JP2020094270A - 水素昇圧システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電気化学式水素ポンプのカソードから排出されたオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去、および、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスの加湿を、従来よりも適切に行い得る水素昇圧システムを提供する。【解決手段】水素昇圧システム２００は、アノードＡＮに供給する水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプ１００と、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されるオフガスとアノードに供給する水素含有ガスとを水透過膜１１５を間に介して流通させ、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する第１の除去器１１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は水素昇圧システム関する。
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。
そこで、燃料供給インフラで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、特許文献１には、水の電気分解を行いながら、高圧状態の水素を生成する水電解装置が開示されている。ここで、水電解により生成された水素は水蒸気を含む。よって、このような水素をタンクなどの水素貯蔵器に貯蔵する際に、仮に水素に含まれる水蒸気が多い場合、水素貯蔵器内に水蒸気の存在により水素貯蔵器内の水素量が減少するので効率的でない。また、水素に含まれる水蒸気が水素貯蔵器内で凝固する問題もある。このため、水素貯蔵器に貯蔵する際の水素の水蒸気量は、例えば、約５ｐｐｍ程度以下まで低減することが望まれている。そこで、この特許文献１では、水電解装置と水素貯蔵器との間の水素が流れる経路上に、水素と水とを分離するための気液分離器、および、水素から水蒸気を吸着除去するための吸着塔が設けられた水素生成システムが提案されている。
また、例えば、特許文献２では、高圧状態の水素中の水蒸気を吸着除去する吸着塔を圧力スイング吸着式精製器（ＰＳＡ）として構成することで、水素中の水蒸気を安定的に除去するシステムが提案されている。
特開２００９−１７９８４２号公報 特表２０１７−５３４４３５号公報
本開示は、一例として、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されたオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去、および、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスの加湿を、従来よりも適切に行い得る水素昇圧システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、本開示の一態様(aspect)の水素昇圧システムは、アノードに供給する水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプと、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されるオフガスとアノードに供給する前記水素含有ガスとを水透過膜を間に介して流通させ、前記オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する第１の除去器と、を備える。
本開示の一態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されたオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去、および、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスの加湿を、従来よりも適切に行い得る、という効果を奏する。
図１は、第１実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。 図２Ａは、第１実施形態の水素昇圧システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図３Ａは、第１実施形態の水素昇圧システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図４は、第１実施形態の実施例の水素昇圧システムの第１の除去器の一例を示す図である。 図５は、第２実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。 図６は、第２実施形態の変形例の水素昇圧システムの一例を示す図である。 図７は、第３実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。
水電解装置から排出される水素ガス中の液水を気液分離器で水素ガスから分離する場合、特許文献１の如く、気液分離器で分離された液水を、水電解装置に供給する液水の供給系に戻すことが知られている。しかしながら、特許文献１では、電気化学式水素ポンプのカソードから排出される高圧状態の水素（以下、オフガス）に含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去、および、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスの加湿を行うことは検討されていない。
なお、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）による電気化学式水素ポンプでは、アノードに供給する水素含有ガス中の水素（Ｈ２）をプロトン化してカソードに移動させ、プロトン（Ｈ＋）をカソードで水素（Ｈ２）に戻すことで水素が高圧化される。このとき、一般に、電解質膜は、高温および高加湿の条件（例えば、約６０℃程度）で、プロトン伝導率が上がり、電気化学式水素ポンプの水素昇圧動作の効率が向上する。よって、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスを加湿する構成を取ることが多い。
そこで、本開示者らは、鋭意検討を行った結果、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されるオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を行うことで、アノードに供給する水素含有ガスを加湿し得ることを見出し、以下の本開示の一態様に想到した。
すなわち、本開示の第１態様の水素昇圧システムは、アノードに供給する水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプと、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されるオフガスとアノードに供給する水素含有ガスとを水透過膜を間に介して流通させ、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する第１の除去器と、を備える。
かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されたオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去、および、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスの加湿を、従来よりも適切に行い得る。
例えば、第１の除去器内の差圧によって、高圧状態のオフガスに含まれる液水を、水透過膜を通して低圧状態の水素含有ガスに移動させることができる。また、水蒸気分圧の高いオフガスから、水透過膜を通して水蒸気分圧の低い水素含有ガスに移動させることができる。つまり、オフガスが水素含有ガスよりも圧力が高いおよび水蒸気分圧が高い、の少なくとも一方であることで、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の量を低減させることができる。また、水透過膜を透過した水蒸気および液水の少なくとも一方により水素含有ガスを加湿することができる。
本開示の第２態様の水素昇圧システムは、第１態様の水素昇圧システムにおいて、第１の除去器の上流に設けられ、オフガスを冷却する冷却器を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、冷却器によりオフガスを冷却することで、オフガスの水蒸気除去および水素含有ガスの加湿を促進させることができる。例えば、オフガスに含まれる飽和水蒸気量は、オフガスの温度が低い程、少なくなる。よって、オフガス中の水蒸気量が飽和水蒸気量である場合、冷却器によりオフガスの温度が低下すると、オフガス中の水蒸気量を速やかに低減することができるので、オフガス中の水蒸気の除去を促進させることができる。このとき、第１の除去器内に存在する液水の量が増加することで、水透過膜に液水が接触する確率が高くなる。液水が水透過膜と接触すると、第１の除去器内の差圧によってオフガスから水素含有ガスへ液水が速やかに移動するので、水素含有ガスの加湿を促進させることができる。
