JP3102942B2 - 電気化学的ガス圧縮機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ガスを電気化学的な
反応を利用して圧縮するための電気化学的ガス圧縮機に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のガス圧縮機は、ガスを空間内で密
封しその空間の容積を機械的な運動に伴い減少させるこ
とによりガスの圧縮を行なっていた。このような圧縮機
では機械的な運動による振動や部品の劣化が問題となっ
ていた。そのため、機械的な部品を使わない圧縮機とし
て、イオン電導性の膜を用いた電気化学的ガス圧縮機が
提案されている。例えば、図７は米国特許明細書第４６
７１０８０号に開示された従来の電気化学的水素圧縮機
の断面を拡大して示す図で、同図において、１は約０．
２ｍｍの厚みを有するイオン導電性膜、２は白金等の触
媒を担持した陽極のガス拡散電極、３は同様の触媒を担
持した陰極のガス拡散電極、４は陽極側のガス流路、５
は陰極側のガス流路、６は陽極側の金属集電体、７は陰
極側の金属集電体である。

【０００３】次に動作について説明する。ガス拡散電極
２側のガス流路４に入った水素ガスは、このガス拡散電
極２上で電子を失い下記化１に従って水素イオンを生成
する。 Ｈ₂＋２Ｈ₂Ｏ→２ｅ~＋２Ｈ₃Ｏ⁺

【０００４】水素イオンはイオン導電性膜１中の水を伴
い電圧を駆動力として他方のガス拡散電極３まで進み、
このガス拡散電極３上で電子を受け取り下記化２に従っ
て水素ガスに戻る。 ２ｅ~＋２Ｈ₃Ｏ⁺→Ｈ₂＋２Ｈ₂Ｏ

【０００５】上記ガス拡散電極３上で生成した水素ガス
はイオン導電性膜１を通ることができず、また、電圧に
よるイオンの移動力は大きいので、ガス拡散電極３側に
水素ガスが徐々に蓄積されて水素ガスの圧力が上昇す
る。このとき、金属集電体６、７は各ガス拡散電極２、
３に電圧を印加すると共にガス拡散電極２、３及びイオ
ン導電性膜１を機械的に補強する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の電気化学的水素
圧縮機は、上述のように構成されており、ガス拡散電極
２、３間に掛ける電圧は下記数１のようになる。 Ｅ＝Ｅ₀＋（ＲＴ／２Ｆ）×ｌｎ（Ｐ₂／Ｐ₁）＋ｉｒ

【０００７】但し、数１においてＥ₀は水素のイオン化
電位、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｆはファラデー定数、
Ｐ₁はガス拡散電極２側の水素圧力、Ｐ₂はガス拡散電極
３側の水素圧力、ｉは電流、ｒは電気抵抗を示す。

【０００８】ここで上記両極２、３にかかる電圧につい
て内訳を見ると、右辺第１項のイオン化電位Ｅ0は０．
０２Ｖ、第２項はいわゆるネルンスト加電圧で、この加
電圧は両極２、３のガス圧力で決まるが、ガス圧力を１
００気圧に圧縮した時でも０．０６Ｖである。しかしな
がら、第３項の抵抗は４００ｍＡ／ｃｍ²程度の電流で
も０．１Ｖと大きく、全電圧の５５％を占めている。つ
まり、この圧縮機の電圧効率はイオン導電性膜４の電気
抵抗が大きいために非常に小さくなるという問題があっ
た。イオン導電性膜４の抵抗はその厚みが約０．２ｍｍ
の時のものであり、イオン導電性膜４の電気抵抗を小さ
くするためにはその膜厚を薄くすればよいが、膜厚を薄
くすれば、その機械的強度が落ち、例えば、０．２ｍｍ
の膜厚では１００気圧の差圧には十分耐えるが、膜厚が
０．０２５ｍｍでは２０気圧、０．１３ｍｍでは７気圧
程度の差圧にしか耐えられない。従って、従来の電気化
学的水素ガス圧縮機では、電気的特性を上げようとする
と、機械的な信頼性が低下するという課題があった。

