特許 7572415 電気化学システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-15

(45)【発行日】2024-10-23

(54)【発明の名称】電気化学システム

(51)【国際特許分類】

   C25B 15/00 20060101AFI20241016BHJP

   C25B 1/04 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 9/00 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 9/70 20210101ALI20241016BHJP

   C25B 15/023 20210101ALI20241016BHJP

【ＦＩ】

C25B15/00 303

C25B1/04

C25B9/00 A

C25B9/23

C25B9/70

C25B15/023

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2022197749

(22)【出願日】2022-12-12

(65)【公開番号】P2024083753

(43)【公開日】2024-06-24

【審査請求日】2023-07-28

(73)【特許権者】

【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】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】河野 匠

【審査官】関口 貴夫

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－１３１９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－４６６０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－８３０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２１／１８１７７２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２５Ｂ １５／００

Ｃ２５Ｂ １／００

Ｃ２５Ｂ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質膜が第１電極及び第２電極で挟持された膜電極接合体を有する第１スタックと、
前記第１スタックから出力された高圧の第１ガスを貯蔵する第１タンクと、
前記第１スタックと前記第１タンクとを接続する流路に配置された逆止弁と、
前記逆止弁の上流の前記流路に接続された第１圧力センサと、
前記逆止弁の下流の前記流路に接続された第２圧力センサと、
前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとの検出圧力により前記電解質膜の損傷の有無を判定する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第２圧力センサの検出圧力から前記第１圧力センサの検出圧力を減算した差圧が、所定圧力を上回った場合に、前記電解質膜が損傷したと判定する、
電気化学システム。

【請求項2】

請求項１記載の電気化学システムであって、
前記第１スタックから排出された第２ガスを外部に排気可能な排気装置を備え、
前記電解質膜が損傷したと判定した場合に、前記制御部は、前記排気装置を制御して前記第２ガスを排気させる、
電気化学システム。

【請求項3】

請求項２記載の電気化学システムであって、
前記第１スタックは、供給された水を電気分解して、前記第１ガスとして酸素ガスを生成し、前記第２ガスとして水素ガスを生成する水電解スタックであり、
前記第１スタックに供給される水と、前記第１スタックから排出される水素ガスとを分離する気液分離器を有する、
電気化学システム。

【請求項4】

請求項３記載の電気化学システムであって、前記排気装置は、前記気液分離器に設けられている、
電気化学システム。

【請求項5】

請求項３記載の電気化学システムであって、
前記気液分離器で水と分離された水素ガスを昇圧する水素昇圧スタックと、
前記気液分離器から前記水素昇圧スタックへの水素ガスの供給を遮断する遮断弁と、を有し、
前記電解質膜が損傷したと判定した場合に、前記制御部は、前記遮断弁を制御して、前記気液分離器から前記水素昇圧スタックへの水素ガスの供給を遮断する、
電気化学システム。

【請求項6】

請求項５記載の電気化学システムであって、前記遮断弁は、前記気液分離器と前記水素昇圧スタックとに接続される第３流路に設けられる、
電気化学システム。

【請求項7】

請求項５記載の電気化学システムであって、
前記第１スタックから前記水素昇圧スタックに供給される水素ガスから触媒反応により酸素ガスを除去する触媒装置を有する、
電気化学システム。

【請求項8】

請求項７記載の電気化学システムであって、
前記遮断弁は、前記気液分離器と前記水素昇圧スタックとに接続される第３流路に設けられ、前記触媒装置は、前記第３流路の前記遮断弁の下流に設けられる、
電気化学システム。

【請求項9】

請求項７記載の電気化学システムであって、
前記触媒装置は、前記気液分離器において貯留される水と接する部位に配置されている、
電気化学システム。

【請求項10】

請求項５記載の電気化学システムであって、前記水素昇圧スタックから出力されて昇圧された水素ガスを前記水素昇圧スタックに戻す減圧調整部を有し、
前記電解質膜が損傷したと判定した場合に、前記制御部は、前記減圧調整部を制御して水素ガスを前記水素昇圧スタックに戻させる、
電気化学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学反応によりガスを発生させる電気化学システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電解質膜を有するスタックを用いて電気化学的にガスを発生させ、或いは電気化学的にガスを昇圧させる電気化学システムが種々提案されている。例えば、特許文献１には、原料として供給された水を水電解スタックで分解して酸素及び水素を発生させ、圧縮ガスとして酸素ガスタンク及び水素ガスタンクに貯蔵する電気化学システムが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２２－２９８９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述のような電気化学システムにおいて、スタックは、電解質膜のアノード側とカソード側とに大きな差圧が生じる条件で使用される場合がある。このようなスタックにおいて電解質膜が損傷すると、高圧側のガスが低圧側に漏洩するため、他の機器にトラブルが発生するおそれがある。

