JP7292326B2 - 電気化学式水素昇圧システム - Google Patents

Description

本発明は、電気化学式水素昇圧システムに関するものである。

一般的に、燃料電池車両等に搭載される燃料電池の発電反応では、燃料ガスとして水素ガスが使用される。水素ガスは、水電解装置を備える水素製造システムにより製造することができる。水素製造システムは、水電解装置により水を電気分解することで、水電解装置のカソードに水素ガスを生じさせる。

生成された水素ガスは、輸送コストの低減や、燃料電池への供給のしやすさ等の観点で、高密度に貯蔵されることが望ましい。水素ガスを昇圧する装置として、電気化学式水素昇圧装置がある（例えば、特許文献１参照）。電気化学式水素昇圧装置は、電解質膜、並びに電解質膜の両面に設けられたアノード極およびカソード極と、アノード極およびカソード極間に流れる電流量を調整する電流調整器と、を備え、電流調整器によりアノード極およびカソード極間に電流を流すことにより、アノード極側に供給される水素を昇圧してカソード極側に供給し、昇圧された水素を排出する。

ところで、電気化学式水素昇圧装置において、電解質膜の良好なプロトン伝導性を確保してエネルギー効率の向上を図るために、電解質膜が湿潤状態にあることが要求される。特許文献１に記載の水素供給システムでは、アノード極側から排出される水素含有ガスおよび外部から供給される水素含有ガスが混合された混合ガスの露点を調整する露点調整器を設けている。これにより、電解質膜のプロトン伝導性が低下する可能性、および混合ガス中の水蒸気が凝縮することで凝縮水によりガス流路の閉塞が発生する可能性を低減できるとされている。

特開２０１９－０９９９１５号公報

しかしながら、上記従来技術では、電気化学式水素昇圧装置内での水素ガスの流れの分布によって生じ得る、電解質膜における湿潤状態の分布を制御できない。そのため、電解質膜の湿潤状態に分布が生じることを抑制して、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させるという点で、従来技術には改善の余地がある。

そこで本発明は、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させることができる電気化学式水素昇圧システムを提供するものである。

本発明の電気化学式水素昇圧システムは、水素供給源（例えば、実施形態における水素供給源５）と、電解質膜（例えば、実施形態におけるプロトン交換膜８２）、および前記電解質膜の両面に設けられたアノード（例えば、実施形態におけるアノード８３）およびカソード（例えば、実施形態におけるカソード８４）により形成された単位セル（例えば、実施形態における単位セル８１）を有し、前記アノードおよび前記カソード間に電流が印加されることで水素を昇圧する電気化学式水素昇圧装置（例えば、実施形態における水素ガス昇圧部７）と、前記水素供給源から排出される水素を前記電気化学式水素昇圧装置に導く供給管路（例えば、実施形態における供給管路１０，１０Ａ）と、を有する電気化学式水素昇圧システム（例えば、実施形態における電気化学式水素昇圧システム１）であって、前記電気化学式水素昇圧装置は、前記水素供給源から供給された水素が流入する流入口（例えば、実施形態における流入口９４）と、前記流入口に流入した水素のうち未反応の水素が排出される排出口（例えば、実施形態における低圧側排出口９５）と、を有し、前記アノードおよび前記カソード間に印加される電流を供給する電源（例えば、実施形態における電源８０）と、前記電解質膜の湿潤状態に関する情報を取得する取得部（例えば、実施形態における膜抵抗計１０１、電圧計１０３）と、前記排出口の水素の排出を規制する規制部（例えば、実施形態における第４開閉部４２、第３減圧部４４、第５開閉部４７）と、前記規制部を制御する制御装置（例えば、実施形態における制御装置９）と、をさらに備え、前記制御装置は、少なくとも前記湿潤状態に基づいて前記規制部を制御する。

本発明によれば、規制部によって排出口の水素の排出を規制できるので、単位セル内における水素ガスの流れが単位セル間で均一化されるとともに、全ての単位セルにおいて流入した水素ガスおよび水蒸気を各単位セルに滞留させることができる。よって、電解質膜の湿潤状態に分布が生じることを抑制し、電解質膜を良好な湿潤状態とすることができる。したがって、アノードおよびカソード間の電圧上昇に伴う電力消費量の増加を抑制して、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させることができる。

上記の電気化学式水素昇圧システムにおいて、前記制御装置は、前記湿潤状態に基づいて前記規制部による規制状態を変化させ、前記排出口側に流通する水素の圧力を変化させてもよい。

本発明によれば、アノードにおける水素ガスの圧力と、電解質膜の含水率と、の関係を適切にすることができる。したがって、電解質膜を良好な湿潤状態とすることができる。

上記の電気化学式水素昇圧システムにおいて、前記供給管路に設けられ、前記供給管路を流通する水素を加湿する加湿器（例えば、実施形態における加湿器１３）と、前記加湿器の上流側で前記供給管路から分岐し、前記加湿器の下流側で前記供給管路に合流する分岐管路（例えば、実施形態における分岐管路２０）と、前記分岐管路への水素の流通を切り替える切替部（例えば、実施形態における第１開閉部１２、第３開閉部２１）と、をさらに備え、前記制御装置は、前記湿潤状態に基づいて前記切替部を制御してもよい。

本発明によれば、電解質膜において含水率が過多の状態にある場合に、単位セルに水素供給源からドライ水素ガスを供給して、電解質膜における含水率が過多の状態を解消できる。よって、電解質膜を良好な湿潤状態とすることができる。したがって、アノードおよびカソード間の電圧上昇に伴う電力消費量の増加を抑制して、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させることができる。

上記の電気化学式水素昇圧システムにおいて、前記供給管路に設けられ、前記供給管路を流通する水素を加湿する加湿器（例えば、実施形態における加湿器１３）と、前記供給管路の一部であり、前記加湿器の下流側で分岐して前記電気化学式水素昇圧装置に接続された分配管路（例えば、実施形態における分配管路１８）と、前記分配管路それぞれにおける水素の流量を制御する分配制御弁（例えば、第２流量調整部１９）と、をさらに備え、前記電気化学式水素昇圧装置は、前記単位セルが積層されたセルユニット（例えば、実施形態におけるセルユニット７１）を有し、前記セルユニットは、前記電気化学式水素昇圧装置の動作時における温度分布に基づいて分けられた複数の領域（例えば、実施形態における領域Ａ、領域Ｂ）を有し、前記分配管路は、前記セルユニットの前記複数の領域それぞれに少なくとも１つ接続されていてもよい。

本発明によれば、セルユニットの温度分布に対応して電解質膜の湿潤状態に分布が生じ得るところ、セルユニットにおける温度分布に基づいて分けられた複数の領域に供給される水素ガスを分配制御弁により各別に制御できるので、セルユニット内における湿潤状態のばらつきを抑制できる。したがって、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させることができる。

上記の電気化学式水素昇圧システムにおいて、前記単位セルのそれぞれには、前記分配管路が接続されていてもよい。

本発明によれば、各単位セルに供給される水素ガスを各別に制御できるので、セルユニット内における湿潤状態のばらつきをより一層抑制できる。したがって、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させることができる。

