JP6876998B1 - 圧縮装置 - Google Patents

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Abstract

本開示は、一例として、圧縮機で圧縮された水素を含むカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する除去器を従来よりも簡易に構成し得る圧縮装置を提供することを課題とする。本開示の一態様の圧縮装置は、電解質膜、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層、カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層、およびアノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器を備え、電圧印加器がこの電圧を印加することで、アノード触媒層上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層上に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮機と、水透過膜、水透過膜の一方の主面上に設けられ、圧縮機から排出されたカソードガスが流れる第１の流路、および、水透過膜の他方の主面上に設けられ、カソードガスよりも低圧のガスが流れる第２の流路を含み、第１の流路を流れるカソードガスに含まれる水蒸気および液水の少なくともいずれか一方を除去する除去器と、を備える。そして、圧縮機と除去器とが一体で設けられている。

Description

本開示は圧縮装置に関する。
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。
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圧縮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縮する問題もある。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程度以下までの低減が望まれている。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、水素と液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、圧縮機で圧縮された水素を含むカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する除去器を従来よりも簡易に構成し得る圧縮装置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)の圧縮装置は、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層、および前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器を備え、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層上に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮機と、
水透過膜、前記水透過膜の一方の主面上に設けられ、前記圧縮機から排出されたカソードガスが流れる第１の流路、および前記水透過膜の他方の主面上に設けられ、前記カソードガスよりも低圧のガスが流れる第２の流路を含み、前記第１の流路を流れるカソードガスに含まれる水蒸気および液水の少なくともいずれか一方を除去する除去器と、を備え、
前記圧縮機と前記除去器とが一体で設けられている。
本開示の一態様の圧縮装置は、圧縮機で圧縮された水素を含むカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する除去器を従来よりも簡易に構成し得る、という効果を奏する。
図１Ａは、第１実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａの圧縮装置のＢ部の拡大図である。 図２は、第１実施形態の第１実施例の圧縮装置の一例を示す図である。 図３は、第１実施形態の第２実施例の圧縮装置の一例を示す図である。 図４は、第２実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。 図５は、第３実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。
固体高分子電解質膜（以下、電解質膜）による圧縮機、例えば、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などのアノード流体中の物質に構成元素として含まれる水素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）にすることで圧縮された水素が生成される。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、電解質膜に供給する水素含有ガスの温度および露点が約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圧縮動作の効率が向上する。これに対して、電気化学式水素ポンプのカソードから排出される高圧の水素含有ガス（以下、カソードガス）を水素貯蔵器に貯蔵する際のカソードガス中の水蒸気量は、低減することが望まれているが、このようなカソードガス中の水蒸気を効率的に除去することが困難な場合が多い。
