JP2023552869A - 電気化学セルおよび酸素を含有する気体流れを処理する方法 - Google Patents

Abstract

スタックの各セルが、少なくとも、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）であって、少なくとも、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の陰イオン交換膜と、を含むＭＥＡと、カソードハーフセルへ第１圧力で酸素を導入するための入口と、アノードハーフセルから第２圧力で酸素を移送するための出口と、必要な電力をセルに提供する手段と、を有する、電気化学セルまたは電気化学セルのスタック。一実施形態において、以下の反応経路を利用して、酸素は精製および圧縮される。ＡＥＭカソード Ｏ２＋４ｅ－＋２Ｈ２Ｏ → ４ＯＨ－、ＡＥＭアノード ４ＯＨ－→ Ｏ２＋４ｅ－＋２Ｈ２Ｏ。【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学セルと、スタックに配置された１つ以上の電気化学セルを任意に使用することにより酸素を含有する気体流れを処理する方法とに関する。セルまたはスタックは、例えば、酸素の精製と圧縮、流れの中の酸素の検出、および発電のために使用され得る。

酸素には、医薬用途から、金属の精錬、ガラスや医薬品などの製造工程まで、多くの用途がある。他の気体と同様に、酸素も圧力下で貯蔵する必要があり、さもなければ体積が、過度に大きくなる。

電解装置は、水を分解して水素と酸素とを発生させるために使用される装置である。このようなシステムは、一般に、現在利用可能な３つの主な技術、すなわち、陰イオン交換膜（ＡＥＭ）システムと、プロトン交換膜（ＰＥＭ）システムと、液体アルカリシステムと、のうちの１つに該当する。固体酸化物形電解などの他のシステムも利用可能である。現在、エネルギーベクタとして水素に注目が集まる傾向があるが、発生した酸素が見過ごされる必要はない。

国際公開第２０１１／００４３４３号に開示されたとおり、水素と酸素とは、環境に優しい方法で電気分解により生成することができる。化石燃料に依存することなく、「グリーンな」水素を生成することが好ましい。

気体を圧縮する従来の方法は、機械的手段と非機械的手段とを含む。機械的圧縮にはエネルギーが必要とされること、コンプレッサ内の油／潤滑油により酸素が汚染されること、予備乾燥が必要とされることなど、多くの問題がある。また、機械的コンプレッサは、可動部品があるため定期的メンテナンスが必要であり、本質的に音が大きいため、機械的コンプレッサは多くの場所で望ましくないものとなった。さらには、そのようなコンプレッサへの電力供給やコンプレッサのコストも考慮の対象に含まれる。

本発明の目的は、酸素を電気化学的に圧縮かつ精製する手段と方法とを提供することである。

本発明によれば、第１圧力で酸素を含む気体流れを受け取るように構成された入口を有するカソードハーフセルと、第２圧力で酸素を移送するように構成された出口を有するアノードハーフセルと、アノードハーフセルとカソードハーフセルとを分離する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、電力源と、を有してなり、ＭＥＡは、少なくとも、カソード電極と、アノード電極と、カソード電極とアノード電極との間の少なくとも１つの陰イオン交換膜（ＡＥＭ）と、を備える、電気化学セルが提供される。

本明細書では、用語「セル」は、電気化学セルをいうために使用される。スタックは、通常、複数のセルと見なされるが、セルという用語は、スタック内のシングルセル、または、スタック全体を説明するために使用されてもよい。

本明細書で使用される場合、少なくとも１つのＡＥＭへの言及は、ＭＥＡが複合ＡＥＭ、多孔層（ＭＰＬ）のどちらかの側のＡＥＭ、水管理膜のどちらかの側のＡＥＭ、または他のそのような構造を含む、変形例を包含するものとする。水管理膜（ＷＡＭＭ）は、アノード側および／もしくはカソード側の一方もしくは両方に、またはＡＥＭもしくはその他の２つの膜の間に存在してもよく、同じことが、ＭＰＬにも適用される。

本明細書では、陰イオン交換膜に関して、用語「湿気を帯びた」と、用語「水和された」と、用語「給湿された」とは、区別なく使用される。

本明細書では、用語「水分センサ」と用語「湿度センサ」とは、区別なく使用され、水の存在を検出することが可能なあらゆるセンサをカバーするように意図されている。

本明細書では、用語「アノードとカソード」は、アノードハーフセルとカソードハーフセルと、区別なく使用され得る。しかし、用語「アノード電極とカソード電極」は、酸素還元反応（ＯＲＲ）と酸素発生反応（ＯＥＲ）とが起こるＭＥＡの部分を示す。アノード電極とカソード電極とは、典型的には反応を実行する触媒を含む。アノード電極とカソード電極とは、ＡＥＭ内の触媒層として見ることができる。

本明細書では、用語「陰イオン交換膜（ＡＥＭ）」は、陰イオン交換特性を有して、陽イオン交換特性も伴う、または伴わない任意のイオン交換材料に使用されてもよい（例えば、陽イオンは、ＫＯＨドーピングＰＢＩ系材料により、または陽イオンポリマと陰イオンポリマとの混合物および／もしくは官能価を利用することにより、付加されたカリウムイオンの形態のＡＥＭに付加されてもよい）。付加された陽イオン基は、半反応のどちらかまたは両方に、関わっていても、関わっていなくてもよい。

本明細書では、用語「圧縮」は、一般に、圧力の増加を意味するが、幾つかの実施形態において、圧力の低減が望まれ得ると想定し、用語「圧縮」は、減圧と同義に使用されてもよい。電気化学セルは、コンプレッサと称されてもよいが、電気化学セルは、セルが、センサもしくは精製だけの手段として、あるいは電解装置として動作する変形例を除外しない。

本明細書では、用語「送り先」は、精製および／または圧縮された酸素の任意の最終用途、例えば、限定はしないが、燃料補給または貯蔵などを意味する。

温度と圧力との調節手段、バルブ、配線などを含むバランスオブプラント（ＢＯＰ）は、図示されない。電気化学セルまたは複数の電気化学セルへの電源の接続もまた、本明細書では説明されない。

酸素は、シングルセルコンプレッサにより実現可能な圧力より高い圧力で必要とされることがよくあるため、１つ以上のセルを直列に使用してもよく、複数のセルがスタックを構成することが想定される。１つ以上のスタックがコンプレッサで使用され得ることに留意されたい。さらに、不純物の濃度が特定レベルを超える場合、酸素流れからの全ての不純物の除去を確実にするために、２つ以上のセルが望ましいとされ得る。

本発明によれば、スタックの中に構成された、実質的に前述のとおりの少なくとも第１電気化学セルと第２電気化学セルとを有してなり、第１電気化学セルのアノードハーフセルの出口は、第２電気化学セルのカソードハーフセルの入口と流体連通している、電気化学セルアセンブリの第２実施形態が提供される。

本明細書では、用語「セルのステージ」は、１つ以上のセルを意味しており、あるステージの各セルまたは複数のセルのカソードに流入する酸素は、圧力の点で互いに概ね類似しており、また、あるステージにおける各セルまたは複数のセルのアノード出口が組み合わされて、次のステージのセルまたは複数のセルのカソードへの供給装置となる。。各ステージは、並列、直列またはそれらの組合せの連結を有してもよい。並列または直列での連結または配置への言及は、他に断りがなければ、（例えば、セル間の電気的接続というよりむしろ）セルを通る酸素の流れを指すことを意図していることが理解されよう。

流体を圧縮する際に多数のステージで圧縮するのが、一般的な方法である。同じ方法を、電気化学的圧縮に適用できる。本発明の一実施形態において、前述のとおり、１つ以上のセルを各ステージに設けることにより、多数のステージでの圧縮を実現することが想定される。酸素は、第１ステージのセルまたは複数のセルのカソードに第１圧力で流入する。このとき、第１ステージのセルからのアノード出口または複数のアノード出口では第２圧力であり、複数の出口は組み合わされている。第２圧力の第１ステージからのアノード出口は、通常、第２ステージの１つ以上のカソードハーフセルの入口となるか、または、圧縮／精製のステージが一つしかない場合には、出口は貯蔵につながる。このような構造は、同じサイズのセルを有するシングルスタックにより、より大きな体積の酸素を圧縮することを可能にする。

