特許 7598395 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-03

(45)【発行日】2024-12-11

(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 15/033 20210101AFI20241204BHJP

   C25B 1/02 20060101ALI20241204BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20241204BHJP

【ＦＩ】

C25B15/033

C25B1/02

C25B9/23

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023003442

(22)【出願日】2023-01-13

(65)【公開番号】P2024099860

(43)【公開日】2024-07-26

【審査請求日】2023-09-29

(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】110003683

【氏名又は名称】弁理士法人桐朋

(72)【発明者】

【氏名】大門 鋭刀

【審査官】祢屋 健太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２２－０９４８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１５８８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－１６９８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１１７７８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－１６５９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２２－１６５９５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０９４３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０８８７３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２５５８１８（ＵＳ，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、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、
前記単位セルに電流を供給して、前記単位セルのアノード側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単位セルのカソード側に発生させる電源装置と、
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、
前記単位セルのカソード側に連通する排出経路に設けられ、前記高圧水素ガス中の水分を分離する気液分離器と、
前記水分が分離された前記高圧水素ガスである乾燥高圧水素ガスを、前記排出経路における前記気液分離器よりも下流側から、前記単位セルのアノード側に連通する前記供給経路に導く水素戻し経路と、
前記水素戻し経路に設けられる水素戻し弁と、
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と、
前記水素戻し弁および前記電源装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値を超えない場合は前記水素戻し弁を閉弁し、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値を超えると、前記水素戻し弁を開弁して、前記供給経路を介して前記乾燥高圧水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給する、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、
前記制御装置は、前記水素戻し弁の開度を制御して、前記乾燥高圧水素ガスの供給量を前記高圧水素ガスの発生量よりも大きくさせる、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項3】

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、
前記制御装置は、前記単位セルに供給される電流の大きさを制御して、前記乾燥高圧水素ガスの供給量を前記高圧水素ガスの発生量よりも大きくさせる、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項4】

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、
前記供給経路に導出経路を介して水蒸気を供給する加湿器と、
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、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値を超えた場合、前記導出弁の開度を制御して、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値未満である場合に比べて、前記加湿器から前記供給経路への前記水蒸気の供給量を少なくする、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項5】

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、
前記供給経路に導出経路を介して水蒸気を供給する加湿器と、
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、
をさらに備え、
前記制御装置は、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値を超えた場合、前記導出弁を閉弁して、前記供給経路への前記水蒸気の供給を停止する、電気化学式水素昇圧システム。

【請求項6】

請求項４または５に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、
前記気液分離器で分離された前記水分を、前記気液分離器から前記加湿器に導く水供給経路をさらに備える、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良好な湿潤状態とすることが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】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、水素昇圧スタックへの電流の供給時に、単位セルに滞留する水分量が多いと、当該水分が電解する傾向にある。電解により生じる酸素ガスが、水素昇圧スタックに供給される水素ガスと混合した場合、酸素ガスの濃度によっては化学反応を引き起こす課題がある。

【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、前記単位セルに電流を供給して、前記単位セルのアノード側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単位セルのカソード側に発生させる電源装置と、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、前記単位セルのカソード側に連通する排出経路に設けられ、前記高圧水素ガス中の水分を分離する気液分離器と、前記水分が分離された前記高圧水素ガスである乾燥高圧水素ガスを、前記排出経路における前記気液分離器よりも下流側から、前記単位セルのアノード側に連通する前記供給経路に導く水素戻し経路と、前記水素戻し経路に設けられる水素戻し弁と、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と、前記水素戻し弁および前記電源装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値を超えない場合は前記水素戻し弁を閉弁し、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値を超えると、前記水素戻し弁を開弁して、前記供給経路を介して前記乾燥高圧水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給する。

【発明の効果】

【0009】

上記の態様によれば、水素昇圧スタックへの電流の供給時に、単位セルに滞留する水分量を低減することができる。そのため、水素昇圧スタックに供給される水素ガスに、単位セルに滞留する水の電解により生じる酸素ガスが混入する量を低減することができる。その結果、酸素ガスと水素ガスとの化学反応の発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、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、保水抑制処理の手順を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