上記の電気化学式水素昇圧システムにおいて、前記加湿器の上流側で前記供給管路から分岐する分岐管路（例えば、実施形態における分岐管路２０Ａ）と、前記分岐管路への水素の流通を切り替える切替部（例えば、実施形態における第１開閉部１２、第３開閉部２１）と、をさらに備え、前記分岐管路は、前記分配管路のそれぞれに合流し、前記制御装置は、前記湿潤状態に基づいて前記切替部を制御してもよい。

本発明によれば、電解質膜において含水率が過多の状態にある場合に、単位セルに水素供給源からドライ水素ガスを供給して、電解質膜における含水率が過多の状態を解消できる。特に分岐管路が分配管路のそれぞれに合流しているので、含水率が過多の状態にある単位セルを含む領域にドライ水素ガスを選択的に供給できる。これにより、電解質膜における含水率が過多でない単位セルに対するドライ水素ガスの供給が過多となることを抑制できる。よって、電解質膜の湿潤状態のばらつきを抑制しつつ、電解質膜を良好な湿潤状態とすることができる。したがって、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させることができる。

上記の電気化学式水素昇圧システムにおいて、前記供給管路に設けられ、前記水素供給源から排出された水素の流量を制御する制御弁（例えば、実施形態における第１流量調整部１５）をさらに備え、前記制御装置は、前記排出口側に流通する水素の圧力が所定値未満となるように前記制御弁を制御してもよい。

本発明によれば、アノードへの水素ガスの供給が過多となることを抑制して、アノードにおける水素ガスの圧力と、電解質膜の含水率と、の関係を適切にすることができる。したがって、電解質膜を良好な湿潤状態とすることができる。

上記の電気化学式水素昇圧システムにおいて、前記供給管路に設けられ、前記水素供給源から排出された水素の流量を制御する制御弁（例えば、実施形態における第１流量調整部１５）をさらに備え、前記制御装置は、前記アノードおよび前記カソード間への電流の印加状態に応じて前記制御弁を制御してもよい。

本発明によれば、印加電流の増減に応じてアノードにおける水素ガスの消費量の増減した場合に、水素ガスをアノードに適切に供給して、アノードで水素ガスの過不足が生じることを抑制できる。

本発明によれば、電気化学式水素昇圧装置を高効率で運転させることができる電気化学式水素昇圧システムを提供できる。

第１実施形態に係る電気化学式水素昇圧システムの構成を示す図である。 水素ガス昇圧部の断面構造を示す図である。 水素ガス昇圧部の単位セルの断面構造を示す図である。 第１実施形態に係る電気化学式水素昇圧システムにより実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る電気化学式水素昇圧システムにより実行される湿潤制御運転の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る電気化学式水素昇圧システムにより実行される湿潤制御運転の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る電気化学式水素昇圧システムの構成を示す図である。 図７に示す電気化学式水素昇圧システムにおける供給管路および水素ガス昇圧部の接続を示す図である。 第４実施形態に係る電気化学式水素昇圧システムにおける供給管路および水素ガス昇圧部の接続を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
実施形態の電気化学式水素昇圧システムは、水素ガスを例えば１～１００ＭＰａまで圧縮し、圧縮した高圧水素ガスを例えば電気化学式水素昇圧システムに着脱自在に取り付けられる水素ガスタンクに収容可能となっている。なお、以下の説明では、電気化学式水素昇圧システムを単に水素昇圧システムと称する場合がある。

（第１実施形態）
＜電気化学式水素昇圧システム１の構成＞
図１は、第１実施形態に係る水素昇圧システムの構成を示す図である。
図１に示すように、水素昇圧システム１は、水素供給源５と、水素ガスを昇圧する水素ガス昇圧部７と、水素昇圧システム１の各部を制御する制御装置９と、を備える。また、水素昇圧システム１は、水素供給源５から排出される水素ガスを水素ガス昇圧部７に導く供給管路１０と、供給管路１０の一部を迂回する分岐管路２０と、水素ガス昇圧部７で昇圧された高圧水素ガスが流通する高圧排出管路３０と、水素ガス昇圧部７で余剰とされた未反応水素ガスが流通する低圧排出管路４０と、を備える。

水素供給源５は、貯留されたドライ水素ガスを排出可能に形成されている。例えば、水素供給源５は、水素ガスが貯留されたガスシリンダを集結させたカードルである。

供給管路１０は、水素供給源５に接続されている。これにより、供給管路１０には水素供給源５から排出された水素ガスが流通される。供給管路１０には、水素供給源５側から水素ガス昇圧部７側に向かって、減圧部１１と、第１開閉部１２と、加湿器１３と、第２開閉部１４と、第１流量調整部１５と、がこの順に設けられている。

減圧部１１は、供給管路１０の水素ガスの圧力を調整する。減圧部１１は、減圧部１１を通過する水素ガスを規制する。例えば、減圧部１１は、二次側（下流側）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する減圧弁である。ただし減圧部１１は、減圧弁に限定されず、例えば制御装置９によって開閉制御されることで供給管路１０の圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。また、減圧部１１は、複数の減圧弁を備えていてもよい。

第１開閉部１２は、加湿器１３の上流側で供給管路１０を開閉する。第１開閉部１２は、例えば電磁弁または電気弁であり、制御装置９の制御に基づいて供給管路１０を開閉する。第１開閉部１２を開状態とすることで、供給管路１０から加湿器１３への水素ガスの供給が可能となる。

加湿器１３は、供給管路１０を流通する水素ガスを加湿する。例えば、加湿器１３は、バブラー加湿方式で水素ガスを加湿する。この場合、加湿器１３は、液水が貯留された密閉容器６０を有し、密閉容器６０内の液水中に水素供給源５側から導入された水素ガスをバブリングすることで加湿する。密閉容器６０内には、液面上方に液水中を通過した水素ガスが溜まる水素ガス貯留空間が形成されている。密閉容器６０には、水素ガス貯留空間に開口する取出口が設けられている。加湿された水素ガスは、取出口から排出される。

加湿器１３には、貯留された液水を温度調整する温調装置６１が接続されている。温調装置６１は、熱交換器６２と、熱交換器６２と密閉容器６０内との循環路を形成する循環流路６３と、熱交換器６２に接続されたチラー６４と、を備える。循環流路６３には、ポンプ６５が設けられている。これにより、密閉容器６０に貯留された液水は、加湿器１３と熱交換器６２との間を常時循環可能とされ、適宜設定された温度に維持可能とされている。

第２開閉部１４は、加湿器１３の下流側で供給管路１０を開閉する。第２開閉部１４は、例えば電磁弁または電気弁であり、制御装置９の制御に基づいて供給管路１０を開閉する。第２開閉部１４が閉状態にあるとき、加湿器１３から水素ガス昇圧部７に向けた水素ガスの排出が規制される。

第１流量調整部１５は、供給管路１０から水素ガス昇圧部７に導入される水素ガスの流量および圧力を調整する。第１流量調整部１５は、制御弁であり、制御装置９の制御に基づいて第１流量調整部１５を通過する水素ガスの流量を調整する。

