JP7113312B2 - 水素生成システム - Google Patents
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Description
本発明は、電気化学デバイスを用いて、ガス供給装置から供給される水素含有ガスから純度の高い水素を生成する水素生成システムに関するものである。
この種の水素生成システムは、水素含有ガスから電気化学反応を利用して、純度の高い水素を生成するシステムである。
この水素生成システムは、例えば、水素イオンを輸送（透過）する電解質膜がアノードとカソードの間に配置された電解質膜－電極接合体を、一対のセパレータによって挟持した電気化学デバイスを備えている。
そして、アノードに加湿された水素含有ガスを供給して、アノードから電解質膜を介してカソードに電流を流すことで、アノードでは、（化１）に示す水素が水素イオンと電子に解離する酸化反応が起こり、カソードでは、（化２）に示す水素イオンと電子が結合して水素が生成する還元反応が起こる。
この水素生成システムに供給される水素含有ガスは、例えば、燃料改質器によって、都市ガスやプロパンガスなどの炭化水素系の原料を水蒸気改質や部分酸化改質、またはオートサーマル改質して生成され、水素の他に窒素や二酸化炭素、水分などの不純物を含んでいる。
この水素生成システムにおいて、上流側の電気化学デバイスのカソードにおいて生成される水素含有ガスが、下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、２台の電気化学デバイスを直列に接続することで、水素生成システムから生成される水素の純度を高める構成が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
図９は、非特許文献１に開示された従来の水素生成システムの概略構成図である。
図９に示すように、従来の水素生成システム９００は、２台の電気化学デバイス９０１と、２台の電気化学デバイス９０１に供給する水素含有ガスを加湿する加湿器９１４と、２台の電気化学デバイス９０１に電流を流す電源９０９と、２台の電気化学デバイス９０１の温度を調節するための温度調節器９１２と、を備えている。
電気化学デバイス９０１は、電解質膜９０６と電解質膜９０６の一方の主面に配置されたアノード９０７と電解質膜９０６の他方の主面に配置されたカソード９０８とを備え、電解質膜９０６の両主面をアノード９０７とカソード９０８とで挟んだ構成の電解質膜－電極接合体９１５を、アノード側セパレータ９１６とカソード側セパレータ９１７とによって挟持している。
電解質膜９０６には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜が用いられている。また、アノード９０７とカソード９０８には、白金を担持したカーボン粒子を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質水溶液に分散させて、電解質膜９０６に塗布形成したものが用いられている。
アノード９０７とカソード９０８は、液水を多く保持するほど、水素イオン輸送経路が多くなり、水素イオン輸送抵抗が小さくなるため、アノード９０７に供給する水素含有ガスは、加湿器９１４を用いて露点が高い状態になるように加湿されている。
アノード側セパレータ９１６は、不純物を含む加湿された水素含有ガスを、アノード９０７に供給するためのアノード側入口９０３と、電解質膜９０６を介してアノード９０７側からカソード９０８側に透過せずにアノード９０７に残った水素含有ガスをアノード９０７から排出するためのアノード側出口９０４と、アノード側セパレータ９１６におけるアノード９０７と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口９０３に連通し下流端がアノード側出口９０４に連通する水素含有ガス流路溝と、を備えている。
一方、カソード側セパレータ９１７は、カソード９０８において生成した水素（水素含有ガス）を排出するためのカソード側出口９０５と、カソード側セパレータ９１７におけるカソード９０８と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口９０５に連通する水素含有ガス流路溝と、を備えている。
電源９０９は、アノード９０７で、（化１）に示す水素含有ガス中の水素が水素イオンと電子に解離する酸化反応が起こり、その水素イオンが電解質膜９０６をカソード９０８側に透過し、カソード９０８で、（化２）に示す水素イオンと電子が結合して水素が生成する還元反応が起こるように、アノード９０７から電解質膜９０６を経由してカソード９０８に電流が流れるように、アノード９０７とカソード９０８との間に直流電流を流す。
加湿器９１４の出口と、上流側となる電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３とは配管で接続されている。また、上流側となる電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５と、下流側となる電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３とは配管で接続されている。
温度調節器９１２は、２台の電気化学デバイス９０１のセル温度を７０℃にするように２台の電気化学デバイス９０１のそれぞれに個別に設けられている。
電源９０９の正極と上流側の電気化学デバイス９０１のアノード９０７とが電気的に接続され、電源９０９の負極と下流側の電気化学デバイス９０１のカソード９０８とが電気的に接続され、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード９０８と下流側の電気化学デバイス９０１のアノード９０７とが電気的に接続されている。
水素生成システム９００は、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出された水素含有ガスが、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給されるように直列に接続されている。
以上の構成により、従来の水素生成システム９００は、上流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出される水素含有ガスの水素の純度を、上流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給される水素含有ガスの水素の純度よりも高めた後に、下流側の電気化学デバイス９０１のカソード側出口９０５から排出される水素含有ガスの水素の純度を、下流側の電気化学デバイス９０１のアノード側入口９０３に供給される水素含有ガスの水素の純度よりも高めている。
H.K.Lee, H.Y.CHoi, J.H.Park ,T.H.Lee,Journal of Power Sources 132(2004)92-98.
