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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024142842
(43)【公開日】2024-10-11
(54)【発明の名称】分離システム
(51)【国際特許分類】
B01D 59/38 20060101AFI20241003BHJP
H01M 8/04 20160101ALI20241003BHJP
G21F 9/06 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
B01D59/38
H01M8/04 Z
G21F9/06 591
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023055196
(22)【出願日】2023-03-30
(71)【出願人】
【識別番号】000005326
【氏名又は名称】本田技研工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100165179
【弁理士】
【氏名又は名称】田▲崎▼ 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100126664
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 慎吾
(74)【代理人】
【識別番号】100154852
【弁理士】
【氏名又は名称】酒井 太一
(74)【代理人】
【識別番号】100194087
【弁理士】
【氏名又は名称】渡辺 伸一
(72)【発明者】
【氏名】古澤 宏一朗
(72)【発明者】
【氏名】上野臺 浅雄
(72)【発明者】
【氏名】村田 尚貴
(72)【発明者】
【氏名】高橋 和幸
【テーマコード（参考）】
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H127AB16
5H127BA02
5H127BA14
5H127BA52
5H127BA57
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB32
5H127BB37
(57)【要約】
【課題】エネルギー効率よく、迅速に起動できる分離システムの提供。
【解決手段】連結された複数の分離装置と、熱交換回路５０と、を備える分離システム１であって、前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置１０と、前記第一の分離装置１０の下流に設けられ、前記第一の分離装置１０から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置２０とを含み、前記熱交換回路５０は、前記第二の分離装置２０から前記第一の分離装置１０に熱交換媒体を供給する第一の接続回路５１を有する、分離システム１。
【選択図】図１
【解決手段】連結された複数の分離装置と、熱交換回路５０と、を備える分離システム１であって、前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置１０と、前記第一の分離装置１０の下流に設けられ、前記第一の分離装置１０から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置２０とを含み、前記熱交換回路５０は、前記第二の分離装置２０から前記第一の分離装置１０に熱交換媒体を供給する第一の接続回路５１を有する、分離システム１。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
連結された複数の分離装置と、
熱交換回路と、を備える分離システムであって、
前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置と、前記第一の分離装置の下流に設けられ、前記第一の分離装置から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置とを含み、
前記熱交換回路は、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する第一の接続回路を有する、分離システム。
熱交換回路と、を備える分離システムであって、
前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置と、前記第一の分離装置の下流に設けられ、前記第一の分離装置から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置とを含み、
前記熱交換回路は、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する第一の接続回路を有する、分離システム。
【請求項2】
前記第一の分離装置に供給される流体を加湿する加湿器をさらに備え、
前記熱交換回路は、前記第一の分離装置又は前記第二の分離装置から、前記加湿器に前記熱交換媒体を供給する第二の接続回路をさらに有する、請求項１に記載の分離システム。
前記熱交換回路は、前記第一の分離装置又は前記第二の分離装置から、前記加湿器に前記熱交換媒体を供給する第二の接続回路をさらに有する、請求項１に記載の分離システム。
【請求項3】
前記第一の分離装置の上流に設けられ、水を電気分解する水電気分解装置と、
制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記分離システムの起動時に前記水電気分解装置を起動した後に、前記第二の分離装置を起動する、請求項２に記載の分離システム。
制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記分離システムの起動時に前記水電気分解装置を起動した後に、前記第二の分離装置を起動する、請求項２に記載の分離システム。
【請求項4】
前記制御部は、前記分離システムの起動時に、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが所定の温度に到達するまで、前記第二の分離装置を、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが前記所定の温度に到達した後の前記第二の分離装置の運転状態よりも発熱を優先する暖気モードとする、請求項３に記載の分離システム。
【請求項5】
前記熱交換回路は、前記加湿器から前記第二の分離装置に前記熱交換媒体を供給する第三の接続回路と、前記第三の接続回路に設けられたラジエータとをさらに有し、
前記制御部は、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが前記所定の温度に到達した後に、前記ラジエータを起動し、前記第二の分離装置を前記暖気モードから発電を優先する発電モードとしつつ、前記第一の分離装置を起動する、請求項４に記載の分離システム。
前記制御部は、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが前記所定の温度に到達した後に、前記ラジエータを起動し、前記第二の分離装置を前記暖気モードから発電を優先する発電モードとしつつ、前記第一の分離装置を起動する、請求項４に記載の分離システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、分離システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。
例えば、水素同位体である重水素・トリチウムの濃縮技術として、直列に連結した複数の燃料電池を用い、各燃料電池において独立に発電を行いつつ、水素同位体を含むガスから水素同位体を分離して、水素同位体を含有する液水として取り出す方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
例えば、水素同位体である重水素・トリチウムの濃縮技術として、直列に連結した複数の燃料電池を用い、各燃料電池において独立に発電を行いつつ、水素同位体を含むガスから水素同位体を分離して、水素同位体を含有する液水として取り出す方法が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１８／１９４１８２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、水素同位体を分離するシステムにおいては、エネルギー効率よく、迅速にシステムを起動することが求められる。
本発明は、エネルギー効率よく、迅速に起動できる分離システムを提供することを目的とする。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。
