特開 2024-99863 電気化学式水素昇圧システム

(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】P2024099863

(43)【公開日】2024-07-26

(54)【発明の名称】電気化学式水素昇圧システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/00 20060101AFI20240719BHJP

   C25B 1/02 20060101ALI20240719BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20240719BHJP

   C25B 15/08 20060101ALI20240719BHJP

【ＦＩ】

C25B15/00 302A

C25B1/02

C25B9/00 Z

C25B15/00 303

C25B15/08 302

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023003445

(22)【出願日】2023-01-13

(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】110003683

【氏名又は名称】弁理士法人桐朋

(72)【発明者】

【氏名】清水 航

(72)【発明者】

【氏名】大門 鋭刀

【テーマコード（参考）】

4K021

【Ｆターム（参考）】

4K021AA01

4K021BB05

4K021BC09

4K021CA08

4K021CA11

4K021DB43

4K021DB53

4K021DC03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】電解質膜が乾燥した場合、電解質膜に含有させる水分布を短時間で略均一化することができ、水素昇圧スタックを早期に始動することができる、電気化学式水素昇圧システムを提供する。
【解決手段】電気化学式水素昇圧システム（１０）は、電源装置（２６）、水素供給弁（５０）、経路接続器（６２）および給水器（６０）を制御する制御装置（１８）を備える。制御装置（１８）は、運転開始指令を受けると、所定の給水期間が経過するまで水源から水素昇圧スタックに液水を供給させる。その後、制御装置（１８）は、水素昇圧スタック（２４）への水素ガスの供給を開始させる。所定の水素ガス供給期間が経過した以降に、制御装置（１８）は、水素昇圧スタック（２４）への電流の供給を開始させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む単位セルが備えられる水素昇圧スタックと、
前記水素昇圧スタックに電流を供給して、前記水素昇圧スタックに供給される水素ガスよりも高い圧力の高圧水素ガスを前記水素昇圧スタックに発生させる電源装置と、
前記単位セルのアノード側に連通する供給経路を介して前記水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給する水素供給源と、
を備える電気化学式水素昇圧システムであって、
前記供給経路に設けられる水素供給弁と、
給水経路を介して水源を前記供給経路に接続し、または、前記接続を切断する経路接続器と、
前記水源の液水を前記水素昇圧スタックに供給する給水器と、
前記電源装置、前記水素供給弁、前記経路接続器および前記給水器を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、運転開始指令を受けると、所定の給水期間が経過するまで前記水源から前記水素昇圧スタックに前記液水を供給させ、その後、前記水素昇圧スタックへの前記水素ガスの供給を開始させ、所定の水素ガス供給期間が経過した以降に、前記水素昇圧スタックへの前記電流の供給を開始させる、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項2】

請求項１に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
導出経路を介して水蒸気を前記供給経路に供給する加湿器と、
前記導出経路に設けられ、前記制御装置に制御される導出弁と、
を備え、
前記制御装置は、前記液水の供給が停止されてから、前記電流の供給が開始されるまでの間、前記導出弁を閉弁し、前記電流の供給が開始された後に、前記導出弁を開弁する、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項3】

請求項２に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
前記水素昇圧スタックの電圧または抵抗を示す電気値を検出する検出器を備え、
前記水素ガス供給期間が経過した後、前記水素昇圧スタックの電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値以下である場合、前記制御装置は、前記導出弁を開弁する、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項4】

請求項３に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
前記水素ガス供給期間が経過した後、前記水素昇圧スタックの電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値以下にならない場合、前記制御装置は、前記水素昇圧スタックへの前記水素ガスおよび前記電流の供給を停止させる、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項5】

請求項３に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
前記水素ガス供給期間が経過した後、前記水素昇圧スタックの電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値以下にならない場合、前記制御装置は、設定時間を経過するまで、前記電流の供給を停止させるか、前記電流の大きさを小さくさせる、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項6】

請求項２に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
前記水源は、前記加湿器である、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項7】

請求項１または２に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
前記供給経路から分岐し、分岐部分よりも前記供給経路の下流に接続される除湿経路に設けられ、前記水素ガスを除湿する除湿器と、
前記水素供給源から供給される前記水素ガスを、前記制御装置の制御にしたがって前記除湿経路に流すか否かを切り替える経路切替器と、
を備え、
前記制御装置は、前記液水の供給が停止されてから、前記電流の供給が開始されるまでの間、前記除湿経路に前記水素ガスを流し、前記除湿器により除湿された前記水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給させる、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項8】

請求項１または２に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
前記水素昇圧スタックの運転停止期間が所定の停止期間閾値を超える場合、前記制御装置は、前記水源から前記水素昇圧スタックに前記水を供給させる、電気化学式水素昇圧システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学式水素昇圧システムに関する。

【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電気化学式水素昇圧システムに関する研究開発が行われている。

