氢升压系统的制作方法

本公开涉及氢升压系统。

背景技术：

近年来，由于地球温室化等环境问题、石油资源枯竭等能源问题，氢作为替代化石燃料的清洁性替代能源受到关注。氢即使燃烧也基本上仅排放水，不会排放成为地球温室化原因的二氧化碳，并且基本上不排放氮氧化物等，因此期待其作为清洁能源。另外，作为高效地利用氢作为燃料的装置，有例如燃料电池，面向汽车用电源和家用私人发电，正不断推进燃料电池的开发和普及。

在即将到来的氢社会中，除了制造氢以外，还要求开发能够以高密度存储氢并以小容量和低成本运输或利用氢的技术。特别地，要促进作为分散型能源的燃料电池的普及，需要配备燃料供给基础设施。

因此，为了向燃料供给基础设施稳定地供给氢，提出了对高纯度氢进行提纯和升压的各种方案。

例如，专利文献1公开了一种在进行水电解的同时生成高压状态的氢的水电解装置。在此，由水电解生成的氢包含水分。因而，当将这样的氢存储到罐等的储氢器中时，假设氢所含的水分多的情况下，由于储氢器内存在水而使储氢器内的氢量减少，因此没有效率。另外，还存在氢所含的水分在储氢器内凝固的问题。因此，希望在储氢器中存储时的氢的水分量被降低至例如约5ppm左右以下。因此，该专利文献1中提出了一种氢生成系统，其在水电解装置与储氢器之间的氢流动的路径上设有用于将氢和水分离的气液分离器、以及用于从氢中吸附除去水分的吸附塔。

另外，例如专利文献2中提出了一种系统，其通过将高压状态的氢中的水分吸附除去的吸附塔构成为变压吸附式净化器(psa)，来稳定地除去氢中的水分。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2009-179842号

专利文献2：日本特表2017-534435号

技术实现要素：

本公开的课题是提供以下的氢升压系统作为一例，其能够与以往相比更合适地进行从电化学式氢泵的阴极排出的废气的除水、以及供给到电化学式氢泵的阳极的含氢气体的加湿。

为了解决上述课题，本公开一方案(aspect)的氢升压系统具备电化学式氢泵和气液分离器，所述电化学式氢泵使向阳极供给的包含水蒸气的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动并升压，所述气液分离器使从电化学式氢泵的阴极排出的废气与向阳极供给的所述含氢气体隔着透水膜流通。

本公开一方案的氢升压系统能够发挥以下效果，即能够与以往相比更合适地进行从电化学氢气泵的阴极排出的废气的除水、以及供给到电化学氢气泵的阳极的含氢气体的加湿。

附图说明

图1是表示第1实施方式的氢升压系统一例的图。

图2a是表示第1实施方式的氢升压系统的电化学式氢泵一例的图。

图2b是图2a的电化学式氢泵的b部放大图。

图3a是表示第1实施方式的氢升压系统的电化学式氢泵一例的图。

图3b是图3a的电化学式氢泵的b部放大图。

图4是表示第1实施方式的实施例的氢升压系统的气液分离器一例的图。

图5是表示第2实施方式的氢升压系统一例的图。

图6是表示第2实施方式的变形例的氢升压系统一例的图。

图7是表示第3实施方式的氢升压系统一例的图。

具体实施方式

当利用气液分离器将由水电解装置排出的氢气中的水从氢气中分离的情况下，已知如专利文献1所述，由气液分离器分离出的水会返回到向水电解装置供给水的供给系统中。但是，专利文献1中，对于从电化学式氢泵的阴极排出的高压状态的氢(以下称为废气)的除水、以及供给到电化学式氢泵的阳极的含氢气体的加湿没有进行研究。

再者，在使用固体高分子电解质膜(以下称为电解质膜)的电化学式氢泵中，使供给到阳极的含氢气体中的氢(h2)质子化并向阴极移动，使质子(h⁺)在阴极恢复为氢(h2)，由此氢被高压化。此时，一般在高温和高加湿的条件(例如约60℃左右)下，电解质膜的质子传导率上升，电化学式氢泵的氢升压动作的效率提高。因此，大多采用对供给到电化学式氢泵的阳极的含氢气体进行加湿的结构。

因此，本公开的发明人进行了深入研究，结果发现，通过除去从电化学式氢泵的阴极排出的废气中的水分，能够对供给到阳极的含氢气体进行加湿，从而想到了本公开的以下方案。

即，本公开第1方式的氢升压系统，具备电化学式氢泵和气液分离器，电化学式氢泵使向阳极供给的包含水蒸气的含氢气体中的氢经由电解质膜向阴极移动并升压，气液分离器使从电化学式氢泵的阴极排出的废气与向阳极供给的所述含氢气体隔着透水膜流通。

根据这样的方案，本方式的氢升压系统能够与以往相比更合适地进行从电化学式氢泵的阴极排出的废气的除水、以及供给到电化学式氢泵的阳极的含氢气体的加湿。

例如，能够通过气液分离器内的压差，使高压状态的废气所含的水分穿过透水膜向低压状态的含氢气体移动。于是，能够降低废气的水分量。另外，能够通过透过了透水膜的水分来加湿含氢气体。

本公开第2方式的氢升压系统，可以在第1方式的氢升压系统中具备设在气液分离器的上游的冷却器，冷却器用于冷却废气。

根据该方案，本方式的氢升压系统通过利用冷却器来冷却废气，能够促进废气的除水和含氢气体的加湿。例如，废气的温度越低，废气所含的饱和水蒸气量就越少。因而，当废气中的水蒸气量为饱和水蒸气量的情况下，废气的温度由于冷却器而降低时，能够快速降低废气中的水蒸气量，所以能够促进废气的除水。此时，通过在气液分离器内存在的液态水量增加，液态水与透水膜接触的概率变高。液态水与透水膜接触时，液态水由于气液分离器中的压差而从废气向含氢气体快速移动，所以能够促进含氢气体的加湿。

