JP7142230B1 - 圧縮装置および圧縮装置の制御方法 - Google Patents

圧縮装置および圧縮装置の制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】アノードに供給される水素含有ガスの相対湿度を従来よりも適切に調整し得る圧縮装置を提供する。【解決手段】圧縮装置は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、アノードに供給される水素含有ガスの露点を調整する第１調整器と、アノードに供給される水素含有ガスの温度を調整する第２調整器と、アノードに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、第１調整器および第２調整器の少なくとも一つを制御する制御器とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、圧縮装置および圧縮装置の制御方法に関する。
近年、地球温暖化対策の一つとして、燃料電池により発電された電力でモーターを駆動して走行する、カーボンフリー燃料電池車が注目を集めている。しかし、燃料電池車の普及にあたっては、燃料となる水素ガス供給のインフラストラクチャを整え、全国に水素ステーションをいかに多く広範囲に設置できるかが課題となっている。特に水素の精製圧縮装置の大型化および膨大な設置コストなどが、水素ステーションの全国展開の障害となっている。
このため、来るべきカーボンフリー水素社会では、水素を製造することに加えて、水素ガスを高密度で貯蔵するとともに、小容量かつ低コストで輸送または利用し得る技術開発が求められている。特に、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素ガスを精製および昇圧する様々な提案が行われている。
燃料電池車などの燃料ガスには、一般的に、数十ＭＰａに圧縮された高圧水素ガスが用いられる。この高圧水素ガスは、例えば、水電解装置により水から電気化学反応を用いて低圧水素ガスを生成した後、機械式の圧縮装置によって水素を高圧に圧縮することで得ることができる。
これに対して、特許文献１および特許文献２には、水素を主成分とする低圧の水素含有ガスをアノードに供給するとともに、電気化学的に水素のみ電解質膜を透過させることで、カソードにおいて、水素の精製および高圧化を行い得る電気化学式の圧縮装置が提案されている。
この方式においては、低圧の水素含有ガスを圧縮するため、電解質膜を用い、電解質膜の両面には、アノードおよびカソードの電極触媒層がそれぞれ設けられている。また、電極触媒層のそれぞれには、アノード給電体およびカソード給電体がそれぞれ配設されている。そして、アノード給電体、カソード給電体および電解質膜の積層体をアノードセパレータとカソードセパレータとによって保持することで、電気化学セルが構成されている。なお、アノードセパレータには、外部からアノードに低圧の水素含有ガスを供給するとともに、アノードから外部に余剰の水素含有ガスを導出するための流路が設けられている。カソードセパレータには、カソードで圧縮された高圧のカソードガス（水素ガス）を外部に導出するための流路が設けられている。
ここで、特許文献１では、水素含有ガスを電気化学セルで圧縮する際、水蒸気の凝縮熱、電解質膜の抵抗に起因するＩＲロスによる発熱でセル温度が上昇すると、水素含有ガスの露点を上げることで、システムの起動時における電解質膜の加湿を適切に行い得ることが提案されている。
特許文献２では、圧縮装置の水素圧縮運転中に、アノードにおける水素含有ガスまたはカソードにおけるカソードガスの相対湿度を適時に上昇させることが提案されている。具体的には、水素圧縮運転によって電気化学セル内部に存在する水分の外部流出に起因する電解質膜の含水率低下を軽減できるように、間欠的あるいは電圧増加などを信号に基づいて、上記ガスの相対湿度を上昇させる制御が提案されている。
特許第６７６５０６０号公報 特開２０１９－２１０２０５号公報
本開示は、一例として、アノードに供給される水素含有ガスの相対湿度を従来よりも適切に調整し得る圧縮装置および圧縮装置の制御方法を提供することを課題とする。
本開示の一態様(aspect)の圧縮装置は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、前記アノードに供給される水素含有ガスの露点を調整する第１調整器と、前記アノードに供給される水素含有ガスの温度を調整する第２調整器と、前記アノードに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、前記第１調整器および前記第２調整器の少なくとも一つを制御する制御器と、を備える。
本開示の一態様の圧縮装置の制御方法は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップを備え、前記ステップにおいて、前記アノードに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、前記アノードに供給される水素含有ガスの露点および温度の少なくとも一つを制御する。
本開示の一態様の圧縮装置および圧縮装置の制御方法は、アノードに供給される水素含有ガスの相対湿度を従来よりも適切に調整し得る。
図１は、実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。 図２は、電気化学セルにおける水素含有ガス中の水素および水（水蒸気）の流れの一例を示す図である。 図３は、アノード入口における水素含有ガスの圧力を考慮する場合とこれを考慮しない場合の水素含有ガスの相対湿度の実測データの一例を示す図である。 図４は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例１Ａのフローチャートである。 図５は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例１Ｂのフローチャートである。 図６は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例３Ａを説明するための図である。 図７は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例３Ａのフローチャートである。 図８は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例３Ｂのフローチャートである。
電解質膜による電気化学式の圧縮機では、アノードの水素（Ｈ2）をプロトン化してカソードに移動させ、プロトン（Ｈ+）をカソードで水素（Ｈ2）に戻すことで水素が高圧化される。このとき、例えば、圧縮機のアノードにおける水素含有ガスの相対湿度が低下すると、電解質膜のドライアップが起こる可能性がある。すると、ドライアップにより電解質膜のプロトン伝導率が低下することで、電気化学セルの拡散過電圧が上がる可能性がある。逆に、圧縮機のアノードにおける水素含有ガスの相対湿度が高くなると、アノードでの凝縮水の量が増加し、アノードでフラディングが発生することで、電気化学セルの拡散過電圧が上がる可能性がある。このため、アノードガスの露点または温度を適宜調整する必要があるが、アノードガスの露点または温度をモニタし、これらの値を調整するだけでは、ドライアップまたはフラッディングの抑制には不十分であった。
そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、圧縮装置においては、アノードガスの圧力を考慮して、アノードガスの露点または温度を適宜調整することで、従来よりもドライアップまたはフラッディングの発生が低減されるとことを見出した。これは、圧縮装置においては、燃料電池と比較してアノードガスの供給圧が高くなるため、アノードガスの圧力によるアノードガスの相対湿度への影響が無視できなくなることが背景にある。なお、圧縮装置は、燃料電池に比べ、電気化学セルの電流密度が高いため、これに伴い、アノードガスの流量も大きくなる。従って、圧縮装置において、アノードガスの供給圧は、燃料電池に比べ、大きくなる。
すなわち、本開示の第１態様の圧縮装置は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、アノードに供給される水素含有ガスの露点を調整する第１調整器と、アノードに供給される水素含有ガスの温度を調整する第２調整器と、アノードに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、第１調整器および第２調整器の少なくとも一つを制御する制御器と、を備える。