本発明は、エネルギー効率よく、迅速に起動できる分離システムを提供することを目的とする。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与するものである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、下記の態様を有する。
［１］ 本発明の一態様に係る分離システムは、連結された複数の分離装置と、熱交換回路と、を備える分離システムであって、前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置と、前記第一の分離装置の下流に設けられ、前記第一の分離装置から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置とを含み、前記熱交換回路は、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する第一の接続回路を有する。
この構成によれば、分離システムの起動時に、発電を行う第二の分離装置から第一の分離装置へ廃熱を供給でき、エネルギー効率よく迅速に分離システムを起動ができる。
［１］ 本発明の一態様に係る分離システムは、連結された複数の分離装置と、熱交換回路と、を備える分離システムであって、前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置と、前記第一の分離装置の下流に設けられ、前記第一の分離装置から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置とを含み、前記熱交換回路は、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する第一の接続回路を有する。
この構成によれば、分離システムの起動時に、発電を行う第二の分離装置から第一の分離装置へ廃熱を供給でき、エネルギー効率よく迅速に分離システムを起動ができる。
【0006】
［２］ 上記［１］の態様において、前記第一の分離装置に供給される流体を加湿する加湿器をさらに備え、前記熱交換回路は、前記第一の分離装置又は前記第二の分離装置から、前記加湿器に前記熱交換媒体を供給する第二の接続回路をさらに有していてもよい。
この構成によれば、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置に加えて加湿器にも供給できるので、廃熱をより有効に活用できる。
この構成によれば、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置に加えて加湿器にも供給できるので、廃熱をより有効に活用できる。
【0007】
［３］ 上記［２］の態様において、前記第一の分離装置の上流に設けられ、水を電気分解する水電気分解装置と、制御部と、をさらに備え、前記制御部は、前記分離システムの起動時に前記水電気分解装置を起動した後に、前記第二の分離装置を起動してもよい。
この構成によれば、水の電気分解により生じた気体により第二の分離装置の発電を行うことができ、効率的な分離システムの起動が可能となる。
この構成によれば、水の電気分解により生じた気体により第二の分離装置の発電を行うことができ、効率的な分離システムの起動が可能となる。
【0008】
［４］ 上記［３］の態様において、前記制御部は、前記分離システムの起動時に、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが所定の温度に到達するまで、前記第二の分離装置を、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが前記所定の温度に到達した後の前記第二の分離装置の運転状態よりも発熱を優先する暖気モードとしてもよい。
この構成によれば、分離システムの起動時に効率的に第一の分離装置、第二の分離装置及び加湿器を温めることができ、より迅速に分離システムを起動できる。
この構成によれば、分離システムの起動時に効率的に第一の分離装置、第二の分離装置及び加湿器を温めることができ、より迅速に分離システムを起動できる。
【0009】
［５］ 上記［４］の態様において、前記熱交換回路は、前記加湿器から前記第二の分離装置に前記熱交換媒体を供給する第三の接続回路と、前記第三の接続回路に設けられたラジエータとをさらに有し、前記制御部は、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが前記所定の温度に到達した後に、前記ラジエータを起動し、前記第二の分離装置を前記暖気モードから発電を優先する発電モードとしつつ、前記第一の分離装置を起動してもよい。
この構成によれば、分離システムの運転に適した温度帯で分離システムを稼働することができ、第一の分離装置での分離性能を確保しつつ、第二の分離装置での発電を行うことができる。
この構成によれば、分離システムの運転に適した温度帯で分離システムを稼働することができ、第一の分離装置での分離性能を確保しつつ、第二の分離装置での発電を行うことができる。
【0010】
また、本発明の別の側面は、以下の通りである。
［６］ 本発明の一態様に係る分離システムの起動方法は、連結された複数の分離装置と、熱交換回路と、水を電気分解する水電気分解装置と、制御部とを備え、前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置と、前記第一の分離装置の下流に設けられ、前記第一の分離装置から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置とを含み、前記熱交換回路は、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する第一の接続回路を有し、前記水電気分解装置は前記第一の分離装置の上流に設けられている分離システムの起動方法であって、前記制御部により、前記分離システムの起動時に前記水電気分解装置を起動した後に、前記第二の分離装置を起動し、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する。
この構成によれば、分離システムの起動時に、発電を行う第二の分離装置から第一の分離装置へ廃熱を供給でき、エネルギー効率よく迅速に分離システムを起動できる。また、水の電気分解により生じた気体により第二の分離装置の発電を行うことができ、効率的な分離システムの起動が可能となる。
［６］ 本発明の一態様に係る分離システムの起動方法は、連結された複数の分離装置と、熱交換回路と、水を電気分解する水電気分解装置と、制御部とを備え、前記複数の分離装置は、水素同位体を含む流体が流入され、前記流体よりも水素同位体含有率が低い流体を流出する第一の分離装置と、前記第一の分離装置の下流に設けられ、前記第一の分離装置から流出した前記流体により発電を行う第二の分離装置とを含み、前記熱交換回路は、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する第一の接続回路を有し、前記水電気分解装置は前記第一の分離装置の上流に設けられている分離システムの起動方法であって、前記制御部により、前記分離システムの起動時に前記水電気分解装置を起動した後に、前記第二の分離装置を起動し、前記第二の分離装置から前記第一の分離装置に熱交換媒体を供給する。
この構成によれば、分離システムの起動時に、発電を行う第二の分離装置から第一の分離装置へ廃熱を供給でき、エネルギー効率よく迅速に分離システムを起動できる。また、水の電気分解により生じた気体により第二の分離装置の発電を行うことができ、効率的な分離システムの起動が可能となる。
【0011】
［７］ 上記［６］の態様において、前記分離システムは、前記第一の分離装置に供給される流体を加湿する加湿器をさらに備え、前記熱交換回路は、前記第一の分離装置又は前記第二の分離装置から、前記加湿器に前記熱交換媒体を供給する第二の接続回路をさらに有し、前記制御部により、前記分離システムの起動時に、前記第一の分離装置又は前記第二の分離装置から、前記加湿器に前記熱交換媒体を供給してもよい。
この構成によれば、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置に加えて加湿器にも供給できるので、廃熱をより有効に活用できる。
この構成によれば、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置に加えて加湿器にも供給できるので、廃熱をより有効に活用できる。
【0012】