【0003】

特許文献１の電気化学式水素昇圧システムは、水素を昇圧する電気化学式水素昇圧装置を含む。電気化学式水素昇圧装置は、水素昇圧スタック（水素昇圧部）と、電源装置（電源）とを備える。水素昇圧スタックには、電解質膜、アノード給電体、カソード給電体を含む単位セルが備えられる。電源装置は、水素昇圧スタックに電流を供給して、水素昇圧スタックに供給される水素ガスよりも高圧の高圧水素ガスを水素昇圧スタックに発生させる。

【0004】

特許文献１には、電解質膜の湿潤状態に関する情報に基づいて、未反応の水素ガスが排出される水素昇圧スタックの排出口を規制し、水蒸気を単位セルに滞留させて電解質膜を湿潤状態にする技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０２２－９４８９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、電気化学式水素昇圧装置の停止期間が長くなるほど、電解質膜が乾燥する傾向にある。電解質膜が乾燥した場合、電解質膜に含水する水分の分布が不均一になり易い。特許文献１の上記技術を用いると、電解質膜が再び湿潤状態になると考えられる。しかし、電解質膜に含水する水分の分布が概ね均一になるまでには大幅に時間が必要になるという課題がある。

【0007】

本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の態様は、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む単位セルが備えられる水素昇圧スタックと、前記水素昇圧スタックに電流を供給して、前記水素昇圧スタックに供給される水素ガスよりも高い圧力の高圧水素ガスを前記水素昇圧スタックに発生させる電源装置と、前記単位セルのアノード側に連通する供給経路を介して前記水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給する水素供給源と、を備える電気化学式水素昇圧システムであって、前記供給経路に設けられる水素供給弁と、給水経路を介して水源を前記供給経路に接続し、または、前記接続を切断する経路接続器と、前記水源の液水を前記水素昇圧スタックに供給する給水器と、前記電源装置、前記水素供給弁、前記経路接続器および前記給水器を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、運転開始指令を受けると、所定の給水期間が経過するまで前記水源から前記水素昇圧スタックに前記液水を供給させ、その後、前記水素昇圧スタックへの前記水素ガスの供給を開始させ、所定の水素ガス供給期間が経過した以降に、前記水素昇圧スタックへの前記電流の供給を開始させる。

【発明の効果】

【0009】

上記の態様によれば、電解質膜に含有する水分布を短時間で略均一化することができる。その結果、水素昇圧スタックを早期に始動することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、実施形態による電気化学式水素昇圧システムを示す概略図である。

【図2】図２は、スタック始動処理の手順を示すフローチャートである。

【図3】図３は、変形例による電気化学式水素昇圧システムを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、実施形態による電気化学式水素昇圧システム１０を示す概略図である。電気化学式水素昇圧システム１０は、電気化学式水素昇圧装置１２と、水素供給源１４と、加湿器１６と、制御装置１８とを備える。

【0012】

電気化学式水素昇圧装置１２は、電気化学的に水素ガスを圧縮する装置である。電気化学式水素昇圧装置１２は、水素昇圧スタック２４と、電源装置２６とを有する。

【0013】

水素昇圧スタック２４は、導入ポートＰＴ１と、排出ポートＰＴ２と、高圧水素ポートＰＴ３とを有する。導入ポートＰＴ１は、水素ガスを導入するポートであり、各単位セル２８のアノード側に連通する。排出ポートＰＴ２は、未反応の水素ガスを排出するポートであり、各単位セル２８のアノード側に連通する。高圧水素ポートＰＴ３は、単位セル２８において生成される高圧水素ガスを排出するポートであり、各単位セル２８のカソード側に連通する。

【0014】

複数の単位セル２８は、それぞれ同じ構成である。各単位セル２８は、電解質膜３０と、電解質膜３０の一方の面に設けられたアノード電極３２と、電解質膜３０の他方の面に設けられたカソード電極３４とを有する。

【0015】

電解質膜３０は、例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）である。電解質膜３０は、そのアノード側が繊維状の骨格を含む保護シート（図示せず）で補強されてもよい。また、電解質膜３０は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。電解質膜３０は、アノード電極３２およびカソード電極３４に挟持される。

【0016】

アノード電極３２は、電解質膜３０の一方の面に接合されるアノード触媒層と、アノード触媒層に積層されるアノード給電体とを含む。カソード電極３４は、電解質膜３０の他方の面に接合されるカソード触媒層と、カソード触媒層に積層されるカソード給電体とを含む。アノード給電体およびカソード給電体は、水素ガスが流通可能な構造に形成される。

【0017】

アノード電極３２とカソード電極３４と間に電流が供給されると、導入ポートＰＴ１からアノード電極３２に供給される水素ガスの一部は触媒反応によりプロトン（Ｈ^＋イオン）に変換される。変換されたプロトンは、電解質膜３０介してカソード電極３４に輸送される。カソード電極３４では、輸送されたプロトンを用いた電気化学反応により高圧水素ガスが発生する。