しかしながら、従来の構成では、各電気化学デバイス９０１において、水素含有ガスから水素を電気化学的に分離してカソード９０８に生成するときに、水素含有ガス中の水素は水素イオンに解離し容易にカソード９０８に移動するが、水素含有ガス中の水分は電解質膜９０６を通ってカソード９０８に移動し難くい。
よって、直列に接続した複数の電気化学デバイス９０１のカソード９０８に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード９０７に供給される水素含有ガスの水分の含有率よりも小さくなる。
そのために、直列に接続した複数の電気化学デバイス９０１のカソード９０８に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって漸次小さくなる。
このことから、上流側の電気化学デバイス９０１では、下流側の電気化学デバイス９０１に比べて、カソード９０８に移動した水素含有ガスの水分の含有率が大きく、カソード９０８の水素イオン輸送経路が十分確保され、カソード９０８の水素イオン輸送抵抗が小さい。
一方、下流側の電気化学デバイス９０１では、カソード９０８に移動した水素含有ガスの水分の含有率が小さく、カソード９０８の水素イオン輸送経路が少ないため、カソード９０８の水素イオン輸送抵抗が大きい。
これにより、下流側の電気化学デバイス９０１の水素純化効率が、下流側の電気化学デバイス９０１のカソード９０８の水素イオン輸送抵抗が小さい場合と比べて、低くなり、水素生成システム９００の水素純化効率が低くなるという課題を有していた。
ここで、水素純化効率とは、電気化学デバイス９０１に投入する電気エネルギーに対する生成する水素のエネルギーの割合である。
本発明は、従来の課題を解決するもので、複数の電気化学デバイスが、水素含有ガスが流れる方向（水素含有ガスの水素の純度が高まる方向）に直列に接続された水素生成システムにおいて、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率を高くすることで、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することを目的とする。
従来の課題を解決するために、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、以下のことを見い出
した。
した。
つまり、電気化学デバイスのカソード触媒層とカソード側セパレータとの間に位置するカソードガス拡散層の撥水性が高いと、カソード触媒層の液水が、カソードガス拡散層へ移動し難くなり、カソード触媒層の液水保持量が多くなる。カソード触媒層の液水保持量が多くなると、カソード触媒層の水素イオン輸送経路が多くなり、カソード触媒層の水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
この原理に基づくと、下流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を、上流側の電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性よりも高くすることで、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が大きくならない。よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低くなることが抑制されて、水素生成システムの水素純化効率が低くなることが改善される。
ここで、撥水性とは、水をはじく性質であり、固体表面が液体と気体と接触しているときに、液体面と固体面との接触角が大きい性質をいう。
本発明の水素生成システムは、電解質膜と該電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すこと
で、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、アノードは電解質膜側に配置されるアノード触媒層と該アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、カソードは電解質膜側に配置されるカソード触媒層と該カソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層とで構成され、複数の電気化学デバイスは、水素含有ガスの供給方向の上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、水素含有ガスの供給方向の下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続されており、ガス供給手段は、複数の電気化学デバイスの内の水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次高くした水素生成システムである。
で、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、アノードは電解質膜側に配置されるアノード触媒層と該アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、カソードは電解質膜側に配置されるカソード触媒層と該カソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層とで構成され、複数の電気化学デバイスは、水素含有ガスの供給方向の上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、水素含有ガスの供給方向の下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続されており、ガス供給手段は、複数の電気化学デバイスの内の水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性を、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次高くした水素生成システムである。
これにより、上流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗に比べて、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなることから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が大きくならない。
よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低いことが改善され、水素生成システムの水素純化効率が低いことが改善される。
本発明の水素生成システムは、直列に接続した複数の電気化学デバイスにおいて、下流側の電気化学デバイスのカソード触媒層が、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、水素純化効率の高い水素生成システムにできる。また、これにより、水素生成システムに用いる電気エネルギーが小さいため、省エネ性の高い水素生成システムを提供でき
る。
る。
第１の発明は、電解質膜と電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体を有し、アノードに水素含有ガスを供給し、アノードとカソードとの間に所定方向の電流を流すことで、カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、水素含有ガスを供給するガス供給手段と、複数の電気化学デバイスのアノードとカソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、アノードは電解質膜側に配置されるアノード触媒層とアノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、カソードは電解質膜側に配置されるカソード触媒層とカソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層とで構成され、複数の電気化学デバイスは、水素含有ガスの供給方向の上流側の電気化学デバイスのカソードから排出された水素含有ガスが、水素含有ガスの供給方向の下流側の電気化学デバイスのアノードに供給されるように、直列に接続されており、ガス供給手段は、複数の電気化学デバイスの内の水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスのアノードに水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次高くなることを特徴とする水素生成システムである。
これにより、上流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗に比べて、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が大きくならない。よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低いことが改善されるため、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することができる。
第２の発明は、特に第１の発明において、カソードガス拡散層に撥水材を備え、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量は、水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次多くなくなることを特徴とする記載の水素生成システムである。
これにより、上流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗に比べて、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が小さくなる。
このことから、下流側の電気化学デバイスのカソードが水分の含水率の小さい水素含有ガスに曝されても、下流側の電気化学デバイスのカソードの水素イオン輸送抵抗が大きくならない。よって、下流側の電気化学デバイスの水素純化効率が低いことが改善されるため、水素純化効率の高い水素生成システムを提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、電気化学デバイスのカソード触媒層の水素イオン輸送抵抗は、水素生成システムの使用環境下における電気化学デバイスのカソード触媒層の水素イオン輸送抵抗を電気化学的に測定して求める。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図３は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図４は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図である。
図１は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図２は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図３は、本発明の実施の形態１における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図４は、本発明の実施の形態１における水素生成システムの概略構成図である。
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を、図１～図４を参照しながら具体的に説明する。
なお、図４に示す本実施の形態水素生成システムの構成要素において、図１～図３に示す第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスと同一の構成要素については、同一の符号を付して、重複する説明は省略する場合もある。
図１に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第１電気化学デバイス１００は、電解質膜１０４と電解質膜１０４の一方の主面に配置されたアノード１０５と電解質膜１０４の他方の主面に配置されたカソード１０６とを備え、電解質膜１０４をアノード１０５とカソード１０６とで挟んだ構成の電解質膜－電極接合体１０７を、アノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９によって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜１０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード１０５は、電解質膜１０４側に（電解質膜１０４の一方の主面に）配置されるアノード触媒層１１１と、アノード触媒層１１１の電解質膜１０４側とは反対側に（アノード触媒層１１１における電解質膜１０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるアノードガス拡散層１１０とで構成されている。
