散デバイス
10 :アノード端板
11 :マニホルド孔
12 :マニホルド孔
14 :電解質膜
15 :カソード触媒層
16 :アノード触媒層
19 :電圧印加器
24 :アノードガス拡散層
26D :端板
26U :端板
27 :締結器
28 :アノードガス導入配管
28A :アノードガス導入マニホルド
29 :アノードガス導出配管
29A :アノードガス導出マニホルド
30 :カソードガス導出配管
31 :カソードガス拡散デバイス
31A :カソードガス拡散層
31B :カソードセパレータ
32A :マニホルド孔
32C :マニホルド孔
33 :カソードガス導出流路
35 :凹部
36 :スリット孔
36D :スリット孔
36U :スリット孔
40 :シール部材
41 :シール部材
42 :シール部材
50 :制御器
60 :カソードガス流路
61 :逆止弁
62 :弁
70 :電圧計測器
71 :圧力計測器
80 :ガス供給器
82 :加湿器
83 :第1の流路
84 :第2の流路
85 :流量調整器
86A :分岐領域
86B :合流領域
87 :流量調整器
88 :リサイクルガス流路
90 :表示器
90A :表示画面
90B :表示画面
100 :電気化学式水素ポンプ
100A :単セル
100B :積層体
180 :ガス供給器
200 :水素供給システム
AN :アノード
CA :カソード
1: Anodic body 3: Manifold hole 4: Manifold hole 5: Anodic gas flow path plate 5D: First metal layer 5U: Second metal layer 6: Anodic gas flow path 7: Manifold hole 8: Manifold hole 9: Anodic gas diffusion Device 10: Anodic end plate 11: Manifold hole 12: Manifold hole 14: Electrolyte film 15: Cathode catalyst layer 16: Anode catalyst layer 19: Voltage applyer 24: Anodic gas diffusion layer 26D: End plate 26U: End plate 27: Fastening Instrument 28: Anodic gas introduction pipe 28A: Anodic gas introduction manifold 29: Anodic gas lead-out pipe 29A: Anodic gas lead-out manifold 30: Cathode gas lead-out pipe 31: Cathode gas diffusion device 31A: Cathode gas diffusion layer 31B: Cathode separator 32A: Manifold Hole 32C: Manifold hole 33: Cathode gas lead-out flow path 35: Recessed part 36: Slit hole 36D: Slit hole 36U: Slit hole 40: Seal member 41: Seal member 42: Seal member 50: Controller 60: Cathode gas flow path 61 : Check valve 62: Valve 70: Voltage measuring instrument 71: Pressure measuring instrument 80: Gas supply device 82: Humidifier 83: First flow path 84: Second flow path 85: Flow rate regulator 86A: Branch region 86B : Confluence area 87: Flow regulator 88: Recycled gas flow path 90: Display 90A: Display screen 90B: Display screen 100: Electrochemical hydrogen pump 100A: Single cell 100B: Laminated body 180: Gas supply device 200: Hydrogen supply system AN: Anogas CA: Cathode
Claims (12)
前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層および前記カソード触媒層に接して設けられたカソードガス拡散層を含むカソードと、
前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層および前記アノード触媒層に接して設けられたアノードガス拡散層を含むアノードと、
前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、
を備え、
前記電圧印加器により電圧を印加して、前記アノードに供給されたアノードガス中の水素を前記カソードに移動させ、昇圧させる電気化学式水素ポンプと、
水素の昇圧動作中に、前記電圧印加器の印加電圧が、所定の電圧閾値を上回ると、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる制御器と、
を備える水素供給システム。 Electrolyte membrane and
A cathode including a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane and a cathode gas diffusion layer provided in contact with the cathode catalyst layer,
An anode including an anode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane and an anode gas diffusion layer provided in contact with the anode catalyst layer,
A voltage applyer that applies a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer,
Equipped with
A voltage is applied by the voltage applying unit, the hydrogen in the anode gas supplied to the anode is moved to the cathode, and the electrochemical hydrogen pump Ru boosts,
When the voltage applied by the voltage applyer exceeds a predetermined voltage threshold value during the hydrogen boosting operation, the controller interrupts the voltage application by the voltage applyer.
A hydrogen supply system equipped with.
前記制御器は、前記電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、前記弁を閉止させる請求項1−3のいずれか1項に記載の水素供給システム。 A cathode gas flow path through which hydrogen gas output from the cathode flows and a valve provided in the cathode gas flow path are provided.
The hydrogen supply system according to any one of claims 1-3, wherein the controller closes the valve when the voltage application by the voltage applyer is interrupted.
前記制御器は、前記圧力計測器で計測する圧力が増加すると、前記電圧印加器による電圧印加を中断させる請求項1−5のいずれか1項に記載の水素供給システム。 A pressure measuring instrument for measuring the pressure on the cathode side is provided.
The hydrogen supply system according to any one of claims 1 to 5, wherein the controller interrupts voltage application by the voltage adapter when the pressure measured by the pressure measuring instrument increases.
前記制御器は、前記電圧印加器による電圧印加を中断している時に、前記ガス供給器より前記アノードにガスを供給させる請求項1−6のいずれか1項に記載の水素供給システム。 A gas supply device for supplying gas to the anode is provided.
The hydrogen supply system according to any one of claims 1 to 6, wherein the controller supplies a gas from the gas supply device to the anode when the voltage application by the voltage applyer is interrupted.
前記ガス供給器は、前記第1の流路を流れるガスの第1流量および前記第2の流路を流れるガスの第2流量を調整する流量調整器を含み、
前記制御器は、前記流量調整器を制御して、前記電圧印加器により電圧を印加しているとき、前記第1流量を第2流量より多くするとともに、前記電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、前記第1流量を前記第2流量よりも少なくする請求項8に記載の水素供給システム。 A humidifier that humidifies the gas output from the gas reservoir, a first flow path in which the gas output from the gas reservoir is supplied to the anode via the humidifier, and the gas reservoir. The gas output from the humidifier bypasses the humidifier and is provided with a second flow path to be supplied to the anode.
The gas supply device includes a flow rate regulator that adjusts a first flow rate of gas flowing through the first flow path and a second flow rate of gas flowing through the second flow path.
When the controller controls the flow rate regulator and applies a voltage by the voltage applyer, the first flow rate is made larger than the second flow rate and the voltage application by the voltage applyer is interrupted. The hydrogen supply system according to claim 8, wherein the first flow rate is made smaller than the second flow rate.
前記制御器は、前記電圧印加器により電圧を印加しているとき、前記切替器を前記第1の流路側に切替え、前記電圧印加器による電圧印加を中断しているとき、前記切替器を前記第2の流路側に切替える請求項10に記載の水素供給システム。 The flow rate regulator is a switch for switching between the first flow path and the second flow path.
The controller switches the switch to the first flow path side when a voltage is applied by the voltage applyer, and switches the switch to the first flow path side when the voltage application by the voltage applyer is interrupted. The hydrogen supply system according to claim 10, which switches to the second flow path side.
前記制御器は、前記電圧印加器による電圧印加が中断しているとき、前記報知器を制御して前記水素供給システムが、第2状態であること示す情報を報知する請求項1−11のいずれか1項に記載の水素供給システム。 A notification device for notifying information indicating whether the hydrogen supply system is in the first state in which the operation is stopped or in a second state different from the first state is provided.
Any of claims 1-11, wherein the controller controls the alarm to notify information indicating that the hydrogen supply system is in the second state when the voltage application by the voltage applyer is interrupted. The hydrogen supply system according to item 1.
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