WO2022097348A1 - 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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WO2022097348A1
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flow path
anode
cathode
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貴之 中植
智也 鎌田
幸宗 可児
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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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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • This disclosure relates to a hydrogen system and a method of operating a hydrogen system.
  • Patent Document 1 describes a hydrogen supply 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 the gas pressures of both are adjusted so that the cathode gas pressure becomes higher than the anode gas pressure before the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump is started. There is. As a result, the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump can be maintained with high efficiency.
  • the hydrogen system of one aspect of the present disclosure applies a voltage between the anode and the cathode to move 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 that supplies the hydrogen-containing gas to the anode, the second flow path that branches from the first flow path and supplies the hydrogen-containing gas to the cathode, and the second flow path. It is provided with a check valve for preventing a flow in the direction opposite to the flow for supplying the hydrogen-containing gas to the cathode.
  • the hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode is transferred to the cathode via the electrolyte membrane and compressed.
  • the first flow path that supplies the hydrogen-containing gas to the anode the second flow path that branches from the first flow path and supplies the hydrogen-containing gas to the cathode, and the second flow path. It includes an on-off valve provided and a controller that opens the on-off valve at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas to the anode via the first flow path is started.
  • hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode is moved to the cathode via the electrolyte membrane by applying a voltage between the anode and the cathode. It also includes a step of compressing and a step of starting the supply of the hydrogen-containing gas to the cathode at the same time as starting the supply of the hydrogen-containing gas to the anode.
  • the hydrogen system of one aspect of the present disclosure and the method of operating the hydrogen system have the effect that the hydrogen compression operation of the compressor can be maintained with higher efficiency than before.
  • 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 as a modification of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the second embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a hydrogen system as a modification of the second embodiment.
  • Patent Document 1 discloses that the gas pressures of both are adjusted so that the cathode gas pressure becomes higher than the anode gas pressure before the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump is started.
  • the invention disclosed in Patent Document 1 still has room for improvement in improving the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump.
  • the cathode gas pressure is returned by returning the high-pressure hydrogen gas in the hydrogen tank to the cathode. May be boosted.
  • the efficiency of the electrochemical hydrogen pump is lowered because the cathode gas needs to be boosted again before being supplied to the hydrogen tank again.
  • the cathode gas pressure is made higher than the anode gas pressure by using a hydrogen supply source for supplying the hydrogen-containing gas to the anode, it is necessary to reduce the hydrogen-containing gas supply pressure at the anode. In this case, the efficiency of the electrochemical hydrogen pump is lower than that in the case of boosting the hydrogen-containing gas supplied to the anode without reducing the pressure from the hydrogen supply source.
  • the compressor is provided in the first flow path for supplying the hydrogen-containing gas to the anode, the second flow path for branching from the first flow path and supplying the hydrogen-containing gas to the cathode, and the second flow path. It is provided with a check valve for preventing a flow in the direction opposite to the flow for supplying the hydrogen-containing gas to the cathode.
  • the hydrogen system of this embodiment can maintain the hydrogen compression operation of the compressor with higher efficiency than before.
  • the differential pressure between the two acts in the direction of opening the check valve. do. Therefore, since the check valve does not need to be controlled by obtaining external power, the supply of the hydrogen-containing gas from the branch point of the first flow path to the cathode is automatically started via the second flow path. To. As a result, the anode gas pressure and the cathode gas pressure can be quickly equalized.
  • the anodic gas pressure and the cathode gas pressure are the same. does not require that the anodic gas pressure and the cathode gas pressure completely match, and the first flow path and the first flow path and It may also include the case where a differential pressure corresponding to the difference in pressure loss in the second flow path is generated.
  • the supply pressure of the hydrogen-containing gas of the hydrogen supply source is started when the supply of the hydrogen-containing gas to the anode is started. This may cause a reversal of the magnitude relationship between the anode gas pressure and the cathode gas pressure (hydrogen gas pressure> cathode gas pressure). Then, damage to the electrolyte membrane and the gas diffusion layer due to the reversal of the differential pressure between the two increases the contact resistance of the MEA, which may reduce the efficiency of the hydrogen compression operation of the compressor.
  • the anode gas pressure and the cathode gas pressure can be made the same by automatically opening the check valve provided in the second flow path. Damage to the electrolyte membrane and the gas diffusion layer can be reduced.
  • the hydrogen system of the second 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 transferred to the cathode through the electrolyte membrane and compressed.
  • the machine the first flow path that supplies hydrogen-containing gas to the anode, the second flow path that branches from the first flow path and supplies hydrogen-containing gas to the cathode, and the on-off valve provided in the second flow path.
  • a controller that opens the on-off valve at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas to the anode via the first flow path is started.
  • the hydrogen system of the present embodiment can maintain the hydrogen compression operation of the compressor with higher efficiency than before.
  • the on-off valve is opened at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas to the anode via the first flow path is started, the on-off valve is opened from the branch point of the first flow path to the cathode via the second flow path.
  • the supply of hydrogen-containing gas is started in a timely manner.
  • the anode gas pressure and the cathode gas pressure can be quickly equalized.
  • Patent Document 1 has a configuration in which the hydrogen-containing gas is supplied to the cathode CA before the start of supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN, and the anode AN is supplied via the pressure loss unit 16.
  • a configuration for supplying a hydrogen-containing gas that has passed through the cathode CA is shown.
  • water and the like staying in the cathode CA are present together with the hydrogen-containing gas in the anode AN. May be supplied to.
