WO2020095543A1 - 電気化学式水素圧縮装置および電気化学式水素圧縮装置の運転方法 - Google Patents

電気化学式水素圧縮装置および電気化学式水素圧縮装置の運転方法 Download PDF

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dew point
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脇田　英延
藥丸　雄一
鵜飼　邦弘
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Definitions

  • the present disclosure relates to an electrochemical hydrogen compression device and a method of operating an electrochemical hydrogen compression device.
  • Patent Document 1 describes a hydrogen purification pressure boosting system in which hydrogen is purified and pressure is increased by applying a voltage between an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane. Specifically, when a current flows between the anode and the cathode, the hydrogen of the anode becomes a proton, and the proton moves from the anode to the cathode while moving along with the water molecule in the electrolyte membrane and is returned to the hydrogen at the cathode. Be done.
  • the laminated structure of the anode, the electrolyte membrane and the cathode is referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter, MEA: Membrane Electrode Assembly).
  • the surplus power of renewable energy called P2G is used to store hydrogen obtained by water electrolysis in a hydrogen storage device to obtain renewable energy. It is possible to construct a system capable of coping with the time difference between the electric power and the electric power demand.
  • the hydrogen purification booster system disclosed in Patent Document 1 can be used to store hydrogen obtained by the water electrolysis device in a hydrogen storage device at high pressure (for example, about 20 MPa).
  • hydrogen obtained by reforming city gas or the like is stored at a high pressure (for example, about 40 MPa) in a hydrogen storage device, so that a hydrogen source for a forklift equipped with a fuel cell is stored.
  • a high pressure for example, about 40 MPa
  • a hydrogen source for a forklift equipped with a fuel cell is stored.
  • One aspect (aspect) of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and provides an electrochemical hydrogen compression apparatus and an operation method of an electrochemical hydrogen compression apparatus capable of improving the efficiency of hydrogen compression operation as compared with the related art. provide.
  • An electrochemical hydrogen compression device is a proton-conducting electrolyte membrane having a pair of main surfaces, a cathode provided on one main surface of the electrolyte membrane, and another main surface of the electrolyte membrane.
  • a cell including the anode, a voltage applicator that applies a voltage between the anode and the cathode, a dew point adjuster that adjusts the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode, and the temperature of the cell is And a controller that raises the dew point of the hydrogen-containing gas by controlling the dew point regulator when the temperature rises.
  • the method for operating an electrochemical hydrogen compression device is a proton-conducting electrolyte membrane having a pair of main surfaces, a cathode provided on one main surface of the electrolyte membrane, and the other of the electrolyte membranes.
  • the electrochemical hydrogen compression device and the method of operating the electrochemical hydrogen compression device according to one embodiment of the present disclosure have an effect that the efficiency of the hydrogen compression operation can be improved as compared with the related art.
  • FIG. 1A is a diagram showing an example of calculation results of a heating amount, a heating time and a latent heat amount of a calculation model when the dew point of the hydrogen-containing gas is adjusted.
  • FIG. 1B is a diagram showing an example of calculation results of a heating amount, a heating time and a latent heat amount of a calculation model when the dew point of the hydrogen-containing gas is fixed.
  • FIG. 2A is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen compression device of the embodiment.
  • FIG. 2B is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen compression device of the embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system including the electrochemical hydrogen compression device of the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system including an electrochemical hydrogen compression device of a modified example of the embodiment.
  • FIG. 5 is a figure which shows an example of the hydrogen supply system provided with the electrochemical-type hydrogen compression apparatus of the 4th Example of embodiment.
  • Drawing 6 is a figure showing an example of the hydrogen supply system provided with the electrochemical hydrogen compression device of a 5th example of an embodiment.
  • an electrochemical hydrogen compression device using a solid polymer electrolyte membrane (hereinafter referred to as an electrolyte membrane)
  • hydrogen (H 2 ) at the anode is protonated and moved to the cathode, and protons (H + ) are returned to hydrogen (H 2 ) at the cathode.
  • the pressure of hydrogen is increased.
  • the electrolyte membrane the proton conductivity increases under the conditions of high temperature and high humidification (for example, about 60 ° C.), and the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression device improves.
  • a hydrogen source of an electrochemical hydrogen compression device for example, a high-humidity hydrogen-containing gas generated by water electrolysis or a high-humidity hydrogen-containing gas generated by a reforming reaction of a hydrocarbon compound is used. It is used as an anode gas in a chemical hydrogen compressor. In this case, the hydrogen-containing gas in a high humidity state having a dew point of about 80 ° C. is supplied to the MEA anode.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas is too high than the temperature of the MEA, water may condense in the MEA and the MEA catalyst may be submerged. Then, the condensed water may cause flooding at the MEA anode.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas is too lower than the temperature of the MEA, it may be difficult to maintain the wet state of the electrolyte membrane necessary to secure high proton conductivity of the electrolyte membrane.
  • a hydrogen-containing gas whose dew point is approximately equal to the MEA temperature (full humidification) or slightly higher than the MEA temperature is supplied to the MEA anode. Then, as the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression device progresses, at least a part of hydrogen (protons) of the hydrogen-containing gas existing in the anode of the MEA moves to the cathode while entraining water, and thus the hydrogen-containing gas. Part of the water vapor of the is condensed.
  • the amount of hydrogen in the hydrogen-containing gas discharged from the anode is about 30% of the amount of hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode.
  • the hydrogen-containing gas discharged from the anode is in a fully humidified state. Therefore, the amount of water vapor in the hydrogen-containing gas supplied to the anode is also in the hydrogen-containing gas supplied to the anode. It becomes about 30% of the amount of water vapor. The remaining water vapor is drained from the anode as condensed water, or is carried along with protons as electroosmotic water to move from the anode to the cathode.
  • the amount of saturated vapor that can exist in the cathode is constant, so that the amount of vapor that exceeds the amount of saturated vapor condenses. That is, it is considered that about 70% of the amount of water vapor in the hydrogen-containing gas supplied to the anode is condensed by the MEA.
  • the latent heat generated during the water vapor condensation can be used to raise the temperature of the MEA.
  • the heat generated by the IR loss according to the current flowing through the electrolyte membrane can also be used for the temperature increase of the MEA.
  • the heat balance simulation from the temperature (for example, 25 ° C) at the time of starting the electrochemical hydrogen compression device to a predetermined temperature (for example, 65 ° C) is an unsteady analysis. Therefore, it is often difficult to perform a numerical analysis simulation using a calculation model that accurately reproduces the electrochemical hydrogen compression device.
  • an electrode having a catalyst layer with a diameter of 67 mm and a height of 150 mm (corresponding to an electrode having a height of 150 mm in a stack of 11 steps) is formed by a hollow cylinder made of SUS316 having a thickness of 75 mm.
  • a calculation model when covered is assumed. Even with such a simple calculation model, it is considered possible to know the approximate heat balance of the electrochemical hydrogen compression device.
  • the electrode temperature was 30 ° C and the surrounding environmental temperature was 25 ° C.
  • the physical property conditions are 5.67 ⁇ 10 ⁇ 8 W / m 2 ⁇ K 4 as the Stefan Boltzmann constant, 16.7 W / m ⁇ K as the thermal conductivity of SUS316, and the convection of SUS316 when air cooling is not performed.
  • a heat transfer coefficient of 7.5 W / m 2 ⁇ K and a surface emissivity of SUS316 of 0.5 were used.
  • heat radiation amount Q RA The outer surface temperature T SUR (outer side surface temperature of the hollow cylindrical body) of the calculation model when it becomes equal to the amount of heat passing through was derived.
  • the heat capacity C when the stack is arranged in the hollow cylinder was derived from the ratio of the constituent materials of the stack.
  • the temperature rise time T required for the electrode to heat the calculation model from 25 ° C to 30 ° C was derived. That is, the temperature rise time T can be known from the heating amount Q (heating amount Q is a function of time) and the heat capacity C that can be used for heating the calculation model. The heat transfer coefficient was roughly estimated and the validity of this calculation was confirmed.
  • the temperature of the electrode and the dew point of the hydrogen-containing gas are increased by 5 ° C., and the heat radiation amount Q RA at each temperature of 30 ° C., 35 ° C .... 65 ° C. is increased until these temperatures reach 65 ° C.
  • the amount of heat Q IR generated by IR loss, the amount of latent heat Q LA , and the temperature rise time T were derived.
  • FIG. 1A is a diagram showing an example of calculation results of a heating amount, a heating time and a latent heat amount of a calculation model when the dew point of the hydrogen-containing gas is adjusted. Specifically, the temperature of the electrode and the dew point of the hydrogen-containing gas are increased by 5 ° C., and the heating amount Q at each temperature of 30 ° C., 35 ° C .... 65 ° C. is increased to 65 ° C. (Black circles), the amount of latent heat Q LA (black triangles) and the temperature rise time T (black squares) are plotted in FIG. 1A.
  • the numerical value on the horizontal axis in FIG. 1A represents the temperature (° C.) of the electrode, and the numerical value on the vertical axis in FIG. 1A represents both the time (h) and the amount of heat (W).
  • the heating amount Q shows a positive value in the entire range of the electrode temperature of 30 ° C. to 65 ° C. That is, the total heat quantity Q T obtained by adding the heat quantity Q LA of latent heat to the heat quantity Q IR generated by IR loss is the above heat radiation quantity Q RA in the entire electrode temperature range of 30 ° C. to 65 ° C. (Q T > Q RA ), it was verified that the calculation model can be appropriately heated by the latent heat generated during water vapor condensation and the heat generated by IR loss.
  • FIG. 1B is a diagram showing an example of calculation results of a heating amount, a heating time and a latent heat amount of a calculation model when the dew point of the hydrogen-containing gas is fixed. Specifically, with the dew point of the hydrogen-containing gas fixed at 30 ° C., the temperature of the electrode is increased by 5 ° C. until the temperature reaches 65 ° C., 30 ° C., 35 ° C .... 65 ° C., respectively.
  • the amount of heating Q black circle
  • the amount of latent heat Q LA black triangle
  • the temperature rise time T black square
  • the numerical value on the horizontal axis in FIG. 1B represents the temperature (° C.) of the electrode
  • the numerical value on the vertical axis in FIG. 1A represents both the time (h) and the amount of heat (W).
  • the heating amount Q shows a negative value. That is, the total heat quantity Q T obtained by adding the heat quantity Q LA of latent heat to the heat quantity Q IR generated by IR loss is lower than the heat radiation quantity Q RA when the electrode temperature exceeds about 50 ° C. (Q T ⁇ Q RA ), in the temperature range in which the electrode temperature exceeds about 50 ° C., it is considered difficult to heat the calculation model due to the latent heat generated during water vapor condensation and the heat generated by IR loss. It should be noted that performing a hydrogen compression operation in a high-temperature electrochemical hydrogen compression device using a low-humidification hydrogen-containing gas may result in dry-up of the electrolyte membrane. Therefore, in reality, it is considered necessary to control the temperature of the electrode to about 40 ° C.
  • the inventors can reduce the energy consumption of the heat source and heat the MEA to an appropriate temperature by utilizing the latent heat generated at the time of steam condensation and the heat generated by IR loss for heating the MEA.
  • the following one aspect of the present disclosure was conceived.
  • the electrochemical hydrogen compression device is a proton-conducting electrolyte membrane having a pair of main surfaces, a cathode provided on one main surface of the electrolyte membrane, and the other main surface of the electrolyte membrane.
  • a cell including the provided anode, a voltage applicator for applying a voltage between the anode and the cathode, a dew point adjuster for adjusting the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode, and when the temperature of the cell rises, And a controller that controls the dew point adjuster to raise the dew point of the hydrogen-containing gas.
  • the electrochemical hydrogen compression device of this aspect can improve the efficiency of the hydrogen compression operation as compared with the conventional case.
  • the latent heat generated during condensation of water vapor and the heat generated by IR loss can be used for heating the cell of the electrochemical hydrogen compression device, so that the electrochemical hydrogen compression device can be efficiently heated to a desired temperature. Can be warmed.
  • the temperature of the cell of the electrochemical hydrogen compression device rises, if the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode is constant, the proton conductivity of the electrolyte membrane will increase as the temperature of the cell increases. It decreases because the relative humidity decreases. Then, the voltage required for the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression apparatus increases, and the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression apparatus may decrease.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode is raised by the dew point regulator, so the above possibility can be reduced.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus of this aspect can effectively utilize the latent heat generated at the time of steam condensation for cell heating even if the temperature of the cell of the electrochemical hydrogen compression apparatus rises.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to the first aspect, wherein the controller controls the dew point regulator so that the humidified hydrogen-containing gas is supplied to the anode upon starting. You may.
  • electrochemical hydrogen compression equipment requires a design that can withstand the pressure of high-pressure gas, for example, cells are often covered with highly rigid metal members with a large thickness. Therefore, since the electrochemical hydrogen compression device has a high heat capacity, it is considered that the electrochemical hydrogen compression device is relatively difficult to cool when the electrochemical hydrogen compression device has a high temperature. On the other hand, the cell temperature is often room temperature when the electrochemical hydrogen compression device is started. Therefore, in this case, the temperature raising operation of the cell of the electrochemical hydrogen compression device is required.
  • the electrochemical hydrogen compressor of the present embodiment effectively applies the cell heating based on the utilization of latent heat generated at the time of steam condensation to the anode by supplying the hydrogen-containing gas that has been humidified from the start to the anode.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to the first aspect or the second aspect, wherein the controller controls the voltage application device to control the hydrogen-containing gas supplied to the anode. It is not necessary to compress a part of the hydrogen in the above and the rest.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus of the present embodiment recycles a part of hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode as in the control described above, so that the condensed water staying in the anode is converted into the hydrogen-containing gas. It can be drained out of the anode by the action of the flow. Therefore, the electrochemical hydrogen compression device of this aspect can reduce the possibility of flooding occurring at the anode, as compared with the case where all the hydrogen in the hydrogen-containing gas is compressed from the anode of the cell to the cathode.