【０００９】また、従来の電気化学的水素ガス圧縮機で
は、イオン導電性膜４のイオン導電性維持するために
は、イオン導電性膜４に十分な水分が必要であるが、水
素イオンが膜中を移動する際に、上述のように水分も一
緒に移動するため、陽電極２上には水分を補給する必要
がある。しかし、電流が少ない時には陰電極３上の水が
拡散によって膜４を逆流して陽電極２に戻るが、別途に
水を供給しなければ、大きな電流を継続して流すことが
難しいという課題があった。

【００１０】この発明は、上記課題を解決するためにな
されたもので、機械的な信頼性及び優れた電気的特性を
有すると共に、軽量且つコンパクトで大きな出力を得る
ことができる電気化学的ガス圧縮機を提供することを目
的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】第一の発明は、両ガス拡
散電極間に、イオン導電性固体電解質体とガス拡散電極
とを交互に複数積層して複数の単電池を一体構造にした
ものである。

【００１２】第二の発明は、第一の発明における、各単
電池間に位置するガス拡散電極に水分補給する水分補給
路を設けたものである。

【００１３】第三の発明は、第一の発明または第二の発
明のおける、各単電池間に位置するガス拡散電極に外部
電気回路を接続し、複数の各単電池にかかる電圧を可変
にしたものである。

【００１４】第四の発明は、イオン導電性固体電解質体
に補強体を一体化して設けたものである。

【００１５】第五の発明は、第四の発明における補強体
に水分を補給する水分補給路を設けたものである。

【００１６】

【作用】第一の発明によれば、各単電池間に介在するガ
ス拡散電極によってイオン導電性固体電解質体を機械的
に補強すると共にそれぞれの電極内に含まれる水分でイ
オン導電性固体電解質体の水分を保持することができ
る。

【００１７】第二の発明によれば、水分補給路から各単
電池間に位置するガス拡散電極へ水分を直接補給してこ
れらの電極を常時湿潤な状態に保持すると共にガス拡散
電極を介してイオン導電性固体電解質体へこの水分を補
給することができる。

【００１８】第三の発明によれば、ガス圧縮機の圧縮時
のガス圧力に適した電圧を各単電池に印加することがで
きる。

【００１９】第四の発明によれば、イオン導電性固体電
解質体と一体化された補強体によって単電池の機械的強
度を補強することができる。

【００２０】第五の発明によれば、水分補給路から補強
体へ水分を直接補給してイオン導電性固体電解質体の水
分を保持することができる。

【００２１】

【実施例】以下、図１〜図６に示す実施例に基づいて従
来と同一または相当部分には同一符号を付してこの発明
を説明する。

【００２２】実施例１．この実施例の電気化学的ガス圧
縮機は、図１に示すように、従来公知のイオン導電性固
体電解質体（プロトン導電性膜）１の両側それぞれに白
金等の従来公知の触媒を担持したガス拡散電極２、３を
配してなる電池に、イオン化可能な水素ガスを投入して
両ガス拡散電極２、３に所定の電位を与えることによ
り、投入されたガスが一方のガス拡散電極２上でイオン
化してプロトン導電性膜１をイオンとして移動し、他方
のガス拡散電極３上でガスに戻ることにより、他方のガ
ス拡散電極３側で圧縮したガスを得ることができるよう
に構成されている。そして、上記ガス拡散電極２は陽極
を、ガス拡散電極３は陰極を構成し、各ガス拡散電極
２、３の外面には水素ガスのガス流路４、５が形成され
た金属集電体６、７が従来と同様に設けられている。

【００２３】而して、上記電気化学的ガス圧縮機は、上
記ガス拡散電極２、３間に３枚のプロトン導電性膜１、
１１、１２と２枚のガス拡散電極８、１８とが交互に順
次圧着積層されて３個の単電池を構成し、これら３個の
単電池が一体構造として構成されている。そして、上記
ガス拡散電極２、３間に介在するガス拡散電極８、１８
はそれぞれの上下の単電池に共有されている。また、ガ
ス拡散電極８の周囲には各プロトン導電性膜１、１１の
周縁部に位置するスペーサ９が溝を形成して介装されて
いる。これと同様に、ガス拡散電極１８の周囲にもスペ
ーサ９が設けられている。