  • the supply pressure of the hydrogen-containing gas of the hydrogen supply source is started when the supply of the hydrogen-containing gas to the anode is started. This may cause a reversal of the magnitude relationship between the anode gas pressure and the cathode gas pressure (hydrogen gas pressure> cathode gas pressure). Then, damage to the electrolyte membrane and the gas diffusion layer due to the reversal of the differential pressure between the two increases the contact resistance of the MEA, which may reduce the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump.
  • the anode gas pressure and the cathode gas pressure can be made the same by opening the on-off valve provided in the second flow path at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas to the anode is started. , Damage to the electrolyte membrane and gas diffusion layer can be reduced.
  • the hydrogen system of the third aspect of the present disclosure includes a pressure loss portion provided in the first flow path downstream of the branch point to the second flow path in the hydrogen system of the first aspect or the second aspect. May be good.
  • the pressure loss of the second flow path is downstream of the branch point to the second flow path. It may be smaller than the pressure loss in one flow path.
  • the pressure loss of the second flow path is smaller than the pressure loss of the first flow path downstream of the branch point to the second flow path, so that the hydrogen-containing gas to the anode A hydrogen-containing gas can be supplied to the cathode prior to the supply of the above.
  • the reversal of the magnitude relationship between the anode gas pressure and the cathode gas pressure is appropriately suppressed.
  • the supply pressure of the hydrogen-containing gas supplied through the first flow path is 0.1 MPaG to 20 MPaG. May be.
  • the method of operating the hydrogen system according to the sixth aspect of the present disclosure is to apply a voltage between the anode and the cathode to move hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode to the cathode via the electrolyte membrane. It includes a step of compression and a step of starting the supply of the hydrogen-containing gas to the cathode at the same time as the start of the supply of the hydrogen-containing gas to the anode.
  • the operation method of the hydrogen system of this embodiment can maintain the hydrogen compression operation of the compressor with higher efficiency than before. Since 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 action and effect of the hydrogen system of the first aspect or the second aspect, detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the first embodiment.
  • the hydrogen system 100 of the present embodiment includes an electrochemical hydrogen pump 10, a first flow path 1, a second flow path 2, and a check valve 3.
  • the cell of the electrochemical hydrogen pump 10 includes an electrolyte membrane 20, an anode AN, and a cathode CA.
  • the electrochemical hydrogen pump 10 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 the 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 the 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 liquid as 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 atomized 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 10.
  • a carbon fiber sintered body, a titanium 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 due to the above-mentioned differential pressure during the operation of the electrochemical hydrogen pump 10.
  • a titanium particle sintered body, a carbon particle sintered body, or the like can be used, but the substrate is not limited thereto.
  • the electrochemical hydrogen pump 10 is provided with a voltage adapter.
  • the voltage applyer is a device that applies a voltage between the anode AN and the cathode CA.
  • the voltage applyer 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 is connected to the anode AN
  • the low potential side terminal of the voltage applyer is connected to the cathode CA.
  • Examples of such a voltage applyer include a DC / DC converter and an AC / DC converter.
  • the DC / DC converter is used when the voltage applyer 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 is connected to an AC power source such as a commercial power source. Further, in the voltage applyer, 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 power supplied to the cell becomes a predetermined set value. It may be a type power supply.
  • the electrochemical hydrogen pump 10 is energized between the anode AN and the cathode CA by using a voltage applyer. That is, in the electrochemical hydrogen pump 10, the voltage applyer 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 compress it. It is a device to do.
  • 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 a 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.
  • a sealing material such as a gasket is usually provided from both sides of the cell so that high-pressure hydrogen does not leak to the outside, and is preassembled in an integrated manner with the cell of the electrochemical hydrogen pump 10. Then, on the outside of this cell, the above-mentioned separator for mechanically fixing the cell and electrically connecting the adjacent cells to each other in series is arranged.
  • Cells and separators are alternately stacked, about 10 to 200 cells are laminated, the laminated body (stack) is sandwiched between end plates via a current collector plate and an insulating plate, and both end plates are tightened with a fastening rod.
  • a groove-shaped branch path is branched from an appropriate conduit in each of the separators, and the downstream ends thereof are the separator. 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 100 is provided with a temperature detector that detects the temperature of the cell, a temperature regulator that adjusts the temperature of the cell, a dew point adjuster that adjusts 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 for supplying a hydrogen-containing gas to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 10.
  • the downstream end of the first flow path 1 may be connected to any location as long as it communicates with the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 10.
  • the downstream end of the first flow path 1 may communicate with a manifold for introducing a hydrogen-containing gas.
  • the upstream end of the first flow path 1 may be connected to an appropriate hydrogen supply source, for example.
  • the hydrogen supply source include a water electrolyzer, a reformer, a hydrogen tank, and the like.
  • the supply pressure of the hydrogen-containing gas supplied through the first flow path 1 may be, for example, 0.1 MPaG or more and 20 MPaG or less.
  • the second flow path 2 is a flow path for branching from the first flow path 1 and supplying the hydrogen-containing gas to the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 10.
  • the upstream end of the second flow path 2 is connected to the first flow path 1 at the branch point B.
  • the second flow path 2 is extended so as to communicate with the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 10.
  • the downstream 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 10.
  • the downstream end of the second flow path 2 may communicate with the hydrogen derivation manifold.
