JP7138312B2 - 水素システムおよび水素システムの運転方法 - Google Patents

Description

本開示は水素システムおよび水素システムの運転方法に関する。

近年、地球温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか生成せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに開発および普及が進んでいる。

来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用することが可能な技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及促進には、水素供給インフラを整備する必要がある。そこで、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を製造、精製、高密度貯蔵する様々な検討が行われている。

例えば、特許文献１および特許文献２では、水素の製造および圧縮を行うための装置の一例として、電解質膜、アノード、カソード、およびセパレータの積層体がエンドプレートで挟み込んで締結された水電解装置が提案されている。なお、アノード、電解質膜およびカソードの積層体を膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。また、例えば、特許文献３では、ＭＥＡを備える電気化学式水素ポンプが提案されている。

ここで、特許文献１では、カソードセパレーターの腐食抑制方法が検討されている。特許文献２では、チタンの粉末焼結体の気孔率を所望の範囲に維持することで、システムのエネルギー効率を向上させることが検討されている。

特許５０９５６７０号公報 特許４１６５６５５号公報 特開２０１９－２０６７４９号公報

本開示は、一例として、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る水素システムおよび水素システムの運転方法を提供することを課題とする。

本開示の一態様(aspect)の水素システムは、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられ、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層を含む、少なくとも１つのセルと、前記アノード触媒層および前記カソ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することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、停止後または起動時に、前記電圧印加器により電圧を印加させる制御器と、を備える。

本開示の一態様の水素システムの運転方法は、電解質膜を挟んで設けられた、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層を含むアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、停止後または起動時に、前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加するステップと、を備える。

本開示の一態様の水素システムおよび水素システムの運転方法は、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得るという効果を奏することができる。

図１は、チタン（Ｔｉ）の電位－ｐＨ図である。 図２は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図３Ａは、第１実施形態の水素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３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図４Ａは、第１実施形態の水素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４Ｂは、図４Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図５は、検証実験に基づいて作成したチタン（Ｔｉ）のｐＨ－電位図である。 図６は、第１実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図７Ａは、第１実施形態の第１実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図７Ｂは、第１実施形態の第２実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図８は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図９は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図１０は、第３実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１１は、第４実施形態の第１実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１２は、第４実施形態の第２実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１３は、第４実施形態の第３実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１４は、第５実施形態の第１実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１５は、第５実施形態の第２実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。

電解質膜には、一般的に、強酸性のスルホン酸基が存在する。そこで、特許文献２では、正電位が与えられるアノードの電極材料の一例として、チタンが提案されている。この理由は、チタン電位が正電位において、チタンにＴｉＯ_２の緻密な薄膜が形成されるからである。これにより、アノードが、高い耐食性を備える。

しかし、図１で示された「電位－ｐＨ図」によれば、ｐＨがゼロ付近で、チタン電位が約マイナス０．４Ｖ（－０．４Ｖ）程度の負電位になるとき、チタンのイオン状態であるＴｉ^３＋またはＴｉ^２＋が安定であることが知られており、その結果、チタンが水に溶出しやすくなる。

ここで、電気化学式の圧縮機においては、アノードおよびカソード間で電圧が印加されていない場合、圧縮機のアノードおよびカソードのそれぞれの水素分圧に起因して、アノード電位が負電位になる可能性がある。例えば、カソードに存在するガスが外部に放出され、カソード圧が外気圧と同程度に低下した後において、カソードに侵入する外気量の方がアノードに侵入する外気量よりも多くなる可能性がある。これにより、アノードの水素分圧が、カソードの水素分圧よりも高くなることで、アノード電位が負電位になる可能性がある。すると、特許文献２の如く、アノードガス拡散層をチタン粉末で構成する場合、チタンの水への溶出により、電解質膜中のスルホン酸基にチタンイオンが修飾する可能性がある。これにより、電解質膜のプロトン導電性が不可逆的に低下する可能性がある。

また、チタン表面に、メッキまたはＣＶＤコートなどを用いて、酸性状態において水への溶出が起きにくい貴金属の被覆を形成した場合であっても、チタン表面への貴金属の完全な被覆は困難であると考えられる。そして、この被膜中にピンホールが存在すると、ピンホールを介してチタンの水への溶出が起き、チタンイオンが電解質膜中のスルホン酸基とイオン交換し、電解質膜の劣化が進行する可能性がある。

なお、以上の現象は、アノードガス拡散層をチタン以外の金属を含む電極材料で構成する場合であっても同様に観察されることがある。このような電極材料の具体例は、実施形態で説明する。

そこで、本開示者らは、このような事情に鑑みて鋭意検討した結果、アノードおよびカソード間の電圧制御を用いて、以上の問題を改善し得ることを見出して、以下の本開示の一態様に想到した。

すなわち、本開示の第１態様の水素システムは、電解質膜、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、アノード触媒層上に設けられ、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層、およびカソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層を含む、少なくとも１つのセルと、アノード触媒層およびカソード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器により電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、停止後または起動時に、電圧印加器により上記電圧を印加させる制御器と、を備える。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る。具体的には、本態様の水素システムは、停止後または起動の適時に、電圧印加器によりアノード触媒層およびカソード触媒層の間に電圧を印加することで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、圧縮機のアノード電位が負電位化しにくくなる。すると、本態様の水素システムは、多孔体シートに含まれる金属の水への溶出を抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、電解質膜中のスルホン酸基に金属イオンが修飾する可能性を低減することができるので、従来に比べて電解質膜の劣化が抑制される。

停止後または起動時において、アノードの水素分圧が、カソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。例えば、停止後において、仮に、アノードに外部から混入する外気量よりもカソードに外部から混入する外気量が多くなると、アノードの水素分圧がカソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜が劣化する可能性がある。

そこで、本態様の水素システムは、停止後または起動時において、電圧印加器により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜が劣化しにくくなる。

本開示の第２態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、制御器は、電圧印加器により上記電圧を印加させてもよい。

本態様の水素システムは、停止後において、アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、電圧印加器により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜が劣化しにくくなる。

本開示の第３態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、制御器は、電圧印加器により上記電圧を印加させてもよい。

停止後において、カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、アノードの水素分圧が、カソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。例えば、仮に、カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後、アノードに外部から混入する外気量よりもカソードに外部から混入する外気量が多くなると、アノードの水素分圧がカソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜が劣化する可能性がある。

そこで、本態様の水素システムは、停止後において、カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、電圧印加器により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜が劣化しにくくなる。

本開示の第４態様の水素システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水素システムにおいて、金属は、チタンを含むものであってもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、多孔体シートをチタンで構成することにより、チタン電位が正電位において、チタンにＴｉＯ_２の緻密な薄膜が形成される。これにより、本態様の水素システムは、酸性環境下で耐食性が高いアノードガス拡散層を得ることができる。

本開示の第５態様の水素システムは、第１態様から第４態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、停止後に、運転中に印加される最大電圧よりも小さい電圧を電圧印加器により印加させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するためにアノード触媒層およびカソード触媒層の間に印加する電圧として、運転中に、これらに印加される最大電圧（以下、最大電圧）よりも小さい電圧を選択することにより、停止後に、両者間に最大電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器で消費される電力を削減することができる。

本開示の第６態様の水素システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、停止後に、カソード圧が水素需要体への圧縮水素の供給圧に到達した時の印加電圧よりも小さい電圧を電圧印加器により印加させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するためにアノード触媒層およびカソード触媒層の間に印加する電圧として、カソード圧が水素需要体への圧縮水素の供給圧に到達した時の印加電圧よりも小さい電圧を選択することにより、停止後に、両者間に、かかる印加電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器で消費される電力を削減することができる。

ところで、電気化学式の圧縮機においては、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するための電圧をアノード触媒層およびカソード触媒層の間に印加する場合、電解質膜を介してアノードからカソードに水素が移動する。すると、アノードに存在する水素量の減少に伴いアノード内の圧力が減少するので、アノードが負圧化する可能性がある。そして、アノードの負圧化により、仮にアノードに外部から空気が侵入する場合、圧縮機のセルが劣化する可能性がある。

そこで、本開示の第７態様の水素システムは、第１態様から第６態様のいずれか一つの水素システムにおいて、アノードに供給される水素含有ガスの流量を調整する流量調整器を備え、停止後に電圧印加器により電圧を印加させているとき、制御器は、流量調整器を制御し、運転中にアノードに供給される水素含有ガスの流量よりも小さい流量で、アノードに水素含有ガスを供給させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するためにアノード触媒層およびカソード触媒層の間に電圧を印加する際、電解質膜を介してアノードからカソードに水素が移動しても、流量調整器を用いて、アノードに水素含有ガスを投入するができる。すると、停止後に、アノードが負圧化する可能性が低減される。

また、本態様の水素システムは、停止後には、圧縮機のカソードから水素需要体に、カソードで生成された圧縮水素が供給されないので、アノードに投入される水素含有ガスの流量を運転中にアノードに供給される水素含有ガスの流量よりも小さくすることができる。

本開示の第８態様の水素システムは、第１態様から第６態様のいずれか一つの水素システムにおいて、アノードに供給される水素含有ガスの流量を調整する流量調整器を備え、停止後に電圧印加器により電圧を印加させているとき、制御器は、流量調整器を制御し、アノードへ水素含有ガスを供給しなくてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、第７態様の水素システムに比べて、水素含有ガスの供給源からの水素含有ガスの消費量を低減することができる。水素含有ガスの供給源は、水素タンク、水素インフラ、水電解装置などが例示される。