【００２４】次に上記電気化学的ガス圧縮機の動作につ
いて説明する。まず、ガス流路４に流入した水素ガス
は、ガス拡散電極２上で従来と同様に下記化３に示すよ
うにその電子を失ってイオン化して水素イオンを生成す
る。 Ｈ₂＋２Ｈ₂Ｏ→２ｅ~＋２Ｈ₃Ｏ⁺

【００２５】水素イオンはプロトン導電性膜１中の水を
伴い電圧を駆動力としてガス拡散電極８まで進み、ガス
拡散電極８上で電子を受け取り下記化４に従ってガスに
戻る。 ２ｅ~＋２Ｈ₃Ｏ⁺→Ｈ₂＋２Ｈ₂Ｏ

【００２６】上記ガス拡散電極８上でガスに戻った水素
は、ガス拡散電極８上のプロトン導電性膜１１の近傍で
再度電子を失って水素イオンを生成し、プロトン導電性
膜１１をヒドロニウムイオンとしてガス拡散電極１８ま
で移動し、更にガス拡散電極１８上で再度電子を受け取
って水素ガスに戻る。更に、プロトン導電性膜１２の近
傍で再度電子を失って水素イオンを生成し、プロトン導
電性膜１２をヒドロニウムイオンとしてガス拡散電極３
まで移動してガス拡散電極３上で電子を受け取って水素
ガスになる。斯くして、陰極であるガス拡散電極３側に
水素ガスが徐々に蓄積されて水素ガスが徐々に圧縮され
る。

【００２７】従って、実施例１によれば、ガス拡散電極
８、１８を各プロトン導電性膜１、１１、１２間に介在
させたため、これらの電極８、１８によって各プロトン
導電性膜１、１１、１２を機械的に補強することがで
き、電気化学的ガス圧縮機の機械的な信頼性を向上させ
ることができる。また、このように機械的強度が補強さ
れた各プロトン導電性膜１、１１、１２それぞれの膜厚
は薄くすることができ、ガス拡散電極２、８、１８中か
ら移動してくる水の各膜１、１１、１２での拡散力が大
幅に向上して電気化学的ガス圧縮機の電気的特性を向上
させることができる。

【００２８】また、上記電気化学的ガス圧縮機では、ガ
ス拡散電極２、３間にかける電圧Ｅは下記数２に示すよ
うになる。 Ｅ＝Ｅ₀×３＋（ＲＴ／２Ｆ）×ｌｎ（Ｐ₂／Ｐ₁）＋ｉ
ｒ

【００２９】この実施例の電気化学的ガス圧縮機の印加
電圧を従来のものと比較すると、この実施例の電気化学
的ガス圧縮機の印加電圧を示す上記数１の右辺第２項の
ネルンスト加電圧は０．０６Ｖで従来のもののネルンス
ト加電圧と変らないが、右辺第１項のイオン化電位Ｅ₀
は従来の単電池の３倍の０．０６Ｖになっている。ま
た、第３項の抵抗については、上記各プロトン導電性膜
１、１１、１２の膜厚を上述のように薄くすることがで
き、総和でも従来のその膜厚よりも薄くすることがで
き、更に、これらの各膜１、１１、１２には上述のよう
に水分がその拡散により十分に供給されるため、各膜自
体の抵抗が小さくなって総加電圧を小さくして電気的特
性を向上させることができる。

【００３０】以上説明したようにこの実施例１によれ
ば、機械的な信頼性及び優れた電気的特性を有すると共
に、軽量且つコンパクトで大きな出力を得ることができ
る電気化学的ガス圧縮機を提供することができる。