  • the hydrogen system 100 is configured to supply hydrogen compressed by the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 10 to an appropriate hydrogen reservoir (not shown) through a flow path (not shown).
  • a hydrogen reservoir for example, a hydrogen tank capable of filling hydrogen of about several tens of MPaG can be mentioned.
  • the check valve 3 is provided in the second flow path 2.
  • the check valve 3 is a valve for preventing a flow in the direction opposite to the flow for supplying the hydrogen-containing gas to the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 10. That is, the check valve 3 automatically causes the hydrogen-containing gas flowing through the first flow path 1 to flow from the branch point B in the direction (forward direction) of the cathode CA via the second flow path 2, and also in the reverse direction. It is configured to automatically prevent the flow.
  • the following operations may be performed, for example, by reading a control program from the storage circuit of the controller by the arithmetic circuit of the controller (not shown in FIG. 1). However, it is not always essential to perform the following operations on the controller 50. The operator may perform some of the operations. In the following example, the case where the operation is controlled by the controller will be described.
  • the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 10 is started via the first flow path 1.
  • the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN may be started, for example, by opening the main plug (not shown) of the hydrogen supply source provided at the upstream end of the first flow path 1.
  • the operation of starting the supply of the hydrogen-containing gas to the cathode CA is performed. That is, when the supply pressure of the hydrogen-containing gas is higher than the cathode gas pressure, the differential pressure between the two acts in the direction of opening the check valve 3, so that the first flow path 1 is passed through the second flow path 2.
  • the supply of the hydrogen-containing gas from the branch point B to the cathode CA is automatically started.
  • the supply pressure of the hydrogen-containing gas supplied through the first flow path 1 may be, for example, 0.1 MPaG or more and 20 MPaG or less.
  • hydrogen (H 2 ) generated by the cathode CA by increasing the pressure loss in the flow path by using a back pressure valve, a regulating valve (not shown), or the like in the flow path of the gas derived from the cathode CA. Can be compressed.
  • Hydrogen compressed by the cathode CA is temporarily stored, for example, in a hydrogen reservoir (not shown). Further, the hydrogen stored in the hydrogen reservoir is supplied to the hydrogen demander in a timely manner.
  • hydrogen demanders include fuel cells that generate electricity using hydrogen.
  • the operation method of the hydrogen system 100 and the hydrogen system 100 of the present embodiment can maintain the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 10 with higher efficiency than before.
  • the differential pressure between the two is in the direction of opening the check valve 3. Acts on. Therefore, since the check valve 3 does not need to be controlled by obtaining external power, the hydrogen-containing gas can be supplied from the branch point B of the first flow path 1 to the cathode CA via the second flow path 2. It will start automatically. As a result, the anode gas pressure and the cathode gas pressure can be quickly equalized.
  • the hydrogen-containing gas of the hydrogen supply source is contained at the start of supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN.
  • the gas supply pressure there is a possibility that the magnitude relationship between the anode gas pressure and the cathode gas pressure is reversed (hydrogen gas pressure> cathode gas pressure). Then, damage to the electrolyte membrane 20 and the gas diffusion layer due to the reversal of the differential pressure between the two increases the contact resistance of the MEA, which may reduce the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 10. ..
  • the cathode gas is automatically opened by the check valve 3 provided in the second flow path 2 when the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN is started. Since the pressure and the cathode gas pressure can be the same, damage to the electrolyte membrane 20 and the gas diffusion layer can be reduced.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a hydrogen system as a modification of the first embodiment.
  • the hydrogen system 100 of this modification includes an electrochemical hydrogen pump 10, a first flow path 1, a second flow path 2, a check valve 3, and a pressure loss unit 6. Be prepared.
  • the electrochemical hydrogen pump 10 the first flow path 1, the second flow path 2, and the check valve 3 are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the pressure loss unit 6 is provided in the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2.
  • the pressure loss unit 6 may have any configuration as long as a desired pressure loss can be set in the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2.
  • the pressure loss portion 6 is realized by making the diameter of a part of the pipe constituting the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2 smaller than that of the other part. You may.
  • the pressure loss portion 6 may be realized by providing a valve such as a check valve in the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2.
  • the pressure loss of the second flow path 2 is smaller than the pressure loss of the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2.
  • the pressure loss unit 6 the magnitude relationship between the pressure loss of the second flow path 2 and the pressure loss of the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2 is set as described above. can do.
  • the pressure loss portion 6 is composed of a valve
  • the pressure loss of this valve is larger than the pressure loss of the check valve 3 provided in the second flow path 2.
  • the pressure loss of the second flow path 2 is smaller than the pressure loss of the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2, so that the pressure loss is reduced to the anode AN.
  • the hydrogen-containing gas can be supplied to the cathode CA prior to the supply of the hydrogen-containing gas.
  • the hydrogen system 100 of this modification may be the same as the hydrogen system 100 of the first embodiment except for the above-mentioned features.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the hydrogen system of the second embodiment.
  • the hydrogen system 100 of the present embodiment includes an electrochemical hydrogen pump 10, a first flow path 1, a second flow path 2, an on-off valve 4, and a controller 50.
  • the electrochemical hydrogen pump 10 the first flow path 1 and the second flow path 2 are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the on-off valve 4 is provided in the second flow path 2.
  • the on-off valve 4 may have any configuration as long as it can open and close the second flow path 2.
  • a drive valve or a solenoid valve driven by nitrogen gas or the like can be used, but the valve is not limited thereto.
  • the controller 50 opens the on-off valve 4 at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN via the first flow path 1 starts.