［８］ 上記［７］の態様において、前記制御部により、前記分離システムの起動時に、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが所定の温度に到達するまで、前記第二の分離装置を、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが前記所定の温度に到達した後の前記第二の分離装置の運転状態よりも発熱を優先する暖気モードとしてもよい。
この構成によれば、分離システムの起動時に効率的に第一の分離装置、第二の分離装置及び加湿器を温めることができ、より迅速に分離システムを起動できる。
この構成によれば、分離システムの起動時に効率的に第一の分離装置、第二の分離装置及び加湿器を温めることができ、より迅速に分離システムを起動できる。
【0013】
［９］ 上記［８］の態様において、前記熱交換回路は、前記加湿器から前記第二の分離装置に前記熱交換媒体を供給する第三の接続回路と、前記第三の接続回路に設けられたラジエータとをさらに有し、前記制御部により、前記第一の分離装置、前記加湿器及び前記熱交換回路の少なくとも１つが前記所定の温度に到達した後に、前記ラジエータを起動し、前記第二の分離装置を前記暖気モードから発電を優先する発電モードとしつつ、前記第一の分離装置を起動してもよい。
この構成によれば、分離システムの運転に適した温度帯で分離システムを稼働することができ、第一の分離装置での分離性能を確保しつつ、第二の分離装置での発電を行うことができる。
この構成によれば、分離システムの運転に適した温度帯で分離システムを稼働することができ、第一の分離装置での分離性能を確保しつつ、第二の分離装置での発電を行うことができる。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、エネルギー効率よく、迅速に起動できる分離システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施形態に係る分離システム及び起動方法について、図１、２を適宜参照しながら詳述する。
なお、本発明において、水素の三種の同位体のうち、質量数２のデューテリウム（２Ｈ又はＤ）と質量数３のトリチウム（３Ｈ又はＴ）を総称して「水素同位体」といい、質量数１の水素（１Ｈ又はＨ）を「軽水素」という。
また、気体及び液体を総称して「流体」という。本発明においては、気体中に液体を含むものや、液体中に気体を含むものも、流体に含まれる。流体としては、気体、又は気体中に液体を含むものが好ましい。
また、本発明の分離システムを起動するに際して行われる一連の操作が完了するまでを「分離システムの起動」とする。具体的には、後述の水電気分解装置が起動してから、後述の第一の分離装置が起動するまでを「分離システムの起動」とする。また、起動後の分離システムの運転を「分離システムの稼働」とする。
また、以下の説明で用いる各図面は、その特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なる場合がある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、本発明において、水素の三種の同位体のうち、質量数２のデューテリウム（２Ｈ又はＤ）と質量数３のトリチウム（３Ｈ又はＴ）を総称して「水素同位体」といい、質量数１の水素（１Ｈ又はＨ）を「軽水素」という。
また、気体及び液体を総称して「流体」という。本発明においては、気体中に液体を含むものや、液体中に気体を含むものも、流体に含まれる。流体としては、気体、又は気体中に液体を含むものが好ましい。
また、本発明の分離システムを起動するに際して行われる一連の操作が完了するまでを「分離システムの起動」とする。具体的には、後述の水電気分解装置が起動してから、後述の第一の分離装置が起動するまでを「分離システムの起動」とする。また、起動後の分離システムの運転を「分離システムの稼働」とする。
また、以下の説明で用いる各図面は、その特徴をわかりやすくするために、便宜上、特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率等は実際とは異なる場合がある。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【0017】
「分離システム」
図１は、本発明の分離システムの一例を模式的に示す構成図である。
図１に示す分離システム１は、連結された第一の分離装置１０及び第二の分離装置２０と、水電気分解装置３０と、加湿器４０と、熱交換回路５０と、制御部８０とを備える。
水電気分解装置３０、加湿器４０、第一の分離装置１０及び第二の分離装置２０は、上流側からこの順に、水素供給流路６０及び酸素供給流路７０にて連結されている。
図１は、本発明の分離システムの一例を模式的に示す構成図である。
図１に示す分離システム１は、連結された第一の分離装置１０及び第二の分離装置２０と、水電気分解装置３０と、加湿器４０と、熱交換回路５０と、制御部８０とを備える。
水電気分解装置３０、加湿器４０、第一の分離装置１０及び第二の分離装置２０は、上流側からこの順に、水素供給流路６０及び酸素供給流路７０にて連結されている。
【0018】
＜第一の分離装置＞
第一の分離装置１０は、水素同位体を含む流体（以下、「第一流体」ともいう。）が流入され、第一流体よりも水素同位体含有率が低い流体（以下、「第二流体」ともいう。）を流出する装置である。
第一の分離装置１０は、第一の燃料電池１１を備える。また、第一の分離装置１０は、第一の燃料電池１１を加温又は冷却するための熱交換媒体が通過する流路（図示略）を有する。なお、本明細書において、熱交換媒体が通過する流路の入口を「媒体入口」ともいい、流路の出口を「媒体出口」ともいう。
第一の分離装置１０は、水素同位体を含む流体（以下、「第一流体」ともいう。）が流入され、第一流体よりも水素同位体含有率が低い流体（以下、「第二流体」ともいう。）を流出する装置である。
第一の分離装置１０は、第一の燃料電池１１を備える。また、第一の分離装置１０は、第一の燃料電池１１を加温又は冷却するための熱交換媒体が通過する流路（図示略）を有する。なお、本明細書において、熱交換媒体が通過する流路の入口を「媒体入口」ともいい、流路の出口を「媒体出口」ともいう。
【0019】
第一の燃料電池１１は、第一流体から水素同位体を分離するためのものである。
第一の燃料電池１１としては、公知の燃料電池を使用できる。具体例として、第一の燃料電池１１は、電解質膜を備え、電解質膜の両面のうち、第一の面にアノード触媒層及びアノード流路がこの順に設けられ、第二の面にカソード触媒層及びカソード流路がこの順に設けられている。また、第一の燃料電池１１は、電解質膜と、アノード触媒層及びアノード流路と、カソード触媒層及びカソード流路とを挟み込む１対のセパレータとを有する。
第一の燃料電池１１としては、公知の燃料電池を使用できる。具体例として、第一の燃料電池１１は、電解質膜を備え、電解質膜の両面のうち、第一の面にアノード触媒層及びアノード流路がこの順に設けられ、第二の面にカソード触媒層及びカソード流路がこの順に設けられている。また、第一の燃料電池１１は、電解質膜と、アノード触媒層及びアノード流路と、カソード触媒層及びカソード流路とを挟み込む１対のセパレータとを有する。
【0020】
電解質膜は電解質を有しており、第一の分離装置１０が稼働すると、第一流体に含まれる軽水素及び水素同位体が電解質膜を介してアノード触媒層からカソード触媒層へ拡散する。
電解質膜としては、電解質を有するものであれば特に制限されないが、軽水素及び水素同位体が拡散しやすく、電解質膜とカソード触媒層との界面において同位体交換反応（ＨＤ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＨＤＯ）が起こりやすくなり、反応効率も上がる点から、固体高分子膜が好ましい。
固体高分子膜としては、例えばプロトン導電性固体高分子膜、アニオン導電性固体高分子膜などが挙げられる。
電解質膜としては、電解質を有するものであれば特に制限されないが、軽水素及び水素同位体が拡散しやすく、電解質膜とカソード触媒層との界面において同位体交換反応（ＨＤ＋Ｈ２Ｏ⇔Ｈ２＋ＨＤＯ）が起こりやすくなり、反応効率も上がる点から、固体高分子膜が好ましい。
固体高分子膜としては、例えばプロトン導電性固体高分子膜、アニオン導電性固体高分子膜などが挙げられる。
【0021】
アノード触媒層は、電解質膜の第一の面に設けられている。
アノード触媒層に含まれる触媒としては、例えば白金、ルテニウム等の貴金属、ニッケル、コバルト等の遷移金属、及びそれらの合金や酸化物などが挙げられる。これらの中でも、同位体置換反応（Ｈ２＋Ｄ２⇔２ＤＨ）が起こりやすくなり、反応効率も上がる点から、白金が好ましい。
アノード流路は、アノード触媒層の電解質膜とは反対側の面に設けられている。アノード流路は、アノード触媒層とセパレータとの間の領域である。