本公开第3方式的氢升压系统，可以在第1方式的氢升压系统中具备用于冷却气液分离器内的废气的冷却器。

根据该方案，本方式的氢升压系统通过将气液分离器内的废气进行冷却，能够使气液分离器作为废气的冷凝器发挥作用，所以与流入气液分离器之前的废气被冷却的情况相比，废气路径被冷凝水堵塞的可能性降低，废气路径的压力波动降低。这是由以下原因引起的。在比气液分离器靠上游通过冷却器冷却废气时，由于因冷却器生成的冷凝水，在从冷却器到气液分离器的路径中可能发生堵塞。上述第3方式中，在气液分离器内生成冷凝水，生成的冷凝水原样地经由透水膜向供给到阳极的含氢气体移动，所以废气路径堵塞的可能性降低。

再者，本方式的氢升压系统的上述以外的作用效果与第2方式的氢升压系统的作用效果相同，所以省略其说明。

本公开第4方式的氢升压系统可以是在第1方式～第3方式中任一项的氢升压系统中，气液分离器中，在废气流动的流路上，以与透水膜接触的方式设有第1多孔性结构体。

假设在废气流通的流路中没有设置第1多孔性结构体的情况下，该流路内的废气流动容易变为层流。该情况下，废气中的水分与废气相伴流动，所以例如在远离透水膜的位置存在的废气中的水分接触透水膜的概率低。也就是说，该情况下，透过透水膜的水分可能被限定为沿着透水膜的表面附近流动的废气中的水分。

相对于此，本方式的氢升压系统中，通过在废气流动的流路设置第1多孔性结构体，能够将该流路内的废气流动强制性地改变为随机方向。该情况下，存在于流路内的各个位置的废气中的水分都可能与透水膜接触。

由此，本方式的氢升压系统与在废气流动的流路没有设置第1多孔性结构体的情况相比，废气中的水与透水膜接触的概率变高。并且，废气中的水分与透水膜接触时，由于气液分离器内的压差，水分从废气向含氢气体快速移动，所以能够促进废气的除水和含氢气体的加湿。

另外，假设上述第1多孔性结构体没有设置为与透水膜接触的情况下，废气变得容易透过第1多孔性结构体与透水膜之间的空隙。

于是，例如，当上述空隙的大小根据气液分离器内的压差大小等而变化的情况下，流路内的废气的流通状态变化，结果，透水膜与废气的接触性变化。由此，对透水膜的透水性造成影响，所以变得难以稳定地进行废气的除水和含氢气体的加湿。

但是，本方式的氢升压系统能够以使第1多孔性结构体与透水膜接触的方式稳定地保持两者间的接触界面，所以可减轻这样的问题。

本公开第5方式的氢升压系统，可以在第4方式的氢升压系统中，使第1多孔性结构体由包含碳纤维的弹性体构成。

根据该方案，本方式的氢升压系统通过由包含碳纤维的弹性体构成第1多孔性结构体，由此能够稳定地保持第1多孔性结构体与透水膜之间的接触界面。

例如，当透水膜根据气液分离器内的压差大小而变形的情况、以及气液分离器的壁部根据废气的气压而变形的情况下，变得难以稳定地保持第1多孔性结构体与透水膜之间的接触界面。

但是，本方式的氢升压系统即使在以上情况下也能够使第1多孔性结构体的弹性变形追随透水膜的变形和气液分离器的壁部变形。例如，将第1多孔性结构体收纳于气液分离器内时，可以使第1多孔性结构体预先压缩与上述构件的变形相对应的量。

于是，容易在透水膜的整个区域维持第1多孔性结构体与透水膜之间的接触界面。由此，本方式的氢升压系统能够稳定地进行废气的除水和含氢气体的加湿。

本公开第6方式的氢升压系统，可以在第1方式～第5方式中任一项所述的氢升压系统中，使透水膜由高分子膜构成。

根据这样的方案，本方式的氢升压系统能够对透水膜赋予不仅透过废气中的液态水还透过水蒸气的功能。

本公开第7方式的氢升压系统，可以在第1方式～第6方式中任一项所述的氢升压系统中，气液分离器中，在含氢气体流动的流路上，以与透水膜接触的方式设有第2多孔性结构体。

假设在含氢气体流动的流路中没有设置第2多孔性结构体的情况下，透水膜根据气液分离器内的压差而在含氢气体流动的流路被堵塞的方向上发生变形。例如，根据气液分离器内的压差，透水膜可能与构成上述流路的气液分离器的壁部接触。

于是，含氢气体的流动被阻碍，但本方式的氢升压系统在含氢气体流动的流路中设有第2多孔性结构体，所以可减轻这样的问题。

另外，假设上述第2多孔性结构体没有设置成与透水膜接触的情况下，含氢气体容易透过第2多孔性结构体与透水膜之间的空隙。

于是，例如上述空隙的大小根据气液分离器内的压差大小而变化的情况下，含氢气体在流路内的流通状态变化，结果，透水膜与含氢气体的接触性发生变化。由此，对透水膜的透水性造成影响，所以变得难以稳定地进行废气的除水和含氢气体的加湿。

但是，本方式的氢升压系统能够以使第2多孔性结构体与透水膜接触的方式稳定地保持两者间的接触界面，所以可减轻这样的问题。

本公开第8方式的氢升压系统，可以在第7方式的氢升压系统中，第2多孔性结构体是金属制的。另外，本公开第9方式的氢升压系统，可以在第8方式的氢升压系统中，第2多孔性结构体是金属烧结体。

根据该方案，本方式的氢升压系统通过由金属材料构成第2多孔性结构体，能够合适地确保第2多孔性结构体的刚性。于是，透水膜难以由于气液分离器内的压差而变形，所以能够稳定地保持第1多孔性结构体与透水膜之间的接触界面、以及第2多孔性结构体与透水膜之间的接触界面。由此，本方式的氢升压系统能够使废气的除水和含氢气体的加湿稳定化。

另外，如专利文献1和专利文献2所公开的吸附塔那样，能够通过由沸石等的多孔质材料构成的吸附剂来吸附氢中的水分。但是，吸附剂的吸水性能上存在预定的极限。因而，吸附塔的运行时间由送入吸附塔的水量决定，所以在氢中的水分量多的条件下使用吸附塔的情况下，需要应对例如吸附塔的大型化等问题。另外，在吸附塔内流通高压状态的氢，所以有必要使吸附塔的容器能够耐受高压，因此可能导致吸附塔的进一步大型化。