【００３１】実施例２．この実施例の電気化学的ガス圧
縮機は、図２、図３に示すように、実施例１における電
気化学的ガス圧縮機の金属集電体７に二つの水分補給路
２０、２１が設けられている。そして、各プロトン導電
性膜１１、１２及びスペーサ９、９には孔１１Ａ、１２
Ａ、１２Ｂ及び９Ａ、９Ａ、９Ｂをそれぞれ設けられ、
これらの孔１１Ａ、１２Ａ、１２Ｂ及び９Ａ、９Ａ、９
Ｂを介して各水分補給路２０、２１からの水を各ガス拡
散電極８、１８へそれぞれ補給するようにしている。即
ち、一方の水分補給路２０からはガス拡散電極８へ、他
方の水分補給路２１からはガス拡散電極１８へ水分をそ
れぞれ補給するようにしている。その他は実施例１と同
様に構成されている。

【００３２】従って、実施例２においても実施例１と同
様にして水素ガスを圧縮することができるため、ここで
は水分の補給についてのみ説明する。実施例２では、水
素イオンの移動に伴い、各プロトン導電性膜１、１１、
１２の陽極側の水は陰極側へ移動する。この際、各プロ
トン導電性膜１、１１、１２内の水の拡散が十分でない
と、各プロトン導電性膜１、１１、１２の陽極側の表面
が乾燥しがちになる。そこで、水分補給路２０から水を
補給すると、この補給水は、図３に実線で示すようにプ
ロトン導電性膜１２の孔１２Ａ、スペーサ９の孔９Ａ及
びプロトン導電性膜１１の孔１１Ａを経由してスペーサ
９の孔９Ａからその内側の溝に達し、この溝でガス拡散
電極８に浸透する。浸透した水はガス拡散電極８を介し
てプロトン導電性膜１１の乾燥した陽極側表面を潤し、
プロトン導電性膜１１におけるイオン導電性の低下を防
止する。また、水分補給路２１から水を補給すると、こ
の補給水は、図３に実線で示すようにプロトン導電性膜
１２の孔１２Ｂ、スペーサ９の孔９Ｂを経由してスペー
サ９の内側の溝に達し、この溝でガス拡散電極１８に浸
透し、同様にプロトン導電性膜１２のイオン導電性の低
下を防止し、延いては実施例１の電気化学的ガス圧縮機
よりも電気的特性が向上し、大流量の水素ガスを圧縮す
ることができる。

【００３３】尚、実施例２において、水を補給する場合
には、外部にポンプを設置してこれから水を補給するよ
うにしてもよいが、水の注入口と高圧側のガスの出口５
をバルブを介して接続して圧縮した圧力を利用して水を
補給するようにしてもよい。このことは後述する実施例
５においても同様である。

【００３４】実施例３．この実施例の電気化学的ガス圧
縮機は、図４に示すように、実施例１または実施例２に
おける電気化学的ガス圧縮機の各ガス拡散電極８、１８
に外部電気回路３０が接続されて、各単電池にかかる電
圧を可変にしたものである。電気回路３０は、陽極であ
るガス拡散電極２に接続された導線３１、陰極であるガ
ス拡散電極３にそれぞれ接続された導線３２、これらの
導線３１、３２を介してガス拡散電極２、３にそれぞれ
接続された直流電源３３、ガス拡散電極８に接続された
導線３４、導線３１、３４を介してガス拡散電極２、８
にそれぞれ接続された直流電源３５、及びガス拡散電極
１８に接続された導線３６、導線３１、３６を介してガ
ス拡散電極２、１８にそれぞれ接続された直流電源３７
を備えている。