ところで、電気化学式の圧縮機においては、停止後に、カソードおよびアノード間の差圧によって電解質膜を介してカソードからアノードに水素が移動するので、圧縮機のカソードに存在する圧縮水素の圧力を所望の値に維持できない可能性がある。

そこで、本開示の第９態様の水素システムは、第１態様から第８態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、停止後に、電解質膜を介してカソードからアノードに戻る水素量に相当する量の水素をアノードからカソードに移動させるのに必要な電圧を電圧印加器により印加させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するためにアノード触媒層およびカソード触媒層の間に印加する電圧を、カソードおよびアノードの差圧によって電解質膜を介してカソードからアノードに移動する水素量を考慮して、上記の如く設定することにより、停止後に、圧縮機のカソードに存在する圧縮水素の圧力を所望の値に維持することができる。

本開示の第１０態様の水素システムは、第１態様から第９態様のいずれか一つの水素システムにおいて、圧縮機のカソードから排出されたカソードオフガスをアノードに供給するための第１流路と、第１流路に設けられた第１開閉弁と、圧縮機のアノードから排出されたアノードオフガスが流れる第２流路と、第２流路に設けられた第２開閉弁と、を備え、停止後に電圧印加器により電圧を印加する以前または電圧を印加しているときに、制御器は、第１開閉弁を開放させ、第２開閉弁を閉止させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、第１開閉弁を開放させることで、第１流路を介して、圧縮機のカソードに存在するカソードオフガスと、圧縮機のアノードに存在するアノードガスとを混合することができる。すると、システム停止後であって、カソードに存在するガス放出後において、カソードに侵入する外気量の方がアノードに侵入する外気量よりも多い場合でも、アノードの水素分圧およびカソードの水素分圧の差が減少する。

そして、本態様の水素システムは、第１開閉弁が開放され、第２開閉弁が閉止されるとともに、電圧印加器によりアノード触媒層およびカソード触媒層の間に電圧が印加されることで、圧縮機のアノードおよびカソードのそれぞれに存在するガスが、圧縮機内および第１流路を循環するので、アノードおよびカソードのそれぞれの水素分圧の差がさらに小さくなる。

以上により、本態様の水素システムは、アノード電位が負電位化しにくくなるので、電解質膜の劣化が抑制される。また、本態様の水素システムは、電解質膜におけるアノード側の主面領域とカソード側の主面領域との間の乾湿差が速やかに減少するので、電解質膜の機械的な劣化が抑制される。

本開示の第１１態様の水素システムは、第１態様から第１０態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、停止後に、運転中に印加される最大電圧の１／１０以下の電圧を電圧印加器により印加させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するためにアノード触媒層およびカソード触媒層の間に印加する電圧として、最大電圧の１／１０以下の電圧を選択することにより、停止後に、両者間に最大電圧の１／１０を上回る電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器で消費される電力を削減することができる。

本開示の第１２態様の水素システムは、第１態様から第１０態様のいずれか一つの水素システムにおいて、制御器は、停止後に、電圧印加器により１セル当たり０．１Ｖ以下の電圧を印加させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するためにアノード触媒層およびカソード触媒層の間に印加する電圧として、１セル当たり０．１Ｖ以下の電圧を選択することにより、停止後に、両者間に１セル当たり０．１Ｖを上回る電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器で消費される電力を削減することができる。

本開示の第１３態様の水素システムは、第１態様から第１２態様のいずれか一つの水素システムにおいて、停止後に電圧印加器により印加される電圧は、停止後に電圧印加器により電圧を印加しない場合に想定される圧縮機のアノード電位を０Ｖ以上にするのに必要な電圧であってもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、停止後に、電解質膜の劣化を抑制するためにアノード触媒層およびカソード触媒層の間に印加する電圧として、停止後に電圧印加器によりこれらの間に電圧を印加しない場合に想定される圧縮機のアノード電位を０Ｖ以上にするのに必要な電圧を選択することにより、停止後に、両者間に、かかる必要な電圧を下回る電圧を印加する場合に比べて、アノード電位が負電位化しにくくなるので、多孔体シートに含まれる金属の水への溶出を抑制することができる。つまり、電解質膜の劣化をより抑制できる。

ここで、水素システムの起動時に、アノードおよびカソード間に電圧を印加すると、アノードの電位がＴｉ^３＋またはＴｉ^２＋などのチタンイオンの溶出電位以下になりにくいが、どのようなタイミングで、アノードおよびカソード間に電圧を印加することが望ましいかについては、従来例では十分に検討されていない。

具体的には、図１には、Ｔｉ^３＋の活量が１×１０^－６ｍｏｌ／Ｌと仮定した、２５℃の水中における一般的な「チタンのｐＨ－電位図」の計算結果が示されているに過ぎない。よって、本開示者らは、図１に示す一般的な「チタンのｐＨ－電位図」の計算結果に基づいて、水素システムの起動時に適切なタイミングでアノードおよびカソード間に電圧を印加することが困難であると考えた。なお、かかる判断に至った経緯は、実施形態の検証実験で説明する。

すなわち、本開示の第１４態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、制御器は、起動時において水素含有ガスがアノードに供給されていないとき、電圧印加器により上記電圧を印加させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る。具体的には、水素システムの起動時において水素含有ガスがアノードに供給されていないときであっても、アノードの水素分圧が、カソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。例えば、仮に、水素システムの停止後において、アノードに外部から混入する外気量よりもカソードに外部から混入する外気量が多くなると、アノードの水素分圧がカソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜が劣化する可能性がある。

そこで、本態様の水素システムは、起動時において水素含有ガスがアノードに供給されていないとき、電圧印加器により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜が劣化しにくくなる。

本開示の第１５態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、起動時においてアノードに水素含有ガスを供給する際、アノードの電位が、アノードガス拡散層に含まれる金属のイオンが溶出する所定の電位よりも大きいときに、または上記所定の電位以下になってから所定時間以内に、制御器は、電圧印加器により上記電圧を印加させてもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る。具体的には、水素システムの停止後において、カソードに外部からの混入する外気量が多くなると、起動時においてアノードに水素含有ガスを供給していると、時間の経過に伴い、アノードの水素分圧がカソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。そこで、アノードの電位が、金属のイオンが溶出する電位以下よりも大きいときに、換言すれば、アノードの電位が、金属のイオンが溶出する電位以下になる前に、電圧印加器により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、アノードの電位が、金属イオンが溶出する電位以下になることが抑制される。これにより、電解質膜が劣化しにくくなる。

また、本態様の水素システムは、起動時においてアノードに水素含有ガスを供給する際、アノードの電位が、金属イオンが溶出する電位以下になってから所定時間以内に、電圧印加器により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、アノードの電位が、金属イオンが溶出する電位以下である期間を短縮することができる。これにより、電解質膜の劣化進行が適切に抑制される。

本開示の第１６態様の水素システムは、第１態様、第１４態様および第１５態様のいずれか一つの水素システムにおいて、上記金属が、チタンを含むものであってもよい。

かかる構成によると、本態様の水素システムは、多孔体シートをチタンで構成することにより、チタン電位が正電位において、チタンにＴｉＯ_２の緻密な薄膜が形成される。これにより、本態様の水素システムは、酸性環境下で耐食性が高いアノードガス拡散層を得ることができる。

本開示の第１７態様の水素システムは、第１態様、第１４態様－第１６態様のいずれか一つの水素システムにおいて、電圧印加器により上記電圧が印加される前に、カソードに窒素または空気が充填されていてもよい。

カソードに窒素または空気が充填されていると、アノードの水素分圧が、カソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜が劣化する可能性がある。

そこで、本態様の水素システムは、起動時において、カソードに窒素または空気が充填されているとき、電圧印加器により上記電圧を印加させる。すると、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜が劣化しにくくなる。

本開示の第１８態様の水素システムは、第１５態様の水素システムにおいて、起動時においてアノードに加湿された水素含有ガスが供給されているとき、制御器は、セルに流れる電流密度が、圧縮運転時の目標電流密度よりも小さい第１の閾値以下、かつ、カソードの圧力が、圧縮運転時の目標圧力よりも小さい第２の閾値以下を維持されるよう電圧印加器を制御してもよい。

水素システムが起動する際、電解質膜が乾燥している場合、電解質膜の含水率を適正値にまで上昇させずに、セルに流れる電流密度が第１の閾値を超えると、電解質膜が局所的に乾燥している部分において電解質膜が高温化して劣化する可能性がある。

また、水素システムが起動する際、電解質膜が乾燥している場合、電解質膜の含水率を適正値にまで上昇させずに、カソードの圧力が第２の閾値を超えると、電解質膜の破膜が発生する可能性がある。

そこで、本態様の水素システムは、起動時に、セルに流れる電流密度およびカソードの圧力のそれぞれを第１の閾値以下および第２の閾値以下のそれぞれに維持する動作を行いながら、水素含有ガス中の水によって電解質膜の含水率が適正値にまで上昇させることで、以上の可能性を低減させることができる。

本開示の第１９態様の水素システムは、第１８態様の水素システムにおいて、セルに流れる電流密度を第１の閾値以下、かつ、カソードの圧力を第２の閾値以下を維持するために電圧印加器より印加される電圧が低下すると、制御器は、セルに流れる電流密度およびカソードの圧力の少なくとも一方が上昇するよう電圧印加器の印加電圧を増加させてもよい。