【0005】

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】

【0006】

以下の開示の一観点は、電解質膜が第１電極及び第２電極で挟持された膜電極接合体を有する第１スタックと、前記第１スタックから出力された高圧の第１ガスを貯蔵する第１タンクと、前記第１スタックと前記第１タンクとを接続する前記流路に配置された逆止弁と、前記逆止弁の上流の前記流路に接続された第１圧力センサと、前記逆止弁の下流の前記流路に接続された第２圧力センサと、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとの検出圧力により前記電解質膜の損傷の有無を検出する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第２圧力センサの検出圧力から前記第１圧力センサの検出圧力を減算した差圧が、所定圧力を上回った場合に、前記電解質膜が損傷したと判定する、電気化学システムにある。

【発明の効果】

【0007】

上述観点の電気化学システムは、電解質膜の損傷による第１ガスの漏洩を検出することで、第１スタックに接続された他の機器を保護することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態に係る電気化学システムの構成を示す図である。

【図2】図２は、図１の電気化学システムの動作を示すフローチャートである。

【図3】図３は、第２実施形態に係る電気化学システムの構成を示す図である。

【図4】図４は、第３実施形態に係る電気化学システムの構成を示す図である。

【図5】図５は、第４実施形態に係る電気化学システムの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
本実施形態の電気化学システム１０は、外部からの電力供給により、水を電気分解する水電解システムである。電気化学システム１０は、第１ガス（本実施形態では、酸素ガス）及び第２ガス（本実施形態では、水素ガス）を発生させる。電気化学システム１０は、電気化学的なガスの昇圧機能を備えており、第１ガスを圧縮状態で第１タンク１２（酸素タンク）に貯蔵し、第２ガスを圧縮状態で第２タンク１４（水素タンク）に貯蔵する。電気化学システム１０は、例えば、余剰な電気エネルギーを酸素と水素の形で保存するエネルギー貯蔵システムに利用される。以下、電気化学システム１０の構成について説明する。

【0010】

電気化学システム１０は、第１スタック１６と、水素昇圧スタック１８と、気液分離器２０と、第１タンク１２と、第２タンク１４と、水タンク２２と、制御部２４と、を主に備える。制御部２４は、ＣＰＵ及びメモリを備えたコンピュータとして構成される。

【0011】

本実施形態の第１スタック１６は、水電解スタック１７である。水電解スタック１７は、電解質膜２６を第１電極（アノード）２６ａと第２電極（カソード）２６ｃとで挟持した膜電極接合体２７を有する。電解質膜２６は、例えば水酸化物イオンＯＨ^-を輸送するアニオン交換膜である。膜電極接合体２７は、セパレータ２９によって挟まれることで、単位セル３０を構成する。第１スタック１６は、その内部に、数十～数百層の単位セル３０を積層したセルスタック３１を有する。セルスタック３１は、積層方向のアノード２６ａ及びカソード２６ｃから供給される電流によって駆動される。

【0012】

各々の単位セル３０は、アノード２６ａから酸素ガスを発生させ、カソード２６ｃから水素ガスを発生させる。カソード２６ｃには、供給流路４２を通じて水が供給される。カソード２６ｃは、電気化学反応により、水の一部を水素イオンＨ⁺と水酸化物イオンＯＨ^-とに分解する。水素イオンＨ⁺は、カソード２６ｃの表面で電子を受け取って、水素ガスとなる。カソード２６ｃで発生した水素ガスは、水と共に第２流路４６を通じて第１スタック１６から排出される。水素ガス及び水は、第２流路４６を通じて気液分離器２０に流入する。