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、アノードに供給される水素含有ガスの相対湿度を従来よりも適切に調整し得る。具体的には、アノードにおいて、水素含有ガスの圧力が変化すると、水素含有ガスの相対湿度が変化する。例えば、水素含有ガスに所定の圧力が付与されるとき、この圧力が上昇するほど、水素含有ガスの相対湿度は低くなる。このため、かかる水素含有ガスの圧力変化に対応して、アノードに供給される水素含有ガスの露点および温度を調整しない場合、ドライアップまたはフラッディングが発生する場合がある。
しかし、本態様の圧縮装置は、上記の如く、アノードに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、第１調整器および第２調整器の少なくとも一つを制御することで、このような制御を行わない場合に比べて、アノードに供給される水素含有ガスの相対湿度を適切に調整することができる。その結果、本態様の圧縮装置は、本制御を行わない場合に比べて、電解質膜のドライアップまたはアノードでのフラッディングの発生を低減できる。
本開示の第２態様の圧縮装置は、第１態様の圧縮装置において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、制御器は、第１調整器を制御してアノードに供給される水素含有ガスの露点を上昇させてもよい。
アノードに供給される水素含有ガスの圧力上昇に連れて、アノード入口における水素含有ガスの露点が上昇するので、圧力上昇後の水素含有ガスの露点に対応する飽和水蒸気圧は、圧力上昇前の水素含有ガスの露点に対応する水素含有ガスの飽和水蒸気圧に比べて高い。
ここで、アノードにおける水素含有ガスの相対湿度は、その温度の飽和水蒸気量に対する水蒸気量との比で表される。よって、以下の式（１）に示す如く、アノードに供給される水素含有ガスの圧力Ｐを考慮した、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈ（％）は、かかる圧力Ｐを考慮しない、水素含有ガスの相対湿度Ｒｈ0（％）に比べて低下する。
Ｒｈ＝Ｒｈ0×（Ｐ0／（Ｐ0＋Ｐ））・・・（１）
式（１）において、Ｐ0は大気圧（０．１０１３ＭＰａ）である。また、Ｒｈ0は、水素含有ガスの温度Ｔ０および露点Ｔを変数とする、以下の一般的な式（２）で表される。
Ｒｈ0＝１０．０(C/(B/T+1.0)-C/(B/T0+1.0))・・・（２）
式（２）において、ＣおよびＢは、所定の定数である。
従って、アノードに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が低下する。これにより、電解質膜のドライアップが発生する可能性がある。
しかし、本態様の圧縮装置は、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノードに供給される水素含有ガスの露点を上昇させることで、電解質膜のドライアップが発生する可能性を低減することができる。
本開示の第３態様の圧縮装置は、第１態様または第２態様の圧縮装置において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、制御器は、第２調整器を制御してアノードに供給される水素含有ガスの温度を低下させてもよい。
上記のとおり、アノードに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノード入口における水素含有ガスの圧力が上昇すると、水素含有ガスの相対湿度が低下する。これにより、電解質膜のドライアップが発生する可能性がある。
しかし、本態様の圧縮装置は、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノードに供給される水素含有ガスの温度を低下させることで、電解質膜のドライアップが発生する可能性を低減することができる。
本開示の第４態様の圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、制御器は、第１調整器を制御してアノードに供給される水素含有ガスの露点を低下させてもよい。
アノードに供給される水素含有ガスの圧力低下に連れて、アノード入口における水素含有ガスの露点が低くなるので、圧力低下後の水素含有ガスの露点に対応する飽和水蒸気圧は、圧力低下前の水素含有ガスの露点に対応する水素含有ガスの飽和水蒸気圧に比べて低い。
ここで、アノードにおける水素含有ガスの相対湿度は、その温度の飽和水蒸気量に対する水蒸気量との比で表される。従って、アノードに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が上昇する。この場合、例えば、アノード出口は、アノード入口に比べて水素含有ガスの相対湿度が高いので、アノード入口で水素含有ガスの相対湿度が高くなるほど、アノード出口において、フラディングが発生しやすくなる。
しかし、本態様の圧縮装置は、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノードに供給される水素含有ガスの露点を低下させることで、アノード出口において、フラディングが発生する可能性を低減することができる。
本開示の第５態様の圧縮装置は、第１態様から第４態様のいずれか一つの圧縮装置において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、制御器は、第２調整器を制御してアノードに供給される水素含有ガスの温度を上昇させてもよい。
上記のとおり、アノードに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が上昇する。この場合、例えば、アノード出口は、アノード入口に比べて水素含有ガスの相対湿度が高いので、アノード入口で水素含有ガスの相対湿度が高くなるほど、アノード出口において、フラディングが発生しやすくなる。
しかし、本態様の圧縮装置は、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノードに供給される水素含有ガスの温度を上昇させることで、アノード出口において、フラディングが発生する可能性を低減することができる。
本開示の第６態様の圧縮装置の制御方法は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップを備え、このステップにおいて、アノードに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、アノードに供給される水素含有ガスの露点および温度の少なくとも一つを制御する。
これにより、本態様の圧縮装置の制御方法は、アノードに供給される水素含有ガスの相対湿度を従来よりも適切に調整し得る。なお、本態様の圧縮装置の制御方法が奏する作用効果の詳細は、第１態様の圧縮装置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７態様の圧縮装置の制御方法は、第６態様の圧縮装置の制御方法において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノードに供給される水素含有ガスの露点を上昇させてもよい。
本態様の圧縮装置の制御方法が奏する作用効果は、第２態様の圧縮装置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８態様の圧縮装置の制御方法は、第６態様または第７態様の圧縮装置の制御方法において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノードに供給される水素含有ガスの温度を低下させてもよい。
本態様の圧縮装置の制御方法が奏する作用効果は、第３態様の圧縮装置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９態様の圧縮装置の制御方法は、第６態様から第８態様のいずれか一つの圧縮装置の制御方法において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノードに供給される水素含有ガスの露点を低下させてもよい。
本態様の圧縮装置の制御方法が奏する作用効果は、第４態様の圧縮装置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１０態様の圧縮装置の制御方法は、第６態様から第９態様のいずれか一つの圧縮装置の制御方法において、アノードに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノードに供給される水素含有ガスの温度を上昇させてもよい。
本態様の圧縮装置の制御方法が奏する作用効果は、第５態様の圧縮装置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、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