分岐管路２０は、加湿器１３を迂回する。分岐管路２０は、加湿器１３の上流側の分岐部１６で供給管路１０から分岐し、加湿器１３の下流側の合流部１７で供給管路１０に合流する。分岐部１６は、減圧部１１の下流側、かつ第１開閉部１２の上流側に設けられている。合流部１７は、第２開閉部１４の下流側、かつ第１流量調整部１５の上流側に設けられている。分岐管路２０は、第３開閉部２１を有する。第３開閉部２１は、分岐管路２０を開閉する。第３開閉部２１は、例えば電磁弁または電気弁であり、制御装置９の制御に基づいて分岐管路２０を開閉する。第３開閉部２１が閉状態にあるとき、分岐管路２０における水素ガスの流通が規制される。第３開閉部２１が開状態にあるとき、分岐管路２０における水素ガスの流通が許容される。第３開閉部２１は、第１開閉部１２とともに、分岐管路２０への水素の流通を切り替える切替部として機能する。

水素ガス昇圧部７は、供給管路１０を流通した水素ガスを昇圧する。水素ガス昇圧部７は、電気化学的に水素ガスを圧縮することができる電気化学式水素昇圧装置（ＥＨＣ：Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）である。水素ガス昇圧部７は、プロトン交換膜（電解質膜）８２と、プロトン交換膜８２を挟んで隔離されたアノード８３およびカソード８４と、アノード８３およびカソード８４に電流を印加する電源８０と、を有し、アノード８３に供給された水素ガスを昇圧してカソード８４に高圧水素ガスを発生させる。

図２は、水素ガス昇圧部の断面構造を示す図である。
図２に示すように、水素ガス昇圧部７は、プロトン交換膜８２、アノード８３およびカソード８４を１組備えた単位セル８１を複数積層したセルユニット７１を備える。セルユニット７１における単位セル８１の積層方向一端には、ターミナルプレート７２Ａ、絶縁プレート７３Ａ、押圧ユニット７５およびエンドプレート７４Ａが外方に向かって、順次配設されている。また、セルユニット７１における単位セル８１の積層方向他端には、ターミナルプレート７２Ｂ、絶縁プレート７３Ｂおよびエンドプレート７４Ｂが外方に向かって、順次配設されている。

複数の単位セル８１は、エンドプレート７４Ａ，７４Ｂ間で一体的に締め付け保持される。押圧ユニット７５は、筒状のシリンダ７６と、シリンダ７６の内側に配置された一対のピストン７７Ａ，７７Ｂと、一対のピストン７７Ａ，７７Ｂの間に配置された付勢部材７８と、を備える。シリンダ７６は、絶縁プレート７３Ａとエンドプレート７４Ａとの間で単位セル８１の積層方向に延びている。一対のピストン７７Ａ，７７Ｂは、付勢部材７８を挟んで積層方向に並んでいる。付勢部材７８は、エンドプレート７４Ａ側のピストン７７Ａをエンドプレート７４Ａ側に付勢するとともに、セルユニット７１側のピストン７７Ｂをセルユニット７１側に付勢する。これにより、押圧ユニット７５は、絶縁プレート７３Ａおよびターミナルプレート７２Ａを介してセルユニット７１をエンドプレート７４Ｂ側に押圧して、複数の単位セル８１を常に一体化している。ターミナルプレート７２Ａ，７２Ｂの側部には、不図示の端子部が外方にそれぞれ突出して設けられる。端子部には、電源８０が電気的に接続される。電源８０は、端子部を介して各単位セル８１のアノード８３およびカソード８４に電流を印加することができる。

図３は、水素ガス昇圧部の単位セルの断面構造を模式的に示す図である。
図３に示すように、各単位セル８１は、例えば、円盤状の電解質膜・電極構造体８５と、電解質膜・電極構造体８５を挟持する円盤状のアノード側セパレータ８６およびカソード側セパレータ８７と、を備える。電解質膜・電極構造体８５は、プロトン交換膜８２と、プロトン交換膜８２の両面に設けられたアノード８３およびカソード８４と、を有する。各単位セル８１では、プロトン交換膜８２や不図示のシール部材等によって、プロトン交換膜８２を挟むアノード８３およびカソード８４が互いに連通することがないようにシール（隔離）されている。

プロトン交換膜８２は、プロトンを選択的に移動させることが可能なプロトン伝導性を有する。プロトン交換膜８２の材料は、特に限定されるものではないが、その一例としては、パーフルオロスルホン酸系ポリマ等のスルホン酸基を有するフッ素系高分子膜がある。この種のプロトン交換膜８２は、湿潤状態に維持されることで、そのプロトン伝導性を良好に発現させる。

アノード８３は、プロトン交換膜８２の一方の面に形成されたアノード電極触媒層８３ａおよびアノード側給電体８３ｂを有する。カソード８４は、プロトン交換膜８２の他方の面に形成されたカソード電極触媒層８４ａおよびカソード側給電体８４ｂを有する。

アノード側セパレータ８６は、アノード８３に対向する。アノード側セパレータ８６は、アノード８３との間に、低圧水素ガス流路８８を形成する。低圧水素ガス流路８８は、アノード側セパレータ８６におけるアノード８３に対向する面に設けられた溝等の凹部によって形成されている。カソード側セパレータ８７は、カソード８４に対向する。カソード側セパレータ８７は、カソード８４との間に、高圧水素ガス流路８９を形成する。高圧水素ガス流路８９は、カソード側セパレータ８７におけるカソード８４に対向する面に設けられた溝等の凹部によって形成されている。

図２に示すように、水素ガス昇圧部７には、供給連通孔９１と、第１排出連通孔９２と、第２排出連通孔９３と、が設けられる。供給連通孔９１、第１排出連通孔９２および第２排出連通孔９３のそれぞれは、単位セル８１を積層方向に貫通するように形成されている。供給連通孔９１は、各単位セル８１の低圧水素ガス流路８８に連通している。第１排出連通孔９２は、各単位セル８１の低圧水素ガス流路８８に連通しているとともに、低圧水素ガス流路８８を介して供給連通孔９１に連通している。供給連通孔９１および第１排出連通孔９２は、各単位セル８１の外周部を貫通している。第２排出連通孔９３は、各単位セル８１の高圧水素ガス流路８９に連通している。第２排出連通孔９３は、各単位セル８１の中心部を貫通している。さらに、第２排出連通孔９３は、ターミナルプレート７２Ａ、絶縁プレート７３Ａ、押圧ユニット７５およびエンドプレート７４Ａを積層方向に貫通している。

水素ガス昇圧部７は、供給管路１０の下流端に接続された流入口９４と、低圧排出管路４０の上流端に接続された低圧側排出口９５と、高圧排出管路３０の上流端に接続された高圧側排出口９６と、を備える。流入口９４は、供給連通孔９１と供給管路１０の下流端とを連通している。流入口９４には、水素供給源５から供給された水素が流入する。低圧側排出口９５は、第１排出連通孔９２と低圧排出管路４０の上流端とを連通している。低圧側排出口９５は、流入口９４に流入した水素ガスのうち未反応の水素ガス（後述）を排出する。流入口９４と供給連通孔９１との接続部は、低圧側排出口９５と第１排出連通孔９２との接続部と、単位セル８１の積層方向において異なる位置に形成されている。流入口９４は、積層方向においてセルユニット７１の中間部に対応する位置で、供給連通孔９１に接続している。低圧側排出口９５は、積層方向においてセルユニット７１の両端部に対応する位置で、第１排出連通孔９２に接続している。高圧側排出口９６は、第２排出連通孔９３と高圧排出管路３０の上流端とを連通している。高圧側排出口９６は、昇圧された高圧水素ガスを排出する。高圧側排出口９６は、エンドプレート７４Ａで第２排出連通孔９３を水素ガス昇圧部７の外部に向けて開放している。