アノード触媒層に含まれる触媒としては、例えば白金、ルテニウム等の貴金属、ニッケル、コバルト等の遷移金属、及びそれらの合金や酸化物などが挙げられる。これらの中でも、同位体置換反応（Ｈ２＋Ｄ２⇔２ＤＨ）が起こりやすくなり、反応効率も上がる点から、白金が好ましい。
アノード流路は、アノード触媒層の電解質膜とは反対側の面に設けられている。アノード流路は、アノード触媒層とセパレータとの間の領域である。
【0022】
カソード触媒層は、電解質膜の第二の面に設けられている。
カソード触媒層に含まれる触媒としては、例えば白金、ルテニウム等の貴金属、ニッケル、コバルト等の遷移金属、及びそれらの合金や酸化物などが挙げられる。これらの中でも、カソード触媒層中、及び電解質膜とカソード触媒層との界面において同位体交換反応が起こりやすくなり、反応効率も上がる点から、白金が好ましい。
特に、同位体交換反応がより起こりやすくなり、反応効率もより上がる点から、電解質膜が固体高分子膜であり、アノード触媒層及びカソード触媒層が白金を含むことが好ましい。
カソード流路は、カソード触媒層の電解質膜とは反対側の面に設けられている。カソード流路は、カソード触媒層とセパレータとの間の領域である。
カソード触媒層に含まれる触媒としては、例えば白金、ルテニウム等の貴金属、ニッケル、コバルト等の遷移金属、及びそれらの合金や酸化物などが挙げられる。これらの中でも、カソード触媒層中、及び電解質膜とカソード触媒層との界面において同位体交換反応が起こりやすくなり、反応効率も上がる点から、白金が好ましい。
特に、同位体交換反応がより起こりやすくなり、反応効率もより上がる点から、電解質膜が固体高分子膜であり、アノード触媒層及びカソード触媒層が白金を含むことが好ましい。
カソード流路は、カソード触媒層の電解質膜とは反対側の面に設けられている。カソード流路は、カソード触媒層とセパレータとの間の領域である。
【0023】
セパレータは、アノード流路及びカソード流路の外側にそれぞれ設けられている。
セパレータは、例えばスチレン、チタン、カーボンなどが挙げられる。
セパレータは、例えばスチレン、チタン、カーボンなどが挙げられる。
【0024】
電解質膜、アノード触媒層、アノード流路、カソード触媒層、カソード流路及びセパレータを１つのセル（燃料電池セル）としたときに、第一の燃料電池１１は１つの燃料電池セルで構成されたものであってもよいし、複数の燃料電池セルの集合体（燃料電池スタック）であってもよい。
【0025】
＜第二の分離装置＞
第二の分離装置２０は、第一の分離装置１０の下流に設けられ、第一の分離装置１０から流出した第二流体により発電を行う装置である。すなわち、図１に示す分離システム１は、分離・発電システムでもある。
第二の分離装置２０は、第二の燃料電池２１を備える。また、第二の分離装置２０は、第二の燃料電池２１を加温又は冷却するための熱交換媒体が通過する流路（図示略）を有する。
第二の分離装置２０は、第一の分離装置１０の下流に設けられ、第一の分離装置１０から流出した第二流体により発電を行う装置である。すなわち、図１に示す分離システム１は、分離・発電システムでもある。
第二の分離装置２０は、第二の燃料電池２１を備える。また、第二の分離装置２０は、第二の燃料電池２１を加温又は冷却するための熱交換媒体が通過する流路（図示略）を有する。
【0026】
第二の燃料電池２１は、第二流体と酸素を利用して発電しつつ、水を生成するためのものである。発電の際に、第二流体から水素同位体が分離される。
第二の燃料電池２１としては、公知の燃料電池を使用できる。具体例として、第二の燃料電池２１は、電解質膜を備え、電解質膜の両面のうち、第一の面にアノード触媒層及びアノード流路がこの順に設けられ、第二の面にカソード触媒層及びカソード流路がこの順に設けられている。また、第二の燃料電池２１は、電解質膜と、アノード触媒層及びアノード流路と、カソード触媒層及びカソード流路とを挟み込む１対のセパレータとを有する。
第二の燃料電池２１としては、公知の燃料電池を使用できる。具体例として、第二の燃料電池２１は、電解質膜を備え、電解質膜の両面のうち、第一の面にアノード触媒層及びアノード流路がこの順に設けられ、第二の面にカソード触媒層及びカソード流路がこの順に設けられている。また、第二の燃料電池２１は、電解質膜と、アノード触媒層及びアノード流路と、カソード触媒層及びカソード流路とを挟み込む１対のセパレータとを有する。
【0027】
第二の燃料電池２１を構成する、電解質膜、アノード触媒層、アノード流路、カソード触媒層、カソード流路及びセパレータは、第一の分離装置１０に備わる第一の燃料電池１１を構成する電解質膜、アノード触媒層、アノード流路、カソード触媒層、カソード流路及びセパレータとそれぞれ同様のものが挙げられる。
第二の燃料電池２１は１つの燃料電池セルで構成されたものであってもよいし、複数の燃料電池セルの集合体（燃料電池スタック）であってもよい。
第二の燃料電池２１は１つの燃料電池セルで構成されたものであってもよいし、複数の燃料電池セルの集合体（燃料電池スタック）であってもよい。
【0028】
＜水電気分解装置＞
水電気分解装置３０は、第一の分離装置１０の上流に設けられ、水を電気分解する装置である。
水電気分解装置３０としては、公知の水電気分解装置を用いることができ、例えば固体高分子型水電気分解装置、アルカリ型水電気分解装置などが挙げられる。これらの中でも、多量の水素ガスを発生できる点から、アルカリ型水電気分解装置が好ましい。
水電気分解装置３０は、第一の分離装置１０の上流に設けられ、水を電気分解する装置である。
水電気分解装置３０としては、公知の水電気分解装置を用いることができ、例えば固体高分子型水電気分解装置、アルカリ型水電気分解装置などが挙げられる。これらの中でも、多量の水素ガスを発生できる点から、アルカリ型水電気分解装置が好ましい。
【0029】
分離システム１の起動時に水電気分解装置３０で分解される原料、すなわち水としては特に制限されず、水素同位体を含む水でもよいし、水素同位体を含まない水でもよい。具体的には、水道水、純水、水素同位体を含む廃水、水素同位体を含まない廃水等が挙げられる。
【0030】
＜加湿器＞
加湿器４０は、水電気分解装置３０と第一の分離装置１０との間に設けられ、第一の分離装置１０に供給される流体を加湿するものである。具体的には、加湿器４０は、水電気分解装置３０において水の電気分解により発生した水素及び酸素のうち、水素を含む流体を加湿するものである。加湿器４０にて加湿された水素を含む流体は、第一の燃料電池１１のアノード流路、第二の燃料電池２１のアノード流路の順に供給される。
加湿器４０としては、水蒸気を発生させることができるものであれば特に制限されない。なお、加湿器４０は、加湿器４０を加温又は冷却するための熱交換媒体が通過する流路（図示略）を有する。
加湿器４０は、水電気分解装置３０と第一の分離装置１０との間に設けられ、第一の分離装置１０に供給される流体を加湿するものである。具体的には、加湿器４０は、水電気分解装置３０において水の電気分解により発生した水素及び酸素のうち、水素を含む流体を加湿するものである。加湿器４０にて加湿された水素を含む流体は、第一の燃料電池１１のアノード流路、第二の燃料電池２１のアノード流路の順に供給される。
加湿器４０としては、水蒸気を発生させることができるものであれば特に制限されない。なお、加湿器４０は、加湿器４０を加温又は冷却するための熱交換媒体が通過する流路（図示略）を有する。
【0031】
加湿器４０では、水素を含む流体に加えて、酸素を含む流体を加湿してもよい。加湿器４０にて加湿された酸素を含む流体は、第一の燃料電池１１のカソード流路、第二の燃料電池２１のカソード流路の順に供給される。
水素を含む流体と酸素を含む流体の両方を加湿する場合、各流体は別々の加湿器にて加湿することが好ましい。なお、加湿器内にて水素を含む流体と酸素を含む流体が混合されないように、例えばそれぞれの流路が加湿器内に設けられている場合は、１つの加湿器にて水素を含む流体と酸素を含む流体を加湿してもよい。
水素を含む流体と酸素を含む流体の両方を加湿する場合、各流体は別々の加湿器にて加湿することが好ましい。なお、加湿器内にて水素を含む流体と酸素を含む流体が混合されないように、例えばそれぞれの流路が加湿器内に設けられている場合は、１つの加湿器にて水素を含む流体と酸素を含む流体を加湿してもよい。
【0032】
＜熱交換回路＞
熱交換回路５０は、第一の接続回路５１と、第二の接続回路５２と、第三の接続回路５３と、ラジエータ５４と、第一のポンプ５５とを有する。
第一の接続回路５１は、第二の分離装置２０から第一の分離装置１０に熱交換媒体を供給するための配管である。すなわち、第二の分離装置２０と第一の分離装置１０とは、第一の接続回路５１により接続されている。第一の接続回路５１の一端は第二の分離装置２０の媒体出口に接続され、他端は第一の分離装置１０の媒体入口に接続されている。
