JP7162284B2 - 水素供給システム - Google Patents

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Description

本開示は水素供給システムに関する。
近年、地球の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、燃料電池の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し得る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の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。また、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。
例えば、高圧水素製造装置では、高圧側の押圧に対して、電解質膜およびアノード給電体が変形することで、カソード給電体と、電解質膜およびアノード給電体との間で接触抵抗が増加する可能性がある。そこで、電解質膜およびアノード給電体の変形に対して、カソード給電体を電解質膜に密着させるための皿バネまたはコイルバネを備える押圧構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、膜－電極接合体の損傷の回避および密着性向上のため、チタン繊維とチタン繊維の間に、チタン粉末または炭素系材料粉末などの導電性材料粉末を充填して表面を平滑化した金属繊維積層体を備える電気化学セル用給電体が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
また、高圧環境に対する耐久性を確保しながら、低コストで改質ガスから水素を精製および昇圧するため、複数枚積層されたセル構造と、このセル構造の積層方向に締結力を付与する締結構造とを備える水素精製昇圧装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００６－７０３２２号公報 特開２００２－６９６８１号公報 国際公開第２０１５／０２００６５号
ところで、従来から、水素供給システムの水素エネルギーを高効率で利用することが望まれているので、水素供給システムにおける電気化学式水素ポンプの水素供給動作の効率向上が重要である。
ここで、従来例では、電気化学式水素ポンプの触媒層と給電体との間の電気的接触の視点から水素供給動作の効率を向上することが検討されているが、電気化学式水素ポンプの電極間に流れる電流の視点から水素供給動作の効率を向上することは検討されていない。
本開示の一態様（aspect）は、このような事情に鑑みてなされたものであり、必要量以外の水素供給を抑制することで、電気化学式水素ポンプの水素供給動作の効率が従来よりも向上する水素供給システムを提供する。
上記課題を解決するため、本開示の一態様の水素供給システムは、電解質膜、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極、および、前記電極間に流れる電流を調整する電流調整器を備え、前記電流調整器により前記電極間に電流を流すことにより昇圧された水素を水素需要体に供給する水素供給動作を行う電気化学式水素ポンプと、前記電気化学式水素ポンプから前記水素需要体への前記水素供給動作を開始してから終了するまでに前記水素需要体に供給される累積水素供給量が他の前記水素供給動作における前記累積水素供給量よりも少ない場合、前記電流調整器を制御して前記電極間に流れる電流を前記他の水素供給動作よりも小さくする制御器と、を備える。
本開示の一態様の水素供給システムは、必要量以外の水素供給を抑制することで、電気化学式水素ポンプの水素供給動作の効率が従来よりも向上するという効果を奏する。
図１は、第１実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。 図２は、第１実施形態の実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図３は、第１実施形態の変形例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図４は、第２実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。 図５は、第２実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図６は、第３実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。 図７は、第３実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図８は、第４実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。 図９は、第４実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１０は、第５実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図１１は、第６実施形態の水素供給システムの制御器に設けられた表示器の一例を示す図である。 図１２は、第７実施形態の水素供給システムの取得器の一例を示す図である。
上記のとおり、従来例では、触媒層と給電体との電気的接触の悪化を抑えることにより、電気化学式水素ポンプの水素供給動作に必要な電圧上昇を抑制できる。よって、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における電気エネルギーの消費量の増加を抑制することが可能である。
しかしながら、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における水素量が多い程、その水素量に比例して、電気化学式水素ポンプに給電する電流が増加する。すると、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における電気エネルギーの消費量が増加する。
そこで、発明者らは、電気化学式水素ポンプの電極間に流れる電流を制御することにより、必要量以上の水素供給を抑制するという着想に到達した。
すなわち、本開示の第１態様の水素供給システムは、電解質膜、電解質膜の両面に設けられた一対の電極、および、電極間に流れる電流を調整する電流調整器を備え、電流調整器により電極間に電流を流すことにより昇圧された水素を水素需要体に供給する水素供給動作を行う電気化学式水素ポンプと、電気化学式水素ポンプから水素需要体への水素供給動作を開始してから終了するまでに水素需要体に供給される累積水素供給量が他の水素供給動作における累積水素供給量よりも少ない場合、電流調整器を制御して電極間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする制御器と、を備える。
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、必要量以外の水素供給を抑制することで、電気化学式水素ポンプの水素供給動作の効率が従来よりも向上する。つまり、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における累積水素供給量の多少に対応して、電極間に流れる電流の大小が適切に制御されることにより、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における電気エネルギーの消費量の増加を抑制することができる。
本開示の第２態様の水素供給システムは、第１態様の水素供給システムにおいて、制御器は、累積水素供給量の過去の履歴に基づき水素供給動作における累積水素供給量を予測し、予測された累積水素供給量が他の水素供給動作における累積水素供給量よりも少ない場合、電流調整器を制御して、電極間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくしても良い。
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における累積水素供給量の過去の履歴に基づいて、将来の水素供給動作における累積水素供給量を予測することで、電極間に流れる電流が適切に制御される。これにより、このような累積水素供給量を予測しない場合に比べて、電気化学式水素ポンプの水素供給動作において、適量の水素を電気化学式水素ポンプから水素需要体に供給することができる。