【0013】

水酸化物イオンＯＨ^-は、電解質膜２６によってアノード２６ａに輸送される。水酸化物イオンＯＨ^-は、アノード２６ａの表面で電子を放出して酸素ガスと水を発生させる。酸素ガスは、第１スタック１６の内部の流路を通じて集められ、第１スタック１６から流出する。酸素ガスは、第１流路４４を通じて第１タンク１２に貯蔵される。これにより、第１流路４４を通じて第１タンク１２で貯蔵される酸素ガスの圧力は、第２流路４６を通じて気液分離器２０に流入する水素ガスの圧力よりも高圧となる。

【0014】

第１流路４４には、背圧弁４８が配置されている。背圧弁４８は、第１流路４４の酸素ガスの圧力を、例えば１～１００ＭＰａといった所定の圧力に維持する。背圧弁４８を通過した酸素ガスは、第１タンク１２に貯蔵される。したがって、各単位セル３０は、電解質膜２６のアノード２６ａとカソード２６ｃとで高い差圧が生じた状態で使用される。アノード２６ａで発生した水は、アノード２６ａとカソード２６ｃとの圧力差により、電解質膜２６を通じてカソード２６ｃに戻され、第２流路４６に流入する。

【0015】

第１流路４４の途上には、逆止弁５０が設けられる。逆止弁５０は、背圧弁４８と第１スタック１６との間に位置する。逆止弁５０は、第１スタック１６から第１タンク１２に向かう方向にのみ酸素ガスを通過させ、第１タンク１２から第１スタック１６への酸素ガスの逆流を阻止する。

【0016】

電気化学システム１０は、逆止弁５０の上流の第１流路４４に接続された第１圧力センサ５２と、逆止弁５０の下流の第１流路４４に接続された第２圧力センサ５４とを有する。第１圧力センサ５２は、逆止弁５０の上流の第１流路４４の酸素ガスの圧力を検出する。第２圧力センサ５４は、逆止弁５０の下流の第１流路４４の酸素ガスの圧力を検出する。第１圧力センサ５２の検出結果及び第２圧力センサ５４の検出結果は、制御部２４に入力される。

【0017】

制御部２４は、第１圧力センサ５２の検出結果及び第２圧力センサ５４の検出結果に基づいて、電解質膜２６の損傷の有無を検出する。具体的には、制御部２４は、第２圧力センサ５４によって検出された圧力から第１圧力センサ５２によって検出された圧力を減算した差圧ΔＰが所定圧力を上回った場合に、電解質膜２６が損傷したと判定する。

【0018】

供給流路４２は、気液分離器２０の水貯留部２０ｗと第１スタック１６とを接続する。水貯留部２０ｗは、気液分離器２０のうち水が貯留される部分である。供給流路４２は、気液分離器２０の水貯留部２０ｗに貯留された水を、第１スタック１６に供給する。必要に応じて、供給流路４２には水を第１スタック１６に送り込むポンプが配置されてもよい。第２流路４６は、気液分離器２０と第１スタック１６とを接続し、第１スタック１６から排出された水と水素ガスとを含んだ流体を気液分離器２０に導く。

【0019】

気液分離器２０は、第２流路４６を流入した流体を水素ガスと液体状の水とに分離する。気液分離器２０は、重力又は遠心力によって水素ガスから水を分離する。気液分離器２０で分離された水は水貯留部２０ｗに貯留される、水素ガスはガス回収部２０ｇに集められる。

【0020】

水貯留部２０ｗに貯留された水は、供給流路４２を通じて第１スタック１６に戻される。水は、第２流路４６及び供給流路４２を通じて気液分離器２０と第１スタック１６との間を循環する。気液分離器２０と第１スタック１６との間を循環する水の量は、第１スタック１６の電気化学反応が進むにつれて減少する。減少した水を補うために、電気化学システム１０は、水タンク２２を有する。水タンク２２は気液分離器２０の水貯留部２０ｗに水を供給することで、水貯留部２０ｗの水位を一定に保つ。

【0021】

排気装置５６は、第２流路４６及び気液分離器２０の内部のガスを排出する装置である。排気装置５６は、制御部２４による制御にしたがって第２流路４６及び気液分離器２０の内部のガスを排出する。第１圧力センサ５２によって検出された圧力と第２圧力センサ５４によって検出された圧力との差圧ΔＰが所定圧力を上回った場合、つまり、電解質膜２６の損傷が検出された場合、制御部２４は、排気装置５６を制御してガスの排出を行う。外部環境が真空である場合には、排気装置５６は、排気路５８と、排気路５８を開閉する排気弁６０とで構成できる。なお、電気化学システム１０が大気中又は水中に配置される場合には、排気装置５６は、ポンプ及びバルブを組み合わせて構成できる。