（実施形態）
以下の実施形態では、上記の圧縮機の一例として、電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。
［装置構成］
図１は、実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。
図１に示す例では、圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００を備える。電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セルは、電解質膜１０と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、このような電気化学セルを複数個、積層したスタックを備えてもよい。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜１０を介してカソードＣＡに移動させ、かつ圧縮する装置である。
上記の水素含有ガスとして、図示しない水電解装置で生成された水素ガスを用いてもよいし、図示しない改質器で生成された改質ガスを用いてもよい。
なお、スタックの詳細、および、上記電圧を印加するための電圧印加器の詳細は、後で説明する。
アノードＡＮは、電解質膜１０の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層およびアノード給電体を含む電極である。カソードＣＡは、電解質膜１０の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層およびカソード給電体を含む電極である。これにより、電解質膜１０は、アノード触媒層およびカソード触媒層のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。
電解質膜１０はプロトン伝導性を備える膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１０として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系電解質膜などを挙げることができる。具体的には、電解質膜１０として、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができるが、これらに限定されない。
アノード触媒層は、電解質膜１０の一方の主面に設けられている。アノード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
カソード触媒層は、電解質膜１０の他方の主面に設けられている。カソード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
カソード触媒層もアノード触媒層も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるが、特に限定されない。例えば、カーボン系粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボン担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。白金などの触媒金属のカーボン担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
カソード給電体は、カソード触媒層上に設けられている。カソード給電体は、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。カソード給電体は、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。カソード給電体の基材として、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。
アノード給電体は、アノード触媒層上に設けられている。アノード給電体は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。アノード給電体は、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１０の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。アノード給電体の基材として、例えば、カーボン粒子焼結体、白金などの貴金属でコーティングしたチタン粒子焼結体などを使用することができるが、これらに限定されない。
ここで、図１には示されていないが、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、一対のアノードセパレータおよびカソードセパレータのそれぞれが、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれを外側から挟んでいてもよい。この場合、アノードＡＮに接触するアノードセパレータは、アノードＡＮに水素含有ガスを供給するとともに、アノードＡＮから余剰の水素含有ガスを導出するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、水素含有ガスが流れるサーペンタイン状のガス流路（以下、サーペンタイン流路）を備える。カソードＣＡに接触するカソードセパレータは、カソードＣＡから水素を導出するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、カソードＣＡから導出した水素が流れるガス流路を備える。
また、電気化学式水素ポンプ１００では、通常、高圧の水素が外部へリークしないように、電気化学セルの両側からガスケットなどのシール材が設けられ、電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セルと一体化して予め組み立てられる。そして、この電気化学セルの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接する電気化学セル同士を互いに電気的に直列に接続するための上記のアノードセパレータおよびカソードセパレータが配置されている。
電気化学セルとアノードセパレータおよびカソードセパレータとを交互に重ねて、電気化学セルを１０～２００個程度、積層して、その積層体（スタック）を、集電板および絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層構造である。なお、この場合、アノードセパレータのそれぞれのサーペンタイン流路に適量の水素含有ガスを供給するには、アノードセパレータのそれぞれにおいて、適宜の管路から溝状の分岐経路を分岐させ、これらの下流端が、アノードセパレータのそれぞれのサーペンタイン流路に連結するように構成する必要がある。このような管路のことをマニホールドといい、このマニホールドは、例えば、スタックを構成する部材のそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。
また、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する電圧印加器を備える。電圧印加器は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することができれば、どのような構成であってもよい。具体的には、電圧印加器の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。電圧印加器として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器が、太陽電池、燃料電池、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられる。ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器が、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、電圧印加器は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セルに供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