本開示の第３態様の水素供給システムは、第１態様または第２態様の水素供給システムにおいて、制御器は、電気化学式水素ポンプの水素供給動作の動作可能時間内において必要となる累積水素供給量が水素需要体に供給され、かつ電極間に流れる電流を他の水素供給動作よりも少なくする制御を実行する時間が、上記の動作可能時間内で最大になるよう電流調整器を制御しても良い。
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、電気化学式水素ポンプの水素供給動作の動作可能時間を最大限に活かしながら、電気化学式水素ポンプから水素需要体に水素を供給することができる。よって、このような水素供給動作の動作可能時間を最大限に活かさない場合に比べて、電極間に流れる電流が小さくなるので、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における電気エネルギーの消費量の増加を抑制することができる。
本開示の第４態様の水素供給システムは、第１態様から第３態様のいずれかの水素供給システムにおいて、電気化学式水素ポンプから供給される水素を貯蔵する水素貯蔵器と、水素貯蔵器内の圧力を検出する圧力検出器と、を備え、制御器は、圧力検出器で検出される圧力から、水素貯蔵器内の水素貯蔵量を推算しても良い。
かかる構成によると、水素貯蔵器の圧力を圧力検出器で検出することで、電気化学式水素ポンプの水素供給動作における累積水素供給量に対応する直接の情報が得られる。よって、水素貯蔵器の圧力を検出しない場合に比べて、電気化学式水素ポンプの電流調整器を高精度に制御することができる。すると、電気化学式水素ポンプの水素供給動作において、適量の水素を電気化学式水素ポンプから水素貯蔵器に供給することができる。
本開示の第５態様の水素供給システムは、第１態様から第４態様のいずれかの水素供給システムにおいて、電気化学式水素ポンプの温度を検出する温度検出器を備え、制御器は、電流調整器を制御して、電極間に流れる電流を調整し、温度検出器で検出される温度を上限温度以下にしても良い。
かかる構成によると、電気化学式水素ポンプの動作温度を上限温度以下の適温に制御できる。
例えば、電気化学式水素ポンプの電解質膜が、高分子電解質膜である場合、電気化学式水素ポンプの温度上昇に伴い高分子電解質膜が乾燥する可能性がある。すると、高分子電解質膜の電気抵抗の増加により、水素供給システムの安定かつ高効率な運転が困難となる可能性がある。
そこで、本態様の水素供給システムは、電極間に流れる電流の調整により、電気化学式水素ポンプの動作温度を上限温度以下にすることで、このような可能性を低減できる。つまり、電気化学式水素ポンプの電極間を流れる電流を小さくすることで、電解質膜における電流密度を低減できるので、高分子電解質膜の発熱が抑制される。すると、高分子電解質膜の乾燥による電気抵抗の増加を抑制できるので、水素供給システムの安定かつ高効率な運転を行いやすくなる。
本開示の第６態様の水素供給システムは、第１態様から第４態様のいずれかの水素供給システムにおいて、電気化学式水素ポンプの温度を検出する温度検出器と、電気化学式水素ポンプの冷却器と、を備え、制御器は、温度検出器で検出される温度が上限温度以下になるように、冷却器を動作させても良い。
かかる構成によると、電気化学式水素ポンプの動作温度を上限温度以下の適温に制御できる。
電気化学式水素ポンプの電解質膜が、例えば、高分子電解質膜である場合、電気化学式水素ポンプの温度上昇に伴い高分子電解質膜が乾燥する可能性がある。すると、高分子電解質膜の電気抵抗の増加により、水素供給システムの安定かつ高効率な運転が困難となる可能性がある。
そこで、本態様の水素供給システムは、電気化学式水素ポンプの冷却器の動作により、電気化学式水素ポンプの動作温度を上限温度以下にすることで、このような可能性を低減できる。すると、高分子電解質膜の乾燥による電気抵抗の増加を抑制できるので、水素供給システムの安定かつ高効率な運転を行いやすくなる。
本開示の第７態様の水素供給システムは、第１態様から第４態様のいずれかの水素供給システムにおいて、電気化学式水素ポンプの温度を検出する温度検出器と、電気化学式水素ポンプの冷却器と、を備え、制御器は、温度検出器で検出される温度が上限温度以下に
なるとともに、冷却器の動作に必要な電気エネルギーと電気化学式水素ポンプの動作に必要な電気エネルギーとの和が最小になるように、冷却器の動作と電気化学式水素ポンプの動作とを制御しても良い。
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、電気化学式水素ポンプの動作温度を上限温度以下の適温に制御しながら、冷却器の動作と電気化学式水素ポンプの動作とを制御することで、両者の動作に必要な電気エネルギーの和が最小になるように運転効率を最適化できる。
本開示の第８態様の水素供給システムは、第１態様から第７態様のいずれかの水素供給システムにおいて、水素供給システムから供給される水素の供給速度、累積水素供給量、および水素供給動作に必要な時間を表示する表示器を備えても良い。
かかる構成によると、操作者が、表示器の表示画面により、以上の水素の供給速度、累積水素供給量および水素供給動作に必要な時間などの様々な情報を容易に視認することができる。
本開示の第９態様の水素供給システムは、第１態様から第８態様のいずれかの水素供給システムにおいて、制御器による、水素供給動作において電流調整器を制御して電極間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする制御（以下、水素供給システムの高効率運転）を解除する指示を取得する取得器を備えても良い。
かかる構成によると、本態様の水素供給システムは、上記の取得器を備えることにより、水素供給システムの高効率運転を適切に解除することができる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。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、以下で示される数値、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、本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。また、動作においては、必要に応じて、各工程の順序などを変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
（第１実施形態）
［装置構成］
図１は、第１実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
図１に示す例では、水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、制御器５０と、を備える。
電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１４と、一対の電極１５、１６と、電流調整器１９と、を備える。
電解質膜１４は、プロトン伝導性を備える電解質膜であれば、どのような構成であっても構わない。電解質膜１４として、例えば、高分子電解質膜、固体酸化物膜などを挙げることができる。なお、高分子電解質膜として、例えば、フッ素系高分子電解質膜などを例示することができる。具体的には、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（商品名、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
一対の電極１５、１６は、電解質膜１４の両面に設けられている。つまり、一対の電極１５、１６のうちの電極１５は、電解質膜１４の一方の主面上に設けられ、電極１６は、電解質膜１４の他方の主面上に設けられている。なお、電極１５、電解質膜１４および電極１６の積層構造体を膜－電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
電極１５は、電解質膜１４の一方の主面に設けられた触媒層を備える。電極１５の触媒層は、触媒金属として、例えば、白金（Ｐｔ）を含んでも良いが、これに限定されない。
電極１６は、電解質膜１４の他方の主面に設けられた触媒層を備える。電極１６の触媒層は、触媒金属として、例えば、白金を含んでも良いが、これに限定されない。