図１は、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、高圧水素貯留装置１８と、気液分離器２０と、制御装置２２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昇圧する装置である。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を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。高圧水素ガスは、高圧水素ポートＰＴ３から流出する。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。

【0018】

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２２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２２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。

【0019】

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は、供給される水素ガスよりも高い圧力の高圧水素ガスを発生する。

【0020】

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２２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構成される。単位セル２８に供給される電流が大きくなるほど、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。

【0021】

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し、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。

【0022】

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。

【0023】

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２２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２２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。

【0024】

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。

【0025】

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２２の制御に応じて開弁または閉弁する。

【0026】

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５８を有する。本実施形態では、気泡発生器５８は、密閉容器３８内の液水中に配置される。気泡発生器５８は、供給経路４６から導入経路６０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。この場合、水素ガスは、水分（水蒸気）が含有する。水分が含有した水素ガスは、導出経路５４を介して供給経路４６に供給される。

【0027】

導入経路６０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５８に導く経路である。導入経路６０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６０の下流端は、気泡発生器５８に接続される。導入経路６０には、導入弁６２が設けられる。導入弁６２は、制御装置２２の制御に応じて開弁または閉弁する。

【0028】

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６４が備えられてもよい。温調装置６４は、熱交換器６６と、熱交換器６６と密閉容器３８とを循環する循環経路６８と、循環経路６８に設けられたポンプ７０とを備える。温調装置６４は、ポンプ７０を駆動して、循環経路６８を介して熱交換器６６と密閉容器３８との間で液水を循環させて、熱交換器６６との熱交換により液水を設定温度に調整する。

【0029】

高圧水素貯留装置１８は、高圧水素ガスを貯留可能に形成される装置である。高圧水素貯留装置１８は、高圧水素ガスが貯留されるガスシリンダを複数集結したカードルであってもよいし、高圧水素ガスが貯留されるタンクであってもよい。高圧水素貯留装置１８は、水素昇圧スタック２４から排出経路７２を介して供給される高圧水素ガスを貯留する。排出経路７２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７２の上流端は水素昇圧スタック２４の高圧水素ポートＰＴ３に接続される。排出経路７２の下流端は高圧水素貯留装置１８の図示しない入力ポートに接続される。排出経路７２には背圧弁７４が設けられる。

【0030】

気液分離器２０は、背圧弁７４と水素昇圧スタック２４との間の排出経路７２に設けられる。気液分離器２０は、高圧水素ガス中の水分を分離する。水分が分離された高圧水素ガスである乾燥高圧水素ガスは、排出経路７２の下流に流れる。乾燥高圧水素ガスは、排出経路７２を介して高圧水素貯留装置１８に供給されるか、排出経路７２から分岐する水素戻し経路７６を介して供給経路４６に供給される。

【0031】

水素戻し経路７６は、乾燥高圧水素ガスを、排出経路７２における気液分離器２０よりも下流側から供給経路４６に導く経路である。水素戻し経路７６の上流端は、排出経路７２に接続される。本実施形態では、水素戻し経路７６の上流端は、気液分離器２０と背圧弁７４との間の排出経路７２に接続される。水素戻し経路７６の下流端は、供給経路４６に接続される。本実施形態では、水素戻し経路７６の下流端は、流量調整弁５２と水素昇圧スタック２４との間の供給経路４６に接続される。水素戻し経路７６には、水素戻し弁７８が設けられる。水素戻し弁７８は、制御装置２２の制御に応じて開弁または閉弁する。

【0032】

気液分離器２０によって分離された水分は、水供給経路８０を介して加湿器１６に供給される。水供給経路８０は、気液分離器２０から加湿器１６に水を供給する経路である。水供給経路８０の上流端は図示しない気液分離器２０の水排出ポートに接続される。水供給経路８０の下流端は加湿器１６の密閉容器３８の図示しない水導入ポートに接続される。水供給経路８０には、水供給弁８２が設けられる。水供給弁８２は、制御装置２２の制御に応じて開弁または閉弁する。

【0033】

制御装置２２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２２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。