電解質膜の含水率の上昇は、例えば、電圧印加器の印加電圧の低下により確認することができる。そこで、本態様の水素システムは、セルに流れる電流密度およびカソードの圧力のそれぞれを第１の閾値以下および第２の閾値以下のそれぞれに維持する動作において、電圧印加器による印加電圧が低下すると、セルに流れる電流密度およびカソードの圧力の少なくとも一方が上昇するよう電圧印加器の印加電圧を増加させている。これにより、本態様の水素システムは、電解質膜の含水率の上昇に伴って適時に、セルに流れる電流密度およびカソードの圧力の少なくとも一方を上昇させることができる。

本開示の第２０態様の水素システムの運転方法は、電解質膜を挟んで設けられた、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層を含むアノードとカソードの間に電圧を印加することによりアノードに供給された水素含有ガス中の水素をカソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップと、停止後または起動時に、アノードとカソードの間に電圧を印加するステップと、を備える。

以上により、本態様の水素システムの運転方法は、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る。なお、本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果の詳細は、上記の水素システムが奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

本開示の第２１態様の水素システムの運転方法は、第２０態様の水素システムの運転方法において、アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、アノードとカソードの間に電圧を印加してもよい。

本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果は、上記の水素システムが奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

本開示の第２２態様の水素システムの運転方法は、第２０態様の水素システムの運転方法において、カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、アノードとカソードの間に電圧を印加してもよい。

本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果は、上記の水素システムが奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

本開示の第２３態様の水素システムの運転方法は、第２０態様の水素システムの運転方法において、起動時において水素含有ガスがアノードに供給されていないとき、アノードとカソードの間に電圧を印加してもよい。

本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果は、上記の水素システムが奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

本開示の第２４態様の水素システムの運転方法は、第２０態様の水素システムの運転方法において、起動時においてアノードに水素含有ガスを供給する際、アノードの電位が、アノードガス拡散層に含まれる金属のイオンが溶出する所定の電位よりも大きいときに、または上記所定の電位以下になってから所定時間以内に、アノードとカソードの間に電圧を印加してもよい。

本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果は、上記の水素システムが奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。

以下、添付図面を参照しつつ、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。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、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、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、運転方法においては、必要に応じて、ステップの順番を入れ替えてもよいし、公知のステップを追加してもよい。

（第１実施形態）
以下の実施形態では、上記各態様の圧縮機の一例である電気化学式水素ポンプを備える水素システムの構成および動作について説明する。

［水素システムの構成］
図２は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。

図２に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、制御器５０と、を備える。

電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２（図３Ｂおよび図４Ｂ参照）の間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、圧縮水素を生成する装置である。電気化学式水素ポンプ１００は、複数のＭＥＡ（セル）を積層したスタックを含んでもよい。電気化学式水素ポンプ１００の詳細な構成は後で説明する。

なお、水素含有ガスとして、例えば、メタンガスなどの改質反応により発生する低圧状態の改質ガス、水の電気分解により発生する水蒸気を含む低圧状態の水素ガスなどを挙げることができる。

制御器５０は、停止後または起動時に、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加させる。制御器５０は、水素システム２００の全体の動作を制御してもよい。

ここで、水素システム２００の「停止」とは、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体に、カソードＣＡで生成された圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止のことをいう。なお、水素需要体として、例えば、水素貯蔵器、燃料電池、水素インフラの配管などを挙げることができる。また、水素貯蔵器として、例えば、水素ステーションに設置されたディスペンサー、水素タンクなどを挙げることができる。

また、水素システム２００の「起動時」とは、水素システム２００に設けられた弁、ポンプ等の補機の動作が開始され、電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セル１００Ｂに流れる電流が、水素システム２００の圧縮運転時の目標電流になるまでの動作のことをいう。「圧縮運転時」とは、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体にカソードＣＡで生成された圧縮水素を供給するための動作中のことをいう。

なお、水素システム２００の「起動」は、制御器５０に適宜の起動信号が入力されるタイミングで開始してもよい。具体的には、例えば、操作者が入力器（図示せず）を介して起動要求をすると、制御器５０に起動信号が入力される。入力器は、水素システム２００に設けられてもいいし、水素システム２００に設けられていない外部の入力器（例えば、スマートフォン等の携帯端末）であってもよい。また、水素システム２００の「起動」が終了すると、適時に、カソードＣＡで生成された圧縮水素の水素需要体に対する供給（圧縮運転）が開始されてもよい。

制御器５０は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。

［電気化学式水素ポンプの構成］
図３Ａおよび図４Ａは、第１実施形態の水素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３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図４Ｂは、図４Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。

なお、図３Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド２８の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図４Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。

電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの電気化学セル１００Ｂを備える。図３Ｂおよび図４Ｂに示すように、電気化学セル１００Ｂは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を含み、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。

なお、電気化学式水素ポンプ１００では、３個の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が圧縮する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。

アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層１３およびアノードガス拡散層１５を含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。

カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２およびカソードガス拡散層１４を含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。

以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。

電解質膜１１はプロトン導電性を備える膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、スルホン酸修飾のフッ素系高分子電解質膜、炭化水素系電解質膜などを挙げることができる。具体的には、電解質膜１１として、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができるが、これらに限定されない。

アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。

カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。

カソード触媒層１２もアノード触媒層１３も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるが、特に限定されない。例えば、カーボン系粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボン担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。白金などの触媒金属のカーボン担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。

カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。カソードガス拡散層は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。カソードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。カソードガス拡散層の基材として、例えば、カーボン繊維焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。

アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられ、金属を含む多孔体シート１５Ｓを含む。つまり、多孔体シート１５Ｓは、金属材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。また、多孔体シート１５Ｓは、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、上記の差圧による電解質膜１１の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。

具体的には、多孔体シート１５Ｓの素材として、チタンを使用することができるが、これに限定されない。例えば、多孔体シート１５Ｓの素材として、チタンの他、クロム、ニッケル、タングステン、タンタル、鉄、マンガンなどの金属材料を用いることもできる。また、これらの金属内の２種類以上の合金化した合金鋼（例えば、ステンレス）、窒化物であるＴｉＮ、炭化物であるＴｉＣなどを用いることもできる。ただし、多孔体シート１５Ｓをチタンで構成することにより、チタン電位が正電位において、チタンにＴｉＯ_２の緻密な薄膜が形成される。これにより、本実施形態の水素システム２００は、酸性環境下で耐食性が高いアノードガス拡散層１５を得ることができる。

また、アノードガス拡散層１５は、２種類以上の多孔体シートが積層されてもよい。この場合、多孔体シートの層間は、拡散接合などで接合されていてもよい。例えば、アノードガス拡散層１５のうちの電解質膜１１側の多孔体シートがチタンで構成され、アノードセパレーター１７側の多孔体シートがステンレスなどで構成されていてもよい。電解質膜１１側の多孔体シートをチタンで構成すると、上記のとおり、酸性環境下で耐食性が高いアノードガス拡散層１５を得ることができる。

さらに、アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３およびアノードセパレーター１７との間で所望の導電性を確保するために、多孔体シート１５Ｓの少なくとも両主面に導電性コーティングが施されている。

例えば、メッキまたはＣＶＤコートなどを用いて、多孔体シート１５Ｓの両主面が、高導電性のシート状のコーティング膜で覆われていてもよいし、多孔体シート１５Ｓを構成する電極粒子の表面が、高導電性のコーティング膜で覆われていてもよい。

このようなコーティング膜として、抵抗が小さい白金メッキ膜などを挙げることができるが、これに限定されない。例えば、コーティング膜の素材として、白金の他、金、ルテニウムなどの他の貴金属、ダイヤモンドライクカーボン、金属炭化物、金属窒化物などを用いることもできる。

なお、コーティング膜の厚みは、多孔体シート１５Ｓの厚みの１／１００以下に設定されていてもよい。このようなコーティング膜の厚みは、例えば、蛍光Ｘ線分析などで測定することができる。

アノードセパレーター１７は、アノードＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた部材である。

そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。

このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記の電気化学セル１００Ｂを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。

カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面は、カソードガス流路を設けずに平面で構成されている。これにより、カソードセパレーター１６の主面にカソードガス流路を設ける場合に比べて、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間で接触面積を大きくすることができる。すると、電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。

これに対して、多孔体シート１５Ｓと接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図４Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。

また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、電気化学セル１００Ｂの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。

ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。

なお、図３Ａおよび図４Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。

締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。

図３Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド２８は、３個の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソードＣＡから排出されるカソードオフガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド２８と連通している。

さらに、カソードガス導出マニホールド２８は、水素ポンプユニット１００ＡのそれぞれのカソードＣＡと、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００ＡのそれぞれのカソードＣＡで生成された圧縮水素は、カソードガス通過経路３４のそれぞれを通過した後、カソードガス導出マニホールド２８で合流される。そして、合流された圧縮水素がカソードガス導出経路２６に導かれる。

このようにして、水素ポンプユニット１００ＡのそれぞれのカソードＣＡは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド２８を介して連通している。

カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド２８を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド２８が、このシール部材４０で適切にシールされている。

図４Ａに示すように、アノード端板２４Ａには、アノードガス導入経路２９が設けられている。アノードガス導入経路２９は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導入経路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、３個の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。

また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給された水素含有ガスは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に水素含有ガスが供給される。

また、図４Ａに示すように、アノード端板２４Ａには、アノードガス導出経路３１が設けられている。アノードガス導出経路３１は、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導出経路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、３個の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。

また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素含有ガスが、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。

カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。

図２、図３Ａおよび図４Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。

電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。

また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。

なお、図３Ａおよび図４Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６とは電気的に接続されるとともに、カソード端板２４Ｃとはカソード絶縁板２３Ｃを介して配置されている。アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接続されるとともに、アノード端板２４Ａとはアノード絶縁板２３Ａを介して配置されている。

ここで、図２、図３Ａおよび図４Ａには示されていないが、本実施形態の水素システム２００の電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。

例えば、水素システム２００には、例えば、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で圧縮された水素の圧力を検出する圧力検出器などが設けられている。

また、水素システム２００には、アノードガス導入経路２９、アノードガス導出経路３１およびカソードガス導出経路２６の適所には、これらの経路を開閉するための弁などが設けられている。

以上の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素システム２００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノードＡＮに供給する水素含有ガス中の水素（Ｈ_２）を全量、カソードＣＡで圧縮するデッドエンド構造が採用されてもよい。

［検証実験］
上記のとおり、図１には、Ｔｉ^３＋の活量が１×１０^－６ｍｏｌ／Ｌと仮定した、２５℃の水中における一般的なチタンのｐＨ－電位図の計算値が示されているに過ぎない。

これに対して、水素システム２００の起動時には、電気化学式水素ポンプ１００は、一般的に、セル温度が約５０℃～８０℃程度の高温に維持されている。また、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮでは、高加湿状態の水素含有ガスが流通している。このため、電気化学式水素ポンプ１００の以上のような使用環境に対応する、チタンイオンの安定領域は、図１から正確に把握することが困難である。

そこで、チタンのテストピースを使用して、温度が約５０℃～約８０℃であって、ｐＨが０．０５の状態で、参照電極を基準とするチタン電位が、約－０．１０Ｖおよび約－０．４２Ｖのそれぞれの場合について、チタンイオン溶出の有無を確認するための検証実験を行った。

本検証実験によると、上記のいずれの場合でも、Ｔｉ表面に発生した腐食痕が反射電子像によって確認された。また、このとき、チタンのテストピースを浸した溶液中にはチタンが存在することが確認された。

以上の検証実験結果は、Ｔ^３＋が溶出する反応（ＴｉＯ_２＋４Ｈ^＋＋ｅ→Ｔｉ^３＋＋２Ｈ_２Ｏ）に対応する、以下のネルンストの式（１）における定数「ＲＴ／ｚＦ」が、温度が約５０℃～約８０℃では、温度が２５℃の場合に比べて大きいこと、および式（１）のＴｉ^３＋の活量が図１の仮定条件とは異なることに起因する現象であると考えられる。

Ｅ＝Ｅ_０－２．３０３・ＲＴ／ｚＦ・（ｌｏｇ［Ｔｉ^３＋］＋２ｌｏｇ［Ｈ_２Ｏ］－４ｌｏｇ［Ｈ^＋］－ｌｏｇ［ＴｉＯ_２］）・・・（１）
式（１）において、Ｅ_０は標準酸化還元電位、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度、ｚは測定されるイオン電荷、Ｆはファラデー定数である。

ここで、本開示者らは、電気化学式水素ポンプ１００の使用環境においては、式（１）における定数「ＲＴ／ｚＦ」とｌｏｇ［Ｔｉ^３＋］との積は、一般的なチタン（Ｔｉ）のｐＨ－電位図（図１）に比べて、縦軸の電位をプラス側にシフトさせるように作用するのではないかと考えた。

そこで、温度が６５℃、約－０．１Ｖで腐食した上記検証実験の結果に基づいて、図５のチタン（Ｔｉ）のｐＨ－電位図の如く、酸化チタン表面からＴｉ^３＋が溶出する領域を太い直線（実線）で仮定した。すると、電解質膜１１とチタン（ＴｉＯ_２）との接触境界付近において、ｐＨがゼロである場合、ネルンストの式（１）におけるＴｉ^３＋の活量は、約１×１０^－９ｍｏｌ／Ｌ～１×１０^－８ｍｏｌ／Ｌ程度ではないかと推測される。そして、この推測値は、電気化学式水素ポンプ１００の使用環境において、水素含有ガスがアノードＡＮ内を流通しているので、Ｔｉ^３＋の表面濃度が「１×１０^－６ｍｏｌ／Ｌ」よりも低濃度であることと整合する。

このように、アノードＡＮの電位が、例えば、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれに存在する水素の分圧差に起因して、約－０．１Ｖ程度になった場合でも、チタンイオンが溶出する可能性があることが分かった。

［動作］
図６は、第１実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。

以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

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に低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００のアノード触媒層１３とカソード触媒層１２の間に印加される。すると、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、水素分子がプロトンと電子とに分離する（式（２））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を介してカソード触媒層１２に移動する。

そして、カソード触媒層１２において、水素分子が再び生成される（式（３））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。

このとき、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される圧縮水素が、カソードガス導出経路２６を通じて、水素需要体に供給される場合、カソードガス導出経路２６に設けられた背圧弁、調整弁などを用いて、カソードガス導出経路２６の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで圧縮水素（Ｈ_２）を生成することができる。ここで、カソードガス導出経路２６の圧損を増加させるとは、カソードガス導出経路２６に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。

アノード：Ｈ_２（低圧）→２Ｈ^＋＋２ｅ^－ ・・・（２）
カソード：２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２（高圧） ・・・（３）
このようにして、水素システム２００において、電解質膜１１を挟んで設けられた、アノードＡＮとカソードＣＡの間に電圧を印加することにより、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素をカソードＣＡに移動させ、圧縮水素を生成する動作が行われる。この動作では、例えば、水素貯蔵器に圧縮水素を供給する前に、カソードＣＡ内の圧縮水素は所定の供給圧まで昇圧され、その後、水素貯蔵器に圧縮水素を供給される。所定の供給圧は、４０ＭＰａ、８０ＭＰａなどが例示される。

次に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体に、カソードＣＡで生成された圧縮水素を供給するための圧縮運転（以下、水素システム２００の圧縮運転）が、例えば、以下の手順で行われる。

電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成された圧縮水素は、カソードＣＡからカソードガス導出経路２６を通じて電気化学式水素ポンプ１００外へ排出される。例えば、カソードガス導出経路２６を流れる圧縮水素が、水分および不純物などを除去された後、水素需要体の一例である水素貯蔵器に供給され、水素貯蔵器内に一時的に貯蔵されてもよい。水素貯蔵器で貯蔵された圧縮水素は、適時に、水素需要体の一例である燃料電池に供給されてもよい。なお、カソードＣＡで生成された圧縮水素は、水素貯蔵器を介さずに、直接、燃料電池に供給されてもよい。

次に、ステップＳ２で、水素システム２００の圧縮運転の停止後または水素システム２００の起動時において、電圧印加器１０２の電圧を電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮとカソードＣＡの間に印加する動作が行われる。

ここで、以上の水素システム２００の圧縮運転の停止および水素システム２００の起動は、一例として、以下の手順（タイミングおよび方法）で行われてもよい。

例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成された圧縮水素を水素貯蔵器に一時的に貯蔵する場合、水素システム２００の圧縮運転は、水素貯蔵器内の水素量が、満杯になるまで行われる。しかし、水素貯蔵器内の水素量が、一旦、満杯になると、水素貯蔵器の容量に空きが生じるまで（例えば、水素貯蔵器から水素貯蔵器外への水素の供給が開始されるまで）、または、空き容量のある他の水素貯蔵器に接続されるまで、水素システム２００の圧縮運転を停止する必要がある。その後、水素貯蔵機内の水素量が所定量を下回ったら、水素システム２００を起動する必要がある。

そこで、まず、水素貯蔵器に設けられた圧力計から水素貯蔵器内の水素量が満杯である旨の信号が制御器５０で受信されると、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に流れる電流を下げるように、制御器５０から電圧印加器１０２に指令が出される。

ここで、水素システム２００の圧縮運転の停止時における、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に流れる電流は、カソードＣＡに存在する圧縮水素の圧力、および、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を介してカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量などに依存して、適宜の値に設定されてもよい。例えば、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を介してカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量に合わせて、上記の電流を調整することにより、カソードＣＡに存在する圧縮水素の圧力を所定の値に維持することができる。本電流は、運転中における、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に流れる電流の１／１０以下であってもよい。

次に、水素システム２００の圧縮運転の停止時における、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に流れる電流に合わせて、流量調整器を用いて、アノードＡＮに供給する水素含有ガスの流量が適量にまで低減される。詳細は、第２実施形態で説明する。

このようにして、水素システム２００の圧縮運転が停止される。ただし、以上の圧縮運転停止の手順は例示であって、本例に限定されない。

なお、水素システム２００の圧縮運転の停止後の適時に、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給が停止されるとともに、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間における電圧印加が停止されてもよい。すると、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を介してカソードＣＡからアノードＡＮに水素が移動することで、上記の差圧が、時間の経過とともに小さくなる。

次に、制御器５０に適宜の起動信号が入力されると、適時に、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給が開始され、アノードＡＮとカソードＣＡの間に電圧を印加する動作が行われる。

上記電圧の印加開始後は、電気化学セル１００Ｂに流れる電流を、水素システム２００の圧縮運転時の目標電流になるまで、印加電圧を増加してもよいし、電気化学セル１００Ｂに流れる電流を、上記目標電流よりも低い電流（以下、低電流）に維持する動作を行った後、目標電流になるまで印加電圧を増加してもよい。