例えば、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、水素中の水蒸気をゼオライトなどの多孔質吸着材により吸着させことができる。しかし、吸着材の吸着性能には、限界がある。吸着塔の運転時間は、吸着塔に送られる水の量で決まるので、水素中の水蒸気量が多い条件で吸着塔を使用する場合、吸着塔の大型化が必要とある。また、吸着塔内には、高圧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な構成にする必要性があり、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の精製器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になるという問題など、改善の余地がある。
そこで、本開示者らは、以下の如く鋭意検討を行った結果、圧縮機のカソードから排出されるカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を、水透過膜を用いることでカソードガスから効率的に除去できることを見出した。なお、特許文献１では、水電解装置から排出される水素中の液水を気液分離器により水素から分離することが提案されているが、気液分離器に上記の水透過膜を設けることは検討されていない。
すなわち、本開示の第１態様の圧縮装置は、電解質膜、電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層、カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層、およびアノード触媒層とカソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器を備え、電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層上に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮機と、
水透過膜、水透過膜の一方の主面上に設けられ、圧縮機から排出されたカソードガスが流れる第１の流路、および水透過膜の他方の主面上に設けられ、カソードガスよりも低圧のガスが流れる第２の流路を含み、第１の流路を流れるカソードガスに含まれる水蒸気および液水の少なくともいずれか一方を除去する除去器と、を備え、
圧縮機と除去器とが一体で設けられている。
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、圧縮機で圧縮された水素を含むカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する除去器を従来よりも簡易に構成し得る。
具体的には、本態様の圧縮装置は、圧縮機および除去器を一体に設けることで、装置構成を簡易化することができる。
例えば、圧縮機および除去器では、高圧のカソードガスが流通する。よって、仮に、圧縮機および除去器が別体で設けられる場合、圧縮機および除去器をそれぞれ上下から固定するための高剛性の一対の端板が必要であることが多い。そこで、本態様の圧縮装置は、圧縮機と除去器とを一体化することにより、例えば、圧縮機および除去器に使用する端板を共用化することができるので、装置構成が簡易化する。
本開示の第２態様の圧縮装置は、第１態様の圧縮装置において、上記の第１の流路には、第１の多孔質部材が設けられていてもよい。
仮に、除去器の第１の流路に、第１の多孔質部材を設けない場合、この第１の流路内のカソードガスの流れは層流になりやすい。この場合、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方は、カソード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カソード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、水透過膜の主面近傍に沿って流れるカソード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、本態様の圧縮装置は、第１の多孔質部材をカソードガス流路に設けることにより、本カソードガス流路内のカソード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、カソードガス流路内の様々な位置に存在するカソード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できる可能性がある。これにより、本態様の圧縮装置は、第２の多孔質部材をカソードガス流路に設けない場合に比べて、カソード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、カソード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、除去器の第１の流路（高圧）と第２の流路（低圧）との差圧によって、水透過膜に接触する高圧の水蒸気および液水の少なくとも一方が、水透過膜を介して低圧のガスへ効率的に透過し得る。これにより、除去器において、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を促進することができる。
本開示の第３態様の圧縮装置は、第１態様または第２態様の圧縮装置において、上記の第２の流路には、第２の多孔質部材が設けられていてもよい。
仮に、除去器の第２の流路に第２の多孔質部材を設けない場合、除去器の第１の流路（高圧）と第２の流路（低圧）との差圧によって、第２の流路を閉塞する方向に、水透過膜が変形する。例えば、このような差圧によって、水透過膜が第２の流路を構成する除去器の部材に接触する恐れがある。すると、第２の流路内のガスの流れが困難になる恐れがあるが、本態様の圧縮装置は、第２の多孔質部材を第２の流路に設けているので、このような問題が軽減される。なお、水透過膜を透過した水は、第２の多孔質部材の細孔を通じて、第２の流路のガスとともに効率的に除去器外に排水され得る。
本開示の第４態様の圧縮装置は、第２態様の圧縮装置において、第１の多孔質部材は、カソードガス拡散層を含むものであってもよい。
本開示の第５態様の圧縮装置は、第３態様の圧縮装置において、第２の多孔質部材は、アノードガス拡散層を含むものであってもよい。
