WO2021181772A1 - 水素システムおよび水素システムの運転方法 - Google Patents

水素システムおよび水素システムの運転方法 Download PDF

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WO2021181772A1
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hydrogen
cathode
anode
valve
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貴之 中植
智也 鎌田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to a hydrogen system and a method of operating the hydrogen system.
  • Patent Document 1 describes a hydrogen purification boosting system in which an electrolyte membrane is provided between an anode and a cathode, and hydrogen is purified and boosted by applying a voltage between the anode and the cathode.
  • the laminated structure of the anode, the electrolyte membrane and the cathode is called a membrane-electrode assembly (MEA).
  • Patent Document 1 discloses that when the hydrogen purification boosting system is stopped, the gas remaining in the system is purged with nitrogen.
  • Patent Document 2 when the anode gas flow path is blocked (flooded) by condensed water, the cathode gas is supplied to the anode gas flow path to eliminate the flooding of the anode gas flow path. Is described.
  • the hydrogen system of one aspect of the present disclosure applies a voltage between the anode and the cathode to move the hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode to the cathode via the electrolyte membrane and compress it.
  • the compressor the first flow path through which the hydrogen-containing gas discharged from the anode of the compressor flows, and the second flow for supplying the cathode off gas discharged from the cathode of the compressor to the anode of the compressor. It includes a path, an on-off valve provided in the second flow path, and a controller that opens the on-off valve when normally stopped.
  • the hydrogen system of one aspect of the present disclosure and the method of operating the hydrogen system have the effect that the possibility of flooding at the anode can be reduced as compared with the conventional case.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a hydrogen system according to an embodiment of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a hydrogen system according to a first modification of the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a hydrogen system of a second modification of the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the second embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the third embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the fifth embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the sixth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the seventh embodiment.
  • Patent Document 1 does not fully study the decrease in strength of the electrolyte membrane due to creep when the hydrogen purification and pressurization system is stopped. Further, Patent Document 1 does not fully study the possibility that the efficiency of the hydrogen compression operation of the system decreases when the hydrogen purification and pressurization system is restarted.
  • the electrolyte membrane exhibits the desired proton conductivity in a wet state. Therefore, in order to maintain the desired value of the efficiency of the hydrogen compression operation of the compressor, it is necessary to keep the electrolyte membrane in a wet state. Therefore, conventionally, high humidity hydrogen-containing gas is often supplied to the anode of the compressor. Then, after the compressor is stopped, the water vapor in the hydrogen-containing gas is condensed due to the temperature drop of the hydrogen-containing gas, which may cause blockage (flooding) by the condensed water in the anode gas flow path. As a result, if the diffusion overvoltage of the compressor due to the inhibition of the diffusivity of the hydrogen-containing gas increases, the efficiency of the hydrogen compression operation of the compressor may decrease.
  • the electrochemical hydrogen pump of Patent Document 2 is considered when an abnormality such as an abnormal blockage of the anode gas flow path occurs, but in the case of a normal stop where an abnormality such as an abnormal blockage of the anode gas flow path does not occur. Not considered. Specifically, after this normal stop, condensed water is generated in the anode gas flow path as the temperature of a compressor such as an electrochemical hydrogen pump drops, which may cause blockage of the anode flow path. Patent Document 2 does not consider this point. Further, in Patent Document 2, creep of the electrolyte membrane is suppressed when the anode gas flow path is abnormally blocked, but this is not suppressed when the anode gas flow path is normally stopped.
  • the present inventors have diligently studied and focused on the fact that the high-pressure hydrogen existing in the cathode of the compressor has a lower humidity than the high-humidity hydrogen-containing gas existing in the anode, and by utilizing this, The idea was to suppress the flooding of the anode gas flow path of the compressor.
  • the hydrogen system of the first aspect of the present disclosure by applying a voltage between the anode and the cathode, hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode is moved to the cathode via the electrolyte membrane and compressed.
  • An on-off valve provided in the second flow path and a controller for opening the on-off valve when normally stopped are provided.
  • the hydrogen system of this embodiment can reduce the possibility of flooding at the anode as compared with the conventional case.
  • the high humidity hydrogen-containing gas existing in the anode is supplied from the cathode by opening the on-off valve provided in the second flow path at the time of normal stop. Can be replaced with a cathode off gas. That is, since the high-humidity hydrogen-containing gas is pushed out to the first flow path by the low-humidity cathode-off gas, the gas existing at the anode is replaced with the latter cathode-off gas from the former hydrogen-containing gas. As a result, the hydrogen system of this embodiment is less likely to cause flooding of the anode gas flow path. Then, when the compressor is restarted, the efficiency of the hydrogen compression operation can be appropriately maintained.
  • the hydrogen system of this embodiment can suppress the decrease in strength of the electrolyte membrane due to creep more than before.
  • the differential pressure between the anode and the cathode is quickly reduced by opening the on-off valve provided in the second flow path at the time of normal stop, so that the electrolyte membrane creeps. This makes it difficult for the electrolyte membrane to become thin. Thereby, the hydrogen system of this embodiment can appropriately maintain the strength of the electrolyte membrane.
  • the hydrogen system of the second aspect of the present disclosure includes a third flow path through which the cathode off gas discharged from the cathode of the compressor flows in the hydrogen system of the first aspect, and the second flow path branches from the third flow path. You may.
  • the hydrogen system of the third aspect of the present disclosure includes a fourth flow path through which the hydrogen-containing gas supplied to the anode of the compressor flows in the hydrogen system of the first or second aspect, and the second flow path is a second flow path. 4 You may join the flow path.
  • the hydrogen system of the fourth aspect of the present disclosure is the hydrogen system of the second aspect, in which the flow of the cathode off gas discharged from the cathode of the compressor flows into the third flow path downstream from the portion branched to the second flow path.
  • a first check valve may be provided to prevent flow in the opposite direction.
  • the hydrogen system of this embodiment by providing the first check valve in the third flow path, even if the on-off valve provided in the second flow path is opened at the time of normal stop, the anode is connected to the anode.
  • the amount of gas supplied to the system can be limited to an appropriate amount.
  • the above-mentioned inconvenience can be alleviated by using the first check valve having a simple structure.
  • the hydrogen system of the fifth aspect of the present disclosure is the flow of the hydrogen-containing gas supplied to the anode of the compressor in the fourth flow path upstream from the point where the second flow path joins in the hydrogen system of the third aspect.
  • a second check valve may be provided to prevent the flow in the direction opposite to that of the above.
  • the hydrogen system of this embodiment by providing the second check valve in the fourth flow path, even if the on-off valve provided in the second flow path is opened at the time of normal stop, the anode is from the cathode to the anode. It is possible to prevent the high-pressure cathode off gas supplied to the system from flowing into the low-pressure anode gas supply system. As a result, the hydrogen system of this embodiment can reduce damage to low-voltage equipment provided in the anode gas supply system, as compared with the case where the second check valve is not provided in the fourth flow path.
  • the above-mentioned inconvenience can be alleviated by using the second check valve having a simple structure.
  • the hydrogen system of the sixth aspect of the present disclosure reduces the pressure of the cathode off gas flowing through the second flow path to the second flow path downstream of the on-off valve in any one of the first to fifth aspects of the hydrogen system.
  • a pressure reducing valve may be provided.
  • the cathode off gas supplied to the anode through the second flow path by the pressure reducing valve can be reduced. This makes it possible to reduce the possibility of damage to the member used for the anode of the compressor.
  • the hydrogen system of the seventh aspect of the present disclosure prevents the flow of the cathode off gas flowing through the second flow path in the second flow path downstream of the pressure reducing valve in the direction opposite to the direction of the flow of the cathode off gas in the hydrogen system of the sixth aspect in the hydrogen system of the sixth aspect.
  • a third check valve may be provided.