なお、以上の図示しない部材および機器は例示であって、本例に限定されない。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００においては、一般的に、電解質膜１０は、湿潤状態で所望のプロトン伝導性を示す。このため、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率を所望の値を維持するには、電解質膜１０を湿潤状態に保つ必要がある。よって、従来から、高温および高湿度の水素含有ガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給することが多い。
そこで、本実施形態の圧縮装置２００は、図１に示す如く、第１調整器２１と、第２調整器２２と、制御器５０と、を備える。
第１調整器２１は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を調整する装置である。第１調整器２１は、このような水素含有ガスの露点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。
第１調整器２１として、例えば、水素含有ガスを加湿する加湿器を用いることができる。加湿器として、例えば、バブラー構成の加湿器を挙げることができるが、これに限定されない。
第１調整器２１における水素含有ガスの加湿量は、第１調整器２１がバブラー構成の加湿器である場合、バブリングタンク内の温水温度で調整することができる。つまり、バブリングタンク内の温水を通過した水素含有ガスの露点は、温水の温度とほぼ等しくなる。また、水素含有ガスの加湿量は、バブリングタンクをバイパスする水素含有ガス量で調整することもできる。
図１に示すように、第１調整器２１は、水素含有ガスの供給路に設けられている。この場合、水素含有ガスの供給路の下流端は、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。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、水素含有ガスの供給路の下流端は、水素含有ガス導入用のマニホールドに連通していてもよい。
また、水素含有ガスの供給路の上流端は、例えば、水素含有ガスの供給源（図示せず）に接続されていてもよい。なお、水素含有ガスの供給源として、高湿度状態の水素含有ガスを水電解で生成可能な水電解装置、高湿度状態の水素含有ガスを炭化水素化合物の改質反応で生成可能な改質器などを挙げることができるが、これらに限定されない。
第２調整器２２は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度を調整する装置である。第２調整器２２は、このような水素含有ガスの温度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。
第２調整器２２として、例えば、水素含有ガスの供給路に設けられた温度調整器、電気化学式水素ポンプ１００内において、アノードＡＮに供給される前の水素含有ガスの温度を調整する温度調整器、サーペンタイン流路を流れる水素含有ガスの温度を調整する温度調整器などを用いることができる。これらの温度調整器は、加熱器であっても冷却器であってもよい。加熱器は、例えば、水素含有ガスを加熱するための電気ヒーターであってもよいし、水素含有ガスと熱交換可能な加熱用の熱媒体が流れる流路を備えてもよい。冷却器は、例えば、水素含有ガスと熱交換可能な冷却用の熱媒体が流れる流路を備えてもよい。
制御器５０は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、第１調整器２１および第２調整器２２の少なくとも一つを制御する。
ここで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力は、適宜の検知器（図示せず）により検知される。この検知器は、水素含有ガスの圧力を直接検知する検知器でもよいし、水素含有ガスの圧力を間接的に検知する検知器でもよい。前者の検知器として、例えば、圧力計を例示することができる。後者の検知器として、例えば、水素含有ガスの流量を検知する流量計を例示することができる。
制御器５０は、例えば、演算回路（図示せず）と、記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
以上のとおり、本実施形態の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの相対湿度を従来よりも適切に調整し得る。具体的には、アノードＡＮにおいて、水素含有ガスの圧力が変化すると、水素含有ガスの相対湿度が変化する。例えば、水素含有ガスに所定の圧力が付与されるとき、この圧力が上昇するほど、水素含有ガスの相対湿度は低くなる。このため、かかる水素含有ガスの圧力変化に対応して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点および温度を調整しない場合、ドライアップまたはフラディングが発生する場合がある。
しかし、本実施形態の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、上記の如く、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力に基づき、第１調整器２１および第２調整器２２の少なくとも一つを制御することで、このような制御を行わない場合に比べて、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの相対湿度を適切に調整することができる。その結果、本実施形態の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、本制御を行わない場合に比べて、電解質膜１０のドライアップまたはアノードＡＮでのフラッディングの発生を低減できる。
（実施例）
電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セルにおける水素含有ガスの相対湿度が上昇する場合、電気化学セルのアノード内で水の凝縮が起こる可能性がある。すると、凝縮水により、アノードＡＮでフラディングが発生することで、水素拡散性低下による拡散過電圧が上がる可能性がある。
逆に、電気化学式水素ポンプ１００の電気化学セルにおける水素含有ガスの相対湿度が低くなるほど、高プロトン伝導率の確保に必要な電解質膜１０の湿潤状態を維持することが困難になる。すると、電解質膜１０のドライアップが発生する可能性がある。例えば、電解質膜１０の単体試験において、水素含有ガスの相対湿度が約５５％を下回ると、電気抵抗が増加することが確認されている。
以上により、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの相対湿度を適切に制御することが、アノードＡＮにおけるフラディング抑制および電解質膜１０のドライアップ抑制を図る視点で重要である。
そこで、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮにおける水素含有ガスの相対湿度を適切に維持のための実機による検証実験を行い、この実験結果について考察した。
まず、一例として、図２を参照しながら、電気化学セルにおける相対湿度が１００％またはそれに近い状態（フル加湿）の水素含有ガスがアノードＡＮに供給される場合であって、アノードセパレータ１２に設けられたサーペンタイン流路を流れる水素含有ガス中の水素を、水素利用率が約８０％程度で電気化学反応によってアノードＡＮからカソードＣＡに移動する場合の水素および水（水蒸気）の流れについて、説明する。
ただし、図２において、図面を簡素化する趣旨で、マニホールド、シール部材およびガス流路などの図示を省略している。
電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器の電力が電気化学式水素ポンプ１００に給電されると、電気化学式水素ポンプ１００のアノード触媒層１４において、酸化反応で水素分子が水素イオン（プロトン）と電子とに分離する（式（３））。プロトンは、電解質膜１０内を伝導してカソード触媒層１６に移動する。電子は電圧印加器を通じてカソードＣＡのカソード触媒層１６に移動する。そして、カソード触媒層１６において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（４））。
アノード：Ｈ2（低圧）→２Ｈ+＋２ｅ-・・・（３）
カソード：２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2（高圧）・・・（４）
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００では、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することにより、水素含有ガス中の水素の約８０％が、アノードＡＮからカソードＣＡに移動することで、カソードＣＡのカソード給電体１５で水素を圧縮する動作（水素圧縮動作）が行われる。さらに、水素含有ガス中の水素のうちのアノード給電体１３およびサーペンタイン流路を通過した残りの約２０％は、オフガスとしてアノードＡＮから導出され、その後、アノードＡＮに戻すことでリサイクルされる。