【0018】

高圧水素ガスは、高圧水素ポートＰＴ３から流出する。高圧水素ポートＰＴ３から流出する高圧水素ガスは、排出経路３５を介して、例えばタンクに供給される。排出経路３５は、水素昇圧スタック２４から排出される高圧水素ガスを導く経路である。排出経路３５には背圧弁等が設けられる。

【0019】

アノード電極３２で未反応の水素ガスは、排出ポートＰＴ２から流出する。排出ポートＰＴ２から流出する水素ガスは、低圧排出経路３６を介して密閉容器３８内に供給されるか、低圧排出経路３６から分岐するベント経路４０を介して排気される。低圧排出経路３６には排出弁４２およびポンプ４４が設けられる。ベント経路４０にはベント弁４５が設けられる。排出弁４２およびベント弁４５の各々は、制御装置１８の制御に応じて開弁または閉弁する。ポンプ４４は、制御装置１８の制御に応じて駆動し、上流側から下流側への流動力を水素ガスに付与する。

【0020】

電源装置２６は、水素昇圧スタック２４に電流を供給する。これにより、水素昇圧スタック２４に供給される水素ガスよりも高い圧力の高圧水素ガスが水素昇圧スタック２４に発生する。

【0021】

電源装置２６は、各単位セル２８のアノード電極３２およびカソード電極３４に電圧を印加し、当該単位セル２８に電流を供給する。電源装置２６は、制御装置１８の制御に応じて、各単位セル２８に供給される電流の大きさを調整可能に形成される。単位セル２８に供給される電流値が大きくなるほど、当該単位セル２８において発生する高圧水素ガスの発生量が多くなる。

【0022】

水素供給源１４は、水素ガスを供給可能な装置である。水素供給源１４は、水素ガスが貯留されたガスシリンダを複数集結したカードルであってもよい。或いは、水素供給源１４は、水素ガスが貯留されたタンクであってもよい。水素供給源１４は、供給経路４６を介して水素ガスを水素昇圧スタック２４に供給する。

【0023】

供給経路４６は、水素供給源１４から水素昇圧スタック２４に水素ガスを導く経路である。供給経路４６の上流端は、水素供給源１４の図示しない出力ポートに接続される。供給経路４６の下流端は、水素昇圧スタック２４の導入ポートＰＴ１に接続される。供給経路４６には、上流側から下流側に向かって、減圧弁４８、水素供給弁５０、流量調整弁５２がこの順に設けられる。

【0024】

減圧弁４８は、図１では１つであるが、２つ以上であってもよい。水素供給弁５０は、制御装置１８の制御に応じて開弁または閉弁する。流量調整弁５２は、制御装置１８の制御に応じて、水素昇圧スタック２４に供給される水素ガスの流量を調整する。

【0025】

加湿器１６は、水素ガスを加湿する装置である。加湿器１６は、密閉容器３８を有する。加湿器１６は、密閉容器３８に貯留される液水を気化する。加湿器１６は、導出経路５４を介して供給経路４６に水蒸気を供給する。

【0026】

導出経路５４は、加湿器１６から供給経路４６に水蒸気を導く経路である。導出経路５４の上流端は、密閉容器３８の気相空間に配置される。導出経路５４の下流端は、水素供給弁５０と流量調整弁５２との間の供給経路４６に接続される。導出経路５４には、導出弁５６が設けられる。導出弁５６は、制御装置１８の制御に応じて開弁または閉弁する。

【0027】

密閉容器３８は、給水経路５８を介して供給経路４６に連通する。給水経路５８は、密閉容器３８に貯留された液水を供給経路４６に導く経路である。給水経路５８には、給水器６０が設けられる。給水経路５８と供給経路４６との接続部分には経路接続器６２が設けられる。

【0028】

給水器６０は、密閉容器３８に貯留される液水を水素昇圧スタック２４に供給する機器である。給水器６０は、制御装置１８の制御に応じて駆動し、上流側から下流側への流動力を水素ガスに付与する。給水器６０として、ポンプ等が挙げられる。図１では、給水器６０がポンプである場合の例が示されている。経路接続器６２は、給水経路５８を介して加湿器１６の密閉容器３８を供給経路４６に接続し、または、当該接続を切断する機器である。経路接続器６２として、三方弁等が挙げられる。図１では、経路接続器６２が三方弁である場合の例が示されている。経路接続器６２が密閉容器３８を供給経路４６に接続する場合、水素供給源１４から水素昇圧スタック２４に水素ガスは供給されない。一方、経路接続器６２が供給経路４６への密閉容器３８の接続を遮断する場合、水素供給源１４から水素昇圧スタック２４に水素ガスが供給される。