この例の第二の接続回路５２は、第一の分離装置１０から加湿器４０に熱交換媒体を供給するための配管である。すなわち、第一の分離装置１０と加湿器４０とは、第二の接続回路５２により接続されている。第二の接続回路５２の一端は第一の分離装置１０の媒体出口に接続され、他端は加湿器４０の媒体入口に接続されている。
第三の接続回路５３は、加湿器４０から第二の分離装置２０に熱交換媒体を供給するための配管である。すなわち、加湿器４０と第二の分離装置２０とは、第三の接続回路５３により接続されている。第三の接続回路５３の一端は加湿器４０の媒体出口に接続され、他端は第二の分離装置２０の媒体入口に接続されている。
ラジエータ５４は、第三の接続回路５３に設けられている。ラジエータ５４としては、熱交換媒体の放熱を行うことができるものであれば特に制限されず、公知のラジエータを使用できる。
第一のポンプ５５は、第三の接続回路５３のラジエータ５４よりも下流に設けられている。
熱交換回路５０は、第一の接続回路５１と、第二の接続回路５２と、第三の接続回路５３と、ラジエータ５４と、第一のポンプ５５とを有する。
第一の接続回路５１は、第二の分離装置２０から第一の分離装置１０に熱交換媒体を供給するための配管である。すなわち、第二の分離装置２０と第一の分離装置１０とは、第一の接続回路５１により接続されている。第一の接続回路５１の一端は第二の分離装置２０の媒体出口に接続され、他端は第一の分離装置１０の媒体入口に接続されている。
この例の第二の接続回路５２は、第一の分離装置１０から加湿器４０に熱交換媒体を供給するための配管である。すなわち、第一の分離装置１０と加湿器４０とは、第二の接続回路５２により接続されている。第二の接続回路５２の一端は第一の分離装置１０の媒体出口に接続され、他端は加湿器４０の媒体入口に接続されている。
第三の接続回路５３は、加湿器４０から第二の分離装置２０に熱交換媒体を供給するための配管である。すなわち、加湿器４０と第二の分離装置２０とは、第三の接続回路５３により接続されている。第三の接続回路５３の一端は加湿器４０の媒体出口に接続され、他端は第二の分離装置２０の媒体入口に接続されている。
ラジエータ５４は、第三の接続回路５３に設けられている。ラジエータ５４としては、熱交換媒体の放熱を行うことができるものであれば特に制限されず、公知のラジエータを使用できる。
第一のポンプ５５は、第三の接続回路５３のラジエータ５４よりも下流に設けられている。
【0033】
熱交換媒体は、熱交換回路５０を介して、第二の分離装置２０、第一の分離装置１０及び加湿器４０の間を循環する。
熱交換媒体としては、例えば水、空気、エチレングリコール等が挙げられる。
熱交換媒体としては、例えば水、空気、エチレングリコール等が挙げられる。
【0034】
＜水素供給流路＞
水素供給流路６０は、水電気分解装置３０において水の電気分解により発生した水素及び酸素のうち、水素を含む流体（以下、「流体（Ｆ１）」ともいう。）を第二の分離装置２０に供給するための配管である。
水素供給流路６０は、第一の水素供給流路６１と、第二の水素供給流路６２と、第三の水素供給流路６３と、第二のポンプ６４とを有する。
第一の水素供給流路６１は、水電気分解装置３０から加湿器４０に、水電気分解装置３０において発生した流体（Ｆ１）を供給するための配管である。すなわち、水電気分解装置３０と加湿器４０とは、第一の水素供給流路６１により接続されている。
第二の水素供給流路６２は、加湿器４０から第一の分離装置１０に流体（Ｆ１）を供給するための配管である。すなわち、加湿器４０と第一の分離装置１０とは、第二の水素供給流路６２により接続されている。第二の水素供給流路６２の一端は加湿器４０に接続され、他端は第一の燃料電池１１のアノード流路の入口に接続されている。
第三の水素供給流路６３は、第一の分離装置１０から第二の分離装置２０に流体（Ｆ１）を供給するための配管である。すなわち、第一の分離装置１０と第二の分離装置２０とは、第三の水素供給流路６３により接続されている。第三の水素供給流路６３の一端は第一の燃料電池１１のアノード流路の出口に接続され、他端は第二の燃料電池２１のアノード流路の入口に接続されている。
第二のポンプ６４は、第一の水素供給流路６１に設けられている。
なお、水電気分解装置３０にて水素が生成するので、そのときの圧力差で流体は下流へと流れていく。よって、第二のポンプ６４を必ずしも設ける必要はなく、水素供給流路６０は第二のポンプ６４を有していなくてもよい。
水素供給流路６０は、水電気分解装置３０において水の電気分解により発生した水素及び酸素のうち、水素を含む流体（以下、「流体（Ｆ１）」ともいう。）を第二の分離装置２０に供給するための配管である。
水素供給流路６０は、第一の水素供給流路６１と、第二の水素供給流路６２と、第三の水素供給流路６３と、第二のポンプ６４とを有する。
第一の水素供給流路６１は、水電気分解装置３０から加湿器４０に、水電気分解装置３０において発生した流体（Ｆ１）を供給するための配管である。すなわち、水電気分解装置３０と加湿器４０とは、第一の水素供給流路６１により接続されている。
第二の水素供給流路６２は、加湿器４０から第一の分離装置１０に流体（Ｆ１）を供給するための配管である。すなわち、加湿器４０と第一の分離装置１０とは、第二の水素供給流路６２により接続されている。第二の水素供給流路６２の一端は加湿器４０に接続され、他端は第一の燃料電池１１のアノード流路の入口に接続されている。
第三の水素供給流路６３は、第一の分離装置１０から第二の分離装置２０に流体（Ｆ１）を供給するための配管である。すなわち、第一の分離装置１０と第二の分離装置２０とは、第三の水素供給流路６３により接続されている。第三の水素供給流路６３の一端は第一の燃料電池１１のアノード流路の出口に接続され、他端は第二の燃料電池２１のアノード流路の入口に接続されている。
第二のポンプ６４は、第一の水素供給流路６１に設けられている。
なお、水電気分解装置３０にて水素が生成するので、そのときの圧力差で流体は下流へと流れていく。よって、第二のポンプ６４を必ずしも設ける必要はなく、水素供給流路６０は第二のポンプ６４を有していなくてもよい。
【0035】
＜酸素供給流路＞
酸素供給流路７０は、水電気分解装置３０において水の電気分解により発生した水素及び酸素のうち、酸素を含む流体（以下、「流体（Ｆ２）」ともいう。）を第二の分離装置２０に供給するための配管である。
酸素供給流路７０は、第一の酸素供給流路７１と、第二の酸素供給流路７２と、第三の酸素供給流路７３と、第三のポンプ７４とを有する。
第一の酸素供給流路７１は、水電気分解装置３０から加湿器４０に、水電気分解装置３０において発生した流体（Ｆ２）を供給するための配管である。すなわち、水電気分解装置３０と加湿器４０とは、第一の酸素供給流路７１により接続されている。
第二の酸素供給流路７２は、加湿器４０から第一の分離装置１０に流体（Ｆ２）を供給するための配管である。すなわち、加湿器４０と第一の分離装置１０とは、第二の酸素供給流路７２により接続されている。第二の酸素供給流路７２の一端は加湿器４０に接続され、他端は第一の燃料電池１１のカソード流路の入口に接続されている。
第三の酸素供給流路７３は、第一の分離装置１０から第二の分離装置２０に流体（Ｆ２）を供給するための配管である。すなわち、第一の分離装置１０と第二の分離装置２０とは、第三の酸素供給流路７３により接続されている。第三の酸素供給流路７３の一端は第一の燃料電池１１のカソード流路の出口に接続され、他端は第二の燃料電池２１のカソード流路の入口に接続されている。
第三のポンプ７４は、第一の酸素供給流路７１に設けられている。
なお、水電気分解装置３０にて酸素が生成するので、そのときの圧力差で流体は下流へと流れていく。よって、第三のポンプ７４を必ずしも設ける必要はなく、酸素供給流路７０は第三のポンプ７４を有していなくてもよい。
また、本実施形態の分離システム１では、流体（Ｆ２）は加湿器４０及び第一の分離装置１０を通過して第二の分離装置２０に供給されるが、水電気分解装置３０から流体（Ｆ２）を直接、第二の分離装置２０に供給してもよい。また、加湿器４０を通過した流体（Ｆ２）を第一の分離装置１０を介さずに第二の分離装置２０に供給してもよいし、加湿器４０を介さずに、流体（Ｆ２）を第一の分離装置１０、第二の分離装置２０の順で供給してもよい。
酸素供給流路７０は、水電気分解装置３０において水の電気分解により発生した水素及び酸素のうち、酸素を含む流体（以下、「流体（Ｆ２）」ともいう。）を第二の分離装置２０に供給するための配管である。
酸素供給流路７０は、第一の酸素供給流路７１と、第二の酸素供給流路７２と、第三の酸素供給流路７３と、第三のポンプ７４とを有する。
第一の酸素供給流路７１は、水電気分解装置３０から加湿器４０に、水電気分解装置３０において発生した流体（Ｆ２）を供給するための配管である。すなわち、水電気分解装置３０と加湿器４０とは、第一の酸素供給流路７１により接続されている。