【0022】

気液分離器２０には、第２背圧弁６２が接続されている。第２背圧弁６２は、第２流路４６を、第１流路４４よりも低い所定の圧力に維持する。

【0023】

気液分離器２０で水が分離された水素ガスは、第３流路６４を通じて水素昇圧スタック１８に導かれる。電気化学システム１０は、第３流路６４の途上に、遮断弁６６と、触媒装置６８と、を有する。遮断弁６６は、第３流路６４において触媒装置６８の上流に位置する。遮断弁６６は、第３流路６４を閉塞可能な弁であり、制御部２４による制御にしたがって開閉動作を行う。電解質膜２６の損傷が検出された場合に、制御部２４は、遮断弁６６を制御して第３流路６４を閉塞する。

【0024】

触媒装置６８は、例えば貴金属等（例えば白金）の触媒を含む。触媒は、水素ガスと酸素ガスとを反応させることで、水素ガスに微量に混入する酸素ガスを水に変換して除去する。第３流路６４に混入する酸素ガスは、第１スタック１６に由来する。すなわち、第１スタック１６は、電解質膜２６が損傷していない状態であっても、アノード２６ａとカソード２６ｃとの圧力差によって、微量ながら酸素ガスを透過させる。電解質膜２６を透過した酸素ガスは、第３流路６４を含む水素ガスの循環経路２１に蓄積される。

【0025】

電解質膜２６の損傷により、酸素ガス濃度が高い混合ガスが触媒装置６８に供給されると触媒装置６８で激しく反応してしまい、反応熱により触媒装置６８の温度が非常に上がってしまう。水素ガス中の酸素ガスの濃度の上昇と、触媒装置６８の高温という２つの条件が揃うと、混合ガスを構成する水素ガスと酸素ガスとが電気化学システム１０の内部の機器を損傷させるおそれがある。そこで、本実施形態の電気化学システム１０は、電解質膜２６の損傷が検出された場合に、排気装置５６と遮断弁６６とで触媒装置６８への混合ガスの供給を阻止する。

【0026】

なお、特に図示はしないが、第３流路６４は、水素ガスを水素昇圧スタック１８に送り込むポンプを備えてもよい。

【0027】

水素昇圧スタック１８は、第３流路６４の下流の端部に接続される。水素昇圧スタック１８は、複数の単位セル３２を積層した構造を有する。各々の単位セル３２は、電解質膜２８と電解質膜２８を挟むカソード２８ｃ及びアノード２８ａとを有する。本実施形態の水素昇圧スタック１８は、電解質膜２８として、プロトンＨ⁺を輸送する水素イオン伝導膜である。電解質膜２８は、アノード２８ａに供給された水素ガスを、プロトンＨ⁺に変換する。電解質膜２８は、アノード２８ａとカソード２８ｃとの電位差によってプロトンＨ⁺をカソード２８ｃに向けて移動させる。プロトンＨ⁺の移動は、電解質膜２８の両側の圧力差に抗して進む。プロトンＨ⁺はカソード２８ｃで電子を受け取って水素ガスとして放出される。電解質膜２８は、このようにしてカソード２８ｃに昇圧された水素ガスを発生させる。

【0028】

電解質膜２８のカソード２８ｃは第４流路７０と連通する。第４流路７０は、水素昇圧スタック１８と第２タンク１４を接続する。電解質膜２８で昇圧された水素ガスは、第４流路７０を通じて第２タンク１４に貯蔵される。

【0029】

一方、電解質膜２８のアノード２８ａには、第３流路６４を通じて気液分離器２０から排出された水素ガスが供給される。水素ガスは、アノード２８ａの電気化学反応で使用される。電気化学反応に使用されなかった水素ガスは、第５流路７２を通じて気液分離器２０に戻される。第５流路７２は、第３流路６４と共に、気液分離器２０と水素昇圧スタック１８のアノード２８ａとの間で水素ガスを循環させる循環経路２１を形成する。