各ステージのセルまたはスタックを並列に配置するか、または、省スペース化の手段として、多数のステージを可能にする配管とＢＯＰとに直列に配置することもできると想定される。様々な配置が、図に示されている。各セルを分離および／または絶縁する手段が、提供されてもよい。

圧縮するセルの各グループまたはステージに対してセルまたはセルのスタックにかけられる電流の合計は、一般に、圧縮する次のグループまたはステージにかけられる電流の合計と実質的に同じである。あるステージでの各セルの圧力差が他のステージと異なる場合、各ステージで膜にかかる必要な電流にばらつきが生じる。圧力差が大きくなると、酸素逆拡散（クロスオーバ）を克服するために、より高い電流密度を必要とする。しかし、この結果、感応電流の効率が低下し得る。この実施形態は、図に示されている。

また、本明細書に記載されたセルは、圧縮の場合と同様に、酸素流れを精製するために使用されてもよい。通常、精製は、同時圧縮で起こる。このような実施形態において、第２圧力は、第１圧力より高い。しかし、精製手段としてのみ動作させるために、セルを圧力差なしで動作させることも可能である。酸素が高圧でアノード出口から流出するように、圧力を調節する既知の任意の手段が、一つ以上のアノード出口で使用されてもよい。代替の実施形態において、酸素を減圧する必要があってもよく、適宜、圧力調節手段を製造してもよい。

シングルセルまたはセルのスタックを有するＡＥＭコンプレッサにおいて、酸素は、第１圧力（Ｐ１）で第１セルのカソードハーフセルに流入し、酸素は、第１アノードハーフセルにおいて第２圧力（Ｐ２）になるまで加圧される。第２圧力（Ｐ２）の酸素流れは、第１アノードハーフセルから第２セルのカソードハーフセルに連通される。酸素は、第２アノードハーフセル内で第３圧力（Ｐ３）になるまで加圧されるなどする。一連のセルにおいて、圧力は、例えば、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４など、各セルで徐々に高くなる。アノードハーフセルがカソードより高い圧力を有することと、カソードに含まれる酸素は、それに対応するアノード内の酸素とそれまでのセルの酸素より純度が高いことと、が想定される。

ＡＥＭシステムは、ヒドロキシル陰イオンＯＨ^－であり、ヒドロニウム（溶媒和プロトン）でなく膜を通過するため、ＰＥＭとは本質的に異なる。そのため、動作のメカニズムが異なっており、新たな課題が克服されなければならない。反応は、以下のとおりである。
ＡＥＭカソード（酸素還元反応（ＯＲＲ））
Ｏ_２＋４ｅ^－＋２Ｈ_２Ｏ → ４ＯＨ^－
ＡＥＭアノード（酸素発生反応（ＯＥＲ））
４ＯＨ^－ → Ｏ_２＋４ｅ^－＋２Ｈ_２Ｏ

ＡＥＭを基にしたシステムにおける酸素の電気化学的圧縮では、酸素圧縮と並行してアノードで水が生成されるため、さらなる乾燥が必要になる場合がある。これは、膜が充分に湿っていることを確保するのに役立ち、本明細書に記載された形式で動作する利点である。

貯蔵前の下流の乾燥機への負荷を最小にする１つの手段は、好ましくは水を保持してカソードハーフセルにおける反応に水を利用可能にするように適合されたＭＥＡを有することである。水管理の他の手段は、後述のとおりである。

ＰＥＭシステムにおいて、白金または白金族金属（ＰＧＭ、即ち、ルテニウムと、ロジウムと、パラジウムと、オスミウムと、イリジウムと、白金）は、アノードとカソードとの両方で触媒として必要とされる。例えば、ＩｒＯｘは、ＯＥＲに使用されてもよく、および／またはＰｔは、ＯＲＲに使用されてもよい。本発明のＡＥＭ電気化学的圧縮において、前に言及されたＰＧＭ触媒などのＰＧＭ触媒が使用されてもよいが、システムを本質的により持続可能にできれば、ＰＧＭ触媒を必要としない。ＯＥＲおよび／またはＯＲＲには任意の既知の触媒が使用されてもよく、本発明は、触媒により限定されることを意図しない。使用され得る非ＰＧＭ触媒の例としては、Ｎｉと、Ｃｕと、Ｃｏと、Ｆｅと、それらの合金と、を含有する触媒が挙げられるが、それらに限定されない。アノード触媒とカソード触媒とは、同一でも異なっていてもよい。

ＭＥＡは、アイオノマおよび／またはバインダを含まなくてもよい。あるいはＭＥＡは、アイオノマとバインダとの両方またはどちらかを含んでもよい。一実施形態において、ＭＥＡは導電性ウィスカを有する基材を備え、薄い触媒層を基材上にスパッタリングすることで、表面積を最大にして必要とされる触媒を最小にすることが想定される。大きな表面積で密着させることで、アイオノマを必要とすることが少なくなる。

陰イオン交換膜（ＡＥＭ）は、所望の特性を有する任意の膜でもよい。求められる特性は、主として高いイオン移動度と、低い気体透過性と、高い機械的強度と、親水性と、である。しかし、膜は複合膜でもよいと想定される。複合膜は、例えば、これに限定されないが、モンモリロナイトなどの粘土のナノ粒子などの吸湿性粒子の無機充填剤、または、これに限定されないが、エレクトロスピニングにより生成される任意のアイオノマナノ粒子もしくは繊維などの有機充填剤、またはそれらの組合せを含んでもよい。アイオノマは、陰イオン性アイオノマでもよい。

アイオノマは、本質的に吸湿性である荷電ポリマである。複合体は、必ずしも限定されないがスチレン－エチレン－ブチレン－スチレン（ＳＥＢＳ）とポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）などの異なる骨格を有する２種以上のアイオノマの混合物であり得る。ＳＥＢＳとＰＢＩとのポリマ骨格の少なくとも一方、好ましくは両方は、典型的には電荷を有するアイオノマ（複数可）を提供するように官能基化される。

複合膜の別の例は、単一ポリマ、好ましくはＳＥＢＳまたはＰＢＩなどのアイオノマが存在して、有機または無機の充填剤がアイオノマと混合されたものである。あまり好ましくはないが、複数のアイオノマ（ＳＥＢＳとＰＢＩなど）が、充填剤と混合されてもよい。適切な充填剤は、前述のとおりであり、モンモリロナイトと、ポリエチレングリコールまたはセルロースなどの非荷電であるが好ましく親水性の有機ポリマなどの有機ポリマと、が挙げられる。使用され得る他の有機充填剤は、可塑剤である。可塑剤は、他の特性、例えば、伝導性、クロスオーバなどに有害な影響を及ぼすことなく改善された機械的特性を付与するために使用されてもよい。

このように、複合膜は、有機および／または無機成分と荷電および／または非荷電の成分とを含有してもよく、親水性および／または疎水性でもよい。さらに、ＰＢＩとＳＥＢＳとが、可能なポリマとして言及されたが、他のポリマが代わりに使用され得ることが理解されよう。

膜は、前述の充填剤などの無機および／または有機の充填剤を有するポリマ骨格を有して、充填剤が親水性であること想定される。親水特性により、水は保持されて、高圧の酸素は乾燥した状態を確実に保たれる。ポリマは、ＰＢＩでもよく、好ましくはアルカリ耐性を増加させるように、および／または正電荷に共有結合することにより、修飾されたＰＢＩでもよいことが想定されるが、これは、限定的な特徴となることを意図していない。さらに、膜は、余剰のＯＨ^－でドープされ得ることが想定される。これは、膜を、好ましくは高度に濃縮されたアルカリ溶液（例えば、ＫＯＨ）でドープすることにより実現されてもよい。余剰のＯＨ^－は、酸性水素（例えば、ＰＢＩ中のピロール水素）を中和して、イオン移動度を付与することになる。このことは、共有結合された正電荷（例えば、結合された第４級アンモニウム塩）に本質的に由来するイオン交換能力を有する伝統的ＡＥＭと対照的である。ＯＨ^－の供給源は、任意の形態でよいが、好ましくは水性である。