第二の酸素供給流路７２は、加湿器４０から第一の分離装置１０に流体（Ｆ２）を供給するための配管である。すなわち、加湿器４０と第一の分離装置１０とは、第二の酸素供給流路７２により接続されている。第二の酸素供給流路７２の一端は加湿器４０に接続され、他端は第一の燃料電池１１のカソード流路の入口に接続されている。
第三の酸素供給流路７３は、第一の分離装置１０から第二の分離装置２０に流体（Ｆ２）を供給するための配管である。すなわち、第一の分離装置１０と第二の分離装置２０とは、第三の酸素供給流路７３により接続されている。第三の酸素供給流路７３の一端は第一の燃料電池１１のカソード流路の出口に接続され、他端は第二の燃料電池２１のカソード流路の入口に接続されている。
第三のポンプ７４は、第一の酸素供給流路７１に設けられている。
なお、水電気分解装置３０にて酸素が生成するので、そのときの圧力差で流体は下流へと流れていく。よって、第三のポンプ７４を必ずしも設ける必要はなく、酸素供給流路７０は第三のポンプ７４を有していなくてもよい。
また、本実施形態の分離システム１では、流体（Ｆ２）は加湿器４０及び第一の分離装置１０を通過して第二の分離装置２０に供給されるが、水電気分解装置３０から流体（Ｆ２）を直接、第二の分離装置２０に供給してもよい。また、加湿器４０を通過した流体（Ｆ２）を第一の分離装置１０を介さずに第二の分離装置２０に供給してもよいし、加湿器４０を介さずに、流体（Ｆ２）を第一の分離装置１０、第二の分離装置２０の順で供給してもよい。
【0036】
＜制御部＞
制御部８０は、第一の分離装置１０、第二の分離装置２０、水電気分解装置３０、ラジエータ５４、第一のポンプ５５、第二のポンプ６４及び第三のポンプ７４等の作動を制御するものである。
具体的に、制御部８０は、分離システム１の起動時に水電気分解装置３０を起動した後に、第二の分離装置２０を起動する。このとき、第二のポンプ６４及び第三のポンプ７４も起動する。
制御部８０は、第一の分離装置１０、第二の分離装置２０、水電気分解装置３０、ラジエータ５４、第一のポンプ５５、第二のポンプ６４及び第三のポンプ７４等の作動を制御するものである。
具体的に、制御部８０は、分離システム１の起動時に水電気分解装置３０を起動した後に、第二の分離装置２０を起動する。このとき、第二のポンプ６４及び第三のポンプ７４も起動する。
【0037】
また、制御部８０は、分離システム１の起動時に、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが所定の温度（以下、「温度Ｔ」ともいう。）に到達するまで、第二の分離装置２０を通常運転よりも発熱を優先する暖気モードとする。そして、第一のポンプ５５を起動して、熱交換媒体を第二の分離装置２０、第一の分離装置１０及び加湿器の間で循環させる。
本発明において、第二の分離装置２０の通常運転とは、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが温度Ｔに到達した後の、第二の分離装置２０の運転状態、すなわち、発電が優先される「発電モード」のことである。なお、暖気モードにおいても発電は行われる。
また、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが温度Ｔに到達するとは、例えば第一の接続回路５１、第二の接続回路５２及び第三の接続回路５３の少なくとも１つを流れる熱交換媒体の温度が、温度Ｔに到達することである。
本発明において、第二の分離装置２０の通常運転とは、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが温度Ｔに到達した後の、第二の分離装置２０の運転状態、すなわち、発電が優先される「発電モード」のことである。なお、暖気モードにおいても発電は行われる。
また、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが温度Ｔに到達するとは、例えば第一の接続回路５１、第二の接続回路５２及び第三の接続回路５３の少なくとも１つを流れる熱交換媒体の温度が、温度Ｔに到達することである。
【0038】
また、制御部８０は、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが温度Ｔに到達した後に、ラジエータ５４を起動し、第二の分離装置２０暖気モードから発電を優先する発電モードとしつつ、第一の分離装置１０を起動する。
【0039】
【0040】
まず、制御部８０により、水電気分解装置３０を起動する（ステップＳ１）。
また、制御部８０により第二のポンプ６４を起動させて、水電気分解装置３０において発生した水素を含む流体（Ｆ１）を水素供給流路６０を介して、加湿器４０、第一の分離装置１０、第二の分離装置２０の順に供給する。
流体（Ｆ１）は、加湿器４０、第一の燃料電池１１のアノード流路、第二の燃料電池２１のアノード流路の順に通過する。なお、流体（Ｆ１）が加湿器４０を通過する際には、流体（Ｆ１）を加湿することが好ましい。流体（Ｆ１）を加湿することで、第二の燃料電池２１の劣化を抑制できる。
流体（Ｆ１）に含まれる水素は軽水素でもよいし、水素同位体でもよいし、両方でもよい。
また、制御部８０により第二のポンプ６４を起動させて、水電気分解装置３０において発生した水素を含む流体（Ｆ１）を水素供給流路６０を介して、加湿器４０、第一の分離装置１０、第二の分離装置２０の順に供給する。
流体（Ｆ１）は、加湿器４０、第一の燃料電池１１のアノード流路、第二の燃料電池２１のアノード流路の順に通過する。なお、流体（Ｆ１）が加湿器４０を通過する際には、流体（Ｆ１）を加湿することが好ましい。流体（Ｆ１）を加湿することで、第二の燃料電池２１の劣化を抑制できる。
流体（Ｆ１）に含まれる水素は軽水素でもよいし、水素同位体でもよいし、両方でもよい。
【0041】
また、制御部８０により第三のポンプ７４を起動させて、水電気分解装置３０において発生した酸素を含む流体（Ｆ２）を酸素供給流路７０を介して、加湿器４０、第一の分離装置１０、第二の分離装置２０の順に供給する。
流体（Ｆ２）は、加湿器４０、第一の燃料電池１１のカソード流路、第二の燃料電池２１のカソード流路の順に通過する。なお、流体（Ｆ２）が加湿器４０を通過する際には、流体（Ｆ２）を加湿することが好ましい。流体（Ｆ２）を加湿することで、第二の燃料電池２１の劣化を抑制できる。
流体（Ｆ２）は、加湿器４０、第一の燃料電池１１のカソード流路、第二の燃料電池２１のカソード流路の順に通過する。なお、流体（Ｆ２）が加湿器４０を通過する際には、流体（Ｆ２）を加湿することが好ましい。流体（Ｆ２）を加湿することで、第二の燃料電池２１の劣化を抑制できる。
【0042】
次に、第二の分離装置２０において、第二の燃料電池２１の電解質膜を挟んでアノード側の圧力（アノード圧力）が所定値に到達したか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的には、第二の燃料電池２１のアノード側の圧力が発電可能な圧力に達しているか否かを判定する。
アノード側及びカソード側の圧力は、流体（Ｆ１）及び流体（Ｆ２）の流量を第二のポンプ６４及び第三のポンプ７４にて調節することで制御できる。例えば、流体（Ｆ１）の流量を流体（Ｆ２）の流量よりも多くすることで、アノード側がカソード側よりも高圧になりやすくなる。
アノード側及びカソード側の圧力は、流体（Ｆ１）及び流体（Ｆ２）の流量を第二のポンプ６４及び第三のポンプ７４にて調節することで制御できる。例えば、流体（Ｆ１）の流量を流体（Ｆ２）の流量よりも多くすることで、アノード側がカソード側よりも高圧になりやすくなる。
【0043】
アノード圧力が所定値に到達した場合、制御部８０により、第二の分離装置２０を起動する（ステップＳ３）。また、制御部８０により第一のポンプ５５を起動させて、熱交換回路５０を介して、第二の分離装置２０から第一の分離装置１０、第一の分離装置１０から加湿器４０、加湿器４０から第二の分離装置２０の順に、熱交換媒体を供給して熱交換媒体を循環させる。
【0044】
次に、第二の分離装置２０の発電量が所定値に到達したか否かを判定する（ステップＳ４）。
【0045】
第二の分離装置２０の発電量が所定値に到達した場合、制御部８０により、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが所定値（温度Ｔ）に到達するまで、第二の分離装置２０を暖気モードとする（ステップＳ５）。
第二の分離装置２０を暖気モードとするには、例えば、流体（Ｆ１）の流量を流体（Ｆ２）の流量よりも多くすればよい。また、流体（Ｆ２）の流量を発電モード時の流量よりも減らしたり、第二の分離装置２０にヒーター等を取り付けて温めたりする方法でも、暖気モードとすることができる。