  • the electrode temperature of the calculation model is set to 65 ° C. and the ambient environmental temperature is set to 25 ° C.
  • the hydrogen-containing gas (full humidification) having a dew point of 65 ° C. is supplied to the calculation model.
  • the heating amount Q was derived under the same conditions as above.
  • the convection heat transfer coefficient of SUS316 by forced air cooling is about 7.5 to 100 W / m 2 ⁇ K, this value is sufficient to control the cell temperature of the electrochemical hydrogen compressor by air cooling. Means there is.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to any one of the first to third aspects, including a cooler for cooling the cell, and the controller includes When the amount of heat generation increases, the cooler may be operated.
  • the cell temperature of the electrochemical hydrogen compression device can be easily controlled by air cooling compared to the case where cooling water or the like is circulated in the cell.
  • An electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to any one of the first to fourth aspects, wherein the hydrogen-containing gas contains a hydrogen-containing gas generated by water electrolysis. It may be.
  • the hydrogen-containing gas produced by water electrolysis contains water vapor.
  • the hydrogen-containing gas generated by water electrolysis is in a high humidity state with a dew point of about 80 ° C. Therefore, the electrochemical-type hydrogen compression device of this aspect can suitably use the hydrogen-containing gas generated by water electrolysis as the hydrogen-containing gas supplied to the anode.
  • An electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to any one of the first to fifth aspects, wherein the hydrogen-containing gas contains hydrogen generated by a reforming reaction of a hydrocarbon compound. It may contain gas.
  • the hydrogen-containing gas produced by the reforming reaction of a hydrocarbon compound contains water vapor.
  • the hydrogen-containing gas produced by the reforming reaction of a hydrocarbon compound is in a high humidity state with a dew point of about 80 ° C. Therefore, the electrochemical hydrogen compression apparatus of this aspect can suitably use the hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction of the hydrocarbon compound as the hydrogen-containing gas supplied to the anode.
  • An electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to any one of the first to sixth aspects, in which the dew point regulator includes a condenser, and the controller controls that the temperature of the cell is Upon rising, the condenser may be controlled to reduce the amount of water condensed from the hydrogen-containing gas supplied to the anode.
  • the condensation amount of water from the hydrogen-containing gas is reduced in the condenser, so that the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode is reduced. Can be raised appropriately.
  • the latent heat generated during condensation of water vapor in the cell is effectively used for heating the cell while flooding the anode. Can be suppressed and the electrolyte membrane can be prevented from drying up.
  • a hydrogen-containing gas whose dew point is substantially equal to the cell temperature or slightly higher than the cell temperature is supplied to the cell anode.
  • An electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to any one of the first to sixth aspects, in which the dew point regulator includes a humidifier and the controller controls that the temperature of the cell is When the temperature rises, the humidifier may be controlled to increase the humidification amount of the hydrogen-containing gas supplied to the anode.
  • the dew point regulator includes a humidifier and the controller controls that the temperature of the cell is When the temperature rises, the humidifier may be controlled to increase the humidification amount of the hydrogen-containing gas supplied to the anode.
  • the humidification amount of the hydrogen-containing gas is increased in the humidifier to appropriately adjust the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode. Can be raised.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas close to the temperature of the cell by increasing or decreasing the humidification amount of the humidifier, the latent heat generated during condensation of water vapor in the cell is effectively used for heating the cell, while flooding at the anode occurs. It is possible to prevent the occurrence and the dry-up of the electrolyte membrane. At this time, it is desirable that a hydrogen-containing gas whose dew point is substantially equal to the cell temperature or slightly higher than the cell temperature is supplied to the cell anode.
  • An electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to any one of the first to eighth aspects, wherein the controller controls the dew point adjuster to control the dew point of the hydrogen-containing gas. Is adjusted to a cell temperature of + 5 ° C. or lower, and when the temperature of the cell rises, the dew point adjuster is controlled to raise the dew point of the hydrogen-containing gas.
  • the described electrochemical hydrogen compression device controls the dew point adjuster to control the dew point of the hydrogen-containing gas.
  • An electrochemical hydrogen compression apparatus is the electrochemical hydrogen compression apparatus according to any one of the first to eighth aspects, wherein the controller controls the dew point adjuster to control the dew point of the hydrogen-containing gas.
  • the controller controls the dew point adjuster to control the dew point of the hydrogen-containing gas.
  • a method for operating an electrochemical hydrogen compression device comprising: a proton-conducting electrolyte membrane having a pair of main surfaces; a cathode provided on one main surface of the electrolyte membrane; and the other main surface of the electrolyte membrane.
  • the operation method of the electrochemical hydrogen compression device of this aspect can improve the efficiency of hydrogen compression operation as compared with the conventional method.
  • the operational effects of the method for operating the electrochemical hydrogen compression device of the present aspect are the same as the operational effects of the electrochemical hydrogen compression device of the first aspect, so detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 2A and Drawing 2B are figures showing an example of the electrochemical hydrogen compression device of an embodiment.
  • FIG. 2B shows a plan view of the anode gas diffusion plate 31 of the electrochemical hydrogen compression device 100.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 includes a cell 40, a voltage applicator 21, a dew point adjuster 22, and a controller 50.
  • the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100 includes the electrolyte membrane 1, the anode AN, the cathode CA, the cathode separator 5C, and the anode separator 5A.
  • the electrolyte membrane 1 is a membrane having a pair of main surfaces and having proton (H + ) conductivity.
  • the electrolyte membrane 1 may have any structure as long as it is a membrane having proton conductivity.
  • examples of the electrolyte membrane 1 include a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based electrolyte membrane.
  • the electrolyte membrane 1 for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), or the like can be used, but the electrolyte membrane 1 is not limited thereto.
  • the cathode CA is provided on one main surface of the electrolyte membrane 1.
  • the anode AN is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 1.
  • the anode AN is composed of an anode gas diffusion plate 31, an anode catalyst layer 2A and an anode gas diffusion layer 3A.
  • the cathode CA is composed of a cathode catalyst layer 2C and a cathode gas diffusion layer 3C.
  • the cathode catalyst layer 2C is provided on one main surface of the electrolyte membrane 1.
  • the cathode catalyst layer 2C may include, for example, Pt as a catalyst metal, but is not limited thereto.
  • a seal member is provided so as to surround the periphery of the cathode catalyst layer 2C in a plan view, and the hydrogen-containing gas of the cathode CA is appropriately provided by this seal member. It is sealed.
  • the anode catalyst layer 2A is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 1.
  • the anode catalyst layer 2A may include, for example, platinum (Pt) as a catalyst metal, but is not limited thereto.
  • Pt platinum
  • a seal member is provided so as to surround the periphery of the anode catalyst layer 2A in a plan view, and the hydrogen-containing gas of the anode AN is appropriately provided by this seal member. It is sealed.
  • the method for preparing the catalyst for both the cathode catalyst layer 2C and the anode catalyst layer 2A may be various methods, but is not particularly limited.
  • the carrier for the catalyst include conductive oxide powder and carbon-based powder.
  • the carbon-based powder include powders of graphite, carbon black, activated carbon having electrical conductivity, and the like.
  • the method of supporting platinum or other catalytic metal on a carrier such as carbon is not particularly limited.
  • a method such as powder mixing or liquid phase mixing may be used.
  • Examples of the latter liquid phase mixing include a method of dispersing a carrier such as carbon in a catalyst component colloidal liquid and adsorbing it.
  • the loading state of the catalytic metal such as platinum on the carrier is not particularly limited.
  • the catalyst metal may be finely divided and highly dispersed and supported on a carrier.
  • the anode gas diffusion layer 3A is provided on the anode catalyst layer 2A via the anode gas diffusion plate 31.
  • the anode gas diffusion layer 3A is made of, for example, a porous body, and has corrosion resistance, conductivity, and gas diffusion property. Further, the anode gas diffusion layer 3A is made of a high-rigidity material capable of suppressing the displacement and deformation of the components generated by the pressure difference between the anode AN and the cathode CA during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression device 100. Is desirable.
  • the anode separator 5A is provided so as to cover one main surface and the side surface of the anode gas diffusion layer 3A. Specifically, the anode gas diffusion layer 3A is housed in the recess of the central portion of the anode separator 5A. Then, for example, a serpentine-shaped anode channel 6 is formed on the main surface of the anode separator 5A with which the anode gas diffusion layer 3A is in contact. As a result, the hydrogen-containing gas that has flowed into the anode inlet 6 IN from the outside through the anode gas introduction path 26 passes through the anode flow path 6 between the anode inlet 6 IN and the anode outlet 6 OUT .
  • part of the hydrogen-containing gas flowing through the anode flow path 6 is supplied to the anode gas diffusion layer 3A.
  • the hydrogen-containing gas that has passed through the anode outlet 6 OUT is discharged to the outside through the anode gas lead-out path 27.
  • the anode flow path 6 may be formed by providing a serpentine-shaped slit hole in a plate member different from the anode separator 5A and integrally joining the both, or the main surface of the anode separator 5A may be formed by the serpentine. It may be formed by processing a channel groove. Further, the anode flow channel 6 does not necessarily have to be configured by a serpentine flow channel.
  • the anode channel 6 may be composed of a plurality of linear channels.
  • the anode separator 5A is made of, for example, a metal member, and has corrosion resistance and conductivity.
  • the material of the anode separator 5A for example, titanium plated with platinum can be used.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 may be provided with a circular anode gas diffusion plate 31.
  • the anode gas diffusion plate 31 has a circular central portion 31A that contacts the other main surface of the anode gas diffusion layer 3A and the anode catalyst layer 2A, and an annular peripheral portion 31B that contacts the anode separator 5A and the electrolyte membrane 1. Equipped with.
  • vent holes are formed in the central portion 31A of the anode gas diffusion plate 31.
  • the vent holes may be, for example, openings of about several tens of microns that are evenly provided at intervals of several tens of microns, but the sizes and intervals of the vent holes are not limited to this.
  • the vent holes can be formed by laser processing, for example.
  • the anode gas diffusion plate 31 is made of, for example, a metal plate and has corrosion resistance and conductivity.
  • a titanium plate plated with platinum can be used as the anode gas diffusion plate 31, for example, a titanium plate plated with platinum.
  • An annular seal member (not shown) is provided on the peripheral portion 31B (flat portion) of the anode gas diffusion plate 31 via the electrolyte membrane 1. Therefore, the electrolyte membrane 1 is pressed against the peripheral portion 31B of the anode gas diffusion plate 31 by this sealing member.
  • the seal member for example, an O ring can be used.
  • anode gas diffusion plate 31 and seal member are examples, and the present invention is not limited to this example.
  • the anode gas diffusion plate 31 is composed of a circular plate, but is not limited to this.
  • the shape of the anode gas diffusion layer 3A in plan view is, for example, a rectangular shape
  • the shape of the anode gas diffusion plate 31 in plan view may be rectangular, or the shape of the seal member in plan view may be rectangular. It may be.
  • the cathode gas diffusion layer 3C is provided on the cathode catalyst layer 2C.
  • the cathode gas diffusion layer 3C is made of, for example, a porous body or the like, and has corrosion resistance, conductivity, and gas diffusion property.
  • the cathode gas diffusion layer 3C may be formed of a porous body having corrosion resistance and conductivity, such as a titanium fiber sintered body plated with platinum.
  • the cathode gas diffusion layer 3C is made of an elastic material that is hard to buckle and can follow displacement and deformation of constituent members generated by a pressure difference between the anode AN and the cathode CA during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression device 100. It is better to do.
  • the cathode separator 5C is provided so as to cover the main surface and the side surface of the cathode gas diffusion layer 3C. Specifically, the cathode gas diffusion layer 3C is housed in the recess in the central portion of the cathode separator 5C.
  • a cathode flow path 7 is provided at an appropriate position of the cathode separator 5C for discharging the high-pressure hydrogen-containing gas existing in the cathode gas diffusion layer 3C to the outside through the cathode gas discharge path 28.
  • the number of the cathode channels 7 may be one as shown in FIG. 2A or may be two or more.
  • the cathode separator 5C is made of, for example, a metal member, and has corrosion resistance and conductivity.
  • As the material of the cathode separator 5C for example, platinum-plated titanium or the like can be used.
  • the outer peripheral portion of the cathode separator 5C is in contact with the electrolyte membrane 1. Then, an annular groove may be formed at an appropriate position on the outer peripheral portion, and the seal member may be fitted in the annular groove.
  • the shape of the cathode separator 5C may be a bottomed cylinder or a bottomed rectangular cylinder. However, by configuring the cathode separator 5C with a cylindrical body, it is possible to improve the resistance of the cathode separator 5C to the gas pressure, as compared with the case where it is configured with a rectangular tubular body.
  • the voltage applicator 21 is a device that applies a voltage between the anode AN and the cathode CA.
  • the voltage applicator 21 may have any configuration as long as it can apply a voltage between the anode AN and the cathode CA.
  • the high potential side terminal of the voltage applying device 21 is connected to the anode AN
  • the low potential side terminal of the voltage applying device 21 is connected to the cathode CA.
  • the voltage application device 21 is used to supply electricity between the anode AN and the cathode CA.
  • the voltage applicator 21 may be, for example, a DC / DC converter, an AC / DC converter, or the like.
  • the DC / DC converter is used when the voltage applicator 21 is connected to a DC power source such as a solar cell, a fuel cell or a battery.
  • the AC / DC converter is used when the voltage applicator 21 is connected to an AC power supply such as a commercial power supply.
  • the voltage applicator 21 flows between the anode AN and the cathode CA and the voltage applied between the anode AN and the cathode CA so that the electric power supplied to the electrochemical hydrogen compression device 100 has a predetermined set value, for example. It may be a power type power supply whose current is regulated.