【0034】

制御装置２２には、検出器８４が接続される。制御装置２２は、検出器８４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２２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。

【0035】

検出器８４は、水素昇圧スタック２４に設けられる。検出器８４は、電圧センサであってもよい。この場合、制御装置２２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８４は、抵抗センサであってもよい。この場合、制御装置２２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。

【0036】

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８４により検出される値を用いて、制御装置２２が、検出電圧値または検出抵抗値を算出してもよい。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

制御装置２２は、運転指令を受けると、水素昇圧スタック２４を運転状態にする。この場合、制御装置２２は、水素供給弁５０を開弁して水素供給源１４から水素昇圧スタック２４に水素ガスを供給する。また、制御装置２２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て、水素昇圧スタック２４に電流を供給する。水素昇圧スタック２４の各単位セル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。これにより、高圧水素ガスが各単位セル２８のカソード側で発生する。

【0040】

水素昇圧スタック２４の運転中、制御装置２２は、ポンプ４４を駆動し、排出弁４２を開弁して、水素昇圧スタック２４で未反応の水素ガスを密閉容器３８に供給する。また、制御装置２２は、任意のタイミングでベント弁４５を開弁して、水素ガスを排気させる。

【0041】

水素昇圧スタック２４の運転中、制御装置２２は、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。

【0042】

水素昇圧スタック２４の運転中、制御装置２２は、密閉容器３８に貯留される液水の水位を、所定周期で所定の水位閾値と比較する。密閉容器３８に貯留される液水の水位は、密閉容器３８に設けられる水位センサ８６によって検出される。液水の水位が水位閾値を超える場合、制御装置２２は、水供給弁８２を閉弁する。一方、液水の水位が水位閾値未満になると、制御装置２２は、水供給弁８２を開弁する。制御装置２２は、液水の水位が水位閾値を超えるまで、水供給弁８２を開弁してもよい。或いは、制御装置２２は、液水の水位が水位閾値未満になってから所定期間が経過するまで水供給弁８２を開弁してもよい。

【0043】

水素昇圧スタック２４の運転中、制御装置２２は、導入弁６２および導出弁５６を開弁して、水蒸気を水素ガスとともに供給経路４６に導入する。これにより、制御装置２２は、水素昇圧スタック２４に供給される水素ガスを加湿する。この場合、制御装置２２は、水素供給弁５０の開度および導入弁６２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してもよい。

【0044】

水素ガスの加湿量が多くなると、単位セル２８に水分が滞留する傾向がある。単位セル２８に滞留する水分が多くなるほど、水素昇圧スタック２４に印加される電圧が上昇する関係にある。

【0045】

そこで、本実施形態では、水素昇圧スタック２４の運転が開始されると、制御装置２２は、水素戻し弁７８を閉弁した後、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、所定周期ごとに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２２は、単位セル２８への水分の滞留を抑制する処理（保水抑制処理）を実行する。

【0046】

保水抑制処理は、プログラムによって規定されてもよい。或いは、保水抑制処理は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路によって実現されてもよい。或いは、保水抑制処理は、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。図２は、保水抑制処理の手順を示すフローチャートである。

【0047】

ステップＳ１において、制御装置２２は、導入弁６２および導出弁５６を閉弁した後、ステップＳ２に移行する。導入弁６２および導出弁５６が閉弁すると、供給経路４６への水蒸気を含有する水素ガスの供給が停止される。したがって、水素供給源１４から出力される水素ガスは、加湿器１６によって加湿されずに、水素昇圧スタック２４に供給される。

【0048】

ステップＳ２において、制御装置２２は、水素戻し弁７８を開弁した後、ステップＳ３に移行する。水素戻し弁７８が開弁すると、気液分離器２０によって水分が分離された高圧水素ガスである乾燥高圧水素ガスは、排出経路７２と供給経路４６との間の圧力差によって排出経路７２から供給経路４６に供給される。供給経路４６に供給された乾燥高圧水素ガスは、水素供給源１４から出力される水素ガスとともに水素昇圧スタック２４に供給される。