低圧水素ガス流路８８には、流入口９４および供給連通孔９１を介して供給管路１０から水素ガスが流入する。これにより、アノード８３に水素ガスが供給される。電源８０によるアノード８３およびカソード８４への電流印加のもと、水素ガス昇圧部７は、アノード８３に供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスをカソード８４で生成する。カソード８４で生成された高圧水素ガスは、高圧水素ガス流路８９を流通し、第２排出連通孔９３および高圧側排出口９６を介して水素ガス昇圧部７から排出される。また、水素ガス昇圧部７は、アノード８３に供給された水素ガスのうち未反応の低圧水素ガスを、第１排出連通孔９２および低圧側排出口９５を介して水素ガス昇圧部７から排出可能とされている。

図１に示すように、水素ガス昇圧部７は、膜抵抗計１０１と、電流計１０２と、電圧計１０３と、を備える。膜抵抗計１０１は、各単位セル８１のプロトン交換膜８２の膜抵抗値を計測する。電流計１０２は、セルユニット７１の全体に印加される電流値を計測する。電圧計１０３は、各単位セル８１のアノード８３およびカソード８４間の電圧値を計測する。膜抵抗計１０１および電圧計１０３は、後述するプロトン交換膜８２の湿潤状態に関する情報を取得する取得部として機能する。

高圧排出管路３０は、水素ガス昇圧部７から排出された高圧水素ガスを水素ガスタンク３に導く。高圧排出管路３０は、水素ガス排出規制部３１を備える。水素ガス排出規制部３１は、高圧排出管路３０の水素ガスの圧力を調整する。水素ガス排出規制部３１は、水素ガス排出規制部３１を通過する水素ガスを規制する。例えば、高圧排出管路３０は、水素ガス昇圧部７のカソード８４における高圧水素ガスの生成量よりも、水素ガス排出規制部３１における水素ガスの通過量を少なくする。これにより、水素ガス排出規制部３１は、高圧排出管路３０の水素ガスの圧力を上昇させて、高圧水素ガスとすることができる。

例えば、水素ガス排出規制部３１は、一次側（上流側）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁である。ただし水素ガス排出規制部３１は、背圧弁に限定されず、例えば制御装置９によって開閉制御されることで高圧排出管路３０の圧力を設定圧力に維持する開閉弁等であってもよい。

水素ガス排出規制部３１は、高圧排出管路３０の水素ガスの圧力を１～１００ＭＰａに調整して高圧水素ガスとする。なお、水素ガス排出規制部３１は、例えば、水素ガスタンク３への水素ガスの供給を容易にする観点から、高圧水素ガスの圧力を少なくとも８ＭＰａ以上とすることが好ましい。また、例えば、燃料電池自動車用の水素ガスタンク等に水素ガスを供給する場合には、水素ガス排出規制部３１は、高圧水素ガスの圧力を７０ＭＰａ以上とすることが好ましい。

高圧排出管路３０には、水素ガス排出規制部３１を迂回するバイパス部３２が設けられている。バイパス部３２には、上流側から下流側に向かって、第２減圧部３３と、バイパス開閉部３４と、がこの順に設けられている。第２減圧部３３は、バイパス部３２の水素ガスの圧力を調整する。第２減圧部３３は、第２減圧部３３を通過する水素ガスを規制する。第２減圧部３３は、二次側（下流側）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する減圧弁である。バイパス開閉部３４は、バイパス部３２を開閉する仕切弁である。例えば、バイパス開閉部３４は、手動仕切弁である。バイパス開閉部３４が閉状態にあるとき、バイパス部３２における水素ガスの流通が規制される。バイパス開閉部３４が開状態にあるとき、バイパス部３２における水素ガスの流通が許容される。

低圧排出管路４０は、水素ガス昇圧部７から排出された低圧水素ガスを流通させる。低圧排出管路４０は、ベントライン４１と、還流ライン４６と、を備える。ベントライン４１の上流端は、水素ガス昇圧部７の低圧側排出口９５に接続されている。ベントライン４１は、第４開閉部４２を備える。第４開閉部４２は、ベントライン４１を開閉する。第４開閉部４２は、例えば電磁弁または電気弁であり、制御装置９の制御に基づいてベントライン４１を開閉する。第４開閉部４２が開状態にあるとき、ベントライン４１の水素ガスが外部へ排出される。ベントライン４１には、第４開閉部４２を迂回する調圧ライン４３が接続されている。調圧ライン４３には、第３減圧部４４が設けられている。第３減圧部４４は、第３減圧部４４を通過する水素ガスを規制する。第３減圧部４４は、一次側（上流側）の圧力を設定圧力に維持しつつ開弁する背圧弁である。

還流ライン４６は、第４開閉部４２よりも上流側で、ベントライン４１から分岐している。還流ライン４６の下流端は、加湿器１３の密閉容器６０内に連通している。還流ライン４６は、上流側から下流側に向かって、第５開閉部４７と、ポンプ４８と、がこの順に設けられている。第５開閉部４７は、還流ライン４６を開閉する。第５開閉部４７は、例えば電磁弁または電気弁であり、制御装置９の制御に基づいて還流ライン４６を開閉する。ポンプ４８は、第５開閉部４７が開状態にあるとき、還流ライン４６の水素ガスを加湿器１３の密閉容器６０内に圧送する。これにより、水素ガス昇圧部７における未反応の水素ガスを還流する。低圧排出管路４０に設けられた第４開閉部４２、第３減圧部４４および第５開閉部４７は、低圧側排出口９５の水素の排出を規制する規制部として機能する。

制御装置９は、水素昇圧システム１の動作を統合的に制御する。制御装置９は、水素ガス昇圧部７の膜抵抗計１０１、電流計１０２および電圧計１０３の計測値を監視する。制御装置９は、水素昇圧システム１の各管路に設けられた不図示の圧力センサや流量計、温度計等の計測値を監視する。制御装置９は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）およびタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。制御装置９の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。

＜電気化学式水素昇圧システム１の動作＞
第１実施形態の水素昇圧システム１の動作について説明する。
水素昇圧システム１の運転時には、第１開閉部１２および第３開閉部２１の開閉状態に応じて、水素供給源５から排出された水素ガスが加湿器１３を通過して、または加湿器１３を迂回して水素ガス昇圧部７に導入される。水素ガスが加湿器１３を通過する場合には、水素ガスとともに水蒸気が水素ガス昇圧部７に導入される。一方で、水素ガスが加湿器１３を迂回した場合には、水素供給源５に貯蔵されたドライ水素ガスが水素ガス昇圧部７に導入される。

水素ガス昇圧部７に導入された水素ガスは、供給連通孔９１を経て低圧水素ガス流路８８を流通する。これにより、アノード８３に水素ガスが供給される。具体的には、低圧水素ガス流路８８内の水素ガスが多孔質のアノード側給電体８３ｂを通過し、アノード電極触媒層８３ａに供給される。プロトン交換膜８２は、水素ガスが加湿器１３を通過した場合に、アノード８３に供給された水蒸気を利用して湿潤状態を維持する。