なお、電気化学セル１００Ｂに流れる電流を低電流に維持する際に、この電流は、カソードＣＡに存在する圧縮水素の圧力、換言すれば、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を介してカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量などに依存して、適宜の値に設定されてもよい。例えば、カソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧によって電解質膜１１を介してカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量以上の水素量がアノードＡＮからカソードＣＡに移動するように、上記の電流を調整することにより、カソードＣＡに存在する圧縮水素の圧力を所定の値に維持することができる。

ここで、水素システム２００の起動時に、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが湿潤状態であるとき、電気化学セル１００Ｂに流れる電流を低電流に維持する動作において、水素含有ガス中の水によって電解質膜１１の含水率を上昇させることができる。電解質膜１１の含水率の上昇は、任意の方法で確認してもよい。例えば、印加電圧の低下により確認してもよいし、低電流またはカソードを低圧に維持する起動運転の継続時間で確認してもよい。なお、上記の電気化学セル１００Ｂに流れる電流を低電流に維持する動作の詳細については、第５実施形態で説明する。

以上のとおり、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、従来に比べて電解質膜１１の劣化を抑制し得る。具体的には、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、水素システム２００の圧縮運転の停止後または水素システム２００の起動の適時に、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加することで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電位が負電位化しにくくなる。すると、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、多孔体シート１５Ｓに含まれる金属の水への溶出を抑制することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００または水素システム２００の運転方法は、電解質膜１１中のスルホン酸基に金属イオンが修飾する可能性を低減することができるので、従来に比べて電解質膜１１の劣化が抑制される。

水素システム２００の圧縮運転の停止後または水素システム２００の起動時において、アノードの水素分圧が、カソードの水素分圧よりも高くなる可能性がある。例えば、停止後において、仮に、アノードＡＮに外部から混入する外気量よりもカソードＣＡに外部から混入する外気量が多くなると、アノードＡＮの水素分圧がカソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜１１が劣化する可能性がある。

そこで、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、停止後または起動時において、電圧印加器１０２により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜１１が劣化しにくくなる。

（第１実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

水素システム２００の圧縮運転の停止後、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給を停止した後に、制御器５０は、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加させる。

図７Ａは、第１実施形態の第１実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

図７ＡのステップＳ１は、図６のステップＳ１と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ２Ａで、水素システム２００の圧縮運転の停止後、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給を停止した後に、電圧印加器１０２の電圧を電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮとカソードＣＡの間に印加する動作が行われる。ここで、ステップＳ２Ａの動作の具体的な手順などについては、図６のステップＳ２と同様であるので説明を省略する。

水素システム２００の圧縮運転の停止後において、アノードＡＮの水素分圧が、カソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。例えば、仮に、水素システム２００の停止後において、アノードＡＮに外部から混入する外気量よりもカソードＣＡに外部から混入する外気量が多くなると、アノードＡＮの水素分圧がカソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜１１が劣化する可能性がある。

そこで、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、停止後において、電圧印加器１０２により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜１１が劣化しにくくなる。

本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、上記の特徴以外は、第１実施形態と同様であってもよい。

（第２実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

水素システム２００の圧縮運転の停止後に、カソードＣＡからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、制御器５０は、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加させる。なお、「水素需要体と異なる排出先」として、アノードＡＮまたは水素システム２００外を例示することができる。水素システム２００外として、例えば、大気中を挙げることができる。カソードＣＡからカソードオフガスをアノードＡＮに排出する際、アノード出口に連通する流路は、開放していてもよいし、当該流路に設けられた適宜の開閉弁により閉止していてもよい。なお、アノード出口に連通する流路を開放しているとき、この流路が大気開放されていると、最終的には、大気中、つまり水素システム２００外にカソードオフガスが排出される。

図７Ｂは、第１実施形態の第２実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

図７ＢのステップＳ１は、図６のステップＳ１と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ２Ｂで、水素システム２００の圧縮運転の停止後において、カソードＣＡからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、電圧印加器１０２の電圧を電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮとカソードＣＡの間に印加する動作が行われる。ここで、ステップＳ２Ｂの動作の具体的な手順などについては、図６のステップＳ２と同様であるので説明を省略する。

水素システム２００の圧縮運転の停止後において、カソードＣＡからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、アノードＡＮの水素分圧が、カソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。例えば、仮に、水素システム２００の停止後において、アノードＡＮに外部から混入する外気量よりもカソードＣＡに外部から混入する外気量が多くなると、アノードＡＮの水素分圧がカソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜１１が劣化する可能性がある。

そこで、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、停止後において、カソードＣＡからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、電圧印加器１０２により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜１１が劣化しにくくなる。

本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例と同様であってもよい。

（第３実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

制御器５０は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、運転中に、これらの間に印加される最大電圧（以下、最大電圧）よりも小さい電圧を電圧印加器１０２により印加させる。例えば、制御器５０は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、最大電圧の１／１０以下の電圧を電圧印加器１０２により印加させてもよい。

以上により、本実施例の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するためにアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する電圧として、最大電圧よりも小さい電圧を選択することにより、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、両者間に最大電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器１０２で消費される電力を削減することができる。例えば、本実施例の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するためにアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する電圧として、最大電圧の１／１０以下の電圧を選択することにより、両者間に最大電圧の１／１０を上回る電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器１０２で消費される電力を削減することができる。

本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第２実施例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。

（第４実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

制御器５０は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、カソードＣＡの内圧（以下、カソード圧）が水素需要体への圧縮水素の供給圧に到達した時の印加電圧よりも小さい電圧を電圧印加器１０２により印加させる。なお、上記供給圧は、４０ＭＰａ、８０Ｍｐａなどが例示される。

以上により、本実施例の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するためにアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する電圧として、カソード圧が水素需要体への圧縮水素の供給圧に到達した時の印加電圧よりも小さい電圧を選択することにより、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、両者間に、このような印加電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器１０２で消費される電力を削減することができる。

本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第３実施例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。

（第５実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

制御器５０は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、電解質膜１１を介してカソードＣＡからアノードＡＮに戻る水素量に相当する量の水素をアノードＡＮからカソードＣＡに移動させるのに必要な電圧を電圧印加器１０２により印加させる。

以上により、本実施例の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するためにアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する電圧を、カソードＣＡおよびアノードＡＮの差圧によって電解質膜１１を介してカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量を考慮して、上記の如く設定することにより、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡに存在する圧縮水素の圧力を所望の値に維持することができる。

本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第４実施例のいずれかと同様であってもよい。

（第６実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

制御器５０は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、電圧印加器１０２により１セル当たり０．１Ｖ以下の電圧を印加させる。なお、「１セル」とは、図３Ｂおよび図４Ｂに示す例では、単一の電気化学セル１００Ｂを指す。

以上により、本実施例の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するためにアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する電圧として、１セル当たり０．１Ｖ以下の電圧を選択することにより、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、両者間に１セル当たり０．１Ｖを上回る電圧を印加する場合に比べて、電圧印加器１０２で消費される電力を削減することができる。

本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第５実施例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。

（第７実施例）
本実施例の水素システム２００は、以下に説明するアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加される電圧以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加される電圧は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電圧印加器１０２によりこれらの間に電圧を印加しない場合に想定される電気化学式水素ポンプ１００のアノード電位を０Ｖ以上にするのに必要な電圧である。

以上により、本実施例の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するためにアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する電圧として、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電圧印加器１０２によりこれらの間に電圧を印加しない場合に想定される電気化学式水素ポンプ１００のアノード電位を０Ｖ以上にするのに必要な電圧を選択することにより、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、両者間に、かかる必要な電圧を下回る電圧を印加する場合に比べて、アノード電位が負電位化しにくくなるので、多孔体シート１５Ｓに含まれる金属の水への溶出を抑制することができる。つまり、電解質膜１１の劣化をより抑制できる。

本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第６実施例のいずれかと同様であってもよい。

（第２実施形態）
図８は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。

図８に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、流量調整器６０と、制御器５０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。

流量調整器６０は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの流量を調整する装置である。流量調整器６０は、かかる水素含有ガスの流量を調整することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、流量調整器６０は、図４Ａのアノードガス導入経路２９に設けられていてもよい。流量調整器６０としては、流量調整弁、マスフローコントローラまたは昇圧器などを備えた流量調整デバイスを例示することができる。なお、流量調整器６０は、上記の流量調整デバイスとともに、流量計を備えていてもよい。

水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、電圧印加器１０２により電圧を印加させているとき、制御器５０は、流量調整器６０を制御し、運転中にアノードＡＮに供給される水素含有ガスの流量よりも小さい流量で、アノードＡＮに水素含有ガスを供給させる。

電気化学式水素ポンプ１００においては、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するための電圧をアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に印加する場合、電解質膜１１を介してアノードＡＮからカソードＣＡに水素が移動する。すると、アノードＡＮに存在する水素量の減少に伴いアノードＡＮ内の圧力が減少するので、アノードＡＮが負圧化する可能性がある。そして、アノードＡＮの負圧化により、仮にアノードＡＮに外部から空気が侵入する場合、電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セル１００Ｂが劣化する可能性がある。

そこで、本実施形態の水素システム２００は、制御器５０によって、流量調整器６０が上記の如く制御されている。

これにより、本実施形態の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、電解質膜１１の劣化を抑制するためにアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加する際、電解質膜１１を介してアノードＡＮからカソードＣＡに水素が移動しても、流量調整器６０を用いて、アノードＡＮに水素含有ガスを投入することができる。すると、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノードＡＮが負圧化する可能性が低減される。