【0049】

ステップＳ３において、制御装置２２は、検出器８４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し、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所定の閾値を未だ超えている場合、制御装置２２は、水素昇圧スタック２４に未だ水分が滞留していると判定する。この場合、制御装置２２は、ステップＳ３に留まる。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所定の閾値未満である場合、制御装置２２は、水素昇圧スタック２４に滞留する水分が殆どないと判定する。この場合、制御装置２２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２２は、水素戻し弁７８を閉弁して、水素昇圧スタック２４への乾燥高圧水素ガスの供給を停止する。その後、制御装置２２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２２は、導入弁６２および導出弁５６を開弁して、供給経路４６への水蒸気を含有する水素ガスの供給を再開する。その後、制御装置２２は、保水抑制処理を終了する。

【0052】

以上のように本実施形態では、単位セル２８のカソード側に連通する排出経路７２と、単位セル２８のアノード側に連通する供給経路４６との間に水素戻し経路７６が設けられる。水素戻し経路７６は、排出経路７２における気液分離器２０よりも下流側から、乾燥高圧水素ガスを供給経路４６に導く。

【0053】

水素昇圧スタック２４の運転中に、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所定の閾値を超えない場合、制御装置２２は、水素戻し経路７６に設けられた水素戻し弁７８を閉弁する。

【0054】

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所定の閾値を超えると、制御装置２２は、水素戻し弁７８を開弁して、排出経路７２から供給経路４６を介して水素昇圧スタック２４に乾燥高圧水素ガスを供給する。

【0055】

これにより、排出経路７２と供給経路４６とが連通し、単位セル２８のカソード側が減圧される。そのため、排出経路７２と供給経路４６との圧力差により供給経路４６を介して水素昇圧スタック２４に乾燥高圧水素ガスを供給することができる。したがって、単位セル２８に滞留する水分を、単位セル２８のカソード側に移動させることができる。また、水素供給源１４から水素昇圧スタック２４に供給される水素ガスによって、単位セル２８に滞留する水分を、単位セル２８のカソード側から排出経路７２に排出することができる。さらに、気液分離器２０により水分が分離された乾燥高圧水素ガスを水素昇圧スタック２４に供給するので、単位セル２８に滞留する水分を早期に排出し、かつ、水素ガスを効率的に利用することができる。そのため、水素昇圧スタック２４に供給される水素ガスに、単位セル２８に滞留する水の電解により生じる酸素ガスが混入する量を低減することができる。その結果、酸素ガスと水素ガスとの化学反応の発生を抑制することができる。

【0056】

また、排出経路７２と供給経路４６との圧力差により供給経路４６を介して水素昇圧スタック２４に乾燥高圧水素ガスを供給することができるので、水素戻し経路７６等にポンプを設置しなくてもよい。したがって、電気化学式水素昇圧システム１０における部品点数の増加を抑えながら、単位セル２８に滞留する水分量を低減することができる。

【0057】

さらに、単位セル２８のカソード側から排出経路７２に排出された単位セル２８の水分を気液分離器２０で分離することができるので、当該水分が水素戻し経路７６を介して再び戻ることを抑制することができる。

【0058】

本実施形態では、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が所定の閾値を超えると、制御装置２２は、導入弁６２および導出弁５６を閉弁して、供給経路４６への水蒸気の供給を停止する。これにより、供給経路４６への水蒸気の供給を停止しない場合に比べて、単位セル２８に滞留する水分の低減量を高めることができる。

【0059】

また、本実施形態では、気液分離器２０で分離された水分を、気液分離器２０から加湿器１６の密閉容器３８に導く水供給経路８０が備えられる。これにより、水の利用効率を図ることができる。

【0060】

また、本実施形態では、密閉容器３８の液水の水位が水位閾値を超える場合、制御装置２２は、水供給経路８０に設けられる水供給弁８２を閉弁する。一方、密閉容器３８の液水の水位が水位閾値未満になると、制御装置２２は、水供給弁８２を開弁する。これにより、密閉容器３８に貯留される水を一定量以上に維持することができる。その結果、供給経路４６を流れる水素ガスの加湿が不十分になることを抑制することができる。