本開示の第３態様の水素昇圧システムは、第１態様の水素昇圧システムにおいて、第１の除去器内のオフガスを冷却する冷却器を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、第１の除去器内のオフガスを冷却することで、第１の除去器をオフガスの凝縮器として機能させることができるので、第１の除去器に流入する前のオフガスが冷却される場合に比べて、オフガス経路が凝縮水で閉塞する可能性が低減し、オフガス経路の圧力変動が低減される。これは、次の理由による。第１の除去器よりも上流で冷却器によりオフガスを冷却すると、冷却器で生成した凝縮水により、冷却器から第１の除去器までの経路において、閉塞が発生する可能性がある。上記第３態様では、第１の除去器内で凝縮水が生成し、生成した凝縮水は、そのまま水透過膜を介してアノードに供給される水素含有ガスに移動するので、オフガス経路の閉塞の可能性が低減される。
なお、本態様の水素昇圧システムの上記以外の作用効果は、第２態様の水素昇圧システムの作用効果と同様であるので説明を省略する。
本開示の第４態様の水素昇圧システムは、第１態様から第３態様のいずれかの水素昇圧システムにおいて、第１の除去器は、オフガスが流れる流路に、水透過膜と接するように第１の多孔性構造体が設けられていてもよい。
仮に、オフガスが流れる流路に第１の多孔性構造体を設けない場合、本流路内のオフガスの流れは層流になりやすい。この場合、オフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方は、オフガスに同伴して流れるので、例えば、水透過膜から離れた位置に存在するオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方は水透過膜と接触する確率が低い。つまり、この場合、水透過膜を透過する水蒸気および液水の少なくとも一方は、水透過膜の表面近傍に沿って流れるオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方に限定される恐れがある。
これに対して、本態様の水素昇圧システムは、オフガスが流れる流路に第１の多孔性構造体を設けることにより、本流路内のオフガスの流れを強制的にランダムな方向に変えることができる。この場合、流路内の様々な位置に存在するオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方が水透過膜に接触できる可能性がある。
これにより、本態様の水素昇圧システムは、オフガスが流れる流路に第１の多孔性構造体を設けない場合に比べて、オフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方と水透過膜とが接触する確率が高くなる。
そして、オフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方が水透過膜と接触すると、オフガスから水素含有ガスへ水蒸気および液水の少なくとも一方が速やかに移動するので、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を促進させることができる。
また、仮に、上記の第１の多孔性構造体が、水透過膜と接するように設けられていない場合、第１の多孔性構造体と水透過膜との間の空隙をオフガスが通過しやすくなる。
すると、例えば、第１の除去器内の差圧の大小などによって上記の空隙の大きさが変化する場合、流路内のオフガスの流通状態が変化し、その結果、水透過膜とオフガスとの接触性が変化する。これにより、水透過膜の水透過性に影響を与えるので、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定的に行うことが困難になる。
しかしながら、本態様の水素昇圧システムは、第１の多孔性構造体を水透過膜と接するように両者間の接触界面を安定に保つことができるので、このような問題が軽減される。
本開示の第５態様の水素昇圧システムは、第４態様の水素昇圧システムにおいて、第１の多孔性構造体は、炭素繊維を含む弾性体で構成されていてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、第１の多孔性構造体を、炭素繊維を含む弾性体により構成することで、第１の多孔性構造体と水透過膜との間の接触界面を安定的に保つことができる。
例えば、第１の除去器内の差圧の大小によって水透過膜が変形した場合、および、オフガスのガス圧によって第１の除去器の壁部が変形した場合、第１の多孔性構造体と水透過膜との間の接触界面を安定的に保つことが困難になる。
しかしながら、本態様の水素昇圧システムは、以上の場合でも、水透過膜の変形および第１の除去器の壁部の変形に対して、第１の多孔性構造体の弾性変形を追従させ得る。例えば、第１の多孔性構造体を第１の除去器内に収容する際に、上記の部材の変形量相当分、第１の多孔性構造体を予め圧縮させるとよい。
すると、第１の多孔性構造体と水透過膜との間の接触界面が、水透過膜の全域で維持されやすい。これにより、本態様の水素昇圧システムは、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定的に行うことができる。
本開示の第６態様の水素昇圧システムは、第１態様から第５態様のいずれかの水素昇圧システムにおいて、水透過膜は高分子膜で構成されていてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、水透過膜を介して、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方が透過される。
本開示の第７態様の水素昇圧システムは、第１態様から第６態様のいずれかの水素昇圧システムにおいて、第１の除去器は、水素含有ガスが流れる流路に、第２の多孔性構造体が水透過膜と接するように設けられていてもよい。
仮に、水素含有ガスが流れる流路に第２の多孔性構造体を設けない場合、第１の除去器内の差圧によって、水素含有ガスが流れる流路が閉塞される方向に、水透過膜が変形する。例えば、第１の除去器内の差圧によって、水透過膜が上記の流路を構成する第１の除去器の壁部に接触する恐れがある。
すると、水素含有ガスの流れが阻害されるが、本態様の水素昇圧システムは、水素含有ガスが流れる流路に第２の多孔性構造体を設けているので、このような問題が軽減される。
また、仮に、上記の第２の多孔性構造体が、水透過膜と接するように設けられていない場合、第２の多孔性構造体と水透過膜との間の空隙を水素含有ガスが通過しやすくなる。
すると、例えば、第１の除去器内の差圧の大小などによって上記の空隙の大きさが変化する場合、流路内の水素含有ガスの流通状態が変化し、その結果、水透過膜と水素含有ガスとの接触性が変化する。これにより、水透過膜の水透過性に影響を与えるので、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定的に行うことが困難になる。
しかしながら、本態様の水素昇圧システムは、第２の多孔性構造体を水透過膜と接するように両者間の接触界面を安定に保つことができるので、このような問題が軽減される。
本開示の第８態様の水素昇圧システムは、第７態様の水素昇圧システムにおいて、第２の多孔性構造体が、金属製であってもよい。また、本開示の第９態様の水素昇圧システムは、第８態様の水素昇圧システムにおいて、第２の多孔性構造体が、金属焼結体であってもよい。
かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、第２の多孔性構造体を金属材料で構成することで、第２の多孔性構造体の剛性を適切に確保することができる。すると、第１の除去器内の差圧によって水透過膜が変形しにくくなるので、第１の多孔性構造体と水透過膜との間の接触界面、および、第２の多孔性構造体と水透過膜との間の接触界面を安定的に保つことができる。これにより、本態様の水素昇圧システムは、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定化させることができる。
ところで、特許文献１および特許文献２に開示された吸着塔の如く、例えば、水素中の水蒸気をゼオライトなどの多孔質材料で構成されている吸着材により吸着させことができる。しかしながら、吸着材の吸着性能には、所定の限界がある。よって、吸着塔の運転時間は、吸着塔に送られる水蒸気の量で決まるので、水素中の水蒸気量が多い条件で吸着塔を使用する場合、例えば、吸着塔の大型化などの対応が必要である。また、吸着塔内には、高圧状態の水素が流通するので、吸着塔の容器を高圧に耐え得るように構成する必要性から、吸着塔の更なる大型化を招く恐れがある。
なお、特許文献２の如く、圧力スイング吸着式精製器などを用いて吸着材の充填量を低減することは可能である。しかし、この場合、水素が流れる流路を構成する部材の複雑化、吸着材の再生時に、吸着材で水蒸気とともに吸着した水素の取り扱いが必要となるなど、改善の余地がある。
そこで、本開示の第１０態様の水素昇圧システムは、第１態様から第９態様のいずれかの水素昇圧システムにおいて、第１の除去器の下流に設けられ、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する吸着材を含む第２の除去器を備えてもよい。
かかる構成によると、本態様の水素昇圧システムは、第１の除去器により除去できなかった、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を第２の除去器の吸着材で吸着除去すればよい。これにより、本態様の水素昇圧システムは、第１の除去器でオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去しない場合に比べて、吸着材で吸着する単位時間あたりの水蒸気および液水の少なくとも一方の量を減らすことができる。すると、第２の除去器内の吸着材の充填量を少なくしても、第２の除去器の吸着材の吸着性能を所望の期間、適切に維持することができるので、第２の除去器の小型化、低コスト化を図ることができる。