なお、電極１５の触媒層も電極１６の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ので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、えば、黒鉛、カーボンブラック、電気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。カーボンなどの担体に、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良い。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。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の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良い。
また、図１には示さないが、薄膜状の電解質膜１４のうち、電極１５の触媒層と電極１６の触媒層とが形成されていない端部には、電解質膜１４の形状およびガスシールを担保するための枠体が設けられていても良い。この枠体は、電解質膜１４よりも剛性の高い材料で構成されていても良い。また、枠体は、例えば、フッ素系ゴムにより構成されたＯリングなどを用いてガスシールする構成を備えても良い。
電流調整器１９は、電極１５、１６間に流れる電流を調整する装置である。電流調整器１９は、電極１５、１６間に流れる電流を調整することができれば、どのような構成であっても良い。
電流調整器１９は、例えば、電極１５、１６に印加する電圧を調整する電圧印加器でも良い。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、バッテリ等の直流電源と接続された場合に用いられ、ＡＣ／ＤＣコンバータは、電圧印加器が、商用電源等の交流電源と接続された場合に用いられる。電流調整器１９が電圧印加器であるとき、電圧印加器の高電位側端子が電極１６に接続され、電圧印加器の低電位側端子が電極１５に接続されていても良い。
電気化学式水素ポンプ１００は、電流調整器１９により電極１５、１６間に電流を流すことにより昇圧された水素（Ｈ2）を水素需要体に供給する水素供給動作を行う装置である。
ここで、水素需要体として、例えば、家庭用または自動車用の燃料電池などを挙げることができる。なお、水素供給システム２００が、電気化学式水素ポンプ１００から供給される水素を貯蔵する水素貯蔵器（図１では図示せず）を備える場合、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器に水素が供給された後、水素貯蔵器から水素需要体に水素が供給される。
また、電気化学式水素ポンプ１００の水素源は、電極１６でプロトン（Ｈ+）を生成できる原料であれば、どのような物であっても良い。このような水素源として、例えば、水素（Ｈ2）、有機ハイドライド、水などを挙げることができる。例えば、水素源が水素であるとき、この水素は、水素を貯蔵する水素タンク、または水の電気分解により水素を生成する水電解装置から供給されてもよい。水素源が有機ハイドライドである場合、電気化学式水素ポンプ１００の電極１６で、有機ハイドライドから水素が引き抜かれる。水素源が水である場合、電気化学式水素ポンプ１００の電極１６で、水の電気分解により水素が生成される。つまり、電気化学式水素ポンプ１００の電極１６で、このような水素源からプロトン（Ｈ+）が生成される。そして、プロトン（Ｈ+）が電解質膜１４を透過し、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５で水素ガス（Ｈ2）が生成される。このとき、電極１５において生成される水素量が増加することで水素ガスが昇圧される。詳細は後で説明する。
制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体への水素供給動作を開始してから終了するまでに水素需要体に供給される累積水素供給量が他の水素供給動作における累積水素供給量よりも少ない場合、電流調整器１９を制御して電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする。
ここで、電流調整器１９が電圧印加器であるとき、電極１５、１６間に印加される電圧印加器の印加電圧の大きさを変化させることで電極１５、１６間に流れる電流が調整されても良い。具体的には、電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくするには、電圧印加器の印加電圧を下げると良い。
なお、電極１５、１６間に流れる電流を下げる調整は、電圧印加器の印加電圧の大きさを所定値に固定しても実現できる。例えば、上記水素貯蔵器内の水素貯蔵量が多く、水素貯蔵器内の圧力が高い状態で水素供給動作を開始するような場合、電極１５を収容する収容室の水素ガス圧は高くなる。電極１５を収容する収容室の圧力が高くなると、ネルンストの式に従い、電極１５、１６間の抵抗が大きくなる。従って、この場合、電圧印加器の印加電圧の大きさを所定値に固定すると、電極１５、１６間に流れる電流が、電圧・電流・抵抗の関係から自動的に小さくなる。
また、上記水素貯蔵器内の水素貯蔵量が多く、水素貯蔵器内の圧力が高い状態で水素供給動作を開始するような場合、その水素供給動作における累積水素供給量は通常少ない。
従って、上記のような、電圧印加器の印加電圧を所定値に固定する制御も、本開示の「電流調整器を制御して、電極間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする」制御に含まれる。
制御器５０は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても良い。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良いし、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良い。
なお、図１には示されていないが、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作において必要となる部材は適宜、設けられる。
例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、電極１６に水素源を供給するための導電性のセパレータを備える。このセパレータには、流体流路が形成されており、電極１６に水素源を供給する板状の部材である。セパレータは、電極１６に水素源を供給できれば、どのような構成であっても構わない。
電気化学式水素ポンプ１００では、通常、高圧の水素が外部へリークしないように、Ｏリングなどのシール材が設けられ、ＭＥＡと一体化して予め組み立てられる。そして、ＭＥＡの外側の両主面のそれぞれには、これを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続するための一対の上記のセパレータがそれぞれ配置されている。ＭＥＡの電極１６と接触するセパレータの部分には、ＭＥＡに水素源を供給するとともに、ＭＥＡから余剰の水素源を運び去るための上記の流体流路が形成されている。
この流体流路は、例えば、セパレータに直線状またはサーペンタイン状に形成されていても良い。
また、ＭＥＡとセパレータを交互に重ねて十数～数百セル積層し、その積層体を、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積層構造を取っても良い。この場合、電極１６と接触するセパレータのそれぞれの流体流路に適量の水素源を供給するには、これらのセパレータのそれぞれにおいて、水素源が通過する管路からセパレータのそれぞれの上記の流体流路が分岐するような構成を取る必要がある。このような管路のことをマニホルドといい、このマニホルドは、セパレータ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。
また、電極１５および電極１６はそれぞれ、図示しない拡散層を備えても良い。
例えば、電極１６の拡散層は、水素を拡散させるための複数の貫通孔を備える金属板の積層体であっても良い。この場合、金属板は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていても良い。拡散層の厚みは、例えば、数百μｍ程度（例えば、約４００μｍ程度）であっても良い。