本開示の第６態様の圧縮装置は、第１態様から第５態様のいずれか一つの圧縮装置において、除去器は、第１の流路が、第２の流路よりも上に位置するように設けられていてもよい。
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、第１の流路を流れるカソードガス中の液水が重力の作用によって上から下へ移動することで、液水と水透過膜とが接触しやすくなる。よって、本態様の圧縮装置は、第１の流路と第２の流路との間の上下の位置関係を逆にする場合に比べて、除去器において、カソードガス中の液水の除去を促進することができる。
本開示の第７態様の圧縮装置は、第１態様から第６態様のいずれか一つの圧縮装置において、除去器は、圧縮機の下側に設けられていてもよい。
除去器の第２の流路内をガスが通過する際に、このガスは、水透過膜を透過したカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方によって加湿される。このため、仮に、圧縮機の上側に、除去器を設けた場合は、除去器の底面に低圧のガスの出口を設けることが困難である。除去器の底面に低圧のガスの出口を設けない場合、第２の流路内の低圧のガス中の液水がスムーズに排水されにくくなり、低圧のガスが流れる配管が、液水によって閉塞する恐れがある。
しかし、本態様の圧縮装置は、圧縮機の下側に、除去器を設けることで、除去器の底面に低圧のガスの出口を設けることが容易になる。除去器の底面に低圧のガスの出口を設けると、本態様の圧縮装置は、第２の流路内の低圧のガス中の液水が重力の作用によりスムーズに排水され得る。
本開示の第８態様の圧縮装置は、第１態様から第７態様のいずれか一つの圧縮装置において、圧縮機と除去器との間に、断熱部材を備えてもよい。
圧縮機では、電解質膜は、高温および高加湿の条件（例えば、電解質膜に供給する水素含有ガスの温度および露点が約６０℃程度）で、プロトン伝導率が上がり、圧縮機の水素圧縮動作の効率が向上する。
これに対して、除去器では、例えば、除去器の第２の流路に流入する低圧のガスの温度を、除去器の第１の流路に流入するカソードガスの温度よりも低くすることで、水透過膜を介した両ガス間の熱交換により、第１の流路をカソードガスが通過する際にカソードガスが適切に冷却される。すると、カソードガス中の水蒸気凝縮によって発生した高圧の凝縮水を、第１の流路（高圧）と第２の流路（低圧）との差圧によって、水透過膜を介して低圧のガスへ効率的に透過させ得る。
以上の圧縮装置において、圧縮機と除去器とを一体化するとき、圧縮機と除去器との間に断熱部材を設けない場合、圧縮機の温度が、圧縮機と除去器との熱交換により、所望の温度未満になる可能性がある。また、除去器の温度が、圧縮機と除去器との熱交換により、所望の温度を上回る可能性がある。
そこで、本実施形態の圧縮装置は、圧縮機と除去器との間に断熱部材を設けることで、以上の不都合を軽減することができる。
本開示の第９態様の圧縮装置は、第１態様から第８態様のいずれか一つの圧縮装置において、低圧のガスが、水素含有ガスでもよい。
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、除去器の第２の流路から流出した水素含有ガスが圧縮機のアノードに供給される場合は、除去器において水素含有ガスを加湿することができる。
本開示の第１０態様の圧縮装置は、第１態様から第９態様のいずれか一つの圧縮装置において、除去器の第１の流路を流れるカソード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、本態様の圧縮装置は、冷却器により、除去器内においてカソードガスを冷却することで、カソードガス中の水蒸気の除去を促進させることができる。例えば、カソードガスに含まれる飽和水蒸気量は、カソードガスの温度が低い程、少なくなる。よって、カソードガス中の水蒸気量が飽和水蒸気量である場合、冷却器によりカソードガスの温度が低下すると、カソード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、カソード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、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、除去器の第１の流路（高圧）と第２の流路（低圧）との差圧によって、水透過膜に接触する高圧の液水を、水透過膜を介して低圧のガスへ効率的に透過させ得る。
本開示の第１１態様の圧縮装置は、第１態様から第１０態様のいずれか一つの圧縮装置において、除去器は、圧縮機に対して、圧縮機内のアノードガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、およびカソードガス拡散層の積層方向と同一方向に積層されていてもよい。
かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、圧縮機で圧縮された水素を含むカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する除去器を従来よりも簡易に構成し得る。なお、本態様の圧縮装置の作用効果の詳細は、第１態様の圧縮装置の作用効果の詳細と同様であるので説明を省略する。
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）
以上の圧縮機のアノード流体は、アノードにおける酸化反応でプロトンを生成する流体であれば、様々な種類のガス、液体が想定される。アノード流体は例えば、水素含有ガスまたは液水であってもよい。例えば、圧縮機が電気化学式水素ポンプである場合、アノード流体として、水素含有ガスなどを挙げることができる。また、例えば、圧縮機が水電解装置である場合、アノード流体として、液水などを挙げることができる。アノード流体が液水の場合、アノード触媒層上で液水の電気分解反応が実行される。そこで、以下の各実施形態では、アノード流体が水素含有ガスである場合において、圧縮機の一例である電気化学式水素ポンプ、および圧縮機を備える圧縮装置の構成および動作について説明する。