  • the controller 50 may control the overall operation of the hydrogen system 100.
  • the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN is started, for example, even if the controller 50 opens the main plug (not shown) of the hydrogen supply source provided at the upstream end of the first flow path 1. good.
  • the controller 50 includes, for example, an arithmetic circuit (not shown) and a storage circuit for storing a control program (not shown).
  • 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 to perform the following operations on the controller 50. The operator may perform some of the operations. In the following example, the case where the operation is controlled by the controller 50 will be described.
  • the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN of the electrochemical hydrogen pump 10 is started via the first flow path 1.
  • the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN may be started, for example, by opening the main plug (not shown) of the hydrogen supply source provided at the upstream end of the first flow path 1.
  • the operation of starting the supply of the hydrogen-containing gas to the cathode CA is performed. That is, the on-off valve 4 is opened at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas is started.
  • the supply pressure of the hydrogen-containing gas supplied through the first flow path 1 may be, for example, 0.1 MPaG or more and 20 MPaG or less.
  • hydrogen (H 2 ) generated by the cathode CA is added to the gas flow path led out from the cathode CA by increasing the pressure loss in the flow path by using a back pressure valve, a regulating valve (not shown), or the like. Can be compressed. At this time, the on-off valve 4 is closed.
  • Hydrogen compressed by the cathode CA is temporarily stored, for example, in a hydrogen reservoir (not shown). Further, the hydrogen stored in the hydrogen reservoir is supplied to the hydrogen demander in a timely manner.
  • hydrogen demanders include fuel cells that generate electricity using hydrogen.
  • the operation method of the hydrogen system 100 and the hydrogen system 100 of the present embodiment can maintain the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 10 with higher efficiency than before.
  • the on-off valve 4 since the on-off valve 4 is opened at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN via the first flow path 1 is started, the on-off valve 4 is branched, so that the first flow path 1 is branched via the second flow path 2.
  • the supply of the hydrogen-containing gas from the portion B to the cathode CA is started in a timely manner.
  • the anode gas pressure and the cathode gas pressure can be quickly equalized.
  • the hydrogen-containing gas of the hydrogen supply source is contained at the start of supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN.
  • the reversal of the magnitude relationship between the anode gas pressure and the cathode gas pressure (hydrogen gas pressure> cathode gas pressure) may occur.
  • damage to the electrolyte membrane 20 and the gas diffusion layer due to the reversal of the differential pressure between the two increases the contact resistance of the MEA, which may reduce the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 10. ..
  • the anode is opened by opening the on-off valve 4 provided in the second flow path 2 at the same time as the supply of the hydrogen-containing gas to the anode AN is started. Since the gas pressure and the cathode gas pressure can be made the same, damage to the electrolyte membrane 20 and the gas diffusion layer can be reduced.
  • the hydrogen system 100 of the present embodiment may be the same as the hydrogen system 100 of the first embodiment except for the above-mentioned features.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a hydrogen system as a modification of the first embodiment.
  • the hydrogen system 100 of this modification includes an electrochemical hydrogen pump 10, a first flow path 1, a second flow path 2, an on-off valve 4, and a pressure loss unit 6. ..
  • the electrochemical hydrogen pump 10 the first flow path 1, the second flow path 2, and the on-off valve 4 are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the pressure loss unit 6 is the same as the modified example of the first embodiment, detailed description thereof will be omitted.
  • the pressure loss of the second flow path 2 is smaller than the pressure loss of the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2.
  • the pressure loss unit 6 the magnitude relationship between the pressure loss of the second flow path 2 and the pressure loss of the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2 is set as described above. can do.
  • the pressure loss portion 6 is composed of a valve
  • the pressure loss of this valve is larger than the pressure loss when the on-off valve 4 provided in the second flow path 2 is opened.
  • the pressure loss of the second flow path 2 is smaller than the pressure loss of the first flow path 1 downstream of the branch point B to the second flow path 2, so that the pressure loss is reduced to the anode AN.
  • the hydrogen-containing gas can be supplied to the cathode CA prior to the supply of the hydrogen-containing gas.
  • the hydrogen system 100 of this modification may be the same as the hydrogen system 100 of the second embodiment except for the above-mentioned features.
  • the first embodiment, the modified example of the first embodiment, the second embodiment and the modified example of the second 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 a hydrogen system and a method for operating a hydrogen system, which can maintain the hydrogen compression operation of the compressor more easily and efficiently than before.