【００３５】従って、実施例３においても実施例１と同
様にして水素ガスを圧縮することができるため、各単電
池の印加電圧を変える場合について説明する。ガス拡散
電極２に水素ガスを流し、直流電源３３からガス拡散電
極２、３間に電圧を印加すると、水素ガスは、実施例１
で説明したようにガス拡散電極３上で圧縮された状態で
流出するが、この際、ガス拡散電極２、８間及びガス拡
散電極８、１８間の印加電圧はそのときのガス圧力の状
態で変動する。この際、各ガス拡散電極間の電圧を任意
に設定すれば、導線３４、３６に電流が流れている間、
各ガス拡散電極８、１８の空孔内に蓄積される水素ガス
の量が増減してガス圧力が変動して各電極間のネルンス
ト電圧が変化する。その設定した電圧に見合うだけのネ
ルンスト電圧に見合う圧力分布に達した時、導線３４、
３６に流れる電流は止まり、設定した電圧に応じた圧力
分布になる。従って、この実施例によれば、各ガス拡散
電極間に印加する電圧を適宜設定することによって各単
電池毎の性能を最大限に引き出して効率のよいガス圧縮
を実現することができる。

【００３６】実施例４．この実施例の電気化学的ガス圧
縮機を構成する単電池は、図５に示すように、電気化学
的ガス圧縮機におけるプロトン導電性膜１の内部に補強
体を４０を挿入して一体化したものである。この補強体
４０は、機械的強度があり水を誘導することができ、金
属イオンを遊離しない材料であれば特に制限されず、ま
た、その形態はメッシュ状、繊維状、多孔質性状、中空
構造等にすることができるがこれらに制限されるもので
はない。而して、このような補強体４０の材料として
は、有機材料、無機材料のいずれであってもよく、有機
材料としては、例えば、ポリエステル、ポリエチレン等
の合成繊維や、麻、木綿等の天然繊維を挙げることがで
き、また、無機材料としては、親水性を有するものであ
れば、金属、非金属のいずれであってもよく、例えば、
炭素繊維等の無機繊維等を挙げることができる。勿論、
この実施例の補強体４０は上記各実施例及び従来の電気
化学的ガス圧縮機についてそれぞれ適用することができ
る。

【００３７】従って、実施例４によれば、実施例１の電
気化学的ガス圧縮機と同様の作用によって水素ガスを圧
縮することができる他、補強体４０によってプロトン導
電性膜１を補強してあるため、軽量且つコンパクトな形
態で単電池の機械的強度を補強することができ、その機
械的信頼性及び電気的特性を更に向上させることができ
る。

【００３８】実施例５．この実施例の電気化学的ガス圧
縮機は、図６に示すように、実施例５の電気化学的ガス
圧縮機の金属集電体７にプロトン導電性膜１の補強体４
０へ水分を補給する水分補給路４１が設けられている。

【００３９】従って、実施例５における水分の補給につ
いてのみ説明すると、水素イオンの移動に伴い、プロト
ン導電性膜１の陽極側の水は陰極側へ移動する。この
際、プロトン導電性膜１内の水の拡散が十分でないと、
プロトン導電性膜１の陽極側の表面が乾燥しがちであ
る。そこで、水分補給路４１から水を補給すると、この
補給水は、補強体４１に浸透する。浸透した水はプロト
ン導電性膜１の乾燥した陽極側表面を潤し、陽極である
ガス拡散電極２側の表面に達し、イオン導電性の低下を
防止して、実施例４の電気化学的ガス圧縮機の電気的特
性をより向上させることができる。

【００４０】尚、この発明は、上記各実施例に何等制限
されるものではなく、例えば、積層するプロトン導電性
膜及びガス拡散電極の枚数を電気化学的ガス圧縮機の能
力に応じて適宜変更することができる。

【００４１】

【発明の効果】第一の発明によれば、複数の単電池を一
体化したため、機械的な信頼性及び優れた電気的特性を
有すると共に、軽量且つコンパクトで大きな出力を得る
ことができる電気化学的ガス圧縮機を提供することがで
きる。

【００４２】第二の発明によれば、第一の発明の電気化
学的ガス圧縮機のガス拡散電極に水分補給する水分補給
路を設けたため、より電気的特性が向上し、大流量の水
素ガスを圧縮することができる電気化学的ガス圧縮機を
提供することができる。