［装置構成］
図１Ａは、第１実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの圧縮装置のＢ部の拡大図である。
なお、圧縮装置２００の鉛直方向における「上」および「下」が、図１Ａの如く取られており、重力が「上」から「下」に作用するものとする（他の図面も同じ）。
図１および図１Ｂに示す例では、圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、除去器３００と、電圧印加器１０２と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００の各部材と除去器３００の各部材とは、鉛直方向に積層するように配置されており、電気化学式水素ポンプ１００が、鉛直方向において除去器３００に対して上側の位置に設けられている。
以下、圧縮装置２００の各機器の構成などについて、図面を参照しながら詳しく説明する。
＜電気化学式水素ポンプの構成＞
図１Ａに示すように、圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００の水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂを備える。なお、水素ポンプユニット１００Ａが、水素ポンプユニット１００Ａに対して上側の位置に設けられている。
ここでは、２個の水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂが示されているが、水素ポンプユニットの個数は、本例に限定されない。つまり、水素ポンプユニットの個数は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで圧縮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、中間セパレーター１７と、を備える。水素ポンプユニット１００Ｂは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、中間セパレーター１７と、アノードセパレーター１８と、を備える。つまり、中間セパレーター１７は、水素ポンプユニット１００Ａのアノードセパレーターとして機能するとともに、水素ポンプユニット１００Ｂのカソードセパレーターとして機能することで、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂにおいて共用されている。
以下、水素ポンプユニット１００Ａの積層構成についてさらに詳しく説明する。水素ポンプユニット１００Ｂの積層構成は、水素ポンプユニット１００Ａと同様であるので説明を省略する場合がある。
図１Ｂに示すように、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。
ここで、一般的に、電気化学式水素ポンプ１００では、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２が電解質膜１１に一体的に接合された触媒層付き膜ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）が使用されることが多い。そこで、電解質膜１１として、上記の触媒層付き膜ＣＣＭを使用する場合は、触媒層付き膜ＣＣＭに接合されたアノード触媒層１３の主面に、上記のアノードガス拡散層１５が設けられている。
図１Ｂに示すように、カソードＣＡは、電解質膜１１の他方の主面上に設けられている。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。電解質膜１１として、上記の触媒層付き膜ＣＣＭを使用する場合は、触媒層付き膜ＣＣＭに接合されたカソード触媒層１２の主面に、上記のカソードガス拡散層１４が設けられている。
以上により、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂでは、アノード触媒層１３およびカソード触媒層１２のそれぞれが接触するようにして、電解質膜１１がアノード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を含むセルを膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）という。
カソードセパレーター１６および中間セパレーター１７の間、および、中間セパレーター１７およびアノードセパレーター１８の間には、平面視において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およびシール部材（図示せず）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および中間セパレーター１７間の短絡および中間セパレーター１７およびアノードセパレーター１８間の短絡、が防止されている。
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の一方の主面上に設けられている。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の他方の主面上に設けられている。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が、カーボン多孔体も使用可能である。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１８は、水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮのアノードガス拡散層１５上に設けられた導電性の部材である。カソードセパレーター１６は、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた導電性の部材である。中間セパレーター１７は、水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮのアノードガス拡散層１５上、および、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡのカソードガス拡散層１４上に設けられた導電性の部材である。これらのカソードセパレーター１６、中間セパレーター１７およびアノードセパレーター１８は、例えば、チタン、ＳＵＳ３１６Ｌといった金属などで構成されていてもよいが、これに限定されない。