酸素を電気化学的に圧縮する場合、膜にかかる圧力差が考慮されなければならない。圧力差が大きすぎる場合、膜または他の構成要素が、損傷される場合がある。膜の機械的強度を高めると、イオン移動度などの他の領域の性能が低減する場合がある。シングルセル内の圧力差は、理論的には限定されないが、実際には、構成要素の保全性およびクロスオーバのため、限定される。各セルにおいて１バール－２０００バール、より好ましくは１バール－１０００バール、圧力が上昇するのを観察できることが想定される。各セルの圧力上昇は、１０バール－５００バール、１０バール－１００バール、１０バール－８０バール、２０バール－５０バール、３０バール－４０バールの範囲内でもよい。ＡＥＭ電気化学的コンプレッサにおける全圧力上昇は、２００バール－１５００バール、より好ましくは３５０バール－１０００バールであることが想定される。さらにより好ましくは、全圧力上昇は、７００バール－９００バールであろう。

電気化学セルアセンブリ内のスタックは、少なくとも１０個、好ましくは少なくとも１５個、より好ましくは少なくとも２０個のセルを含有してもよい。電気化学セルアセンブリ内のスタックは、１００個まで、好ましくは５０個まで、より好ましくは４０個までのセルを含有してもよい。このように、電気化学セルアセンブリ内のスタックは、１０個から１００個まで、好ましくは１５個から５０個まで、より好ましくは２０個から４０個までのセルを含有してもよい。これらのセルは、好ましくは直列で連結される。

電気化学コンプレッサは、任意の既知の手段により生成される酸素を用いて動作することが想定されるが、グリーンな酸素供給源を活用することが好ましい。これを実現するために、入口の流れは、電解装置、より好ましくはさらにＡＥＭ電解装置からの出口流れであることが好ましい。不純物（ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ）が存在してもよいが、水と微量の水素とに限定されなければならない。他の不純物は、存在するとしても、触媒の作用を損なわせる虞がないものとすべきであり、一酸化炭素などの化学種は除外される。他の不純物、例えば、ＯＨ^－とは異なる陰イオンを含有する酸または塩は、ＯＨ^－と反応し得る。

本発明は、酸素を加圧することと精製することとの両方であり、存在するいかなる不純物も第１ハーフセルを超えて通過してはならない。水は、膜結合性を保持、または本明細書に開示された水管理手段により管理されなければならず、カソードで発生したＯＨ^－は、アノードに移動するとすぐに、アノード反応により消費される。一部の水は、電気浸透抗力により、ＯＨ^－と共にカソードからアノードに輸送されてもよい。膜にかかる水分流動は、大きさと方向の両方において、供給される電流に依存する。

電力は、ＤＣ、ＡＣ、パルス電流または逆パルス電流として供給され得ることが想定される。しかし好ましい実施形態において、供給電力は、ＤＣ、パルス電流、または逆パルス電流のうちのいずれかである。逆パルス電流の利点は、電流が一次的に逆行する場合、電極から有害物質が除去されることである。

すべてのセル内の膜は、充分に湿気を帯びた状態を保持しなければならない。アノード反応で発生した水は、その一般的な特性に基づいて選択される膜とともに、この目的を果たす。生成された水は、カソードを溢れさせることなく、または、アノード酸素流動で除去されることなく、膜の水分を保持するのに充分な量でなければならない。望ましくない水の移動を抑制する／防ぐために、水管理手段が使用され、本明細書に開示される。あるいは、さらに水が導入されてもよく、この水は、好ましくは蒸気相であるが、液状水を導入してもよい。

例えば、酸素の移動を許容するのに充分多孔性であるが、いずれの方向にもＭＰＬを越えて液状水が流動するのを防ぐ、多孔層（ＭＰＬ）が利用されてもよい。その上、膜は、水の充分な膜結合性を維持しながら、各触媒層における水分量を微調整するために、親水性の構成要素を有してもよい。

ＭＥＡは、アノードと、陰イオン交換膜と、カソードと、を備えてもよいが、通常、さらなる層も備える。気体拡散層（ＧＤＬ）が、カソードとアノードとの一方または両方に存在してもよい。ＭＥＡは、存在するならば、アノードＧＤＬと、アノード触媒層と、膜と、カソード触媒層と、カソードＧＤＬと、で構成される。別の実施形態において、ＭＰＬが使用されてもよい。ＭＰＬは、カソード側またはアノード側のみに存在するのが好ましいが、これに限定されるものではなく、両側で使用されてもよく、ＭＰＬは、多孔性と疎水特性のために選択される。さらに後述するように、水管理膜もまた、カソード側および／またはアノード側で使用されてもよい。あるいは、ＭＰＬまたは水管理膜は、２つのＡＥＭの間に位置してもよい。

ＭＰＬは、カソード側もしくはアノード側の各セルの膜と、または膜の１つのみもしくは幾つかと、接触し得ること、またはその膜の中にあり得ることが想定される。さらに、ＭＰＬが使用される場合、ＭＰＬは、後のセルでより疎水性になるなど、スタック内の様々な位置で異なる特性を有し得ることが想定される。膜の他の特性が、多様なＭＰＬ特性により影響を受けるならば、最終のセルまたは最終の複数のセルでより疎水性になるＭＰＬは、（余剰の）水が最終出口に存在するのを防ぐが、第１セルではそれはあまり望ましくない場合がある。ＭＰＬは一般に、導電性材料と結合剤とを含有するスラリーを基材上に鋳造することにより生成される。導電性材料は、これに限定されないが、カーボンブラック、ニッケルナノ粒子などのものでもよい。結合剤は、これに限定されないが、ＰＴＦＥ、ＦＥＰなどの疎水性ポリマでもよい。孔径と、分布と、様々な大きさの孔の分布と、疎水性と、他の生理化学的特性と、は、各構成要素、各構成要素の割合、および／または製造手順を変えることにより調整できる。いずれの場合でも、乾燥機が、貯蔵前に最終のセルまたは最終の複数のセルからの酸素流れを乾燥させるために利用されてもよい。

水管理の別の手段は、ＡＥＭの一方または両方の側のＭＥＡにアイオノマを含めることである。膜のカソード側とアノード側との両方にアイオノマが存在することが、好ましい。水管理の目的では、アノードカソード側よりカソード側に比較的多くのアイオノマが存在することが想定される。あるいは、ＡＥＭのアノード側にはアイオノマが存在しなくてもよく、膜の反対側にアイオノマが存在することが想定される。実際に、ＭＥＡの両側に実質的に同量のアイオノマが存在してもよい。触媒コーティング膜（ＣＣＭ）を有することにより、またはデカール法／デカール転写により実現される極薄触媒層を有することにより、アイオノマがバイパスされ得ることが想定される。好ましくは、アイオノマは、ＭＥＡのアノード側とカソード側とのいずれか一方または両方に存在する。

膜内の水管理のさらに別の手段は、ＭＥＡに水管理膜を含めることである。水管理膜は、吸湿性を有し、ＭＥＡのカソード側に存在することが好ましい。また、水管理膜は、ＭＥＡ内の位置に応じて、イオン移動性が高く、および／または導電性が高いことが好ましい。水管理膜は、アノード側、カソード側、または両方に存在してもよい。さらに別の実施形態において、水管理膜は、２つのＡＥＭの間に配置されてもよく、いずれの実施形態でも、水管理膜は、ＭＥＡの一部を成す。２つのＡＥＭの間に存在する場合、水管理膜内のイオン移動度が高いことが望ましい。どちらかの触媒と接触している場合、水管理膜が高い導電性を有することが好ましい。例示的な水管理膜は、カーボンブラックと混合されたアイオノマであろう。