再者，如专利文献2那样，可以使用变压吸附式净化器等来降低吸附剂的填充量。但是，该情况下，构成氢流动的流路的构件复杂化、吸附剂再生时需要处理在吸附剂中与水分一同吸附的氢等，存在改善的余地。

因此，本公开第10方式的氢升压系统，可以在第1方式～第9方式中任一项所述的氢升压系统中，具备设在气液分离器的下游的除水器，除水器包含除去废气所含水分的吸附剂。

根据这样的方案，本方式的氢升压系统仅将无法由气液分离器分离的废气所含的水分利用除水器的吸附剂吸附除去即可。由此，本方式的氢升压系统与没有利用气液分离器分离废气中的水分的情况相比，能够减少由吸附剂吸附的单位时间的水分量。于是，即使减少除水器内的吸附剂的填充量，也能够将除水器的吸附剂的吸水性能合适地维持期望时间，所以能够谋求除水器的小型化、低成本化。

以下，参照附图对本公开的各方式的具体例进行说明。

以下说明的具体例全都表示上述各方式的一例。因而，只要没有记载到权利要求中，以下表示的形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置和连接形态等就不限定上述各方式。另外，对于以下构成要素中的、表示本方式最上位概念的独立权利要求中没有记载的构成要素，作为任选的构成要素加以说明。另外，附图中附带相同标记的情况有时省略说明。另外，为了容易理解，附图示意性地示出各自的构成要件，对于形状和尺寸比等有时并非准确的表示。

(第1实施方式)

[氢升压系统的结构]

图1是表示第1实施方式的氢升压系统一例的图。

图1所示例子中，氢升压系统200具备电化学式氢泵100和气液分离器110。

电化学式氢泵100是使向阳极an供给的包含水蒸气的含氢气体中的氢经由电解质膜11向阴极ca移动并升压的装置。只要电化学式氢泵100是采用电解质膜11的电化学式升压器，就可以为各种结构。

例如，图1的电化学式氢泵100中，设有向阳极an供给的含氢气体流通的阳极气体导入路径29、从阳极an排出的含氢气体流通的阳极气体导出路径31、以及从阴极ca排出的废气流通的阴极气体导出路径26。这样的电化学式氢泵100的详细结构稍后说明。

再者，作为含氢气体，可以举出例如通过甲烷气体等的改性反应而产生的低压状态的改性气体、以及通过水的电解而产生的包含水蒸气的低压状态的含氢气体等。

另外，废气可以举出例如从阴极ca排出的包含水蒸气等水分的高压状态的含氢气体等。

气液分离器110是使从电化学式氢泵100的阴极ca排出的废气和向电化学式氢泵100的阳极an供给的含氢气体隔着透水膜115流通的装置。也就是说，气液分离器110是膜式气液分离器，具备含氢气体流动的流路113、废气流动的流路114以及设在该流路113、114之间的透水膜115。

只要透水膜115是透过废气中的水分而不透过废气中的氢(h2)的膜，就可以为各种结构。

透水膜115可以由例如高分子膜构成。由此，能够对透水膜115赋予不仅透过废气中的液态水还透过水蒸气的功能。再者，作为这样的使液态水和水蒸气透过的高分子膜，可以使用例如由与电解质膜11同样材料构成的能够透过质子(h⁺)的质子传导性高分子膜。也就是说，作为透水膜115，可以举出例如能够用于质子传导性高分子膜的氟系高分子膜、烃系高分子膜等。

再者，在实施例中说明以上的气液分离器110的详细结构。

[电化学式氢泵的结构]

图2a和图3a是表示第1实施方式的氢升压系统的电化学式氢泵一例的图。图2b是图2a的电化学式氢泵的b部放大图。图3b是图3a的电化学式氢泵的b部放大图。

再者，图2a在俯视中示出电化学式氢泵100的垂直截面，其包括穿过电化学式氢泵100的中心与阴极气体导出歧管28的中心的直线。另外，图3a在俯视中示出电化学式氢泵100的垂直截面，其包括穿过电化学式氢泵100的中心、阳极气体导入歧管27的中心和阳极气体导出歧管30的中心的直线。

图2a和3a所示例子中，电化学式氢泵100具备至少一个氢泵单元100a。

再者，作为电化学式氢泵100，层叠有多个氢泵单元100a。例如，图2a和图3a中，层叠有3段氢泵单元100a，但氢泵单元100a的个数不限定于此。也就是说，氢泵单元100a的个数可以基于电化学式氢泵100升压的氢量等的运行条件设定为适当数目。

氢泵单元100a具备电解质膜11、阳极an、阴极ca、阴极隔膜16、阳极隔膜17和绝缘体21。并且，在氢泵单元100a中，层叠有电解质膜11、阳极催化剂层13、阴极催化剂层12、阳极气体扩散层15、阴极气体扩散层14、阳极隔膜17和阴极隔膜16。

阳极an设在电解质膜11的一个主面上。阳极an是包含阳极催化剂层13和阳极气体扩散层15的电极。再者，俯视中，环形密封构件43被设置为围绕阳极催化剂层13的周围，阳极催化剂层13被密封构件43适当地密封。

阴极ca设在电解质膜11的另一个主面上。阴极ca是包含阴极催化剂层12和阴极气体扩散层14的电极。再者，俯视中，环形密封构件42被设置为围绕阴极催化剂层12的周围，阴极催化剂层12被密封构件42适当地密封。

如上所述，电解质膜11以与阳极催化剂层13和阴极催化剂层12分别接触的方式被阳极an和阴极ca夹持。再者，将阴极ca、电解质膜11和阳极an的层叠体称为膜电极接合体(以下记为mea：membraneelectrodeassembly)。

电解质膜11具备质子传导性。只要电解质膜11具备质子传导性，就可以为各种结构。例如，作为电解质膜11，可以举出氟系高分子电解质膜、烃系高分子电解质膜等，但不限定于此。具体而言，作为电解质膜1，可以使用例如nafion(注册商标、杜邦公司制)，aciplex(注册商标、旭化成株式会社制)等。