以下、添付図面を参照しつつ、本開示の各態様の具体例について説明する。
以下で説明する具体例は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、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。また、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。
（第１実施形態）
［水素昇圧システムの構成］
図１は、第１実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。
図１に示す例では、水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１の除去器１１０と、を備える。
電気化学式水素ポンプ１００は、アノードＡＮに供給する水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する装置である。電気化学式水素ポンプ１００は、電解質膜１１による電気化学式の昇圧器であれば、どのような構成であってもよい。
例えば、図１の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流通するアノードガス導入経路２９と、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流通するアノードガス導出経路３１と、カソードＣＡから排出されるオフガスが流通するカソードガス導出経路２６と、が設けられている。このような電気化学式水素ポンプ１００の詳細な構成は後で説明する。
なお、水素含有ガスとして、例えば、メタンガスなどの改質反応により発生する低圧状態の改質ガス、水の電気分解により発生する水蒸気を含む低圧状態の水素含有ガスなどを挙げることができる。
また、オフガスは、例えば、カソードＣＡから排出される水蒸気などを含む高圧状態の水素含有ガスなどを挙げることができる。
第１の除去器１１０は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるオフガスと、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給する水素含有ガスとを水透過膜１１５を間に介して流通させ、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する装置である。つまり、第１の除去器１１０は、膜式の除去器であり、水素含有ガスが流れる流路１１３と、オフガスが流れる流路１１４と、これらの流路１１３、１１４の間に設けられた水透過膜１１５と、備える。
水透過膜１１５は、オフガス中の水素（Ｈ２）を透過させずに、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を透過させる膜であれば、どのような構成であってもよい。
水透過膜１１５は、例えば、高分子膜で構成されていてもよい。これにより、水透過膜１１５を介して、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方が透過される。なお、このような高分子膜として、例えば、電解質膜１１と同様の材料により構成されるプロトン（Ｈ＋）を透過可能なプロトン伝導性の高分子膜を用いることができる。つまり、水透過膜１１５として、例えば、プロトン伝導性の高分子膜に使用可能な、フッ素系高分子膜、炭化水素系高分子膜などを挙げることができる。
なお、第１の除去器１１０に供給される水素含有ガスに液水が含まれない場合、水素含有ガスの水蒸気分圧は、オフガスより水蒸気分圧が低い。これにより、水透過膜１１５を介して第１の除去器１１０内の水素含有ガスに含まれる水蒸気がオフガスに移動する。
なお、以上の第１の除去器１１０の詳細な構成は実施例で説明する。
［電気化学式水素ポンプの構成］
図２Ａおよび図３Ａは、第１実施形態の水素昇圧システムの電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図２Ｂは、図２Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。図３Ｂは、図３Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。
なお、図２Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、カソードガス導出マニホールド２８の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。また、図３Ａには、平面視において電気化学式水素ポンプ１００の中心と、アノードガス導入マニホールド２７の中心と、アノードガス導出マニホールド３０の中心と、を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ１００の垂直断面が示されている。
図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの水素ポンプユニット１００Ａを備える。
なお、電気化学式水素ポンプ１００には、複数の水素ポンプユニット１００Ａが積層されている。例えば、図２Ａおよび図３Ａでは、３段の水素ポンプユニット１００Ａが積層されているが、水素ポンプユニット１００Ａの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット１００Ａの個数は、電気化学式水素ポンプ１００が昇圧する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
水素ポンプユニット１００Ａは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、カソードセパレーター１６と、アノードセパレーター１７と、絶縁体２１と、を備える。そして、水素ポンプユニット１００Ａにおいて、電解質膜１１、アノード触媒層１３、カソード触媒層１２、アノードガス拡散層１５、カソードガス拡散層１４、アノードセパレーター１７およびカソードセパレーター１６が積層されている。
アノードＡＮは、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノードＡＮは、アノード触媒層１３と、アノードガス拡散層１５とを含む電極である。なお、平面視において、アノード触媒層１３の周囲を囲むように環状のシール部材４３が設けられ、アノード触媒層１３が、シール部材４３で適切にシールされている。
カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソードＣＡは、カソード触媒層１２と、カソードガス拡散層１４とを含む電極である。なお、平面視において、カソード触媒層１２の周囲を囲むように環状のシール部材４２が設けられ、カソード触媒層１２が、シール部材４２で適切にシールされている。
以上により、電解質膜１１は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれと接触するようにして、アノードＡＮとカソードＣＡとによって挟持されている。なお、カソードＣＡ、電解質膜１１およびアノードＡＮの積層体を膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
電解質膜１１は、プロトン伝導性を備える。電解質膜１１は、プロトン伝導性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜１１として、フッ素系高分子電解質膜、炭化水素系高分子電解質膜を挙げることができるが、これらに限定されない。具体的には、例えば、電解質膜１１として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などを用いることができる。
アノード触媒層１３は、電解質膜１１の一方の主面に設けられている。アノード触媒層１３は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
カソード触媒層１２は、電解質膜１１の他方の主面に設けられている。カソード触媒層１２は、触媒金属として、例えば、白金を含むが、これに限定されない。
カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３の触媒担体としては、例えば、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉体、導電性の酸化物粉体などが挙げられるが、これらに限定されない。
なお、カソード触媒層１２およびアノード触媒層１３では、触媒金属の微粒子が、触媒担体に高分散に担持されている。また、これらのカソード触媒層１２およびアノード触媒層１３中には、電極反応場を大きくするために、プロトン伝導性のイオノマー成分を加えることが一般的である。
カソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１２上に設けられている。また、カソードガス拡散層１４は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層１４は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、カソードガス拡散層１４として、カーボン繊維で構成した部材が用いられている。例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。なお、カソードガス拡散層１４の基材として、カーボン繊維シートを用いなくもよい。例えば、カソードガス拡散層１４の基材として、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体などを用いてもよい。
アノードガス拡散層１５は、アノード触媒層１３上に設けられている。また、アノードガス拡散層１５は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、アノードガス拡散層１５は、電気化学式水素ポンプ１００の動作時にカソードＣＡおよびアノードＡＮ間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。
なお、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、アノードガス拡散層１５として、チタン粉体焼結体の薄板で構成した部材が用いられているが、これに限定されない。つまり、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、チタン、チタン合金、ステンレススチールなどを素材とする金属繊維の焼結体、これらを素材とする金属粉体の焼結体を用いることができる。また、アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、エキスパンドメタル、金属メッシュ、パンチングメタルなどを用いることもできる。
アノードセパレーター１７は、アノードＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられた部材である。カソードセパレーター１６は、カソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた部材である。
そして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、カソードガス拡散層１４およびアノードガス拡散層１５がそれぞれ収容されている。
このようにして、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７で上記のＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ａが形成されている。
カソードガス拡散層１４と接触するカソードセパレーター１６の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のカソードガス流路３２が設けられている。そして、カソードガス流路３２の直線部分は、図２Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなカソードガス流路３２は、例示であって、本例に限定されない。例えば、カソードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
アノードガス拡散層１５と接触するアノードセパレーター１７の主面には、平面視において、例えば、複数のＵ字状の折り返す部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路３３が設けられている。そして、アノードガス流路３３の直線部分は、図３Ａの紙面に垂直な方向に延伸している。但し、このようなアノードガス流路３３は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。
また、導電性のカソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間には、ＭＥＡの周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状の絶縁体２１が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の短絡が防止されている。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００は、水素ポンプユニット１００Ａにおける、積層方向の両端上に設けられた第１端板および第２端板と、水素ポンプユニット１００Ａ、第１端板および第２端板を積層方向に締結する締結器２５と、を備える。
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａがそれぞれ、上記の第１端板および第２端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板２４Ａは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、一方の端に位置するアノードセパレーター１７上に設けられた端板である。また、カソード端板２４Ｃは、水素ポンプユニット１００Ａの各部材が積層された積層方向において、他方の端に位置するカソードセパレーター１６上に設けられた端板である。
締結器２５は、水素ポンプユニット１００Ａ、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。
例えば、締結器２５として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。
このとき、締結器２５のボルトは、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃのみを貫通するように構成してもよいが、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、かかるボルトは、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材、カソード給電板２２Ｃ、カソード絶縁板２３Ｃ、アノード給電板２２Ａ、アノード絶縁板２３Ａ、アノード端板２４Ａおよびカソード端板２４Ｃを貫通している。そして、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６の端面、および、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７の端面をそれぞれ、カソード給電板２２Ｃとカソード絶縁板２３Ｃおよびアノード給電板２２Ａとアノード絶縁板２３Ａのそれぞれを介して、カソード端板２４Ｃおよびアノード端板２４Ａのそれぞれで挟むようにして、締結器２５により水素ポンプユニット１００Ａに所望の締結圧が付与されている。
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、３段の水素ポンプユニット１００Ａが、上記の積層方向において、締結器２５の締結圧により積層状態で適切に保持されるとともに、電気化学式水素ポンプ１００の各部材を締結器２５のボルトが貫通しているので、これらの各部材の面内方向における移動を適切に抑えることができる。
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００では、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス拡散層１４から流出するオフガスが流れるカソードガス流路３２が連通されている。以下、図面を参照しながら、カソードガス流路３２のそれぞれが連通する構成について説明する。
まず、図２Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド２８は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびカソード端板２４Ｃに設けられた貫通孔、および、アノード端板２４Ａに設けられた非貫通孔の連なりによって構成されている。また、カソード端板２４Ｃには、カソードガス導出経路２６が設けられている。カソードガス導出経路２６は、カソードＣＡから排出されるオフガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路２６は、上記のカソードガス導出マニホールド２８と連通している。
さらに、カソードガス導出マニホールド２８は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２の一方の端部と、カソードガス通過経路３４のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２およびカソードガス通過経路３４を通過したオフガスが、カソードガス導出マニホールド２８で合流される。そして、合流されたオフガスがカソードガス導出経路２６に導かれる。
このようにして、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス流路３２は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのカソードガス通過経路３４およびカソードガス導出マニホールド２８を介して連通している。
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、カソードガス導出マニホールド２８を囲むように、Ｏリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、カソードガス導出マニホールド２８が、このシール部材４０で適切にシールされている。