カソード給電体１５で圧縮された水素（圧縮水素）は、適時に、カソードセパレータ１１に設けられたガス流路を通じて外部に排出される。なお、圧縮水素の露点は、その圧力に比例して上昇するので、図２に示すように、かかる圧縮水素中の水分の大部分が液体状態になる。
［実験］
以下の実機による実験では、図１に示すように、水素含有ガスの供給路を流れる水素含有ガスは、第１調整器２１によって加湿量が所定値となるように露点が調整される。また、アノードＡＮに供給される水素含有ガスは、第２調整器２２によって温度が、所定値となるように調整される。
＜実験の内容および結果＞
以下の如く、アノード入口における水素含有ガスの温度を変更した場合における電気化学セルの拡散過電圧の影響について、実機による実験検証を行った。
まず、水素含有ガスの露点、流量および温度、電気化学セルの電流密度、および圧縮装置２００の水素圧縮動作を、以下の値に設定した。
なお、以下の電流（電流密度：２．５Ａ／ｃｍ2）は、電気化学式水素ポンプ１００の定格運転を想定した値であり、この電流密度に見合うように、水素含有ガス流量を決定した。
・水素含有ガスの露点：４８℃
・水素含有ガス流量（アノード入口）：６．５４ＮＬ／分；７０ｋＰａ（ゲージ圧）
・水素含有ガス温度（アノード入口）：５１℃
・電流密度：２．５Ａ／ｃｍ2
・水素圧縮動作：水素含有ガス中の約８０％の水素をカソードＣＡにおいて１．０ＭＰａ（ゲージ圧）まで圧縮
この場合、水素含有ガスは、アノード給電体１３およびサーペンタイン流路を流れるに連れて順次、水素含有ガス中の水素がカソードＣＡへ移動する。そして、最終的には、アノードＡＮの出口において、水素含有ガス中の約２０％の水素がオフガスとして導出される。つまり、アノードＡＮに投入された水素含有ガス中の水素量は、アノード入口からアノード出口に向けて、１００％から約２０％まで順次減少する。
これに対して、水素含有ガス中の水分量は、水素同伴現象によってアノードＡＮからカソードＣＡに移動する水量と、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧によってカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水量とのバランスによって決定される。このように、電気化学セル内の水分布は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間を流れる電流、圧縮水素の圧力などに左右される。
なお、電気化学セル内における水分布を実機で実測したところ、図２に示すように、水素含有ガス中の水分（水蒸気および液水）の約６２％がカソードＣＡに移動するように分配され、アノードＡＮの出口から、水素含有ガス中の水分（水蒸気）の約３８％が、アノードＡＮの出口から導出されるように分配されることが分かった。また、図２の水素含有ガス中の水分の分配割合は、電気化学式水素ポンプ１００の動作が安定する最小の電流（電流密度：１．０Ａ／ｃｍ2）である場合でも同じであった。
ここで、以上の条件における電気化学セルの拡散過電圧を実測したところ、拡散過電圧上昇が確認された。
次に、アノード入口における水素含有ガスの温度を５１℃から４９℃に低下させた。なお、他の条件は、上記と同様である。すると、電気化学セルの拡散過電圧上昇が抑制されることが確認された。
次に、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度および露点を同一条件に固定するとともに、水素含有ガス中の水素をカソードＣＡにおいて４０．０ＭＰａまで圧縮した場合において、アノード入口における水素含有ガスの圧力を、１００ｋＰａ、２００ｋＰａと順次上昇させた。すると、カソードＣＡにおいて４０．０ＭＰａまで圧縮した場合においても、アノード入口における水素含有ガスの圧力の上昇に連れて、電気化学セルの拡散過電圧の上昇が確認された。
なお、以上の検証実験は例示であって、本例に限定されない。
＜実験結果の考察＞
アノード入口における水素含有ガスの温度が５１℃である場合において、アノードＡＮに供給される水素含有ガスは、電解質膜１０の拡散過電圧上昇を招かない所望の加湿条件を満たしているにも関わらず、上記の如く、電解質膜１０の拡散過電圧上昇が見られた。
本開示者らは、かかる拡散過電圧上昇が、電解質膜１０のドライアップに起因する現象であると考えた。そして、本開示者らは、電解質膜１０のドライアップの要因について鋭意検討した結果、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度のシフトを引き起こすことで電解質膜１０のドライアップに関与しているのではないかと推察した。
つまり、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力上昇に連れて、アノード入口における水素含有ガスの露点が上昇するので、圧力上昇後の水素含有ガスの露点に対応する飽和水蒸気圧は、圧力上昇前の水素含有ガスの露点に対応する水素含有ガスの飽和水蒸気圧に比べて高い。ここで、アノードＡＮにおける水素含有ガスの相対湿度は、その温度の飽和水蒸気量に対する水蒸気量との比で表される。よって、以下の式（１）に示す如く、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力Ｐを考慮した、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈ（％）は、かかる圧力Ｐを考慮しない、水素含有ガスの相対湿度Ｒｈ0（％）に比べて低下する。
Ｒｈ＝Ｒｈ0×（Ｐ0／（Ｐ0＋Ｐ））・・・（１）
式（１）において、Ｐ0は大気圧（０．１０１３ＭＰａ）である。また、Ｒｈ0は、水素含有ガスの温度Ｔ０および露点Ｔを変数とする、以下の一般的な式（２）で表される。
Ｒｈ0＝１０．０(C/(B/T+1.0)-C/(B/T0+1.0))・・・（２）
式（２）において、ＣおよびＢは、所定の定数である。
そこで、水素含有ガスの露点、流量および温度、電気化学セルの電流密度、および圧縮装置２００の水素圧縮動作を以下の条件に設定するとともに、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐ（Ｐ＝７０ｋＰａ）を考慮する場合とこれを考慮しない場合の水素含有ガスの相対湿度を見積ると、後者の相対湿度Ｒｈ0が８６％であるのに対して前者の相対湿度Ｒｈは５１％であった。
・水素含有ガスの露点：４８℃
・水素含有ガス流量（アノード入口）：６．５４ＮＬ／分；７０ｋＰａ（ゲージ圧）
・水素含有ガス温度（アノード入口）：５１℃
・電流密度：２．５Ａ／ｃｍ2
・水素圧縮動作：水素含有ガス中の約８０％の水素をカソードＣＡにおいて１．０ＭＰａ（ゲージ圧）まで圧縮
次に、上記設定条件のうちのアノード入口における水素含有ガスの温度のみを５１℃から４９℃に低下させ、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐ（Ｐ＝７０ｋＰａ）を考慮する場合の水素含有ガスの相対湿度Ｒｈを再見積もりすると、相対湿度Ｒｈは５６％であった。
図３は、アノード入口における水素含有ガスの圧力を考慮する場合とこれを考慮しない場合の水素含有ガスの相対湿度の実測データの一例を示す図である。図３の横軸は、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐ（ゲージ圧）が取られ、縦軸は、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が取られている。図３では、気体体積、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度（５０℃）および露点（４９℃）を一定に保った状態で、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐのみを変化させた場合における、アノード出口から排出された水素含有ガス中の水分量の実測で得られた水素含有ガスの相対湿度Ｒｈのデータ（実線）が示されている。なお、図３には、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐを考慮しない、水素含有ガスの相対湿度Ｒｈ0のデータ（細い点線）が併記されている。