【００４３】第三の発明によれば、各単電池間に位置す
るガス拡散電極に外部電気回路を接続し、各単電池にか
かる電圧を可変にしたため、各ガス拡散電極間に印加す
る電圧を適宜設定することによって各単電池毎の性能を
最大限に引き出した、効率のよいガス圧縮を実現するこ
とができる電気化学的ガス圧縮機を提供することができ
る。

【００４４】第四の発明によれば、イオン導電性固体電
解質体に補強体を一体化したため、機械的な信頼性及び
優れた電気的特性を有すると共に、軽量且つコンパクト
で大きな出力を得ることができる電気化学的ガス圧縮機
を提供することができる。

【００４５】第五の発明によれば、第四の発明の電気化
学的ガス圧縮機の補強体に水分を補給する水分補給路を
設けたため、より電気的特性が向上し、大流量の水素ガ
スを圧縮することができる電気化学的ガス圧縮機を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の発明の一実施例の電気化学的ガス圧縮機
を示す断面図である。

【図２】第二の発明の一実施例の電気化学的ガス圧縮機
を示す断面図である。

【図３】図２に示す電気化学的ガス圧縮機を分解して示
す斜視図である。

【図４】第三の発明の一実施例の電気化学的ガス圧縮機
の電気回路を示す図である。

【図５】第四の発明の一実施例の電気化学的ガス圧縮機
の要部を示す断面図である。

【図６】第五の発明の一実施例の電気化学的ガス圧縮機
を示す断面図である。

【図７】従来の電気化学的ガス圧縮機の一例を示す断面
図である。

【符号の説明】

１ プロトン導電性膜（イオン導電性固体電解質体） ２ 下のガス拡散電極（陽極） ３ 上のガス拡散電極（陰極） ８ ガス拡散電極 １１ プロトン導電性膜（イオン導電性固体電解質体） １２ プロトン導電性膜（イオン導電性固体電解質体） １８ ガス拡散電極 ２０ 水分補給路 ２１ 水分補給路 ３０ 電気回路 ４０ 補強体 ４１ 水分補給路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−7886（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−311302（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−21079（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C25B 1/00 - 15/08 H01J 41/12

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン導電性固体電解質体の両側それぞ
   れに触媒を担持したガス拡散電極を配してなる電池に、
   イオン化可能なガスを投入し両ガス拡散電極に所定の電
   位を与えることにより、投入されたガスが一方のガス拡
   散電極上でイオン化して上記イオン導電性固体電解質体
   をイオンとして移動し、他方のガス拡散電極上でガスに
   戻ることにより、他方のガス拡散電極側で圧縮したガス
   を得ることができる電気化学的ガス圧縮機において、上
   記両ガス拡散電極間に、イオン導電性固体電解質体とガ
   ス拡散電極とを交互に複数積層して複数の単電池を一体
   構造にしたことを特徴とする電気化学的ガス圧縮機。
2. 【請求項２】 上記各単電池間に位置するガス拡散電極
   に水分補給する水分補給路を設けたことを特徴とする請
   求項１に記載の電気化学的ガス圧縮機。
3. 【請求項３】 上記各単電池間に位置するガス拡散電極
   に外部電気回路を接続し、各単電池にかかる電圧を可変
   にしたことを特徴とする請求項１または２に記載の電気
   化学的ガス圧縮機。
4. 【請求項４】 イオン導電性固体電解質体の両側それぞ
   れに触媒を担持したガス拡散電極を配してなる電池に、
   イオン化可能なガスを投入し両ガス拡散電極に所定の電
   位を与えることにより、投入されたガスが一方のガス拡
   散電極上でイオン化して上記イオン導電性固体電解質体
   をイオンとして移動し、他方のガス拡散電極上でガスに
   戻ることにより、他方のガス拡散電極側で圧縮したガス
   を得ることができる電気化学的ガス圧縮機において、上
   記イオン導電性固体電解質体に補強体を一体化して設け
   たことを特徴とする電気化学的ガス圧縮機。
5. 【請求項５】 上記補強体に水分を補給する水分補給路
   を設けたことを特徴とする請求項４に記載の電気化学的
   ガス圧縮機。