図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導入経路２９が設けられている。アノードガス導入経路２９は、アノードＡＮに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導入経路２９は、筒状のアノードガス導入マニホールド２７に連通している。なお、アノードガス導入マニホールド２７は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
また、アノードガス導入マニホールド２７は、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の一方の端部と、第１アノードガス通過経路３５のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路２９からアノードガス導入マニホールド２７に供給された水素含有ガスは、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれの第１アノードガス通過経路３５を通じて、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路３３を通過する間に、アノードガス拡散層１５からアノード触媒層１３に水素含有ガスが供給される。
また、図３Ａに示す如く、アノード端板２４Ａには、アノードガス導出経路３１が設けられている。アノードガス導出経路３１は、アノードＡＮから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。そして、アノードガス導出経路３１は、筒状のアノードガス導出マニホールド３０に連通している。なお、アノードガス導出マニホールド３０は、３段の水素ポンプユニット１００Ａの各部材およびアノード端板２４Ａに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。
また、アノードガス導出マニホールド３０が、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３の他方の端部と、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット１００Ａのそれぞれのアノードガス流路３３を通過した水素含有ガスが、第２アノードガス通過経路３６のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールド３０に供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路３１に導かれる。
カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１７の間、カソードセパレーター１６およびカソード給電板２２Ｃの間、アノードセパレーター１７およびアノード給電板２２Ａの間には、平面視において、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０を囲むようにＯリングなどの環状のシール部材４０が設けられ、アノードガス導入マニホールド２７およびアノードガス導出マニホールド３０が、シール部材４０で適切にシールされている。
図２Ａおよび図３Ａに示すように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２を備える。
電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３とカソード触媒層１２との間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器１０２の高電位が、アノード触媒層１３に印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソード触媒層１２に印加されている。電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器１０２は、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器１０２は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、ＡＣ／ＤＣコンバータを備える。
また、電圧印加器１０２は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａに供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に印加される電圧、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。
なお、図２Ａおよび図３Ａに示す例では、電圧印加器１０２の低電位側の端子が、カソード給電板２２Ｃに接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子が、アノード給電板２２Ａに接続されている。カソード給電板２２Ｃは、上記の積層方向において他方の端に位置するカソードセパレーター１６と電気的に接触しており、アノード給電板２２Ａは、上記の積層方向において一方の端に位置するアノードセパレーター１７と電気的に接触している。
ここで、図１、図２Ａおよび図３Ａには示されていないが、本実施形態の水素昇圧システム２００の電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。
例えば、水素昇圧システム２００には、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の温度を検出する温度検出器、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで昇圧されたオフガスの圧力を検出する圧力検出器などが設けられている。
また、水素昇圧システム２００には、アノードガス導入経路２９、アノードガス導出経路３１およびカソードガス導出経路２６の適所には、これらの経路を開閉するための弁などが設けられている。
以上の電気化学式水素ポンプ１００の構成、および、水素昇圧システム２００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、電気化学式水素ポンプ１００は、アノードガス導出マニホールド３０およびアノードガス導出経路３１を設けずに、アノードガス導入マニホールド２７を通してアノードＡＮに供給する水素含有ガス中の水素（Ｈ２）を全量、カソードＣＡで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。
[動作]
以下、第１実施形態の水素昇圧システムの動作の一例について図面を参照しながら説明する。
なお、以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の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よい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、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よい。
まず、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに低圧の水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器１０２の電圧が電気化学式水素ポンプ１００に印加されることで、水素昇圧システム２００の電気化学式水素ポンプ１００の水素昇圧動作が開始される。このとき、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給する前の水素含有ガスが、第１の除去器１１０の流路１１３を通過する。
アノードＡＮのアノード触媒層１３において、酸化反応で水素分子がプロトンと電子とに分離する（式（１））。プロトンは電解質膜１１内を伝導してカソード触媒層１２に移動する。電子は電圧印加器１０２を通じてカソード触媒層１２に移動する。
そして、カソード触媒層１２において、還元反応で水素分子が再び生成される（式（２））。なお、プロトンが電解質膜１１中を伝導する際に、所定量の水が、電気浸透水としてアノードＡＮからカソードＣＡにプロトンと同伴して移動することが知られている。
このとき、図示しない流量調整器を用いて、水素導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで生成されたオフガスを昇圧することができる。なお、水素導出経路として、例えば、図１および図２Ａのカソードガス導出経路２６を挙げることができる。また、流量調整器として、例えば、水素導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。そして、流量調整器の圧損を低下させると、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるオフガスが、第１の除去器１１０の流路１１４を通過する。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧） ・・・（２）
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００では、アノードＡＮに供給する水蒸気を含む水素含有ガス中の水素を、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動させ、かつ昇圧する動作が行われる。また、第１の除去器１１０では、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されるオフガスと電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給する水素含有ガスとを水透過膜１１５を間に介して流通させる動作が行われる。
以上により、本実施形態の水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されたオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去、および、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給する水素含有ガスの加湿を、従来よりも適切に行い得る。
例えば、第１の除去器１１０内の差圧によって、高圧状態のオフガスに含まれる液水を、水透過膜１１５を通して低圧状態の水素含有ガスに移動させることができる。また、水蒸気分圧の高いオフガスから、水透過膜を通して水蒸気分圧の低い水素含有ガスに移動させることができる。つまり、オフガスが水素含有ガスよりも圧力が高いおよび水蒸気分圧が高い、の少なくとも一方であることで、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の量を低減させることができる。また、水透過膜１１５を透過した水蒸気および液水の少なくとも一方により水素含有ガスを加湿することができる。
（実施例）
本実施例の水素昇圧システム２００は、以下の第１の除去器１１０Ａの構成以外は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様である。
図４は、第１実施形態の実施例の水素昇圧システムの第１の除去器の一例を示す図である。
図４に示す例では、第１の除去器１１０Ａは、略同一形状の一対の金属枠体１１１、１１２と、水透過膜１１５Ａと、シール部材１１６と、を備える。
金属枠体１１１は、第１平坦部１１１Ｈ１と、第２平坦部１１１Ｈ２と、垂直部１１１Ｖと、を備える。
ここで、第１平坦部１１１Ｈ１は、金属枠体１１１の中央部を構成する。第２平坦部１１１Ｈ２は、金属枠体１１１の環状の周辺部を構成する。垂直部１１１Ｖは、第１平坦部１１１Ｈ１の周縁部から第２平坦部１１１Ｈ２の内端部に階段状に延伸する筒状の側壁を構成する。そして、第１平坦部１１１Ｈ１と垂直部１１１Ｖとによって金属枠体１１１に凹部が形成されている。これにより、第１の除去器１１０Ａにおいて、金属枠体１１１の第１平坦部１１１Ｈ１および垂直部１１１Ｖと水透過膜１１５Ａとによってオフガスが流れる流路１１４Ａが形成されている。
金属枠体１１２は、第１平坦部１１２Ｈ１と、第２平坦部１１２Ｈ２と、垂直部１１２Ｖと、を備える。
ここで、第１平坦部１１２Ｈ１は、金属枠体１１２の中央部を構成する。第２平坦部１１２Ｈ２は、金属枠体１１２の環状の周辺部を構成する。垂直部１１２Ｖは、第１平坦部１１２Ｈ１の周縁部から第２平坦部１１２Ｈ２の内端部に階段状に延伸する筒状の側壁を構成する。そして、第１平坦部１１２Ｈ１と垂直部１１２Ｖとによって金属枠体１１２に凹部が形成されている。これにより、第１の除去器１１０Ａにおいて、金属枠体１１２の第１平坦部１１２Ｈ１および垂直部１１２Ｖと水透過膜１１５Ａとによって、水素含有ガスが流れる流路１１３Ａが形成されている。
金属枠体１１１および金属枠体１１２は、第２平坦部１１１Ｈ２および第２平坦部１１２Ｈ２同士が、水透過膜１１５Ａの端部を挟むように向き合って配置されている。第２平坦部１１１Ｈ２および第２平坦部１１２Ｈ２の間には、水透過膜１１５Ａの端部を囲むように環状のシール部材１１６が設けられている。これにより、第１の除去器１１０Ａの内部が、シール部材１１６で適切にシールされている。
金属枠体１１１の垂直部１１１Ｖには、第１の除去器１１０Ａよりも上流のカソードガス導出経路２６（図１参照）を構成する上流配管２６Ａ、および、第１の除去器１１０Ａよりも下流のカソードガス導出経路２６を構成する下流配管２６Ｂが、第１の除去器１１０Ａの内部に連通するように設けられている。なお、上流配管２６Ａと下流配管２６Ｂとは、オフガスの流れ方向３００においてこの順番に、図４に示す如く、直線状に並ぶように配置されていてもよい。
金属枠体１１２の垂直部１１２Ｖには、第１の除去器１１０Ａよりも上流のアノードガス導入経路２９（図１参照）を構成する上流配管２９Ａ、および、第１の除去器１１０Ａよりも下流のアノードガス導入経路２９を構成する下流配管２９Ｂが、第１の除去器１１０Ａの内部に連通するように設けられている。なお、上流配管２９Ａと下流配管２９Ｂとは、水素含有ガスの流れ方向４００においてこの順に、図４に示す如く、直線状に並ぶように配置されていてもよい。
なお、図４に示す例では、第１の除去器１１０Ａにおいて、オフガスの流れ方向３００と水素含有ガスの流れ方向４００とが逆向きであるので、オフガスの流れと水素含有ガスの流れとが対向しているが、これに限定されない。第１の除去器１１０Ａにおいて、両者の流れが、並行になっていてもよいし、直交していてもよい。ただし、図４に示す如く、オフガスの流れと水素含有ガスの流れとが対向することで、これらのガスが並行流および直交流である場合に比べて、オフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を、水透過膜１１５Ａを通じて水素含有ガスへ高効率に移動させることができる。
以上により、本実施例の水素昇圧システム２００では、第１の除去器１１０Ａにおいて、流路１１４Ａ内の高圧状態のオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方が、水透過膜１１５Ａを透過することで、流路１１３Ａ内の低圧状態の水素含有ガスに移動する。よって、水透過膜１１５Ａの表面近傍の流路１１４Ａを流れるオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を行い得るとともに、水透過膜１１５Ａの近傍の流路１１３Ａを流れる水素含有ガスを加湿することができる。例えば、高圧状態のオフガス中の液水が、水透過膜１１５Ａの表面上に液層を形成する場合、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧が水透過膜１１５Ａの裏面へ押し込むように作用するので、流路１１４Ａ内のオフガス中の液水を、流路１１３Ａ内の水素含有ガスへ高効率に移動させることができる。
［第１の多孔性構造体］
図４に示すように、本実施例の水素昇圧システム２００では、第１の除去器１１０Ａは、オフガスが流れる流路１１４Ａに、水透過膜１１５Ａと接するように第１の多孔性構造体１２０が設けられている。
第１の多孔性構造体１２０は、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧で発生する水透過膜１１５Ａの変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。例えば、第１の多孔性構造体１２０として、炭素繊維を含む弾性体で構成されていてもよい。このような弾性体として、例えば、カーボン繊維が積層されるカーボンフェルトなどを挙げることができる。
ここで、仮に、流路１１４Ａに第１の多孔性構造体１２０を設けない場合、本流路１１４Ａ内のオフガスの流れは層流になりやすい。この場合、オフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方は、オフガスに同伴して流れるので、例えば、水透過膜１１５Ａから離れた位置に存在するオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方は水透過膜１１５Ａと接触する確率が低い。つまり、この場合、水透過膜１１５Ａを透過する水蒸気および液水の少なくとも一方は、水透過膜１１５Ａの表面近傍に沿って流れるオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方に限定される恐れがある。
これに対して、本実施例の水素昇圧システム２００は、流路１１４Ａに第１の多孔性構造体１２０を設けることにより、本流路１１４Ａ内のオフガスの流れを強制的にランダムな方向に変えることができる。この場合、流路１１４Ａ内の様々な位置に存在するオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方が水透過膜１１５Ａに接触できる可能性がある。
これにより、本実施例の水素昇圧システム２００は、流路１１４Ａに第１の多孔性構造体１２０を設けない場合に比べて、オフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方と水透過膜１１５Ａとが接触する確率が高くなる。そして、オフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方が水透過膜１１５Ａと接触すると、オフガスから水素含有ガスへ水蒸気および液水の少なくとも一方が速やかに移動するので、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を促進させることができる。
また、仮に、第１の多孔性構造体１２０が水透過膜と接するように設けられていない場合、第１の多孔性構造体１２０と水透過膜１１５Ａとの間の空隙をオフガスが通過しやすくなる。