水管理のさらに別の手段は、例えば、前述のような複合陰イオン交換膜の活用であり、充填剤粒子／ナノ粒子／マイクロ粒子は、吸湿特性を有する。このような粒子は、膜内で濃度勾配を有し得ることが想定される。膜のカソード側は、アノード側に比較して相対的に高い濃度の粒子を有してもよく、または、より好ましくはその逆でもよい。あるいは、最高濃度は、複合ＡＥＭの中央にあり、カソード側とアノード側とに向かって低くなってもよく、または、カソード側とアノード側とが、両側の間より相対的に高い濃度を有してもよい。さらに別の代替法において、水管理膜は、２つのＡＥＭの間に位置してもよく、吸湿特性を有する充填剤／ナノ／マイクロ粒子の濃度が、前述のとおり変化してもよい。一実施形態において、ＡＥＭ内の吸湿性粒子は、非線形濃度で変化する。

本文書に記載される水管理メカニズムのうち、いずれか１つを、単独、および／または互いに組み合わせて使用され得ることが想定される。

本発明によれば、電気化学セルを概ね前述のとおり提供する工程と、カソードハーフセルの入口に酸素含有気体流れを供給する工程と、アノードハーフセルの出口から酸素を送出する工程と、を含む、酸素を含有する気体流れを処理する方法が、提供される。

装置に関連する構造的制限のすべては、セルを動作させる方法に適用されて、したがって、セルのスタックを備えたコンプレッサを使用する方法にも同じことがいえる。

シングルセルコンプレッサを動作する方法は、セルのスタックを備えるコンプレッサを動作させることに、概ね適用することができる。

本発明によれば、概ね前述のとおりの電気化学セルアセンブリを提供する工程と、スタック内の第１電気化学セルのカソードハーフセルの入口に酸素含有気体流れを供給する工程と、スタック内の各電気化学セルのアノードハーフセルの出口から別の電気化学セルのカソードハーフセルの入口に酸素を移送する工程と、スタック内の最終の電気化学セルのアノードハーフセルの出口から外部の送り先に酸素を送達する工程と、を含む、酸素を含有する気体流れを処理する方法が、提供される。

前述した、電気化学セルと、電気化学セルアセンブリと、方法と、において、入口の流れは、電解装置、酸素貯蔵タンク、または合理的純度レベルである任意の他の考えられる酸素供給源から直接送出されてもよい。

特に酸素の電解生成からの、考えられる唯一の不純物は、水と水素とである。しかし、他の不純物が存在し得る可能性があり、これらの不純物は、最初の幾つかのセルの効率を低減する場合があり、そのためカソードハーフセルをパージする手段が、提供されてもよい。一実施形態において、大気からの周囲酸素が、選択的に精製されて、圧縮され得る。いずれの使用例でも、微粒子用のフィルターが含まれてもよい。大気酸素が精製されるこのような実施形態において、ＣＯ_２を除去して、それにより炭酸化問題を回避することが好ましい。このような不純物の除去の手段としては、限定ではないがアミントラップを活用することが挙げられ、アミントラップは、熱循環により、または別の電気化学セルを使用することにより、再生される。好ましくは、カソード触媒は、ＯＥＲに対して活性でなく、存在する水素または他の不純物が、カソードハーフセルから排出される。

装置に関連する上記構造的制限のすべては、セルまたはスタックを動作させる方法に適用されて、それに応じて扱われるべきである。

スタックの最終出口は、酸素を所望の圧力で収容するように適合された貯蔵タンク、または複数の貯蔵タンクに連結されることが想定されて、この圧力は、３０バール－１０００バールのいずれかであり得る。圧力は、業界基準である、３００バールと、７００バールと、１０００バールと、を含む任意の必要レベルまで増加させることができる。出口からの加圧酸素は、加圧酸素を使用、または貯蔵する任意のシステムもしくは手段へと誘導することができると想定される。

水は、１つ以上のアノードコンパートメントで生成されるため、酸素は、圧縮されながら効果的に加湿される。膜の必要な伝導特性を維持するためには、スタック内の１つ以上の膜が確実に充分水和されることが重要である。アノードハーフセル内で発生した水が不十分であれば、供給物を確実に湿らせるために水を酸素入口に添加することにより、膜の安定した水分量が実現され得ることが想定される。しかし、流れに添加される水や、発生する水の量が多すぎると、出口流れが湿気を帯びるか、またはカソードハーフセルを溢れさせて、酸素がカソード触媒と接触できなくなる可能性がある。これは、酸素を加圧する目的を実現するが、酸素が湿ったままであるか、または物質移動過電圧によりセルの効率を低減させるであろう。加圧酸素と乾燥酸素との両方を実現するために、後述の制御システムが、単独で、または最終のセルの後の乾燥機と組み合わせて、使用されてもよい。

システム内の水分を制御するために、少なくとも２つの水分センサが使用されることが想定される。第１水分センサは、供給原料流れ上に設置され、第２水分センサは、１つ以上の出口流れ上に設置されるが、最終のセルの酸素の出口に設置することが最も重要である。スタック内の所与のポイントで膜の飽和を判定する水分センサを、スタック内のセルの１つまたはすべてのセルに設けることも可能であり、それにより膜がスタック内で動作不能なほど乾燥しているかどうか、または、適所にない場合、出口からの湿気を帯びた酸素を排出してもよいか、もしくは好ましくは、後述のとおり、減圧されて入口へと再循環してもよいかをオペレータに判定させることも可能である。あるいは熱伝導センサが、水分センサの代わりに使用されてもよい。任意の好適なセンサの代替形態が、使用されてもよい。

２つ以上のセンサが、これに限定されないが、ＰＩＤコントローラなどの制御モジュールに動作可能に連結される。水分レベルが、所定の閾値未満に収まる場合、１つ以上の水入口に水が導入されることになる。液体での、好ましくは蒸気状態での水の導入のための複数の入口を、スタックに設けることができ、通常、カソードコンパートメント内、アノードコンパートメント内、またはセル間のいずれかにつながることが想定される。しかし、スタックに沿って圧力が増加するため、追加の水のための１つの入口が第１圧力で供給原料流れ上に設けられて、その入口は第１センサの後にあり、水入口はスタックの前、または、第１アノードコンパートメント内につながるように設けられることが好ましい。一実施形態は、加湿器をとおして処理されるために気体を通過させる工程を含み、加湿が必要とならない場合には、バイパスが提供されてもよい。供給物の湿度が過度に高い場合、任意選択によるコンデンサが使用されてもよい。

湿気を帯びた酸素が、コンプレッサの最終のセルから流出した場合、それは、長期貯蔵の問題になり得る。湿気を帯びた酸素は、目的に適合しない場合があるか、または貯蔵タンクを損傷する場合があり、それゆえ貯蔵されてはならない。したがって、湿気を帯びた酸素がスタックから流出した場合、酸素が排気され得るか、または好ましくは乾燥され得ることが想定される。場合により、回収された水は再循環されるか、他の水を必要とする工程で使用されてもよい。好ましい実施形態において、湿気を帯びた酸素は、酸素の送り先に到達する前に出口から再循環され得る。コンプレッサスタックの早いステージで再導入するのに適したレベルにまで加圧酸素を減圧する手段を介して、出口から入口へと再循環させることが想定される。

過剰な水分が存在する場合には、排気の必要性を最小にするために、再循環の気体流れ上に一時貯蔵タンクが提供され得ることが想定される。一時貯蔵タンクは、凝縮された水分をタンクから除去するための排出手段を有し得ることが想定される。このシステムまたは別のシステムで再使用する水を誘導する手段を設けることが理想的である。

再生可能資源からの過剰エネルギーを活用することで、通常、電気分解により生成されるグリーンな酸素が生じる。この結果、酸素の発生は、必然的に不連続となり、この酸素は、一般に、工程の副生物と見なされる。したがって、電気化学圧縮スタックのための供給原料流れも、不連続となり得る。電気化学精製機とコンプレッサとは、間欠運転に適合したものである。中間的圧力、例えば、３５バールで酸素を貯蔵するために、バッファタンクを電解装置とコンプレッサとの間で使用することで、ＡＥＭコンプレッサに酸素をより一貫して供給することができる。