アノード８３およびカソード８４に電流が印加されることで、アノード８３では水素ガスをイオン化してプロトンを生成する。生成されたプロトンは、水分子を同伴しながらプロトン交換膜８２を透過してカソード８４に到達することで水素ガスに戻る。このようにして水素ガス昇圧部７は、アノード８３からカソード８４に向かってプロトンを移動させることで、カソード８４に高圧水素ガスを生成して水素ガスを昇圧する。

カソード８４で生成された高圧水素ガスは、高圧水素ガス流路８９を流通し、第２排出連通孔９３を経て高圧排出管路３０に排出される。このため、水素ガス昇圧部７は、アノード８３に供給された水素ガスよりも高圧の水素ガスをカソード８４から排出できる。高圧排出管路３０に排出された高圧水素ガスは、バイパス開閉部３４の開閉状態に応じて水素ガス排出規制部３１またはバイパス部３２を通過し、水素ガスタンク３に貯蔵される。

アノード８３でイオン化されなかった余剰の未反応水素ガスは、低圧水素ガス流路８８を流通し、第１排出連通孔９２を経て低圧排出管路４０に排出される。低圧排出管路４０に排出された未反応水素ガスは、第４開閉部４２の開閉状態に応じて、第４開閉部４２を通過して外部に放出される、または低圧排出管路４０の圧力が第３減圧部４４の設定圧力に達するまで低圧排出管路４０の流通を規制される。また、未反応水素ガスは、第４開閉部４２が閉状態とされ、かつ第５開閉部４７が開状態とされることで、加湿器１３に還流される。

＜電気化学式水素昇圧システム１の制御方法＞
第１実施形態の水素昇圧システム１の制御方法について説明する。なお、水素昇圧システム１の各部の制御は、制御装置９によって行われる。制御装置９は、例えばシステム停止指示を受けるまで、以下で説明する処理フローを実行する。

図４は、第１実施形態に係る水素昇圧システムにより実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。
図４に示すように、最初に制御装置９は、ステップＳ１０の処理を行う。ステップＳ１０では、水素昇圧システム１の始動に伴い、昇圧運転を行う。昇圧運転では、第１開閉部１２を開状態とし、第３開閉部２１を閉状態として、水素ガスを水素ガス昇圧部７に供給する。水素供給源５から水素ガス昇圧部７への水素ガスの供給量は、制御装置９によって適宜制御される（供給量ゼロも含む）。そして、水素ガス昇圧部７が高圧水素ガスを生成可能な状態になるまで、アノード８３およびカソード８４間に所定電流を印加するように電源８０を制御する。電源８０は、水素ガス昇圧部７が高圧水素ガスを生成可能な状態となると、アノード８３およびカソード８４間に付与する電圧を大きくすることで、アノード８３およびカソード８４に電流を印加して水素ガスの昇圧を開始する。これにより、水素ガス昇圧部７は、カソード８４で高圧水素ガスを発生させる。続いて、ステップＳ２０の処理に移行する。

ステップＳ２０では、制御装置９は、カソード８４の水素ガスの圧力が所定圧力以上に達したか否かを判定する。カソード８４の圧力が所定圧力未満の場合（Ｓ２０：ＮＯ）、再度ステップＳ１０の処理を行う。カソード８４の圧力が所定圧力以上の場合（Ｓ２０：ＹＥＳ）、ステップＳ３０の処理に移行する。

ステップＳ３０では、制御装置９は、定常運転を行う。定常運転では、水素ガスタンク３に水素ガスを貯蔵するべく、高圧排出管路３０における水素ガスの圧力や流量、供給管路１０における水素ガスの流量等を監視して、第１流量調整部１５の開度やアノード８３およびカソード８４間への印加電流を制御する。続いてステップＳ４０の処理に移行する。例えば、制御装置９は、ステップＳ３０の処理を所定時間実行した場合に、ステップＳ４０の処理に移行する。

ステップＳ４０では、制御装置９は、湿潤制御運転を行う。湿潤制御運転では、制御装置９は、プロトン交換膜８２を所望の湿潤状態に維持するように、水素昇圧システム１の各部を制御する。本実施形態では、制御装置９は、水素ガス昇圧部７の電圧計１０３の計測値に基づき、プロトン交換膜８２の湿潤状態を判定する。その後、制御装置９は、再度ステップＳ３０の処理を行う。湿潤制御運転の具体的な処理については後述する。

なお、ステップＳ３０およびステップＳ４０の処理において、制御装置９は、低圧側排出口９５側に流通する水素ガスの圧力が所定値未満となるように第１流量調整部１５を制御してもよい。また、制御装置９は、水素ガス昇圧部７のアノード８３およびカソード８４間への電流の印加状態に応じて第１流量調整部１５を制御してもよい。

＜湿潤制御運転＞
図５は、第１実施形態に係る水素昇圧システムにより実行される湿潤制御運転の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
図５に示すように、制御装置９は、湿潤制御運転を行うにあたり、最初にステップＳ４１０の処理を行う。ステップＳ４１０では、制御装置９は、各単位セル８１におけるアノード８３およびカソード８４間の電圧を取得し、複数の単位セル８１のうち少なくとも１つの単位セル８１における単位時間当たりの電圧上昇速度が第１所定速度以上であるか否かを判定する。第１所定速度は、予め定められた速度であってもよいし、単位セル８１の温度等により変化してもよい。電圧上昇速度が第１所定速度未満の場合、ステップＳ４２０の処理に移行する。電圧上昇速度が第１所定速度以上の場合、ステップＳ４３０の処理に移行する。

ステップＳ４２０では、制御装置９は、複数の単位セル８１のうち少なくとも１つの単位セル８１における単位時間当たりの電圧上昇速度が第２所定速度以上であるか否かを判定する。第２所定速度は、予め定められた速度であってもよいし、単位セル８１の温度等により変化してもよい。電圧上昇速度が第２所定速度未満の場合、スタック湿潤制御運転の処理を終了する。電圧上昇速度が第２所定速度以上の場合、ステップＳ４４０の処理に移行する。

ステップＳ４３０では、制御装置９は、湿潤運転を行う。湿潤運転では、第１開閉部１２を開状態とし、かつ第３開閉部２１を閉状態としたうえで、湿潤状態に基づいて第４開閉部４２、第３減圧部４４および第５開閉部４７の少なくともいずれか１つを制御する。具体的には、湿潤運転では、第４開閉部４２および第５開閉部４７を閉状態とすることによって、低圧側排出口９５の水素の排出を規制する。これにより、セルユニット７１内に水素ガスが滞留するので、セルユニット７１内での水素ガスの流れの偏りが解消される。

さらに湿潤運転では、湿潤状態に基づいて第３減圧部４４による規制状態を変化させ、低圧側排出口９５側に流通する水素の圧力を変化させる。第３減圧部４４による規制状態は、第３減圧部４４の開度（設定圧力）である。例えば、制御装置９は、定常運転時よりも低圧側排出口９５側に流通する水素ガスの圧力を低くするように第３減圧部４４を制御する。制御装置９は、ステップＳ４３０の処理を終了すると、再度ステップＳ４１０の処理に移行する。例えば、制御装置９は、ステップＳ４３０の処理を所定時間実行した場合に、ステップＳ４１０の処理に移行する。