また、カソード１０６は、電解質膜１０４側に（電解質膜１０４の他方の主面に）配置されるカソード触媒層１１２と、カソード触媒層１１２の電解質膜１０４側とは反対側に（カソード触媒層１１２における電解質膜１０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるカソードガス拡散層１１３とで構成されている。
アノード触媒層１１１とカソード触媒層１１２には、白金を担持したカーボン粒子を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質水溶液に分散させて、電解質膜１０４の主面に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層１１０とカソードガス拡散層１１３には、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層１１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層１１３と液水面との接触角が９５°の撥水性を有するものを用いる。
アノード側セパレータ１０８とカソード側セパレータ１０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ１０８には、水素含有ガスをアノード１０５に供給するためのアノード側入口１０１と、電解質膜１０４をカソード１０６側に透過せずにアノード１０５に残った水素含有ガスをアノード１０５から排出するためのアノード側出口１０２と、アノード側セパレータ１０８におけるアノード１０５（アノードガス拡散層１１０）と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口１０１に連通し下流端がアノード側出口１０２に連通するアノード流路１０８ａとが、設けられている。
一方、カソード側セパレータ１０９には、カソード１０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口１０３と、カソード側セパレータ１０９におけるカソード１０６（カソードガス拡散層１１３）と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口１０３に連通するカソード流路１０９ａとが、設けられている。
また、図２に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第２電気化学デバイス２００は、電解質膜２０４と電解質膜２０４の一方の主面に配置されたアノード２０５と電解質膜２０４の他方の主面に配置されたカソード２０６とを備え、電解質膜２０４をアノード２０５とカソード２０６とで挟んだ構成の電解質膜－電極接合体２０７を、アノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９によって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜２０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード２０５は、電解質膜２０４側に（電解質膜２０４の一方の主面に）配置されるアノード触媒層２１１と、アノード触媒層２１１の電解質膜２０４側とは反対側に（アノード触媒層２１１における電解質膜２０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるアノードガス拡散層２１０とで構成されている。
また、カソード２０６は、電解質膜２０４側に（電解質膜２０４の他方の主面に）配置されるカソード触媒層２１２と、カソード触媒層２１２の電解質膜２０４側とは反対側に（カソード触媒層２１２における電解質膜２０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるカソードガス拡散層２１３とで構成されている。
アノード触媒層２１１とカソード触媒層２１２には、白金を担持したカーボン粒子を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質水溶液に分散させて、電解質膜２０４の主面に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層２１０とカソードガス拡散層２１３には、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層２１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層２１３と液水面との接触角が１１０°の撥水性を有するものを用いる。
アノード側セパレータ２０８とカソード側セパレータ２０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ２０８には、水素含有ガスをアノード２０５に供給するためのアノード側入口２０１と、電解質膜２０４をカソード２０６側に透過せずにアノード２０５に残った水素含有ガスをアノード２０５から排出するためのアノード側出口２０２と、アノード側セパレータ２０８におけるアノード２０５（アノードガス拡散層２１０）と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口２０１に連通し下流端がアノード側出口２０２に連通するアノード流路２０８ａとが、設けられている。
一方、カソード側セパレータ２０９には、カソード２０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口２０３と、カソード側セパレータ２０９におけるカソード２０６（カソードガス拡散層２１３）と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口２０３に連通するカソード流路２０９ａとが、設けられている。
また、図３に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第３電気化学デバイス３００は、電解質膜３０４と電解質膜３０４の一方の主面に配置されたアノード３０５と電解質膜３０４の他方の主面に配置されたカソード３０６とを備え、電解質膜３０４をアノード３０５とカソード３０６とで挟んだ構成の電解質膜－電極接合体３０７を、アノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９によって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜３０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード３０５は、電解質膜３０４側に（電解質膜３０４の一方の主面に）配置されるアノード触媒層３１１と、アノード触媒層３１１の電解質膜３０４側とは反対側に（アノード触媒層３１１における電解質膜３０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるアノードガス拡散層３１０とで構成されている。
また、カソード３０６は、電解質膜３０４側に（電解質膜３０４の他方の主面に）配置されるカソード触媒層３１２と、カソード触媒層３１２の電解質膜３０４側とは反対側に（カソード触媒層３１２における電解質膜３０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるカソードガス拡散層３１３とで構成されている。
アノード触媒層３１１とカソード触媒層３１２には、白金を担持したカーボン粒子を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質水溶液に分散させて、電解質膜３０４の主面に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層３１０とカソードガス拡散層３１３には、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層３１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、カソードガス拡散層３１３と液水面との接触角が１２５°の撥水性を有するものを用いる。
アノード側セパレータ３０８とカソード側セパレータ３０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ３０８には、水素含有ガスをアノード３０５に供給するためのアノード側入口３０１と、電解質膜３０４をカソード３０６側に透過せずにアノード３０５に残った水素含有ガスをアノード３０５から排出するためのアノード側出口３０２と、ア
ノード側セパレータ３０８におけるアノード３０５（アノードガス拡散層３１０）と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口３０１に連通し下流端がアノード側出口３０２に連通するアノード流路３０８ａとが、設けられている。
ノード側セパレータ３０８におけるアノード３０５（アノードガス拡散層３１０）と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口３０１に連通し下流端がアノード側出口３０２に連通するアノード流路３０８ａとが、設けられている。
一方、カソード側セパレータ３０９には、カソード３０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口３０３と、カソード側セパレータ３０９におけるカソード３０６（カソードガス拡散層３１３）と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口３０３に連通するカソード流路３０９ａとが、設けられている。
また、図４に示すように、本実施の形態の水素生成システム４００は、第１電気化学デバイス１００と、第２電気化学デバイス２００と、第３電気化学デバイス３００と、第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１に加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段４０２と、第１電気化学デバイス１００に電流を流す電源１１５と、第２電気化学デバイス２００に電流を流す電源２１５と、第３電気化学デバイス３００に電流を流す電源３１５と、第１電気化学デバイス１００の温度を調節するための温度調節器１１４と、第２電気化学デバイス２００の温度を調節するための温度調節器２１４と、第３電気化学デバイス３００の温度を調節するための温度調節器３１４と、制御器４０３と、を備えた構成となっている。
ガス供給手段４０２は、制御器４０３に制御されて、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し供給する燃料改質器で構成される。また、ガス供給手段４０２は第１電気化学デバイス１００のアノード側セパレータ１０８のアノード側入口１０１に接続されている。
第１電気化学デバイス１００のアノード側セパレータ１０８には、ガス供給手段４０２からアノード側入口１０１に供給された水素含有ガスのうちで、電解質膜１０４をカソード１０６側に透過せずにアノード１０５に残った（カソード１０６での水素の生成に利用されなかった）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口１０２が設けられている。
また、第１電気化学デバイス１００のカソード側セパレータ１０９のカソード側出口１０３は、接続流路４０１ａによって下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側セパレータ２０８のアノード側入口２０１と接続されている。
第２電気化学デバイス２００のアノード側セパレータ２０８には、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３から接続流路４０１ａを介してアノード側入口２０１に供給された水素含有ガスのうちで、電解質膜２０４をカソード２０６側に透過せずにアノード２０５に残った（カソード２０６での水素の生成に利用されなかった）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口２０２が設けられている。
また、第２電気化学デバイス２００のカソード側セパレータ２０９のカソード側出口２０３は、接続流路４０１ｂによって下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側セパレータ３０８のアノード側入口３０１と接続されている。