また、電極１５の拡散層は、例えば、高弾性の黒鉛化炭素繊維、またはチタン粉末焼結体の表面に白金メッキを施した多孔質体などで構成され、ペーパー状にしたものを用いることができる。なお、前者の黒鉛化炭素繊維を用いる場合、炭素繊維を、例えば、2000℃以上で熱処理すると黒鉛結晶が発達し黒鉛繊維に変化する。
なお、以上の図示しない様々な部材は例示であって、本例に限定されない。
［動作］
以下、第１実施形態の水素供給システム２００の動作について、図１を参照しながら説明する。なお、以下では、電極１６に、水素源としての水素ガス（Ｈ2）が供給される場合について説明する。また、以下の動作は、制御器５０の演算回路が、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構わない。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構わない。例えば、水素供給システム２００が、表示機構およびタッチ操作機能を有する液晶ディスプレイなどの表示器を備えても良い。この場合、水素供給システム２００の動作状態が表示器に表示されるとともに、操作者の制御指令が、適時に、表示器を介して制御器５０の演算回路に入力される。
まず、電流調整器１９の一例である電圧印加器により、電極１５、１６間に、所望の電圧が印加される。
次に、電気化学式水素ポンプ１００の電極１６に水素ガスが供給されると、水素ガス中の水素は、電極１６の触媒層上で電子を遊離してプロトン（Ｈ+）となる（式（１））。遊離した電子は、電圧印加器を介して電極１５へ移動する。
一方、プロトンは、電解質膜１４内を透過し、電極１５の触媒層に移動する。電極１５の触媒層では、電解質膜１４を透過したプロトンと電子とによる還元反応が行われ、水素ガス（Ｈ2）が生成される（式（２））。
そして、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５から外部に水素ガスを導くための流路部材の圧損を大きくすることで（例えば、流路部材に開閉弁を設ける場合は、開閉弁を閉止することで）、電極１５側の水素ガス圧Ｐ２が上昇する。具体的には、電極１６側の水素ガス圧Ｐ１、電極１５側の水素ガス圧Ｐ２および電圧印加器の電圧Ｅの関係は、以下の式（３）で定式化される。
電極１６：Ｈ2（低圧）→２Ｈ+＋２ｅ- ・・・（１）
電極１５：２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2（高圧） ・・・（２）
Ｅ＝（ＲＴ／２Ｆ）ｌｎ（Ｐ２／Ｐ１）＋ｉｒ・・・（３）
式（３）において、Ｒは気体定数（８.３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、ＴはＭＥＡの温度（Ｋ）、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｃ／ｍｏｌ）、Ｐ２は電極１５側の水素ガス圧、Ｐ１は電極１６側の水素ガス圧、ｉは電流密度（Ａ／ｃｍ2）、ｒはセル抵抗（Ω・ｃｍ2）である。
式（３）から、電圧印加器の電圧Ｅを上げることで、電極１５側の水素ガス圧Ｐ２が上昇することが容易に理解できる。
よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、上記の流路部材の圧損を大きくするとともに、電圧印加器の電圧Ｅを上げることで、電極１５側の水素ガス圧Ｐ２を上昇させる。電極１５側の水素ガス圧Ｐ２が上昇した水素ガスは、例えば、流路部材を通じて外部（例えば、図示しない水素貯蔵器など）に排出される。
ところで、電圧印加器の電圧Ｅを上げることは、セル抵抗ｒ（Ω・ｃｍ2）を一定で推移させた場合、電極１５、１６間に流れる電流を大きくすることを意味する。そして、これにより、電気化学式水素ポンプ１００の電極１６から電極１５への水素の移動量が増加する。すなわち、短期間に十分な量の水素を電気化学式水素ポンプ１００の電極１５から外部に供給するには、電極１５、１６間に流れる電流を大きくすることが、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の時間削減の点では有効である。しかし、このことは、電圧と電流との積で算出される電気ネルギーの増加を意味する。すなわち、電圧印加器の電圧Ｅの上昇は、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の効率低下、ひては、水素供給システム２００の動作効率の低下を招く。よって、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の時間削減と水素供給システム２００の動作効率とはトレードオフの関係にある。
ここで、水素供給システム２００が、例えば、電気化学式水素ポンプ１００から供給される水素を貯蔵する水素貯蔵器を備える場合を考える。この場合、仮に、水素貯蔵器の水素の貯蔵量が不足しているとき（例えば、水素貯蔵器の内圧が常圧であるとき）は、電極１５、１６間に流れる電流を十分に大きくすることで、電気化学式水素ポンプ１００の動作能力を十分に引き出し、水素貯蔵器に短時間に大量の水素を補充することが望まれる。しかし、水素貯蔵器の水素の貯蔵量が充足しているとき（例えば、水素貯蔵器の内圧が所定圧のとき）は、水素貯蔵器に補充する水素量は少量で良い。
そこで、本実施形態の水素供給システム２００では、上記のとおり、制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体への水素供給動作を開始してから終了するまでに水素需要体に供給される累積水素供給量が他の水素供給動作における累積水素供給量よりも少ない場合、電流調整器１９を制御して電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする。
これにより、本実施形態の水素供給システム２００は、必要量以外の水素供給を抑制することで、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の効率が従来よりも向上する。つまり、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における累積水素供給量の多少に対応して、電極１５、１６間に流れる電流の大小が適切に制御されることにより、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における電気エネルギーの消費量の増加を抑制することができる。
例えば、水素供給システム２００の水素貯蔵器に補充する水素量が少量の場合は、電極１５、１６間に流れる電流が小さくなるように制御器５０で電流調整器１９が制御され、水素貯蔵器に補充する水素量が大量の場合は、上記の電流が大きくなるように制御器５０で電流調整器１９が制御される。これにより、例えば、水素貯蔵器への水素圧縮補充時における電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の効率を向上することができる。
また、本実施形態の水素供給システム２００では、電極１５、１６間に流れる電流の大小が適切に制御されることにより、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜１４の電流抵抗（ＩＲ）損失となる発熱を抑制できる。つまり、電解質膜１４が、例えば、高分子電解質膜である場合、高分子電解質膜の発熱により高分子電解質膜の温度上昇に伴い高分子電解質膜の乾燥が進行する可能性がある。すると、高分子電解質膜の電気抵抗が増加する可能性があるが、本実施形態の水素供給システム２００では、上記の制御により、このような可能性を低減できる。
なお、上記では、電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器に水素が補充される場合について説明したが、水素供給システム２００が、水素貯蔵器を介さずに、または、水素貯蔵器を備えずに、水素需要体に直接、水素を供給する場合（例えば、燃料電池車の高圧水素タンクに水素を供給する場合など）であっても、以上の水素供給システム２００の構成および動作を適用することができる。
また、水素源が、水電解装置で生成した水素である場合、水電解装置は、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくするとき、これに応じて水素生成量を低下させてもよい。水電解装置が太陽光発電装置の電力を用いている場合、水素生成量を低下させたときの、余剰電力を他の機器に供給してもよい。他の機器としては、蓄電池、電気ヒータ、蓄熱器、蓄冷器等が例示される。