【0061】

上記実施形態は、以下のように変形することができる。

【0062】

（変形例１）
制御装置２２は、水素戻し弁７８の開度と、単位セル２８に供給される電流の大きさとの少なくとも一方を制御して、乾燥高圧水素ガスの供給量を高圧水素ガスの発生量よりも大きくさせてもよい。これにより、単位セル２８のカソード側の減圧速度を高めることができる。したがって、単位セル２８のカソード側の減圧速度を高めない場合に比べて、単位セル２８に滞留する水分を、早期に、単位セル２８のカソード側から排出経路７２に排出することができる。

【0063】

乾燥高圧水素ガスの供給量は、水素戻し弁７８から供給経路４６に供給される単位時間あたりの乾燥高圧水素ガスの量である。高圧水素ガスの発生量は、水素昇圧スタック２４の各単位セル２８において単位時間あたりに発生する高圧水素ガスの量である。

【0064】

水素戻し弁７８の開度が大きくなるほど、乾燥高圧水素ガスの供給量が多くなる関係にある。同様に、単位セル２８に供給される電流の大きさが大きくなるほど、高圧水素ガスの発生量が多くなる関係にある。したがって、制御装置２２は、水素戻し弁７８の開度を現在値よりも大きくすることで、乾燥高圧水素ガスの供給量を高圧水素ガスの発生量よりも大きくさせ得る。同様に、制御装置２２は、単位セル２８に供給される電流の大きさを現在値よりも小さくすることで、乾燥高圧水素ガスの供給量を高圧水素ガスの発生量よりも大きくさせ得る。

【0065】

例えば、制御装置２２は、単位セル２８に現在供給される電流の大きさに対応する高圧水素ガスの発生量を演算する。その後、制御装置２２は、演算した高圧水素ガスの発生量よりも多い乾燥高圧水素ガスを供給可能な水素戻し弁７８の開度を演算し、水素戻し弁７８を制御する。

【0066】

また例えば、制御装置２２は、水素戻し弁７８の現在の開度に対応する乾燥高圧水素ガスの供給量を演算する。その後、制御装置２２は、演算した乾燥高圧水素ガスの供給量よりも少ない高圧水素ガスの発生量を発生させ得る電流の大きさを演算し、電源装置２６を制御する。

【0067】

なお、制御装置２２には、水素戻し弁７８の開度と、単位時間あたりに水素戻し弁７８から供給経路４６に供給される乾燥高圧水素ガスの量との関係を示す第１テーブルが記憶されてもよい。また、制御装置２２には、単位セル２８に供給される電流の大きさと、単位時間あたりに水素昇圧スタック２４で発生する高圧水素ガスの量との関係を示す第２テーブルが記憶されてもよい。

【0068】

また、制御装置２２が制御可能な水素戻し弁７８の開度は、ゼロである場合を含む。水素戻し弁７８の開度がゼロである場合、水素戻し弁７８が閉弁している状態を意味する。なお、水素戻し経路７６に設けられる水素戻し弁７８は、流量調整弁と、流量調整弁よりも下流の減圧弁（開閉弁）によって構成されてもよい。

【0069】

（変形例２）
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所定の閾値を超えた場合に、制御装置２２は、導入弁６２および導出弁５６を閉弁しなくてもよい。この場合、制御装置２２は、導入弁６２および導出弁５６の開度を制御して、加湿器１６から供給経路４６への水蒸気の供給量を少なくしてもよい。例えば、制御装置２２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が所定の閾値を超えた場合は、当該電気値が閾値未満である場合に比べて、水蒸気の供給量を少なくする。これにより、水蒸気の供給量を少なくしない場合に比べて、単位セル２８に滞留する水分の低減量を高めることができる。

【0070】

（変形例３）
気泡発生器５８、導入経路６０および導入弁６２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５８、導入経路６０および導入弁６２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５８、導入経路６０および導入弁６２を設けなくても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

【0071】

（変形例４）
気液分離器２０は、密閉容器３８よりも上方に設けられてもよい。このようにした場合、水供給経路８０等にポンプを設置しなくても、気液分離器２０から密閉容器３８に水を供給し易い。