【0030】

本実施形態の電気化学システム１０は、以上のように構成される。以下、電気化学システム１０の動作について説明する。

【0031】

図２に示されるように、電気化学システム１０は、水の電気分解を開始すると、所定の起動処理の後に、ステップＳ１０に進む。制御部２４は、第１スタック１６、及び水素昇圧スタック１８に所定の電力を供給する。これにより、第１スタック１６によって水電解処理が行われ、高圧の酸素ガスが第１タンク１２に貯蔵される共に、水素昇圧スタック１８によって昇圧処理が行われ、高圧の水素ガスが第２タンク１４に貯蔵される。

【0032】

次に、ステップＳ２０において、制御部２４は、第２圧力センサ５４の検出圧力から第１圧力センサ５２の検出圧力を減算した差圧ΔＰ（絶対値）を求める。

【0033】

次に、ステップＳ３０において、制御部２４は、差圧ΔＰが所定値よりも大きいか否かを判定する。通常の動作において、図１に示す第１流路４４は、逆止弁５０の順方向に酸素ガスを流す。順方向の流れでは、逆止弁５０の上流と下流との圧力差は、わずかであるため、差圧ΔＰは、所定圧力以下となる。したがって、差圧ΔＰが所定圧力以下の場合には、制御部２４は、電解質膜２６が損傷していない（ＮＯ）と判定する。

【0034】

ステップＳ３０において制御部２４がＮＯと判定した場合には、処理はステップＳ４０に進む。ステップＳ４０において、制御部２４はタイマーを所定値に設定する。ステップＳ４０で設定されるタイマーの所定値は、電解質膜２６の損傷の有無を判定するための待ち時間を反映している。

【0035】

その後、処理はステップＳ５０に進む。ステップＳ５０において、制御部２４は、電解質膜２６が損傷した旨の判定（フラグ）の有無を検出する。電解質膜２６の損傷の有無の判定は、後述するステップＳ９０で行われる。差圧ΔＰの値が所定圧力を下回っている通常の動作では、ステップＳ５０において、制御部２４は、電解質膜２６の損傷の判定はないと判断する（ＮＯ）。

【0036】

一方、図１の第１スタック１６において、電解質膜２６が損傷した場合には、高圧のアノード２６ａから低圧のカソード２６ｃに向けて酸素ガスの漏洩が発生する。そのため、酸素ガスは、第１流路４４を逆方向に流れようとし、逆止弁５０が第１流路４４の酸素ガスの流通を阻止する。その結果、逆止弁５０の上流と下流との間に、大きな差圧ΔＰが発生する。差圧ΔＰの値がステップＳ３０の所定圧力を上回ると、制御部２４は、ステップＳ３０においてＹＥＳと判定する。

【0037】

ステップＳ３０において、制御部２４がＹＥＳと判定した場合には、差圧ΔＰが所定圧力を上回る検出結果が、所定の待ち時間継続したか否かを判定するために、処理はステップＳ７０に移行する。ステップＳ７０において、制御部２４は、タイマーの値が０か否かを判定する。ステップＳ７０でタイマーの値が０でない場合（ＮＯ）には、制御部２４は、所定の待ち時間が経過していないと判断して処理をステップＳ８０に進める。ステップＳ８０において、制御部２４は、タイマーの値を１減算し、ステップＳ５０に移行する。タイマーの値は、ステップＳ４０で設定された所定値から、ステップＳ８０を経る毎に、１ずつ減少する。ステップＳ７０及びステップＳ８０の処理は、タイマーの値が０になるまで繰り返される。その間、電気化学システム１０は、電解処理を継続する。

【0038】

一方、ステップＳ７０において、タイマーの値が０である場合には、制御部２４は、所定圧力を上回る検出結果が、所定の待ち時間継続したと判定（ＹＥＳ）し、処理はステップＳ９０に進む。ステップＳ９０において、制御部２４は、電解質膜２６が損傷したと判定する。その後、処理はステップＳ５０に進む。

【0039】

なお、ステップＳ７０～８０は、第１圧力センサ５２及び第２圧力センサ５４のノイズによる誤検出を防ぐための一例であり、本実施形態はこの例に限定されない。第１圧力センサ５２及び第２圧力センサ５４のノイズを防ぐ別の方法が採用される場合には、ステップＳ７０～８０は省略され得る。

【0040】

上述のステップＳ９０で制御部２４が、電解質膜２６が損傷したと判定した場合には、ステップＳ５０において制御部２４は（ＹＥＳ）と判定し、処理をステップＳ１００に進める。