ステップＳ４４０では、制御装置９は、乾燥運転を行う。乾燥運転では、第１開閉部１２を閉状態とし、かつ第３開閉部２１を開状態とする。これにより、セルユニット７１には、水素供給源５から排出されたドライ水素ガスが直接供給される。なお、乾燥運転では、湿潤運転と同様に、第４開閉部４２、第３減圧部４４および第５開閉部４７の少なくともいずれか１つを制御してもよい。

さらに乾燥運転では、湿潤状態に基づいて第３減圧部４４による規制状態を変化させ、低圧側排出口９５側に流通する水素の圧力を変化させる。例えば、制御装置９は、乾燥運転時において、定常運転時よりも低圧側排出口９５側に流通する水素ガスの圧力を高くするように第３減圧部４４を制御する。制御装置９は、ステップＳ４４０の処理を終了すると、再度ステップＳ４１０の処理に移行する。例えば、制御装置９は、ステップＳ４４０の処理を所定時間実行した場合に、ステップＳ４１０の処理に移行する。

＜電気化学式水素昇圧システム１の作用＞
第１実施形態の水素昇圧システム１の作用について説明する。
水素ガス昇圧部７において、水素ガスは、流入口９４から供給連通孔９１に導入された後、各単位セル８１の低圧水素ガス流路８８に分配されることで、アノード８３に供給される。アノード８３において未反応となった水素ガスは、各単位セル８１の低圧水素ガス流路８８から第１排出連通孔９２に合流した後、低圧側排出口９５から低圧排出管路４０に排出される。このため、流入口９４、および低圧側排出口９５に対する単位セル８１の距離に応じて、単位セル８１同士で低圧水素ガス流路８８における水素ガスの流れが相違し得る。例えば、流入口９４、および低圧側排出口９５に近い単位セル８１の低圧水素ガス流路８８ほど、水素ガスが流通しやすくなる。本実施形態では、単位セル８１の積層方向において、セルユニット７１における両端部および中間部に位置する単位セル８１の低圧水素ガス流路８８に水素ガスが流通しやすくなる。

また、セルユニット７１は、単位セル８１の積層方向の両端でターミナルプレート７２Ａ，７２Ｂに接している。このため、複数の単位セル８１のうち積層方向におけるセルユニット７１の両端に近い単位セル８１ほど、ターミナルプレート７２Ａ，７２Ｂを介して放熱されやすくなる。これにより、セルユニット７１は、積層方向の中間部において高温となり得る。

ここで、単位セル８１は、低圧水素ガス流路８８における水素ガスの流量が小さいほど、水素ガスに含まれる水蒸気の供給量も小さくなる。水蒸気の供給量が減少すると、プロトン交換膜８２が乾燥して湿潤状態が悪化し得る。プロトン交換膜８２が乾燥すると、プロトン交換膜８２の膜抵抗が上昇する。また、内部温度上昇によってプロトン交換膜８２の水分透過係数が増大することで、水分が多く透過して滞留しやすくなる。つまり、プロトン交換膜８２の含水率が過多な状態で、この状態はプロトン交換膜８２の湿潤状態が悪化した状態である。アノード側給電体８３ｂおよびアノード電極触媒層８３ａの境界近傍で液水（凝縮水）が滞留すると、アノード電極触媒層８３ａからアノード側給電体８３ｂへの水素ガスの供給が阻害され、一定の電流印加のもと、アノード８３およびカソード８４間の電圧が上昇し得る。

本実施形態の水素昇圧システム１では、プロトン交換膜８２の湿潤状態に基づいて、第４開閉部４２および第５開閉部４７を制御する。これにより、第４開閉部４２および第５開閉部４７を閉状態とすることによって、低圧側排出口９５の水素の排出を規制できるので、全ての単位セル８１の低圧水素ガス流路８８において水素ガスの排出が規制される。つまり、低圧水素ガス流路８８における水素ガスの流れが単位セル８１間で均一化されるとともに、全ての単位セル８１において低圧水素ガス流路８８に流入した水素ガスおよび水蒸気を低圧水素ガス流路８８に滞留させることができる。よって、本実施形態の水素昇圧システム１によれば、プロトン交換膜８２の湿潤状態に分布が生じることを抑制し、プロトン交換膜８２を良好な湿潤状態とすることができる。したがって、アノード８３およびカソード８４間の電圧上昇に伴う電力消費量の増加を抑制して、水素ガス昇圧部７を高効率で運転させることができる。

また、制御装置９は、プロトン交換膜８２の湿潤状態に基づいて、第３減圧部４４による規制状態を変化させ、低圧側排出口９５側に流通する水素ガスの圧力を変化させる。これにより、アノード８３における水素ガスの圧力と、プロトン交換膜８２の含水率と、の関係を適切にすることができる。したがって、プロトン交換膜８２を良好な湿潤状態とすることができる。

また、制御装置９は、プロトン交換膜８２の湿潤状態に基づいて、第１開閉部１２および第３開閉部２１を制御して、分岐管路２０への水素ガスの流通を切り替える。これにより、プロトン交換膜８２において含水率が過多の状態にある場合に、単位セル８１に水素供給源５からドライ水素ガスを供給して、プロトン交換膜８２における含水率が過多の状態を解消できる。よって、プロトン交換膜８２を良好な湿潤状態とすることができる。したがって、アノード８３およびカソード８４間の電圧上昇に伴う電力消費量の増加を抑制して、水素ガス昇圧部７を高効率で運転させることができる。

また、制御装置９は、低圧側排出口９５側に流通する水素ガスの圧力が所定値未満となるように、第１流量調整部１５を制御する。これにより、アノード８３への水素ガスの供給が過多となることを抑制して、アノード８３における水素ガスの圧力と、プロトン交換膜８２の含水率と、の関係を適切にすることができる。したがって、プロトン交換膜８２を良好な湿潤状態とすることができる。

また、制御装置９は、アノード８３およびカソード８４間への電流の印加状態に応じて第１流量調整部１５を制御する。これにより、印加電流の増減に応じてアノード８３における水素ガスの消費量の増減した場合に、水素ガスをアノード８３に適切に供給して、アノード８３で水素ガスの過不足が生じることを抑制できる。

（第２実施形態）
＜湿潤制御運転＞
次に、図６を参照して、第２実施形態の湿潤制御運転について説明する。第１実施形態の湿潤制御運転では、水素ガス昇圧部７の電圧計１０３の計測値に基づいてプロトン交換膜８２の湿潤状態を判定している。これに対して第２実施形態の湿潤制御運転は、水素ガス昇圧部７の膜抵抗計１０１の計測値に基づいてプロトン交換膜８２の湿潤状態を判定している点で、第１実施形態とは異なる。なお、以下で説明する以外の構成は、第１実施形態と同様である。