図３に示すように、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐを考慮する場合の水素含有ガスの相対湿度Ｒｈは、この圧力Ｐの上昇に連れて、飽和水蒸気圧力が上昇することにより低下することが分かり、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが約７０ｋＰａ付近で、本相対湿度Ｒｈが５５％を下回ることが確認された。
以上の検証実験結果は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度のシフトを引き起こすことで電解質膜１０のドライアップに関与する、という推察を裏付けるデータである。つまり、水素含有ガスの相対湿度が約５５％を下回ると、電気抵抗が増加する電解質膜１０の単体試験を考慮するとき、上記実機による電気化学セルの拡散過電圧の変化と、上記式（１）および式（２）に基づく水素含有ガスの相対湿度Ｒｈの計算結果と、上記実機による水素含有ガスの相対湿度Ｒｈの変化（図３）とを互いに矛盾することなく理解することができる。
（制御例１）
＜制御例１Ａ＞
本例の圧縮装置２００は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、制御器５０は、第２調整器２２を制御してアノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度を低下させる。例えば、第２調整器２２が、熱媒体を利用した温度調整器である場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、制御器５０は、かかる温度調整器を制御して、水素含有ガスとの間で熱交換する熱媒体温度を低下させてもよい。
逆に、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、制御器５０は、第２調整器２２を制御してアノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度を上昇させる。
例えば、第２調整器２２が、熱媒体を利用した温度調整器である場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、制御器５０は、かかる温度調整器を制御して、水素含有ガスとの間で熱交換する熱媒体温度を上昇させてもよい。
図４は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例１Ａの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、相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内にある水素含有ガスがアノードＡＮに供給されているとき（ステップＳ１）、ステップＳ２で、水素含有ガスの圧力が変化したか否かが判定される。
ステップＳ２で、水素含有ガスの圧力が変化しない場合、適時に、ステップＳ１以降の動作が再実行される。
ステップＳ２で、水素含有ガスの圧力が変化した場合、ステップＳ３で、水素含有ガスの圧力変化の大きさに対応して、水素含有ガスの温度が制御される。
上記フローにより、例えば、ステップＳ２で水素含有ガスの圧力が上昇した場合、ステップＳ３において、水素含有ガスの圧力の上昇値に対応して、水素含有ガスの温度を低下させる制御が行われる。一例として、水素含有ガスの圧力が、約２０ｋＰａ程度上昇したら、水素含有ガスの温度を約２℃程度低下させてもよい。
逆に、ステップＳ２で水素含有ガスの圧力が低下した場合、ステップＳ３において、水素含有ガスの圧力の降下値に対応して、水素含有ガスの温度を上昇させる制御が行われる。一例として、水素含有ガスの圧力が、約２０ｋＰａ程度低下したら、水素含有ガスの温度を約２℃程度上昇させてもよい。
アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードＡＮに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が低下する。これにより、電解質膜１０のドライアップが発生する可能性がある。
しかし、本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度を低下させることで、電解質膜１０のドライアップが発生する可能性を低減することができる。
また、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードＡＮに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が上昇する。この場合、例えば、アノード出口は、アノード入口に比べて水素含有ガスの相対湿度が高いので、アノード入口で水素含有ガスの相対湿度が高くなるほど、アノード出口において、フラディングが発生しやすくなる。
しかし、本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度を上昇させることで、アノード出口において、フラディングが発生する可能性を低減することができる。
＜制御例１Ｂ＞
本例の圧縮装置２００は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、制御器５０は、第１調整器２１を制御してアノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を上昇させる。例えば、第１調整器２１が、バブラー構成の加湿器である場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、制御器５０は、かかる加湿器を制御して、バブリングタンク内の温水温度を上昇させてもよい。
逆に、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、制御器５０は、第１調整器２１を制御してアノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を低下させる。例えば、第１調整器２１が、バブラー構成の加湿器である場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、制御器５０は、かかる加湿器を制御して、バブリングタンク内の温水温度を低下させてもよい。
図５は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例１Ｂの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、相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内にある水素含有ガスがアノードＡＮに供給されているとき（ステップＳ１）、ステップＳ２で、水素含有ガスの圧力が変化したか否かが判定される。
ステップＳ２で、水素含有ガスの圧力が変化しない場合、適時に、ステップＳ１以降の動作が再実行される。
ステップＳ２で、水素含有ガスの圧力が変化した場合、ステップＳ３で、水素含有ガスの圧力変化の大きさに対応して、水素含有ガスの露点が制御される。
上記フローにより、例えば、ステップＳ２で水素含有ガスの圧力が上昇した場合、ステップＳ３において、水素含有ガスの圧力の上昇値に対応して、水素含有ガスの露点を上昇させる制御が行われる。一例として、水素含有ガスの圧力が、約２０ｋＰａ程度上昇したら、水素含有ガスの露点を約２℃程度上昇させてもよい。
逆に、ステップＳ２で水素含有ガスの圧力が低下した場合、ステップＳ３において、水素含有ガスの圧力の降下値に対応して、水素含有ガスの露点を低下させる制御が行われる。一例として、水素含有ガスの圧力が、約２０ｋＰａ程度低下したら、水素含有ガスの露点を約２℃程度低下させてもよい。
アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードＡＮに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が低下する。これにより、電解質膜１０のドライアップが発生する可能性がある。
しかし、本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を上昇させることで、電解質膜１０のドライアップが発生する可能性を低減することができる。
また、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力変化を考慮することなく、アノードＡＮに供給するための水素含有ガスの加湿状態を制御する場合、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度が上昇する。この場合、例えば、アノード出口は、アノード入口に比べて水素含有ガスの相対湿度が高いので、アノード入口で水素含有ガスの相対湿度が高くなるほど、アノード出口において、フラディングが発生しやすくなる。