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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、前記アノードに水素含有ガスを供給する第１流路と、前記第１流路から分岐して、前記カソードに水素含有ガスを供給する第２流路と前記第２流路に設けられ、前記カソードに水素含有ガスを供給する流れとは逆向きの流れを防止する逆止弁と、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供給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、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作が開始される前に、カソードガス圧がアノードガス圧よりも高圧になるように両者のガス圧を調整することが開示されている。これにより、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を高効率に維持することができる。
特開２０１９－２０６７４９号公報
　本開示は、一例として、圧縮機の水素圧縮動作を従来よりも高効率に維持し得る、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、前記アノードに水素含有ガスを供給する第１流路と、前記第１流路から分岐して、前記カソードに水素含有ガスを供給する第２流路と、前記第２流路に設けられ、前記カソードに水素含有ガスを供給する流れとは逆向きの流れを防止する逆止弁とを備える。
　また、本開示の一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、前記アノードに水素含有ガスを供給する第１流路と、前記第１流路から分岐して、前記カソードに水素含有ガスを供給する第２流路と、前記第２流路に設けられた開閉弁と、前記第１流路を介した前記アノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、前記開閉弁を開放させる制御器と、を備える。
　また、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、前記アノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、前記カソードに前記水素含有ガスの供給を開始させるステップと、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、圧縮機の水素圧縮動作を従来よりも高効率に維持し得る、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実施形態の変形例の水素システムの一例を示す図である。 図３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４は、第２実施形態の変形例の水素システムの一例を示す図である。
　上記のとおり、特許文献１には、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作が開始される前に、カソードガス圧がアノードガス圧よりも高圧になるように両者のガス圧を調整することが開示されているが、特許文献１に開示された発明は、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の高効率化において未だ改善の余地があると考えられる。
　例えば、アノードへの水素含有ガスの供給が開始される前に、カソードガス圧をアノードガス圧よりも高圧に維持するには、水素タンク内の高圧の水素ガスをカソードに戻すことでカソードガス圧を昇圧させる場合がある。この場合、水素タンクに再度供給する前にカソードガスの再昇圧が必要なため、電気化学式水素ポンプの効率が低下する。また、例えば、アノードに水素含有ガスを供給するための水素供給源を利用して、カソードガス圧をアノードガス圧よりも高くする場合、水素含有ガス供給圧をアノードで減圧させる必要がある。この場合、水素供給源から減圧されずにアノードに供給された水素含有ガスを昇圧する場合に比べ、電気化学式水素ポンプの効率が低下する。
　そこで、本開示者らは、鋭意検討した結果、アノードへの水素含有ガスの供給開始において、アノードガス圧およびカソードガス圧を同圧にすることで、上記の問題を軽減できることを見出して、以下の本開示の一態様に想到した。
　すなわち、本開示の第１態様の水素システムは、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、アノードに水素含有ガスを供給する第１流路と、第１流路から分岐して、カソードに水素含有ガスを供給する第２流路と、第２流路に設けられ、カソードに水素含有ガスを供給する流れとは逆向きの流れを防止する逆止弁と、を備える。
　かかる構成によると、本態様の水素システムは、圧縮機の水素圧縮動作を従来よりも高効率に維持し得る。
　具体的には、アノードへの水素含有ガスの供給開始において、水素供給源の水素含有ガスの供給圧が、カソードガス圧よりも高い場合、両者の差圧は、逆止弁を開く方向に作用する。よって、逆止弁は、外部の動力を得て制御させる必要がないので、第２流路を介して、第１流路の分岐箇所からカソードへの水素含有ガスの供給が自動的に開始される。これにより、アノードガス圧およびカソードガス圧を速やかに同圧することができる。
　なお、本明細書において、「アノードガス圧およびカソードガス圧が同圧である」とは、アノードガス圧とカソードガス圧とが完全に一致することを要求するものではなく、第１流路および第２流路の圧力損失の差に対応する差圧が発生する場合も含み得る。
　ここで、圧縮機の水素圧縮動作中は、カソードガス圧が、アノードガス圧よりも高いにも拘わらず、アノードへの水素含有ガスの供給開始においては、水素供給源の水素含有ガスの供給圧によって、アノードガス圧およびカソードガス圧の大小関係の逆転（アノードガス圧＞カソードガス圧）が生じる可能性がある。すると、両者の差圧の逆転に起因する電解質膜およびガス拡散層の損傷によって、ＭＥＡの接触抵抗が増加することで、圧縮機の水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
　しかし、本態様の水素システムは、アノードへの水素含有ガスの供給開始において、第２流路に設けられた逆止弁の自動開放により、アノードガス圧およびカソードガス圧力を同圧にできるので、電解質膜およびガス拡散層の損傷を軽減することができる。
　本開示の第２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、アノードに水素含有ガスを供給する第１流路と、第１流路から分岐して、カソードに水素含有ガスを供給する第２流路と、第２流路に設けられた開閉弁と、第１流路を介したアノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、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、本実施形態の水素システムは、圧縮機の水素圧縮動作を従来よりも高効率に維持し得る。
　具体的には、第１流路を介したアノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、開閉弁を開放するので、第２流路を介して、第１流路の分岐箇所からカソードへの水素含有ガスの供給が適時に開始される。これにより、アノードガス圧およびカソードガス圧を速やかに同圧することができる。
　なお、特許文献１には、図７Ａに示すように、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始前にカソードＣＡに水素含有ガスを供給する構成、および、圧力損失部１６を介してアノードＡＮに、カソードＣＡを通過した水素含有ガスを供給する構成が示されている。しかし、図７Ａに示された構成の場合は、水素含有ガスがいったんカソードＣＡを通過してから、アノードＡＮに供給されるので、カソードＣＡ中に滞留した水などが、水素含有ガスとともにアノードＡＮに供給される可能性がある。すると、アノードＡＮに過剰な水が供給され、アノードＡＮでフラッデイングを起こす可能性がある。これに対して、本態様の水素システムは、カソードおよびアノードにも同時に、湿潤状態が同様の水素含有ガスが供給されるため、上記可能性が低減される。
　ここで、圧縮機の水素圧縮動作中は、カソードガス圧が、アノードガス圧よりも高いにも拘わらず、アノードへの水素含有ガスの供給開始においては、水素供給源の水素含有ガスの供給圧によって、アノードガス圧およびカソードガス圧の大小関係の逆転（アノードガス圧＞カソードガス圧）が生じる可能性がある。すると、両者の差圧の逆転に起因する電解質膜およびガス拡散層の損傷によって、ＭＥＡの接触抵抗が増加することで、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