阳极催化剂层13设在电解质膜11的一个主面上。阳极催化剂层13包含例如铂作为催化剂金属，但不限定于此。

阴极催化剂层12设在电解质膜11的另一个主面上。阴极催化剂层12包含例如铂作为催化剂金属，但不限定于此。

作为阴极催化剂层12和阳极催化剂层13的催化剂载体，可举例如炭黑、石墨等的碳粉体、导电性氧化物粉体等，但不限定于此。

再者，阴极催化剂层12和阳极催化剂层13中，催化剂金属的微粒高分散地担载于催化剂载体上。另外，一般为了增大电极反应场所，将氢离子传导性离聚物成分加入到该阴极催化剂层12和阳极催化剂层13中。

阴极气体扩散层14设在阴极催化剂层12上。另外，阴极气体扩散层14由多孔性材料构成，且具备导电性和气体扩散性。此外，希望阴极气体扩散层14具备弹性，以便适当地追随电化学式氢泵100工作时因阴极ca与阳极an之间的压差而产生的构成构件的位移、变形。再者，本实施方式的电化学式氢泵100中，使用由碳纤维构成的构件作为阴极气体扩散层14。可以是例如碳纸、碳布、碳毡等多孔性碳纤维片。再者，作为阴极气体扩散层14的基材，也可以不使用碳纤维片。例如，作为阴极气体扩散层14的基材，可以使用以钛、钛合金、不锈钢等为原材料的金属纤维的烧结体、以它们为原材料的金属粉体的烧结体等。

阳极气体扩散层15设在阳极催化剂层13上。另外，阳极气体扩散层15由多孔性材料构成，且具备导电性和气体扩散性。此外，希望阳极气体扩散层15是高刚性的，以便能够抑制电化学式氢泵100工作时因阴极ca与阳极an之间的压差而产生的构成构件的位移、变形。

再者，本实施方式的电化学式氢泵100中，作为阳极气体扩散层15，使用了由钛粉体烧结体的薄板构成的构件，但不限定于此。也就是说，作为阳极气体扩散层15的基材，可以使用例如以钛、钛合金、不锈钢等为原材料的金属纤维的烧结体、以它们为原材料的金属粉体的烧结体。另外，作为阳极气体扩散层15的基材，也可以使用例如膨胀合金、金属网、开孔金属等。

阳极隔膜17是设在阳极an的阳极气体扩散层15上的构件。阴极隔膜16是设在阴极ca的阴极气体扩散层14上的构件。

并且，在阴极隔膜16和阳极隔膜17各自的中央部设有凹部。在这些凹部各自之中分别收纳有阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层15。

这样，通过利用阴极隔膜16和阳极隔膜17夹持上述mea，形成了氢泵单元100a。

在阴极隔膜16的与阴极气体扩散层14接触的主面上，设有例如俯视时包含多个u形折叠部分和多个直线部分的蛇形阴极气体流路32。并且，阴极气体流路32的直线部分在垂直于图2a的纸面的方向上延伸。不过，这样的阴极气体流路32只是例示，不限定于本例。例如，阴极气体流路也可以由多个直线状流路构成。

在阳极隔膜17的与阳极气体扩散层15接触的主面上，设有例如俯视时包含多个u形折叠部分和多个直线部分的蛇形阳极气体流路33。并且，阳极气体流路33的直线部分在垂直于图3a的纸面的方向上延伸。不过，这样的阳极气体流路33只是例示，不限定于本例。例如，阳极气体流路也可以由多个直线状流路构成。

另外，在导电性阴极隔膜16与阳极隔膜17之间插入被设为包围mea周围的环状平板状的绝缘体21。由此，防止了阴极隔膜16与阳极隔膜17的短路。

在此，电化学式氢泵100具备：设在氢泵单元100a的层叠方向两端上的第1端板和第2端板；以及将氢泵单元100a、第1端板和第2端板在层叠方向上紧固的紧固器25。

再者，图2a和3a所示例子中，阴极端板24c和阳极端板24a分别对应于上述第1端板和第2端板。也就是说，阳极端板24a是在氢泵单元100a的各构件层叠的层叠方向上，在位于一端的阳极隔膜17上设置的端板。另外，阴极端板24c是在氢泵单元100a的各构件层叠的层叠方向上，在位于另一端的阴极隔膜16上设置的端板。

只要紧固器25能够在层叠方向上紧固氢泵单元100a、阴极端板24c和阳极端板24a，就可以为各种结构。

例如，作为紧固器25，可以举出螺栓和带有盘簧的螺母等。

此时，紧固器25的螺栓可以被构成为仅贯穿阳极端板24a和阴极端板24c，但本实施方式的电化学式氢泵100中，该螺栓贯穿了3段的氢泵单元100a的各构件、阴极供电板22c、阴极绝缘板23c、阳极供电板22a、阳极绝缘板23a、阳极端板24a和阴极端板24c。并且，将上述层叠方向上位于另一端的阴极隔膜16的端面和上述层叠方向上位于一端的阳极隔膜17的端面分别隔着阴极供电板22c和阴极绝缘板23c以及阳极供电板22a和阳极绝缘板23a的各个板分别用阴极端板24c和阳极端板24a夹持，通过紧固器25来对氢泵单元100a赋予预期的紧固压力。

如上所述，本实施方式的电化学式氢泵100中，3段的氢泵单元100a通过紧固器25的紧固压力在上述层叠方向上以层叠状态被适当地保持，并且紧固器25的螺栓贯穿了电化学式氢泵100的各构件，所以能够合适地抑制这些构件在面内方向上的移动。

在此，本实施方式的电化学式氢泵100中，氢泵单元100a的从各个阴极气体扩散层14的废气流动的阴极气体流路32被连通。以下，参照附图对阴极气体流路32彼此连通的结构进行说明。

首先，如图2a所示，阴极气体导出歧管28由设在3段氢泵单元100a的各构件和阴极端板24c上的贯穿孔、以及设在阳极端板24a上的非贯穿孔的连接而构成。另外，在阴极端板24c设有阴极气体导出路径26。阴极气体导出路径26可以由从阴极ca排出的废气流通的配管构成。并且，阴极气体导出路径26与上述阴极气体导出歧管28连通。