しかし、本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下すると、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を低下させることで、アノード出口において、フラディングが発生する可能性を低減することができる。
（制御例２）
以下の表１には、実施形態の実施例における圧縮装置２００の制御例２を実行するためのテーブルが示されている。表１は、予め、制御器５０の記憶回路に記憶されている。
以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０の記憶回路から表１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。
Figure 0007142230000002
表１（ａ）には、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０が４８．０℃である場合であって、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが０．０１（ＭＰａ）、０．０３（ＭＰａ）、０．０５（ＭＰａ）、０．０７（ＭＰａ）および０．０９（ＭＰａ）のそれぞれの場合における、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈの適正湿度範囲（上限Ｕ＝６０％、下限Ｄ＝５２％）に対応する水素含有ガスの露点Ｔの所定の範囲（以下、適正温度範囲）が示されている。
表１（ｂ）には、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０が５１．０℃である場合であって、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが０．０１（ＭＰａ）、０．０３（ＭＰａ）、０．０５（ＭＰａ）、０．０７（ＭＰａ）および０．０９（ＭＰａ）のそれぞれの場合における、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈの適正湿度範囲（上限Ｕ＝６０％、下限Ｄ＝５２％）に対応する水素含有ガスの露点Ｔの適正温度範囲が示されている。
表１（ｃ）には、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０が５４．０℃である場合であって、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが０．０１（ＭＰａ）、０．０３（ＭＰａ）、０．０５（ＭＰａ）、０．０７（ＭＰａ）および０．０９（ＭＰａ）のそれぞれの場合における、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈの適正湿度範囲（上限Ｕ＝６０％、下限Ｄ＝５２％）に対応する水素含有ガスの露点Ｔの適正温度範囲が示されている。
表１に示す如く、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０が、４８．０℃、５１．０℃および５４．０℃のそれぞれの場合において、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが上昇するに連れて、アノード入口における水素含有ガスの露点Ｔの適正温度範囲の上下限が大きくなる方向にシフトする。一例として、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０が４８．０℃の場合において、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが０．０１（ＭＰａ）であると、アノード入口における水素含有ガスの露点Ｔの適正温度範囲は、３７．３℃～４０．０℃の如く低温度範囲であるが、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが０．０９（ＭＰａ）に上昇すると、アノード入口における水素含有ガスの露点Ｔの適正温度範囲は、４７．６℃～４８．０℃の如く高温度範囲である。
よって、本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法では、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐに対応して、水素含有ガスの露点Ｔが、表１に基づいて制御される。例えば、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐの上昇に対応して、水素含有ガスの露点Ｔを表１の適正温度範囲内になるように上昇させてもよい。
また、表１に基づき、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐに対応して、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０を制御してもよい。例えば、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐの上昇に対応して、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０を低下させてもよい。一例として、アノード入口における水素含有ガスの露点Ｔが約４４℃の場合において、アノード入口における水素含有ガスの圧力Ｐが、０．０１（ＭＰａ）、０．０３（ＭＰａ）および０．０５（ＭＰａ）の如く上昇した場合、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０を、５４．０℃、５１．０℃および４８．０℃の如く低下させる。
なお、以上の制御器５０の制御内容は例示であって、本例に限定されない。例えば、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０は、表１の温度（４８．０℃）よりも低い温度帯を含んでいてもよいし、表１の温度（５４．０℃）よりも高温度帯を含んでいてもよい。また、アノード入口における水素含有ガスの温度Ｔ０は、表１の温度区分（３℃）よりも粗くてもよいし、細かくてもよい。
また、本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法が奏する作用効果は、制御例１Ａおよび制御例１Ｂで記載した作用効果を参酌することにより容易に理解することができるので説明を省略する。
本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、上記特徴以外は、実施形態と同様であってもよい。
（制御例３）
＜制御例３Ａ＞
本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、制御例１Ａで説明した内容と同様である。
図６には、水素含有ガスの露点および流量、電気化学セルの電流密度、および圧縮装置２００の水素圧縮動作を以下の値に設定するとき、アノード入口における水素含有ガスの温度を５１℃から４９℃に変更することで、矢印で示すように、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが、適正湿度範囲外から適正湿度範囲の下限Ｄを上回るように制御する例が示されている。なお、図示を省略しているが、図４の実線で示されたアノード出口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈは、アノード出口における水素含有ガスの圧力が、アノード入口における水素含有ガスの圧力よりも低いので約７０％程度であった。この相対湿度（約７０％）は、電解質膜１０のドライアップもアノードＡＮでフラディングも発生しない条件である。
・水素含有ガスの露点：４８℃
・水素含有ガス流量（アノード入口）：６．５４ＮＬ／分；７０ｋＰａ（ゲージ圧）
・水素含有ガス温度（アノード入口）：５１℃→４９℃
・電流密度：２．５Ａ／ｃｍ2
・水素圧縮動作：水素含有ガス中の約８０％の水素をカソードＣＡにおいて１．０ＭＰａ（ゲージ圧）まで圧縮
図７は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例３Ａの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。
上記の水素圧縮動作の適時において、ステップＳ１１で、アノード入口における水素含有ガスの温度が検知される。なお、水素含有ガスの温度は、適宜の温度計で検知することができる。
次に、ステップＳ１２で、アノード入口における水素含有ガスの圧力が検知される。なお、水素含有ガスの圧力は、適宜の圧力計または流量計で検知することができる。