  • the dew point adjuster 22 is a device that adjusts the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN. Specifically, the dew point adjuster 22 is provided on the anode gas introduction path 26 for introducing the hydrogen-containing gas to the anode inlet 6 IN .
  • the dew point adjuster 22 may have any configuration as long as it can adjust the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • Examples of the dew point adjuster 22 include a humidifier that humidifies a hydrogen-containing gas, a condenser that condenses water vapor in the hydrogen-containing gas, and the like.
  • Dew point adjustment when using a humidifier is performed, for example, by either adjusting the amount of humidification by the humidifier or adjusting the ratio of the amount of hydrogen-containing gas that passes through the humidifier and the amount of hydrogen-containing gas that bypasses the humidifier.
  • the amount of humidification by the humidifier can be adjusted by adjusting the heating amount of the heater provided in the humidifier, adjusting the amount of water supplied to the humidifier, or adjusting the amount of humidified gas supplied to the humidifier. Executed. Further, the hydrogen-containing gas that has bypassed the humidifier merges with the hydrogen-containing gas that has passed through the humidifier before being introduced into the anode AN.
  • Dew point adjustment when using a condenser is performed, for example, by adjusting the amount of condensation by the condenser or adjusting the ratio of the amount of hydrogen-containing gas that passes through the condenser and the amount of hydrogen-containing gas that bypasses the condenser. To be done.
  • the adjustment of the amount of condensation by the condenser is performed by adjusting the amount of cooling of the cooler provided in the condenser.
  • the controller 50 controls the dew point adjuster 22 to increase the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN when the temperature of the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100 rises. For example, at start-up, the controller 50 may control the dew point regulator 22 so that the humidified hydrogen-containing gas is supplied to the anode AN.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 may be provided with a detector (not shown) that detects the temperature of the cell 40.
  • a detector include, but are not limited to, a thermocouple and the like.
  • the controller 50 includes, for example, an arithmetic circuit (not shown) and a storage circuit (not shown) that stores a control program.
  • the arithmetic circuit may be, for example, an MPU or CPU.
  • the memory circuit for example, a memory can be given.
  • the controller 50 may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that cooperate with each other to perform distributed control.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 is configured by stacking about 10 to 200 cells 40 including the MEA, the anode separator 5A, and the cathode separator 5C to form a stack, and collecting the stack.
  • the end plates may be sandwiched via a plate and an insulating plate, and both end plates may be fastened with a fastening rod or the like.
  • the number of cells 40 can be set to an appropriate number based on the operating conditions of the electrochemical hydrogen compression device 100.
  • sealing members such as O-rings and gaskets may be provided from both sides of the MEA so that the high-pressure gas does not leak to the outside from the electrochemical hydrogen compression device, and the MEA may be integrated with the MEA in advance.
  • the electrically conductive anode separator 5A and cathode separator 5C for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series are arranged outside the MEA.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 of the present embodiment may not be provided with a heater for heating the cell 40, or may be provided with a heater (not shown).
  • the heater may be an electric heater or a flow path through which a heating fluid flows.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system including the electrochemical hydrogen compression device of the embodiment.
  • the hydrogen supply system 200 includes an electrochemical hydrogen compression device 100, a gas supply device 23, and a hydrogen storage device 25. Note that, in FIG. 3, for convenience, the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100 of FIG. 2A is simplified and the voltage applicator 21 is omitted.
  • the dew point adjuster 22 of the electrochemical hydrogen compression device 100 of FIG. 2A uses the hydrogen-containing gas exhausted from the anode outlet 6 OUT through the anode gas lead-out path 27 and the anode gas introduction path 26.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas (mixed gas) mixed with the hydrogen-containing gas supplied from the hydrogen source is adjusted. That is, the anode gas lead-out path 27 is a recycling flow path for supplying the hydrogen-containing gas discharged from the anode outlet 6 OUT into the anode gas introduction path 26 upstream of the dew point adjuster 22 and the gas supplier 23. is there.
  • the hydrogen-containing gas whose dew point is adjusted by the dew point adjuster 22 is supplied to the anode inlet 6 IN through the anode gas introduction path 26.
  • a configuration of reuse (recycling) of the hydrogen-containing gas is an example and is not limited to this example.
  • the entire hydrogen-containing gas supplied to the anode inlet 6 IN through the anode gas introduction passage 26 may be compressed from the anode AN of the cell 40 to the cathode CA.
  • the gas supply device 23 is a device that is provided on the anode gas introduction path 26 and supplies the hydrogen-containing gas from the hydrogen source to the anode inlet 6 IN of the anode AN.
  • the gas supplier 23 may have any configuration as long as it can supply such a hydrogen-containing gas.
  • the gas supplier 23 may be a device that adjusts the flow rate of the hydrogen-containing gas flowing through the anode gas introduction path 26.
  • the gas supplier 23 is composed of, for example, a booster and a flow rate adjusting valve, but may be composed of either one of them.
  • the booster include a pump.
  • the hydrogen storage device 25 is a device that stores high-pressure hydrogen (H 2 ) derived from the cathode flow path 7 (see FIG. 2A) of the cathode CA through the cathode gas delivery path 28.
  • the hydrogen storage device 25 may have any configuration as long as it can store high-pressure hydrogen.
  • a tank can be cited.
  • the hydrogen stored in the hydrogen storage device 25 can be supplied to the hydrogen consuming body (not shown) in a timely manner by opening an opening / closing valve (not shown). Examples of hydrogen consumers include fuel cells.
  • a condenser that removes water in the high-pressure hydrogen-containing gas that has been discharged from the cathode flow path 7 of the cathode CA (see FIG. 2A) and has not flowed into the hydrogen storage device 25 is provided on the cathode gas outlet path 28. It may be. At this time, an opening / closing valve may be provided in the cathode gas lead-out path 28 between the condenser and the cathode flow path 7 of the cathode CA.
  • an opening / closing valve and a check valve may be provided in the anode gas lead-out path 27.
  • the check valve is arranged so that the hydrogen-containing gas discharged from the anode outlet 6 OUT takes a forward direction toward the connecting portion between the anode gas outlet passage 27 and the anode gas inlet passage 26. ..
  • the hydrogen-containing gas in the anode gas lead-out path 27 is suppressed from flowing backward.
  • the following operation may be performed, for example, by the arithmetic circuit of the controller 50 reading the control program from the memory circuit of the controller 50. However, it is not always necessary for the controller 50 to perform the following operations. The operator may perform some of the operations.
  • the hydrogen-containing gas is supplied to the anode AN of the electrochemical hydrogen compression device 100 through the anode gas introduction path 26, and the power of the voltage application device 21 is supplied to the electrochemical hydrogen compression device 100.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 when the temperature of the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 rises in the operation of supplying the compressed hydrogen from the anode AN to the CA cathode, the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN. The operation to raise the dew point of is performed.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of this embodiment and the method of operating the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 can improve the efficiency of the hydrogen compression operation as compared with the conventional method. Specifically, since the latent heat generated at the time of steam condensation and the heat generated by IR loss can be utilized for cell heating of the electrochemical hydrogen compression device 100, the electrochemical hydrogen compression device 100 can be efficiently used at a desired temperature. Can be heated up to.
  • the amount of hydrogen in the hydrogen-containing gas discharged from the anode AN is about 30% of the amount of hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the hydrogen-containing gas discharged from the anode AN is in a fully humidified state, so the amount of water vapor in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN is also the hydrogen supplied to the anode AN. It becomes about 30% of the amount of water vapor in the contained gas.
  • the remaining water vapor is discharged from the anode AN as condensed water or is accompanied by protons as electroosmotic water and moves from the anode to the cathode CA.
  • the cathode CA is sealed, if the temperature is constant, the amount of saturated vapor that can exist in the cathode CA is constant, so that the amount of vapor that exceeds the amount of saturated vapor condenses. That is, it is considered that about 70% of the amount of water vapor in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN is condensed in the cell 40.
  • the latent heat generated at the time of water vapor condensation can be utilized for increasing the temperature of the cell 40.
  • the latent heat generated at the time of steam condensation and the heat generated by IR loss cause the electrochemical hydrogen compression device 100 to lose heat.
  • the fact that the cell 40 can be properly heated has been verified by the calculation results using a simple calculation model.
  • the above description regarding steam condensation is an example and is not limited to this example.
  • the temperature of the cell 40 is higher than the ambient environmental temperature, and the cathode channel 7 is provided so as to extend in the vertical direction as shown in FIG. 2A and its discharge port opens upward. Therefore, even if the cathode CA is open, the water vapor in the hydrogen discharged from the cathode channel 7 is likely to condense near the outlet of the cathode channel 7. Therefore, even when the cathode CA is opened, about 70% of the amount of water vapor in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN is condensed in the cell 40 or in the vicinity thereof. Can be appropriately used for increasing the temperature of the cell 40.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN is constant when the temperature of the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100 rises, the proton conductivity of the electrolyte membrane 1 increases as the temperature of the cell 40 rises. As a result, the relative humidity in the cell 40 decreases, and therefore decreases. Then, since the voltage required for the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression device 100 increases, the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen compression device 100 may decrease.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 and the method of operating the electrochemical hydrogen compression device 100 of the present embodiment increase the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN by the dew point regulator 22 when the temperature of the cell 40 rises. Therefore, the above possibility can be reduced.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 and the method of operating the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of the present embodiment are configured to heat the latent heat generated at the time of steam condensation even when the temperature of the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100 rises. Can be used effectively.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 and the method of operating the electrochemical hydrogen compression device 100 of the present embodiment for example, by supplying a hydrogen-containing gas that has been humidified from the time of startup to the anode AN, the latent heat generated during water vapor condensation. Utilization-based cell heating can be effectively applied at startup.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 of the present embodiment is the same as the electrochemical hydrogen compression device 100 of the embodiment, except for the control content of the controller 50 described below.
  • the controller 50 controls the voltage applicator 21 to compress a part of hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN and not compress the rest.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of the present embodiment recycles part of the hydrogen contained in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN as in the control described above, so that the condensed water staying in the anode AN is removed. It can be drained out of the anode AN by the action of the flow of hydrogen-containing gas. Therefore, the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of the present embodiment can reduce the possibility of flooding occurring at the anode AN as compared with the case where all the hydrogen in the hydrogen-containing gas is compressed from the anode AN of the cell 40 to the cathode. ..
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 of the present embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen compression device 100 of the embodiment, except for the above features.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a hydrogen supply system including an electrochemical hydrogen compression device of a modified example of the embodiment.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 is the same as the hydrogen supply system 200 of FIG. 3 except that the air-cooling device 30 is provided and the control content of the controller 50 described below is provided.
  • the air cooler 30 is a device that cools the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100.
  • the air cooler 30 may have any configuration as long as it can cool the cells 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100 by air cooling.
  • the air cooler 30 includes a blower fan 30A, and is configured to cool the cell 40 from the surface by air (cool wind) from the blower fan 30A.
  • the controller 50 operates the air cooler 30 when the heating value of the cell of the electrochemical hydrogen compression device 100 increases.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of the present modification can easily control the cell temperature of the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 by air cooling, as compared with a case where cooling water or the like flows in the cells 40. can do.
  • the fact that the cell temperature of the electrochemical hydrogen compression device 100 can be controlled by air cooling has been verified by the calculation results using a simple calculation model.
  • the electrochemical hydrogen compressor 100 when used in a sub-zero environment when it is stopped in winter, there is concern that the electrochemical hydrogen compressor 100 may freeze.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 by providing the electrochemical hydrogen compression device 100 with, for example, an auxiliary heater, or by sending warm air to the cell 40 of the electrochemical hydrogen compression device 100 instead of the cold air from the blower fan 30A, It is possible to prevent the electrochemical hydrogen compression device 100 from freezing.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of this modification may be the same as the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of the embodiment or the first example of the embodiment, except for the above features.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 of this example is the same as the electrochemical hydrogen compression device 100 of the embodiment, except that the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN includes a hydrogen-containing gas generated by water electrolysis. ..
  • the hydrogen of the hydrogen source in FIG. 3 is generated by the water electrolysis device (not shown).
  • the water electrolysis device may generate hydrogen by using electric power generated by renewable energy such as sunlight.
  • the method of water electrolysis of the water electrolysis device may be any method. Examples of the water electrolysis of the water electrolysis device include solid polymer type water electrolysis.
  • the hydrogen-containing gas generated by water electrolysis contains water vapor.
  • a hydrogen-containing gas is in a high humidity state with a dew point of about 80 ° C. Therefore, the electrochemical hydrogen compression device 100 of the present embodiment can suitably use the hydrogen-containing gas generated by water electrolysis as the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the electrochemical hydrogen compression device 100 of this example is the same as the electrochemical hydrogen compression device 100 of any of the embodiment, the first example of the embodiment, and the modified example of the embodiment, except for the above-mentioned features. Good.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 of the present embodiment is different from the electrochemical hydrogen compression apparatus of the embodiment except that the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN includes the hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction of the hydrocarbon compound. The same as 100.
  • the hydrogen of the hydrogen source in FIG. 3 is generated by the reformer (not shown).
  • the reforming reaction of the reformer may be performed by any method.
  • Examples of the reforming reaction of the reformer include a steam reforming reaction, a partial oxidation reaction, and an autothermal reaction.
  • examples of the hydrocarbon compound include city gas containing methane as a main component and natural gas.
  • the hydrogen-containing gas produced by the reforming reaction of the hydrocarbon compound contains water vapor.
  • a hydrogen-containing gas is in a high humidity state with a dew point of about 80 ° C. Therefore, the electrochemical hydrogen compression device 100 of the present embodiment can suitably use the hydrogen-containing gas generated by the reforming reaction of the hydrocarbon compound as the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 according to the present embodiment is the same as the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 according to any one of the embodiment, the first example to the second example of the embodiment, and the modified examples of the embodiment, except for the above features. It may be the same.