【0072】

（変形例５）
水素戻し弁７８の開度を調整しない場合、水素戻し弁７８は三方弁であってもよい。

【0073】

（変形例６）
密閉容器３８の容量が大きい、或いは、密閉容器３８に水を排出する機構が備えられている等の場合、水供給弁８２は設けられていなくてもよい。つまり、水供給弁８２は必須ではない。

【0074】

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。

【0075】

（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、前記単位セルに電流を供給して、前記単位セルのアノード側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単位セルのカソード側に発生させる電源装置（２６）と、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、前記単位セルのカソード側に連通する排出経路（７２）に設けられ、前記高圧水素ガス中の水分を分離する気液分離器（２０）と、前記水分が分離された前記高圧水素ガスである乾燥高圧水素ガスを、前記排出経路における前記気液分離器よりも下流側から、前記単位セルのアノード側に連通する前記供給経路に導く水素戻し経路（７６）と、前記水素戻し経路に設けられる水素戻し弁（７８）と、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（８４）と、前記水素戻し弁および前記電源装置を制御する制御装置（２２）と、を備える。前記制御装置は、前記電流が所定値である場合の前記電気値が所定の閾値を超えない場合は前記水素戻し弁を閉弁し、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値を超えると、前記水素戻し弁を開弁して、前記供給経路を介して前記乾燥高圧水素ガスを前記水素昇圧スタックに供給する。

【0076】

これにより、単位セルのカソード側を減圧しながら、単位セルのアノード側からカソード側に向かって乾燥高圧水素ガスを単位セルに供給することができる。したがって、単位セルに滞留する水分を単位セルのカソード側から排出経路に排出することができる。その結果、水素昇圧スタックに電流が供給されている状態において単位セルに滞留する水分量を低減することができる。

【0077】

（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、前記制御装置は、前記水素戻し弁の開度を制御して、前記乾燥高圧水素ガスの供給量を前記高圧水素ガスの発生量よりも大きくさせてもよい。これにより、単位セルのカソード側の減圧速度を高めることができる。単位セルのカソード側の減圧速度を高めない場合に比べて、単位セルに滞留する水分を、早期に、単位セルのカソード側から排出経路に排出することができる。

【0078】

（３）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、前記制御装置は、前記単位セルに供給される電流の大きさを制御して、前記乾燥高圧水素ガスの供給量を前記高圧水素ガスの発生量よりも大きくさせてもよい。これにより、単位セルのカソード側の減圧速度を高めることができる。単位セルのカソード側の減圧速度を高めない場合に比べて、単位セルに滞留する水分を、早期に、単位セルのカソード側から排出経路に排出することができる。

【0079】

（４）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、前記供給経路に導出経路（５４）を介して水蒸気を供給する加湿器（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、をさらに備え、前記制御装置は、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値を超えた場合、前記導出弁の開度を制御して、前記電流が所定値である場合の前記電気値が前記閾値未満である場合に比べて、前記加湿器から前記供給経路への前記水蒸気の供給量を少なくしてもよい。これにより、水蒸気の供給量を少なくしない場合に比べて、単位セルに滞留する水分の低減量を高めることができる。

【0080】

（５）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、前記供給経路に導出経路を介して水蒸気を供給する加湿器と、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、をさらに備え、前記制御装置は、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前記閾値を超えた場合、前記導出弁を閉弁して、前記供給経路への前記水蒸気の供給を停止してもよい。これにより、水蒸気の供給量を停止しない場合に比べて、単位セルに滞留する水分の低減量を高めることができる。

【0081】

（６）本発明は、上記（４）または（５）に記載の電気化学式水素昇圧システムであって、前記気液分離器で分離された前記水分を、前記気液分離器から前記加湿器に導く水供給経路（８０）をさらに備えてもよい。これにより、水の利用効率を図ることができる。

【0082】

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】

【0083】

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…高圧水素貯留装置 ２０…気液分離器
２２…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 ７２…排出経路
７６…水素戻し経路 ７８…水素戻し弁
８０…水供給経路 ８２…水供給弁
８４…検出器

【図1】

【図2】