【0029】

加湿器１６は、バブラー式加湿器であってもよい。図１は、加湿器１６がバブラー式加湿器である場合の例を示している。この場合、加湿器１６は、気泡発生器６４を有する。気泡発生器６４は、密閉容器３８内の液水中に配置される。気泡発生器６４は、供給経路４６から導入経路６６を介して供給される水素ガスを気泡として液水中に放出する。これにより、水素ガスは、水分（水蒸気）を含有する。水分を含有する水素ガスは、導出経路５４を介して供給経路４６に供給される。

【0030】

導入経路６６は、供給経路４６を流れる水素ガスの一部を、供給経路４６から気泡発生器６４に導く経路である。導入経路６６の上流端は、供給経路４６における導出経路５４の下流端の接続箇所よりも上流側の箇所に接続される。導入経路６６の下流端は、気泡発生器６４に接続される。導入経路６６には、導入弁６８が設けられる。導入弁６８は、制御装置１８の制御に応じて開弁または閉弁する。

【0031】

なお、密閉容器３８に貯留される液水の温度を調整する温調装置７０が備えられてもよい。温調装置７０は、熱交換器７２と、熱交換器７２と密閉容器３８とを循環する循環経路７４と、循環経路７４に設けられたポンプ７６とを備える。温調装置７０は、ポンプ７６を駆動して、循環経路７４を介して熱交換器７２と密閉容器３８との間で液水を循環させて、熱交換器７２との熱交換により液水を設定温度に調整する。

【0032】

制御装置１８は、電気化学式水素昇圧システム１０を統括するコンピュータである。制御装置１８は、１以上のプロセッサと、記憶媒体とを含む。記憶媒体は、揮発性メモリと不揮発性メモリとによって構成され得る。プロセッサとしては、ＣＰＵ、ＭＣＵ等が挙げられる。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ等が挙げられる。不揮発性メモリとしては、例えばＲＯＭ、フラッシュメモリ等が挙げられる。

【0033】

制御装置１８には、検出器７８が接続される。制御装置１８は、検出器７８を用いて、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合の水素昇圧スタック２４の電気値を取得する。電気値は、電圧または抵抗を示す値である。水素昇圧スタック２４の電圧が、水素昇圧スタック２４の運転に好適な電圧である基準電圧と比較して上昇するほど、単位セル２８に滞留する水分が多くなる関係にある。同様に、水素昇圧スタック２４の抵抗が、水素昇圧スタック２４の運転に好適な抵抗である基準抵抗と比較して上昇するほど、単位セル２８に滞留する水分が多くなる関係にある。そのため、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合の電気値を取得することで、単位セル２８に滞留する水分量を捕捉し得る。

【0034】

検出器７８は、水素昇圧スタック２４に設けられる。検出器７８は、電圧センサであってもよい。この場合、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合に電圧センサによって検出される電圧値（検出電圧値）を、電気値として取得する。検出器７８は、抵抗センサであってもよい。この場合、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合に抵抗センサによって検出される抵抗値（検出抵抗値）を、電気値として検出する。

【0035】

電圧または抵抗は、オームの法則を用いて算出し得る。そのため、検出器７８により検出される値を用いて、制御装置１８が、検出電圧値または検出抵抗値を算出してもよい。

【0036】

検出電圧値は、水素昇圧スタック２４に備えられる複数の単位セル２８の両端に印加される電圧値であってもよい。或いは、検出電圧値は、複数の単位セル２８の中から選択された１つの単位セル２８の電圧値であってもよい。或いは、検出電圧値は、複数の単位セル２８の各々の電圧値の統計値であってもよい。或いは、検出電圧値は、複数の単位セル２８の中から選択された２つ以上の単位セル２８の電圧値の統計値であってもよい。統計値としては、例えば、平均値、中央値、合計値等が挙げられる。

【0037】

同様に、検出抵抗値は、水素昇圧スタック２４に備えられる複数の単位セル２８の両端で検出される抵抗値であってもよい。或いは、検出抵抗値は、複数の単位セル２８の中から選択された１つの単位セル２８の抵抗値であってもよい。或いは、検出抵抗値は、複数の単位セル２８の各々の抵抗値の統計値であってもよい。或いは、検出抵抗値は、複数の単位セル２８の中から選択された２つ以上の単位セル２８の抵抗値の統計値であってもよい。統計値としては、例えば、平均値、中央値、合計値等が挙げられる。

【0038】

制御装置１８は、運転開始指令を受けると、スタック始動処理を実行する。スタック始動処理は、プログラムによって規定されてもよい。或いは、スタック始動処理は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路によって実現されてもよい。或いは、スタック始動処理は、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって実現されてもよい。スタック始動処理の詳細は、後述する。