此外，阴极气体导出歧管28经由氢泵单元100a的各个阴极气体流路32的一端和各个阴极气体通过路径34连通。由此，通过了氢泵单元100a的各个阴极气体流路32和阴极气体通过路径34的废气在阴极气体导出歧管28合流。然后，合流了的废气被导向阴极气体导出路径26。

这样，氢泵单元100a的各个阴极气体流路32经由氢泵单元100a的各个阴极气体通过路径34和阴极气体导出歧管28连通。

在阴极隔膜16与阳极隔膜17之间、阴极隔膜16与阴极供电板22c之间、阳极隔膜17与阳极供电板22a之间，以俯视时包围阴极气体导出歧管28的方式设置o形环等的环状密封构件40，阴极气体导出歧管28被该密封构件40适当地密封。

如图3a所示，在阳极端板24a设有阳极气体导入路径29。阳极气体导入路径29可以由向阳极an供给的含氢气体流通的配管构成。并且，阳极气体导入路径29与筒状阳极气体导入歧管27连通。再者，阳极气体导入歧管27由设在3段氢泵单元100a的各构件和阳极端板24a的贯穿孔的连接而构成。

另外，阳极气体导入歧管27经由氢泵单元100a的各个阳极气体流路33的一个端部和各个第1阳极气体通道路径35连通。由此，从阳极气体导入路径29向阳极气体导入歧管27供给的含氢气体通过氢泵单元100a的各个第1阳极气体通道路径35分配到各个氢泵单元100a。然后，在分配了的含氢气体穿过阳极气体流路33期间，从阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13供给含氢气体。

另外，如图3a所示，在阳极端板24a设有阳极气体导出路径31。阳极气体导出路径31可以由从阳极an排出的含氢气体流通的配管构成。并且，阳极气体导出路径31与筒状阳极气体导出歧管30连通。再者，阳极气体导出歧管30由设在3段氢泵单元100a的各构件和阳极端板24a的贯穿孔的连接而构成。

另外，阳极气体导出歧管30经由氢泵单元100a的各个阳极气体流路33的另一端部和各个第2阳极气体通过路径36连通。由此，通过了氢泵单元100a的各个阳极气体流路33的含氢气体通过各个第2阳极气体通过路径36向阳极气体导出歧管30供给，并在此合流。然后，合流了的含氢气体被导向阳极气体导出路径31。

在阴极隔膜16与阳极隔膜17之间、阴极隔膜16与阴极供电板22c之间、阳极隔膜17与阳极供电板22b之间，以俯视时包围阳极气体导入歧管27和阳极气体导出歧管30的方式设置o形环等的环形密封构件40，阳极气体导入歧管27和阳极气体导出歧管30被密封构件40适当地密封。

如图2a和3a所示，电化学式氢泵100具备电压施加器102。

电压施加器102是在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压的装置。具体而言，电压施加器102的高电位被施加于阳极催化剂层13，电压施加器102的低电位被施加于阴极催化剂层12。只要电压施加器102能够在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压，就可以为各种结构。例如，电压施加器102可以是对施加于阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间的电压进行调整的装置。此时，电压施加器102在连接于电池、太阳能电池、燃料电池等的直流电源时具备dc/dc转换器，在连接于商用电源等的交流电源时具备ac/dc转换器。

另外，电压施加器102可以是例如以供给到氢泵单元100a的电力变为预定设定值的方式，调整施加于阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间的电压、流通于阳极催化剂层13与催化剂层12之间的电流的电力型电源。

再者，图2a和图3a所示例子中，电压施加器102的低电位侧的端子连接于阴极供电板22c，电压施加器102的高电位侧的端子连接于阳极供电板22a。阴极供电板22c与上述层叠方向上位于另一端的阴极隔膜16电接触，阳极供电板22a与上述层叠方向上位于一端的阳极隔膜17电接触。

在此，图1、2a和3a中虽未示出，但可适当设置在本实施方式的氢升压系统200的电化学式氢泵100的氢升压动作中需要的构件和设备。

例如，在氢升压系统200设有例如检测电化学氢气泵100的温度的温度检测器、检测在电化学氢气泵100的阴极ca升压了的废气的压力的压力检测器等。

另外，氢升压系统200中，在阳极气体导入路径29、阳极气体导出路径31和阴极气体导出路径26的适当部位设有打开和关闭它们的路径的阀等。

以上电化学式氢泵100的结构和氢升压系统200的结构仅是例示，不限定于本例。例如，电化学式氢泵100可以采用不设置阳极气体导出歧管30和阳极气体导出路径31，而是将通过阳极气体入口歧管27向阳极an供给的含氢气体中的氢(h2)的总量在阴极ca升压的盲端结构。

[动作]

以下，参照附图对第1实施方式的氢升压系统的动作一例进行说明。

再者，以下动作可以通过例如未图示的控制器的运算电路从控制器的存储电路读取控制程序来执行。不过，利用控制器执行以下动作不一定是必须的。操作者可以执行其部分动作。

首先，向电化学式氢泵100的阳极an供给低压含氢气体，并且向电化学式氢泵100施加电压施加器102的电压，由此开始氢升压系统200的电化学式氢泵100的氢升压动作。此时，向电化学式氢泵100的阳极an供给之前的含氢气体在气液分离器110的流路113通过。

在阳极an的阳极催化剂层13中，氢分子通过氧化反应分离为氢离子(质子)和电子(式(1))。质子在电解质膜1内传导并向阴极催化剂层2c移动。电子通过电压施加器21向阴极催化剂层2c移动。

然后，在阴极催化剂层2c中，通过还原反应再次生成氢分子(式(2))。再者，已知质子在电解质膜11中传导时，预定量的水作为电渗水从阳极an与质子相伴向阴极ca移动。