  • FIG. 5 is a figure which shows an example of the hydrogen supply system provided with the electrochemical-type hydrogen compression apparatus of the 4th Example of embodiment.
  • FIG. 5 is the same as the hydrogen supply system 200 of FIG. 3 except that the dew point regulator 22 of the electrochemical hydrogen compression device 100 includes a condenser 22A and the control content of the controller 50 described below. ..
  • the condenser 22A is a device that condenses water vapor in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the condenser 22A may have any configuration as long as it can condense the water vapor in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the condenser 22A may include a condensing tank (not shown), and the hydrogen-containing gas may pass through the condensing tank. Then, the condenser 22A may be configured such that the temperature of the hydrogen-containing gas in the condensation tank is cooled to a desired temperature by a temperature control mechanism (not shown). Thereby, the water vapor in the hydrogen-containing gas can be condensed in the condensing tank of the condenser 22A. The condensed water generated by the steam condensation is accumulated below the condensed water tank.
  • the condenser 22A may include a bubbling tank (not shown), and the hydrogen-containing gas may pass through the water in the bubbling tank. Then, the condenser 22A may be configured to maintain the temperature of the water in the bubbling tank at a desired temperature by a temperature control mechanism (not shown). As a result, the dew point of the hydrogen-containing gas that has passed through the water in the bubbling tank becomes almost equal to the temperature of the water in the bubbling tank, so the water temperature above the dew point of the hydrogen-containing gas before flowing into the bubbling tank should be lower than the dew point. By doing so, the water vapor in the hydrogen-containing gas can be condensed in the bubbling tank of the condenser 22A.
  • the controller 50 controls the condenser 22A to reduce the amount of water condensed from the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the controller 50 raises the temperature of the hydrogen-containing gas in the condensing tank to a desired temperature by the temperature control mechanism, thereby condensing the amount of water from the hydrogen-containing gas. Can be reduced.
  • the condensation amount of water from the hydrogen-containing gas is reduced in the condenser, so that the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN is supplied.
  • the dew point of can be raised appropriately.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas close to the temperature of the cell 40 by increasing / decreasing the amount of water condensed in the condenser 22A, the latent heat generated at the time of steam condensation in the cell 40 is effectively used for cell heating, It is possible to suppress the occurrence of flooding in the AN and the dry-up of the electrolyte membrane 1.
  • a hydrogen-containing gas whose dew point is substantially equal to the temperature of the cell 40 or slightly higher than the temperature of the cell 40 is supplied to the anode AN of the cell 40.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 according to the present embodiment is the same as the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 according to any one of the embodiments, the first to third examples of the embodiment, and the modifications of the embodiment, except for the above features. It may be the same.
  • Drawing 6 is a figure showing an example of the hydrogen supply system provided with the electrochemical hydrogen compression device of a 5th example of an embodiment.
  • FIG. 6 is the same as the hydrogen supply system 200 of FIG. 3 except that the dew point regulator 22 of the electrochemical hydrogen compression device 100 includes the humidifier 22B and the control content of the controller 50 described below. ..
  • the humidifier 22B is a device that humidifies the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the humidifier 22B may have any configuration as long as it can humidify the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the humidifier 22B may include a bubbling tank (not shown), and the hydrogen-containing gas may be configured to pass through the water in the bubbling tank. Then, the humidifier 22B may be configured to maintain the temperature of the water in the bubbling tank at a desired temperature by a temperature control mechanism (not shown). As a result, the dew point of the hydrogen-containing gas that has passed through the water in the bubbling tank becomes almost equal to the temperature of the water in the bubbling tank, so the above water temperature is higher than the dew point of the hydrogen-containing gas before it flows into the bubbling tank. By doing so, the hydrogen-containing gas can be humidified in the bubbling tank of the humidifier 22B.
  • the controller 50 controls the humidifier 22B to increase the amount of humidification of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN.
  • the controller 50 can increase the humidification amount of the hydrogen-containing gas by raising the temperature of the water in the bubbling tank to a desired temperature by the temperature adjustment mechanism. it can.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN is increased by increasing the humidification amount of the hydrogen-containing gas in the humidifier 22B. Can be raised appropriately.
  • the dew point of the hydrogen-containing gas close to the temperature of the cell 40 by increasing or decreasing the amount of humidification of the humidifier 22B, the latent heat generated at the time of condensation of water vapor in the cell 40 is effectively used for cell heating, and the anode AN Therefore, it is possible to suppress the occurrence of flooding and the dry-up of the electrolyte membrane 1.
  • a hydrogen-containing gas whose dew point is substantially equal to the temperature of the cell 40 or slightly higher than the temperature of the cell 40 is supplied to the anode AN of the cell 40. That is, it is desirable to adjust the dew point of the hydrogen-containing gas to a cell temperature of + 5 ° C.
  • the controller controls the dew point regulator to adjust the dew point of the hydrogen-containing gas below the cell temperature, and when the temperature of the cell rises, it controls the dew point regulator to dew point of the hydrogen-containing gas. It is more desirable to raise.
  • the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 according to the present embodiment is the same as the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 according to any one of the embodiments, the first to third examples of the embodiment, and the modifications of the embodiment, except for the above features. It may be the same.
  • the embodiment, the first example to the fifth example of the embodiment, and the modified example of the embodiment may be combined with each other as long as they do not exclude each other.
  • One aspect of the present disclosure can be used, for example, in an electrochemical hydrogen compression apparatus 100 and an operation method of the electrochemical hydrogen compression apparatus 100 that can improve the efficiency of hydrogen compression operation as compared with the related art.
  • electrolyte membrane 2A anode catalyst layer 2C: cathode catalyst layer 3A: anode gas diffusion layer 3C: cathode gas diffusion layer 5A: anode separator 5C: cathode separator 6: anode flow path 6 IN : anode inlet 6 OUT : anode outlet 7 :
  • Cathode flow path 21 Voltage application device 22: Dew point adjuster 22A: Condenser 22B: Humidifier 23: Gas supply device 25: Hydrogen storage device 26: Anode gas introduction path 27: Anode gas derivation path 28: Cathode gas derivation path 30: Air cooler 30A: Blower fan 31: Anode gas diffusion plate 31A: Central part 31B: Peripheral part 40: Cell 50: Controller 100: Electrochemical hydrogen compression device 200: Hydrogen supply system AN: Anode CA: Cathode CA: Cathode

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Abstract

電気化学式水素圧縮装置は、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、アノードに供給される水素含有ガスの露点を調整する露点調整器と、セルの温度が上昇すると、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を上げる制御器とを備える。

Description

電気化学式水素圧縮装置および電気化学式水素圧縮装置の運転方法
　本開示は、電気化学式水素圧縮装置および電気化学式水素圧縮装置の運転方法に関する。
　近年、燃費向上、カーボンフリー燃料の利用の観点から、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燃料電池車が注目を集めており、発売が開始されている。
　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。これまで、水素ステーションとして、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ）で、水素を精製および圧縮する方法などが行われてきたが、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。
　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し得る技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。また、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。
　例えば、特許文献１には、電解質膜が挟持されたアノードとカソードとの間の電圧印加によって、水素の精製および昇圧が行われる水素精製昇圧システムが記載されている。具体的には、アノードとカソードとの間に電流が流れるとき、アノードの水素がプロトンになり、プロトンがアノードからカソードへと、水分子を同伴しながら電解質膜を移動し、カソードで水素に戻される。なお、アノード、電解質膜およびカソードの積層構造体を膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