膜は全て同じ厚さでもよいが、膜（単独の、または、一緒になったＡＥＭおよび／または水管理膜）の厚さは、スタックのセル間で異なってもよいことが想定される。一実施形態において、第１セルの膜が最も厚く、後続のセルはより薄い膜を有してもよい。あるいは、水の滞留を助けるために、第１セルはより薄い膜を有して、膜が次第に厚くなってもよい。最初により厚い膜がある逆の例では、カソードの乾燥を軽減するために、膜は次第に薄くなる。さらに別の実施形態において、厚さは、非直線的に変動して、比較的薄いものから厚くなり、そして再度薄くなり得るか、または厚いものから薄くなり、再度厚くなり得るか、またはそれらの任意の変形例であり得る。厚い膜ほどより多くの水を保持するため、これらの膜は、水分レベルの変動に対してより高い弾力性を確実に有し、それにより伝導特性が確実に維持されて、酸素出口が湿気を帯びている可能性が確実に低減する。また、厚い膜ほど、より大きな圧力差に対して、より高い弾力性を有し得る。それにより、圧力差の段階的変化を同じにすることが必要とされるセルが少なくなる。

厚い膜ほど、より大きな圧力差に対して、一般的にはより高い圧力に対して比較的弾力性がある。それでも、膜の片側または両側に支持体を設け得ることが想定される。支持体は、任意の適切な材料、即ち、システムに有害な手法で反応しない材料であり得る。これに限定されないが、ニッケルフォームなど、任意の適切な膜支持体が使用されてもよい。支持体は、機械的応力に対する膜の弾力性を助けるためにメッシュまたは任意の他の適切な構造でもよい。さらに、膜支持体は、高い圧力差での膜のクリープを防ぐのに役立つ。

好ましい実施形態において、熱管理の手段がセルまたはセルのスタックに設けられる。加熱および／または冷却により、セル内または複数のセル内で確実に最適温度に到達することができる。最適温度は、室温を超えるが１００℃未満であることが想定される。最適温度は、９０℃未満、より好ましくは８０℃未満であることが想定される。好ましい実施形態において、温度は、４５℃と６５℃との間、より好ましくは５０℃と６０℃との間である。

セルまたはスタックの熱管理の手段が設けられてもよいことが想定される。例えば、スタックもしくはセルの１つの、もしくは各エンドプレートに、および／または中間フレームに設置された加熱カートリッジまたはラジエータを使用して、加熱および／または冷却されてもよい。別の代替例は、液体を上記で引用された構成要素のいずれかの内部で循環させたり、または接触させたりすることであるが、反応またはスタック効率に影響を及ぼし得る任意の構成要素とは接触しないで循環する液体であることが好ましい。出口を冷却することで、存在する水を凝縮し、負荷を制限し、または乾燥機の必要性を排除することができる。凝縮水は、再使用のために、または一体化された乾燥と水管理と熱管理とのシステムを提供するスタックそのものの中の冷却剤として、回収され得る。

スタックは、実質的に同一の断面積を有する各セルで構成されることが想定されるが、スタックは、様々な断面積のセルを含んでもよい。このような実施形態では、断面積は、第１セルから最終セルに向かって次第に小さくなり、これに応じて、電流密度が増加して、総電流に比例して同じ酸素流れを維持し、容積の低減により圧力上昇を受動的に促進し、その結果、アノード酸素流れにより、過剰な水が１つのセルから次のセルに輸送される際、電気浸透抗力を増加させることにより水管理を向上させる。電気浸透抗力は、水が生成される側に水を引張り（ＯＥＲアノード）、それにより電気浸透抗力は、過剰な水が浸水しやすいカソードに輸送された場合の助けになり得る。反対に、カソードが、脱水を受け易い場合、ＭＥＡ全体の水均衡を改善するために、より低い電流密度および／またはより薄い膜が必要となろう。これの例示的解決策は、水の逆拡散と電気浸透抗力との均衡を保つために使用されるより薄い膜である。その反対、すなわち、断面積が第１セルから最終セルに向かって次第に大きくなり、これに応じて、電流密度が低減して、１つのセルから次のセルまで次第に脱水する場合には、水管理が促進されるが、反応の結果として発生した水は、充分であると予測される。各セルの断面積は、変動してもよく、または、スタック内の多数のセルは、面積減少の前に同じ断面積を有してもよい。さらに別の実施形態では、断面は、非直線的に変動して比較的大きな断面から小さな断面に、そして再度大きな断面になっても、または小さな断面から大きな断面になり、小さな断面になってもよい。

セルまたはセルのスタックの断面は、任意の形状でもよい。形状は、円形、正方形、または長方形のいずれかであることが想定される。あるいは、これに限定されないが、五角形、六角形、七角形、八角形などの任意の他の形状が用いられてもよい。あるいは、任意の他の規則的または不規則的形状が、断面積のために使用されてもよい。

膜の様々な断面積と厚さとの組合せは、ＭＰＬまたはＧＤＬなどの他の記載された変形例に加えて、使用され得る。断面積がスタックに沿って減少する一実施形態では、膜厚は、スタックに沿って増加し得る。また、断面積を減少させて膜を薄くする逆のアプローチが使用されてもよい。このような構成は、運転電流密度と膜厚とが微調整される際に、水輸送の２つの対抗する駆動力である電気浸透抗力と逆拡散とが均衡を保つ限りにおいて、容積の低減による圧力増加を助け、ＭＥＡ全体または各ＭＥＡの最適な水飽和を維持するのに役立つ。他の実施形態では、前述の変形例の任意の組合せが使用されてもよい。

開始時に１つ以上の膜に充分な水が確実に存在することが重要であり、また、膜、一般にはＭＥＡが、組み立て時に実質的に飽和していることが確実となるようにコンプレッサの組み立てを考慮しなければならない。また、待機状態の間に、１つ以上の膜に充分な水が存在することも重要である。また、水を添加する手段が、１つ以上のアノードセルに設けられてもよい。

本発明は、アノードもしくはカソード触媒により、または触媒を堆積する方法により限定されるものではないが、触媒は導電性基材上で触媒スラリーまたはスプレーを使用することにより配置されてもよく、あるいは触媒層を形成する手段としては、ＣＣＭまたはデカール転写法が挙げられる。触媒は、通常、ナノ粒子を含み、導電性基材は、アノード上のカーボンクロスと、アノードおよび／またはカソード上のニッケルフォームまたはフェルトと、などの何かでもよい。結合剤もまた、場合によりＰＴＦＥなどの非伝導性の例で使用されるか、またはアイオノマもまた、結合剤として作用し得る。

電気化学的圧縮は可動部品を必要とせず、その全ての関連する利益を有することが、留意されなければならない。さらに、電気化学的圧縮は、代替の圧縮形態よりもかなり低いエネルギーしか必要としないため、本質的により環境に優しく、酸素の生成と管理とを考慮した場合に全体的効率を向上させる。圧縮は、使用された膜の弾力性に応じて、単一のステージで実現されてもよい。さらに、その工程を、断熱ではなく一定温度で行うことができる。

本明細書に記載のとおりの電気化学コンプレッサは、実質的に類似の構成を有する他の用途で使用されてもよい。

圧縮される酸素は、電気分解または別のグリーンな供給源を介して得られることが想定されるが、任意の考えられる供給源からのものでよい。この場合、電気化学セルまたは複数の電気化学セルは、すべてのシナリオに適用可能であるが、間欠運転される可能性が高い。圧力勾配の維持ではなく、勾配減少中／待機手順への移行中に、スタック内での圧力勾配が均一になる。待機状態への移行中にスタックへの電流の流れを逆にすることにより、セルまたは複数のセルからエネルギーを得ることが可能である。発生した電力は、後の使用のために任意の既知の手段により貯蔵されてもよい。このような運転により、エネルギー消費は最小限に抑えられる。起電力を発生させる圧力差を活用することにより、加圧酸素を減圧した結果、エネルギーが得られる。

セルまたはスタックから流出する加圧酸素が貯蔵されることが想定されるが、代替の実施形態によれば、加圧酸素を必要とする任意のシステムまたは適用例での直接の使用を可能にする。