なお、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくするとき、水電解装置の水素生成量を低下させなくてもよい。このとき、電気化学式水素ポンプ１００からの水素供給量に対して水電解装置の水素生成量が多くなるため、水電解装置と電気化学式水素ポンプ１００の間に水素を貯える水素タンク、アキュームレータ等を設けてもよい。これにより、水素タンク、アキュームレータから電気化学式水素ポンプ１００に必要な水素量を供給することが可能になる。
（実施例）
［装置構成］
第１実施形態の実施例の水素供給システム２００の構成は、以下の制御内容以外は、第１実施形態の水素供給システム２００と同様である。
すなわち、制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体への水素供給動作を開始してから終了するまでに水素需要体に供給される累積水素供給量の過去の履歴に基づき、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における累積水素供給量を予測し、予測された累積水素供給量が他の水素供給動作における累積水素供給量よりも少ない場合、電流調整器１９を制御して、電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする。
本実施例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態の水素供給システム２００と同様に構成しても良い。
［動作］
図２は、第１実施形態の実施例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
なお、以下の動作は、制御器５０の演算回路が、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構わない。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構わない。
まず、ステップＳ１で、任意に設定した一定期間において、任意に設定した一定時間に、電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体への水素供給動作を開始してから終了するまでに水素需要体に供給された累積水素供給量が電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６に流れた電流の積算値に基づいて計算される。ステップＳ１の「一定期間」および「一定時間」は、水素供給システム２００の動作特性および運転条件などに基づいて、適宜、設定すると良い。例えば、ステップＳ１の「一定期間」を１か月とし、ステップＳ１の「一定時間」を、「一定期間」よりも短い２４時間（１日）とする場合、ステップＳ１では、所定の期間分（例えば、３０日分）、水素需要体に供給された１日当たりの水素量の積算値が、ステップＳ１の累積水素供給量として計算され、制御器５０の記憶回路に記億される。
次に、ステップＳ２で、ステップＳ１の累積水素供給量の過去の履歴に基づいて電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における累積水素供給量が予測される。
ステップＳ２の将来の累積水素供給量は、累積水素供給量の過去の履歴に基づいて、どのような方法で予測されても構わない。
例えば、累積水素供給量の過去の履歴から将来の１日分（例えば、明日分）の累積水素供給量が予測されても良い。この場合、将来の累積水素供給量を、水素需要体に供給された水素量の積算値についてのステップＳ１の「一定期間」における平均を取ることで算出しても良い。例えば、ステップＳ１の「一定期間」を１か月とし、ステップＳ１の「一定時間」を、「一定期間」よりも短い２４時間（１日）とする場合、将来の１日分の累積水素供給量は、所定の年月の日数分（例えば、３０日分）の水素需要体に供給された水素量の積算値のトータルを、本日数で割った値であっても良い。
また、例えば、特定の曜日に水素需要体に供給された水素量の積算値が、他の曜日の積算値よりも多い場合、将来の１日分の累積水素供給量は、水素需要体に供給された水素量の積算値についてのステップＳ１の「一定期間」における曜日毎の平均を取った値であっても良い。
次に、ステップＳ３で、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れた電流が、ステップＳ２で予測された累積水素供給量に基づいて計算される。
そして、ステップＳ４で、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流が、ステップＳ３で計算された電流となるように、電流調整器１９が制御される。
このようにして、本実施例の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における累積水素供給量の過去の履歴に基づいて、将来の累積水素供給量を予測することで、電極１５、１６間に流れる電流が適切に制御される。
以上により、将来の累積水素供給量を予測しない場合に比べて、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作において、適量の水素を電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体に供給することができる。
本実施例の水素供給システム２００の動作は、上記特徴以外は、第１実施形態の水素供給システム２００の動作と同様であっても良い。
（変形例）
［装置構成］
第１実施形態の変形例の水素供給システム２００の構成は、以下の制御内容以外は、第１実施形態の水素供給システム２００と同様である。
すなわち、制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の動作可能時間内において必要となる累積水素供給量が水素需要体に供給され、かつ電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも少なくする制御を実行する時間が、上記の動作可能時間内で最大になるよう電流調整器１９を制御する。
本変形例の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の水素供給システム２００と同様に構成しても良い。
［動作］
図３は、第１実施形態の変形例の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
なお、以下の動作は、制御器５０の演算回路が、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構わない。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構わない。
また、図３のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ４は、図２のステップＳ１、ステップＳ２およびステップＳ４と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ３Ａで、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の動作可能時間が設定される。ステップＳ３Ａの動作可能時間は、水素供給システム２００の動作特性および運転条件などに基づいて、適宜、設定すると良い。この動作可能時間は、操作者により適宜の時間に設定されても良いし、水素供給システム２００側で自動的に設定されても良い。
例えば、電気化学式水素ポンプ１００の電力を、商用電力系統から給電する場合、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の一日当たりの動作可能時間は２４時間であるが、電気化学式水素ポンプ１００の電力を、ソーラー発電システムから給電する場合、本動作可能時間は、太陽光の日照時間に依存して変動する所望の時間に設定される。
また、例えば、水素供給システム２００の制御器５０が、ステップＳ３Ａの動作可能時間を設定するために、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における水素供給量の推移を学習しても良い。例えば、水素供給動作における水素供給量が増える期間が、水素供給量の推移の学習により特定された場合、当該特定の期間は、他の期間に比べて短期間で水素を供給する必要があるので、この特定の期間における動作可能時間は、他の期間に比べて短時間に設定される。