次に、ステップＳ１３で、アノード入口における水素含有ガスの露点が検知される。なお、水素含有ガスの露点は、適宜の露点計で検知することができる。
次に、ステップＳ１４で、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが導出される。なお、この相対湿度Ｒｈは、ステップＳ１１の水素含有ガスの温度と、ステップＳ１２の水素含有ガスの圧力と、ステップＳ１３の水素含有ガスの露点が既知であるとき、上記式（１）および式（２）を用いて計算することができる。
次に、ステップＳ１５で、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内であるかどうかが判定される。なお、かかる相対湿度Ｒｈの適正湿度範囲として、例えば、適正湿度範囲の上限Ｕを約６０％に設定するとともに、適正湿度範囲の下限Ｄを約５２％に設定することができる。ただし、これらの上限Ｕおよび下限Ｄは例示であって、本例に限定されない。
ステップＳ１５で、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内である場合、適時に、ステップＳ１１以降の動作が再実行される。
ステップＳ１５で、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内でない場合、ステップＳ１６で、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内になるように、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度が制御される。なお、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度の制御は、上記の第２調整器２２により行われる。その後、適時に、ステップＳ１１以降の動作が再実行される。
上記フローにより、例えば、ステップＳ１５でアノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇することで、相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲外になった場合、ステップＳ１６において、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度を低下させる制御が行われる。逆に、ステップＳ１５でアノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下することで、相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲外になった場合、ステップＳ１６において、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの温度を上昇させる制御が行われる。
なお、上記の制御器５０の制御内容は、例示であって、本例に限定されない。制御器５０は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上下動した場合、アノード入口における水素含有ガスの圧力が一定となるように、適宜の制御対象を制御してもよい。例えば、制御器５０は、図示しないポンプを制御して、上記水素含有ガスの圧力が一定となるように水素含有ガスの流量を調整してもよい。
本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法が奏する作用効果は、制御例１Ａで記載した作用効果を参酌することにより容易に理解することができるので説明を省略する。
本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、上記特徴以外は、実施形態と同様であってもよい。
＜制御例３Ｂ＞
本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、制御例１Ｂで説明した内容と同様である。
図８は、実施形態の実施例における圧縮装置の制御例３Ｂの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。
なお、図８のステップＳ１１－ステップＳ１５は、図７のステップＳ１１－ステップＳ１５と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ１５で、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内でない場合、ステップＳ１１６で、アノード入口における水素含有ガスの相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲内になるように、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点が制御される。なお、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点の制御は、上記の第１調整器２１により行われる。その後、適時に、ステップＳ１１以降の動作が再実行される。
上記フローにより、例えば、ステップＳ１５でアノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上昇することで相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲外になった場合、ステップＳ１１６において、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を上昇させる制御が行われる。逆に、ステップＳ１５でアノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が低下することで相対湿度Ｒｈが適正湿度範囲外になった場合、ステップＳ１１６において、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を低下させる制御が行われる。
なお、上記の制御器５０の制御内容は、例示であって、本例に限定されない。制御器５０は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの圧力が上下動した場合、アノード入口における水素含有ガスの圧力が一定となるように、適宜の制御対象を制御してもよい。例えば、制御器５０は、図示しないポンプを制御して、上記水素含有ガスの圧力が一定となるように水素含有ガスの流量を調整してもよい。
なお、本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法が奏する作用効果は、制御例１Ｂで記載した作用効果を参酌することにより容易に理解することができるので説明を省略する。
本例の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法は、上記特徴以外は、実施形態の圧縮装置２００および圧縮装置２００の制御方法と同様であってもよい。
なお、実施形態および実施形態の実施例は、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、アノードに供給される水素含有ガスの相対湿度を従来よりも適切に調整し得る圧縮装置および圧縮装置の制御方法に利用することができる。
１０ ：電解質膜
１１ ：カソードセパレータ
１２ ：アノードセパレータ
１３ ：アノード給電体
１４ ：アノード触媒層
１５ ：カソード給電体
１６ ：カソード触媒層
２１ ：第１調整器
２２ ：第２調整器
５０ ：制御器
１００ ：電気化学式水素ポンプ
２００ ：圧縮装置
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード
Ｔ ：水素含有ガスの露点
Ｔ０ ：水素含有ガスの温度

Claims (2)

  1. アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、
    前記アノードに供給される水素含有ガスの温度を調整する調整器と、
    前記アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、前記調整器を制御して前記アノードに供給される水素含有ガスの温度を低下させる制御器と、を備える、圧縮装置。
  2. アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップを備え、
    前記ステップにおいて、前記アノードに供給される水素含有ガスの圧力が上昇すると、前記アノードに供給される水素含有ガスの温度を低下させる、圧縮装置の制御方法。
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