　しかし、本態様の水素システムは、アノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、第２流路に設けられた開閉弁を開放させることにより、アノードガス圧およびカソードガス圧を同圧にできるので、電解質膜およびガス拡散層の損傷を軽減することができる。
　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、第２流路への分岐箇所よりも下流の第１流路に設けられた、圧力損失部を備えてもよい。
　また、本開示の第４態様の水素システムは、第１態様から第３態様のいずれか一つの水素システムにおいて、第２流路の圧力損失が第２流路への分岐箇所よりも下流の第１流路の圧力損失より小さくてもよい。
　以上の構成によると、本態様の水素システムは、第２流路の圧力損失が第２流路への分岐箇所よりも下流の第１流路の圧力損失より小さいので、アノードへの水素含有ガスの供給に先立って、カソードに水素含有ガスを供給することができる。これにより、アノードガス圧およびカソードガス圧の大小関係の逆転（アノードガス圧＞カソードガス圧）が適切に抑制される。
　本開示の第５態様の水素システムは、第１態様から第４態様のいずれか一つの水素システムにおいて、第１流路を介して供給される水素含有ガスの供給圧は、０．１ＭＰａＧ～２０ＭＰａＧであってもよい。
　本開示の第６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、アノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、カソードに水素含有ガスの供給を開始させるステップと、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、圧縮機の水素圧縮動作を従来よりも高効率に維持し得る。なお、本態様の水素システムの運転方法が奏する作用効果の詳細は、第１態様または第２態様の水素システムが奏する作用効果と同様であるので、詳細な説明を省略する。
　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、本実施形態の水素システム１００は、電気化学式水素ポンプ１０と、第１流路１と、第２流路２と、逆止弁３と、を備える。
　電気化学式水素ポンプ１０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１０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１０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やチタ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１０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、チタン粒子焼結体や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。
　図には示されないが、電気化学式水素ポンプ１０は、電圧印加器を備える。
　電圧印加器は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加する装置である。電圧印加器は、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器の高電位側端子が、アノードＡＮに接続され、電圧印加器の低電位側端子が、カソードＣＡに接続されている。このような電圧印加器として、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータなどを挙げることができる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器が、太陽電池、燃料電池、バッテリなどの直流電源と接続された場合に用いられる。ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器が、商用電源などの交流電源と接続された場合に用いられる。また、電圧印加器は、例えば、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１０は、電圧印加器を用いて、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１０は、電圧印加器が、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。
　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１００の水素圧縮動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。
　例えば、一対の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１０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１０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１００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１００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１０のアノードＡＮに水素含有ガスを供給するための流路である。
　第１流路１の下流端は、電気化学式水素ポンプ１０のアノードＡＮと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。例えば、電気化学式水素ポンプ１０が、上記のスタックを備える場合、第１流路１の下流端は、水素含有ガス導入用のマニホールドに連通していてもよい。
　第１流路１の上流端は、例えば、適宜の水素供給源に接続していてもよい。水素供給源として、例えば、水電解装置、改質器、水素タンクなどで挙げることができる。このとき、第１流路１を介して供給される水素含有ガスの供給圧は、例えば、０．１ＭＰａＧ以上、２０ＭＰａＧ以下であってもよい。
　第２流路２は、第１流路１から分岐して電気化学式水素ポンプ１０のカソードＣＡに水素含有ガスを供給するための流路である。具体的には、第２流路２の上流端が、分岐箇所Ｂで第１流路１に接続している。そして、第２流路２は、電気化学式水素ポンプ１０のカソードＣＡと連通するように延伸している。第２流路２の下流端は、電気化学式水素ポンプ１０のカソードＣＡと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。例えば、電気化学式水素ポンプ１０が、上記のスタックを備える場合、第２流路２の下流端は、水素導出用のマニホールドに連通していてもよい。
　なお、水素システム１００は、電気化学式水素ポンプ１０のカソードＣＡで圧縮された水素を、流路（図示せず）を通じて適宜の水素貯蔵器（図示せず）に供給するように構成されていてもよい。水素貯蔵器として、例えば、数十ＭＰａＧ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１に示すように、逆止弁３は、第２流路２に設けられている。逆止弁３は、電気化学式水素ポンプ１０のカソードＣＡに水素含有ガスを供給する流れとは逆向きの流れを防止するための弁である。つまり、逆止弁３は、第１流路１を流れる水素含有ガスを、第２流路２を介して分岐箇所ＢからカソードＣＡの方向（順方向）に自動的に流すとともに、逆方向の流れを自動的に防止するように構成されている。
　［動作］
　以下、水素システム１００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（図１では図示せず）の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムを読み出すことにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器５０で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。以下の例では、制御器により動作を制御する場合について、説明する。
　まず、第１流路１を介して電気化学式水素ポンプ１０のアノードＡＮに水素含有ガスの供給が開始される。なお、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始は、例えば、第１流路１の上流端に設けられた水素供給源の元栓（図示せず）を開放させることで行われてもよい。