【0041】

ステップＳ１００において、制御部２４は、第１スタック１６及び水素昇圧スタック１８への電力の供給を停止する。また、ステップＳ１１０において、制御部２４は図１の遮断弁６６を閉塞させて第３流路６４を遮断する。第３流路６４の遮断により、酸素ガスを多量に含む混合ガスの触媒装置６８への供給が阻止される。その結果、電気化学システム１０は、触媒装置６８の過熱と水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの着火を防止できる。また、遮断弁６６は、水素昇圧スタック１８への酸素ガスの流入を防止して、水素昇圧スタック１８の電極に使用される触媒（例えば、白金）の劣化を防止する。

【0042】

その後、ステップＳ１２０において制御部２４は、排気装置５６を作動させて、第２流路４６及び気液分離器２０の混合ガスを排気する。排気装置５６は、第２流路４６及び気液分離器２０の混合ガスの濃度を、爆発範囲を下回るまで減少させることで、機器の損傷を防止する。

【0043】

なお、ステップＳ１００～Ｓ１２０の処理は、図示の順序に限定されず、任意の順序で行われてよく、又は全ての処理が同時に行われてもよい。

【0044】

一方、ステップＳ５０において、制御部２４が電解質膜２６の損傷の判定がないと判断（ＮＯ）した場合には、制御部２４は、処理をステップＳ６０に進める。ステップＳ６０では、電解処理が継続される。すなわち、第１スタック１６及び水素昇圧スタック１８への電力の供給が継続される。その後、処理はステップＳ２０に戻る。

【0045】

（第２実施形態）
図３に示す本実施形態の電気化学システム１０Ａは、図１の電気化学システム１０の触媒装置６８の配置を変更した例である。なお、電気化学システム１０Ａ（図３）の説明において、電気化学システム１０（図１）と同様の構成には同一の符号を付してその詳細な説明は省略される。

【0046】

電気化学システム１０Ａでは、触媒装置６８が第２流路４６の下流に接続されている。本実施形態の触媒装置６８は、気液分離器２０の内部に突出するように配置されている。触媒装置６８は、水貯留部２０ｗの水に接する位置に配置される。

【0047】

また、電気化学システム１０Ａは、供給流路４２に熱交換器７１を有する。熱交換器７１は、水の温度を下げることで、触媒装置６８で発生した熱を外部に逃がす。

【0048】

このような触媒装置６８は、酸素ガスと水素ガスとの混合ガスに接した際に発生した熱を、水貯留部２０ｗの水に速やかに逃がすことができる。そのため、本実施形態の電気化学システム１０Ａは、触媒装置６８の温度上昇を抑制でき、触媒装置６８による水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの発火を防止できる。

【0049】

また、熱交換器７１は、気液分離器２０と第１スタック１６との間を循環する水の温度を下げることで、気液分離器２０の水貯留部２０ｗに貯留される水の蒸発を防止できる。

【0050】

（第３実施形態）
図４に示す電気化学システム１０Ｂは、図１の電気化学システム１０に対して水素ガスを第３流路６４に供給可能な減圧調整部７６を追加した変形例である。なお、電気化学システム１０Ｂ（図４）の説明において、電気化学システム１０（図１）で説明済みの構成には同一符号を付してその詳細な説明は省略される。

【0051】

図４に示されるように、電気化学システム１０Ｂは、減圧調整部７６を有する。減圧調整部７６は、第６流路７８と第７流路８０とを有する。第６流路７８は、第４流路７０と第３流路６４とを接続する流路である。第６流路７８の一端は、３方弁８２を介して第４流路７０に接続され、第６流路７８の他端は遮断弁６６の下流の第３流路６４に接続されている。第６流路７８は、その途上に、第２遮断弁８４と、減圧弁８６とを有する。第２遮断弁８４は、制御部２４が制御することで開閉する。電気化学システム１０Ｂの通常処理において、第２遮断弁８４は、第６流路７８の水素ガスの流通を遮断する。第２遮断弁８４は、制御部２４が電解質膜２６の損傷を検出した場合に、第６流路７８を開通させる。減圧弁８６は、第６流路７８を流れる高圧の水素ガスの圧力を減圧して、第３流路６４に供給する。