第３電気化学デバイス３００のアノード側セパレータ３０８には、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３から接続流路４０１ｂを介してアノード側入口３０１に供給された水素含有ガスのうちで、電解質膜３０４をカソード３０６側に透過せずにアノード３０５に残った（カソード３０６での水素の生成に利用されなかった）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口３０２が設けられている。
そして、第３電気化学デバイス３００のカソード側セパレータ３０９に設けられたカソ
ード側出口３０３は、カソード３０６で生成された水素を排出する。
ード側出口３０３は、カソード３０６で生成された水素を排出する。
電源１１５は直流電源であり、電源１１５の正極が第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に電気的に接続され、電源１１５の負極が第１電気化学デバイス１００のカソード１０６に電気的に接続されている。
そして、電源１１５は、アノード１０５とカソード１０６との間に、アノード１０５（アノード触媒層１１１）において、水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応が起こるとともに、カソード１０６（カソード触媒層１１２）において、アノード１０５から電源１１５を経由してカソード１０６に移動した電子と電解質膜１０４を透過した水素イオンとが結合して水素を生成する還元反応が起こるように、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６へ流れる電流を流す。
電源２１５は直流電源であり、電源２１５の正極が第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に電気的に接続され、電源２１５の負極が第２電気化学デバイス２００のカソード２０６に電気的に接続されている。
そして、電源２１５は、アノード２０５とカソード２０６との間に、アノード２０５（アノード触媒層２１１）において、水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応が起こるとともに、カソード２０６（カソード触媒層２１２）において、アノード２０５から電源２１５を経由してカソード２０６に移動した電子と電解質膜２０４を透過した水素イオンとが結合して水素を生成する還元反応が起こるように、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６へ流れる電流を流す。
電源３１５は直流電源であり、電源３１５の正極が第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に電気的に接続され、電源３１５の負極が第３電気化学デバイス３００のカソード３０６に電気的に接続されている。
そして、電源３１５は、アノード３０５とカソード３０６との間に、アノード３０５（アノード触媒層３１１）において、水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応が起こるとともに、カソード３０６（カソード触媒層３１２）において、アノード３０５から電源３１５を経由してカソード３０６に移動した電子と電解質膜３０４を透過した水素イオンとが結合して水素を生成する還元反応が起こるように、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６へ流れる電流を流す。
電源１１５，２１５，３１５により、アノード１０５，２０５，３０５とカソード１０６，２０６，３０６との間に、所定方向の電流が流れ、アノード１０５，２０５，３０５に水素含有ガスが供給された場合に、水素含有ガスに含まれる水素が、アノード１０５，２０５，３０５において、水素イオンと電子に解離し、その電子が、アノード１０５，２０５，３０５から電源１１５，２１５，３１５を介してカソード１０６，２０６，３０６に流れ、水素イオンが電解質膜１０４，２０４，３０４を透過し、電解質膜１０４，２０４，３０４を透過した水素イオンが、カソード１０６，２０６，３０６において電子と結びついて水素になる。
また、第１電気化学デバイス１００の温度を調節するための温度調節器１１４と、第２電気化学デバイス２００の温度を調節するための温度調節器２１４と、第３電気化学デバイス３００の温度を調節するための温度調節器３１４には、制御器４０３によって制御さ
れて、設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
れて、設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム４００について、以下、その動作、作用を、図４を参照しながら具体的に説明する。
まず、ガス供給手段４０２から、二酸化炭素の含有比率が３０％で水素の含有比率が７０％の加湿された水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス１００のアノード側入口１０１を介してアノード１０５に供給する。
制御器４０３は、第１電気化学デバイス１００の温度が７０℃となるように温度調節器１１４を制御し、電源１１５により第１電気化学デバイス１００のアノード１０５から電解質膜１０４を介してカソード１０６へ電流を流す。
これにより、第１電気化学デバイス１００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス１００のカソード１０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第１電気化学デバイス１００の電解質膜１０４は、わずかではあるが、二酸化炭素を透過するため、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度が９８％の水素含有ガスが排出される。
また、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜１０４によりカソード１０６への移動が妨げられる。
そのため、第１電気化学デバイス１００のアノード１０５からカソード１０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード１０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
本実施の形態に用いた第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において電気化学的に測定すると、４０ｍΩ・ｃｍ２であった。
次に、第１電気化学デバイス１００のカソード側出口１０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路４０１ａを介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス２００のアノード側入口２０１に供給する。
制御器４０３は、第２電気化学デバイス２００の温度が７０℃となるように温度調節器２１４を制御し、電源２１５により第２電気化学デバイス２００のアノード２０５から電解質膜２０４を介してカソード２０６へ電流を流す。
これにより、第２電気化学デバイス２００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス２００のカソード２０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第２電気化学デバイス２００の電解質膜２０４は、わずかではあるが、二酸化炭素を透過するため、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３からは水素純度が９９％の水素含有ガスが排出される。
また、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜２０４によりカソード２０６への移動が妨げられる。
そのため、第２電気化学デバイス２００のアノード２０５からカソード２０６に移動し
た水素含有ガスの水分の含有率は、アノード２０５における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
た水素含有ガスの水分の含有率は、アノード２０５における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
そのために、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
本実施の形態では、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性は、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性に比べて高い。
このため、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２の液水がカソードガス拡散層１１３に移動する場合と、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水がカソードガス拡散層２１３に移動する場合とを比較すると、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層１１３に移動し易いのに対して、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層２１３に移動し難い。
また、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水は、カソードガス拡散層２１３の撥水性がカソードガス拡散層１１３の撥水性と同じ場合に比べて、カソードガス拡散層２１３に移動し難くなる。
このことから、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２が、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水保持量が、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同じ場合と比べて、多くなる。
このために、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送経路が、多くなる。よって、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送抵抗が大きくならない。
本実施の形態に用いた第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において電気化学的に測定すると、４６ｍΩ・ｃｍ２であった。
なお、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３に、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、７０ｍΩ・ｃｍ２であった。
このことから、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の水素イオン輸送抵抗が、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同じ場合と比べて小さくなる。よって、第２電気化学デバイス２００の水素純化効率が小さくなり、水素生成システム４００の水素純化効率が改善される。
次に、第２電気化学デバイス２００のカソード側出口２０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路４０１ｂを介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス３００のアノード側入口３０１に供給する。
制御器４０３は、第３電気化学デバイス３００の温度が７０℃となるように温度調節器３１４を制御し、電源３１５により第３電気化学デバイス３００のアノード３０５から電解質膜３０４を介してカソード３０６へ電流を流す。
これにより、第３電気化学デバイス３００において電気化学反応が進行し、第３電気化学デバイス３００のカソード３０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第３電気化学デバイス３００の電解質膜３０４は、わずかではあるが、二酸化炭素を透過するが、第２電気化学デバイス２００から第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給される水素含有ガスの水素の純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス３００のカソード側出口３０３からは水素純度が９９．９７％の高純度の水素含有ガスが得られる。