また、本実施形態の水素システム２００は、水素システム２００の圧縮運転の停止後には、カソードＣＡから水素需要体に、カソードＣＡで生成された圧縮水素が供給されないので、アノードＡＮに投入される水素含有ガスの流量を、運転中にアノードＡＮに供給される水素含有ガスの流量よりも小さくすることができる。

本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例－第７実施例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。

（変形例）
本変形例の水素システム２００は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第２実施形態の水素システム２００と同様である。

水素システム２００の圧縮運転の停止後に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、電圧印加器１０２により電圧を印加させているとき、制御器５０は、流量調整器６０を制御し、アノードＡＮへ水素含有ガスを供給しない。

以上により、本変形例の水素システム２００は、第２実施形態の水素システム２００に比べて、水素含有ガスの供給源からの水素含有ガスの消費量を低減することができる。水素含有ガスの供給源は、水素タンク、水素インフラ、水電解装置などが例示される。

本変形例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例および第２実施形態のいずれかと同様であってもよい。

（第３実施形態）
図９は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。

図９に示す例では、本実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路７１と、第２流路７２と、第１開閉弁８１と、第２開閉弁８２と、制御器５０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。

第１流路７１は、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オフガスをアノードＡＮに供給するための流路である。なお、このようなカソードオフガスは、カソードＣＡで生成された圧縮水素を含むガスである。

第１流路７１の上流端は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。例えば、第１流路７１は、図３Ａのカソードガス導出経路２６より分岐するように延伸していてもよいし、図３Ａのカソードガス導出マニホールド２８とは別個のカソードガス導出マニホールドと連通するように延伸していてもよい。ただし、第１流路７１を、前者の如く構成する場合、電気化学式水素ポンプ１００において、カソードＣＡからガスを排出するための箇所を集約することができる。

第１流路７１の下流端は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。例えば、第１流路７１は、図４Ａのアノードガス導入経路２９に接続するように延伸していてもよいし、図４Ａのアノードガス導入マニホールド２７とは別個のアノードガス導入マニホールドと連通するように延伸していてもよい。ただし、第１流路７１を、前者の如く構成する場合、電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮにガスを導入するための箇所を集約することができる。

第２流路７２は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出されたアノードオフガスが流れる流路である。なお、このようなアノードオフガスは、アノードガス流路３３を通過した水素含有ガスを含むガスである。

第２流路７２の上流端は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。例えば、第２流路７２は、図４Ａのアノードガス導出経路３１に接続するように延伸していてもよい。

第２流路７２の下流端は、水素システム２００外の適宜の装置に接続してもよいし、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流れる流路に接続してもよい。後者の場合、電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮから排出されたアノードオフガスをリサイクルすることができる。

第１開閉弁８１は、第１流路７１に設けられた弁である。第１開閉弁８１は、第１流路７１を開閉することができれば、どのような構成であってもよい。第１開閉弁８１として、例えば、窒素ガスなどで駆動する駆動弁または電磁弁などを用いることができるが、これらに限定されない。

第２開閉弁８２は、第２流路７２に設けられた弁である。第２開閉弁８２は、第２流路７２を開閉することができれば、どのような構成であってもよい。第２開閉弁８２として、例えば、窒素ガスなどで駆動する駆動弁または電磁弁などを用いることができるが、これらに限定されない。

ここで、水素システム２００の動作中、制御器５０は、第１開閉弁８１を閉止させ、第２開閉弁８２を開放させる。そして、水素システム２００の圧縮運転の停止後、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に、電圧印加器１０２により電圧を印加する以前または電圧を印加しているときに、制御器５０は、第１開閉弁８１を開放させ、第２開閉弁８２を閉止させる。

図１０は、第３実施形態の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

図１０のステップＳ１は、図６のステップＳ１と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ３で、水素システム２００の圧縮運転の停止後において、アノードＡＮとカソードＣＡの間に電圧を印加する以前または電圧を印加しているときに、第１開閉弁８１を開放するとともに、第２開閉弁８２を閉止する動作が行われる。

以上により、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、水素システム２００の圧縮運転の停止後に、第１開閉弁８１を開放させることで、第１流路７１を介して、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡに存在するカソードオフガスと、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに存在するアノードガスと、を混合することができる。すると、水素システム２００の停止後であって、カソードＣＡに存在するガス放出後において、カソードＣＡに侵入する外気量の方がアノードＡＮに侵入する外気量よりも多い場合でも、アノードＡＮの水素分圧およびカソードＣＡの水素分圧の差が減少する。

そして、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、第１開閉弁８１が開放され、第２開閉弁８２が閉止されるとともに、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧が印加されることで、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれに存在するガスが、電気化学式水素ポンプ１００内および第１流路７１を循環するので、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれの水素分圧の差がさらに小さくなる。

以上により、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、電気化学式水素ポンプ１００のアノード電位が負電位化しにくくなるので、電解質膜１１の劣化が抑制される。また、本実施形態の水素システム２００は、電解質膜１１におけるアノードＡＮ側の主面領域とカソードＣＡ側の主面領域との間の乾湿差が速やかに減少するので、電解質膜１１の機械的な劣化が抑制される。

本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態および第２実施形態の変形例のいずれかと同様であってもよい。

（第４実施形態）
本実施形態の第１実施例－第３実施例および変形例における、水素システム２００および電気化学式水素ポンプ１００の装置構成、並びに水素システム２００の制御器５０の制御内容は、以下に説明する事項以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

（第１実施例）
制御器５０は、水素システム２００の起動時において水素含有ガスがアノードＡＮに供給されていないとき、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加させる。

図１１は、第４実施形態の第１実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

水素システム２００が起動すると、ステップＳ１０で、水素含有ガスがアノードＡＮに供給されていないとき、電圧印加器１０２の電圧を電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮとカソードＣＡの間に印加する動作が行われる。

水素システム２００の起動時において水素含有ガスがアノードＡＮに供給されていないときであっても、アノードＡＮの水素分圧が、カソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。例えば、仮に、水素システム２００の停止後において、アノードＡＮに外部から混入する外気量よりもカソードＣＡに外部から混入する外気量が多くなると、アノードＡＮの水素分圧がカソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。すると、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出することで、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する可能性がある。その結果、電解質膜１１が劣化する可能性がある。

そこで、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、起動時において水素含有ガスがアノードＡＮに供給されていないとき、電圧印加器１０２により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンの溶出が抑制され、その結果、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜１１が劣化しにくくなる。

本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例および第３実施形態のいずれかと同様であってもよい。

（第２実施例）
水素システム２００の起動時において、アノードＡＮに水素含有ガスを供給する際、アノードＡＮの電位Ｖａが、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出する電位Ｖｓよりも大きいときに、制御器５０は、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加させる。

図１２は、第４実施形態の第２実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

水素システム２００が起動すると、ステップＳ１１で、アノードＡＮに水素含有ガスの供給が開始される。

次に、ステップＳ１２で、アノードＡＮの電位Ｖａが、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出する電位Ｖｓよりも大きいときに、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧が印加される。

ここで、「電位Ｖｓ」は、アノードガス拡散層１５に含まれる金属の種類および電気化学セル１００Ｂの動作条件などに基づいて、かかる金属のイオンが溶出する可能性がある適宜の電位に設定することができる。一例として、金属がチタンである場合、「電位Ｖｓ」が、上記検証実験の結果に基づいてチタンイオンが溶出しにくい約－０．０５Ｖ程度に設定されていてもよいが、これに限定されない。また、例えば、チタンイオンの溶出によって電解質膜１１の劣化進行を効果的に抑制し得るレベルであれば、「電位Ｖｓ」を、チタンイオンの溶出量がかかるレベルに抑えられた値に設定することもできる。

このように、本実施例の水素システム２００の運転方法において、アノードＡＮに水素含有ガスを供給する際、アノードＡＮの電位Ｖａが電位Ｖｓより大きいときに、換言すれば、アノードＡＮの電位Ｖａは電位Ｖｓ以下になる前に、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧が印加される動作が行われる。

以上により、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、従来に比べて電解質膜１１の劣化を抑制し得る。具体的には、水素システム２００の停止後において、カソードＣＡに外部からの混入する外気量が多くなると、起動時においてアノードＡＮに水素含有ガスを供給する際、時間の経過に伴い、アノードＡＮの水素分圧がカソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。そこで、アノードＡＮの電位Ｖａが、金属のイオンが溶出する電位Ｖｓ以下よりも大きいときに、換言すれば、アノードＡＮの電位Ｖａが、金属のイオンが溶出する電位Ｖａ以下になる前に、電圧印加器１０２により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、アノードＡＮの電位Ｖａが、金属イオンが溶出する電位Ｖｓ以下になることが抑制される。これにより、電解質膜１１が劣化しにくくなる。

さらに、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、起動時においてアノードＡＮに水素含有ガスを供給することで、アノードＡＮにおける燃料枯れの問題を軽減することができる。これにより、セル材料（例えば、ステンレス）のイオン溶出が適切に抑制される。

本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態および第４実施形態の第１実施例と同様であってもよい。

（第３実施例）
水素システム２００の起動時において、アノードＡＮに水素含有ガスを供給する際、アノードＡＮの電位Ｖａが、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出する電位Ｖｓ以下になってから所定時間Ｔ以内に、制御器５０は、電圧印加器１０２によりアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加させる。