  • the hydrogen system of this embodiment can prevent high-pressure hydrogen existing at the cathode from flowing back to the pressure reducing valve through the second flow path even when the electrolyte membrane is damaged. Is less likely to break down.
  • the hydrogen system of the eighth aspect of the present disclosure adjusts the flow rate of the cathode off gas flowing through the second flow path in the second flow path between the pressure reducing valve and the third check valve in the hydrogen system of the seventh aspect.
  • a flow controller may be provided.
  • the flow rate regulator allows the flow rate of the cathode off gas flowing through the second flow path to be a desired flow rate. Can be limited to. Then, in the hydrogen system of this embodiment, by reducing the flow rate of the cathode off gas, the cathode off gas can be stably supplied from the cathode to the anode through the second flow path. Further, in the hydrogen system of this embodiment, by reducing the flow rate of the cathode off gas, the time for the low humidity cathode off gas to pass through the anode can be lengthened. As a result, the hydrogen system of this embodiment is less likely to cause flooding of the anode gas flow path.
  • the first flow path merges with the fourth flow path downstream of the second check valve.
  • the hydrogen system of this embodiment in the hydrogen system of this embodiment, the high-pressure cathode off gas supplied to the anode of the compressor is discharged from the anode by opening the on-off valve provided in the second flow path when normally stopped.
  • the hydrogen system of this embodiment can reduce damage to low-voltage equipment provided in the anode gas supply system, as compared with the case where the second check valve is not provided in the fourth flow path.
  • the operation method of the hydrogen system of this embodiment can reduce the possibility of flooding at the anode as compared with the conventional method.
  • the method of operating the hydrogen system of this embodiment can suppress a decrease in the strength of the electrolyte membrane due to creep as compared with the conventional method.
  • the details of the action and effect of the operation method of the hydrogen system of this embodiment are the same as those of the hydrogen system of the first aspect, and thus the description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the first embodiment.
  • the hydrogen system 200 of the first embodiment includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2, an on-off valve 5, and a controller 50. ..
  • the cell of the electrochemical hydrogen pump 100 includes an electrolyte membrane 20, an anode AN, and a cathode CA.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 may include a stack in which a plurality of such cells are stacked. Details will be described later.
  • the anode AN is provided on one main surface of the electrolyte membrane 20.
  • the anode AN is an electrode including an anode catalyst layer and an anode gas diffusion layer.
  • the cathode CA is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 20.
  • the cathode CA is an electrode including a cathode catalyst layer and a cathode gas diffusion layer.
  • the electrolyte membrane 20 may have any structure as long as it has proton conductivity.
  • examples of the electrolyte membrane 20 include a fluorine-based polymer electrolyte membrane and a hydrocarbon-based electrolyte membrane.
  • the electrolyte membrane 20 for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation) and the like can be used, but the electrolyte membrane 20 is not limited thereto.
  • the anode catalyst layer is provided on one main surface of the electrolyte membrane 20.
  • the anode catalyst layer contains, but is not limited to, carbon capable of supporting a catalyst metal (eg, platinum) in a dispersed state.
  • the cathode catalyst layer is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 20.
  • the cathode catalyst layer contains, but is not limited to, carbon capable of supporting a catalyst metal (eg, platinum) in a dispersed state.
  • the method for preparing the catalyst for both the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer various methods can be mentioned, but the method is not particularly limited.
  • examples of the carbon-based powder include powders such as graphite, carbon black, and conductive activated carbon.
  • the method of supporting platinum or other catalytic metal on the carbon carrier 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 in which a carrier such as carbon is dispersed in a colloidal solution of a catalyst component and adsorbed.
  • the supported state of the catalyst metal such as platinum on the carbon carrier is not particularly limited.
  • the catalyst metal may be made into fine particles and supported on a carrier with high dispersion.
  • the cathode gas diffusion layer is provided on the cathode catalyst layer.
  • the cathode gas diffusion layer is made of a porous material and has conductivity and gas diffusivity. It is desirable that the cathode gas diffusion layer has elasticity so as to appropriately follow the displacement and deformation of the constituent members generated by the differential pressure between the cathode CA and the anode AN during the operation of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • As the base material of the cathode gas diffusion layer for example, a carbon fiber sintered body or the like can be used, but the substrate is not limited thereto.
  • the anode gas diffusion layer is provided on the anode catalyst layer.
  • the anode gas diffusion layer is made of a porous material and has conductivity and gas diffusivity. It is desirable that the anode gas diffusion layer has a rigidity sufficient to withstand the pressing of the electrolyte membrane 20 by the above differential pressure during the operation of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • a carbon particle sintered body or the like can be used, but the substrate is not limited thereto.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 includes a voltage adapter 21.
  • the voltage applyer 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 a voltage can be applied between the anode AN and the cathode CA.
  • the high potential side terminal of the voltage applyer 21 is connected to the anode AN
  • the low potential side terminal of the voltage applyer 21 is connected to the cathode CA.
  • Examples of the voltage applyer 21 include a DC / DC converter and an AC / DC converter.
  • the DC / DC converter is used when the voltage applyer 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 applyer 21 is connected to an AC power source such as a commercial power source. Further, in the voltage applyr 21, for example, the voltage applied between the anode AN and the cathode CA and the current flowing between the anode AN and the cathode CA are adjusted so that the electric power supplied to the cell becomes a predetermined set value. It may be an electric power supply.
  • the electrochemical hydrogen pump 100 is energized between the anode AN and the cathode CA by using the voltage applyer 21. That is, in the electrochemical hydrogen pump 100, the voltage applyer 21 applies a voltage between the anode AN and the cathode CA to move hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN to the cathode CA. And it is a device that compresses. As a result, high-pressure hydrogen is generated at the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the hydrogen-containing gas may be, for example, a hydrogen gas generated by electrolysis of water or a reformed gas generated by a reforming reaction of a hydrocarbon gas.
  • each of the pair of separators may sandwich each of the anode AN and the cathode CA from the outside.
  • the separator in contact with the anode AN is a conductive plate-shaped member for supplying the hydrogen-containing gas to the anode AN.
  • This plate-shaped member includes a serpentine-shaped gas flow path through which hydrogen-containing gas supplied to the anode AN flows.
  • the separator in contact with the cathode CA is a conductive plate-shaped member for deriving hydrogen from the cathode CA.
  • This plate-shaped member includes a gas flow path through which hydrogen derived from the cathode CA flows.
  • sealing materials such as gaskets are usually provided from both sides of the cell so that high-pressure hydrogen does not leak to the outside, and the electrochemical hydrogen pump 100 is integrated with the cell and assembled in advance. Then, on the outside of this cell, the above-mentioned separator for mechanically fixing the cell and electrically connecting adjacent cells to each other in series is arranged.
  • Cells and separators are alternately stacked, about 10 to 200 cells are stacked, the stack is sandwiched between end plates via a current collector plate and an insulating plate, and both end plates are tightened with fastening rods.
  • a groove-shaped branch path is branched from an appropriate conduit in each of the separators, and the downstream ends thereof are the separators. It is necessary to configure it so as to be connected to each gas flow path of.
  • Such a pipeline is called a manifold, and the manifold is composed of, for example, a series of through holes provided at appropriate positions of the members constituting the stack.
  • the hydrogen system 200 is provided with a temperature detector for detecting the cell temperature, a temperature regulator for adjusting the cell temperature, a dew point regulator for adjusting the dew point of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN, and the like. You may.
  • the first flow path 1 is a flow path through which the hydrogen-containing gas discharged from the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100 flows.
  • the first flow path 1 may communicate with, for example, a manifold for deriving a hydrogen-containing gas.
  • the second flow path 2 is a flow path for supplying the cathode off gas discharged from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the second flow path 2 may have any configuration as long as it is a flow path for supplying the cathode off gas discharged from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100. .. It should be noted that such a cathode off gas contains high-pressure hydrogen generated by the cathode CA.