すると、例えば、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧の大小などによって上記の空隙の大きさが変化する場合、流路１１４Ａ内のオフガスの流通状態が変化し、その結果、水透過膜１１５Ａとオフガスとの接触性が変化する。これにより、水透過膜１１５Ａの水透過性に影響を与えるので、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定的に行うことが困難になる。
しかしながら、本実施例の水素昇圧システム２００は、第１の多孔性構造体１２０を水透過膜１１５Ａと接するように両者間の接触界面を安定に保つことができるので、このような問題が軽減される。
また、本実施例の水素昇圧システム２００は、第１の多孔性構造体１２０を、炭素繊維を含む弾性体により構成することで、第１の多孔性構造体１２０と水透過膜１１５Ａとの間の接触界面を安定的に保つことができる。
例えば、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧の大小によって水透過膜１１５Ａが変形した場合、および、オフガスのガス圧によって金属枠体１１１が変形した場合、第１の多孔性構造体１２０と水透過膜１１５Ａとの間の接触界面を安定的に保つことが困難になる。
しかしながら、本実施例の水素昇圧システム２００は、以上の場合でも、水透過膜１１５Ａの変形および金属枠体１１１の変形に対して、第１の多孔性構造体１２０の弾性変形を追従させ得る。例えば、第１の多孔性構造体１２０を金属枠体１１１の凹部内に収容する際に、上記の部材の変形量相当分、第１の多孔性構造体１２０を予め圧縮させるとよい。
すると、第１の多孔性構造体１２０と水透過膜１１５Ａとの間の接触界面が、水透過膜１１５Ａの全域で維持されやすい。これにより、本実施例の水素昇圧システム２００は、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定的に行うことができる。
［第２の多孔性構造体］
図４に示すように、本実施例の水素昇圧システム２００では、第１の除去器１１０Ａは、水素含有ガスが流れる流路１１３Ａに、第２の多孔性構造体１３０が水透過膜１１５Ａと接するように設けられている。
第２の多孔性構造体１３０は、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧で発生する水透過膜１１５Ａの変位、変形を抑制可能な高剛性であることが望ましい。例えば、第２の多孔性構造体１３０は、金属製であってもよい。金属製の第２の多孔性構造体１３０は、例えば、金属焼結体であってもよい。金属焼結体として、例えば、ステンレス製またはチタン製の金属粉焼結体、金属繊維焼結体などを挙げることができる。
ここで、仮に、流路１１３Ａに第２の多孔性構造体１３０を設けない場合、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧によって、流路１１３Ａが閉塞される方向に、水透過膜１１５Ａが変形する。例えば、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧によって、水透過膜１１５Ａが、金属枠体１１２の第１平坦部１１２Ｈ１に接触する恐れがある。
すると、水素含有ガスの流れが阻害されるが、本実施例の水素昇圧システム２００は、流路１１３Ａに第２の多孔性構造体１３０を設けているので、このような問題が軽減される。
また、仮に、第２の多孔性構造体１３０が、水透過膜１１５Ａと接するように設けられていない場合、第２の多孔性構造体１３０と水透過膜１１５Ａとの間の空隙を水素含有ガスが通過しやすくなる。
すると、例えば、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧の大小などによって上記の空隙の大きさが変化する場合、流路１１３Ａ内の水素含有ガスの流通状態が変化し、その結果、水透過膜１１５Ａと水素含有ガスとの接触性が変化する。これにより、水透過膜１１５Ａの水透過性に影響を与えるので、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定的に行うことが困難になる。
しかしながら、本実施例の水素昇圧システム２００は、第２の多孔性構造体１３０を水透過膜１１５Ａと接するように両者間の接触界面を安定に保つことで、このような問題が軽減される。
また、本実施例の水素昇圧システム２００は、第２の多孔性構造体１３０を金属材料で構成することで、第２の多孔性構造体１３０の剛性を適切に確保することができる。すると、流路１１４Ａ内および流路１１３Ａ内の差圧によって水透過膜１１５Ａが変形しにくくなるので、第１の多孔性構造体１２０と水透過膜１１５Ａとの間の接触界面、および、第２の多孔性構造体１３０と水透過膜１１５Ａとの間の接触界面を安定的に保つことができる。これにより、本実施例の水素昇圧システム２００は、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去および水素含有ガスの加湿を安定化させることができる。
本実施例の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であってもよい。
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。
図５に示す例では、水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１の除去器１１０と、冷却器１４０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００および第１の除去器１１０は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。
冷却器１４０は、第１の除去器１１０の上流に設けられ、オフガスを冷却する装置である。
つまり、本実施形態の水素昇圧システム２００では、冷却器１４０は、第１の除去器１１０の上流のカソードガス導出経路２６に設けられている。冷却器１４０は、カソードガス導出経路２６を流れるオフガスを冷却することができれば、どのような構成であってもよい。
例えば、冷却器１４０は、カソードガス導出経路２６を流れるオフガスを空冷で冷却するように構成されていてもよいし、カソードガス導出経路２６を流れるオフガスを水冷で冷却するように構成されていてもよい。前者は、例えば、カソードガス導出経路２６を構成する配管の表面に設けられた放熱フィン、および、この放熱フィンに冷風を送る送風機の組合せであってもよい。後者は、例えば、カソードガス導出経路２６を構成する二重配管、および、二重配管の外管内に冷水を送るポンプの組合せであってもよい。
なお、図示を省略するが、カソードガス導出経路２６の適所にオフガスの温度を検知する検知器が設けられ、制御器が、検知器の検知データに基づいて、オフガスの温度が所望の温度になるようにフィードバック制御を行ってもよい。
以上のとおり、本実施形態の水素昇圧システム２００は、冷却器１４０によりオフガスを冷却することで、オフガス中の水蒸気除去および水素含有ガスの加湿を促進させることができる。例えば、オフガスに含まれる飽和水蒸気量は、オフガスの温度が低い程、少なくなる。よって、オフガス中の水蒸気量が飽和水蒸気量である場合、冷却器１４０によりオフガスの温度が低下すると、オフガス中の水蒸気量を速やかに低減することができるので、オフガス中の水蒸気の除去を促進させることができる。このとき、第１の除去器１１０に存在する液水の量が増加することで、水透過膜１１５に液水が接触する確率が高くなる。液水が水透過膜１１５と接触すると、第１の除去器１１０内の差圧によってオフガスから水素含有ガスへ液水が速やかに移動するので、水素含有ガスの加湿を促進させることができる。
本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の実施例の水素昇圧システム２００と同様であってもよい。
（変形例）
図６は、第２実施形態の変形例の水素昇圧システムの一例を示す図である。
図６に示す例では、水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１の除去器１１０と、冷却器１４０Ａと、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００および第１の除去器１１０は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。
冷却器１４０Ａは、第１の除去器１１０内のオフガスを冷却する装置である。
つまり、本変形例の水素昇圧システム２００では、冷却器１４０Ａは、第１の除去器１１０のオフガスが流れる流路１１４を構成する流路部材に設けられている。冷却器１４０は、第１の除去器１１０内のオフガスを冷却することができれば、どのような構成であってもよい。
例えば、冷却器１４０Ａは、第１の除去器１１０内のオフガスを空冷で冷却するように構成されていてもよいし、第１の除去器１１０内のオフガスを水冷で冷却するように構成されていてもよい。前者は、例えば、オフガスが流れる流路１１４を構成する金属枠体１１１（図４参照）の表面に設けられた放熱フィン、および、この放熱フィンに冷風を送る送風機の組合せであってもよい。後者は、例えば、オフガスが流れる流路１１４を構成する金属枠体１１１（図４参照）の表面に冷水が流れる冷水機構、および、冷水機構に冷水を送るポンプの組合せであってもよい。
なお、図示を省略するが、第１の除去器１１０の適所にオフガスの温度を検知する検知器が設けられ、制御器が、検知器の検知データに基づいて、オフガスの温度が所望の温度になるようにフィードバック制御を行ってもよい。