此时，能够通过使用未图示的流量调整器，增加氢导出路径的压损，对在阴极ca生成的废气升压。再者，作为氢导出路径，可以举出例如图1和图2a的阴极气体导出路径26。另外，作为流量调整器，可以举出例如设在氢导出路径的背压阀、调整阀等。另外，使流量调整器的压损降低时，从电化学式氢泵100的阴极ca排出的废气在气液分离器110的流路114通过。

阳极：h2(低压)→2h⁺+2e-...(1)

阴极：2h⁺+2e-→h2(高压)...(2)

这样，电化学式氢泵100中，执行使向阳极an供给的包含水蒸气的含氢气体中的氢经由电解质膜11向阴极ca移动并升压的动作。另外，气液分离器110中，执行使从电化学式氢泵100的阴极ca排出的废气和向电化学式氢泵100的阳极an供给的含氢气体隔着透水膜115流通的动作。

如上所述，本实施方式的氢升压系统200能够与以往相比更合适地进行从电化学式氢泵100的阴极ca排出的废气的除水以及向电化学式氢泵100供给的阳极an的含氢气体的加湿。

例如，能够通过气液分离器内的压差，使高压状态的废气所含的水分透过透水膜向低压状态的含氢气体移动。于是，能够降低废气的水分量。另外，能够通过透过了透水膜的水分来加湿含氢气体。

(实施例)

除了以下的气液分离器110a的结构以外，本实施例的氢升压系统200与第1实施方式的氢升压系统200相同。

图4是表示第1实施方式的实施例的氢升压系统的气液分离器一例的图。

图4所示例子中，气液分离器110a具备一对大致相同形状的金属框体111、112、透水膜115a和密封构件116。

金属框体111具备第1平坦部111h1、第2平坦部111h2和垂直部111v。

在此，第1平坦部111h1构成金属框体111的中央部。第2平坦部111h2构成金属框体111的环状周边部。垂直部111v构成从第1平坦部111h1的周缘部向第2平坦部111h2的内端部以阶梯状延伸的筒状侧壁。并且，通过第1平坦部111h1和垂直部111v而在金属框体111形成凹部。由此，在气液分离器110a中，金属框体111的第1平坦部111h1和垂直部111v以及透水膜115a来形成废气流动的流路114a。

金属框体112具备第1平坦部112h1、第2平坦部112h2和垂直部112v。

在此，第1平坦部112h1构成金属框体112的中央部。第2平坦部112h2构成金属框体112的环状周边部。垂直部112v构成从第1平坦部112h1的周缘部向第2平坦部112h2的内端部以阶梯状延伸的筒状侧壁。并且，通过第1平坦部112h1和垂直部112v来在金属框体112形成凹部。由此，在气液分离器110a中，通过金属框体112的第1平坦部112h1和垂直部112v以及透水膜115a来形成含氢气体流动的流路113a。

金属框体111和金属框体112被配置为第2平坦部111h2和第2平坦部112h2彼此夹着透水膜115a的端部相面对。在第2平坦部111h2与第2平坦部112h2之间，以包围透水膜115a的端部的方式设有环状密封构件116。由此，气液分离器110a的内部被密封构件116适当地密封。

在金属框体111的垂直部111v，构成比气液分离器110a靠上游的阴极气体导出路径26(参照图1)的上游配管26a、和构成比气液分离器110a靠下游的阴极气体导出路径26的下游配管26b，被设置成在气液分离器110a的内部连通。再者，上游配管26a和下游配管26b可以配置为在废气的流动方向300上如图4所示按此顺序以直线状排列。

在金属框体112的垂直部112v，构成比气液分离器110a靠上游的阳极气体导入路径29(参照图1)的上游配管29a、和构成比气液分离器110a靠下游的阳极气体导入路径29的下游配管29b，被设置成在气液分离器110a的内部连通。再者，上游配管29a和下游配管29b可以配置为在含氢气体的流动方向400上如图4所示按此顺序以直线状排列。

再者，图4所示例子中，在气液分离器110a中，废气的流动方向300与含氢气体的流动方向400相反，所以废气的流向与含氢气体的流向相对，但不限定于此。在气液分离器110a中，两者的流向可以并行也可以正交。不过，如图4所示，通过废气的流向与含氢气体的流向相对，由此与这些气体并行流动和正交流动的情况相比，能够使废气中的水分穿过透水膜115a向含氢气体高效地移动。

如上所述，本实施例的氢升压系统200中，在气液分离器110a中，流路114a内的高压状态的废气中的水分透过透水膜115a，由此向流路113a内的低压状态的含氢气体移动。因而，能够进行在透水膜115a的表面附近的流路114a流动的废气的除水，并且能够加湿在透水膜115a附近的流路113a流动的含氢气体。例如，当高压状态的废气中的液态水在透水膜115a的表面上形成液层的情况下，以流路114a内和流路113a内的压差压入透水膜115a的背面的方式发挥作用，所以能够使流路114a内的废气中的水分向流路113a内的含氢气体高效移动。

[第1多孔性结构体]

如图4所示，本实施例的氢升压系统200中，气液分离器110a在废气流动的流路114a以与透水膜115a接触的方式设有第1多孔性结构体120。

希望第1多孔性结构体120具备弹性，以便合适地追随因流路114a内和流路113a内的压差而产生的透水膜115a的位移、变形。例如，作为第1多孔性结构体120，可以由包含碳纤维的弹性体构成。作为这样的弹性体，可以举出例如碳纤维层叠而成的碳毡等。

在此，假设没有在流路114a设置第1多孔性结构体120的情况下，该流路114a内的废气流动容易变为层流。该情况下，废气中的水分与废气相伴流动，所以例如在远离透水膜115a的位置存在的废气中的水分与透水膜115a接触的概率低。也就是说，该情况下，透过透水膜的水分可能被限定为沿着透水膜115a的表面附近流动的废气中的水分。

相对于此，本实施例的氢升压系统200通过在流路114a设置第1多孔性结构体120，能够将该流路114a内的废气流动强制性地变为随机方向。该情况下，存在于流路114a内的各个位置的废气中的水分都能够与透水膜115a接触。