図１３は、第４実施形態の第３実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

水素システム２００が起動すると、ステップＳ１１で、アノードＡＮに水素含有ガスの供給が開始される。

次に、ステップＳ１２Ａで、アノードＡＮの電位Ｖａが、アノードガス拡散層１５に含まれる金属のイオンが溶出する電位Ｖｓ以下であるか否かが判定される。なお、「電位Ｖｓ」は、第１実施例と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１２Ａで、アノードＡＮの電位Ｖａが、電位Ｖｓ以下でない場合（ステップＳ２Ａで「Ｎｏ」の場合）、そのままの状態が継続される。

ステップＳ１２Ａで、アノードＡＮの電位Ｖａが、電位Ｖｓ以下になると（ステップＳ１２Ａで「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップに進み、ステップＳ１２Ｂで、所定時間Ｔ以内にアノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧が印加される。

ここで、「所定時間Ｔ」は、電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換する金属イオンの溶出量に基づいて設定することができる。例えば、電解質膜１１で許容される金属イオンの交換量を水素システム２００で想定した全起動停止回数（例えば、３０００回）で割った数値は、水素システム２００の１回の起動停止における金属イオン溶出の許容量（以下、金属イオン溶出の許容量）に相当する。よって、起動時において水素含有ガスをアノードに供給しているときの、金属イオン溶出が開始してからの金属イオン溶出の累積量と電位Ｖｓ以下になってからの経過時間との関係を実験的に求めることで、上記累積量が、金属イオン溶出の許容量以下となる時間を「所定時間Ｔ」として設定することができる。なお、金属イオンがチタンイオンであるとき、「所定時間Ｔ」は、例えば、約６０秒程度に設定することができるが、これに限定されない。

以上により、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、従来に比べて電解質膜１１の劣化を抑制し得る。具体的には、水素システム２００の停止後において、カソードＣＡに外部からの混入する外気量が多くなると、起動時においてアノードＡＮに水素含有ガスを供給する際、時間の経過に伴い、アノードＡＮの水素分圧がカソードＣＡの水素分圧よりも高くなる可能性がある。

そこで、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、起動時においてアノードＡＮに水素含有ガスを供給する際、アノードＡＮの電位Ｖａが電位Ｖｓ以下になってから所定時間Ｔ以内に、電圧印加器１０２により上記電圧を印加させることで、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、アノードＡＮの電位Ｖａが電位Ｖｓ以下である期間を短縮することができる。これにより、電解質膜１１の劣化進行が適切に抑制される。

さらに、本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、起動時においてアノードＡＮに水素含有ガスを供給することで、アノードＡＮにおける燃料枯れの問題を軽減することができる。これにより、セル材料（例えば、ステンレス）のイオン溶出が適切に抑制される。

本実施例の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態および第４実施形態の第１実施例－第２実施例のいずれかと同様であってもよい。

（変形例）
水素システム２００の起動時にアノードＡＮに水素含有ガスを供給する前または停止時において、窒素または空気でカソードＣＡをパージする場合がある。すると、電圧印加器１０２により、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧が印加される前に、カソードＣＡに、窒素または空気が充填される。

以上のパージ操作は、例えば、水素システム２００の停止後に、カソードＣＡに、可燃性水素が残留しないように、電気化学セル１００Ｂに窒素または空気を導入する目的で実行される。

以上の場合、事前に、カソードＣＡに窒素または空気が充填されていることで、起動時に水素含有ガスの供給を開始すると、アノードＡＮの水素分圧が、カソードＣＡの水素分圧よりも高くなる。

そこで、本変形例の水素システム２００は、起動時において、カソードＣＡに窒素または空気が充填されている状態で、水素含有ガスを供給する際に、電圧印加器１０２により、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間に電圧を印加させる。すると、かかる電圧制御を行わない場合に比べて、金属イオンが電解質膜１１中のスルホン酸基のプロトンとイオン交換することが抑制される。これにより、電解質膜１１が劣化しにくくなる。

なお、上記電圧の印加開始については、上記第１実施例または第２実施例と同様の制御を行う。

上記電圧の印加開始後は、第１実施形態と同様、電気化学セル１００Ｂに流れる電流が、水素システム２００の圧縮運転時の目標電流になるまで増加するように印加電圧を増加させてもよい。

また、上記電圧の印加開始後は、第１実施形態と同様、電解質膜１１の含水率が上昇するまで、電気化学セル１００Ｂに流れる電流を低電流に維持する動作を行い、その後、電解質膜１１の含水率が上昇すると、電気化学セル１００Ｂに流れる電流が、上記目標電流になるまで増加するように印加電圧を増加させてもよい。

本変形例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態および第４実施形態の第１実施例－第３実施例のいずれかと同様であってもよい。

（第５実施形態）
本実施形態の第１実施例－第２実施例における、水素システム２００および電気化学式水素ポンプ１００の装置構成、並びに水素システム２００の制御器５０の制御内容は、以下に説明する事項以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。

（第１実施例）
水素システム２００の起動時において、アノードＡＮに加湿された水素含有ガスが供給されているとき、制御器５０は、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度が、水素システム２００の圧縮運転時の目標電流密度よりも小さい第１の閾値ＴＨ１以下、かつ、カソードＣＡの圧力が、水素システム２００の圧縮運転時の目標圧力よりも小さい第２の閾値ＴＨ２以下を維持されるよう電圧印加器１０２を制御する。

図１４は、第５実施形態の第１実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

まず、水素システム２００が起動すると、ステップＳ１３で、アノードＡＮに、適宜の加湿器により加湿された水素含有ガスが供給される。この水素含有ガスは、例えば、アノードＡＮと連通するアノードガス導入経路２９に設けられた加湿器で加湿されてもよい。加湿器として、例えば、バブラーなどを挙げることができるが、これに限定されない。

次に、ステップＳ１４で、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度が、水素システム２００の圧縮運転時の目標電流密度よりも小さい第１の閾値ＴＨ１以下、かつ、カソードＣＡの圧力が、水素システム２００の圧縮運転時の目標圧力よりも小さい第２の閾値ＴＨ２以下を維持されるよう電圧印加器１０２が制御される。

ここで、第１の閾値ＴＨ１は、水素システム２００の構成および圧縮運転の条件などに基づいて、電解質膜１１が局所的に高温化しにくい適宜の値に設定する必要がある。第１の閾値ＴＨ１は、例えば、水素システム２００の目標電流密度の約１／１０程度であってもよいが、これに限定されない。

第２の閾値ＴＨ２は、水素システム２００の構成および圧縮運転の条件などに基づいて、電解質膜１１が破膜しにくい適宜の値に設定する必要がある。第２の閾値ＴＨ２は、例えば、約１ＭＰａ未満の適宜の値であってもよいが、これに限定されない。ただし、第２の閾値ＴＨ２を上記の値に設定すると、電解質膜１１が乾燥しても、電解質膜１１の耐久性が確保されるとともに、水素含有ガスが高圧ガス保安法における「高圧ガス」に該当しなくなる。

ここで、水素システム２００の出荷検査、メンテナンスなどでは、水素システム２００が起動する際、電解質膜１１が乾燥していることが多い。この場合、電解質膜１１の含水率を適正値にまで上昇させずに、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度が第１の閾値ＴＨ１を超えると、電解質膜１１が局所的に乾燥している部分において電解質膜１１が高温化して劣化する可能性がある。また、電解質膜１１の含水率を適正値にまで上昇させずに、カソードＣＡの圧力が第２の閾値ＴＨ２を超えると、電解質膜１１が破膜する可能性がある。

そこで、本実施例の水素システム２００は、起動時に、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度およびカソードＣＡの圧力のそれぞれを第１の閾値ＴＨ１以下および第２の閾値ＴＨ２以下のそれぞれに維持する動作を行いながら、水素含有ガス中の水によって電解質膜１１の含水率が適正値にまで上昇させることで、以上の可能性を低減させることができる。これにより、本実施例の水素システム２００は、例えば、水素システム２００の出荷検査、メンテナンスなどにおいて、電解質膜１１の劣化を抑えながら、エージング運転を行うことができる。

本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態の第１実施例－第３実施例および第４実施形態の変形例のいずれかと同様であってもよい。

（第２実施例）
電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度を第１の閾値ＴＨ１以下、かつ、カソードＣＡの圧力を第２の閾値ＴＨ２以下を維持するために電圧印加器１０２より印加される電圧が低下すると、制御器５０は、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度およびカソードＣＡの圧力の少なくとも一方が上昇するよう電圧印加器１０２の印加電圧を増加させる。

図１５は、第５実施形態の第２実施例の水素システムの動作の一例を示すフローチャートである。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。

図１５のステップＳ１３およびステップＳ１４は、図１４のステップＳ１３およびステップＳ１４と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ１４の動作が行われる際、ステップＳ１５で、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間における印加電圧が低下したかどうかが判定される。

ステップＳ１５の印加電圧が低下しない場合（ステップＳ１５で「Ｎｏ」の場合）、ステップＳ１４の動作がそのまま継続される。

ステップＳ１５の印加電圧が低下した場合（ステップＳ１５で「Ｙｅｓ」の場合）、次のステップに進み、ステップＳ１６で、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２の間の印加電圧が増加される。

なお、ステップＳ１６の印加電圧増加の動作タイミングは、電解質膜１１の含水率の上昇に伴って適時に実行することが望ましい。

例えば、電解質膜１１の膜抵抗換算で０．３Ωｃｍ^２が、電解質膜１１の高加湿状態に対応すると見做す場合、電解質膜１１に、電流密度が１Ａ／ｃｍ^２の電流が流れるとき、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間における印加電圧は、約０．３Ｖである。よって、ステップＳ１５の印加電圧が、例えば、約０．３Ｖに到達（低下）したタイミングにおいて、ステップＳ１６の印加電圧増加の動作が実行されてもよい。