次に、ステップＳ３Ｂで、ステップＳ２で予測された累積水素供給量が水素需要体に供給される時間がステップＳ３Ａの動作可能時間内で最大になるように、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流が計算される。つまり、ステップＳ３Ａの動作可能時間を最大限活用することで、上記の累積水素供給量が水素需要体に供給されるように、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流が計算される。
このようにして、本変形例の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作の動作可能時間を最大限に活かしながら、電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体に水素を供給することができる。
以上により、このような水素供給動作の動作可能時間を最大限に活かさない場合に比べて、電極１５、１６間に流れる電流が小さくなるので、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における電気エネルギーの消費量の増加を抑制することができる。
本変形例の水素供給システム２００の動作は、上記特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の水素供給システム２００の動作と同様であっても良い。
（第２実施形態）
［装置構成］
図４は、第２実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
図４に示す例では、水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、水素貯蔵器１１０と、圧力検出器１１１と、制御器５０と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様であるので図示を簡略化するとともに説明を省略する。
水素貯蔵器１１０は、電気化学式水素ポンプ１００から供給される水素を貯蔵する機器である。水素貯蔵器１１０は、電気化学式水素ポンプ１００から供給される水素を貯蔵することができれば、どのような構成であっても良い。水素貯蔵器１１０として、例えば、水素タンクなどを挙げることができる。
圧力検出器１１１は、水素貯蔵器１１０内の圧力を検出するセンサである。圧力検出器１１１は水素貯蔵器１１０内の圧力を検出できれば、どのような構成であっても良い。圧力検出器１１１として、例えば、水素貯蔵器１１０に設けられた圧力計などを挙げることができる。
制御器５０は、圧力検出器１１１で検出される圧力から、水素貯蔵器１１０内の水素貯蔵量を推算する。
本実施形態の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の変形例のいずれかの水素供給システム２００と同様に構成しても良い。
［動作］
図５は、第２実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
なお、以下の動作は、制御器５０の演算回路が、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構わない。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構わない。
また、図５のステップＳ３およびステップＳ４は、図２のステップＳ３およびステップＳ４と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ１Ａで、水素貯蔵器１１０の圧力が、圧力検出器１１１で検出される。
次に、ステップＳ１Ｂで、任意に設定した一定期間において、任意に設定した一定時間に、電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体への水素供給動作を開始してから終了するまでに水素貯蔵器１１０から水素需要体に供給した累積水素供給量がステップＳ１Ａで検出された圧力の変化に基づいて計算される。つまり、圧力検出器１１１で検出される圧力から、水素貯蔵器１１０内の水素貯蔵量が推算される。なお、第１実施形態の実施例のステップＳ１と同様に、ステップＳ１Ａの「一定期間」および「一定時間」は、水素供給システム２００の動作特性および運転条件などに基づいて、適宜、設定すると良い。
次に、ステップＳ２Ａで、ステップＳ１Ｂの累積水素供給量の過去の履歴に基づいて水素貯蔵器１１０から水素需要体に供給する累積水素供給量が予測される。
このようにして、本実施形態の水素供給システム２００は、水素貯蔵器１１０の圧力を圧力検出器１１１で検出することで、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作における累積水素供給量に対応する直接の情報（つまり、水素貯蔵器１１０内の水素貯蔵量）が得られる。よって、水素貯蔵器１１０の圧力を検出しない場合に比べて、電気化学式水素ポンプ１００の電流調整器１９を高精度に制御することができる。すると、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作において、適量の水素を電気化学式水素ポンプ１００から水素貯蔵器１１０に供給することができる。
本実施形態の水素供給システム２００の動作は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第１実施形態の変形例のいずれかの水素供給システム２００の動作と同様であっても良い。
（第３実施形態）
［装置構成］
図６は、第３実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
図６に示す例では、水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、温度検出器１０１と、制御器５０と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様であるので図示を簡略化するとともに説明を省略する。
温度検出器１０１は、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出するセンサである。温度検出器１０１は、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出できれば、どのような構成であっても良い。温度検出器１０１として、例えば、電気化学式水素ポンプ１００に設けられた熱電対またはサーミスタなどを挙げることができる。
制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００の電流調整器１９を制御して、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流を調整し、温度検出器１０１で検出される温度を上限温度以下にする。
本実施形態の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例および第２実施形態のいずれかの水素供給システム２００と同様に構成しても良い。例えば、図６では、図１の電気化学式水素ポンプ１００に温度検出器１０１を設けているが、図４の電気化学式水素ポンプ１００に温度検出器を設けても構わない。
［動作］
図７は、第３実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
なお、以下の動作は、制御器５０の演算回路が、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構わない。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構わない。
ステップＳ５で、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度が温度検出器１０１で検出される。