由此，本实施例的氢升压系统200与没有在流路114a设置第1多孔性结构体120的情况相比，废气中的水与透水膜115a接触的概率变高。并且，废气中的水分与透水膜115a接触时，由于流路114a内和流路113a内的压差，水分从废气向含氢气体快速移动，所以能够促进废气的除水和含氢气体的加湿。

另外，假设第1多孔性结构体120没有设置为与透水膜接触的情况下，废气变得容易透过第1多孔性结构体120与透水膜115a之间的空隙。

于是，例如，当上述间隙的大小根据流路114a内和流路113a内的压差大小等而变化的情况下，流路114a内的废气的流通状态变化，结果，透水膜115a与废气的接触性变化。由此，对透水膜115a的透水性造成影响，所以变得难以稳定地进行废气的除水和含氢气体的加湿。

但是，本实施例的氢升压系统200能够以使第1多孔性结构体120与透水膜115a接触的方式稳定地保持两者间的接触界面，所以可减轻这样的问题。

另外，本实施例的氢升压系统200通过由包含碳纤维的弹性体构成第1多孔性结构体120，由此能够稳定地保持第1多孔性结构体120与透水膜115a之间的接触界面。

例如，当透水膜115a根据流路114a内和流路113a内的压差大小而变形的情况、以及金属框体111根据废气的气压而变形的情况下，变得难以稳定地保持第1多孔性结构体120与透水膜115a之间的接触界面。

但是，本实施例的氢升压系统200即使在以上情况下也能够使第1多孔性结构体120的弹性变形追随透水膜115a的变形和金属框体111的变形。例如，将第1多孔性结构体120收纳于金属框体111的凹部内时，可以使第1多孔性结构体120预先压缩与上述构件的变形相对应的量。

于是，容易在透水膜115a的整个区域维持第1多孔性结构体120与透水膜115a之间的接触界面。由此，本实施例的氢升压系统200能够稳定地进行废气的除水和含氢气体的加湿。

[第2多孔性结构体]

如图4所示，本实施例的氢升压系统200中，气液分离器110a被设为第2多孔性结构体130在含氢气体流动的流路113a与透水膜115a接触。

希望第2多孔性结构体130具有高刚性，以便能够抑制因流路114a内和流路113a内的压差而产生的透水膜115a的位移、变形。例如，第2多孔性结构体130可以是金属制的。金属制的第2多孔性结构体130可以是例如金属烧结体。作为金属烧结体，可以举出例如不锈钢制或钛制金属粉烧结体、金属纤维烧结体等。

在此，假设在流路113a没有设置第2多孔性结构体130的情况下，透水膜115a在流路113a由于流路114a内和流路113a内的压差而堵塞的方向上变形。例如，由于流路114a内和流路113a内的压差，透水膜115a可能与金属框体112的第1平坦部112h1接触。

于是，含氢气体的流动被阻碍，但由于本实施例的氢升压系统200在流路113a设有第2多孔性结构体130，所以可减轻这样的问题。

另外，假设第2多孔性结构体130没有设置成与透水膜115a接触的情况下，含氢气体容易穿过第2多孔性结构体130与透水膜115a之间的空隙。

于是，例如上述空隙的大小根据流路114a内和流路113a内的压差大小等而变化的情况下，含氢气体在流路113a内的流通状态变化，结果，透水膜115a与含氢气体的接触性发生变化。由此，对透水膜115a的透水性造成影响，所以变得难以稳定地进行废气的除水和含氢气体的加湿。

但是，本实施例的氢升压系统200能够以使第2多孔性结构体130与透水膜115a接触的方式稳定地保持两者间的接触界面，所以可减轻这样的问题。

另外，本实施例的氢升压系统200通过由金属材料构成第2多孔性结构体130，由此能够合适地确保第2多孔性结构体130的刚性。于是，透水膜115a难以因流路114a和流路113a内的压差而变形，所以能够稳定地保持第1多孔性结构体120与透水膜115a之间的接触界面、以及第2多孔性结构体130与透水膜115a之间的接触界面。由此，本实施例的氢升压系统200能够使废气的除水和含氢气体的加湿稳定化。

除了上述特征以外，本实施例的氢气升压系统200可以与第1实施方式的氢气升压系统200相同。

(第2实施方式)

图5是表示第2实施方式的氢升压系统一例的图。

图5所示例子中，氢升压系统200具备电化学式氢泵100、气液分离器110和冷却器140。

在此，电化学式氢泵100和气液分离器110与第1实施方式的氢升压系统200相同，所以省略说明。

冷却器140是设在气液分离器110的上游的装置，其用于冷却废气。

也就是说，本实施方式的氢升压系统200中，冷却器140设在气液分离器110上游的阴极气体导出路径26。只要冷却器140能够冷却在阴极气体导出路径26流动的废气，就可以为各种结构。

例如，冷却器140可以通过空冷来冷却在阴极气体导出路径26流动的废气，也可以通过水冷来冷却在阴极气体导出路径26流动的废气。前者可以是例如设在构成阴极气体导出路径26的配管表面的散热片、和将冷风送向该散热片的鼓风机的组合。后者可以是例如构成阴极气体导出路径26的双重配管和将冷水送向双重配管的外管内的泵的组合。

再者，虽然省略图示，但可以在阴极气体导出路径26的适当位置设置检测废气温度的检测器，控制器基于检测器的检测数据进行反馈控制，以使废气温度变为期望温度。

如上所述，本实施方式的氢升压系统200通过利用冷却器140来冷却废气，能够促进废气的除水和含氢气体的加湿。例如，废气的温度越低，废气所含的饱和水蒸气量就越少。因而，当废气中的水蒸气量为饱和水蒸气量的情况下，废气的温度通过冷却器140降低时，能够快速降低废气中的水蒸气量，所以能够促进废气的除水。此时，通过在气液分离器100存在的液态水量增加，液态水与透水膜115接触的概率变高。液态水与透水膜115接触时，液态水由于气液分离器110内的压差而从废气向含氢气体快速移动，所以能够促进含氢气体的加湿。

除了上述特征以外，本实施方式的氢升压系统200可以与第1实施方式或第1实施方式的实施例的氢升压系统200相同。

(变形例)