以上のとおり、本変形例の水素昇圧システム２００は、第１の除去器１１０内のオフガスを冷却することで、第１の除去器１１０をオフガスの凝縮器として機能させることができるので、第１の除去器１１０に流入する前のオフガスが冷却される場合に比べて、カソードガス導出経路２６が凝縮水で閉塞する可能性が低減し、カソードガス導出経路２６の圧力変動が低減される。これは、次の理由による。第１の除去器１１０よりも上流で冷却器によりオフガスを冷却すると、冷却器で生成した凝縮水により、冷却器から第１の除去器１１０までの経路において、閉塞が発生する可能性がある。本変形例の水素昇圧システム２００では、第１の除去器１１０内で凝縮水が生成し、生成した凝縮水は、そのまま水透過膜１１５を介してアノードＡＮに供給される水素含有ガスに移動するので、上記の経路の閉塞の可能性が低減される。
本変形例の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例および第２実施形態いずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。例えば、本変形例の水素昇圧システム２００の上記以外の作用効果は、第２実施形態の水素昇圧システム２００の作用効果と同様であるので説明を省略する。
（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の水素昇圧システムの一例を示す図である。
図７に示す例では、水素昇圧システム２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、第１の除去器１１０と、第２の除去器１５０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００および第１の除去器１１０は、第１実施形態の水素昇圧システム２００と同様であるので説明を省略する。
第２の除去器１５０は、第１の除去器１１０の下流に設けられ、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する吸着材を含む装置である。具体的には、第２の除去器１５０は、第１の除去器１１０と水素利用機器（図示せず）との間のカソードガス導出経路２６に設けられ、水素が同伴する水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する吸着材を含む装置である。
上記の水素利用機器は、水素を利用するための機器であれば、どのような装置であってもよい。水素利用機器として、例えば、水素を一時的に貯蔵する水素貯蔵器、水素を用いて発電する燃料電池などを挙げることができる。
また、第２の除去器１５０の吸着材は、水素中の水蒸気および液水の少なくとも一方を吸着除去する材料であれば、どのような材料で構成されていてもよい。吸着材の材料として、例えば、ゼオライト、シリカゲルなどの多孔質材料を挙げることができる。なお、このような吸着材が乾燥している間は水蒸気および液水の少なくとも一方の吸着が行われるが、やがて、吸着材の吸着性能は、水蒸気および液水の少なくとも一方が吸着材に吸着することで低下するので、吸着材の交換または再生が必要となる。
以上のとおり、本実施形態の水素昇圧システム２００は、第１の除去器１１０により除去できなかった、オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を第２の除去器１５０の吸着材で吸着除去すればよい。これにより、本実施形態の水素昇圧システム２００は、第１の除去器１１０でオフガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去しない場合に比べて、吸着材で吸着する単位時間あたりの水蒸気および液水の少なくとも一方の量を減らすことができる。すると、第２の除去器１５０内の吸着材の充填量を少なくしても、第２の除去器１５０の吸着材の吸着性能を所望の期間、適切に維持することができるので、第２の除去器１５０の小型化、低コスト化を図ることができる。
なお、本実施形態の水素昇圧システム２００では、第２の除去器１５０における水蒸気および液水の少なくとも一方の吸着除去により、第２の除去器１５０の下流に設けられた、水素貯蔵器などに、ドライ状態のオフガスが供給され得る。
本実施形態の水素昇圧システム２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第２実施形態および第２実施形態の変形例いずれかの水素昇圧システム２００と同様であってもよい。
なお、第１実施形態、第１実施形態の実施例、第２実施形態、第２実施形態の変形例および第３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よい。
また、上記の説明から、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、上記の説明は、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、その動作条件、組成、構造および／または機能を実質的に変更できる。
本開示の一態様は、電気化学式水素ポンプのカソードから排出されたオフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方の除去、および、電気化学式水素ポンプのアノードに供給する水素含有ガスの加湿を、従来よりも適切に行い得る水素昇圧システムに利用することができる。
１１ ：電解質膜
１２ ：カソード触媒層
１３ ：アノード触媒層
１４ ：カソードガス拡散層
１５ ：アノードガス拡散層
１６ ：カソードセパレーター
１７ ：アノードセパレーター
２１ ：絶縁体
２２Ａ ：アノード給電板
２２Ｃ ：カソード給電板
２３Ａ ：アノード絶縁板
２３Ｃ ：カソード絶縁板
２４Ａ ：アノード端板
２４Ｃ ：カソード端板
２５ ：締結器
２６ ：カソードガス導出経路
２６Ａ ：上流配管
２６Ｂ ：下流配管
２７ ：アノードガス導入マニホールド
２８ ：カソードガス導出マニホールド
２９ ：アノードガス導入経路
２９Ａ ：上流配管
２９Ｂ ：下流配管
３０ ：アノードガス導出マニホールド
３１ ：アノードガス導出経路
３２ ：カソードガス流路
３３ ：アノードガス流路
３４ ：カソードガス通過経路
３５ ：第１アノードガス通過経路
３６ ：第２アノードガス通過経路
４０ ：シール部材
４２ ：シール部材
４３ ：シール部材
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：水素ポンプユニット
１０２ ：電圧印加器
１１０ ：第１の除去器
１１０Ａ ：第１の除去器
１１１ ：金属枠体
１１１Ｈ１ ：第１平坦部
１１１Ｈ２ ：第２平坦部
１１１Ｖ ：垂直部
１１２ ：金属枠体
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 ：水透過膜
１１５Ａ ：水透過膜
１１６ ：シール部材
１２０ ：第１の多孔性構造体
１３０ ：第２の多孔性構造体
１４０ ：冷却器
１４０Ａ ：冷却器
１５０ ：第２の除去器
２００ ：水素昇圧システム
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (10)

  1. アノードに供給する水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してカソードに移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプと、
    前記電気化学式水素ポンプのカソードから排出されるオフガスとアノードに供給する前記水素含有ガスとを水透過膜を間に介して流通させ、前記オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する第１の除去器と、を備える水素昇圧システム。
  2. 前記第１の除去器の上流に設けられ、前記オフガスを冷却する冷却器を備える請求項１に記載の水素昇圧システム。
  3. 前記第１の除去器内の前記オフガスを冷却する冷却器を備える請求項１に記載の水素昇圧システム。
  4. 前記第１の除去器は、前記オフガスが流れる流路に、前記水透過膜と接するように第１の多孔性構造体が設けられる請求項１−３のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。
  5. 前記第１の多孔性構造体は、炭素繊維を含む弾性体で構成される請求項４に記載の水素昇圧システム。
  6. 前記水透過膜は、高分子膜で構成される請求項１−５のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。
  7. 前記第１の除去器は、前記水素含有ガスが流れる流路に、第２の多孔性構造体が前記水透過膜と接するように設けられる請求項１−６のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。
  8. 前記第２の多孔性構造体が、金属製である請求項７に記載の水素昇圧システム。
  9. 前記第２の多孔性構造体が、金属焼結体である請求項８に記載の水素昇圧システム。
  10. 前記第１の除去器の下流に設けられ、前記オフガスに含まれる水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する吸着材を含む第２の除去器を備える請求項１−９のいずれか１項に記載の水素昇圧システム。

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