【0052】

第７流路８０は、第５流路７２と第３流路６４とを接続する流路である。第７流路８０の一端は、３方弁８８を介して第５流路７２に接続され、第７流路８０の他端は遮断弁６６の下流の第３流路６４に接続される。第７流路８０は、その途上に第２逆止弁９０を有する。第２逆止弁９０は、第５流路７２から第３流路６４に向かう方向にのみ、ガスを流通させる。

【0053】

なお、図４の第３流路６４において、触媒装置６８（図１参照）の図示は省略されている。また、第３流路６４には、水素昇圧スタック１８に向けて水素ガスを送り込むポンプ９２が設けられている。

【0054】

本実施形態の電気化学システム１０Ｂは、以上のように構成される。以下、電気化学システム１０Ｂの動作について説明する。

【0055】

電気化学システム１０Ｂにおいて、第１スタック１６の電解質膜２６の損傷が検出された場合には、第３流路６４の遮断弁６６が閉塞すると共に、排気装置５６を通じて気液分離器２０から水素ガスと酸素ガスとを含む混合ガスが排出される。そのため、水素昇圧スタック１８のアノード２８ａ（図１参照）の圧力が急速に低下する。水素昇圧スタック１８のアノード２８ａの急減圧は、電解質膜２８の内部の水を突沸させ、電解質膜２８の内部に気孔による損傷を発生させる。したがって、水素昇圧スタック１８は、徐々に減圧させることが求められる。

【0056】

そこで、本実施形態の電気化学システム１０Ｂは、第３流路６４の遮断弁６６が閉塞し、排気装置５６による排気が開始されると、制御部２４が減圧調整部７６を制御することにより第６流路７８及び第７流路８０を通じて第３流路６４に水素ガスを供給して、水素昇圧スタック１８のアノード２８ａの急減圧を防止する動作を開始する。

【0057】

第３流路６４の遮断弁６６が閉塞すると、制御部２４は、第６流路７８の３方弁８２を回動させて、第４流路７０と第６流路７８とを連通させると共に、第２遮断弁８４を開通させる。その結果、第４流路７０の水素ガスが、第６流路７８を通じて、第３流路６４に供給される。

【0058】

また、制御部２４は、第７流路８０の３方弁８８を回動させて、第５流路７２と第７流路８０とを連通させる。その結果、第５流路７２の水素ガスが第７流路８０を通じて第３流路６４に供給される。

【0059】

このようにして、本実施形態の電気化学システム１０Ｂは、第３流路６４の遮断弁６６が閉塞した後に、第６流路７８及び第７流路８０を通じて第３流路６４に水素ガスが供給されるため、水素昇圧スタック１８のアノード２８ａの圧力の急低下を防ぐことができる。

【0060】

（第４実施形態）
図５に示す本実施形態の電気化学システム１０Ｃは、第１スタック１６Ｄとして、水素昇圧スタック１８を有する。水素昇圧スタック１８は、電解質膜２８を有し、流入した水素ガスを電気化学的に昇圧する。水素昇圧スタック１８は、第１流路４４を通じて第１タンク１２と接続されている。第１流路４４は、逆止弁５０と、逆止弁５０の上流に接続された第１圧力センサ５２と、逆止弁５０の下流に接続された第２圧力センサ５４とを有する。

【0061】

第１スタック１６Ｄからは、第２ガスとして、未反応の水素ガスが第２流路４６を通じて排出される。すなわち、本実施形態において、第１ガス及び第２ガスは、いずれも水素ガスである。

【0062】

制御部２４は、第１圧力センサ５２と第２圧力センサ５４との差圧ΔＰから、第１スタック１６Ｄの電解質膜２８の損傷の有無を判定する。制御部２４は、電解質膜２８が損傷したと判定したときに、第２流路４６に接続された図示しない遮断弁又は排気装置を作動させて、水素ガスの漏洩によるトラブルを防止できる。

【0063】

以上の開示は、以下のようにまとめられる。

【0064】

一観点の電気化学システム１０、１０Ａ～１０Ｃは、電解質膜２６が第１電極２６ａ及び第２電極２６ｃで挟持された膜電極接合体２７を有する第１スタック１６、１６Ｄと、前記第１スタックから出力された高圧の第１ガスを貯蔵する第１タンク１２と、前記第１スタックと前記第１タンクとを接続する流路４４に配置された逆止弁５０と、前記逆止弁の上流の前記流路に接続された第１圧力センサ５２と、前記逆止弁の下流の前記流路に接続された第２圧力センサ５４と、前記第１圧力センサと前記第２圧力センサとの検出圧力により前記電解質膜の損傷の有無を検出する制御部２４と、を備え、前記制御部は、前記第２圧力センサの検出圧力から前記第１圧力センサの検出圧力を減算した差圧ΔＰが、所定圧力を上回った場合に、前記電解質膜が損傷したと判定する。