  • the upstream end of the second flow path 2 may be connected to any location as long as it communicates with the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • downstream end of the second flow path 2 may be connected to any location as long as it communicates with the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the on-off valve 5 is a valve provided in the second flow path 2.
  • the on-off valve 5 may have any configuration as long as the second flow path 2 can be opened and closed.
  • an electromagnetic valve or the like can be used, but the on-off valve 5 is not limited to this.
  • the controller 50 opens the on-off valve 5 when normally stopped.
  • the controller 50 may control the overall operation of the hydrogen system 200.
  • the "normal stop” is a stop different from the stop caused by the occurrence of an abnormality such as flooding of the gas flow path (abnormal stop).
  • a stop due to the completion of hydrogen supply from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 to the hydrogen demand body in other words, a stop due to the satisfaction of the hydrogen demand of the hydrogen demand body is exemplified.
  • Satisfying the hydrogen demand of the hydrogen demander means, for example, filling the hydrogen tank with hydrogen. Further, when the hydrogen system 200 is normally stopped, the operation of the hydrogen system 200 may be stopped.
  • the voltage application between the anode AN and the cathode CA in the voltage applyer 21 may be stopped, or the supply of the hydrogen-containing gas from the hydrogen-containing gas supply source to the anode AN may be stopped.
  • the hydrogen-containing gas supply source include a reformer, a water electrolyzer, a hydrogen tank, and a hydrogen infrastructure.
  • the controller 50 includes, for example, an arithmetic circuit (not shown) and a storage circuit (not shown) for storing a control program.
  • Examples of the arithmetic circuit include an MPU and a CPU.
  • Examples of the storage circuit include a memory and the like.
  • the controller 50 may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.
  • the following operations may be performed, for example, by the arithmetic circuit of the controller 50 reading a control program from the storage circuit of the controller 50. However, it is not always essential that the controller 50 performs the following operations. The operator may perform some of the operations.
  • low-pressure and high-humidity hydrogen-containing gas is supplied to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100, and the voltage of the voltage adapter 21 is supplied to the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the anode catalyst layer of the anode AN hydrogen molecules are separated into protons and electrons (Equation (1)). Protons conduct in the electrolyte membrane 20 and move to the cathode catalyst layer. Electrons move to the cathode catalyst layer through the voltage applyer 21. At this time, the on-off valve 5 is closed.
  • Equation (2) hydrogen molecules are generated again in the cathode catalyst layer (Equation (2)). It is known that when protons conduct through the electrolyte membrane 20, a predetermined amount of water moves from the anode AN to the cathode CA as electroosmotic water along with the protons.
  • the third flow path 3 is used.
  • Hydrogen (H 2 ) generated by the cathode CA can be compressed by increasing the pressure loss of the third flow path 3 by using a back pressure valve, a regulating valve (not shown), or the like provided.
  • increasing the pressure loss of the third flow path 3 corresponds to reducing the opening degree of the back pressure valve and the adjusting valve provided in the third flow path 3.
  • the hydrogen system 200 is normally shut down.
  • the voltage application between the anode AN and the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 may be stopped, or the supply of the hydrogen-containing gas from the hydrogen-containing gas supply source to the anode AN may be stopped. good.
  • the operation of compressing hydrogen at the cathode CA is stopped.
  • the cathode CA side has a high pressure and low humidity of about 40 MPa (for example,). Hydrogen has a relative humidity of about 300 ppm at about 50 ° C.). Further, on the anode AN side, there is a hydrogen-containing gas having a low pressure of about 0.1 MPa and a high humidity (for example, about 50 ° C. and a relative humidity of about 12%).
  • the on-off valve 5 is opened when the above hydrogen compression operation is normally stopped. Then, the operation of supplying the high-pressure hydrogen compressed by the cathode CA as the cathode off gas to the anode AN via the second flow path 2 is performed. At this time, the operation of discharging the cathode off gas supplied to the anode AN through the first flow path 1 through which the hydrogen-containing gas discharged from the anode AN flows is performed.
  • the operation method of the hydrogen system 200 and the hydrogen system 200 of the present embodiment can reduce the possibility of flooding at the anode AN as compared with the conventional case.
  • the high humidity existing in the anode AN is obtained by opening the on-off valve 5 provided in the second flow path 2 at the time of normal stop.
  • the hydrogen-containing gas can be replaced with a low-humidity cathode-off gas supplied from the cathode CA.
  • the operation method of the hydrogen system 200 and the hydrogen system 200 of the present embodiment can suppress a decrease in the strength of the electrolyte membrane 20 due to creep as compared with the conventional case.
  • the on-off valve 5 provided in the second flow path 2 is opened at the time of normal stop, thereby between the anode AN and the cathode CA. Since the differential pressure is rapidly reduced, the creep of the electrolyte membrane 20 makes it difficult for the electrolyte membrane 20 to be thinned. Thereby, the operation method of the hydrogen system 200 and the hydrogen system 200 of the present embodiment can appropriately maintain the strength of the electrolyte membrane 20.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a hydrogen system according to an embodiment of the first embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2A, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and an on-off valve 5. And a controller 50.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted.
  • the third flow path 3 is a flow path through which the cathode off gas discharged from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 flows.
  • the third flow path 3 may communicate with, for example, a cathode off gas lead-out manifold.
  • the hydrogen system 200 may be configured to supply high-pressure hydrogen generated by the cathode CA to a hydrogen reservoir (not shown) through the third flow path 3.
  • a hydrogen reservoir for example, a hydrogen tank capable of filling hydrogen of about several tens of MPa can be mentioned.
  • the second flow path 2A extends so as to branch from the third flow path 3. Other examples of the connection points between the two will be described with reference to the first modification.
  • the fourth flow path 4 is a flow path through which the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100 flows.
  • the fourth flow path 4 may communicate with, for example, a manifold for introducing a hydrogen-containing gas. Further, the upstream end of the fourth flow path 4 may be connected to, for example, a hydrogen-containing gas supply source.
  • the second flow path 2A is extended so as to join the fourth flow path 4. Other examples of the connection points between the two will be described with reference to the second modification.
  • the cathode off gas is discharged from the cathode CA. Locations can be aggregated.
  • the height existing in the fourth flow path 4 on the downstream side of the confluence of both is high.
  • the humidity hydrogen-containing gas can be replaced with a low humidity cathode off gas supplied from the cathode CA. As a result, in the hydrogen system 200 of the present embodiment, flooding of the fourth flow path 4 is less likely to occur.
  • the action and effect of the hydrogen system 200 of this embodiment is the same as that of the hydrogen system 200 of the first embodiment except for the above action and effect.
  • the hydrogen system 200 of this embodiment may be the same as the hydrogen system 200 of the first embodiment except for the above-mentioned features.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a hydrogen system according to a first modification of the first embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2B, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and an on-off valve 5. And a controller 50.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those in the first embodiment. Omit.
  • the second flow path 2B is a flow path for supplying the cathode off gas discharged from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the second flow path 2B communicates with the cathode CA at a position different from the upstream end of the third flow path 3 and extends so as to merge with the fourth flow path 4.
  • the effects exerted by the hydrogen system 200 of the present modification are the hydrogen system 200 of the embodiment of the first embodiment, except for the effects exerted by the configuration in which the second flow path 2A branches from the third flow path 3. Is similar to.
  • the hydrogen system 200 of this modification may be the same as the hydrogen system 200 of the first embodiment or the first embodiment except for the above-mentioned features.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a hydrogen system of a second modification of the first embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2C, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and an on-off valve 5. And a controller 50.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those in the first embodiment. Omit.
  • the second flow path 2C is a flow path for supplying the cathode off gas discharged from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the second flow path 2C branches from the third flow path 3 and extends so as to communicate with the anode AN at a position different from the downstream end of the fourth flow path 4.
  • the hydrogen system 200 of the first embodiment has the same effects as the hydrogen system 200 of the first embodiment, except for the effects exhibited by the configuration in which the second flow path 2A joins the fourth flow path 4. Is similar to.