　ここで、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始と同時に、カソードＣＡに水素含有ガスの供給を開始させる動作が行われる。つまり、水素含有ガスの供給圧が、カソードガス圧よりも高い場合、両者の差圧は、逆止弁３を開く方向に作用するので、第２流路２を介して、第１流路１の分岐箇所ＢからカソードＣＡへの水素含有ガスの供給が自動的に開始される。このとき、第１流路１を介して供給される水素含有ガスの供給圧は、例えば、０．１ＭＰａＧ以上、２０ＭＰａＧ以下であってもよい。
　次に、第１流路１を介してアノードＡＮに水素含有ガスが供給されるととともに、電圧印加器の電圧が電気化学式水素ポンプ１０に給電されると、アノードＡＮのアノード触媒層において、水素含有ガス中の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。電子は電圧印加器を通じてカソード触媒層に移動する。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、カソードＣＡから導出されるガスの流路に背圧弁、調整弁（図示せず）などを用いて流路内の圧力損失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。
　　　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１００において、電気化学式水素ポンプ１０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。なお、カソードＣＡで圧縮された水素の圧力が、第１流路１を介して供給される水素含有ガスの供給圧よりも高くなっても、このような水素が第２流路２を逆方向に流れようとすると、逆止弁３が自動的に閉止する。
　カソードＣＡで圧縮された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、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、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
　次に、電気化学式水素ポンプ１０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る。これにより、上記の水素を圧縮する動作が停止する。
　以上のとおり、本実施形態の水素システム１００および水素システム１００の運転方法は、電気化学式水素ポンプ１０の水素圧縮動作を従来よりも高効率に維持し得る。
　具体的には、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始において、水素供給源の水素含有ガスの供給圧が、カソードガス圧よりも高い場合、両者の差圧は、逆止弁３を開く方向に作用する。よって、逆止弁３は、外部の動力を得て制御させる必要がないので、第２流路２を介して、第１流路１の分岐箇所ＢからカソードＣＡへの水素含有ガスの供給が自動的に開始される。これにより、アノードガス圧およびカソードガス圧を速やかに同圧することができる。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１０の水素圧縮動作中は、カソードガス圧が、アノードガス圧よりも高いにも拘わらず、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始においては、水素供給源の水素含有ガスの供給圧によって、アノードガス圧およびカソードガス圧の大小関係の逆転（アノードガス圧＞カソードガス圧）が生じる可能性がある。すると、両者の差圧の逆転に起因する電解質膜２０およびガス拡散層の損傷によって、ＭＥＡの接触抵抗が増加することで、電気化学式水素ポンプ１０の水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
　しかし、本実施形態の水素システム１００および水素システム１００の運転方法は、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始において、第２流路２に設けられた逆止弁３の自動開放により、アノードガス圧およびカソードガス圧を同圧にできるので、電解質膜２０およびガス拡散層の損傷を軽減することができる。
　（変形例）
　図２は、第１実施形態の変形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、本変形例の水素システム１００は、電気化学式水素ポンプ１０と、第１流路１と、第２流路２と、逆止弁３と、圧力損失部６と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１０、第１流路１、第２流路２および逆止弁３は、第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
　圧力損失部６は、第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１に設けられている。圧力損失部６は、第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１において、所望の圧力損失を設定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、圧力損失部６は、第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１を構成する配管の一部の径を、他の部分に比べて小さくすることで実現してもよい。また、圧力損失部６は、第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１に、逆止弁などの弁を設けることで実現してもよい。
　また、本変形例の水素システム１００は、第２流路２の圧力損失が第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１の圧力損失より小さい。例えば、圧力損失部６を用いて、第２流路２の圧力損失および第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１の圧力損失の大小関係を、上記のとおり設定することができる。なお、圧力損失部６を弁で構成する場合、この弁の圧力損失は、第２流路２に設けられた逆止弁３の圧力損失よりも大きい。
　以上により、本変形例の水素システム１００は、第２流路２の圧力損失が第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１の圧力損失より小さいので、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給に先立って、カソードＣＡに水素含有ガスを供給することができる。これにより、アノードガス圧およびカソードガス圧の大小関係の逆転（アノードガス圧＞カソードガス圧）が適切に抑制される。
　本変形例の水素システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素システム１００と同様であってもよい。
　（第２実施形態）
　［装置構成］
　図３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３に示す例では、本実施形態の水素システム１００は、電気化学式水素ポンプ１０と、第１流路１と、第２流路２と、開閉弁４と、制御器５０と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１０、第１流路１および第２流路２は、第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。
　開閉弁４は、第２流路２に設けられている。開閉弁４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４として、例えば、窒素ガスなどで駆動する駆動弁または電磁弁などを用いることができるが、これらに限定されない。
　制御器５０は、第１流路１を介したアノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始と同時に、開閉弁４を開放させる。制御器５０は、水素システム１００の全体の動作を制御してもよい。アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始は、例えば、制御器５０が、第１流路１の上流端に設けられた水素供給源の元栓（図示せず）を開放させることで行われてもよい。
　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。
　［動作］
　以下、水素システム１００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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