第二の分離装置２０を暖気モードとすることで、第二の分離装置２０に供給された熱交換媒体が速やかに加温されて第二の分離装置２０から排出され、第一の分離装置１０及び加湿器４０の順に供給されるので、第一の分離装置１０及び加湿器４０が迅速に温められる。
第二の分離装置２０を暖気モードとするには、例えば、流体（Ｆ１）の流量を流体（Ｆ２）の流量よりも多くすればよい。また、流体（Ｆ２）の流量を発電モード時の流量よりも減らしたり、第二の分離装置２０にヒーター等を取り付けて温めたりする方法でも、暖気モードとすることができる。
第二の分離装置２０を暖気モードとすることで、第二の分離装置２０に供給された熱交換媒体が速やかに加温されて第二の分離装置２０から排出され、第一の分離装置１０及び加湿器４０の順に供給されるので、第一の分離装置１０及び加湿器４０が迅速に温められる。
【0046】
次に、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが温度Ｔに到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。具体的には、第一の接続回路５１、第二の接続回路５２及び第三の接続回路５３の少なくとも１つを流れる熱交換媒体の温度が、所定値（温度Ｔ）に到達したか否かを判定する。
【0047】
第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０の少なくとも１つが温度Ｔに到達した場合、制御部８０により、ラジエータ５４を起動し、第二の分離装置２０を暖気モードから発電を優先する発電モードとする（ステップＳ７）。
ラジエータ５４を起動することで、熱交換媒体がラジエータ５４を通過する際に冷却されるので、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０が過剰に温められるのを抑制できる。第三の接続回路５３のラジエータ５４よりも上流を通過するときの熱交換媒体の温度が温度Ｔ以下を維持できるように、熱交換媒体を冷却することが好ましい。
ラジエータ５４を起動することで、熱交換媒体がラジエータ５４を通過する際に冷却されるので、第一の分離装置１０、加湿器４０及び熱交換回路５０が過剰に温められるのを抑制できる。第三の接続回路５３のラジエータ５４よりも上流を通過するときの熱交換媒体の温度が温度Ｔ以下を維持できるように、熱交換媒体を冷却することが好ましい。
【0048】
次に、制御部８０により、第一の分離装置１０を起動する（ステップＳ８）。
第一の分離装置１０の起動により、分離システム１の起動を完了とする。
第一の分離装置１０の起動により、分離システム１の起動を完了とする。
【0049】
＜分離システムの稼働＞
第一の分離装置１０を起動することで、分離システム１が稼働する。
まず、水電気分解装置３０にて、例えば水素同位体を含む水を電気分解する。この電気分解により得られた、水素同位体を含む流体（第一流体）を第一の分離装置１０の第一の燃料電池１１のアノード流路の入口から流入する。このとき、第一流体を加湿器４０に通過させてから第一の燃料電池１１のアノード流路に流入させてもよいし、水電気分解装置３０から直接、第一の燃料電池１１のアノード流路に流入させてもよい。
別途、電気分解により得られた、酸素を含む流体（Ｆ２）を第一の分離装置１０の第一の燃料電池１１のカソード流路の入口から流入する。このとき、流体（Ｆ２）を加湿器４０に通過させて、加湿してから第一の燃料電池１１のカソード流路に流入させるのが好ましい。この場合、流体（Ｆ２）は酸素と水蒸気とを含む。また、流体（Ｆ２）に窒素を含有させてもよい。
第一の分離装置１０を起動することで、分離システム１が稼働する。
まず、水電気分解装置３０にて、例えば水素同位体を含む水を電気分解する。この電気分解により得られた、水素同位体を含む流体（第一流体）を第一の分離装置１０の第一の燃料電池１１のアノード流路の入口から流入する。このとき、第一流体を加湿器４０に通過させてから第一の燃料電池１１のアノード流路に流入させてもよいし、水電気分解装置３０から直接、第一の燃料電池１１のアノード流路に流入させてもよい。
別途、電気分解により得られた、酸素を含む流体（Ｆ２）を第一の分離装置１０の第一の燃料電池１１のカソード流路の入口から流入する。このとき、流体（Ｆ２）を加湿器４０に通過させて、加湿してから第一の燃料電池１１のカソード流路に流入させるのが好ましい。この場合、流体（Ｆ２）は酸素と水蒸気とを含む。また、流体（Ｆ２）に窒素を含有させてもよい。
【0050】
第一の分離装置１０において、アノード流路に流入した第一流体に含まれる軽水素及び水素同位体の一部は、アノード流路からアノード触媒層へ移動し、さらにアノード触媒層から電解質膜を通過してカソード触媒層へと移動する。
カソード触媒層へ移動した軽水素及び水素同位体は、カソード触媒層中、及び電解質膜とカソード触媒層との界面において、カソード流路からカソード触媒層へと移動した流体（Ｆ２）に含まれる水蒸気（Ｈ２Ｏ）と同位体交換反応し、Ｄ２Ｏ及びＨＤＯが生成する。
カソード触媒層へ移動しなかった第一流体に含まれる軽水素及び水素同位体は、第一流体よりも水素同位体含有率が低い流体である第二流体としてアノード流路の出口から流出される。
なお、同位体交換反応は、アノード触媒層の表面でも起こる。
カソード触媒層へ移動した軽水素及び水素同位体は、カソード触媒層中、及び電解質膜とカソード触媒層との界面において、カソード流路からカソード触媒層へと移動した流体（Ｆ２）に含まれる水蒸気（Ｈ２Ｏ）と同位体交換反応し、Ｄ２Ｏ及びＨＤＯが生成する。
カソード触媒層へ移動しなかった第一流体に含まれる軽水素及び水素同位体は、第一流体よりも水素同位体含有率が低い流体である第二流体としてアノード流路の出口から流出される。
なお、同位体交換反応は、アノード触媒層の表面でも起こる。
【0051】
第一の燃料電池１１のアノード流路から流出した第二流体は、その一部が第一の燃料電池１１のアノード流路に返送されてもよいし、全てが第二の分離装置２０に供給されて発電に利用されてもよい。第二流体を発電に利用すれば、第二流体に含まれる軽水素及び水素同位体を消費できる。
【0052】
上記の同位体交換反応に利用されずに第一の燃料電池１１のカソード流路を通過する流体（Ｆ２）と、同位体交換反応により生成し、カソード流路へ移動したＤ２Ｏ、ＨＤＯ及びＨ２とは、流体（Ｆ３）として第一の燃料電池１１のカソード流路の出口から流出される。
第一の燃料電池１１のカソード流路から流出した流体（Ｆ３）を気液分離してもよし、Ｄ２Ｏを含む水として回収してもよい。
流体（Ｆ３）を気液分離する場合、流体（Ｆ３）から分離した気体は排出される。流体（Ｆ３）から分離した液体は、水電気分解装置３０に供給されてもよいし、Ｄ２Ｏを含む水として回収されてもよい。
第一の燃料電池１１のカソード流路から流出した流体（Ｆ３）を気液分離してもよし、Ｄ２Ｏを含む水として回収してもよい。
流体（Ｆ３）を気液分離する場合、流体（Ｆ３）から分離した気体は排出される。流体（Ｆ３）から分離した液体は、水電気分解装置３０に供給されてもよいし、Ｄ２Ｏを含む水として回収されてもよい。
【0053】
第二の分離装置２０では、まず、第一の燃料電池１１のアノード流路から流出した第二流体の少なくとも一部を、第二の燃料電池２１のアノード流路の入口から流入する。
別途、酸素を第二の燃料電池２１のカソード流路の入口から流入する。分離システム１の稼働時に第二の燃料電池２１のカソード流路に流入される酸素としては、水電気分解装置３０により生成した酸素を含む流体（Ｆ２）を用いることができる。この場合、水電気分解装置３０から第二の燃料電池２１のカソード流路に直接、流体（Ｆ２）を供給する。
別途、酸素を第二の燃料電池２１のカソード流路の入口から流入する。分離システム１の稼働時に第二の燃料電池２１のカソード流路に流入される酸素としては、水電気分解装置３０により生成した酸素を含む流体（Ｆ２）を用いることができる。この場合、水電気分解装置３０から第二の燃料電池２１のカソード流路に直接、流体（Ｆ２）を供給する。
【0054】
第二の燃料電池２１のアノード流路に流入した第二流体に含まれる軽水素及び水素同位体の一部は、イオンの状態でアノード流路からアノード触媒層へ移動し、さらにアノード触媒層から電解質膜を通過してカソード触媒層へと移動する。
第二の燃料電池２１のカソード触媒層へ移動した軽水素イオン及び水素同位体イオンは、カソード触媒層中、及び電解質膜とカソード触媒層との界面において、カソード流路からカソード触媒層へと移動した酸素と反応して水（Ｈ２Ｏ及びＤ２Ｏ）を生成する。このときの反応により第二の分離装置２０は発電する。
このように、第一の燃料電池１１のアノード流路から流出した第二流体は発電に利用され、消費される。