カソードセパレーター１６の主面の中央部には、凹部が設けられ、この凹部に、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡおよび電解質膜１１の厚み方向の一部が収容されている。
また、アノードセパレーター１８の主面の中央部には、凹部が設けられ、この凹部に、水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮおよび電解質膜１１の厚み方向の一部が収容されている。
また、中間セパレーター１７の両主面の中央部にはそれぞれ、凹部が設けられている。そして、これらの凹部のうちの一方の凹部に、水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮおよび電解質膜１１の厚み方向の一部が収容され、他方の凹部に、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡおよび電解質膜１１の厚み方向の一部が収容されている。
このようにして、カソードセパレーター１６および中間セパレーター１７で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。また、アノードセパレーター１８および中間セパレーター１７でＭＥＡを挟むことにより、水素ポンプユニット１００Ｂが形成されている。
なお、アノードガス拡散層１５と接触する中間セパレーター１７の主面、および、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１８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（図示せず）が設けられていてもよい。但し、このようなアノードガス流路は、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。
図１Ａに示すように、圧縮装置２００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。具体的には、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、電気化学式水素ポンプ１００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、図示を省略するが、電圧印加器１０２の低電位側の端子がカソード給電板に接続され、電圧印加器１０２の高電位側の端子がアノード給電板に接続されている。カソード給電板は、例えば、水素ポンプユニット１００Ａのカソードセパレーター１６に設けられている。アノード給電板は、例えば、水素ポンプユニット１００Ｂのアノードセパレーター１８に設けられている。そして、カソード給電板およびアノード給電板はそれぞれ、カソードセパレーター１６およびアノードセパレーター１８のそれぞれと電気的に接触している。
このように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層１３上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜１１を介してカソード触媒層１２上に移動させ、圧縮された水素を生成する装置である。つまり、電気化学式水素ポンプ１００では、アノードＡＮにおいて水素含有ガスから取り出されたプロトン（Ｈ＋）が、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動することで、カソードＣＡにおいてカソードガスが生成される。なお、カソードガスは、例えば、カソードＣＡから排出される水蒸気を含む高圧の水素含有ガスである。
なお、電気化学式水素ポンプ１００には、外部からアノードＡＮに水素含有ガスを供給させるためのアノードガス供給経路４０と、カソードＣＡから除去器３００にカソードガスを送出するためのカソードガス通過経路５０と、が設けられているが、これらの経路の詳細な構成は後で説明する。
＜除去器の構成＞
図１Ａに示すように、圧縮装置２００は、除去器３００の除去ユニット３００Ａを備える。なお、除去器３００には、１個の除去ユニット３００Ａが示されているが、除去ユニット３００Ａの個数は、本例に限定されない。
除去ユニット３００Ａは、水透過膜１１５と、第１の流路と、第２の流路と、第１のプレート１９と、第２のプレート２０と、を備える。
ここで、第１の流路は、水透過膜１１５の一方の主面上に設けられ、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されたカソードガスが流れる流路（以下、カソードガス流路１１４）である。つまり、カソードガス流路１１４には、高圧のカソードガスが、水透過膜１１５の一方の主面と接触しながら流通している。また、第２の流路は、水透過膜１１５の他方の主面上に設けられ、カソードガスよりも低圧のガスが流れる流路（以下、低圧ガス流路１１３）である。つまり、低圧ガス流路１１３には、カソードガスよりも圧力が低いガスが、水透過膜１１５の他方の主面と接触しながら流通している。なお、低圧のガスの詳細は実施例で説明する。
水透過膜１１５は、カソードガス中の水素（Ｈ２）の透過性が低く、カソードガス中の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。例えば、水透過膜１１５は、スルホン酸基を含む高分子膜で構成されていてもよい。これにより、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を透過する機能を水透過膜１１５に付与することができる。また、このような水透過膜１１５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が、これらに限定されない。