【0065】

上述の電気化学システムは、第１流路の逆止弁の上流と下流との差圧から、電解質膜の損傷の有無を判定することで、第１ガスの漏洩によるトラブルを防止できる。

【0066】

上述の電気化学システムにおいて、前記第１スタックから排出された第２ガスを外部に排気可能な排気装置５６を備え、前記電解質膜が損傷したと判定した場合に、前記制御部は、前記排気装置を制御して第２ガスを排気させてもよい。この電気化学システムは、漏洩した第１ガスを第２ガスと共に排気することで、第１ガスと第２ガスとの混合ガスによるトラブルを防止できる。

【0067】

上述の電気化学システムにおいて、前記第１スタックは、供給された水を電気分解して、前記第１ガスとして酸素ガスを生成し、前記第２ガスとして水素ガスを生成する水電解スタック１７であり、前記第１スタックに供給される水と、前記第１スタックから出力される水素ガスとを分離する気液分離器２０を有してもよい。この電気化学システムは、水素と酸素との混合ガスによるトラブルを防止できる。

【0068】

上述の電気化学システムにおいて、前記排気装置は、前記気液分離器に設けられてもよい。この電気化学システムは、ガスのみを排出できるため、水の損失を抑制できる。

【0069】

上述の電気化学システムであって、前記気液分離器で水と分離された水素ガスを昇圧する水素昇圧スタック１８と、前記気液分離器から前記水素昇圧スタックへの水素ガスの供給を遮断する遮断弁６６と、を有し、前記電解質膜が損傷したと判定した場合に、前記制御部は、前記遮断弁を制御して、前記気液分離器から前記水素昇圧スタックへの水素ガスの供給を遮断してもよい。この電気化学システムは、水素と酸素との混合ガスの水素昇圧スタックへの流入を防ぐことができ、水素昇圧スタックの触媒の劣化を防止できる。

【0070】

上述の電気化学システムにおいて、前記遮断弁は、前記気液分離器と前記水素昇圧スタックとに接続される第３流路６４に設けられてもよい。

【0071】

上述の電気化学システムにおいて、前記第１スタックから前記水素昇圧スタックに供給される水素ガスから触媒反応により酸素ガスを除去する触媒装置６８を有してもよい。この電気化学システムは、触媒装置による水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの着火を防止できる。

【0072】

上述の電気化学システムにおいて、前記遮断弁は、前記気液分離器と前記水素昇圧スタックとに接続される第３流路に設けられ、前記触媒装置は、前記第３流路の前記遮断弁の下流に設けられてもよい。この電気化学システムは、遮断弁で触媒装置への水素と酸素との混合ガスの流入を防止できる。

【0073】

上述の電気化学システムにおいて、前記触媒装置は、前記気液分離器において貯留される水と接する部位に配置されてもよい。この電気化学システムは、触媒装置で発生する熱を水に逃がすことで水素ガスと酸素ガスとの混合ガスの着火を防止できる。

【0074】

上述の電気化学システムにおいて、前記水素昇圧スタックから出力されて昇圧された水素ガスを前記水素昇圧スタックに戻す減圧調整部７６を有し、前記電解質膜が損傷したと判定した場合に、前記制御部は、前記減圧調整部を制御して水素ガスを前記水素昇圧スタックに戻させてもよい。この電気化学システムは、排気装置の作動又は遮断弁の閉塞による水素昇圧スタックの急減圧を防止して、電解質膜の損傷を防止できる。

【0075】

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】

【0076】

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…電気化学システム
１２…第１タンク １６、１６Ｄ…第１スタック
１７…水電解スタック １８…水素昇圧スタック
２０…気液分離器 ２４…制御部
２６、２８…電解質膜 ５０…逆止弁
５２…第１圧力センサ ５４…第２圧力センサ
５６…排気装置 ６６…遮断弁
６８…触媒装置 ７６…減圧調整部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】