【0039】

スタック始動処理が完了すると、水素供給弁５０、導入弁６８および導出弁５６が開弁された状態となる。また、経路接続器６２は、供給経路４６への密閉容器３８の接続を遮断した状態になる。この場合、水素供給源１４から供給経路４６を介して水素昇圧スタック２４に水素ガスが供給される。また、供給経路４６を流れる水素ガスの一部は、導入経路６６を介して加湿器１６に流入し、加湿される。加湿された水素ガスは、導出経路５４を介して供給経路４６に戻る。したがって、水蒸気を含有するウェット水素ガスが水素昇圧スタック２４に供給される。

【0040】

また、スタック始動処理が完了すると、電源装置２６から水素昇圧スタック２４の各単位セル２８に所定の電圧が印加された状態となる。この場合、各単位セル２８には電源装置２６から電流が供給される。各単位セル２８では、水素供給源１４から供給される水素ガスに基づいて電気化学反応が実施される。その結果、高圧水素ガスが各単位セル２８のカソード側で発生する。

【0041】

制御装置１８は、スタック始動処理を実行した後、ポンプ４４を駆動する。また、制御装置１８は、排出弁４２を開弁し、ベント弁４５を閉弁する。これにより、水素昇圧スタック２４で未反応の水素ガスが密閉容器３８に供給される。

【0042】

また、制御装置１８は、スタック始動処理を実行した後、水素供給弁５０の開度および導入弁６８の開度の少なくとも一方を制御して、加湿器１６を経由する水素ガスと、加湿器１６を経由しない水素ガスとの流量比を調整する。

【0043】

また、制御装置１８は、スタック始動処理を実行した後、高圧水素ガスの目標発生量に基づいて、流量調整弁５２の開度を制御して、水素昇圧スタック２４に供給される水素ガスの流量を調整する。

【0044】

次に、制御装置１８によるスタック始動処理を説明する。図２は、スタック始動処理の手順を示すフローチャートである。スタック始動処理の開始前に、水素昇圧スタック２４は停止した状態にある。また、排出弁４２、水素供給弁５０、ベント弁４５、導入弁６８および導出弁５６は閉弁した状態にある。また、ポンプ４４および給水器６０は停止した状態にある。また、経路接続器６２は、供給経路４６への密閉容器３８の接続を遮断した状態にある。スタック始動処理は、運転開始指令が制御装置１８に与えられると、開始される。

【0045】

ステップＳ１において、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４の運転停止期間を、所定の停止期間閾値と比較する。運転停止期間は、水素昇圧スタック２４への電流の供給が停止されてからの経過期間である。

【0046】

運転停止期間が所定の停止期間閾値以下の場合、制御装置１８は、各単位セル２８の電解質膜３０の乾燥の進行度が小さいと判定する。この場合、制御装置１８は、平常始動サブルーチンＲＴ１を実行する。平常始動サブルーチンＲＴ１において、制御装置１８は、水素供給弁５０、導入弁６８および導出弁５６を開弁して、ウェット水素ガスを水素昇圧スタック２４に供給する。また、制御装置１８は、電源装置２６を制御して水素昇圧スタック２４に所定の電圧を印加し、水素昇圧スタック２４に電流を供給する。これにより、スタック始動処理は完了する。

【0047】

一方、運転停止期間が所定の停止期間閾値を超える場合、制御装置１８は、各単位セル２８の電解質膜３０の乾燥の進行度が大きいと判定する。この場合、制御装置１８は、非常始動サブルーチンＲＴ２を開始し、ステップＳ２に移行する。

【0048】

ステップＳ２において、制御装置１８は、経路接続器６２を制御して、給水経路５８を介して加湿器１６の密閉容器３８を供給経路４６に接続する。また、制御装置１８は、給水器６０を駆動して、加湿器１６の密閉容器３８から水素昇圧スタック２４への液水の供給を開始させる。その後、制御装置１８は、ステップＳ３に移行する。

【0049】

ステップＳ３において、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４への液水の供給が開始されてから所定の給水期間が経過したか否かを判定する。給水期間が経過していない場合、制御装置１８は、ステップＳ３に留まる。一方、給水期間が経過すると、制御装置１８は、ステップＳ４に移行する。

【0050】

ステップＳ４において、制御装置１８は、給水器６０を停止して、水素昇圧スタック２４への液水の供給を停止させる。その後、制御装置１８は、ステップＳ５に移行する。

【0051】

ステップＳ５において、制御装置１８は、導入弁６８および導出弁５６を開弁せずに、水素供給弁５０を開弁し、水素供給源１４から水素昇圧スタック２４にドライ水素ガスの供給を開始させる。ドライ水素ガスは、加湿器１６により加湿されていない水素ガスである。水素供給弁５０の開弁後、制御装置１８は、ステップＳ６に移行する。