開示されたとおりの電気化学セルまたはスタックへの別の代替的適用例は、酸素センサとして、である。潜在的に酸素を含む気体をセルのカソードに供給する工程と、セルまたはスタックに電圧を加える工程と、により、流れの中の酸素気体の存在が検出されてもよい。酸素が存在する場合、電流が測定されて、電流は分圧に比例する。反対に、電流がかけられてもよく、測定された電圧は、気体流れの中の酸素の存在を示す。加えて、各触媒ハーフセルの酸素分圧に勾配が存在する場合には、受動的に開回路電位／電圧が測定されてもよい。酸素センサとして使用されるセルのカソード内の圧力増加を防ぐために、望ましくない圧力増加を防ぐカソードからの出口が必要とされる。カソード出口がなければ、酸素についてテストされる流れは、セルからの経路を有さない。これは、別の適用例でさらに後述される。カソードの流速が高く、流れの中で酸素が高割合％である場合、電気化学セルは、唯一のセンサとして、または同時のセンサおよびコンプレッサとして作用するように構成されてもよい。圧力調節手段と制御システムとは、他の実施形態のように、どちらかの構成にも必要とされるであろう。

酸素を受動的に検出する別の手段は、セルの開回路電圧を測定することである。このような実施形態では、触媒は、ＡＥＭの両側で同一でもよい。開回路電位は、存在する気体の分圧に正比例する。既知の組成の気体流れを電気化学セルに導入することにより、センサのこのような実施形態での較正が必要になるであろう。

本発明によるシングルセル、またはセルのスタックのさらに別の適用例は、含有するのが酸素気体だけでない流れからの酸素の分離と圧縮とである。これらに限定されないが、一酸化炭素、二酸化炭素、またはアンモニアなどの幾つかの気体が、セルまたはスタックの寿命に悪影響を及ぼす場合がある。不純物は、電気化学的または他の方法で膜を通過してはならず、そのためカソードハーフセル内に残存することになる。第１セルのカソードハーフセルの圧力増加を防ぐために、気体不純物の除去用の出口が設けられる。しかし一部の不純物は、拡散により通過し得る。したがって、本発明の精製実施形態は、カソード出口を有する複数のセルを使用し得る。あるいは、または追加的カソード出口に加えて、相対的により厚い膜が、拡散による不純物のクロスオーバを制限するために、スタックの第１セルまたは複数の第１セルにおいて使用されてもよい。一部の酸素はカソード出口流れに残存する可能性があり、そのため気体はさらなる精製のためにカソードに再循環され得ることが想定される。例えば、前述のとおりの酸素センサは、酸素の存在を検出して再循環の必要性を決定するために使用されてもよい。

いずれの実施形態においても、カソード出口は、スタックにおける任意のセル上に設けられてもよいが、カソードハーフセルまたは複数のカソードハーフセルから不純物を除去できるように、第１セルまたはセルのステージに設けることが最も好ましい。これは、後続のセルにカソード出口が含まれることを排除しない。

圧力を調節する手段は、アノードセルの入口と、存在するならばアノードセルの出口と、カソードセルの出口のうち、いずれか１つ以上に設けられてもよい。このような手段としては、バルブが挙げられるが、これに限定されない。

図１は、シングルセルＡＥＭ電気化学コンプレッサを示す。 図２は、ＡＥＭ電気化学スタックを形成する複数のセルを示す。 図３Ａは、シングルセルＡＥＭ電気化学セルを示す。 図３Ｂは、ＡＥＭ電気化学スタックを形成する複数のセルを示す。 図４は、本発明での使用に適したＭＥＡを示す。 図５は、酸素センサとしての使用に適した、または、酸素含有気体の流れから酸素を除去するのに適した、本発明による電気化学セルを示す。 図６は、酸素のさらなる圧縮のために追加的セルを備えた図５の電気化学セルを示す。 図７Ａは、第１圧縮ステージとして多数のセルを備える電気化学コンプレッサを示す。 図７Ｂは、代替の配置での、第１圧縮ステージとして多数のセルを備える電気化学コンプレッサを示す。

本発明を理解しやすくするために、実施例を用いて、添付図面を参照しながら、本発明の具体的な実施形態について説明する。

図１を参照すると、シングルセルＡＥＭ電気化学コンプレッサ１が示されている。入口２と出口３とが設けられている。入口２を通して、電解装置または他の酸素供給源のどちらかからの主に酸素の流れが、カソードハーフセル５に供給されて、ＭＥＡ４は、カソードハーフセル５とアノードハーフセル６とを分離する。酸素は、第１圧力Ｐ_１でカソードハーフセル５に流入し、アノードハーフセル６内でより高い第２圧力Ｐ_２まで圧力が増加する。カソードハーフセルとアノードハーフセルとにおける反応は、以下のとおりである。
ＡＥＭカソード（ＯＲＲ）
Ｏ_２＋４ｅ^－＋２Ｈ_２Ｏ → ４ＯＨ^－
ＡＥＭアノード（ＯＥＲ）
４ＯＨ^－ → Ｏ_２＋４ｅ^－＋２Ｈ_２Ｏ

ＭＥＡ４は、２つのハーフセルを分離して、少なくともカソードと、アノードと、カソードとアノードの間のＡＥＭと、で構成される。第２ＡＥＭ、ＧＤＬまたはＭＰＬなどの追加の層が使用されてもよく、それらの特性は、前述のとおり必要に応じて変動する。図４は、ＭＥＡ４の拡大図である。

アノードで発生した水は、膜に結合するようになるとすぐに、カソードの反応で消費される。カソードで発生したＯＨ^－は、アノードに移動するとすぐに、アノードの反応で消費される。アノードからの電子は、カソードで消費される。

水または水素などの不純物は、酸素入口に存在し得ることに留意されたい。水は、前述のとおり挙動して、水素は、使用される触媒に応じて、酸素と反応して水を形成し得るか、または過前述の方法により精製され得るため、水または水素のどちらも問題はない。本発明が空気から酸素を得る際に使用される例では、他の不純物としては、空気の構成要素を挙げることができる。

シングルセルＡＥＭ電気化学コンプレッサは、必要とされる圧力に達するのに不十分である可能性が最も高く、そのため図２に示すように、複数のセルが直列で使用されてスタックを形成してもよい。

図２（ＢＯＰは図示されない）は、スタック１０を形成する複数のセル１ａと１ｂと１ｃとを表して、１ｂの周りの角括弧は、１つのスタック内に３つより多くのセルが存在し得ることを示している。１つのスタック内のセル数は、本発明を限定する特徴ではないものとする。電解装置または一時貯蔵庫、または他の供給源からの酸素は、入口２ａを通ってＰ_１で第１カソードコンパートメントに入る。カソード反応が起こり、３ａ内がＰ_２に達するまで、アノード反応によりアノードで酸素が発生する。第１アノード６ａからのＰ_２の酸素は、入口２ｂに連結された出口３ａを通して依然としてＰ_２で、第２セル５ｂのカソードに連通される。第２カソード反応とアノード反応とが、ハーフセル５ｂと６ｂとで起こり、Ｐ_３に達するまで、第２アノード６ｂコンパートメントで酸素が生成される。これが、この図１ｃのスタックの最終のセルまで直列で継続して、酸素は、最終圧力Ｐ_４である最終出口３ｃから貯蔵タンク、または加圧酸素を必要とする他の送り先に供給される。制御システムとＢＯＰとは、図示されていない。

図３Ａと３Ｂとを参照すると、様々なＭＥＡ断面積を有するセルが示される。図３Ａは、ＭＥＡ４に向かって狭くなる狭小部７を有するシングルセル１１を示して、図３Ｂは、直列に配置されているこのような２つのセルを示す。２つの破線Ｘ－－－－Ｘは、第２セルのＭＥＡ４が第１セルのＭＥＡ４より小さいことを示す。このような差異は、スタック内の各セルで観察されるＭＥＡにかかる機械的応力の管理を助けて、水管理を向上することを目的としている。開示された他の手段としては、厚さに関して様々な膜と、機械的特性に加えて化学的特性と生理化学的特性と、これまで議論されたセルの構成要素（即ち、ＷＡＭＭ、ＭＰＬの型と場所、複合膜など）と、が挙げられる。