また、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜３０４によりカソード３０６への移動が妨げられる。
そのため、第３電気化学デバイス３００のアノード３０５からカソード３０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード３０５における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
そのために、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２および第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
本実施の形態では、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層２１３の撥水性は、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性に比べて高い。
このため、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２の液水がカソードガス拡散層１１３に移動する場合と、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の液水がカソードガス拡散層３１３に移動する場合とを比較すると、第１電気化学デバイス１００のカソード触媒層１１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層１１３に移動し易いのに対して、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層３１３に移動し難い。
同様に、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水がカソードガス拡散層２１３に移動する場合と、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の液水がカソードガス拡散層３１３に移動する場合とを比較すると、第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層２１３に移動し易いのに対して、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層３１３に移動し難い。
また、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の液水は、カソードガス拡散層３１３の撥水性がカソードガス拡散層１１３の撥水性およびカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合に比べて、カソードガス拡散層３１３に移動し難くなる。
このことから、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１
２の液水保持量が、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合と比べて、多くなる。
２の液水保持量が、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合と比べて、多くなる。
このために、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送経路が、多くなる。よって、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が大きくならない。
本実施の形態に用いた第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において電気化学的に測定すると、６５ｍΩ・ｃｍ２であった。
なお、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３に、第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
また、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３に、第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム４００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、８３ｍΩ・ｃｍ２であった。
このことから、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が、第３電気化学デバイス３００のカソードガス拡散層３１３の撥水性が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性および第２電気化学デバイス２００のカソードガス拡散層２１３の撥水性と同じ場合と比べて小さくなる。よって、第３電気化学デバイス３００の水素純化効率が小さくなり、水素生成システム４００の水素純化効率が改善される。
以上のように、本実施の形態においては、第１電気化学デバイス１００と、第２電気化学デバイス２００と、第３電気化学デバイス３００とを直列に接続して水素生成システム４００を構成し、最上流の第１電気化学デバイス１００から順に、下流側の第２電気化学デバイス２００、第３電気化学デバイス３００に向うにしたがって、カソードガス拡散層１１３、カソードガス拡散層２１３、カソードガス拡散層３１３の撥水性を漸次高くし、カソード触媒層１１２、カソード触媒層２１２、カソード触媒層３１２の液水保持量を漸次多くして、水素イオン輸送抵抗を小さくすることで、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、カソードガス拡散層２１３、カソードガス拡散層３１３の撥水性が上流側の第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の撥水性と同一の場合に比べて、下流側の第２電気化学デバイス２００のカソード触媒層２１２、第３電気化学デバイス３００のカソード触媒層３１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム４００にできる。
なお、本実施の形態では、電解質膜１０４，２０４，３０４として、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いたが、電解質膜１０４，２０４，３０４としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含むフッ素系の樹脂を用いてもよい。
また、電解質膜１０４，２０４，３０４として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン
化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。
化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。
またさらには、電解質膜１０４，２０４，３０４は他の成分を含んでもよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレンやパーフルオロアルキルエーテル等の繊維、織布、不織布、多孔体等により補強されている電解質膜であってもよい。
なお、本実施の形態では、水素含有ガスが流れる方向（水素含有ガスの水素の純度が高まる方向）に直列に接続する電気化学デバイスの数を３台としたが、この台数はあくまで一例であって、２台以上の別の台数であってもよい。
なお、本実施の形態では、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、カソードガス拡散層と液水面との接触角、または単位体積当たりの撥水材含有量としているが、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、気孔径、表面粗さなどであってもよい。これら物性値に基づき、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が順に高くなるように、各電気化学デバイスに用いるカソードガス拡散層の撥水性を選択してよい。
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図６は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図７は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図８は、本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図である。
図５は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第１電気化学デバイスの概略構成図である。図６は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第２電気化学デバイスの概略構成図である。図７は、本発明の実施の形態２における水素生成システムに用いる第３電気化学デバイスの概略構成図である。図８は、本発明の実施の形態２における水素生成システムの概略構成図である。
以下、本実施の形態に係る第１電気化学デバイス、第２電気化学デバイス、第３電気化学デバイスおよび水素生成システムについて、その構成要素の材料、構造を図５～図８を参照しながら具体的に説明する。
なお、図８において、図５～図７と同一の構成要素については同一の符号を付すこととして、詳細な説明は省略する場合もある。
図５に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第１電気化学デバイス５００は、電解質膜５０４と電解質膜５０４の一方の主面に配置されたアノード５０５と電解質膜５０４の他方の主面に配置されたカソード５０６とを備え、電解質膜５０４をアノード５０５とカソード５０６とで挟んだ構成の電解質膜－電極接合体５０７を、アノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９によって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜５０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード５０５は、電解質膜５０４側に（電解質膜５０４の一方の主面に）配置されるアノード触媒層５１１と、アノード触媒層５１１の電解質膜５０４側とは反対側に（アノード触媒層５１１における電解質膜５０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるアノードガス拡散層５１０とで構成されている。
また、カソード５０６は、電解質膜５０４側に（電解質膜５０４の他方の主面に）配置
されるカソード触媒層５１２と、カソード触媒層５１２の電解質膜５０４側とは反対側に（カソード触媒層５１２における電解質膜５０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるカソードガス拡散層５１３とで構成されている。
されるカソード触媒層５１２と、カソード触媒層５１２の電解質膜５０４側とは反対側に（カソード触媒層５１２における電解質膜５０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるカソードガス拡散層５１３とで構成されている。
アノード触媒層５１１とカソード触媒層５１２には、白金を担持したカーボン粒子を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質水溶液に分散させて、電解質膜５０４の主面に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層５１０とカソードガス拡散層５１３には、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層５１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積当たりの撥水材含有率が１０％であるものを用いる。
アノード側セパレータ５０８とカソード側セパレータ５０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ５０８には、水素含有ガスをアノード５０５に供給するためのアノード側入口５０１と、電解質膜５０４をカソード５０６側に透過せずにアノード５０５に残った水素含有ガスをアノード５０５から排出するためのアノード側出口５０２と、アノード側セパレータ５０８におけるアノード５０５（アノードガス拡散層５１０）と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口５０１に連通し下流端がアノード側出口５０２に連通するアノード流路５０８ａとが、設けられている。