第１のプレート１９および第２のプレート２０の主面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、水透過膜１１５の厚み方向の一部が収容されている。つまり、カソードガス流路１１４は、第１のプレート１９に設けられた凹部と水透過膜１１５とによって区画された領域に相当する。低圧ガス流路１１３は、第２のプレート２０に設けられた凹部と水透過膜１１５とによって区画された領域に相当する。これらの第１のプレート１９および第２のプレート２０は、例えば、チタン金属などで構成されていてもよいが、これに限定されない。
また、第１のプレート１９および第２のプレート２０の間には、平面視において水透過膜１１５の周囲を囲むように設けられた環状かつ平板状のシール部材（図示せず）が挟み込まれている。
なお、除去器３００には、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡからカソードガス流路１１４にカソードガスを送出するためのカソードガス通過経路５０と、カソードガス流路１１４からカソードガスを外部へ排出するためのカソードガス排出経路５１と、外部から低圧ガス流路１１３にガスを供給するための低圧ガス供給経路６１と、低圧ガス流路１１３から外部へガスを排出するための低圧ガス排出経路６０と、が設けられているが、これらの経路の詳細は後で説明する。
＜電気化学式水素ポンプおよび除去器の締結構成＞
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、除去器３００は、電気化学式水素ポンプ１００に対して、電気化学式水素ポンプ１００内のアノードガス拡散層１５、アノード触媒層１３、電解質膜１１、カソード触媒層１２、およびカソードガス拡散層１４の積層方向と同一方向に積層されている。
ここで、図示を省略するが、電気化学式水素ポンプ１００のカソードセパレーター１６の外面には、例えば、第１絶縁板を介して高剛性の第１端板が設けられている。また、除去器３００の第２のプレート２０の外面には、例えば、第２絶縁板を介して高剛性の第２端板が設けられている。
そして、図示しない締結器が、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を上記の積層方向に締結している。
締結器は、このような各部材を上記の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、締結器のボルトは、第１端板および第２端板のみを貫通してもよいし、ボルトは、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を貫通してもよい。そして、カソードセパレーター１６の端面、および、第２のプレート２０の端面をそれぞれ、第１絶縁板および第２絶縁板のそれぞれを介して、第１端板および第２端板のそれぞれで挟むようにして、締結器により電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００に所望の締結圧が付与されている。
なお、締結器のボルトが、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００の各部材、第１絶縁板、第１端板、第２絶縁板および第２端板を貫通する構成を取る場合、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００の各部材が、上記の積層方向において、締結器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および除去器３００の各部材を締結器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。
このようにして、本実施形態の圧縮装置２００では、電気化学式水素ポンプ１００の各部材と除去器３００の各部材とが、締結器によって積層方向に積層されて一体化されている。
＜水素含有ガスの流路構成＞
以下、図１Ａを参照しながら、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに水素含有ガスを供給するための流路構成の一例を説明する。なお、図１Ａでは、水素含有ガスの流れの模式図が細い一点鎖線の矢印で示されている。
図１Ａに示すように、圧縮装置２００は、アノードガス供給経路４０を備える。
アノードガス供給経路４０は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の各部材の適所に設けられ、鉛直方向に延伸する縦流路４０Ｈと、中間セパレーター１７およびアノードセパレーター１８のそれぞれの適所に設けられ、水平方向に延伸する第１横流路４０Ａおよび第２横流路４０Ｂとの連なりによって構成されている。具体的には、縦流路４０Ｈは、中間セパレーター１７に設けられた第１横流路４０Ａを介して、水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮと連通している。例えば、この第１横流路４０Ａと、中間セパレーター１７に設けられたサーペンタイン状のアノードガス流路（図示せず）の端部とが接続していてもよい。また、縦流路４０Ｈは、アノードセパレーター１８に設けられた第２横流路４０Ｂを介して、水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮと連通している。例えば、この第２横流路４０Ｂと、アノードセパレーター１８に設けられたサーペンタイン状のアノードガス流路（図示せず）の端部とが接続していてもよい。
以上の構成により、外部からの水素含有ガスは、図１Ａの一点鎖線の矢印で示す如く、縦流路４０Ｈ、第１横流路４０Ａおよび水素ポンプユニット１００ＡのアノードＡＮをこの順番に流通するとともに、縦流路４０Ｈ、第２横流路４０Ｂおよび水素ポンプユニット１００ＢのアノードＡＮをこの順番に流通する。つまり、縦流路４０Ｈの水素含有ガスは、第１横流路４０Ａおよび第２横流路４０Ｂの両方を流れるように分流する。すると、水素含有ガスが、アノードガス拡散層１５を介して電解質膜１１に供給されることで、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂにおいて水素含有ガス中の水素の圧縮が行われる。