  • the hydrogen system 200 of this modification may be the same as the hydrogen system 200 of any one of the first embodiment, the first embodiment, and the first modification, except for the above-mentioned features. good.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the second embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2A, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and a check valve 5.
  • a first check valve 7 and a controller 50 are provided.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the second flow path 2A, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those of the first embodiment. Since it is the same, the description thereof will be omitted.
  • the first check valve 7 is provided in the third flow path 3 downstream of the branching point in the second flow path 2A, and is opposite to the direction of the flow of the cathode off gas discharged from the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100. A valve that prevents directional flow.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment by providing the first check valve 7 in the third flow path 3, even if the on-off valve 5 provided in the second flow path 2A is opened at the time of normal stop. , The amount of gas supplied from the cathode CA to the anode AN can be limited to an appropriate amount.
  • the first check valve 7 is connected to the third flow path 3.
  • hydrogen in the hydrogen reservoir passes through these flow paths in the order of the third flow path 3 and the second flow path 2A.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment may move to the AN, but such a possibility can be reduced by providing the first check valve 7 in the third flow path 3. As a result, a decrease in efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 is suppressed.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment can alleviate the above-mentioned inconvenience by using the first check valve 7 having a simple structure.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment is different from the hydrogen system 200 of any one of the first embodiment, the first embodiment, and the first modification-the second modification of the first embodiment, except for the above-mentioned features. It may be similar.
  • the hydrogen system 200 of the first modification (FIG. 3) of the first embodiment also has the same effect as described above. That is, when high-pressure hydrogen generated by the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 is supplied to the hydrogen reservoir through the third flow path 3, the first check valve must be provided in the third flow path 3.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment can reduce such a possibility by providing the first check valve in the third flow path 3.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the third embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2A, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and a check valve 5.
  • a second check valve 8 and a controller 50 are provided.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the second flow path 2A, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those of the first embodiment. Since it is the same, the description thereof will be omitted.
  • the second check valve 8 is provided in the fourth flow path 4 upstream of the point where the second flow path 2A joins, and the direction of the flow of the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100. A valve that prevents reverse flow.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment by providing the second check valve 8 in the fourth flow path 4, even if the on-off valve 5 provided in the second flow path 2A is opened at the time of normal stop. , The high-pressure cathode off gas supplied from the cathode CA to the anode AN can be suppressed from flowing into the low-pressure anode gas supply system. As a result, the hydrogen system 200 of the present embodiment reduces damage to low-voltage equipment provided in the anode gas supply system, as compared with the case where the second check valve 8 is not provided in the fourth flow path 4. be able to.
  • the anode gas supply system means a hydrogen-containing gas supply source such as a reformer, a water electrolyzer, or a hydrogen tank, excluding the anode gas supply line.
  • the above-mentioned inconvenience can be alleviated by using the second check valve 8 having a simple structure.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment is any one of the first embodiment, the first embodiment, the first modification-the second modification and the second embodiment of the first embodiment, except for the above-mentioned features. It may be the same as the hydrogen system 200 of.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the fourth embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2A, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and an on-off valve 5.
  • a pressure reducing valve 9 and a controller 50 are provided.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the second flow path 2A, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those of the first embodiment. Since it is the same, the description thereof will be omitted.
  • the pressure reducing valve 9 is provided in the second flow path 2A downstream of the on-off valve 5 and is a valve for reducing the pressure of the cathode off gas flowing through the second flow path 2A.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment even if the on-off valve 5 provided in the second flow path 2A is opened at the time of normal stop, the hydrogen system 200 is supplied to the anode AN by the pressure reducing valve 9 via the second flow path 2A.
  • the pressure of the cathode off gas to be produced can be reduced. This makes it possible to reduce the possibility of damage to the member used for the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100.
  • the number of pressure reducing valves 9 is not limited to one.
  • by providing two or more pressure reducing valves in the second flow path 2A it becomes easy to adjust the pressure of the cathode off gas flowing through the second flow path 2A to a desired value.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment has the first embodiment, the first embodiment, the first modification-the second modification, the second embodiment and the third embodiment, except for the above-mentioned features. It may be similar to any hydrogen system 200 of the embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the fifth embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow path 2A, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and a check valve 5.
  • a pressure reducing valve 9, a third check valve 10, and a controller 50 are provided.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the second flow path 2A, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those of the first embodiment. Since it is the same, the description thereof will be omitted. Further, since the pressure reducing valve 9 is the same as that of the fourth embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the third check valve 10 is provided in the second flow path 2A downstream of the pressure reducing valve 9 and is a valve that prevents the flow of the cathode off gas flowing in the second flow path 2A in the direction opposite to the direction of the flow.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment has the first embodiment, the first embodiment, the first modification-the second modification, the second embodiment, and the third embodiment, except for the above-mentioned features. It may be similar to the hydrogen system 200 of any of the embodiments and the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the sixth embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1, a second flow rate 2A, a third flow rate 3, a fourth flow rate 4, and a check valve 5.
  • a pressure reducing valve 9, a third check valve 10, a flow rate controller 11, and a controller 50 are provided.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the first flow path 1, the second flow path 2A, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those of the first embodiment. Since it is the same, the description thereof will be omitted. Further, since the pressure reducing valve 9 and the third check valve 10 are the same as those of the fourth embodiment and the fifth embodiment, respectively, the description thereof will be omitted.
  • the flow rate regulator 11 is a device provided in the second flow path 2A between the pressure reducing valve 9 and the third check valve 10 and adjusts the flow rate of the cathode off gas flowing through the second flow path 2A.
  • the flow rate controller 11 may have any configuration as long as the flow rate of the cathode off gas flowing through the second flow path 2A can be adjusted. Examples of the flow rate controller 11 include a mass flow controller and the like.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment even if the on-off valve 5 provided in the second flow path 2A is opened during normal stop, the flow rate of the cathode off gas flowing through the second flow path 2A by the flow rate controller 11 Can be limited to the desired flow rate. Then, the hydrogen system 200 of the present embodiment can stably supply the cathode off gas from the cathode CA to the anode AN through the second flow path 2A by reducing the flow rate of the cathode off gas. Further, in the hydrogen system 200 of the present embodiment, by reducing the flow rate of the cathode off gas, the time for low humidity hydrogen to pass through the anode AN can be lengthened. As a result, in the hydrogen system 200 of the present embodiment, flooding of the anode gas flow path is less likely to occur.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment has the first embodiment, the first embodiment, the first modification-the second modification, the second embodiment, and the third embodiment, except for the above-mentioned features. It may be the same as the hydrogen system 200 of any one of the embodiment, the fourth embodiment and the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the seventh embodiment.
  • the hydrogen system 200 includes an electrochemical hydrogen pump 100, a first flow path 1A, a second flow path 2A, a third flow path 3, a fourth flow path 4, and a check valve 5.
  • a second check valve 8 and a controller 50 are provided.
  • the electrochemical hydrogen pump 100, the second flow path 2A, the third flow path 3, the fourth flow path 4, the on-off valve 5, and the controller 50 are the same as those in the first embodiment, and thus the description thereof will be omitted. Further, since the second check valve 8 is the same as that of the third embodiment, the description thereof will be omitted.
  • the first flow path 1A is a flow path through which the hydrogen-containing gas discharged from the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 100 flows.
  • the first flow path 1A may communicate with, for example, a manifold for deriving a hydrogen-containing gas.
  • the first flow path 1A extends so as to merge with the fourth flow path 4 downstream of the second check valve 8.
  • the hydrogen system 200 may be configured to provide an on-off valve (not shown) in the first flow path 1A.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment reduces damage to low-voltage equipment provided in the anode gas supply system, as compared with the case where the second check valve 8 is not provided in the fourth flow path 4. be able to.