図４を参照すると、様々な構成部品を有するＭＥＡ４が模式的に示されている。左から右に向かって順に、カソードＧＤＬ４５ａと、カソード触媒４２と、陰イオン交換膜４１と、アノード触媒４３と、ＭＰＬ４４と、アノードＧＤＬ４５ｃと、が設けられている。中心的な構成要素は、２つの触媒と膜とであり、他の構成要素は、システムの機能性を改善向上し得る。ＭＰＬ４４は、所望の結果を実現する異なる特性を有するために、セル間で変動する可能性があり、そのような差は示されていない。スタックの後の方のセルのより疎水性であるＭＰＬは、膜から脱離する水を最小限に抑え、それによりスタックから出る加圧酸素が可能な限り乾燥した状態を確保しなければならない。ＭＰＬがカソード側とアノード側とに存在する場合、またはＭＰＬがカソード側のみに存在する場合の変形例は、示されていない。

図５を参照すると、酸素と不純物とを含有する気体の流れから酸素を分離しながら酸素を圧縮するのに適した、または酸素センサとして適した本発明による電気化学セル２１の図が示されている。最初に、酸素を取り出す手段としての動作について説明される。

この実施形態のカソードハーフセル２５は、酸素を含む流体流れの導入のための入口２２と、カソードハーフセル２５内で圧力が増加するのを防ぐために他の不純物気体を移送するためのカソード出口２７と、を有するが、出口２７上の出口を調節する手段、通常はバルブ、は図示されていない。電流が、セルに加えられると、酸素は、先の実施形態で開示されたように反応するが、残りの気体は、反応しない。これは、酸素はＡＥＭ２４を横切ってアノードハーフセル２６に到達し、不純物気体はカソードハーフセル２５に残留することを意味する。酸素は、高圧Ｐ_２でアノードハーフセル２６から出る。Ｐ_２の圧力は、この実施形態と任意の実施形態とにおいて、圧力を上昇させるために、バルブなどの任意の既知の圧力調節手段により調節されてもよい。

また、図５に示すようなセルは、酸素センサとして使用されてもよい。このような実施形態において、酸素が存在するかどうかが分からない気体流れは、入口２２によりセル２１に供給される。低電圧がセルに加えられると、存在する酸素があれば、電流が検出され得るであろう。測定された電流は、流れの中の酸素の分圧または濃度に比例するはずである。あるいは、各触媒ハーフセルの酸素分圧に勾配が存在する場合には、受動的に開回路電位／電圧が、測定されてもよい。カソードハーフセル内の出口２７は、カソードハーフセル内に残留する他の不純物気体による望ましくない圧力増加を防ぐために、他の気体の除去を可能にする。酸素の検出に適合されたセル内のアノード出口２３は、さらなる圧縮または他の目的のためにセルからの酸素と連通する。センサは、単に酸素の存在を検出し、酸素の存在をユーザに知らせるために使用されてもよく、このような実施形態では、圧縮は望ましくない場合がある。

図６を参照すると、図５のセル２１ａが示されており、セル２１ａは、スタック内の第２セル２１ｂのカソード入口２２ｂに連結しているアノード出口２３ａを備える。酸素のさらなる圧縮を可能にするために、より多くのセルが連結され得ることに留意されすべきである。その手順は、他のスタックに関する記載をほぼ反映しており、違いは、セル２１ａにおける不純物を含む流れからの酸素の取り出しである。精製されて、アノードハーフセル２６ａ内で圧縮された酸素は、出口／入口２３ａ、２２ｂによりカソードハーフセル２５ｂに連通される。酸素が膜２４ｂを横切ってアノードハーフセル２６ｂに到達する際に、セル２１ｂは、酸素をさらに圧縮する。さらなる圧縮が望ましい場合、さらなるセルが直列で使用され得ることに留意すべきである。

図７Ａと７Ｂとは、電気化学スタックの代替の配置の２つの実施形態を示す。まず、図７Ａを参照すると、圧縮の第１ステージでスタックを形成する少なくとも２つの電気化学セル３１ａと３１ｂとが、並列で連結されている。酸素は、第１圧力で各アノード３５ａ、３５ｂに流入し、電流がかけられると、前に開示されたカソード反応とアノード反応とが起こる。酸素は、アノードハーフセル３６ａと３６ｂとの中で改質して、圧力と流量との調節手段（不図示）が、第２圧力でアノード出口３３ａと３３ｂとからの酸素の連通を可能にする。その後、パイプ３７に示されるとおり、各ステージのアノード出口が組み合わされて、第２圧力の酸素は、次の圧縮ステージでのセルまたは複数のセルのカソード入口３２ｃへの供給物を形成する。各ステージでのセルの数、または圧縮ステージの数に制限はない。１つのステージにおける各セルの圧力差は、一般的に同じであろうが、ステージの間で異なる可能性がある。

最後に、図７Ｂを参照すると、１つのステージを形成する複数のセル５１ａと５１ｂとを有する電気化学コンプレッサを見ることができる。前述のとおり、各ステージに２つより多くのセルが存在し得る。酸素は、第１圧力でカソード入口５２ａ、５２ｂを通って流入し、前に開示された反応メカニズムを介して膜５４ａと５４ｂとを通過し、アノードハーフセル５６ａ、５６ｂで改質する。第２圧力の酸素は、アノード出口５３ａと５３ｂとを介して、アノードハーフセルから配管５７に連通されて、その流れが、圧縮の次のステージのための供給物を形成する。酸素は、カソード入口５２ｃを通って圧縮の次のステージのセル５１ｃに流入する。セル５１ａと５１ｂと５１ｃとは、絶縁層５８により分離されている。

図示されていないが、供給物５７は、圧力調節手段と、ＢＯＰを構成する他の特色と、を含むことに留意すべきである。

明瞭にするために、これらの実施例において、セル３１ａと３１ｂとが、１つのステージを構成して、セル３１ｃが、１つのステージを構成する。同様に、図７Ｂにおいて、セル５１ａと５１ｂとが、１つのステージを構成して、セル５１ｃが、独自のステージを構成する。図２において、セル１ａと１ｂと１ｃとは、それぞれ独自のステージを構成する。ステージは、要件に応じて、同じ数または様々な数のセルを有してもよい。各ステージは、ステージを形成する２つ以上のセルを有してもよい。

一定の流量を維持するために、各セルの圧力差が同じであれば、各ステージにおけるセルの膜上の電流の合計は、実質的に類似することになる。１つのステージのセルが、より高い圧力差を有する場合、電流密度が、前述のとおりより高くなり、逆流の主な原因となるであろう。

本発明は前述の実施形態のいずれかの詳細に限定されるものではない。例えば、ＡＥＭを備えた１つまたは複数のセルを使用する、酸素の任意の電気化学コンプレッサも、本発明に含まれる。

電気化学コンプレッサ内の構成要素の製造方法は、本発明を限定するものではない。

コンプレッサを流出する酸素は、大部分が乾燥しているはずであるが、必要に応じて、加圧貯蔵前に、または使用の前に、酸素が実質的に乾燥していることを確実にするために、乾燥機が最終出口に設けられてもよい。

本発明は、使用される触媒（非ＰＧＭでは好適性があるが）、膜の組成、最終圧力、または、任意の他のこのような構成要素に限定されないものとする。

両端に酸性領域とアルカリ性領域とを有するｐＨ勾配が、極端な電流密度で起こり得ることが想定されるが、本発明におけるｐＨは、実質的に７以上、より好ましくはさらに実質的に９から実質的に１４まで、さらにより好ましくは実質的に１２から実質的に１３までであることが、好ましい。いずれの場合でも、本発明は、ｐＨ勾配に左右されない。

多くの場合、酸素を圧縮する必要があるが、本発明は、圧縮を必要とせず、酸素流れの精製のみに使用され得ることが想定される。このような実施形態において、セル間の酸素の流れとセル内で行われる精製とを可能にする、セル間の圧縮を意図した圧力調節の手段、例えば、これに限定されないが、バルブなどを設けることなく、本発明にかかるセル、またはセルのスタックが使用されてもよい。開示された水管理の手段は、酸素の乾燥を助ける。前述かつ図示したようなセルは、開示された機能、すなわち、センサ、コンプレッサ、乾燥機、またはこれらの組み合わせのいずれかで構成されてもよい。