【0052】

ステップＳ６において、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４へのドライ水素ガスの供給が開始されてから所定の水素ガス供給期間が経過したか否かを判定する。水素ガス供給期間が経過していない場合、制御装置１８は、ステップＳ６に留まる。一方、所定の水素ガス供給期間が経過すると、制御装置１８は、ステップＳ７に移行する。

【0053】

ステップＳ７において、制御装置１８は、電源装置２６を制御して、水素昇圧スタック２４の各単位セル２８への電流の供給を開始させる。その後、制御装置１８は、ステップＳ８に移行する。

【0054】

ステップＳ８において、制御装置１８は、検出器７８を用いて、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合の電気値を取得する。制御装置１８は、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合の電気値を取得すると、その電気値を所定の閾値と比較する。水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合の電気値が閾値を超える場合、制御装置１８は、単位セル２８に含まれる水分が過多であると判定する。この場合、制御装置１８は、ステップＳ９に移行する。一方、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合の電気値が閾値以下である場合、制御装置１８は、単位セル２８に含まれる水分が適度であると判定する。この場合、制御装置１８は、ステップＳ１０に移行する。

【0055】

ステップＳ９において、制御装置１８は、電源装置２６を制御して、設定時間を経過するまで、単位セル２８への電流の供給を停止させる。これにより、単位セル２８に含まれる水分の電解が回避される。制御装置１８は、設定時間が経過すると、ステップＳ８に戻る。

【0056】

ステップＳ１０において、制御装置１８は、導入弁６８および導出弁５６を開弁して、水素昇圧スタック２４へのウェット水素ガスの供給を開始させる。ウェット水素ガスの供給が開始されると、非常始動サブルーチンＲＴ２が完了する。この場合、スタック始動処理は終了する。

【0057】

以上のように本実施形態では、制御装置１８は、まず、所定の給水期間が経過するまで水素昇圧スタック２４に液水を供給させる。その後、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４への水素ガスの供給を開始させる。所定の水素ガス供給期間が経過した以降、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４への電流の供給を開始させる。

【0058】

したがって、単位セル２８の電解質膜３０に一様に水を含ませた後に、その電解質膜３０の水の含有量を水素ガスの供給により適切に調整することができる。これにより、電解質膜３０に含有する水分布を短時間で略均一化することができる。その結果、水素昇圧スタック２４を早期に始動することができる。

【0059】

また、本実施形態では、制御装置１８は、水の供給が停止されてから電流の供給が開始されるまでの間、導出弁５６を閉弁する。電流の供給が開始された以降、制御装置１８は、導出弁５６を開弁する。これにより、電流の供給が開始されるまではドライ水素ガスを水素昇圧スタック２４に供給することができる。したがって、電解質膜３０の水の含有量の調整を早期に完了させることができる。また、電流の供給が開始された以降はウェット水素ガスを水素昇圧スタック２４に供給することができる。したがって、水素昇圧スタック２４の運転中に電解質膜３０が乾燥することを抑制することができる。

【0060】

また、本実施形態では、制御装置１８は、検出器７８を用いて、水素昇圧スタック２４の電流が所定値である場合の電気値を取得する。制御装置１８は、所定の水素ガス供給期間が経過した後の電気値が所定の閾値以下である場合、導出弁５６を開弁する。これにより、電解質膜３０に含まれる水量を適量にしてから、ウェット水素ガスを水素昇圧スタック２４に供給することができる。

【0061】

また、本実施形態では、制御装置１８は、水素ガス供給期間が経過した後の電気値が所定の閾値以下にならない場合、設定時間を経過するまで、水素昇圧スタック２４への電流の供給を停止させる。これにより、単位セル２８に含まれる水分の電解を抑制することができる。その結果、水分の電解により生じる酸素ガスが不純ガスとして水素ガスとともに水素昇圧スタック２４から排出されることを低減することができる。

【0062】

また、本実施形態では、水素昇圧スタック２４の運転停止期間が所定の停止期間閾値を超えない場合、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４に水を供給させない。一方、水素昇圧スタック２４の運転停止期間が所定の停止期間閾値を超える場合に、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４に水を供給させる。これにより、電解質膜３０が乾燥していないにも関わらず、水素昇圧スタック２４に水を供給することを回避することができる。その結果、水素昇圧スタック２４を早期に始動することができる。これに加えて、電解質膜３０の劣化の進行度が早まることを抑制し、また制御装置１８の処理負荷を低減することができる。

【0063】

上記実施形態は、以下のように変形することができる。

【0064】

（変形例１）
図３は、変形例による電気化学式水素昇圧システム１０を示す概略図である。図３では、実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。なお、本変形例では、実施形態と重複する説明は割愛する。

【0065】

本変形例では、除湿器８０と、除湿経路８２と、経路切替器８４とが新たに備えられる。

【0066】

除湿器８０は、水素ガスを除湿する機器である。除湿器８０は、除湿経路８２に設けられる。除湿器８０は、例えば、除湿経路８２の上流から流れる水素ガスを冷却して、水素ガスから水分を分離する。