  • the hydrogen system 200 of the present embodiment has the first embodiment, the first embodiment, the first modification-the second modification, the second embodiment, and the third embodiment, except for the above-mentioned features. It may be the same as the hydrogen system 200 of any one of the embodiment, the fourth embodiment, the fifth embodiment and the sixth embodiment.
  • the first embodiment, the first embodiment, the first modification of the first embodiment-the second modification, the second embodiment, the third embodiment, the fourth embodiment, the fifth embodiment, The sixth embodiment and the seventh embodiment may be combined with each other as long as the other party is not excluded from each other.
  • One aspect of the present disclosure can be used for hydrogen systems and methods of operating hydrogen systems that can reduce the possibility of flooding at the anode.

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Abstract

水素システムは、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、前記圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、前記第２流路に設けられた開閉弁と、通常停止時に、前記開閉弁を開放させる制御器と、を備える。

Description

水素システムおよび水素システムの運転方法
　本開示は水素システムおよび水素システムの運転方法に関する。
　近年、地球温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに開発および普及が進んでいる。
　来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用することが可能な技術開発が求められている。特に、分散型のエネルギー源となる燃料電池の普及促進には、水素供給インフラを整備する必要がある。そこで、水素を安定的に供給するために、高純度の水素を製造、精製、高密度貯蔵する様々な検討が行われている。
　例えば、特許文献１には、アノードおよびカソード間に電解質膜が設けられ、アノードおよびカソード間に電圧を印加することによって、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。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（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
　ここで、特許文献１には、水素精製昇圧システムの停止時に、システム中に残存するガスを窒素でパージすることが開示されている。
　また、特許文献２には、アノードガス流路の凝縮水による閉塞（フラディング）が発生したとき、カソードガスをアノードガス流路に供給することで、アノードガス流路のフラディングを解消することが記載されている。
特許第６２９９０２７号公報 特開２０１８－１９９８５２号公報
　本開示は、一例として、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る水素システムおよび水素システムの運転方法を提供することを課題とする。
　本開示の一態様(aspect)の水素システムは、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、前記圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、前記第２流路に設けられた開閉弁と、通常停止時に、前記開閉弁を開放させる制御器と、を備える。
　本開示の一態様の水素システムの運転方法は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップと、前記水素を圧縮するステップの通常停止時に、前記カソードで圧縮されたカソードオフガスを前記アノードに供給するステップと、前記アノードに供給されたカソードオフガスを、前記アノードから排出される水素含有ガスが流れる流路を介して排出させるステップと、を備える。
　本開示の一態様の水素システムおよび水素システムの運転方法は、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る、という効果を奏する。
図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の実施例の水素システムの一例を示す図である。 図３は、第１実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。 図４は、第１実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。 図５は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図６は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図７は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図８は、第５実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図９は、第６実施形態の水素システムの一例を示す図である。 図１０は、第７実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　特許文献１では、水素精製昇圧システムの停止時における、クリープによる電解質膜の強度低下について十分に検討されていない。また、特許文献１では、水素精製昇圧システムの再起動時に、システムの水素圧縮動作の効率が低下する可能性について十分に検討されていない。
　電気化学式水素ポンプなどの圧縮機のカソードには、停止時に、カソードで生成された高圧の水素（Ｈ２）が存在する。従って、この状態で圧縮機を放置すると、アノードおよびカソード間の差圧に基づく荷重が電解質膜にかかり続ける。すると、電解質膜のクリープによって電解質膜が薄膜化することで、電解質膜の強度が低下する可能性がある。
　また、一般的に、電解質膜は、湿潤状態で所望のプロトン伝導性を示す。このため、圧縮機の水素圧縮動作の効率を所望の値を維持するには、電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。そこで、従来から、高湿度の水素含有ガスを圧縮機のアノードに供給することが多い。すると、圧縮機が停止した後、水素含有ガスの温度低下によって水素含有ガス中の水蒸気が凝縮することで、アノードガス流路の凝縮水による閉塞（フラディング）が発生する可能性がある。これにより、水素含有ガスの拡散性阻害に起因する圧縮機の拡散過電圧が増加すると、圧縮機の水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
　また、特許文献２の電気化学式水素ポンプは、アノードガス流路の閉塞異常が発生したときについては考慮されているが、アノードガス流路の閉塞異常等の異常が発生していない通常停止の場合ついて考慮されていない。具体的には、本通常停止後に、電気化学式水素ポンプなどの圧縮機の温度低下に伴いアノードガス流路に凝縮水が生成することで、アノード流路の閉塞が発生する可能性があるが、特許文献２では、この点について考慮されていない。また、特許文献２では、アノードガス流路の閉塞異常時は、電解質膜のクリープが抑制されるが、通常停止時には、これが抑制されることはない。
　そこで、本発明者等は鋭意検討し、圧縮機のカソードに存在する高圧の水素が、アノードに存在する高湿度の水素含有ガスよりも低湿度であることに着目し、これを利用して、圧縮機のアノードガス流路のフラディングを抑制することを着想した。
　すなわち、本開示の第１態様の水素システムは、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、第２流路に設けられた開閉弁と、通常停止時に、開閉弁を開放させる制御器と、を備える。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る。具体的には、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放することで、アノードに存在する高湿度の水素含有ガスをカソードから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。つまり、高湿度の水素含有ガスが、低湿度のカソードオフガスによって第１流路へ押し出されるので、アノードに存在するガスが、前者の水素含有ガスから後者のカソードオフガスに置換される。これにより、本態様の水素システムは、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。すると、圧縮機の再起動時に、水素圧縮動作の効率を適切に維持することができる。
　また、本態様の水素システムは、クリープによる電解質膜の強度低下を従来よりも抑制することができる。具体的には、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放することで、アノードおよびカソード間の差圧が速やかに小さくなるので、電解質膜のクリープによって電解質膜が薄膜化しにくくなる。これにより、本態様の水素システムは、電解質膜の強度を適切に維持することができる。
　本開示の第２態様の水素システムは、第１態様の水素システムにおいて、圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスが流れる第３流路を備え、第２流路は、第３流路から分岐してもよい。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、第２流路が第３流路から分岐しているので、圧縮機において、カソードからカソードオフガスを排出するための箇所を集約することができる。
　本開示の第３態様の水素システムは、第１態様または第２態様の水素システムにおいて、圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスが流れる第４流路を備え、第２流路は、第４流路に合流してもよい。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、第２流路と第４流路とが合流することで、両者の合流箇所よりも下流側の第４流路に存在する高湿度の水素含有ガスをカソードから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。これにより、本態様の水素システムは、第４流路のフラディングが発生しにくくなる。
　本開示の第４態様の水素システムは、第２態様の水素システムにおいて、第２流路に分岐する箇所よりも下流の第３流路に、圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第１逆止弁を備えてもよい。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、第３流路に第１逆止弁を設けることで、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、カソードからアノードに供給するガスの量を適量に制限することができる。
　例えば、圧縮機のカソードで生成される高圧の水素が第３流路を通じて水素貯蔵器に供給される場合、第３流路に第１逆止弁を設けないと、第２流路に設けられた開閉弁を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第３流路および第２流路の順に、これらの流路を通じてアノードに移動する可能性があるが、本態様の水素システムは、第３流路に第１逆止弁を設けることで、このような可能性を低減することができる。これにより、圧縮機の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
　ここで、第３流路に設けられた適宜の開閉弁を閉めることで、カソードからアノードに供給するガスの量を制限することは可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、カソードからアノードに供給するガスの量を適切に制限しにくくなる。
　これに対して、本態様の水素システムは、構造がシンプルな第１逆止弁を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
　本開示の第５態様の水素システムは、第３態様の水素システムにおいて、第２流路が合流する箇所よりも上流の第４流路に、圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第２逆止弁を備えてもよい。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、第４流路に第２逆止弁を設けることで、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、カソードからアノードに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、第４流路に第２逆止弁を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