　また、定置用途の水素利用システムにおいて、Ｐ２Ｇ（Power to Gas）と呼ばれる再生可能エネルギーの余剰電力を用いて水電解で得られた水素を水素貯蔵器に貯蔵することにより、再生可能エネルギーで得られた電力と電力需要との時間的ズレへの対応などが可能となるシステムを構築することができる。この場合、例えば、特許文献１に開示された水素精製昇圧システムを用いて、水電解装置で得られた水素を高圧（例えば、約２０ＭＰａ程度）で水素貯蔵器に貯蔵することができる。
　また、例えば、電気化学式水素圧縮装置を用いて、都市ガスの改質などで得られた水素を高圧（例えば、４０ＭＰａ程度）で水素貯蔵器に貯蔵することで、燃料電池搭載のフォークリフトの水素源として使用することができる。
特開２０１５－１１７１３９号公報
　従来例では、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の効率向上について十分検討されていない。
　本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る電気化学式水素圧縮装置および電気化学式水素圧縮装置の運転方法を提供する。
　本開示の一態様の電気化学式水素圧縮装置は、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、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露点調整器と、前記セルの温度が上昇すると、前記露点調整器を制御して、前記水素含有ガスの露点を上げる制御器とを備える。
　また、本開示の一態様の電気化学式水素圧縮装置の運転方法は、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルの前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することにより、前記アノードから前記カソードに圧縮された水素を供給するステップ（ａ）と、前記ステップ（ａ）おいて、前記セルの温度が上昇すると、前記アノードに供給される水素含有ガスの露点を上げるステップ（ｂ）とを備える。
　本開示の一態様の電気化学式水素圧縮装置および電気化学式水素圧縮装置の運転方法は、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得るという効果を奏する。
図１Ａは、水素含有ガスの露点が調整される場合において、計算モデルの加熱量、昇温時間および潜熱の熱量の計算結果の一例を示す図である。 図１Ｂは、水素含有ガスの露点が固定される場合において、計算モデルの加熱量、昇温時間および潜熱の熱量の計算結果の一例を示す図である。 図２Ａは、実施形態の電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。 図２Ｂは、実施形態の電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。 図３は、実施形態の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。 図４は、実施形態の変形例の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。 図５は、実施形態の第４実施例の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。 図６は、実施形態の第５実施例の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。
　固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）による電気化学式水素圧縮装置では、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、一般に、電解質膜は、高温および高加湿の条件（例えば、約６０℃程度）で、プロトン伝導率が上がり、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の効率が向上する。
　このような電気化学式水素圧縮装置では、高圧ガスの圧力に耐える設計が必要になるので、例えば、厚みが大きい高剛性の金属部材などによりＭＥＡが覆われていることが多い。
　ここで、複数のＭＥＡを積層したスタックの場合、例えば、適宜の熱源でスタックを加熱するには、熱源に所望のエネルギーを付与する必要がある。特に、電気化学式水素圧縮装置の起動時には、熱源で消費するエネルギー量が増加する。
　そこで、熱源のエネルギー消費量を低減して、ＭＥＡを加熱する技術について鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。
　電気化学式水素圧縮装置の水素源として、例えば、水電解で生成される高湿度状態の水素含有ガス、または、炭化水素化合物の改質反応で生成される高湿度状態の水素含有ガスなどが、電気化学式水素圧縮装置のアノードガスとして利用される。この場合、露点が約８０℃程度の高湿度状態の水素含有ガスがＭＥＡのアノードに供給される。
　そして、このとき、仮に水素含有ガスの露点がＭＥＡの温度より高すぎる場合、ＭＥＡ内で水の凝縮が起き、ＭＥＡの触媒が水浸しになる可能性がある。すると、凝縮水によりＭＥＡのアノードでフラディングが発生する可能性がある。
　逆に、仮に水素含有ガスの露点がＭＥＡの温度より低すぎる場合、電解質膜の高プロトン伝導度の確保に必要な電解質膜の湿潤状態を維持することが困難になる可能性がある。
　以上により、ＭＥＡの温度に対してアノードに供給される水素含有ガスの露点を適切に調整することが、上記のアノードのフラディングの抑制および電解質膜のプロトン伝導率低下の抑制を図る視点で重要である。
　例えば、露点が、ＭＥＡの温度にほぼ等しいか（フル加湿）、あるいは、ＭＥＡの温度よりも僅かに高い水素含有ガスがＭＥＡのアノードに供給されることが望ましい。すると、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の進行に伴い、ＭＥＡのアノードに存在する水素含有ガスの少なくとも一部の水素（プロトン）は、水分を同伴しながらカソードに移動するとき、水素含有ガスの水蒸気の一部が凝縮する。
　以下、一例として、水素利用率が約７０％程度で、アノードに存在する水素含有ガス中の水素をカソードに移動する場合の水蒸気の凝縮について説明する。
　本例の場合、アノードから排出された水素含有ガス中の水素量は、アノードに供給された水素含有ガス中の水素量の約３０％になる。また、ＭＥＡの温度が一定と仮定すると、アノードから排出される水素含有ガスはフル加湿状態であるので、アノードに供給される水素含有ガス中の水蒸気量もアノードに供給された水素含有ガス中の水蒸気量の約３０％になる。残りの水蒸気は、アノードから凝縮水として排水されるか、電気浸透水としてプロトンに同伴してアノードからカソードに移動する。ここで、仮に、カソードが封止されている場合、温度が一定ならば、カソードで存在可能な飽和蒸気量が一定であるので、飽和水蒸気量を超えた分の水蒸気が凝縮する。つまり、アノードに供給された水素含有ガス中の水蒸気量の約７０％程度が、ＭＥＡで凝縮すると考えられる。
　そして、アノードおよびカソードにおいて、上記の水蒸気の凝縮が起きると、水蒸気凝縮時に発生する潜熱をＭＥＡの温度上昇に利用することができる。また、電気化学式水素圧縮装置で水素圧縮動作が行われる場合、電解質膜を流れる電流に応じたＩＲロスで発生する熱についても、ＭＥＡの温度上昇に利用することができる。
　そこで、以下、水蒸気凝縮時に発生する潜熱およびＩＲロスで発生する熱を利用することにより、ＭＥＡの温度を適切に昇温が可能かどうかについて検証した。
　なお、電気化学式水素圧縮装置の起動時の温度（例えば、２５℃）から所定の温度（例えば、６５℃）までの熱収支シミュレーションは非定常解析である。よって、電気化学式水素圧縮装置を正確に再現した計算モデルにより数値解析シミュレーションを行うことは困難であることが多い。
　よって、以下では、このような熱収支の計算を簡略化することで、ＭＥＡを昇温可能かどうかの検証が行われた。具体的には、６７ｍｍ径の触媒層を有し、高さが１５０ｍｍの電極（１１段のスタックで、高さが１５０ｍｍの電極に相当）が、肉厚が７５ｍｍのＳＵＳ３１６製の中空円筒体により覆われている場合の計算モデルを想定した。なお、このような簡易的な計算モデルであっても、電気化学式水素圧縮装置の熱収支の概算を知ることは可能であると考えられる。
　＜放熱量および外表面温度の導出＞
　以下、計算モデルの放熱計算および計算モデルの外表面温度ＴＳＵＲの導出について説明する。
　まず、計算モデルで放熱量を導出した。なお、このとき、計算簡略化のため、円柱側面からの放熱のみを考慮し、円柱上下面からの放熱を無視した。
　温度条件としては、電極の温度が３０℃、周囲の環境温度が２５℃であると仮定した。
　物性条件としては、ステファンボルツマン定数として５．６７×１０－８Ｗ／ｍ２・Ｋ４を、ＳＵＳ３１６の熱伝導率として１６．７Ｗ／ｍ・Ｋを、空冷が行われない場合のＳＵＳ３１６の対流熱伝達率として７．５Ｗ／ｍ２・Ｋを、ＳＵＳ３１６の表面の放射率として０．５を、それぞれ使用した。
　そして、上記の温度条件および物性条件のもとで、計算モデルの対流放熱量および放射放熱量を導出するとともに、対流放熱量および放射放熱量の和（以下、放熱量ＱＲＡ）が、計算モデルを通過する熱量と等しくなるときの計算モデルの外表面温度ＴＳＵＲ（中空円筒体の外側の側面温度）を導出した。
　＜計算モデルの加熱に利用可能な加熱量の導出＞
　ここでは、露点が３０℃である水素含有ガス（フル加湿）が計算モデルに供給される場合において、電流密度が１Ａ／ｃｍ２になるように面積が合計３９６ｃｍ２の電極に電流が流れ、水素利用率が７０％で水素含有ガス中の水蒸気の７０％が凝縮すると仮定することで、水蒸気凝縮時に発生する潜熱の熱量ＱＬＡを導出した。そして、この潜熱の熱量ＱＬＡに、ＩＲロスで発生する熱量ＱＩＲを足し合して得られる総熱量ＱＴ（＝ＱＬＡ＋ＱＩＲ）を導出した。なお、上記の熱量計算においては、水素含有ガスが持つ熱量は、水素含有ガスの流入出においてプラスマイナスゼロであると考え、無視した。
　以上により、総熱量ＱＴから放熱量ＱＲＡを差し引くことで、計算モデルの加熱に利用可能な加熱量Ｑを知ることができる（式（１））。
　　　Ｑ＝ＱＴ－ＱＲＡ＝ＱＬＡ＋ＱＩＲ－ＱＲＡ・・・（１）
　＜昇温時間の導出＞
　次に、計算モデルの昇温時間の導出について説明する。
　まず、計算モデルにおいて、中空円筒体内にスタックが配置されている場合の熱容量Ｃを、スタックの構成材料の割合から導出した。
　そして、この熱容量Ｃをもとに、電極が、２５℃から３０℃まで、計算モデルを昇温するのに必要な昇温時間Ｔを導出した。つまり、昇温時間Ｔは、計算モデルの加熱で利用可能な加熱量Ｑ（加熱量Ｑは時間の関数）と熱容量Ｃとから知ることができる。なお、熱伝達率をおおまかに見積もり、本計算の妥当性を確認した。
　次いで、電極の温度を３５℃、周囲の環境温度を２５℃にそれぞれ設定して、露点が３５℃である水素含有ガスが計算モデルに供給される場合について、上記と同様の計算を行った。
　このように、電極の温度および水素含有ガスの露点を５℃ずつ上げて、これらの温度が６５℃になるまで、３０℃、３５℃・・・６５℃のそれぞれの温度における放熱量ＱＲＡ、ＩＲロスで発生する熱量ＱＩＲ、潜熱の熱量ＱＬＡ、昇温時間Ｔを導出した。
　図１Ａは、水素含有ガスの露点が調整される場合において、計算モデルの加熱量、昇温時間および潜熱の熱量の計算結果の一例を示す図である。具体的には、電極の温度および水素含有ガスの露点を５℃ずつ上げて、これらの温度が６５℃になるまで、３０℃、３５℃・・・６５℃のそれぞれの温度における、加熱量Ｑ（黒丸印）、潜熱の熱量ＱＬＡ（黒三角印）および昇温時間Ｔ（黒四角印）が、図１Ａにプロットされている。なお、図１Ａの横軸の数値は、電極の温度（℃）を表しており、図１Ａの縦軸の数値は、時間（ｈ）および熱量（Ｗ）の両者を表している。
　図１Ａから理解できるとおり、電極の温度が３０℃～６５℃の全範囲において、加熱量Ｑがプラスの値を示している。つまり、潜熱の熱量ＱＬＡにＩＲロスで発生する熱量ＱＩＲを足し合して得られた総熱量ＱＴが、電極の温度が３０℃～６５℃の全範囲において、上記の放熱量ＱＲＡを上回るので（ＱＴ＞ＱＲＡ）、水蒸気凝縮時に発生する潜熱およびＩＲロスで発生する熱により計算モデルを適切に加熱できることが検証された。
　＜比較例＞
　比較例として、水素含有ガスの露点を３０℃に固定した状態で、上記と同様の計算を行った。
　図１Ｂは、水素含有ガスの露点が固定される場合において、計算モデルの加熱量、昇温時間および潜熱の熱量の計算結果の一例を示す図である。具体的には、水素含有ガスの露点を３０℃に固定した状態で、電極の温度を５℃ずつ上げて、この温度が６５℃になるまで、３０℃、３５℃・・・６５℃のそれぞれの温度における、加熱量Ｑ（黒丸印）、潜熱の熱量ＱＬＡ（黒三角印）および昇温時間Ｔ（黒四角印）が、図１Ｂにプロットされている。なお、図１Ｂの横軸の数値は、電極の温度（℃）を表しており、図１Ａの縦軸の数値は、時間（ｈ）および熱量（Ｗ）の両者を表している。
　図１Ｂから理解できるとおり、電極の温度が約５０を超えると、加熱量Ｑがマイナスの値を示すことになる。つまり、潜熱の熱量ＱＬＡにＩＲロスで発生する熱量ＱＩＲを足し合して得られた総熱量ＱＴが、電極の温度が約５０℃を超えると放熱量ＱＲＡを下回るので（ＱＴ＜ＱＲＡ）、電極の温度が約５０℃を超える温度範囲では、水蒸気凝縮時に発生する潜熱およびＩＲロスで発生する熱により計算モデルを加熱困難であると考えられる。なお、低加湿の水素含有ガスを用いて、高温の電気化学式水素圧縮装置で水素圧縮動作を行うことは、電解質膜のドライアップを招く可能性がある。よって、実際には、電極の温度を約４０℃程度に制御する必要があると考えられる。
　そして、以上の計算結果は、電解質膜が高温および高加湿の条件でプロトン伝導率が上がり、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の効率が向上することを考慮すると、水素含有ガスの露点を調整する制御の技術的な意義を明確に示している。
　以上のとおり、発明者らは、水蒸気凝縮時に発生する潜熱およびＩＲロスで発生する熱をＭＥＡの加熱に利用することで、熱源のエネルギー消費量を低減して、ＭＥＡを適温にまで昇温できることを見出し、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態様の電気化学式水素圧縮装置は、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、アノードに供給される水素含有ガスの露点を調整する露点調整器と、セルの温度が上昇すると、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を上げる制御器とを備える。
　かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る。具体的には、水蒸気凝縮時に発生する潜熱およびＩＲロスで発生する熱を電気化学式水素圧縮装置のセル加熱に利用することができるので、電気化学式水素圧縮装置を効率的に、所望の温度まで昇温することができる。
　また、電気化学式水素圧縮装置のセルの温度が上昇するとき、仮にアノードに供給される水素含有ガスの露点が一定であると、電解質膜のプロトン伝導率は、セルの温度上昇に伴いセル内の相対湿度が下がるので低下する。すると、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作に必要な電圧が上昇するので、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
　しかし、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、セルの温度が上昇すると、露点調整器によりアノードに供給される水素含有ガスの露点を上げているので、上記の可能性を低減することができる。
　また、本態様の電気化学式水素圧縮装置では、水素含有ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮水の割合が、セルの温度が上昇しても、高い状態のまま維持される。よって、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、電気化学式水素圧縮装置のセルの温度が上昇しても、水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル加熱に効果的に利用することができる。
　本開示の第２態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様の電気化学式水素圧縮装置において、起動時に、制御器は、加湿された水素含有ガスがアノードに供給されるよう露点調整器を制御してもよい。
　電気化学式水素圧縮装置では、高圧ガスの圧力に耐える設計が必要になるので、例えば、厚みが大きい高剛性の金属部材などによりセルが覆われていることが多い。このため、電気化学式水素圧縮装置の熱容量が高いことから、電気化学式水素圧縮装置が高温化すると電気化学式水素圧縮装置は比較的冷めにくいと考えられる。これに対して、電気化学式水素圧縮装置の起動時は、セルの温度が室温であることが多い。よって、この場合、電気化学式水素圧縮装置のセルの昇温動作が必要となる。
　そこで、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、起動時から加湿された水素含有ガスをアノードに供給することで、水蒸気凝縮時に発生する潜熱利用に基づいたセル加熱を、起動時において効果的に適用させることができる。
　本開示の第３態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様または第２態様の電気化学式水素圧縮装置において、制御器は、電圧印加器を制御して、アノードに供給される水素含有ガス中の水素の一部を圧縮させ、残りを圧縮させなくてもよい。
　ここで、仮に、水素含有ガス中の水素を全量、セルのアノードからカソードに圧縮する場合、アノード中に過剰な凝縮水が滞留することで、アノードでフラッディングが発生する可能性がある。すると、電気化学式水素圧縮装置のセルの拡散過電圧が上昇する恐れがある。
　そこで、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、上記の制御の如く、アノードに供給される水素含有ガス中の水素の一部をリサイクルすることにより、アノード中に滞留する凝縮水を水素含有ガスの流れの作用によってアノード外に排水することができる。よって、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、水素含有ガス中の水素を全量、セルのアノードからカソードに圧縮する場合に比べて、アノードでフラッディングが発生する可能性を低減できる。
　ところで、電気化学式水素圧縮装置の水素圧縮動作が進行すると、ＩＲロスで発生するセルの発熱量が増加する。このとき、セル温度が過昇温とならないようにコントロールする必要がある。
　そこで、電気化学式水素圧縮装置のセル温度を空冷でコントロール可能かどうかについて、上記の簡易的な計算モデルで検証した。
　具体的には、計算モデルの電極の温度を６５℃、周囲の環境温度を２５℃にそれぞれ設定して、露点が６５℃である水素含有ガス（フル加湿）が計算モデルに供給される場合において、上記と同様の条件で加熱量Ｑを導いた。そして、加熱量Ｑが放熱量ＱＲＡと等しくなる場合（Ｑ＝ＱＲＡ）における、ＳＵＳ３１６の対流熱伝達率を導いたところ、１２Ｗ／ｍ２・Ｋであった。この数値は、強制空冷によるＳＵＳ３１６の対流熱伝達率は、約７．５～１００Ｗ／ｍ２・Ｋ程度であることを考慮すると、電気化学式水素圧縮装置のセル温度を空冷で十分にコントロール可能であることを意味する。
　すなわち、本開示の第４態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様から第３態様のいずれか一つの電気化学式水素圧縮装置において、セルを冷却する冷却器を備え、制御器は、セルの発熱量が増加すると、冷却器を動作させてもよい。
　なお、冷却器として空冷器を用いれば、セル内に冷却水などを流通する構成を取る場合に比べて、電気化学式水素圧縮装置のセル温度を空冷で簡便にコントロールすることができる。
　本開示の第５態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様から第４態様のいずれか一つの電気化学式水素圧縮装置において、水素含有ガスが水電解により生成された水素含有ガスを含むものであってもよい。