一方、カソード側セパレータ５０９には、カソード５０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口５０３と、カソード側セパレータ５０９におけるカソード５０６（カソードガス拡散層５１３）と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口５０３に連通するカソード流路５０９ａとが、設けられている。
また、図６に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第２電気化学デバイス６００は、電解質膜６０４と電解質膜６０４の一方の主面に配置されたアノード６０５と電解質膜６０４の他方の主面に配置されたカソード６０６とを備え、電解質膜６０４をアノード６０５とカソード６０６とで挟んだ構成の電解質膜－電極接合体６０７を、アノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９によって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜６０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード６０５は、電解質膜６０４側に（電解質膜６０４の一方の主面に）配置されるアノード触媒層６１１と、アノード触媒層６１１の電解質膜６０４側とは反対側に（アノード触媒層６１１における電解質膜６０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるアノードガス拡散層６１０とで構成されている。
また、カソード６０６は、電解質膜６０４側に（電解質膜６０４の他方の主面に）配置されるカソード触媒層６１２と、カソード触媒層６１２の電解質膜６０４側とは反対側に（カソード触媒層６１２における電解質膜６０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるカソードガス拡散層６１３とで構成されている。
アノード触媒層６１１とカソード触媒層６１２には、白金を担持したカーボン粒子を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質水溶液に分散させて、電解質膜６０４の主面に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層６１０とカソードガス拡散層６１３には、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層６１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積当たりの撥水材含有量が１３％であるものを用いる。
アノード側セパレータ６０８とカソード側セパレータ６０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ６０８には、水素含有ガスをアノード６０５に供給するためのアノード側入口６０１と、電解質膜６０４をカソード６０６側に透過せずにアノード６０５に残った水素含有ガスをアノード６０５から排出するためのアノード側出口６０２と、アノード側セパレータ６０８におけるアノード６０５（アノードガス拡散層６１０）と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口６０１に連通し下流端がアノード側出口６０２に連通するアノード流路６０８ａが設けられている。
一方、カソード側セパレータ６０９には、カソード６０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口６０３と、カソード側セパレータ６０９におけるカソード６０６（カソードガス拡散層６１３）と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口６０３に連通するカソード流路６０９ａが設けられている。
また、図７に示すように、本実施の形態の水素生成システムに用いる第３電気化学デバイス７００は、電解質膜７０４と電解質膜７０４の一方の主面に配置されたアノード７０５と電解質膜７０４の他方の主面に配置されたカソード７０６とを備え、電解質膜７０４をアノード７０５とカソード７０６とで挟んだ構成の電解質膜－電極接合体７０７を、アノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９によって挟持して構成されている。
ここで、電解質膜７０４には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いる。
アノード７０５は、電解質膜７０４側に（電解質膜７０４の一方の主面に）配置されるアノード触媒層７１１と、アノード触媒層７１１の電解質膜７０４側とは反対側に（アノード触媒層７１１における電解質膜７０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるアノードガス拡散層７１０とで構成されている。
また、カソード７０６は、電解質膜７０４側に（電解質膜７０４の他方の主面に）配置されるカソード触媒層７１２と、カソード触媒層７１２の電解質膜７０４側とは反対側に（カソード触媒層７１２における電解質膜７０４と対向する面とは反対側の面に）配置されるカソードガス拡散層７１３とで構成されている。
アノード触媒層７１１とカソード触媒層７１２には、白金を担持したカーボン粒子を、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質水溶液に分散させて、電解質膜７０４の主面に塗布形成したものを用いる。
アノードガス拡散層７１０とカソードガス拡散層７１３には、炭素繊維からなる多孔質なフェルトを用いる。ここで、カソードガス拡散層７１３は、撥水材を含侵させて撥水処理し、単位体積当たりの撥水材含有量が１７％であるものを用いる。
アノード側セパレータ７０８とカソード側セパレータ７０９は、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。
アノード側セパレータ７０８には、水素含有ガスをアノード７０５に供給するためのアノード側入口７０１と、電解質膜７０４をカソード７０６側に透過せずにアノード７０５に残った水素含有ガスをアノード７０５から排出するためのアノード側出口７０２と、アノード側セパレータ７０８におけるアノード７０５（アノードガス拡散層７１０）と対向する面に溝状に形成され、上流端がアノード側入口７０１に連通し下流端がアノード側出口７０２に連通するアノード流路７０８ａが設けられている。
一方、カソード側セパレータ７０９には、カソード７０６において生成する水素を排出するためのカソード側出口７０３と、カソード側セパレータ７０９におけるカソード７０６（カソードガス拡散層７１３）と対向する面に溝状に形成され、下流端がカソード側出口７０３に連通するカソード流路７０９ａが設けられている。
また、図８に示すように、本実施の形態の水素生成システム８００は、第１電気化学デバイス５００と、第２電気化学デバイス６００と、第３電気化学デバイス７００と、第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１に加湿された水素含有ガスを供給するガス供給手段８０２と、第１電気化学デバイス５００に電流を流す電源５１５と、第２電気化学デバイス６００に電流を流す電源６１５と、第３電気化学デバイス７００に電流を流す電源７１５と、第１電気化学デバイス５００の温度を調節するための温度調節器５１４と、第２電気化学デバイス６００の温度を調節するための温度調節器６１４と、第３電気化学デバイス７００の温度を調節するための温度調節器７１４と、制御器８０３と、を備えた構成となっている。
ガス供給手段８０２は、制御器８０３に制御されて、都市ガスから改質反応を利用して加湿された水素と二酸化炭素とからなる水素含有ガスを生成し供給する燃料改質器で構成される。また、ガス供給手段８０２は第１電気化学デバイス５００のアノード側セパレータ５０８のアノード側入口５０１に接続されている。
第１電気化学デバイス５００のアノード側セパレータ５０８には、ガス供給手段８０２からアノード側入口５０１に供給された水素含有ガスのうちで、電解質膜５０４をカソード５０６側に透過せずにアノード５０５に残った（カソード５０６での水素の生成に利用されなかった）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口５０２が設けられている。
また、第１電気化学デバイス５００のカソード側セパレータ５０９のカソード側出口５０３は、接続流路８０１ａによって下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側セパレータ６０８のアノード側入口６０１と接続されている。
第２電気化学デバイス６００のアノード側セパレータ６０８には、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３から接続流路８０１ａを介してアノード側入口６０１に供給された水素含有ガスのうちで、電解質膜６０４をカソード６０６側に透過せずにアノード６０５に残った（カソード６０６での水素の生成に利用されなかった）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口６０２が設けられている。
また、第２電気化学デバイス６００のカソード側セパレータ６０９のカソード側出口６０３は、接続流路８０１ｂによって下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側セパレータ７０８のアノード側入口７０１と接続されている。
第３電気化学デバイス７００のアノード側セパレータ７０８には、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３から接続流路８０１ｂを介してアノード側入口７０１に供給された水素含有ガスのうちで、電解質膜７０４をカソード７０６側に透過せずにアノ
ード７０５に残った（カソード７０６での水素の生成に利用されなかった）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口７０２が設けられている。
ード７０５に残った（カソード７０６での水素の生成に利用されなかった）水素含有ガスを排出するためのアノード側出口７０２が設けられている。
そして、第３電気化学デバイス７００のカソード側セパレータ７０９に設けられたカソード側出口７０３は、カソード７０６で生成された水素を排出する。
電源５１５は直流電源であり、電源５１５の正極が第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に電気的に接続され、電源５１５の負極が第１電気化学デバイス５００のカソード５０６に電気的に接続されている。
そして、電源５１５は、アノード５０５とカソード５０６との間に、アノード５０５（アノード触媒層５１１）において、水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応が起こるとともに、カソード５０６（カソード触媒層５１２）において、アノード５０５から電源５１５を経由してカソード５０６に移動した電子と電解質膜５０４を透過した水素イオンとが結合して水素を生成する還元反応が起こるように、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６へ流れる電流を流す。
電源６１５は直流電源であり、電源６１５の正極が第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に電気的に接続され、電源６１５の負極が第２電気化学デバイス６００のカソード６０６に電気的に接続されている。
そして、電源６１５は、アノード６０５とカソード６０６との間に、アノード６０５（アノード触媒層６１１）において、水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応が起こるとともに、カソード６０６（カソード触媒層６１２）において、アノード６０５から電源６１５を経由してカソード６０６に移動した電子と電解質膜６０４を透過した水素イオンとが結合して水素を生成する還元反応が起こるように、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６へ流れる電流を流す。