　ここで、第４流路に設けられた適宜の開閉弁を閉めることで、低圧仕様のアノードガス供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を抑制しにくくなる。
　これに対して、本態様の水素システムは、構造がシンプルな第２逆止弁を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
　本開示の第６態様の水素システムは、第１態様から第５態様のいずれか一つの水素システムにおいて、開閉弁よりも下流の第２流路に、第２流路を流れるカソードオフガスを減圧する減圧弁を備えてもよい。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、減圧弁によって第２流路を介してアノードに供給されるカソードオフガスの圧力を低下させることができる。これにより、圧縮機のアノードに用いられる部材の破損が発生する可能性を低減することができる。
　本開示の第７態様の水素システムは、第６態様の水素システムにおいて、減圧弁よりも下流の第２流路に、第２流路を流れるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第３逆止弁を備えてもよい。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、電解質膜が破損した場合であっても、カソードに存在する高圧の水素が、第２流路を通じて減圧弁に逆流することを防止できるので、減圧弁が故障しにくくなる。
　本開示の第８態様の水素システムは、第７態様の水素システムにおいて、減圧弁から第３逆止弁までの間の第２流路に、第２流路を流れるカソードオフガスの流量を調整する流量調節器を備えてもよい。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放しても、流量調節器によって第２流路を流れるカソードオフガスの流量を所望の流量に制限することができる。すると、本態様の水素システムは、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、第２流路を通じてカソードからアノードにカソードオフガスを安定に供給することができる。また、本態様の水素システムは、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、低湿度のカソードオフガスがアノードを通過する時間を長くすることができる。これにより、本態様の水素システムは、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。
　本開示の第９態様の水素システムは、第５態様の水素システムにおいて、第１流路は、第２逆止弁よりも下流の第４流路と合流する。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、通常停止時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放することで、圧縮機のアノードに供給された高圧のカソードオフガスが、アノードから排出されても、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本態様の水素システムは、第４流路に第２逆止弁を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
　本開示の第１０態様の水素システムの運転方法は、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップと、水素を圧縮するステップの通常停止時に、カソードで圧縮されたカソードオフガスをアノードに供給するステップと、アノードに供給されたカソードオフガスを、アノードから排出される水素含有ガスが流れる流路を介して排出させるステップと、を備える。
　これにより、本態様の水素システムの運転方法は、アノードでフラディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る。また、本態様の水素システムの運転方法は、クリープによる電解質膜の強度低下を従来よりも抑制することができる。なお、本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果の詳細は、第１態様の水素システムと同様であるので説明を省略する。
　以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、請求項に記載されていない限り、上記の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、上記の各態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。
　（第１実施形態）
　以下の実施形態では、上記の圧縮機の一例である電気化学式水素ポンプを備える水素システムの構成および動作について説明する。
　［装置構成］
　図１は、第１実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　図１に示す例では、第１実施形態の水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
　電気化学式水素ポンプ１００のセルは、電解質膜２０と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、このようなセルを複数個、積層したスタックを備えてもよい。詳細は後で説明する。
　アノードＡＮは、電解質膜２０の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を含む電極である。カソードＣＡは、電解質膜２０の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を含む電極である。これにより、電解質膜２０は、アノード触媒層およびカソード触媒層のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。
　電解質膜２０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２０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２０として、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができるが、これらに限定されない。
　アノード触媒層は、電解質膜２０の一方の主面に設けられている。アノード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
　カソード触媒層は、電解質膜２０の他方の主面に設けられている。カソード触媒層は、触媒金属（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
　カソード触媒層もアノード触媒層も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるが、特に限定されない。例えば、カーボン系粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボン担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。白金などの触媒金属のカーボン担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
　カソードガス拡散層は、カソード触媒層上に設けられている。カソードガス拡散層は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。カソードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。カソードガス拡散層の基材として、例えば、カーボン繊維焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。
　アノードガス拡散層は、アノード触媒層上に設けられている。アノードガス拡散層は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。アノードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時に、上記の差圧による電解質膜２０の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。アノードガス拡散層の基材として、例えば、カーボン粒子焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。
　図１に示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器２１を備える。
　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１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。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、セルに供給する電力が所定の設定値となるように、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
　このようにして電気化学式水素ポンプ１００は、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。つまり、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器２１が、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給された水素含有ガス中の水素を、カソードＣＡに移動させ、かつ圧縮する装置である。これにより、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで高圧の水素が生成される。
　なお、上記の水素含有ガスは、例えば、水の電気分解で生成された水素ガスであってもよいし、炭化水素ガスの改質反応で生成された改質ガスであってもよい。
　ここで、図１には示されていないが、水素システム２００の水素圧縮動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。
　例えば、一対のセパレータのそれぞれが、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれを外側から挟んでいてもよい。この場合、アノードＡＮに接触するセパレータは、アノードＡＮに水素含有ガスを供給するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、アノードＡＮに供給する水素含有ガスが流れるサーペンタイン状のガス流路を備える。カソードＣＡに接触するセパレータは、カソードＣＡから水素を導出するための導電性の板状の部材である。この板状の部材は、カソードＣＡから導出した水素が流れるガス流路を備える。
　また、電気化学式水素ポンプ１００では、通常、高圧の水素が外部へリークしないように、セルの両側からガスケットなどのシール材が設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のセルと一体化して予め組み立てられる。そして、このセルの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するセル同士を互いに電気的に直列に接続するための上記のセパレータが配置されている。
　セルとセパレータを交互に重ねて、セルを１０～２００個程度、積層して、その積層体（スタック）を、集電板および絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドで締め付けるのが一般的な積層構造である。なお、この場合、セパレータのそれぞれのガス流路に適量の水素含有ガスを供給するには、セパレータのそれぞれにおいて、適宜の管路から溝状の分岐経路を分岐させ、これらの下流端が、セパレータのそれぞれのガス流路に連結するように構成する必要がある。このような管路のことをマニホールドといい、このマニホールドは、例えば、スタックを構成する部材のそれぞれの適所に設けられた貫通孔の連なりにより構成されている。
　さらに、水素システム２００には、セルの温度を検知する温度検知器、セルの温度を調整する温度調整器、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露点調整器などが設けられていてもよい。
　なお、以上の図示しない部材および機器は例示であって、本例に限定されない。
　次に、本実施形態の水素システム２００の流路構成について説明する。
　第１流路１は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第１流路１は、例えば、水素含有ガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。
　ここで、第２流路２は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路である。第２流路２は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路であれば、どのような構成であってもよい。なお、このようなカソードオフガスは、カソードＣＡで生成される高圧の水素を含む。
　例えば、第２流路２の上流端は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。
　また、第２流路２の下流端は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。
　図１に示すように、開閉弁５は、第２流路２に設けられた弁である。開閉弁５は、第２流路２を開閉することができれば、どのような構成であってもよい。開閉弁５として、例えば、電磁弁などを用いることができるが、これに限定されない。
　制御器５０は、通常停止時に、開閉弁５を開放させる。制御器５０は、水素システム２００の全体の動作を制御してもよい。ここで、「通常停止」は、ガス流路のフラディングなどの異常発生に起因する停止(異常停止）と異なる停止である。具体的には、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから水素需要体への水素供給の完了に伴う停止、換言すると、水素需要体の水素需要が満たされることに伴う停止が例示される。水素需要体の水素需要が満たされるとは、例えば、水素タンク内に水素が満たされることである。また、水素システム２００の通常停止では、水素システム２００の運転が停止されてもよい。このとき、例えば、電圧印加器２１におけるアノードＡＮおよびカソードＣＡ間の電圧印加が停止してもよいし、水素含有ガス供給源からアノードＡＮへの水素含有ガスの供給が停止してもよい。なお、水素含有ガス供給源として、例えば、改質器、水電解装置、水素タンク、水素インフラなどを挙げることができる。