次に、ステップＳ６で、ステップＳ５で検出された動作温度が上限温度を上回るか否かが判定される。なお、ステップＳ６の「上限温度」は、電気化学式水素ポンプ１００の動作特性および運転条件などに基づいて、適宜、設定すると良い。例えば、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜１４が、高分子電解質膜である場合、電気化学式水素ポンプ１００の温度上昇に伴い高分子電解質膜が乾燥する可能性がある。そこで、この場合、ステップＳ６の「上限温度」として、電気化学式水素ポンプ１００の高分子電解質膜の乾燥が進行しない温度帯の上限値に設定しても良い。「上限温度」は、高分子電解質膜が乾燥し、分解が進行する温度が目安となり得る。例えば、フッ素系高分子電解質膜では、上限温度は、８０℃を上限として、電極１６側に導入するガスの加湿状態の応じ設定する。本実施形態では、７０℃を上限温度とした。
ステップＳ６において、ステップＳ５で検出された動作温度が上限温度以下の場合、水素供給システム２００の動作はそのままの状態が維持される。そして、適時に、ステップＳ５以降の動作が再び行われる。
ステップＳ６において、ステップＳ５で検出された動作温度が上限温度を上回る場合、ステップＳ７で、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流が調整される。具体的には、電極１５、１６間に流れる電流が小さくなるように、電気化学式水素ポンプ１００の電流調整器１９が制御される。そして、適時に、ステップＳ５以降の動作が再び行われる。
このようにして、本実施形態の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度を上限温度以下の適温に制御できる。
例えば、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜が、高分子電解質膜である場合、電気化学式水素ポンプ１００の温度上昇に伴い高分子電解質膜が乾燥する可能性がある。すると、高分子電解質膜の電気抵抗の増加により、水素供給システム２００の安定かつ高効率な運転が困難となる可能性がある。
そこで、本実施形態の水素供給システム２００は、電極１５、１６間に流れる電流の調整により、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度を上限温度以下にすることで、このような可能性を低減できる。つまり、電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間を流れる電流を小さくすることで、高分子電解質膜における電流密度を低減できるので、高分子電解質膜の発熱が抑制される。すると、高分子電解質膜の乾燥による電気抵抗の増加を抑制できるので、水素供給システム２００の安定かつ高効率な運転を行いやすくなる。
本実施形態の水素供給システム２００の動作は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例および第２実施形態のいずれかの水素供給システム２００の動作と同様であっても良い。
（第４実施形態）
［装置構成］
図８は、第４実施形態の水素供給システムの一例を示す図である。
図８に示す例では、水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、温度検出器１０１と、冷却器１０２と、制御器５０と、を備える。電気化学式水素ポンプ１００は、第１実施形態と同様であるので図示を簡略化するとともに説明を省略する。温度検出器１０１は、第３実施形態と同様であるので説明を省略する。
冷却器１０２は、電気化学式水素ポンプ１００を冷却するための機器である。冷却器１０２は、電気化学式水素ポンプ１００を冷却できれば、どのような構成であっても良い。冷却器１０２として、例えば、空冷ファンなどを挙げることができる。
制御器５０は、温度検出器１０１で検出される温度が上限温度以下になるように、冷却器１０２を動作させる。
本実施形態の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態および第３実施形態のいずれかの水素供給システム２００と同様に構成しても良い。例えば、図８では、図６の電気化学式水素ポンプ１００を冷却するために冷却器１０２を設けているが、図４の電気化学式水素ポンプ１００を冷却するために冷却器を設けても構わない。
［動作］
図９は、第４実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
なお、以下の動作は、制御器５０の演算回路が、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構わない。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構わない。
また、図９のステップＳ５およびステップＳ６は、図７のステップＳ５およびステップＳ６と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ６において、ステップＳ５で検出された動作温度が上限温度を上回る場合、ステップＳ８で、電気化学式水素ポンプ１００の冷却器１０２を動作させる。例えば、冷却器１０２が空冷ファンである場合、空冷ファンによる冷却用空気の送風が行われる。そして、適時に、ステップＳ５以降の動作が再び行われる。
なお、図９では、図示を省略しているが、図７のステップＳ７に示された電極１５、１６間に流れる電流の調整を、ステップＳ８で示された冷却器１０２の動作とともに行っても良い。つまり、この場合、電極１５、１６間に流れる電流の調整および冷却器１０２の動作が同時に行われる。例えば、水素供給システム２００が、短時間に大量の水素を水素需要体に供給する場合は、電気化学式水素ポンプ１００の動作能力を十分に引き出して、電極１５、１６間に流れる電流を大きくする必要がある。そして、この場合、冷却器１０２を動作させることで、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度を上限温度以下の適温に制御する必要がある。
このようにして、本実施形態の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度を上限温度以下の適温に制御できる。
例えば、電気化学式水素ポンプ１００の電解質膜が、高分子電解質膜である場合、電気化学式水素ポンプ１００の温度上昇に伴い高分子電解質膜が乾燥する可能性がある。すると、高分子電解質膜の電気抵抗の増加により、水素供給システム２００の安定かつ高効率な運転が困難となる可能性がある。
そこで、本実施形態の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の冷却器１０２の動作により、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度を上限温度以下にすることで、このような可能性を低減できる。すると、高分子電解質膜の乾燥による電気抵抗の増加を抑制できるので、水素供給システム２００の安定かつ高効率な運転を行いやすくなる。
本実施形態の水素供給システム２００の動作は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態および第３実施形態のいずれかの水素供給システム２００の動作と同様であっても良い。
（第５実施形態）
［装置構成］
第５実施形態の水素供給システム２００の構成は、以下の制御内容以外は、第４実施形態の水素供給システム２００と同様である。
すなわち、制御器５０は、温度検出器１０１で検出される温度が上限温度以下になるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の冷却器１０２の動作に必要な電気エネルギーと電気化学式水素ポンプ１００の動作に必要な電気エネルギーとの和が最小になるように、冷却器１０２の動作と電気化学式水素ポンプ１００の動作とを制御する。
本実施形態の水素供給システム２００は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態のいずれかの水素供給システム２００と同様に構成しても良い。
［動作］
図１０は、第５実施形態の水素供給システムの動作の一例を示すフローチャートである。
なお、以下の動作は、制御器５０の演算回路が、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構わない。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構わない。