図６は、第２実施形態に係る水素昇圧システムにより実行される湿潤制御運転の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
図６に示すように、制御装置９は、湿潤制御運転を行うにあたり、最初にステップＳ４５０の処理を行う。ステップＳ４５０では、制御装置９は、各単位セル８１におけるプロトン交換膜８２の膜抵抗値を取得し、複数の単位セル８１のうち、一の単位セル８１におけるプロトン交換膜８２の膜抵抗値と、他の単位セル８１におけるプロトン交換膜８２の膜抵抗値と、の差が第１所定値以上であるか否かを判定する。例えば、制御装置９は、プロトン交換膜８２の膜抵抗値が最大の単位セル８１と、アノード８３およびカソード８４間の電圧が最小の単位セル８１と、を比較する。ただし、比較対象の単位セル８１はこれに限定されず、所定の２つ単位セル８１を比較してもよい。第１所定値は、予め定められた抵抗値であってもよいし、単位セル８１の温度等により変化してもよい。膜抵抗値の差が第１所定値未満の場合、ステップＳ４６０の処理に移行する。膜抵抗値の差が第１所定値以上の場合、ステップＳ４３０の処理に移行する。

ステップＳ４６０では、制御装置９は、複数の単位セル８１のうち少なくとも１つの単位セル８１におけるプロトン交換膜８２の膜抵抗値が第２所定値以下であるか否かを判定する。すなわち、制御装置９は、複数の単位セル８１のうちプロトン交換膜８２の膜抵抗値が最も小さい単位セル８１における膜抵抗値が第２所定値以下であるか否かを判定する。第２所定値は、予め定められた抵抗値であってもよいし、単位セル８１の温度等により変化してもよい。膜抵抗値が第２所定値よりも大きい場合、スタック湿潤制御運転の処理を終了する。膜抵抗値が第２所定値以下の場合、ステップＳ４４０の処理に移行する。

このように、本実施形態では、プロトン交換膜８２の膜抵抗値を用いて判定した湿潤状態に基づいて湿潤運転および乾燥運転を行うので、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

（第３実施形態）
＜電気化学式水素昇圧システム１Ａの構成＞
図７は、第３実施形態に係る水素昇圧システムの構成を示す図である。
第３実施形態の水素昇圧システム１Ａでは、供給管路１０Ａに分配管路１８が設けられ、分岐管路２０Ａが分配管路１８それぞれに合流している点で第１実施形態と異なる。なお、以下で説明する以外の構成は、第１実施形態と同様である。

図７に示すように、水素昇圧システム１Ａは、水素ガス昇圧部７に接続された複数の分配管路１８を備える。分配管路１８は、供給管路１０Ａの一部であり、加湿器１３の下流側で分岐している。分配管路１８は、第１流量調整部１５の下流側で互いに分岐している。分配管路１８は、後述するセルユニット７１の領域Ａ，Ｂと同数設けられている。各分配管路１８には、第２流量調整部１９（分配制御弁）が設けられている。第２流量調整部１９は、制御弁であり、制御装置９の制御に基づいて第２流量調整部１９を通過する水素ガスの流量を調整する。すなわち、第２流量調整部１９は、分配管路１８それぞれにおける水素の流量を制御する。

分岐管路２０Ａは、加湿器１３の上流側の分岐部１６で供給管路１０Ａから分岐している。分岐管路２０Ａには、第３流量調整部２２が設けられている。第３流量調整部２２は、制御弁であり、制御装置９の制御に基づいて第３流量調整部２２を通過する水素ガスの流量を調整する。第３流量調整部２２は、第３開閉部２１の下流側に設けられている。分岐管路２０Ａは、第３開閉部２１および第３流量調整部２２の下流側で互いに枝分かれした複数の枝部２６を備える。枝部２６は、分配管路１８と同数設けられている。枝部２６のそれぞれは、分配管路１８のそれぞれに対して１対１で接続している。枝部２６は、第２流量調整部１９の下流側で分配管路１８に合流している。

図８は、図７に示す水素昇圧システムにおける供給管路および水素ガス昇圧部の接続を示す図である。
図８に示すように、水素ガス昇圧部７のセルユニット７１は、水素ガス昇圧部７の動作時における温度分布に基づいて分けられた複数の領域Ａ，Ｂを有する。複数の領域Ａ，Ｂは、単位セル８１の積層方向に並んでいる。セルユニット７１が有する単位セル８１のそれぞれは、複数の領域Ａ，Ｂのうちいずれかの領域に含まれる。複数の領域Ａ，Ｂは、所定条件で水素ガス昇圧部７を動作させた際の単位セル８１の温度に基づいて設定される。例えば、複数の領域Ａ，Ｂは、所定温度よりも高温となる単位セル８１を含む高温領域Ａと、所定温度よりも低温となる単位セル８１を含む低温領域Ｂと、である。上述したように、本実施形態のセルユニット７１は、積層方向の中間部において高温となり得る。このため、高温領域Ａは、セルユニット７１における単位セル８１の積層方向の中間部を含む。また、低温領域Ｂは、セルユニット７１における積層方向の両端部を含み、高温領域Ａを積層方向で挟むように設けられる。

分配管路１８の下流端は、セルユニット７１の複数の領域Ａ，Ｂそれぞれに１つずつ接続されている。各分配管路１８は、セルユニット７１の各領域Ａ，Ｂにおいて供給連通孔９１（図３参照）に連通している。各分配管路１８は、接続先の領域の単位セル８１に対し、他の領域の単位セル８１を介さずに水素を供給することを可能とされている。なお本実施形態において供給連通孔９１は、セルユニット７１の各領域Ａ，Ｂ間で連通を遮断されていてもよい。例えば、水素ガス昇圧部７は、分配管路１８の下流端が接続される流入口９４（図２参照）を、セルユニット７１の複数の領域Ａ，Ｂそれぞれに１つずつ備える。

＜湿潤制御運転＞
第３実施形態の水素昇圧システム１の制御方法について説明する。
第３実施形態では、セルユニット７１の複数の領域Ａ，Ｂそれぞれにおける湿潤状態に基づいて第２流量調整部１９を制御し、各領域Ａ，Ｂの単位セル８１に供給される水素ガスに含まれる水蒸気の供給量を調整する。例えば、複数の領域Ａ，Ｂそれぞれにおける湿潤状態は、第１実施形態と同様に電圧計１０３の計測値に基づいて判定してもよいし、第２実施形態と同様に膜抵抗計１０１の計測値に基づいて判定してもよい。また、制御装置９は、各領域Ａ，Ｂの計測値に基づいて各領域Ａ，Ｂの湿潤状態を判定してもよいし、複数の領域Ａ，Ｂのうち一部の領域の計測値に基づいて他の領域の湿潤状態を判定してもよい。

このように、本実施形態では、セルユニット７１は、水素ガス昇圧部７の動作時における温度分布に基づいて分けられた複数の領域Ａ，Ｂを有し、供給管路１０Ａの一部である分配管路１８は、セルユニット７１の複数の領域Ａ，Ｂそれぞれに少なくとも１つ接続されている。この構成によれば、セルユニット７１の温度分布に対応してプロトン交換膜８２の湿潤状態に分布が生じ得るところ、セルユニット７１における温度分布に基づいて分けられた複数の領域Ａ，Ｂに供給される水素ガスを第２流量調整部１９により各別に制御できるので、セルユニット７１内における湿潤状態のばらつきを抑制できる。したがって、水素ガス昇圧部７を高効率で運転させることができる。