　水電解で生成される水素含有ガスは水蒸気を含む。例えば、水電解により生成された水素含有ガスは、露点が約８０℃程度の高湿度状態である。よって、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、水電解により生成された水素含有ガスを、アノードに供給される水素含有ガスとして好適に使うことができる。
　本開示の第６態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様から第５態様のいずれか一つの電気化学式水素圧縮装置において、水素含有ガスが炭化水素化合物の改質反応で生成された水素含有ガスを含むものであってもよい。
　炭化水素化合物の改質反応で生成される水素含有ガスは水蒸気を含む。例えば、炭化水素化合物の改質反応で生成された水素含有ガスは、露点が約８０℃程度の高湿度状態である。よって、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、炭化水素化合物の改質反応で生成された水素含有ガスを、アノードに供給される水素含有ガスとして好適に使うことができる。
　本開示の第７態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素圧縮装置において、露点調整器が凝縮器を含み、制御器は、セルの温度が上昇すると、凝縮器を制御して、アノードに供給される水素含有ガスからの水の凝縮量を低下させてもよい。
　かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、セルの温度が上昇すると、凝縮器において水素含有ガスからの水の凝縮量を低下させることで、アノードに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
　例えば、凝縮器の水凝縮量の増減により水素含有ガスの露点とセルの温度とを近接させることで、セルにおける水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル加熱に効果的に利用しながら、アノードでフラディングが発生すること、および、電解質膜がドライアップすることを抑制できる。なお、このとき、露点がセルの温度にほぼ等しいか、あるいは、セルの温度よりも僅かに高い水素含有ガスがセルのアノードに供給されることが望ましい。
　本開示の第８態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様から第６態様のいずれか一つの電気化学式水素圧縮装置において、露点調整器が加湿器を含み、制御器は、セルの温度が上昇すると、加湿器を制御して、アノードに供給される水素含有ガスの加湿量を増加させてもよい。
　かかる構成によると、本態様の電気化学式水素圧縮装置は、セルの温度が上昇すると、加湿器において水素含有ガスの加湿量を増加させることで、アノードに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
　例えば、加湿器の加湿量の増減により水素含有ガスの露点とセルの温度とを近接させることで、セルにおける水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル加熱に効果的に利用しながら、アノードでフラディングが発生すること、および、電解質膜がドライアップすることを抑制できる。なお、このとき、露点がセルの温度にほぼ等しいか、あるいは、セルの温度よりも僅かに高い水素含有ガスがセルのアノードに供給されることが望ましい。
　本開示の第９態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様から第８態様のいずれか一つの電気化学式水素圧縮装置において、制御器は、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を、セル温度＋５℃以下に調整し、かつ、前記セルの温度が上昇すると、前記露点調整器を制御して、前記水素含有ガスの露点を上げる、請求項１－８のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置である。
　かかる構成によると、セル内のフラッディングを効果的に抑制でき、安定な起動を実現できる。
　本開示の第１０態様の電気化学式水素圧縮装置は、第１態様から第８態様のいずれか一つの電気化学式水素圧縮装置において、制御器は、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を、セル温度以下に調整し、かつ、セルの温度が上昇すると、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を上げる電気化学式水素圧縮装置である。
　かかる構成によると、セル内のフラッディングを効果的に抑制でき、より安定な起動を実現できる。
　本開示の第１１態様の電気化学式水素圧縮装置の運転方法は、一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルのアノードとカソードとの間に電圧を印加することにより、アノードからカソードに圧縮された水素を供給するステップ（ａ）と、ステップ（ａ）おいて、セルの温度が上昇すると、アノードに供給される水素含有ガスの露点を上げるステップ（ｂ）とを備える。
　以上によると、本態様の電気化学式水素圧縮装置の運転方法は、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る。なお、本態様の電気化学式水素圧縮装置の運転方法が奏する作用効果は、第１態様の電気化学式水素圧縮装置が奏する作用効果と同様であるので詳細な説明は省略する。
　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、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、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。また、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）
　［電気化学式水素圧縮装置の構成］
　図２Ａおよび図２Ｂは、実施形態の電気化学式水素圧縮装置の一例を示す図である。図２Ｂには、電気化学式水素圧縮装置１００のアノードガス拡散板３１を平面視した図が示されている。
　図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、電気化学式水素圧縮装置１００は、セル４０と、電圧印加器２１と、露点調整器２２と、制御器５０と、を備える。ここで、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０は、電解質膜１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレータ５Ｃと、アノードセパレータ５Ａと、を備える。
　電解質膜１は、一対の主面を備え、プロトン（Ｈ＋）伝導性を備える膜である。電解質膜１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１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１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。
　カソードＣＡは、電解質膜１の一方の主面に設けられている。また、アノードＡＮは、電解質膜１の他方の主面に設けられている。
　図２Ａに示すように、アノードＡＮは、アノードガス拡散板３１、アノード触媒層２Ａおよびアノードガス拡散層３Ａで構成されている。カソードＣＡは、カソード触媒層２Ｃおよびカソードガス拡散層３Ｃで構成されている。
　カソード触媒層２Ｃは、電解質膜１の一方の主面に設けられている。カソード触媒層２Ｃは、例えば、触媒金属としてＰｔなどを含んでもよいが、これに限定されない。なお、図２Ａおよび図２Ｂでは図示を省略しているが、平面視において、カソード触媒層２Ｃの周囲を囲むようにシール部材が設けられ、カソードＣＡの水素含有ガスが、このシール部材で適切にシールされている。
　アノード触媒層２Ａは、電解質膜１の他方の主面に設けられている。アノード触媒層２Ａは、例えば、触媒金属として白金（Ｐｔ）などを含んでもよいが、これに限定されない。なお、図２Ａおよび図２Ｂでは図示を省略しているが、平面視において、アノード触媒層２Ａの周囲を囲むようにシール部材が設けられ、アノードＡＮの水素含有ガスが、このシール部材で適切にシールされている。
　カソード触媒層２Ｃもアノード触媒層２Ａ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、触媒の担体としては、導電性の酸化物粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボンなどの担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。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。
　アノードガス拡散層３Ａは、アノードガス拡散板３１を介してアノード触媒層２Ａ上に設けられている。アノードガス拡散層３Ａは、例えば、多孔質体などで構成され、耐腐食性、導電性およびガス拡散性を備える。また、アノードガス拡散層３Ａは、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作時にアノードＡＮおよびカソードＣＡの間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制し得る高剛性材料で構成する方が望ましい。
　アノードセパレータ５Ａは、アノードガス拡散層３Ａの一方の主面および側面を覆うように設けられている。具体的には、アノードガス拡散層３Ａは、アノードセパレータ５Ａの中央部分の凹部内に収納されている。そして、アノードガス拡散層３Ａが接するアノードセパレータ５Ａの主面には、例えば、サーペンタイン状のアノード流路６が形成されている。これにより、アノードガス導入経路２６を通じて外部からアノード入口６ＩＮに流入した水素含有ガスは、アノード入口６ＩＮとアノード出口６ＯＵＴとの間のアノード流路６を通過する。すると、このとき、アノード流路６を流れる水素含有ガスの一部がアノードガス拡散層３Ａに供給される。アノード出口６ＯＵＴを通過した水素含有ガスは、アノードガス導出経路２７を通じて外部に排出される。
　なお、アノード流路６は、アノードセパレータ５Ａとは別の板部材にサーペンタイン状のスリット孔に設け、両者を一体的に接合することで形成してもよいし、アノードセパレータ５Ａの主面にサーペンタイン状の流路溝を加工することで形成してもよい。また、アノード流路６は、必ずしもサーペンタイン状の流路により構成されてなくてもよい。アノード流路６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、アノードセパレータ５Ａは、例えば、金属部材などで構成され、耐腐食性および導電性を備える。アノードセパレータ５Ａの材質として、例えば、白金メッキが施されたチタンなどを用いることができる。
　図２Ａおよび図２Ｂに示すように、電気化学式水素圧縮装置１００には、円形のアノードガス拡散板３１が設けられていてもよい。
　アノードガス拡散板３１は、アノードガス拡散層３Ａの他方の主面およびアノード触媒層２Ａに接触する円形の中央部分３１Ａと、アノードセパレータ５Ａおよび電解質膜１に接触する円環状の周辺部分３１Ｂと、を備える。
　図２Ｂに示すように、アノードガス拡散板３１の中央部分３１Ａには、複数の通気孔が形成されている。これにより、アノード触媒層２Ａとアノードガス拡散層３Ａとの間を水素含有ガスが、通気孔を通じて通過できる。通気孔は、例えば、数十ミクロンの間隔で開けて均等に設けられた数十ミクロン程度の開口であってもよいが、通気孔の大きさおよび間隔は、これに限定されない。なお、かかる通気孔は、例えば、レーザー加工などにより形成することができる。
　これに対して、アノードガス拡散板３１の周辺部分３１Ｂには、通気孔が形成されておらず、平坦である。
　アノードガス拡散板３１は、例えば、金属板などで構成され、耐腐食性および導電性を備える。アノードガス拡散板３１として、例えば、白金メッキが施されたチタン板を用いることができる。
　なお、アノードガス拡散板３１の周辺部分３１Ｂ（平坦部）上に、電解質膜１を介して、図示しない円環状のシール部材が設けられている。よって、電解質膜１は、このシール部材によりアノードガス拡散板３１の周辺部分３１Ｂに押圧されている。シール部材として、例えば、Ｏリングなどを用いることができる。
　以上のアノードガス拡散板３１およびシール部材は例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス拡散板３１は円形プレートで構成されているが、これに限定されない。アノードガス拡散層３Ａの平面視の形状が、例えば、矩形状の場合、アノードガス拡散板３１の平面視の形状は矩形状であってもよいし、シール部材の平面視の形状が矩形環状であってもよい。
　カソードガス拡散層３Ｃは、カソード触媒層２Ｃ上に設けられている。カソードガス拡散層３Ｃは、例えば、多孔質体などで構成され、耐腐食性、導電性およびガス拡散性を備える。例えば、カソードガス拡散層３Ｃは、白金メッキが施されたチタン繊維焼結体などの耐腐食性および導電性を備える多孔質体で構成されていてもよい。また、カソードガス拡散層３Ｃは、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作時にアノードＡＮおよびカソードＣＡの間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に追従し得る座屈しにくい弾性材料で構成する方が望ましい。
　カソードセパレータ５Ｃは、カソードガス拡散層３Ｃの主面および側面を覆うように設けられている。具体的には、カソードガス拡散層３Ｃは、カソードセパレータ５Ｃの中央部分の凹部内に収納されている。そして、カソードセパレータ５Ｃの適所には、カソードガス拡散層３Ｃに存在する高圧状態の水素含有ガスをカソードガス導出経路２８を通じて外部へ導出するためのカソード流路７が設けられている。カソード流路７の個数は、図２Ａに示す如く、１個でもよいし、複数個でもよい。
　カソードセパレータ５Ｃは、例えば、金属部材などで構成され、耐腐食性および導電性を備える。カソードセパレータ５Ｃの材質として、例えば、白金メッキが施されたチタンなどを用いることができる。なお、カソードセパレータ５Ｃの外周部分は、電解質膜１に接触している。そして、この外周部分の適所に、円環溝が形成されており、上記のシール部材がこの円環溝に嵌めこまれていてもよい。
　なお、カソードセパレータ５Ｃの形状は、有底の円筒体であってもよいし、有底の矩形筒体であってもよい。但し、カソードセパレータ５Ｃを円筒体で構成することにより、これを矩形筒体で構成する場合に比べ、カソードセパレータ５Ｃのガス圧力に対する耐性を向上させることができる。
　電圧印加器２１は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する装置である。電圧印加器２１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。図２Ａに示す例では、電圧印加器２１の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器２１の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。これにより、電圧印加器２１を用いて、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間で通電が行われる。
　電圧印加器２１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２１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２１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２１は、例えば、電気化学式水素圧縮装置１００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。
　露点調整器２２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。具体的には、露点調整器２２は、アノード入口６ＩＮに水素含有ガスを導くためのアノードガス導入経路２６上に設けられている。
　露点調整器２２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ことができれば、どのような構成であってもよい。露点調整器２２として、例えば、水素含有ガスを加湿する加湿器、水素含有ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮器などを挙げることができる。
　加湿器を用いた際の露点調整は、例えば、加湿器による加湿量の調整及び加湿器を通過する水素含有ガス量と加湿器をバイパスする水素含有ガス量との比率の調整のいずれかで実行される。なお、加湿器による加湿量の調整は、加湿器に設けられた加熱器の加熱量の調整、加湿器への水供給量の調整、及び加湿器への加湿ガス供給量の調整のいずれかにより実行される。また、加湿器をバイパスした水素含有ガスは、アノードＡＮに導入される前に、加湿器を通過した水素含有ガスと合流する。
　凝縮器を用いた際の露点調整は、例えば、凝縮器による凝縮量の調整及び凝縮器を通過する水素含有ガス量と凝縮器をバイパスする水素含有ガス量との比率の調整のいずれかで実行される。なお、凝縮器による凝縮量の調整は、凝縮器に設けられた冷却器の冷却量の調整で実行される。
　これらの凝縮器および加湿器の詳細は実施例で説明する。
　制御器５０は、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の温度が上昇すると、露点調整器２２を制御して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を上げる。例えば、起動時に、制御器５０は、加湿された水素含有ガスがアノードＡＮに供給されるよう露点調整器２２を制御してもよい。
　なお、上記の制御において、電気化学式水素圧縮装置１００には、セル４０の温度を検知する図示しない検知器が設けられていてもよい。かかる検知器として、例えば、熱電対などを挙げることができるが、これに限定されない。
　制御器５０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、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。
　図２Ａおよび図２Ｂには示されていないが、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作において必要となる部材などは適宜、設けられる。
　例えば、電気化学式水素圧縮装置１００は、ＭＥＡ、アノードセパレータ５Ａおよびカソードセパレータ５Ｃで構成されるセル４０を１０～２００個程度、積み重ねて積層体（スタック）を構成し、この積層体を、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などで締結してもよい。なお、セル４０の個数は、電気化学式水素圧縮装置１００の運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。このとき、高圧ガスが電気化学式水素圧縮装置から外部へリークしないように、ＭＥＡの両側からＯリング、ガスケットなどのシール部材が設けられ、ＭＥＡと一体化して予め組み立てられていてもよい。そして、ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための上記の導電性のアノードセパレータ５Ａおよびカソードセパレータ５Ｃが配置されている。
　また、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００は、セル４０を加熱する加熱器を設けてなくもよいし、加熱器（図示せず）を設けてもよい。加熱器は、電気ヒータであってもよいし、加熱流体が流れる流路であってもよい。
　なお、以上の図示しない様々な部材は例示であって、本例に限定されない。
　[水素供給システムの構成]
　以下、電気化学式水素圧縮装置１００を備える水素供給システム２００について説明する。