　まず、第１流路１を介して電気化学式水素ポンプ１０のアノードＡＮに水素含有ガスの供給が開始される。なお、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始は、例えば、第１流路１の上流端に設けられた水素供給源の元栓（図示せず）を開放させることで行われてもよい。
　ここで、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始と同時に、カソードＣＡに水素含有ガスの供給を開始させる動作が行われる。つまり、水素含有ガスの供給開始と同時に、開閉弁４が開放される。このとき、第１流路１を介して供給される水素含有ガスの供給圧は、例えば、０．１ＭＰａＧ以上、２０ＭＰａＧ以下であってもよい。
　次に、第１流路１を介してアノードＡＮに水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器の電圧が電気化学式水素ポンプ１０に給電されると、アノードＡＮのアノード触媒層において、水素含有ガス中の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。電子は電圧印加器を通じてカソード触媒層に移動する。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。
　すると、カソードＣＡから導出されるガスの流路に背圧弁、調整弁（図示せず）などを用いて流路内の圧力損失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。なお、このとき、開閉弁４は閉止される。
　　　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１００において、電気化学式水素ポンプ１０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で圧縮された水素は、例えば、図示しない水素貯蔵器に一時的に貯蔵される。また、水素貯蔵器で貯蔵された水素は、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、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
　次に、電気化学式水素ポンプ１０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る。これにより、上記の水素を圧縮する動作が停止する。
　以上のとおり、本実施形態の水素システム１００および水素システム１００の運転方法は、電気化学式水素ポンプ１０の水素圧縮動作を従来よりも高効率に維持し得る。
　具体的には、第１流路１を介したアノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始と同時に、開閉弁４を開放するので、第２流路２を介して、第１流路１の分岐箇所ＢからカソードＣＡへの水素含有ガスの供給が適時に開始される。これにより、アノードガス圧およびカソードガス圧を速やかに同圧することができる。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１０の水素圧縮動作中は、カソードガス圧が、アノードガス圧よりも高いにも拘わらず、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始においては、水素供給源の水素含有ガスの供給圧によって、アノードガス圧およびカソードガス圧の大小関係の逆転（アノードガス圧＞カソードガス圧）が生じる可能性がある。すると、両者の差圧の逆転に起因する電解質膜２０およびガス拡散層の損傷によって、ＭＥＡの接触抵抗が増加することで、電気化学式水素ポンプ１０の水素圧縮動作の効率が低下する可能性がある。
　しかし、本実施形態の水素システム１００および水素システム１００の運転方法は、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給開始と同時に、第２流路２に設けられた開閉弁４を開放させることにより、アノードガス圧およびカソードガス圧を同圧にできるので、電解質膜２０およびガス拡散層の損傷を軽減することができる。
　本実施形態の水素システム１００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素システム１００と同様であってもよい。
　（変形例）
　図４は、第１実施形態の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、本変形例の水素システム１００は、電気化学式水素ポンプ１０と、第１流路１と、第２流路２と、開閉弁４と、圧力損失部６と、を備える。
　ここで、電気化学式水素ポンプ１０、第１流路１、第２流路２および開閉弁４は、第１実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。圧力損失部６は、第１実施形態の変形例と同様であるので詳細な説明を省略する。
　本変形例の水素システム１００は、第２流路２の圧力損失が第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１の圧力損失より小さい。例えば、圧力損失部６を用いて、第２流路２の圧力損失および第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１の圧力損失の大小関係を、上記のとおり設定することができる。なお、圧力損失部６を弁で構成する場合、この弁の圧力損失は、第２流路２に設けられた開閉弁４を開放させる場合の圧力損失よりも大きい。
　以上により、本変形例の水素システム１００は、第２流路２の圧力損失が第２流路２への分岐箇所Ｂよりも下流の第１流路１の圧力損失より小さいので、アノードＡＮへの水素含有ガスの供給に先立って、カソードＣＡに水素含有ガスを供給することができる。これにより、アノードガス圧およびカソードガス圧の大小関係の逆転（アノードガス圧＞カソードガス圧）が適切に抑制される。
　本変形例の水素システム１００は、上記の特徴以外は、第２実施形態の水素システム１００と同様であってもよい。
　なお、第１実施形態、第１実施形態の変形例、第２実施形態および第２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、圧縮機の水素圧縮動作を従来よりも簡易に高効率に維持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
２　　　：第２流路
３　　　：逆止弁
４　　　：開閉弁
６　　　：圧力損失部
１０　　：電気化学式水素ポンプ
２０　　：電解質膜
５０　　：制御器
１００　：水素システム
ＡＮ　　：アノード
Ｂ　　　：分岐箇所
ＣＡ　　：カソード

Claims (6)

  1. 　アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、
    　前記アノードに水素含有ガスを供給する第１流路と、
    　前記第１流路から分岐して、前記カソードに水素含有ガスを供給する第２流路と
    　前記第２流路に設けられ、前記カソードに水素含有ガスを供給する流れとは逆向きの流れを防止する逆止弁と、を備える水素システム。
  2. 　アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ圧縮する圧縮機と、
    　前記アノードに水素含有ガスを供給する第１流路と、
    　前記第１流路から分岐して、前記カソードに水素含有ガスを供給する第２流路と、
    　前記第２流路に設けられた開閉弁と、
    　前記第１流路を介した前記アノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、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。
  3. 　前記第２流路への分岐箇所よりも下流の第１流路に設けられた、圧力損失部を備える請求項１または２に記載の水素システム。
  4. 　前記第２流路の圧力損失が前記第２流路への分岐箇所よりも下流の第１流路の圧力損失より小さい請求項１－３のいずれか１項に記載の水素システム。
  5. 　前記第１流路を介して供給される水素含有ガスの供給圧は、０．１ＭＰａＧ～２０ＭＰａＧである請求項１－４のいずれか１項に記載の水素システム。
  6. 　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、
    　前記アノードへの水素含有ガスの供給開始と同時に、前記カソードに前記水素含有ガスの供給を開始させるステップと、を備える、水素システムの運転方法。
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