　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。
　［動作］
　以下、水素システム２００の水素圧縮動作の一例について、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。
　まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧および高湿度の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器２１の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に給電される。すると、アノードＡＮのアノード触媒層において、水素分子がプロトンと電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜２０内を伝導してカソード触媒層に移動する。電子は電圧印加器２１を通じてカソード触媒層に移動する。なお、このとき、開閉弁５は閉止されている。
　そして、カソード触媒層において、水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜２０中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
　このとき、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素が第３流路３（図２参照）を通じて、図示しない水素貯蔵器に供給される場合、第３流路３に設けられた背圧弁、調整弁（図示せず）などを用いて、第３流路３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（Ｈ２）を圧縮することができる。ここで、第３流路３の圧損を増加させるとは、第３流路３に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。
　　　アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ－　　　・・・（１）
　　　カソード：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（高圧）　　　・・・（２）
　このようにして、水素システム２００において、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮおよびカソードＣＡ間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜２０を介してカソードＣＡに移動させ、かつ圧縮する動作が行われる。カソードＣＡで生成された高圧の水素は、適時に、水素需要体に供給される。水素需要体として、例えば、水素貯蔵器、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。水素貯蔵器として、例えば、水素タンクを挙げることができる。
　次に、水素システム２００の通常停止が行われる。例えば、本通常停止では、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮおよびカソードＣＡ間における電圧印加が停止されてもよいし、水素含有ガス供給源からアノードＡＮへの水素含有ガスの供給が停止されてもよい。これにより、カソードＣＡで水素を圧縮する動作が停止する。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００が、例えば、燃料電池フォークリフト向けの圧縮機である場合、上記の水素圧縮動作の通常停止時に、カソードＣＡ側には、約４０ＭＰａ程度の高圧かつ低湿度（例えば、約５０℃程度で相対湿度が約３００ｐｐｍ程度）の水素が存在する。また、アノードＡＮ側には、約０．１ＭＰａ程度の低圧かつ高湿度（例えば、約５０℃程度で相対湿度が約１２％程度）の水素含有ガスが存在する。
　そこで、上記の水素圧縮動作の通常停止時に、開閉弁５が開放される。すると、カソードＣＡで圧縮された高圧の水素をカソードオフガスとして、第２流路２を介してアノードＡＮに供給する動作が行われる。このとき、アノードＡＮに供給されたカソードオフガスを、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れる第１流路１を介して排出させる動作が行われる。
　以上のとおり、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、アノードＡＮでフラッディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る。具体的には、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、通常停止時に、第２流路２に設けられた開閉弁５を開放することで、アノードＡＮに存在する高湿度の水素含有ガスをカソードＣＡから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。つまり、高湿度の水素含有ガスが、低湿度のカソードオフガスによって第１流路１へ押し出されるので、アノードＡＮに存在するガスが、前者の水素含有ガスから後者のカソードオフガスに置換される。これにより、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。すると、電気化学式水素ポンプ１００の再起動時に、水素圧縮動作の効率を適切に維持することができる。
　また、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、クリープによる電解質膜２０の強度低下を従来よりも抑制することができる。具体的には、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、通常停止時に、第２流路２に設けられた開閉弁５を開放することで、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間の差圧が速やかに小さくなるので、電解質膜２０のクリープによって電解質膜２０が薄膜化しにくくなる。これにより、本実施形態の水素システム２００および水素システム２００の運転方法は、電解質膜２０の強度を適切に維持することができる。
　（実施例）
　図２は、第１実施形態の実施例の水素システムの一例を示す図である。
　図２に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
　第３流路３は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第３流路３は、例えば、カソードオフガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。また、水素システム２００は、カソードＣＡで生成された高圧の水素を、第３流路３を通じて水素貯蔵器（図示せず）に供給するように構成されていてもよい。なお、水素貯蔵器として、例えば、数十ＭＰａ程度の水素を充填可能な水素タンクを挙げることができる。図２に示す例では、第２流路２Ａは、第３流路３から分岐するように延伸している。なお、両者の接続箇所の他の例は、第１変形例で説明する。
　第４流路４は、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される水素含有ガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第４流路４は、例えば、水素含有ガス導入用のマニホールドに連通していてもよい。また、第４流路４の上流端は、例えば、水素含有ガス供給源に接続していてもよい。図２に示す例では、第２流路２Ａは、第４流路４に合流するように延伸している。なお、両者の接続箇所の他の例は、第２変形例で説明する。
　以上により、本実施形態の実施例の水素システム２００は、第２流路２Ａが第３流路３から分岐しているので、電気化学式水素ポンプ１００において、カソードＣＡからカソードオフガスを排出するための箇所を集約することができる。
　また、本実施形態の実施例の水素システム２００は、第２流路２Ａと第４流路４とが合流することで、両者の合流箇所よりも下流側の第４流路４に存在する高湿度の水素含有ガスをカソードＣＡから供給される低湿度のカソードオフガスで置換することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４のフラディングが発生しにくくなる。
　なお、本実施例の水素システム２００が奏する作用効果は、上記の作用効果以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様である。
　本実施例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素システム２００と同様であってもよい。
　（第１変形例）
　図３は、第１実施形態の第１変形例の水素システムの一例を示す図である。
　図３に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ｂと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
　第２流路２Ｂは、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路である。図３に示す例では、第２流路２Ｂは、第３流路３の上流端とは異なる箇所でカソードＣＡと連通するとともに、第４流路４で合流するように延伸している。
　なお、本変形例の水素システム２００が奏する作用効果は、第２流路２Ａが第３流路３から分岐する構成によって発揮される作用効果以外は、第１実施形態の実施例の水素システム２００と同様である。
　本変形例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の水素システム２００と同様であってもよい。
　（第２変形例）
　図４は、第１実施形態の第２変形例の水素システムの一例を示す図である。
　図４に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ｃと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
　第２流路２Ｃは、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスを電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給するための流路である。図４に示す例では、第２流路２Ｃは、第３流路３から分岐するとともに、第４流路４の下流端とは異なる箇所でアノードＡＮと連通するように延伸している。
　なお、本変形例の水素システム２００が奏する作用効果は、第２流路２Ａが第４流路４に合流する構成によって発揮される作用効果以外は、第１実施形態の実施例の水素システム２００と同様である。
　本変形例の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の第１変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
　（第２実施形態）
　図５は、第２実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　図５に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、第１逆止弁７と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
　第１逆止弁７は、第２流路２Ａに分岐する箇所よりも下流の第３流路３に設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
　以上により、本実施形態の水素システム２００は、第３流路３に第１逆止弁７を設けることで、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、カソードＣＡからアノードＡＮに供給するガスの量を適量に制限することができる。
　例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素が第３流路３を通じて水素貯蔵器（図示せず）に供給される場合、第３流路３に第１逆止弁７を設けないと、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第３流路３および第２流路２Ａの順に、これらの流路を通じてアノードＡＮに移動する可能性があるが、本実施形態の水素システム２００は、第３流路３に第１逆止弁７を設けることで、このような可能性を低減することができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作の効率低下が抑制される。
　ここで、第３流路３に設けられた適宜の開閉弁（図示せず）を閉めることで、カソードＣＡからアノードＡＮに供給するガスの量を制限することは可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、カソードＣＡからアノードＡＮに供給するガスの量を適切に制限しにくくなる。
　これに対して、本実施形態の水素システム２００は、構造がシンプルな第１逆止弁７を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
　本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の第１変形例－第２変形例のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。例えば、第１実施形態の第１変形例（図３）の水素システム２００でも、上記と同様の作用効果を奏する。つまり、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される高圧の水素が第３流路３を通じて水素貯蔵器に供給される場合、第３流路３に第１逆止弁を設けないと、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放するとき、水素貯蔵器内の水素が、第３流路３、カソードＣＡ内および第２流路２Ａの順に、これらの流路を通じてアノードＡＮに移動する可能性があるが、本実施形態の水素システム２００は、第３流路３に第１逆止弁を設けることで、このような可能性を低減することができる。