＜カソードガスの流路構成＞
以下、図１Ａを参照しながら、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００におけるカソードガスの流路構成の一例を説明する。なお、図１Ａでは、カソードガスの流れの模式図が細い一点鎖線の矢印で示されている。
図１Ａに示すように、圧縮装置２００は、カソードガス通過経路５０と、カソードガス排出経路５１と、を備える。
カソードガス通過経路５０は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００の各部材の適所に設けられ、鉛直方向に延伸する縦流路５０Ｈと、カソードセパレーター１６、中間セパレーター１７および第１のプレート１９のそれぞれの適所に設けられ、水平方向に延伸する第１横流路５０Ａ、第２横流路５０Ｂおよび第３横流路５０Ｃとの連なりによって構成されている。具体的には、縦流路５０Ｈは、カソードセパレーター１６に設けられた第１横流路５０Ａを介して、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡと連通している。また、縦流路５０Ｈは、中間セパレーター１７に設けられた第２横流路５０Ｂを介して、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡと連通している。さらに、縦流路５０Ｈは、第１のプレート１９に設けられた第３横流路５０Ｃを介して、除去ユニット３００Ａのカソードガス流路１１４と連通している。
カソードガス排出経路５１は、例えば、除去器３００の各部材の適所に設けられた鉛直方向の縦流路５１Ｈと、第１のプレート１９の適所に設けられた水平方向の横流路５１Ａとの連なりによって構成されている。具体的には、縦流路５１Ｈは、第１のプレート１９に設けられた横流路５１Ａを介して、除去ユニット３００Ａのカソードガス流路１１４と連通している。
以上の構成により、水素ポンプユニット１００ＡのカソードＣＡで圧縮された水素を含む高圧のカソードガスは、図１Ａの一点鎖線の矢印で示す如く、第１横流路５０Ａ、縦流路５０Ｈ、第３横流路５０Ｃ、カソードガス流路１１４、横流路５１Ａおよび縦流路５１Ｈをこの順番に流通する。その後、カソードガスは、圧縮装置２００外へ排出される。また、水素ポンプユニット１００ＢのカソードＣＡで圧縮された水素を含む高圧のカソードガスは、図１Ａの一点鎖線の矢印で示す如く、第２横流路５０Ｂ、縦流路５０Ｈ、第３横流路５０Ｃ、カソードガス流路１１４、横流路５１Ａおよび縦流路５１Ｈをこの順番に流通する。その後、カソードガスは、圧縮装置２００外へ排出される。つまり、第１横流路５０Ａおよび第２横流路５０Ｂの両方のカソードガスは、縦流路５０Ｈで合流してから、第３横流路５０Ｃを流通する。このとき、カソードガスが除去ユニット３００Ａのカソードガス流路１１４を通過する際に、除去ユニット３００Ａにおいてカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方の除去が行われる。
＜低圧のガスの流路構成＞
以下、図１Ａを参照しながら、除去ユニット３００Ａの低圧のガスの流路構成の一例を説明する。なお、図１Ａでは、低圧のガスの流れの模式図が細い一点鎖線の矢印で示されている。
図１Ａに示すように、圧縮装置２００は、低圧ガス供給経路６１と、低圧ガス排出経路６０と、を備える。
低圧ガス供給経路６１は、例えば、除去器３００の第２のプレート２０の適所に設けられ、外部と低圧ガス流路１１３の一方の端部との間を連通するように鉛直方向に延伸する縦流路６１Ｈによって構成されている。低圧ガス排出経路６０は、例えば、除去器３００の第２のプレート２０の適所に設けられ、外部と低圧ガス流路１１３の他方の端部との間を連通するように鉛直方向に延伸する縦流路６０Ｈによって構成されている。
以上の構成により、外部からの低圧のガスは、図１Ａの一点鎖線の矢印で示す如く、低圧ガス供給経路６１、低圧ガス流路１１３および低圧ガス排出経路６０をこの順番に流通する。その後、低圧のガスは、除去ユニット３００Ａ外へ排出される。
なお、以上の電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００の構成は例示であって、本例に限定されない。
[動作]
以下、第１実施形態の圧縮装置２００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。すると、電気化学式水素ポンプ１００において、アノードＡＮに供給する水素含有ガスから取り出されたプロトンが、電解質膜１１を介してカソードＣＡに移動し、圧縮された水素が生成される水素圧縮動作が行われる。具体的には、アノードＡＮのアノード触媒層１３において、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、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。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ− ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２（高圧） ・・・（２）
電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成された水素は、カソードガスとして、カソードＣＡで圧縮される。例えば、図示しない流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を増加させることにより、カソードＣＡでカソードガスを圧縮させることができる。なお、流量調整器として、例えば、カソードガス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。