【0067】

除湿経路８２は、供給経路４６から分岐し、当該分岐部分よりも供給経路４６の下流に接続される。本実施形態では、除湿経路８２は、供給経路４６において流量調整弁５２よりも下流の箇所から分岐する。除湿経路８２は、除湿器８０により水分が分離されたドライ水素ガスを供給経路４６に導く。

【0068】

経路切替器８４は、水素供給源１４から供給される水素ガスを、制御装置１８の制御にしたがって除湿経路８２に流すか否かを切り替える。経路切替器８４として、三方弁等が挙げられる。図３では、経路切替器８４が三方弁である場合の例が示されている。

【0069】

本変形例では、制御装置１８は、液水の供給が停止されてから電流の供給が開始されるまでの間、除湿経路８２に水素ガスを流す。すなわち、本変形例の場合、ステップＳ５において、制御装置１８は、導入弁６８および導出弁５６を開弁せずに、水素供給弁５０を開弁することに加えて、経路切替器８４を制御する。この場合、制御装置１８は、経路切替器８４から下流の経路を、供給経路４６から除湿経路８２に切り替える。また、本変形例の場合、ステップＳ１０において、制御装置１８は、導入弁６８および導出弁５６を開弁することに加えて、経路切替器８４を制御する。この場合、制御装置１８は、経路切替器８４から下流の経路を、除湿経路８２から供給経路４６に切り替える。

【0070】

このように本変形例では、制御装置１８は、液水の供給が停止されてから電流の供給が開始されるまでの間、除湿器８０により除湿されたドライ水素ガスを水素昇圧スタック２４に供給させる。これにより、一様に水が含まれた電解質膜３０の含水量の調整を早期に完了させることができる。

【0071】

（変形例２）
水素ガス供給期間が経過した後の電気値が所定の閾値以下にならない場合（図２：ステップＳ８：ＮＯ）、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４の始動を停止させてもよい。この場合、制御装置１８は、水素供給弁５０を閉弁し、水素昇圧スタック２４への水素ガスの供給を停止させる。また、制御装置１８は、電源装置２６を制御して、水素昇圧スタック２４への所定の電圧の印加を停止させて、当該水素昇圧スタック２４への電流の供給を停止させる。これにより、高圧水素ガスの発生効率が不良の状態において水素昇圧スタック２４を運転させ続けることを抑制することができる。

【0072】

（変形例３）
水素ガス供給期間が経過した後の電気値が所定の閾値以下にならない場合（図２：ステップＳ８：ＮＯ）、制御装置１８は、設定時間を経過するまで、水素昇圧スタック２４に供給される電流の大きさを小さくさせてもよい。この場合、制御装置１８は、水素昇圧スタック２４に供給される電流の大きさを、ステップＳ７で供給を開始したときよりも小さくさせる。これにより、単位セル２８に含まれる水分の電解を抑制することができる。その結果、水分の電解により生じる酸素ガスが不純ガスとして高圧水素ガスとともに水素昇圧スタック２４から排出されることを低減することができる。

【0073】

（変形例４）
水源は、加湿器１６でなくてもよい。例えば、水源は、水タンク、浄水施設等であってもよい。

【0074】

（変形例５）
気泡発生器６４、導入経路６６および導入弁６８は、電気化学式水素昇圧システム１０から除外されてもよい。気泡発生器６４、導入経路６６および導入弁６８を設けなくても、供給経路４６を流れる水素ガスを加湿することができる。したがって、気泡発生器６４、導入経路６６および導入弁６８を設けなくても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

【0075】

以上の記載から把握し得る発明および効果について以下に記載する。

【0076】

（１）本発明は、電解質膜（３０）、アノード電極（３２）およびカソード電極（３４）を含む単位セル（２８）が備えられる水素昇圧スタック（２４）と、前記水素昇圧スタックに電流を供給して、前記水素昇圧スタックに供給される水素ガスよりも高い圧力の高圧水素ガスを前記水素昇圧スタックに発生させる電源装置（２６）と、前記単位セルのアノード側に連通する供給経路（４６）を介して前記水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給する水素供給源（１４）と、を備える電気化学式水素昇圧システム（１０）である。電気化学式水素昇圧システムは、前記供給経路に設けられる水素供給弁（５０）と、給水経路（５８）を介して水源を前記供給経路に接続し、または、前記接続を切断する経路接続器（６２）と、前記水源の液水を前記水素昇圧スタックに供給する給水器（６０）と、前記電源装置、前記水素供給弁、前記経路接続器および前記給水器を制御する制御装置（１８）と、を備える。前記制御装置は、運転開始指令を受けると、所定の給水期間が経過するまで前記水源から前記水素昇圧スタックに前記液水を供給させ、その後、前記水素昇圧スタックへの前記水素ガスの供給を開始させ、所定の水素ガス供給期間が経過した以降に、前記水素昇圧スタックへの前記電流の供給を開始させる。