图6是表示第2实施方式的变形例的氢升压系统一例的图。

图6所示例子中，氢升压系统200具备电化学式氢泵100、气液分离器110和冷却器140a。

在此，电化学式氢泵100和气液分离器110与第1实施方式的氢升压系统200相同，所以省略说明。

冷却器140a是冷却气液分离器110内的废气的装置。

也就是说，本变形例的氢升压系统200中，冷却器140a被设为构成气液分离器110的废气流动的流路114的流路构件。只要能够冷却气液分离器110中的气体，冷却器140就可以为各种结构。

例如，冷却器140a可以通过空冷来冷却气液分离器110内的废气，也可以通过水冷来冷却气液分离器110内的废气。前者可以是例如设在构成废气流动的流路114的金属框体111(参照图4)的表面上的散热片、和将冷风送向该散热片的鼓风机的组合。后者可以是例如在构成废气流动的流路114的金属框体111(参照图4)的表面流动冷水的冷水机构和向冷水机构送冷水的泵的组合。

再者，虽然省略图示，但可以在气液分离器110的适当位置设置检测废气温度的检测器，控制器基于检测器的检测数据进行反馈控制，以使废气温度变为期望温度。

如上所述，本变形例的氢升压系统200能够通过冷却气液分离器110内的废气，将气液分离器110作为废气的冷凝器发挥作用，所以与流入气液分离器110之前的废气被冷却的情况相比，废气路径26被冷凝水堵塞的可能性降低，阴极气体导出路径26的压力变动降低。这是由以下原因引起的。在比气液分离器110靠上游通过冷却器冷却废气时，由于因冷却器而生成的冷凝水，在从冷却器到气液分离器110的路径中可能发生堵塞。本变形例的氢升压系统200中，在气液分离器110内生成冷凝水，生成的冷凝水原样地经由透水膜115向供给到阳极an的含氢气体移动，所以可降低上述路径堵塞的可能性。

除了上述特征以外，本变形例的氢升压系统200可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例和第2实施方式中的任意氢升压系统200相同。例如，本变形例的氢升压系统200的上述以外的作用效果与第2实施方式的氢升压系统200的作用效果相同，所以省略其说明。

(第3实施方式)

图7是表示第3实施方式的氢升压系统一例的图。

图7所示例子中，氢升压系统200具备电化学式氢泵100、气液分离器110和除水器150。

在此，电化学式氢泵100和气液分离器110与第1实施方式的氢升压系统200相同，所以省略说明。

除水器150是设在气液分离器110的下游的装置，其包含除去废气所含水分的吸附剂。具体而言，除水器150是设在气液分离器110与氢利用设备(未图示)之间的阴极气体导出路径26的装置，其包含除去与氢相伴的水分的吸附剂。

只要上述氢利用设备是用于利用氢的设备，就可以是各种装置。作为氢利用设备，可以举出例如临时存储氢的储氢器、使用氢发电的燃料电池等。

另外，只要除水器150的吸附剂是将氢中的水蒸气等水分吸附除去的材料，就可以由各种材料构成。作为吸附剂的材料，可以举出例如沸石、硅胶等多孔质材料。再者，这样的吸附剂在干燥期间吸附水分，但不久吸附剂的水分吸附性能由于吸附水分而下降，所以需要对吸附剂进行更换或再生。

如上所述，本实施方式的氢升压系统200仅将无法由气液分离器110分离的废气所含的水分利用除水器150的吸附剂吸附除去即可。由此，本实施方式的氢升压系统200与没有利用气液分离器110分离废气中的水分的情况相比，能够减少由吸附剂吸附的单位时间水分量。于是，即使减少除水器150内的吸附剂的填充量，也能够将除水器150的吸附剂的吸水性能适当地维持期望时间，所以能够谋求除水器150的小型化、低成本化。

再者，本实施方式的氢升压系统200中，可以通过除水器150中的水分的吸附除去，来向设在除水器150的下游的储氢器等供给干燥状态的废气。

除了上述特征以外，本实施方式的氢升压系统200可以与第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式和第2实施方式的变形例中的任意氢升压系统200相同。

再者，只要彼此不排斥对方，第1实施方式、第1实施方式的实施例、第2实施方式、第2实施方式的变形和第3实施方式就可以彼此组合。

另外，对于本领域技术人员来说，上述说明中显然包含本公开的众多改良和其他实施方式。因此，上述说明应仅被解释为例示，且是出于教导本领域技术人员实施本公开的最佳方式而提供的。能够实质性地变更其工作条件、组成、结构和/或功能而不会脱离本公开的精神。

产业上的可利用性

本公开一方式能够用于氢升压系统，其能够与以往相比更合适地进行从电化学式氢泵的阴极排出的废气的除水以及供给到电化学式氢泵的阳极的含氢气体的加湿。

附图标记说明

11：电解质膜

12：阴极催化剂层

13：阳极催化剂层

14：阴极气体扩散层

15：阳极气体扩散层

16：阴极隔膜

17：阳极隔膜

21：绝缘体

22a：阳极供电板

22c：阴极供电板

23a：阳极绝缘板

23c：阴极绝缘板

24a：阳极端板

24c：阴极端板

25：紧固器

26：阴极气体导出路径

26a：上游配管

26b：下游配管

27：阳极气体导入歧管

28：阴极气体导出歧管

29：阳极气体导入路径

29a：上游配管

29b：下游配管

30：阳极气体导出歧管

31：阳极气体导出路径

32：阴极气体流路

33：阳极气体流路

34：阴极气体通过路径

35：第1阳极气体通过路径

36：第2阳极气体通过路径

40：密封构件

42：密封构件

43：密封构件

100：电化学式氢泵

100a：氢泵单元

102：电压施加器

110：气液分离器

110a：气液分离器

111：金属框体

111h1：第1平坦部

111h2：第2平坦部

111v：垂直部

112：金属框体

112h1：第1平坦部

112h2：第2平坦部

112v：垂直部

113：流路

113a：流路

114：流路

114a：流路

115：透水膜

115a：透水膜

116：密封构件

120：第1多孔性结构体

130：第2多孔性结构体

140：冷却器

140a：冷却器

150：除水器

200：氢升压系统

an：阳极

ca：阴极