また、図１０のステップＳ５およびステップＳ６は、図７のステップＳ５およびステップＳ６と同様であるので説明を省略する。
ステップＳ６において、ステップＳ５で検出された動作温度が上限温度を上回る場合、ステップＳ９で、電気化学式水素ポンプ１００の冷却器１０２の動作に必要な電気エネルギーと電気化学式水素ポンプ１００の動作に必要な電気エネルギーとの和が最小になるように、冷却器１０２の動作と電気化学式水素ポンプ１００の動作とが制御される。そして、適時に、ステップＳ５以降の動作が再び行われる。
このようにして、本実施形態の水素供給システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００の動作温度を上限温度以下の適温に制御しながら、冷却器１０２の動作と電気化学式水素ポンプ１００の動作とを制御することで、両者の動作に必要な電気エネルギーの和が最小になるように運転効率を最適化できる。
本実施形態の水素供給システム２００の動作は、上記特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第３実施形態および第４実施形態のいずれかの水素供給システム２００の動作と同様であっても良い。
（第６実施形態）
第６実施形態の水素供給システム２００は、以下の表示器６０を備えること以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態および第５実施形態のいずれかの水素供給システム２００と同様である。
図１１は、第６実施形態の水素供給システムの制御器に設けられた表示器の一例を示す図である。図１１には、電流調整器１９を制御して電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする制御が行われている場合の表示器６０の表示画面が示されている。
表示器６０は、水素供給システム２００から供給される水素の供給速度、電気化学式水素ポンプ１００から水素需要体への水素供給動作を開始してから終了するまでに水素需要体に供給される累積水素供給量、および電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作に必要な時間を表示する装置である。
なお、表示器６０として、例えば、タッチ操作機能を備える液晶ディスプレイなどを挙げることができる。これにより、水素供給システム２００の動作状態が表示器６０の表示画面に表示されるとともに、操作者が、制御器５０に対して適宜の制御指令を入力することができる。
このようにして、本実施形態の水素供給システム２００は、操作者が、表示器６０の表示画面により、以上の水素の供給速度、累積水素供給量および水素供給動作に必要な時間などの様々な情報を容易に視認することができる。
（第７実施形態）
本実施形態の水素供給システム２００は、以下の取得器が設けられていること以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態および第６実施形態のいずれかの水素供給システム２００と同様である。
取得器は、制御器５０による、電気化学式水素ポンプ１００の水素供給動作において電流調整器１９を制御して電気化学式水素ポンプ１００の電極１５、１６間に流れる電流を他の水素供給動作よりも小さくする制御（以下、水素供給システム２００の高効率運転）を解除する指示を取得する装置である。
図１２は、第７実施形態の水素供給システムの取得器の一例を示す図である。図１２では、水素供給システム２００の高効率運転を解除する指示を取得する取得器が、制御器５０に設けられる表示器７０の画面上に表示されたタッチキー７０Ａにより構成されているが、これに限定されない。
例えば、取得器として、水素供給システム２００に設けられた、図示しない機械式のスイッチまたは押しボタンなどを用いることもできる。
また、取得器として、図示しない通信機を用いることもできる。これにより、水素供給システム２００の操作者は、水素供給システム２００の高効率運転を解除するための指示を情報携帯端末（例えば、スマートフォン）から通信機に無線通信により送信することができる。
このようにして、本実施形態の水素供給システム２００は、上記の取得器を備えることにより、水素供給システム２００の高効率運転を適切に解除することができる。
なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第１実施形態の変形例、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態、第６実施形態および第７実施形態は、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。
また、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できる。
本開示の一態様は、必要量以外の水素供給を抑制することで、電気化学式水素ポンプの水素供給動作の効率が従来よりも向上する水素供給システムに利用することができる。
１４ ：電解質膜
１５ ：電極
１６ ：電極
１９ ：電流調整器
５０ ：制御器
６０ ：表示器
７０ ：表示器
７０Ａ ：タッチキー
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１０１ ：温度検出器
１０２ ：冷却器
１１０ ：水素貯蔵器
１１１ ：圧力検出器
２００ ：水素供給システム

Claims (8)

  1. 電解質膜、前記電解質膜の両面に設けられた一対の電極、および、前記電極間に流れる電流を調整する電流調整器を備え、前記電流調整器により前記電極間に電流を流すことにより昇圧された水素を水素貯蔵器に供給する水素供給動作を行う電気化学式水素ポンプと、
    前記水素供給動作により前記電気化学式水素ポンプから水素供給を受ける前記水素貯蔵器の水素貯蔵量が他の前記水素供給動作により前記電気化学式水素ポンプから水素供給を受ける前記水素貯蔵器の水素貯蔵量よりも多い場合、前記電流調整器を制御して前記電極間に流れる電流を前記他の水素供給動作よりも小さくする制御器と、
    を備える水素供給システム。
  2. 前記制御器は、前記電気化学式水素ポンプの前記水素供給動作の動作可能時間内において必要となる累積水素供給量が前記水素貯蔵器に供給され、かつ前記電極間に流れる電流を前記他の水素供給動作よりも少なくする制御を実行する時間が、前記動作可能時間内で最大になるよう前記電流調整器を制御する請求項１に記載の水素供給システム。
  3. 前 記制御器は、前記水素貯蔵器内の圧力を検出する圧力検出器で検出される圧力から、前記水素貯蔵器内の水素貯蔵量を推算する請求項１または２に記載の水素供給システム。
  4. 前記電気化学式水素ポンプの温度を検出する温度検出器を備え、
    前記制御器は、前記水素供給動作において、前記電流調整器を制御して、前記電極間に流れる電流を調整し、前記温度検出器で検出される温度を上限温度以下にする請求項１から３のいずれかに記載の水素供給システム。
  5. 前記電気化学式水素ポンプの温度を検出する温度検出器と、
    前記電気化学式水素ポンプの冷却器と、を備え、
    前記制御器は、前記水素供給動作において、前記温度検出器で検出される温度が上限温度以下になるように、前記冷却器を動作させる、請求項１から３のいずれかに記載の水素供給システム。
  6. 前記電気化学式水素ポンプの温度を検出する温度検出器と、
    前記電気化学式水素ポンプの冷却器と、を備え、
    前記制御器は、前記水素供給動作において、前記温度検出器で検出される温度が上限温度以下になるとともに、前記冷却器の動作に必要な電気エネルギーと前記電気化学式水素ポンプの動作に必要な電気エネルギーとの和が最小になるように、前記冷却器の動作と前記電気化学式水素ポンプの動作とを制御する請求項１から３のいずれかに記載の水素供給システム。
  7. 前記水素供給システムから供給される水素の供給速度、前記水素供給動作の開始から終了までに前記水素貯蔵器に供給される累積水素供給量、および前記水素供給動作に必要な時間を表示する表示器を備える請求項１から６のいずれかに記載の水素供給システム。
  8. 前記制御器による、前記水素供給動作において前記電流調整器を制御して前記電極間に流れる電流を前記他の水素供給動作よりも小さくする制御を解除する指示を取得する取得器を備える請求項１から７のいずれかに記載の水素供給システム。
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