第二の燃料電池２１のカソード触媒層へ移動した軽水素イオン及び水素同位体イオンは、カソード触媒層中、及び電解質膜とカソード触媒層との界面において、カソード流路からカソード触媒層へと移動した酸素と反応して水（Ｈ２Ｏ及びＤ２Ｏ）を生成する。このときの反応により第二の分離装置２０は発電する。
このように、第一の燃料電池１１のアノード流路から流出した第二流体は発電に利用され、消費される。
【0055】
発電に使用されなかった、第二流体よりも水素同位体含有率が低い流体（Ｆ４）は、第二の燃料電池２１のアノード流路の出口から流出される。流出した流体（Ｆ４）は、排出してもよいし、流体（Ｆ４）の少なくとも一部を第二の燃料電池２１のアノード流路に返送してもよい。
一方、第二の燃料電池２１のカソード触媒層等にて生成し、カソード流路へ移動した水（Ｈ２Ｏ及びＤ２Ｏ）を流体（Ｆ５）として第二の燃料電池２１のカソード流路の出口から流出する。第二の燃料電池２１のカソード流路から流出した流体（Ｆ５）である水（Ｈ２Ｏ及びＤ２Ｏ）は、水電気分解装置３０に供給してもよいし、排出してもよいし、Ｄ２Ｏを含む水として回収してもよい。
なお、本発明において排出される流体は、排出後に適切に処理される。
一方、第二の燃料電池２１のカソード触媒層等にて生成し、カソード流路へ移動した水（Ｈ２Ｏ及びＤ２Ｏ）を流体（Ｆ５）として第二の燃料電池２１のカソード流路の出口から流出する。第二の燃料電池２１のカソード流路から流出した流体（Ｆ５）である水（Ｈ２Ｏ及びＤ２Ｏ）は、水電気分解装置３０に供給してもよいし、排出してもよいし、Ｄ２Ｏを含む水として回収してもよい。
なお、本発明において排出される流体は、排出後に適切に処理される。
【0056】
＜作用効果＞
以上説明した、本実施形態の分離システム及びその起動方法では、分離システムの起動時に、第二の分離装置で温められた熱交換媒体を第一の分離装置に供給する。分離システムの稼働時において、第一流体から水素同位体を効率よく分離するには、第一の分離装置を同位体交換反応に適した温度に加温する必要があるが、本実施形態であれば、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置の加温に利用して、第一の分離装置を速やかに加温できる。このとき、第一の分離装置、加湿器及び熱交換回路の少なくとも１つが温度Ｔに到達するまで第二の分離装置を暖気モードにすることで、第二の分離装置から第一の分離装置に供給される熱交換媒体が速やかに加温され、第一の分離装置をより迅速に加温できる。しかも、第二の分離装置も発電に適した温度に速やかに加温でき、より迅速に分離システムを起動できる。また、第一の分離装置、加湿器及び熱交換回路の少なくとも１つが温度Ｔに到達した後は、第二の分離装置を暖気モードから発電モードに切り替えることで、分離システムの運転に適した温度帯で分離システムを稼働することができ、第一の分離装置での分離性能を確保しつつ、第二の分離装置での第二流体による発電を行うことができる。
よって、本実施形態の分離システム及びその起動方法によれば、エネルギー効率よく、迅速に分離システムを起動できる。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与できる。
以上説明した、本実施形態の分離システム及びその起動方法では、分離システムの起動時に、第二の分離装置で温められた熱交換媒体を第一の分離装置に供給する。分離システムの稼働時において、第一流体から水素同位体を効率よく分離するには、第一の分離装置を同位体交換反応に適した温度に加温する必要があるが、本実施形態であれば、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置の加温に利用して、第一の分離装置を速やかに加温できる。このとき、第一の分離装置、加湿器及び熱交換回路の少なくとも１つが温度Ｔに到達するまで第二の分離装置を暖気モードにすることで、第二の分離装置から第一の分離装置に供給される熱交換媒体が速やかに加温され、第一の分離装置をより迅速に加温できる。しかも、第二の分離装置も発電に適した温度に速やかに加温でき、より迅速に分離システムを起動できる。また、第一の分離装置、加湿器及び熱交換回路の少なくとも１つが温度Ｔに到達した後は、第二の分離装置を暖気モードから発電モードに切り替えることで、分離システムの運転に適した温度帯で分離システムを稼働することができ、第一の分離装置での分離性能を確保しつつ、第二の分離装置での第二流体による発電を行うことができる。
よって、本実施形態の分離システム及びその起動方法によれば、エネルギー効率よく、迅速に分離システムを起動できる。そして、延いてはエネルギーの効率化に寄与できる。
【0057】
また、分離システムの起動時に、第一の分離装置及び第二の分離装置に順次供給される流体（流体（Ｆ２））を加湿しておけば、各分離装置に備わる燃料電池を構成する電解質膜の劣化を抑制できる。加えて、第一の分離装置を起動した後の同位体交換反応が進行しやすくなり、第一流体から水素同位体を分離する分離係数が向上し、分離効率が高まる。分離システムの起動時に、第二の分離装置で温められた熱交換媒体を加湿器にも供給し、予め加湿器も加温しておけば、加温された流体（Ｆ２）を第一の分離装置に供給できるので、第一の分離装置をより迅速に加温でき、また、第一の分離装置を起動した後の同位体交換反応がより進行しやすくなり、分離効率がより高まる。
このように、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置及び加湿器の加温に有効に活用できる。
このように、第二の分離装置にて発生する廃熱を第一の分離装置及び加湿器の加温に有効に活用できる。
【0058】
＜他の実施形態＞
本発明の分離システム及びその起動方法は上述したものに限定されない。
例えば、図１に示す分離システム１では、第二の接続回路が５２の一端が第一の分離装置１０の媒体出口に接続されているが、第二の接続回路が５２の一端は第二の分離装置２０の媒体出口に接続されていてもよい。すなわち、第二の分離装置２０と加湿器４０とが、第二の接続回路５２により接続されていてもよい。
また、第一の接続回路５１が途中で分岐し、第一の接続回路５１の一端が第二の分離装置２０の媒体出口に接続され、他端の一方が第一の分離装置１０の媒体入口に接続され、他端の他方が加湿器４０の媒体入口に接続されていてもよい。
本発明の分離システム及びその起動方法は上述したものに限定されない。
例えば、図１に示す分離システム１では、第二の接続回路が５２の一端が第一の分離装置１０の媒体出口に接続されているが、第二の接続回路が５２の一端は第二の分離装置２０の媒体出口に接続されていてもよい。すなわち、第二の分離装置２０と加湿器４０とが、第二の接続回路５２により接続されていてもよい。
また、第一の接続回路５１が途中で分岐し、第一の接続回路５１の一端が第二の分離装置２０の媒体出口に接続され、他端の一方が第一の分離装置１０の媒体入口に接続され、他端の他方が加湿器４０の媒体入口に接続されていてもよい。
【0059】
また、分離システム１の起動時においては、流体（Ｆ１）及び流体（Ｆ２）を、第一の分離装置１０を通過せずに、水電気分解装置３０又は加湿器４０から直接、第二の分離装置２０に供給してもよい。
【0060】
また、図１に示す分離システム１では、２つの分離装置を備えるものであるが、分離システム１は、３つ以上の分離装置を連結して備えていてもよい。この場合、３つ以上の分離装置のうち、少なくとも最上流の分離装置が第一の分離装置１０であり、最下流の分離装置が第二の分離装置２０であれば、残りの分離装置は第一の分離装置１０であってもよいし、第二の分離装置２０であってもよい。特に、最下流のみに第二の分離装置２０が備わることがより好ましい。
【符号の説明】
【0061】
１ 分離システム
１０ 第一の分離装置
１１ 第一の燃料電池
２０ 第二の分離装置
２１ 第二の燃料電池
３０ 水電気分解装置
４０ 加湿器
５０ 熱交換回路
５１ 第一の接続回路
５２ 第二の接続回路
５３ 第三の接続回路
５４ ラジエータ
５５ 第一のポンプ
６０ 水素供給流路
６１ 第一の水素供給流路
６２ 第二の水素供給流路
６３ 第三の水素供給流路
６４ 第二のポンプ
７０ 酸素供給流路
７１ 第一の酸素供給流路
７２ 第二の酸素供給流路
７３ 第三の酸素供給流路
７４ 第三のポンプ
８０ 制御部
１０ 第一の分離装置
１１ 第一の燃料電池
２０ 第二の分離装置
２１ 第二の燃料電池
３０ 水電気分解装置
４０ 加湿器
５０ 熱交換回路
５１ 第一の接続回路
５２ 第二の接続回路
５３ 第三の接続回路
５４ ラジエータ
５５ 第一のポンプ
６０ 水素供給流路
６１ 第一の水素供給流路
６２ 第二の水素供給流路
６３ 第三の水素供給流路
６４ 第二のポンプ
７０ 酸素供給流路
７１ 第一の酸素供給流路
７２ 第二の酸素供給流路
７３ 第三の酸素供給流路
７４ 第三のポンプ
８０ 制御部
【図1】
【図2】