電源７１５は直流電源であり、電源７１５の正極が第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に電気的に接続され、電源７１５の負極が第３電気化学デバイス７００のカソード７０６に電気的に接続されている。
そして、電源７１５は、アノード７０５とカソード７０６との間に、アノード７０５（アノード触媒層７１１）において、水素含有ガスに含まれる水素を水素イオンと電子とに解離させる酸化反応が起こるとともに、カソード７０６（カソード触媒層７１２）において、アノード７０５から電源７１５を経由してカソード７０６に移動した電子と電解質膜７０４を透過した水素イオンとが結合して水素を生成する還元反応が起こるように、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６へ流れる電流を流す。
電源５１５，６１５，７１５により、アノード５０５，６０５，７０５とカソード５０６，６０６，７０６との間に、所定方向の電流が流れ、アノード５０５，６０５，７０５に水素含有ガスが供給された場合に、水素含有ガスに含まれる水素が、アノード５０５，６０５，７０５において、水素イオンと電子に解離し、その電子が、アノード５０５，６０５，７０５から電源５１５，６１５，７１５を介してカソード５０６，６０６，７０６に流れ、水素イオンが電解質膜５０４，６０４，７０４を透過し、電解質膜５０４，６０４，７０４を透過した水素イオンが、カソード５０６，６０６，７０６において電子と結びついて水素になる。
また、第１電気化学デバイス５００の温度を調節するための温度調節器５１４と、第２電気化学デバイス６００の温度を調節するための温度調節器６１４と、第３電気化学デバイス７００の温度を調節するための温度調節器７１４には、制御器８０３によって制御されて、設定された温度を一定に保つための熱交換器を用いる。
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る水素生成システム８００について、以下、その動作、作用を、図８を参照しながら具体的に説明する。
まず、ガス供給手段８０２から、二酸化炭素の含有比率が３０％で水素の含有比率が７０％の加湿された水素含有ガスを、最上流の第１電気化学デバイス５００のアノード側入口５０１を介してアノード５０５に供給する。
制御器８０３は、第１電気化学デバイス５００の温度が７０℃となるように温度調節器５１４を制御し、電源５１５により第１電気化学デバイス５００のアノード５０５から電解質膜５０４を介してカソード５０６へ電流を流す。
これにより、第１電気化学デバイス５００において電気化学反応が進行し、第１電気化学デバイス５００のカソード５０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第１電気化学デバイス５００の電解質膜５０４は、わずかではあるが、二酸化炭素を透過するため、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３からは水素以外の二酸化炭素が微量含まれた水素純度が９８％の水素含有ガスが排出される。
また、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜５０４によりカソード５０６への移動が妨げられる。
そのため、第１電気化学デバイス５００のアノード５０５からカソード５０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード５０５における水素含有ガスの水分の含有率より小さくなる。
本実施の形態に用いた第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において電気化学的に測定すると、４０ｍΩ・ｃｍ２であった。
次に、第１電気化学デバイス５００のカソード側出口５０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路８０１ａを介して、さらに下流側の第２電気化学デバイス６００のアノード側入口６０１に供給する。
制御器８０３は、第２電気化学デバイス６００の温度が７０℃となるように温度調節器６１４を制御し、電源６１５により第２電気化学デバイス６００のアノード６０５から電解質膜６０４を介してカソード６０６へ電流を流す。
これにより、第２電気化学デバイス６００において電気化学反応が進行し、第２電気化学デバイス６００のカソード６０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第２電気化学デバイス６００の電解質膜６０４は、わずかではあるが、二酸化炭素を透過するため、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３からは水素純度が９９％の水素含有ガスが排出される。
また、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜６０４によりカソード６０６への移動が妨げられる。
そのため、第２電気化学デバイス６００のアノード６０５からカソード６０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード６０５における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
そのために、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
本実施の形態では、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量は、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量に比べて多い。
このため、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２の液水がカソードガス拡散層５１３に移動する場合と、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の液水がカソードガス拡散層６１３に移動する場合とを比較すると、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層５１３に移動し易いのに対して、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層６１３に移動し難い。
また、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の液水は、カソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量がカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量と同じ場合に比べて、カソードガス拡散層６１３に移動し難くなる。
このことから、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２が、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の液水保持量が、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス１００のカソードガス拡散層１１３の単位体積当たりの撥水材含有量と同じ場合と比べて、多くなる。
このために、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送経路が、多くなる。よって、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗が大きくならない。
本実施の形態に用いた第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において電気化学的に測定すると、４６ｍΩ・ｃｍ２であった。
なお、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３に、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、７０ｍΩ・ｃｍ２であった。
このことから、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の水素イオン輸送抵抗が、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量と同じ場合と比べて小さくなる。
よって、第２電気化学デバイス２００の水素純化効率が、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量を第１電気化学デバイス５００のをカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量と同一にした場合と比べて、小さくなり、水素生成システム８００の水素純化効率が改善される。
次に、第２電気化学デバイス６００のカソード側出口６０３から排出された水素含有ガスを、７０℃に加温された接続流路８０１ｂを介して、さらに下流側の第３電気化学デバイス７００のアノード側入口７０１に供給する。
制御器８０３は、第３電気化学デバイス７００の温度が７０℃となるように温度調節器７１４を制御し、電源７１５により第３電気化学デバイス７００のアノード７０５から電解質膜７０４を介してカソード７０６へ電流を流す。
これにより、第３電気化学デバイス７００において電気化学反応が進行し、第３電気化学デバイス７００のカソード７０６において水素含有ガスから水素を生成する。
ここで、第３電気化学デバイス７００の電解質膜７０４は、わずかではあるが、二酸化炭素を透過するが、第２電気化学デバイス６００から第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に供給される水素含有ガスの水素の純度は９９％であるため、第３電気化学デバイス７００のカソード側出口７０３からは水素純度が９９．９７％の高純度の水素含有ガスが得られる。
また、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５に供給された水素含有ガスに含まれる水分は、電解質膜７０４によりカソード７０６への移動が妨げられる。
そのため、第３電気化学デバイス７００のアノード７０５からカソード７０６に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、アノード７０５における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
そのために、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２に移動した水素含有ガスの水分の含有率は、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２および第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２における水素含有ガスの水分の含有率に比べて小さくなる。
本実施の形態では、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積当たりの撥水材含有量は、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量に比べて、多い。
このため、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２の液水がカソードガス拡散層５１３に移動する場合と、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水がカソードガス拡散層７１３に移動する場合とを比較すると、第１電気化学デバイス５００のカソード触媒層５１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層５１３に移動し易いのに対して、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層７１３に移動し難い。
同様に、第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２の液水がカソードガス拡散層６１３に移動する場合と、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水がカソードガス拡散層７１３に移動する場合とを比較すると、第２電気化学デバイス６
００のカソード触媒層６１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層６１３に移動し易いのに対して、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層７１３に移動し難い。