　図３は、実施形態の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。
　図３に示す例では、水素供給システム２００は、電気化学式水素圧縮装置１００と、ガス供給器２３と、水素貯蔵器２５と、を備える。なお、図３では、便宜上、図２Ａの電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の図示が簡略化され、電圧印加器２１の図示が省略されている。
　また、図３に示す例では、図２Ａの電気化学式水素圧縮装置１００の露点調整器２２は、アノードガス導出経路２７を通じてアノード出口６ＯＵＴから排出される水素含有ガスと、アノードガス導入経路２６を通じて水素源から供給される水素含有ガスとが混合された水素含有ガス（混合ガス）の露点を調整するように構成されている。つまり、アノードガス導出経路２７は、アノード出口６ＯＵＴより排出される水素含有ガスを、露点調整器２２およびガス供給器２３よりも上流のアノードガス導入経路２６内に供給するためのリサイクル流路である。そして、水素供給システム２００では、露点調整器２２により露点調整が行われた水素含有ガスが、アノードガス導入経路２６を通じてアノード入口６ＩＮに供給される構成が取られている。ただし、このような水素含有ガスの再利用（リサイクル）の構成は、例示であって本例に限定されない。例えば、アノードガス導入経路２６を通じてアノード入口６ＩＮに供給される水素含有ガスが全量、セル４０のアノードＡＮからカソードＣＡに圧縮されてもよい。
　ガス供給器２３は、アノードガス導入経路２６上に設けられ、水素源からアノードＡＮのアノード入口６ＩＮに水素含有ガスを供給する装置である。ガス供給器２３は、このような水素含有ガスを供給することができれば、どのような構成であってもよい。
　例えば、ガス供給器２３は、アノードガス導入経路２６を流れる水素含有ガスの流量を調整する機器であってもよい。この場合、ガス供給器２３は、例えば、昇圧器と流量調整弁により構成されるが、これらのいずれか一方により構成されてもよい。昇圧器として、例えば、ポンプなどを挙げることができる。
　水素貯蔵器２５は、カソードガス導出経路２８を通じてカソードＣＡのカソード流路７（図２Ａ参照）より導出された高圧の水素（Ｈ２）を貯蔵する機器である。水素貯蔵器２５は、高圧の水素を貯蔵することができれば、どのような構成であってもよい。水素貯蔵器２５として、例えば、タンクなどを挙げることができる。なお、水素貯蔵器２５に貯蔵された水素は、図示しない開閉弁を開くことにより、適時に、図示しない水素消費体に供給することができる。水素消費体として、例えば、燃料電池などを挙げることができる。
　図３には示されていないが、本実施形態の水素供給システム２００の水素供給動作において必要となる部材および機器などは適宜、設けられる。
　例えば、カソードＣＡのカソード流路７（図２Ａ参照）より排出され、水素貯蔵器２５に流入する前の高圧の水素含有ガス中の水分を除去する凝縮器が、カソードガス導出経路２８上に設けられていてもよい。このとき、凝縮器とカソードＣＡのカソード流路７との間のカソードガス導出経路２８に開閉弁が設けられていてもよい。
　また、例えば、アノードガス導出経路２７には、開閉弁および逆止弁が設けられていてもよい。このとき、逆止弁は、アノード出口６ＯＵＴより排出された水素含有ガスが、アノードガス導出経路２７とアノードガス導入経路２６との接続部に向かう方向を順方向に取るように配置されている。これにより、上記の開閉弁を開いたとき、アノードガス導出経路２７内の水素含有ガスが逆流することが抑制される。
　なお、以上の図示しない様々な部材および機器は例示であって、本例に限定されない。
　［動作］
　以下、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作について図面を参照しながら説明する。
　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。
　アノードガス導入経路２６を通じて電気化学式水素圧縮装置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２１の電力が電気化学式水素圧縮装置１００に給電される。
　すると、電気化学式水素圧縮装置１００のアノード触媒層２Ａ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（２））。プロトンは、電解質膜１内を伝導してカソード触媒層２Ｃに移動する。電子は電圧印加器２１を通じてカソードのカソード触媒層２Ｃに移動する。そして、カソード触媒層２Ｃにおいて、還元反応で水素分子が再び生成される（式（３））。
　このとき、プロトンが電解質膜１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。
　ここで、図示しない開閉弁を用いて、カソードガス導出経路２８の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成された水素を昇圧することができる。よって、高圧状態の水素を、適時に電気化学式水素圧縮装置１００から水素貯蔵器２５に供給することができる。
　　アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ－　　　・・・（２）
　　カソード：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（高圧）　　　・・・（３）
　このようにして、電気化学式水素圧縮装置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、アノードＡＮからＣＡカソードに圧縮された水素を供給する動作が行われる。これにより、カソードＣＡで圧縮された水素は、水素貯蔵器２５に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器２５で貯蔵された水素は、適時に、燃料電池などの水素消費体に供給される。
　また、電気化学式水素圧縮装置１００では、アノードＡＮからＣＡカソードに圧縮された水素を供給する動作において、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の温度が上昇すると、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を上げる動作が行われる。
　以上により、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００および電気化学式水素圧縮装置１００の運転方法は、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る。具体的には、水蒸気凝縮時に発生する潜熱およびＩＲロスで発生する熱を電気化学式水素圧縮装置１００のセル加熱に利用することができるので、電気化学式水素圧縮装置１００を効率的に、所望の温度まで昇温することができる。
　以下、一例として、水素利用率が約７０％程度で、アノードＡＮに存在する水素含有ガス中の水素をカソードＣＡに移動する場合の水蒸気の凝縮について説明する。
　本例の場合、アノードＡＮから排出された水素含有ガス中の水素量は、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素量の約３０％になる。また、セル４０の温度が一定と仮定すると、アノードＡＮから排出される水素含有ガスはフル加湿状態であるので、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水蒸気量もアノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水蒸気量の約３０％になる。残りの水蒸気は、アノードＡＮから凝縮水として排水されるか、電気浸透水としてプロトンに同伴してアノードからカソードＣＡに移動する。ここで、仮に、カソードＣＡが封止されている場合、温度が一定ならば、カソードＣＡで存在可能な飽和蒸気量が一定であるので、飽和水蒸気量を超えた分の水蒸気が凝縮する。つまり、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水蒸気量の約７０％程度が、セル４０で凝縮すると考えられる。
　そして、アノードＡＮおよびカソードＣＡにおいて、上記の水蒸気の凝縮が起きると、水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル４０の温度上昇に利用することができる。
　なお、上記のとおり、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の温度が約３０℃～６５℃の全範囲において、水蒸気凝縮時に発生する潜熱およびＩＲロスで発生する熱により電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０を適切に加熱できることは、簡易的な計算モデルを用いた計算結果により検証されている。
　ただし、水蒸気凝縮に関する以上の説明は、例示であって本例に限定されない。上記では、カソードＣＡが封止されている場合の水蒸気凝縮について説明したが、これに限定されない。例えば、セル４０の温度が周囲の環境温度よりも高温であって、カソード流路７が、図２Ａの如く、鉛直方向に延伸して、その排出口が上側に向かって開口するように設けられていれば、カソードＣＡが開放されている場合でも、カソード流路７から排出された水素中の水蒸気は、カソード流路７の排出口近傍で凝縮しやすい。よって、カソードＣＡが開放されている場合でも、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水蒸気量の約７０％程度が、セル４０内またはその近傍で凝縮するので、かかる水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル４０の温度上昇に適切に利用することができる。
　また、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の温度が上昇するとき、仮にアノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点が一定であると、電解質膜１のプロトン伝導率は、セル４０の温度上昇に伴いセル４０内の相対湿度が下がるので低下する。すると、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作に必要な電圧が上昇するので、電気化学式水素圧縮装置１００の水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
　しかし、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００および電気化学式水素圧縮装置１００の運転方法は、セル４０の温度が上昇すると、露点調整器２２によりアノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を上げているので、上記の可能性を低減することができる。
　また、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００および電気化学式水素圧縮装置１００の運転方法では、水素含有ガス中の水蒸気が凝縮する凝縮水の割合が、セル４０の温度が上昇しても、高い状態のまま維持される。よって、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００および電気化学式水素圧縮装置１００の運転方法は、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の温度が上昇しても、水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル加熱に効果的に利用することができる。
　また、本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００および電気化学式水素圧縮装置１００の運転方法は、例えば、起動時から加湿された水素含有ガスをアノードＡＮに供給することで、水蒸気凝縮時に発生する潜熱利用に基づいたセル加熱を、起動時において効果的に適用させることができる。
　（第１実施例）
　本実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００は、以下の制御器５０の制御内容以外は、実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００と同様である。
　制御器５０は、電圧印加器２１を制御して、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素の一部を圧縮させ、残りを圧縮させない。
　ここで、仮に、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素を全量、セル４０のアノードＡＮからカソードＣＡに圧縮する場合、アノードＡＮ中に過剰な凝縮水が滞留することで、アノードＡＮでフラッディングが発生する可能性がある。すると、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の拡散過電圧が上昇する恐れがある。
　そこで、本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、上記の制御の如く、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素の一部をリサイクルすることにより、アノードＡＮ中に滞留する凝縮水を水素含有ガスの流れの作用によってアノードＡＮ外に排水することができる。よって、本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、水素含有ガス中の水素を全量、セル４０のアノードＡＮからカソードに圧縮する場合に比べて、アノードＡＮでフラッディングが発生する可能性を低減できる。
　本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、上記の特徴以外は、実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００と同様であってもよい。
　（変形例）
　図４は、実施形態の変形例の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。
　図４に示す例では、電気化学式水素圧縮装置１００が、空冷器３０を備えること、および、以下の制御器５０の制御内容以外は、図３の水素供給システム２００と同様である。
　空冷器３０は、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０を冷却する装置である。空冷器３０は、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０を空冷により冷却することができれば、どのような構成であってもよい。本例では、空冷器３０は、送風ファン３０Ａを備え、送風ファン３０Ａからの空気（冷風）によりセル４０を表面から冷却するように構成されている。
　制御器５０は、電気化学式水素圧縮装置１００のセルの発熱量が増加すると、空冷器３０を動作させる。
　以上により、本変形例の電気化学式水素圧縮装置１００は、例えば、セル４０内に冷却水などを流通する構成を取る場合に比べて、電気化学式水素圧縮装置１００のセル温度を空冷で簡便にコントロールすることができる。なお、上記のとおり、電気化学式水素圧縮装置１００のセル温度を空冷でコントロール可能であることは、簡易的な計算モデルを用いた計算結果により検証されている。
　また、電気化学式水素圧縮装置１００の冬期停止時に、氷点下の環境で使用される場合、電気化学式水素圧縮装置１００の凍結が懸念される。しかし、この場合、電気化学式水素圧縮装置１００に、例えば、補助ヒータを設けること、または、送風ファン３０Ａからの冷風に代えて、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０に温風を送ることで、電気化学式水素圧縮装置１００の凍結防止が可能になる。
　本変形例の電気化学式水素圧縮装置１００は、上記の特徴以外は、実施形態または実施形態の第１実施例の電気化学式水素圧縮装置１００と同様であってもよい。
　（第２実施例）
　本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが水電解により生成された水素含有ガスを含むこと以外は、実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００と同様である。
　つまり、本例の場合、図３の水素源の水素は、水電解装置（図示せず）で生成されている。なお、水電解装置は、例えば、太陽光などの再生可能エネルギーにより発電された電力を用いて、水素を生成してもよい。また、水電解装置の水電解の方式は、いずれの方式でもよい。水電解装置の水電解として、例えば、固体高分子形水電解などを挙げることができる。
　ここで、水電解で生成される水素含有ガスは水蒸気を含む。例えば、かかる水素含有ガスは、露点が約８０℃程度の高湿度状態である。よって、本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、水電解で生成される水素含有ガスをアノードＡＮに供給される水素含有ガスとして好適に使うことができる。
　本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、上記の特徴以外は、実施形態、実施形態の第１実施例および実施形態の変形例のいずれかの電気化学式水素圧縮装置１００と同様であってもよい。
　（第３実施例）
　本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが炭化水素化合物の改質反応で生成された水素含有ガスを含むこと以外は、実施形態の電気化学式水素圧縮装置１００と同様である。
　つまり、本例の場合、図３の水素源の水素は、改質器（図示せず）で生成されている。なお、改質器の改質反応は、いずれの方式でもよい。改質器の改質反応として、例えば、水蒸気改質反応、部分酸化反応、オートサーマル反応などを挙げることができる。また、炭化水素化合物として、例えば、メタンが主成分の都市ガス、天然ガスなどを挙げることができる。
　ここで、炭化水素化合物の改質反応で生成される水素含有ガスは水蒸気を含む。例えば、かかる水素含有ガスは、露点が約８０℃程度の高湿度状態である。よって、本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、炭化水素化合物の改質反応で生成される水素含有ガスをアノードＡＮに供給される水素含有ガスとして好適に使うことができる。
　本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、上記の特徴以外は、実施形態、実施形態の第１実施例－第２実施例および実施形態の変形例のいずれかの電気化学式水素圧縮装置１００と同様であってもよい。
　（第４実施例）
　図５は、実施形態の第４実施例の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。
　図５に示す例では、電気化学式水素圧縮装置１００の露点調整器２２が凝縮器２２Ａを含むこと、および、以下の制御器５０の制御内容以外は、図３の水素供給システム２００と同様である。
　凝縮器２２Ａは、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水蒸気を凝縮する装置である。凝縮器２２Ａは、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水蒸気を凝縮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、凝縮器２２Ａは、凝縮タンク（図示せず）を備え、凝縮タンク内を水素含有ガスが通過するように構成されていてもよい。そして、凝縮器２２Ａは、温調機構（図示せず）により凝縮タンク内の水素含有ガスの温度が所望の温度にまで冷却されるように構成されるとよい。これにより、凝縮器２２Ａの凝縮タンクにおいて、水素含有ガス中の水蒸気を凝縮することができる。なお、水蒸気凝縮で発生した凝縮水は、凝縮水タンクの下方に溜まる。