【0077】

本発明によれば、単位セルの電解質膜に一様に水を含ませた後に、その電解質膜の水の含有量を水素ガスの供給により適切に調整することができる。これにより、電解質膜に含有する水分布を短時間で略均一化することができる。その結果、水素昇圧スタックを早期に始動することができる。

【0078】

（２）本発明は、上記（１）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、導出経路（５４）を介して水蒸気を前記供給経路に供給する加湿器（１６）と、前記導出経路に設けられ、前記制御装置に制御される導出弁（５６）と、を備え、前記制御装置は、前記液水の供給が停止されてから、前記電流の供給が開始されるまでの間、前記導出弁を閉弁し、前記電流の供給が開始された後に、前記導出弁を開弁してもよい。

【0079】

これにより、電流の供給が開始されるまではドライ水素ガスを水素昇圧スタックに供給することができる。したがって、電解質膜の水の含有量の調整を早期に完了させることができる。また、電流の供給が開始された以降はウェット水素ガスを水素昇圧スタックに供給することができる。したがって、水素昇圧スタックの運転中に電解質膜が乾燥することを抑制することができる。

【0080】

（３）本発明は、上記（２）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、前記水素昇圧スタックの電圧または抵抗を示す電気値を検出する検出器（７８）を備え、前記水素ガス供給期間が経過した後、前記水素昇圧スタックの電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値以下である場合、前記制御装置は、前記導出弁を開弁してもよい。

【0081】

これにより、電解質膜に含まれる水量を適量にしてから、ウェット水素ガスを水素昇圧スタックに供給することができる。

【0082】

（４）本発明は、上記（３）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、前記水素ガス供給期間が経過した後、前記水素昇圧スタックの電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値以下にならない場合、前記制御装置は、前記水素昇圧スタックへの前記水素ガスおよび前記電流の供給を停止させてもよい。

【0083】

これにより、高圧水素ガスの発生効率が不良の状態において水素昇圧スタックを運転させ続けることを抑制することができる。

【0084】

（５）本発明は、上記（３）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、前記水素ガス供給期間が経過した後、前記水素昇圧スタックの電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値以下にならない場合、前記制御装置は、設定時間を経過するまで、前記電流の供給を停止させるか、前記電流の大きさを小さくさせてもよい。

【0085】

これにより、単位セルに含まれる水分の電解を抑制することができる。その結果、水分の電解により生じる酸素ガスが不純ガスとして高圧水素ガスとともに水素昇圧スタックから排出されることを低減することができる。

【0086】

（６）本発明は、上記（２）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、前記水源は、前記加湿器であってもよい。

【0087】

これにより、水源をタンク等にする場合に比べて、電気化学式水素昇圧システムの部品点数を低減することができる。

【0088】

（７）本発明は、上記（１）または（２）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、前記供給経路から分岐し、分岐部分よりも前記供給経路の下流に接続される除湿経路（８２）に設けられ、前記水素ガスを除湿する除湿器（８０）と、前記水素供給源から供給される前記水素ガスを、前記制御装置の制御にしたがって前記除湿経路に流すか否かを切り替える経路切替器（８４）と、を備え、前記制御装置は、前記液水の供給が停止されてから、前記電流の供給が開始されるまでの間、前記除湿経路に前記水素ガスを流し、前記除湿器により除湿された前記水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給させてもよい。

【0089】

これにより、これにより、一様に水が含まれた電解質膜の含水量の調整を早期に完了させることができる。

【0090】

（８）本発明は、上記（１）または（２）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、前記水素昇圧スタックの運転停止期間が所定の停止期間閾値を超える場合、前記制御装置は、前記水源から前記水素昇圧スタックに前記水を供給させてもよい。

【0091】

これにより、単位セルに含まれる水分の電解を抑制することができる。その結果、水分の電解により生じる酸素ガスが不純ガスとして高圧水素ガスとともに水素昇圧スタック２４から排出されることを低減することができる。

【0092】

なお、本発明は、上述した開示に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【符号の説明】

【0093】

１０…電気化学式水素昇圧システム １２…電気化学式水素昇圧装置
１４…水素供給源 １６…加湿器
１８…制御装置 ２４…水素昇圧スタック
２６…電源装置 ２８…単位セル
３０…電解質膜 ３２…アノード電極
３４…カソード電極 ３８…密閉容器
４６…供給経路 ５４…導出経路
５６…導出弁 ５８…給水経路
６０…給水器 ６２…経路接続器
７８…検出器 ８０…除湿器
８２…除湿経路 ８４…経路切替器

【図1】

【図2】

【図3】