また、分岐管路２０Ａは分配管路１８のそれぞれに合流し、制御装置９は、プロトン交換膜８２の湿潤状態に基づいて、第１開閉部１２および第３開閉部２１を制御して、分岐管路２０Ａへの水素ガスの流通を切り替える。これにより、プロトン交換膜８２において含水率が過多の状態にある場合に、単位セル８１に水素供給源５からドライ水素ガスを供給して、プロトン交換膜８２における含水率が過多の状態を解消できる。特に分岐管路２０Ａの枝部２６が分配管路１８のそれぞれに合流しているので、セルユニット７１の領域Ａ，Ｂのうち含水率が過多の状態にある単位セル８１を含む領域にドライ水素ガスを選択的に供給できる。これにより、プロトン交換膜８２における含水率が過多でない単位セル８１に対するドライ水素ガスの供給が過多となることを抑制できる。よって、プロトン交換膜８２の湿潤状態のばらつきを抑制しつつ、プロトン交換膜８２を良好な湿潤状態とすることができる。したがって、水素ガス昇圧部７を高効率で運転させることができる。

なお、本実施形態では、分岐管路２０Ａは分配管路１８のそれぞれに対して第２流量調整部１９の下流側で合流しているが、この構成に限定されない。すなわち、分岐管路は、供給管路１０Ａに対して第２流量調整部１９の上流側で合流していてもよい。

（第４実施形態）
＜電気化学式水素昇圧システム１Ｂの構成＞
図９は、第４実施形態に係る水素昇圧システムにおける供給管路および水素ガス昇圧部の接続を示す図である。
第４実施形態の水素昇圧システム１Ｂでは、単位セル８１それぞれに分配管路１８が１つずつ接続されている点で第３実施形態と異なる。なお、以下で説明する以外の構成は、第３実施形態と同様である。

図９に示すように、分配管路１８は、単位セル８１と同数設けられている。分配管路１８には、分岐管路２０Ａの枝部２６が１対１で接続されている。分配管路１８の下流端は、単位セル８１それぞれに１つずつ接続されている。各分配管路１８は、各単位セル８１において供給連通孔９１（図３参照）に連通している。各分配管路１８は、接続先の単位セル８１に対し、他の単位セル８１を介さずに水素を供給することを可能とされている。なお本実施形態において供給連通孔９１は、隣り合う単位セル８１間で連通を遮断されていてもよい。例えば、水素ガス昇圧部７は、分配管路１８の下流端が接続される流入口９４（図２参照）を、単位セル８１それぞれに１つずつ備える。

このように、本実施形態では、供給管路１０Ａの一部である分配管路１８は、セルユニット７１の複数の領域Ａ，Ｂそれぞれに少なくとも１つ接続されている。このため、第３実施形態と同様に作用効果を奏する。

さらに本実施形態では、分配管路１８は単位セル８１それぞれに接続されている。この構成によれば、各単位セル８１に供給される水素ガスを各別に制御できるので、セルユニット７１内における湿潤状態のばらつきをより一層抑制できる。したがって、水素ガス昇圧部７を高効率で運転させることができる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上記実施形態では、水素供給源５は、水素ガスが貯留されたカードルとされている。しかしながら水素供給源はこれに限定されず、例えば水電解装置であってもよい。

また、上記実施形態では水素ガス昇圧部は複数の単位セル８１を備えているが、単位セル８１の数はこれに限定されない。仮に単位セル８１が１つであっても、本発明によれば単位セル８１内で湿潤状態の分布を解消できるので、上述した作用効果を奏することができる。

また、上記第１実施形態では、制御装置９は、ステップＳ４１０において複数の単位セル８１のうち一対の単位セル８１におけるアノード８３およびカソード８４間の電圧の差を判定対象としている。しかし、制御装置９は、複数の単位セル８１のうちアノード８３およびカソード８４間の電圧が最も大きい単位セル８１における電圧を判定対象としてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上述した各実施形態を適宜組み合わせてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ…電気化学式水素昇圧システム ５…水素供給源 ７…水素ガス昇圧部（電気化学式水素昇圧装置） ９…制御装置 １０，１０Ａ…供給管路 １２…第１開閉部（切替部） １３…加湿器 １５…第１流量調整部（制御弁） １８…分配管路 １９…第２流量調整部（分配制御弁） ２０，２０Ａ…分岐管路 ２１…第３開閉部（切替部） ４２…第４開閉部（規制部） ４４…第３減圧部（規制部） ４７…第５開閉部（規制部） ８０…電源 ８１…単位セル ８２…プロトン交換膜（電解質膜） ８３…アノード ８４…カソード ９４…流入口 ９５…低圧側排出口（排出口） １０１…膜抵抗計（取得部） １０３…電圧計（取得部）

Claims (6)

1. 水素供給源と、
   電解質膜、および前記電解質膜の両面に設けられたアノードおよびカソードにより形成された単位セルを有し、前記アノードおよび前記カソード間に電流が印加されることで水素を昇圧する電気化学式水素昇圧装置と、
   前記水素供給源から排出される水素を前記電気化学式水素昇圧装置に導く供給管路と、
   を有する電気化学式水素昇圧システムであって、
   前記電気化学式水素昇圧装置は、
   前記水素供給源から供給された水素が流入する流入口と、
   前記流入口に流入した水素のうち未反応の水素が排出される排出口と、
   前記単位セルが積層されたセルユニットと、
   を有し、
   前記アノードおよび前記カソード間に印加される電流を供給する電源と、
   前記電解質膜の湿潤状態に関する情報を取得する取得部と、
   前記排出口の水素の排出を規制する規制部と、
   前記規制部を制御する制御装置と、
   前記供給管路に設けられ、前記供給管路を流通する水素を加湿する加湿器と、
   前記供給管路の一部であり、前記加湿器の下流側で分岐して前記電気化学式水素昇圧装置に接続された分配管路と、
   前記分配管路それぞれにおける水素の流量を制御する分配制御弁と、
   をさらに備え、
   前記セルユニットは、前記電気化学式水素昇圧装置の動作時における温度分布に基づいて分けられた複数の領域を有し、
   前記分配管路は、前記セルユニットの前記複数の領域それぞれに少なくとも１つ接続され、
   前記制御装置は、少なくとも前記湿潤状態に基づいて前記規制部を制御する、
   電気化学式水素昇圧システム。
2. 前記制御装置は、前記湿潤状態に基づいて前記規制部による規制状態を変化させ、前記排出口側に流通する水素の圧力を変化させる、
   請求項１に記載の電気化学式水素昇圧システム。
3. 前記単位セルのそれぞれには、前記分配管路が接続される、
   請求項１に記載の電気化学式水素昇圧システム。
4. 前記加湿器の上流側で前記供給管路から分岐する分岐管路と、
   前記分岐管路への水素の流通を切り替える切替部と、
   をさらに備え、
   前記分岐管路は、前記分配管路のそれぞれに合流し、
   前記制御装置は、前記湿潤状態に基づいて前記切替部を制御する、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電気化学式水素昇圧システム。
5. 前記供給管路に設けられ、前記水素供給源から排出された水素の流量を制御する制御弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記排出口側に流通する水素の圧力が所定値未満となるように前記制御弁を制御する、
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電気化学式水素昇圧システム。
6. 前記供給管路に設けられ、前記水素供給源から排出された水素の流量を制御する制御弁をさらに備え、
   前記制御装置は、前記アノードおよび前記カソード間への電流の印加状態に応じて前記制御弁を制御する、
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電気化学式水素昇圧システム。

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