　また、例えば、凝縮器２２Ａは、バブリングタンク（図示せず）を備え、バブリングタンク内の水中を水素含有ガスが通過ように構成されていてもよい。そして、凝縮器２２Ａは、温調機構（図示せず）によりバブリングタンク内の水の温度を所望の温度に維持するように構成されるとよい。これにより、バブリングタンク内の水中を通過した水素含有ガスの露点が、バブリングタンク内の水の温度とほぼ等しくなるので、バブリングタンクに流入する前の水素含有ガスの露点より、上記の水温を低くすることで、凝縮器２２Ａのバブリングタンクにおいて、水素含有ガス中の水蒸気を凝縮することができる。
　制御器５０は、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の温度が上昇すると、凝縮器２２Ａを制御して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスからの水の凝縮量を低下させる。例えば、凝縮器２２Ａが凝縮タンクを備える場合、制御器５０が、凝縮タンク内の水素含有ガスの温度を、温調機構により所望の温度にまで上げることで、水素含有ガスからの水の凝縮量を低下させることができる。
　以上により、本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、セル４０の温度が上昇すると、凝縮器において水素含有ガスからの水の凝縮量を低下させることで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
　例えば、凝縮器２２Ａの水凝縮量の増減により水素含有ガスの露点とセル４０の温度とを近接させることで、セル４０における水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル加熱に効果的に利用しながら、アノードＡＮでフラディングが発生すること、および、電解質膜１がドライアップすることを抑制できる。なお、このとき、露点がセル４０の温度にほぼ等しいか、あるいは、セル４０の温度よりも僅かに高い水素含有ガスがセル４０のアノードＡＮに供給されることが望ましい。
　本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、上記の特徴以外は、実施形態、実施形態の第１実施例－第３実施例および実施形態の変形例のいずれかの電気化学式水素圧縮装置１００と同様であってもよい。
　（第５実施例）
　図６は、実施形態の第５実施例の電気化学式水素圧縮装置を備える水素供給システムの一例を示す図である。
　図６に示す例では、電気化学式水素圧縮装置１００の露点調整器２２が加湿器２２Ｂを含むこと、および、以下の制御器５０の制御内容以外は、図３の水素供給システム２００と同様である。
　加湿器２２Ｂは、アノードＡＮに供給される水素含有ガスを加湿する装置である。加湿器２２Ｂは、アノードＡＮに供給される水素含有ガスを加湿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、加湿器２２Ｂは、バブリングタンク（図示せず）を備え、バブリングタンク内の水中を水素含有ガスが通過ように構成されていてもよい。そして、加湿器２２Ｂは、温調機構（図示せず）によりバブリングタンク内の水の温度を所望の温度に維持するように構成されるとよい。これにより、バブリングタンク内の水中を通過した水素含有ガスの露点が、バブリングタンク内の水の温度とほぼ等しくなるので、バブリングタンクに流入する前の水素含有ガスの露点より、上記の水温を高くすることで、加湿器２２Ｂのバブリングタンクにおいて、水素含有ガスを加湿することができる。
　制御器５０は、電気化学式水素圧縮装置１００のセル４０の温度が上昇すると、加湿器２２Ｂを制御して、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの加湿量を増加させる。例えば、加湿器２２Ｂがバブリングタンクを備える場合、制御器５０が、バブリングタンク内の水の温度を、温調機構により所望の温度にまで上げることで、水素含有ガスの加湿量を増加させることができる。
　以上により、本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、セル４０の温度が上昇すると、加湿器２２Ｂにおいて水素含有ガスの加湿量を増加させることで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスの露点を適切に上げることができる。
　例えば、加湿器２２Ｂの加湿量の増減により水素含有ガスの露点とセル４０の温度とを近接させることで、セル４０における水蒸気凝縮時に発生する潜熱をセル加熱に効果的に利用しながら、アノードＡＮでフラディングが発生すること、および、電解質膜１がドライアップすることを抑制できる。なお、このとき、露点がセル４０の温度にほぼ等しいか、あるいは、セル４０の温度よりも僅かに高い水素含有ガスがセル４０のアノードＡＮに供給されることが望ましい。すなはち、水素含有ガスの露点を、セル温度＋5℃以下に調整し、かつ、セルの温度が上昇すると、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を上げることが望ましい。また、制御器は、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を、セル温度以下に調整し、かつ、セルの温度が上昇すると、露点調整器を制御して、水素含有ガスの露点を上げることがより望ましい。
　本実施例の電気化学式水素圧縮装置１００は、上記の特徴以外は、実施形態、実施形態の第１実施例－第３実施例および実施形態の変形例のいずれかの電気化学式水素圧縮装置１００と同様であってもよい。
　なお、実施形態、実施形態の第１実施例－第５実施例および実施形態の変形例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせてもよい。
　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できる。
　本開示の一態様は、例えば、従来よりも水素圧縮動作の効率を向上し得る電気化学式水素圧縮装置１００および電気化学式水素圧縮装置１００の運転方法に利用することができる。
１　　　　：電解質膜
２Ａ　　　：アノード触媒層
２Ｃ　　　：カソード触媒層
３Ａ　　　：アノードガス拡散層
３Ｃ　　　：カソードガス拡散層
５Ａ　　　：アノードセパレータ
５Ｃ　　　：カソードセパレータ
６　　　　：アノード流路
６ＩＮ　　　：アノード入口
６ＯＵＴ　　：アノード出口
７　　　　：カソード流路
２１　　　：電圧印加器
２２　　　：露点調整器
２２Ａ　　：凝縮器
２２Ｂ　　：加湿器
２３　　　：ガス供給器
２５　　　：水素貯蔵器
２６　　　：アノードガス導入経路
２７　　　：アノードガス導出経路
２８　　　：カソードガス導出経路
３０　　　：空冷器
３０Ａ　　：送風ファン
３１　　　：アノードガス拡散板
３１Ａ　　：中央部分
３１Ｂ　　：周辺部分
４０　　　：セル
５０　　　：制御器
１００　　：電気化学式水素圧縮装置
２００　　：水素供給システム
ＡＮ　　　：アノード
ＣＡ　　　：カソード

Claims (11)

  1. 　一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルと、
    前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、
    　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露点調整器と、
    　前記セルの温度が上昇すると、前記露点調整器を制御して、前記水素含有ガスの露点を上げる制御器とを備える電気化学式水素圧縮装置。
  2. 　起動時に、前記制御器は、加湿された前記水素含有ガスが前記アノードに供給されるよう前記露点調整器を制御する請求項１に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  3. 　前記制御器は、前記電圧印加器を制御して、前記水素含有ガス中の水素の一部を圧縮させ、残りを圧縮させない請求項１または２に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  4. 　前記セルを冷却する冷却器を備え、前記制御器は、前記セルの発熱量が増加すると、前記冷却器を動作させる請求項１－３のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  5. 　前記水素含有ガスが水電解により生成された水素含有ガスを含む請求項１－４のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  6. 　前記水素含有ガスが炭化水素化合物の改質反応で生成された水素含有ガスを含む請求項１－５のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  7. 　前記露点調整器が凝縮器を含み、前記制御器は、前記セルの温度が上昇すると、前記凝縮器を制御して、前記水素含有ガスからの水の凝縮量を低下させる請求項１－６のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  8. 　前記露点調整器が加湿器を含み、前記制御器は、前記セルの温度が上昇すると、前記加湿器を制御して、前記水素含有ガスの加湿量を増加させる請求項１－６のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  9. 前記制御器は、前記露点調整器を制御して、前記水素含有ガスの露点を、前記セル温度＋5℃以下に調整し、かつ、前記セルの温度が上昇すると、前記露点調整器を制御して、前記水素含有ガスの露点を上げる、請求項１－８のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  10. 　前記制御器は、前記露点調整器を制御して、前記水素含有ガスの露点を、前記セル温度以下に調整し、かつ、前記セルの温度が上昇すると、前記露点調整器を制御して、前記水素含有ガスの露点を上げる、請求項１－８のいずれか１項に記載の電気化学式水素圧縮装置。
  11. 　一対の主面を備えるプロトン伝導性の電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノードを含むセルの前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加することにより、前記アノードから前記カソードに圧縮された水素を供給するステップ（ａ）と、
    　前記ステップ（ａ）おいて、前記セルの温度が上昇すると、前記アノードに供給される水素含有ガスの露点を上げるステップ（ｂ）とを備える、電気化学式水素圧縮装置の運転方法。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021240875A1 (ja) * 2020-05-25 2021-12-02 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素システム
JP7122546B1 (ja) * 2021-04-20 2022-08-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 圧縮装置および圧縮装置の制御方法
WO2022224480A1 (ja) * 2021-04-20 2022-10-27 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 圧縮装置および圧縮装置の制御方法
EP4183895A4 (en) * 2020-07-14 2024-10-02 Panasonic Ip Man Co Ltd HYDROGEN SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING THE HYDROGEN SYSTEM

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2022064818A1 (ja) * 2020-09-25 2022-03-31
JP7292326B2 (ja) * 2020-12-15 2023-06-16 本田技研工業株式会社 電気化学式水素昇圧システム
CN114639852B (zh) 2020-12-15 2024-04-16 本田技研工业株式会社 电化学式氢升压系统
KR102447597B1 (ko) * 2021-01-08 2022-09-27 중앙대학교 산학협력단 전기화학적 수소 압축기
US11926906B2 (en) * 2021-03-15 2024-03-12 Air Products And Chemicals, Inc. Process and apparatus for compressing hydrogen gas in a centrifugal compressor
JP2022180308A (ja) * 2021-05-03 2022-12-06 ブルーム エネルギー コーポレイション 水素ポンプを含む固体酸化物型電解槽システム、及び固体酸化物型電解槽システムを動作させる方法
CN114284523B (zh) * 2021-12-24 2024-01-19 上海重塑能源科技有限公司 一种可控露点温度的燃料电池阳极循环路及其控制方法
KR20230111592A (ko) * 2022-01-18 2023-07-25 블룸 에너지 코퍼레이션 Soec 시스템의 대기 작동을 위한 압축기 통합 및 안전한 작동 시작

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015117139A (ja) 2013-12-16 2015-06-25 国立大学法人山梨大学 水素精製昇圧システム及びその運転方法
JP2017145187A (ja) * 2016-02-16 2017-08-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
JP2017530921A (ja) * 2014-07-03 2017-10-19 ヌヴェラ・フュエル・セルズ，エルエルシー 圧縮された湿潤水素を乾燥させるための吸収ベッドを再生するためのシステムおよび方法
JP2018165385A (ja) * 2017-03-28 2018-10-25 東京瓦斯株式会社 圧縮水素製造システム
JP2019099915A (ja) * 2017-12-01 2019-06-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システム
JP2019119654A (ja) * 2018-01-10 2019-07-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8282811B2 (en) * 2001-08-29 2012-10-09 Giner Electrochemical Systems, Llc Method and system for producing high-pressure hydrogen
JP2003178780A (ja) * 2001-12-11 2003-06-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池システム、および高分子電解質型燃料電池の運転方法
JP2003185096A (ja) * 2001-12-18 2003-07-03 Tokyo Gas Co Ltd 水素供給設備
JP4523298B2 (ja) * 2004-02-10 2010-08-11 株式会社豊田中央研究所 燃料電池システム及びその発電方法
JP4034804B2 (ja) * 2004-12-28 2008-01-16 松下電器産業株式会社 高分子電解質型燃料電池発電システム
JP6222958B2 (ja) * 2013-03-27 2017-11-01 大阪瓦斯株式会社 熱電併給システム用固体高分子型燃料電池の運転方法及び熱電併給システム用固体高分子型燃料電池
JP6291402B2 (ja) * 2014-11-12 2018-03-14 東京瓦斯株式会社 圧縮水素供給装置
JP6500227B2 (ja) * 2015-05-13 2019-04-17 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ガス生成装置とガス生成方法
JP2018104731A (ja) * 2016-12-22 2018-07-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学装置及びその運転方法
CN107435814B (zh) * 2017-07-12 2019-09-17 鲁西新能源装备集团有限公司 一种降低高纯氢气管束式集装箱内气瓶露点的方法
JP7122541B2 (ja) * 2018-04-16 2022-08-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプおよび電気化学式水素ポンプの運転方法
JP7162258B2 (ja) * 2018-05-30 2022-10-28 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システムおよび水素供給システムの運転方法
JP7249588B2 (ja) * 2018-06-14 2023-03-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
JP7209221B2 (ja) * 2018-07-23 2023-01-20 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
CN113366152A (zh) * 2019-12-24 2021-09-07 松下知识产权经营株式会社 电化学式氢泵及其控制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015117139A (ja) 2013-12-16 2015-06-25 国立大学法人山梨大学 水素精製昇圧システム及びその運転方法
JP2017530921A (ja) * 2014-07-03 2017-10-19 ヌヴェラ・フュエル・セルズ，エルエルシー 圧縮された湿潤水素を乾燥させるための吸収ベッドを再生するためのシステムおよび方法
JP2017145187A (ja) * 2016-02-16 2017-08-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
JP2018165385A (ja) * 2017-03-28 2018-10-25 東京瓦斯株式会社 圧縮水素製造システム
JP2019099915A (ja) * 2017-12-01 2019-06-24 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素供給システム
JP2019119654A (ja) * 2018-01-10 2019-07-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3879005A4

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021240875A1 (ja) * 2020-05-25 2021-12-02 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素システム
JP6979635B1 (ja) * 2020-05-25 2021-12-15 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素システム
EP4183895A4 (en) * 2020-07-14 2024-10-02 Panasonic Ip Man Co Ltd HYDROGEN SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING THE HYDROGEN SYSTEM
JP7122546B1 (ja) * 2021-04-20 2022-08-22 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 圧縮装置および圧縮装置の制御方法
WO2022224480A1 (ja) * 2021-04-20 2022-10-27 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 圧縮装置および圧縮装置の制御方法

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