不純物は、通常、第１カソードハーフセルの中に残存する。水以外の不純物が存在する場合、カソードハーフセルのための出口は、前述のＣＯ_２などの不純物を除去する任意選択の手段と共に、第１セル内の圧力増加を防ぐために好ましい。カソードが溢れるのを防ぐために、出口により水がパージされる。

圧縮酸素は、工業的工程、医療目的、貯蔵のため、または燃料電池内で使用されることが想定されるが、代替物の使用はこの適用により除外されない。

スタック内には多数のセルを備えることができるが、実質的に１０００バールを超える酸素が必要となることは想定されない。１セルあたり３５バールまで圧力を増加させると、各スタックが有するセルの数は３０以下であろうと想定される。

本発明は、複数の方法で配置されることができる。１つ以上のセルが、１つの圧縮ステージを形成する場合、各ステージが、スタックと見なされてもよい。このようなスタックは、スタック自体が直列または並列に配置されてもよい。

本発明は、酸性環境またはＰＧＭ触媒に依存せず、可動部品を備えない。したがって、本システムは、既知の代替物よりも本質的に効率的であり、酸素圧縮のグリーン認証（ｇｒｅｅｎ ｃｒｅｄｅｎｔｉａｌｓ）を改善する。

Claims (25)

1. 第１圧力で酸素を含む気体流れを受け取るように構成された入口を有するカソードハーフセルと、
   第２圧力で酸素を移送するように構成された出口を有するアノードハーフセルと、
   前記カソードハーフセルと前記アノードハーフセルとを分離する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、
   電力源と、
   を有してなり、
   前記ＭＥＡは、少なくとも、
   カソード電極と、
   アノード電極と、
   前記カソード電極と前記アノード電極との間の少なくとも１つの陰イオン交換膜（ＡＥＭ）と、
   を備える、
   ことを特徴とする電気化学セル。
2. 少なくとも１つのカソード出口、
   を有してなる、
   請求項１記載の電気化学セル。
3. 前記カソードハーフセルの前記入口と、
   前記アノードハーフセルの前記出口と、
   存在する場合は、前記カソードハーフセルの出口と、
   のうち、いずれか１つ以上に設けられる圧力調節手段、
   を有してなる、
   請求項１または２記載の電気化学セル。
4. 前記アノードハーフセルの前記出口に設けられる前記圧力調節手段は、使用時に、前記アノードハーフセルにおける気体の圧力を前記カソードハーフセルにおける気体の圧力よりも高く維持するように構成されている、
   請求項３記載の電気化学セル。
5. 前記ＭＥＡは、１つ以上の触媒を備える、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
6. １つ以上の前記触媒は、白金族金属ではない、
   請求項５記載の電気化学セル。
7. 前記ＭＥＡは、
   カソード気体拡散層（ＧＤＬ）と、
   アノードＧＤＬと、
   アノード側および／またはカソード側の多孔層（ＭＰＬ）と、
   前記カソード側および／または前記アノード側の水管理膜と、
   前記アノード側および／または前記カソード側の膜支持体と、
   のうち、いずれか１つ以上を備える、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
8. 前記ＡＥＭは、複合膜を備える、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
9. 前記ＡＥＭは、ＯＨ^－の供給源でドープされる、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載の電気化学セル。
10. 前記ＡＥＭの少なくとも前記カソード側にアイオノマを含み、および／または
    前記ＡＥＭの前記カソード側と前記アノード側とにアイオノマを含み、
    前記アイオノマの濃度は、前記アノード側と前記カソード側の一方または両方で変動する、
    請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電気化学セル。
11. 前記ＭＥＡは、前記ＡＥＭの前記アノード側または前記カソード側の少なくとも一方でアイオノマフリーおよび／またはバインダフリーである、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の電気化学セル。
12. 前記ＡＥＭは、吸湿性粒子を含む、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電気化学セル。
13. 前記吸湿性粒子は、濃度勾配で配置されて、
    前記吸湿性粒子の濃度は、前記ＡＥＭの前記カソード側において、より高くなる、
    請求項１２記載の電気化学セル。
14. 前記吸湿性粒子は、濃度勾配で配置されて、前記濃度勾配は、非直線的である、
    請求項１２または１３記載の電気化学セル。
15. 前記圧力調節手段は、使用時に、１－１０００バールの範囲で前記電気化学セルにかかる圧力差を維持するように構成されている、
    請求項３、または、請求項３に従属する請求項４乃至１４のいずれか一項に記載の電気化学セル。
16. 前記アノードハーフセルの前記出口と連結している水分センサ、
    を有してなる、
    請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の電気化学セル。
17. 使用時に、勾配減少中に前記セルにより生成された電力が貯蔵される、
    請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の電気化学セル。
18. 前記電力源は、逆パルスである、
    請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の電気化学セル。
19. 請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の電気化学セルを備える酸素センサであって、
    第１カソードハーフセルは、出口を備え、
    前記酸素センサは、
    前記電気化学セルに電圧をかける手段と、
    前記電圧をかけた結果として、前記電気化学セルを流れる電流を測定するように構成された電流測定手段と、
    を有してなり、
    前記電流は、前記電気化学セルを流れる気体流れにおける酸素の存在を示す、
    ことを特徴とする酸素センサ。
20. 請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の電気化学セルを備える酸素センサであって、
    前記カソードハーフセルは、出口を備え、
    前記酸素センサは、
    前記電気化学セルに電流を流す手段と、
    前記電流を流した結果として、前記電気化学セルにかかる電圧を測定するように構成された電圧測定手段と、
    を有してなり、
    前記電圧は、前記電気化学セルを流れる気体流れにおける酸素の存在を示す、
    ことを特徴とする酸素センサ。
21. 気体流れから酸素を取り出す装置であって、
    請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の電気化学セルを備え、
    前記カソードハーフセルは、前記電気化学セルの不純物気体を排気させるように構成された出口を備える、
    ことを特徴とする装置。
22. スタック内に構成されている、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の、少なくとも、
    第１電気化学セルと、
    第２電気化学セルと、
    を有してなり、
    前記第１電気化学セルの前記アノードハーフセルの前記出口は、前記第２電気化学セルの前記カソードハーフセルの前記入口と流体連通している、
    ことを特徴とする電気化学セルアセンブリ。
23. スタックとして直列に配置された、請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の複数の電気化学セル、を有してなり、
    前記スタックにおける最終の前記電気化学セル以外の前記電気化学セルそれぞれの前記アノードハーフセルの前記出口は、前記スタックにおける直接隣接する前記電気化学セルの前記カソードハーフセルの前記入口と流体連通して、
    前記スタックにおける最終の前記電気化学セルの前記アノードハーフセルの前記出口は、外部の送り先へ酸素を輸送するように構成されている、
    請求項２２記載の電気化学セルアセンブリ。
24. 酸素を含有する気体流れを処理する方法であって、
    請求項１乃至１９のいずれか一項に記載の電気化学セルを提供する工程と、
    前記カソードハーフセルの前記入口に酸素含有気体流れを供給する工程と、
    前記アノードハーフセルの前記出口から酸素を送出する工程と、
    を含む、
    ことを特徴とする方法。
25. 酸素を含有する気体流れを処理する方法であって、
    請求項２２または２３記載の電気化学セルアセンブリを提供する工程と、
    前記スタックにおける前記第１電気化学セルの前記カソードハーフセルの前記入口に酸素含有気体流れを供給する工程と、
    前記スタックにおける前記電気化学セルそれぞれの前記アノードハーフセルの前記出口から、別の前記電気化学セルの前記カソードハーフセルの前記入口へと、酸素を移送する工程と、
    前記スタックの最終の前記電気化学セルの前記アノードハーフセルの前記入口から、外部の送り先へと、酸素を輸送する工程と、
    を含む、
    ことを特徴とする方法。
    
    

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