００のカソード触媒層６１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層６１３に移動し易いのに対して、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水は、比較的、カソードガス拡散層７１３に移動し難い。
また、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水は、カソードガス拡散層７１３の単位体積当たりの撥水材含有量がカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量およびカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量と同じ場合に比べて、カソードガス拡散層７１３に移動し難くなる。
このことから、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が、水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の液水保持量が、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積当たりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量と同じ場合と比べて、多くなる。
このために、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送経路が、多くなる。よって、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が大きくならない。
本実施の形態に用いた第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において電気化学的に測定すると、６５ｍΩ・ｃｍ２であった。
なお、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３に、第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、１００ｍΩ・ｃｍ２であった。
また、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３に、第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３を用いた場合の水素イオン輸送抵抗を、水素生成システム８００の使用環境下において、電気化学的に測定すると、８３ｍΩ・ｃｍ２であった。
このことから、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が、第３電気化学デバイス７００のカソードガス拡散層７１３の単位体積当たりの撥水材含有量が第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積当たりの撥水材含有量および第２電気化学デバイス６００のカソードガス拡散層６１３の単位体積当たりの撥水材含有量と同じ場合と比べて小さくなる。よって、第３電気化学デバイス７００の水素純化効率が小さくなり、水素生成システム８００の水素純化効率が改善される。
以上のように、本実施の形態においては、第１電気化学デバイス５００と、第２電気化学デバイス６００と、第３電気化学デバイス７００とを直列に接続して水素生成システム８００を構成し、最上流の第１電気化学デバイス５００から順に、下流側の第２電気化学デバイス６００、第３電気化学デバイス７００に向うにしたがって、カソードガス拡散層５１３、カソードガス拡散層６１３、カソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量を漸次多くし、カソード触媒層５１２、カソード触媒層６１２、カソード触媒層７１２の液水保持量を漸次多くして、水素イオン輸送抵抗を小さくすることで、下流側の
第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、カソードガス拡散層６１３、カソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が上流側の第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同一の場合に比べて、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム８００にできる。
第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２が水分の含有率が小さい水素含有ガスに曝されても、カソードガス拡散層６１３、カソードガス拡散層７１３の単位体積あたりの撥水材含有量が上流側の第１電気化学デバイス５００のカソードガス拡散層５１３の単位体積あたりの撥水材含有量と同一の場合に比べて、下流側の第２電気化学デバイス６００のカソード触媒層６１２、第３電気化学デバイス７００のカソード触媒層７１２の水素イオン輸送抵抗が小さくなり、水素純化効率の高い水素生成システム８００にできる。
なお、本実施の形態では、電解質膜５０４，６０４，７０４として、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボンスルホン酸系の高分子電解質膜を用いたが、電解質膜５０４，６０４，７０４としては、フッ素を含む高分子を骨格とし、カルボキシル基、リン酸基などの官能基を有し水素イオンを含むフッ素系の樹脂を用いてもよい。
また、電解質膜５０４，６０４，７０４として、スルホン化ポリフェニレン、スルホン化ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどを骨格とし、水素イオンを含む水素イオン伝導性の炭化水素系の樹脂を用いてもよい。
またさらには、電解質膜５０４，６０４，７０４は他の成分を含んでもよく、例えば、ポリテトラフルオロエチレンやパーフルオロアルキルエーテル等の繊維、織布、不織布、多孔体等により補強されている電解質膜であってもよい。
なお、本実施の形態では、水素含有ガスが流れる方向（水素含有ガスの水素の純度が高まる方向）に直列に接続する電気化学デバイスの数を３台としたが、この台数はあくまで一例であって、２台以上の別の台数であってもよい。
なお、本実施の形態では、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、カソードガス拡散層と液水面との接触角、または単位体積当たりの撥水材含有量としているが、カソードガス拡散層の撥水性を制御する物性値は、気孔径、表面粗さなどであってもよい。これら物性値に基づき、水素含有ガスが流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性が順に高くなるように、各電気化学デバイスに用いるカソードガス拡散層の撥水性を選択してよい。
なお、本実施の形態では、水素含有ガスの組成を、二酸化炭素、水素としているが、水素を含有していれば、これに限らない。
以上のように、本発明にかかる水素生成システムは、水素純化効率を改善できるため、複数の電気化学デバイスを、水素含有ガスが流れる方向（水素含有ガスの水素の純度が高まる方向）に直列に接続して、不純物を含む水素含有ガスから純度の高い水素を製造する水素生成システムに最適である。
１００，５００ 第１電気化学デバイス
１０１，２０１，３０１，５０１，６０１，７０１ アノード側入口
１０２，２０２，３０２，５０２，６０２，７０２ アノード側出口
１０３，２０３，３０３，５０３，６０３，７０３ カソード側出口
１０４，２０４，３０４，５０４，６０４，７０４ 電解質膜
１０５，２０５，３０５，５０５，６０５，７０５ アノード
１０６，２０６，３０６，５０６，６０６，７０６ カソード
１０７，２０７，３０７，５０７，６０７，７０７ 電解質膜－電極接合体
１０８，２０８，３０８，５０８，６０８，７０８ アノード側セパレータ
１０８ａ，２０８ａ，３０８ａ，５０８ａ，６０８ａ，７０８ａ アノード流路
１０９，２０９，３０９，５０９，６０９，７０９ カソード側セパレータ
１０９ａ，２０９ａ，３０９ａ，５０９ａ，６０９ａ，７０９ａ カソード流路
１１０，２１０，３１０，５１０，６１０，７１０ アノードガス拡散層
１１１，２１１，３１１，５１１，６１１，７１１ アノード触媒層
１１２，２１２，３１２，５１２，６１２，７１２ カソード触媒層
１１３，２１３，３１３，５１３，６１３，７１３ カソードガス拡散層
１１４，２１４，３１４，５１４，６１４，７１４ 温度調節器
１１５，２１５，３１５，５１５，６１５，７１５ 電源
２００，６００ 第２電気化学デバイス
３００，７００ 第３電気化学デバイス
４００，８００ 水素生成システム
４０１ａ，４０１ｂ，８０１ａ，８０１ｂ 接続流路
４０２，８０２ ガス供給手段
４０３，８０３ 制御器
１０１，２０１，３０１，５０１，６０１，７０１ アノード側入口
１０２，２０２，３０２，５０２，６０２，７０２ アノード側出口
１０３，２０３，３０３，５０３，６０３，７０３ カソード側出口
１０４，２０４，３０４，５０４，６０４，７０４ 電解質膜
１０５，２０５，３０５，５０５，６０５，７０５ アノード
１０６，２０６，３０６，５０６，６０６，７０６ カソード
１０７，２０７，３０７，５０７，６０７，７０７ 電解質膜－電極接合体
１０８，２０８，３０８，５０８，６０８，７０８ アノード側セパレータ
１０８ａ，２０８ａ，３０８ａ，５０８ａ，６０８ａ，７０８ａ アノード流路
１０９，２０９，３０９，５０９，６０９，７０９ カソード側セパレータ
１０９ａ，２０９ａ，３０９ａ，５０９ａ，６０９ａ，７０９ａ カソード流路
１１０，２１０，３１０，５１０，６１０，７１０ アノードガス拡散層
１１１，２１１，３１１，５１１，６１１，７１１ アノード触媒層
１１２，２１２，３１２，５１２，６１２，７１２ カソード触媒層
１１３，２１３，３１３，５１３，６１３，７１３ カソードガス拡散層
１１４，２１４，３１４，５１４，６１４，７１４ 温度調節器
１１５，２１５，３１５，５１５，６１５，７１５ 電源
２００，６００ 第２電気化学デバイス
３００，７００ 第３電気化学デバイス
４００，８００ 水素生成システム
４０１ａ，４０１ｂ，８０１ａ，８０１ｂ 接続流路
４０２，８０２ ガス供給手段
４０３，８０３ 制御器
Claims (2)
- 電解質膜と前記電解質膜を挟んで一方の面に配置されるアノードと他方の面に配置されるカソードとで構成される電解質膜－電極接合体を有し、前記アノードに水素含有ガスを供給し、前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流を流すことで、前記カソードにおいて水素を生成する複数の電気化学デバイスと、
前記水素含有ガスを供給するガス供給手段と、
複数の前記電気化学デバイスの前記アノードと前記カソードとの間に電流を流すための電源と、を備えた水素生成システムにおいて、
前記アノードは前記電解質膜側に配置されるアノード触媒層と前記アノード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるアノードガス拡散層とで構成され、
前記カソードは前記電解質膜側に配置されるカソード触媒層と前記カソード触媒層の電解質膜側とは反対側に配置されるカソードガス拡散層とで構成され、
複数の前記電気化学デバイスは、前記水素含有ガスの供給方向の上流側の前記電気化学デバイスの前記カソードから排出された水素含有ガスが、前記水素含有ガスの供給方向の下流側の前記電気化学デバイスの前記アノードに供給されるように、直列に接続されており、
前記ガス供給手段は、複数の前記電気化学デバイスの内の前記水素含有ガスの供給方向の最上流の電気化学デバイスの前記アノードに前記水素含有ガスを供給する、水素生成システムであって、
前記電気化学デバイスのカソードガス拡散層の撥水性は、前記水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次高くなることを特徴とする水素生成システム。 - 前記カソードガス拡散層に撥水材を備え、
前記電気化学デバイスのカソードガス拡散層の単位体積あたりの撥水材含有量は、前記水素含有ガスの供給方向の上流側から下流側に向かうにしたがって、漸次多くなることを特徴とする請求項１に記載の水素生成システム。
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|---|---|---|---|---|
| WO2015020065A1 (ja) | 2013-08-05 | 2015-02-12 | 国立大学法人山梨大学 | 水素精製昇圧装置 |
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