　（第３実施形態）
　図６は、第３実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　図６に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、第２逆止弁８と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
　第２逆止弁８は、第２流路２Ａが合流する箇所よりも上流の第４流路４に設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
　以上により、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４に第２逆止弁８を設けることで、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、カソードＣＡからアノードＡＮに供給する高圧のカソードオフガスが、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４に第２逆止弁８を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。なお、アノードガス供給系とは、アノードガス供給ラインを除く、改質器、水電解装置または水素タンクなどの水素含有ガス供給源を意味する。
　ここで、第４流路４に設けられた適宜の開閉弁（図示せず）を閉めることで、低圧仕様のアノードガス供給系への高圧のカソードオフガスの流入を抑制可能である。しかし、仮に、この開閉弁で動作不良が起きると、このようなカソードオフガスの流入を適切に抑制しにくくなる。
　これに対して、本態様の水素システム２００は、構造がシンプルな第２逆止弁８を使用することで、上記の不都合を軽減することができる。
　本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例－第２変形例および第２実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
　（第４実施形態）
　図７は、第４実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　図７に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、減圧弁９と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。
　減圧弁９は、開閉弁５よりも下流の第２流路２Ａに設けられ、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスを減圧する弁である。
　以上により、本実施形態の水素システム２００は、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、減圧弁９によって第２流路２Ａを介してアノードＡＮに供給されるカソードオフガスの圧力を低下させることができる。これにより、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに用いられる部材の破損が発生する可能性を低減することができる。
　なお、減圧弁９の個数は、１個に限定されない。例えば、第２流路２Ａに２個以上の減圧弁を設けることで、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの圧力を所望の値に調整しやすくなる。
　本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例－第２変形例、第２実施形態および第３実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
　（第５実施形態）
　図８は、第５実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　図８に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、減圧弁９と、第３逆止弁１０と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。また、減圧弁９は、第４実施形態と同様であるので説明を省略する。
　第３逆止弁１０は、減圧弁９よりも下流の第２流路２Ａに設けられ、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する弁である。
　以上により、本実施形態の水素システム２００は、電解質膜２０が破損した場合であっても、カソードＣＡに存在する水素が、電解質膜２０および第２流路２Ａを通じて減圧弁９に逆流することを防止できるので、減圧弁９が故障しにくくなる。
　本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例－第２変形例、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
　（第６実施形態）
　図９は、第６実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　図９に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１と、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、減圧弁９と、第３逆止弁１０と、流量調節器１１と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第１流路１、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態の実施例と同様であるので説明を省略する。また、減圧弁９および第３逆止弁１０はそれぞれ、第４実施形態および第５実施形態のそれぞれと同様であるので説明を省略する。
　流量調節器１１は、減圧弁９から第３逆止弁１０までの間の第２流路２Ａに設けられ、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流量を調整する機器である。流量調節器１１は、第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流量を調整することができれば、どのような構成であってもよい。流量調節器１１として、例えば、マスフローコントローラーなどを挙げることができる。
　以上により、本実施形態の水素システム２００は、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放しても、流量調節器１１によって第２流路２Ａを流れるカソードオフガスの流量を所望の流量に制限することができる。すると、本実施形態の水素システム２００は、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、第２流路２Ａを通じてカソードＣＡからアノードＡＮにカソードオフガスを安定に供給することができる。また、本実施形態の水素システム２００は、上記カソードオフガスの流量を小さくすることで、低湿度の水素がアノードＡＮを通過する時間を長くすることができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、アノードガス流路のフラディングが発生しにくくなる。
　本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例－第２変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態および第５実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
　（第７実施形態）
　図１０は、第７実施形態の水素システムの一例を示す図である。
　図１０に示す例では、水素システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１流路１Ａと、第２流路２Ａと、第３流路３と、第４流路４と、開閉弁５と、第２逆止弁８と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１００、第２流路２Ａ、第３流路３、第４流路４、開閉弁５および制御器５０は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。また、第２逆止弁８は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
　第１流路１Ａは、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮから排出される水素含有ガスが流れる流路である。電気化学式水素ポンプ１００が、上記のスタックを備える場合、第１流路１Ａは、例えば、水素含有ガス導出用のマニホールドに連通していてもよい。
　ここで、第１流路１Ａは、第２逆止弁８よりも下流の第４流路４と合流するように延伸している。なお、水素システム２００は、第１流路１Ａに、開閉弁（図示せず）を設けるように構成されていてもよい。
　以上により、本実施形態の水素システム２００は、通常停止時に、第２流路２Ａに設けられた開閉弁５を開放することで、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給された高圧のカソードオフガスが、アノードＡＮから排出されても、低圧仕様のアノードガス供給系に流れ込むことを抑制することができる。これにより、本実施形態の水素システム２００は、第４流路４に第２逆止弁８を設けない場合に比べて、アノードガス供給系に設けられた低圧仕様の機器などの破損を軽減することができる。
　本実施形態の水素システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例－第２変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態および第６実施形態のいずれかの水素システム２００と同様であってもよい。
　なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の第１変形例－第２変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態および第７実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
　上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。
　本開示の一態様は、アノードでフラッディングが発生する可能性を従来よりも低減し得る水素システムおよび水素システムの運転方法に利用することができる。
１　　　：第１流路
１Ａ　　：第１流路
２　　　：第２流路
２Ａ　　：第２流路
２Ｂ　　：第２流路
２Ｃ　　：第２流路
３　　　：第３流路
４　　　：第４流路
５　　　：開閉弁
７　　　：第１逆止弁
８　　　：第２逆止弁
９　　　：減圧弁
１０　　：第３逆止弁
１１　　：流量調節器
２０　　：電解質膜
２１　　：電圧印加器
５０　　：制御器
１００　：電気化学式水素ポンプ
２００　：水素システム
ＡＮ　　：アノード
ＣＡ　　：カソード

Claims (10)

  1. 　アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機のアノードから排出される水素含有ガスが流れる第１流路と、
    　前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスを前記圧縮機のアノードに供給するための第２流路と、
    　前記第２流路に設けられた開閉弁と、
    　通常停止時に、前記開閉弁を開放させる制御器と、
    　を備える、水素システム。
  2. 　前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスが流れる第３流路を備え、
    　前記第２流路は、前記第３流路から分岐する、請求項１に記載の水素システム。
  3. 　前記圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスが流れる第４流路を備え、
    　前記第２流路は、前記第４流路に合流する、請求項１または２に記載の水素システム。
  4. 　前記第２流路に分岐する箇所よりも下流の前記第３流路に、前記圧縮機のカソードから排出されるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第１逆止弁を備える、請求項２に記載の水素システム。
  5. 　前記第２流路が合流する箇所よりも上流の前記第４流路に、前記圧縮機のアノードに供給される水素含有ガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第２逆止弁を備える、請求項３に記載の水素システム。
  6. 　前記開閉弁よりも下流の前記第２流路に、前記第２流路を流れるカソードオフガスを減圧する減圧弁を備える、請求項１－５のいずれか１項に記載の水素システム。
  7. 　前記減圧弁よりも下流の前記第２流路に、前記第２流路を流れるカソードオフガスの流れの向きと逆向きの流れを防止する第３逆止弁を備える、請求項６に記載の水素システム。
  8. 　前記減圧弁から前記第３逆止弁までの間の前記第２流路に、前記第２流路を流れるカソードオフガスの流量を調整する流量調節器を備える、請求項７に記載の水素システム。
  9. 　前記第１流路は、前記第２逆止弁よりも下流の前記第４流路と合流する、請求項５に記載の水素システム。
  10. 　アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮するステップと、
    　前記水素を圧縮するステップの通常停止時に、前記カソードで圧縮されたカソードオフガスを前記アノードに供給するステップと、
    　前記アノードに供給されたカソードオフガスを、前記アノードから排出される水素含有ガスが流れる流路を介して排出させるステップと、を備える、水素システムの運転方法。
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