以上のとおり、電解質膜１１の含水率の上昇は、例えば、電圧印加器１０２の印加電圧の低下により確認することができる。そこで、本実施例の水素システム２００は、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度およびカソードＣＡの圧力のそれぞれを第１の閾値ＴＨ１以下および第２の閾値ＴＨ２以下のそれぞれに維持するステップＳ１４の動作において、電圧印加器１０２による印加電圧が低下すると、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度およびカソードＣＡの圧力の少なくとも一方が上昇するよう電圧印加器１０２の印加電圧を増加させている。これにより、本実施例の水素システム２００は、電解質膜１１の含水率の上昇に伴って適時に、電気化学セル１００Ｂに流れる電流密度およびカソードＣＡの圧力の少なくとも一方を上昇させることができる。

本実施例の水素システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態の変形例および第５実施形態の第１実施例のいずれかと同様であってもよい。

第１実施形態、第１実施形態の第１実施例－第７実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例、第３実施形態、第４実施形態の第１実施例－第３実施例、第４実施形態の変形例および第５実施形態の第１実施例－第２実施例は、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。

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することができる。

本開示の一態様は、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る水素システムに利用することができる。

１１ ：電解質膜
１２ ：カソード触媒層
１３ ：アノード触媒層
１４ ：カソードガス拡散層
１５ ：アノードガス拡散層
１５Ｓ ：多孔体シート
１６ ：カソードセパレーター
１７ ：アノードセパレーター
２１ ：絶縁体
２２Ａ ：アノード給電板
２２Ｃ ：カソード給電板
２３Ａ ：アノード絶縁板
２３Ｃ ：カソード絶縁板
２４Ａ ：アノード端板
２４Ｃ ：カソード端板
２５ ：締結器
２６ ：カソードガス導出経路
２７ ：アノードガス導入マニホールド
２８ ：カソードガス導出マニホールド
２９ ：アノードガス導入経路
３０ ：アノードガス導出マニホールド
３１ ：アノードガス導出経路
３３ ：アノードガス流路
３４ ：カソードガス通過経路
３５ ：第１アノードガス通過経路
３６ ：第２アノードガス通過経路
４０ ：シール部材
４２ ：シール部材
４３ ：シール部材
５０ ：制御器
６０ ：流量調整器
７１ ：第１流路
７２ ：第２流路
８１ ：第１開閉弁
８２ ：第２開閉弁
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：水素ポンプユニット
１００Ｂ ：電気化学セル
１０２ ：電圧印加器
２００ ：水素システム
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード
Ｔ ：所定時間
ＴＨ１ ：第１の閾値
ＴＨ２ ：第２の閾値
Ｖａ ：電位
Ｖｓ ：電位

Claims (24)

1. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられ、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層を含む、少なくとも１つのセルと、前記アノード触媒層および前記カソ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することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、
   前記電圧印加器により電圧を印加させる制御器と、を備える、水素システムであって、
   水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、前記制御器は、前記電圧印加器により電圧を印加させる、水素システム。
2. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられ、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層を含む、少なくとも１つのセルと、前記アノード触媒層および前記カソ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することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、
   前記電圧印加器により電圧を印加させる制御器と、を備える、水素システムであって、
   水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、前記制御器は、前記電圧印加器により電圧を印加させる、水素システム。
3. 前記アノードに供給される水素含有ガスの流量を調整する流量調整器を備え、
   水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に前記電圧印加器により電圧を印加させているとき、前記制御器は、前記流量調整器を制御し、圧縮運転中にアノードに供給される水素含有ガスの流量よりも小さい流量で、アノードに水素含有ガスを供給させる、請求項２に記載の水素システム。
4. 前記圧縮機のカソードから排出されたカソードオフガスをアノードに供給するための第１流路と、前記第１流路に設けられた第１開閉弁と、前記圧縮機のアノードから排出されたアノードオフガスが流れる第２流路と、前記第２流路に設けられた第２開閉弁と、を備え、
   水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に前記電圧印加器により電圧を印加する以前または電圧を印加しているときに、前記制御器は、第１開閉弁を開放させ、第２開閉弁を閉止させる、請求項２に記載の水素システム。
5. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、圧縮運転中に印加される最大電圧よりも小さい電圧を前記電圧印加器により印加させる、請求項１に記載の水素システム。
6. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、圧縮運転中に印加される最大電圧よりも小さい電圧を前記電圧印加器により印加させる、請求項２に記載の水素システム。
7. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、カソード圧が水素需要体への圧縮水素の供給圧に到達した時の印加電圧よりも小さい電圧を前記電圧印加器により印加させる、請求項１に記載の水素システム。
8. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、カソード圧が水素需要体への圧縮水素の供給圧に到達した時の印加電圧よりも小さい電圧を前記電圧印加器により印加させる、請求項２に記載の水素システム。
9. 前記アノードに供給される水素含有ガスの流量を調整する流量調整器を備え、
   水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に前記電圧印加器により電圧を印加させているとき、前記制御器は、前記流量調整器を制御し、アノードへ水素含有ガスを供給しない、請求項１に記載の水素システム。
10. 前記アノードに供給される水素含有ガスの流量を調整する流量調整器を備え、
    水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に前記電圧印加器により電圧を印加させているとき、前記制御器は、前記流量調整器を制御し、アノードへ水素含有ガスを供給しない、請求項２に記載の水素システム。
11. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、前記電解質膜を介してカソードからアノードに戻る水素量に相当する量の水素をアノードからカソードに移動させるのに必要な電圧を前記電圧印加器により印加させる、請求項１に記載の水素システム。
12. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、前記電解質膜を介してカソードからアノードに戻る水素量に相当する量の水素をアノードからカソードに移動させるのに必要な電圧を前記電圧印加器により印加させる、請求項２に記載の水素システム。
13. 前記制御器は、圧縮運転中に印加される最大電圧の１／１０以下の電圧を前記電圧印加器により印加させる、請求項５または６に記載の水素システム。
14. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、前記電圧印加器により前記１セル当たり０．１Ｖ以下の電圧を印加させる、請求項１に記載の水素システム。
15. 前記制御器は、水素需要体へ圧縮水素を供給するための圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、前記電圧印加器により前記１セル当たり０．１Ｖ以下の電圧を印加させる、請求項２に記載の水素システム。
16. 水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に前記電圧印加器により印加される電圧は、当該圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に前記電圧印加器により電圧を印加しない場合に想定される圧縮機のアノード電位を０Ｖ以上にするのに必要な電圧である、請求項１に記載の水素システム。
17. 水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に前記電圧印加器により印加される電圧は、当該圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に前記電圧印加器により電圧を印加しない場合に想定される圧縮機のアノード電位を０Ｖ以上にするのに必要な電圧である、請求項２に記載の水素システム。
18. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられ、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層、および前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層を含む、少なくとも１つのセルと、前記アノード触媒層および前記カソ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することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機と、
    前記電圧印加器により電圧を印加させる制御器と、を備える、水素システムであって、
    起動時において前記アノードに水素含有ガスを供給する際、前記アノードの電位が、前記アノードガス拡散層に含まれる前記金属のイオンが溶出する所定の電位よりも大きいときに、前記制御器は、前記電圧印加器により前記電圧を印加させ、かつ前記セルに流れる電流密度が、圧縮運転時の目標電流密度よりも小さい第１の閾値以下、かつ、前記カソードの圧力が、圧縮運転時の目標圧力よりも小さい第２の閾値以下を維持されるよう前記電圧印加器を制御する水素システム。
19. 前記電圧印加器により前記電圧が印加される前に、前記カソードに窒素または空気が充填されている、請求項１８に記載の水素システム。
20. 前記セルに流れる電流密度を前記第１の閾値以下、かつ、前記カソードの圧力を前記第２の閾値以下を維持するために前記電圧印加器より印加される電圧が低下すると、前記制御器は、前記セルに流れる電流密度および前記カソードの圧力の少なくとも一方が上昇するよう前記電圧印加器の印加電圧を増加させる、請求項１８に記載の水素システム。
21. 前記金属は、チタンを含む、請求項１、２および１８のいずれか１項に記載の水素システム。
22. 電解質膜を挟んで設けられた、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層を含むアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップを備える水素システムの運転方法であって、
    水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記アノードへの水素含有ガスの供給を停止した後に、前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加する、水素システムの運転方法。
23. 電解質膜を挟んで設けられた、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層を含むアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップを備える水素システムの運転方法であって、
    水素需要体へ圧縮水素を供給するための 圧縮運転の停止において前記カソードからカソードオフガスを水素需要体と異なる排出先に排出した後に、前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加する、水素システムの運転方法。
24. 電解質膜を挟んで設けられた、金属を含む多孔体シートを含むアノードガス拡散層を含むアノードとカソードの間に電圧を印加することにより前記アノードに供給された水素含有ガス中の水素を前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップを備える水素システムの運転方法であって、
    起動時において前記アノードに水素含有ガスを供給する際、前記アノードの電位が、前記アノードガス拡散層に含まれる前記金属のイオンが溶出する所定の電位よりも大きいときに、前記アノードと前記カソードの間に電圧を印加し、かつ前記電解質膜、前記アノード、及び前記カソードを含むセルに流れる電流密度を圧縮運転時の目標電流密度よりも小さい第１の閾値以下に、かつ、前記カソードの圧力を圧縮運転時の目標圧力よりも小さい第２の閾値以下に維持する、水素システムの運転方法。

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