ここで、適時に、流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を低下させると、カソードガスが、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから、カソードガス通過経路５０を通じて除去器３００へ送出される。流量調整器を用いて、カソードガス導出経路の圧損を低下させるとは、背圧弁、調整弁等の弁の開度を大きくすることである。
すると、除去器３００のカソードガス流路１１４では、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡから排出されたカソードガスが流通する。よって、除去器３００の低圧ガス流路１１３に、カソードガスよりも低圧のガスを流通させることで、カソードガス中に液水が含まれる場合、カソードガスの除水動作が行われ得る。また、除去器３００の低圧ガス流路１１３に、カソードガスよりも水蒸気分圧の低いガスを流通させることで、カソードガスの水蒸気除去動作が行われ得る。なお、このとき、除去器３００の低圧ガス流路１１３に流入するガスの温度は、除去器３００のカソードガス流路１１４に流入するカソードガスの温度よりも低い方がよい。これにより、カソードガス流路１１４を流れるカソードガスの水凝縮が促進されるため、カソードガス中の水蒸気の除去も促進される。
以上のとおり、本実施形態の圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００で圧縮された水素を含むカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する除去器３００を従来よりも簡易に構成し得る。具体的には、本実施形態の圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００を一体に設けることで、装置構成を簡易化することができる。
例えば、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００では、高圧のカソードガスが流通する。よって、仮に、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００が別体で設けられる場合、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００をそれぞれ上下から固定するための高剛性の一対の端板が必要であることが多い。そこで、本実施形態の圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００と除去器３００とを一体化することにより、例えば、電気化学式水素ポンプ１００および除去器３００に使用する端板を共用化することができるので、装置構成が簡易化する。
また、本実施形態の圧縮装置２００では、図１Ａに示す如く、圧縮装置２００の鉛直方向において、カソードガス流路１１４が、低圧ガス流路１１３よりも上に位置するように設けられている。これにより、本実施形態の圧縮装置２００は、カソードガス流路１１４を流れるカソードガス中の凝縮水が発生する場合、重力の作用によって凝縮水が上から下へ移動することで、凝縮水と水透過膜１１５とが接触しやすくなる。よって、本実施形態の圧縮装置２００は、カソードガス流路１１４と低圧ガス流路１１３との間の上下の位置関係を逆にする場合に比べて、除去器３００において、カソードガス中の凝縮水の除去を促進することができる。
また、本実施形態の圧縮装置２００では、図１Ａに示す如く、圧縮装置２００の鉛直方向において、除去器３００が、電気化学式水素ポンプ１００の下側に設けられている。この理由は、以下のとおりである。
除去器３００の低圧ガス流路１１３内をガスが通過する際に、このガスは、水透過膜１１５を透過したカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方によって加湿される。このため、仮に、電気化学式水素ポンプ１００の上側に、除去器を設けた場合は、第２のプレート２０の底面に低圧ガスの出口を設けることが困難である。第２のプレート２０の底面に低圧ガスの出口を設けない場合、低圧ガス流路１１３内の低圧ガス中の液水がスムーズに排水されにくくなり、低圧ガスが流れる配管が、液水によって閉塞する恐れがある。
しかし、本実施形態の圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００の下側に、除去器３００を設けることで、第２のプレート２０の底面に低圧ガスの出口を設けることが容易になる。第２のプレート２０の底面に低圧ガスの出口を設けると、本実施形態の圧縮装置２００は、低圧ガス流路１１３内の低圧ガス中の液水が重力の作用によりスムーズに排水され得る。
なお、ここでは、図示を省略しているが、本実施形態の圧縮装置２００の水素圧縮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、圧縮装置２００には、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で圧縮された水素を含むカソードガスの圧力を検出する圧力検出器などが設けられていてもよい。
また、本実施形態の圧縮装置２００は、除去器３００で水蒸気および液水の少なくとも一方が除去されたカソードガス（水素）を貯蔵する水素貯蔵器（図示せず）が設けられていてもよい。水素貯蔵器として、例えば、水素タンクなどを挙げることができる。なお、水素貯蔵器に貯蔵された乾燥状態のカソードガス（水素）は、適時に、水素消費体に供給される。水素消費体として、例えば、燃料電池などを挙げることができる。
以上の圧縮装置２００の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、本実施形態の圧縮装置２００では、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で圧縮するデッドエンド構造が採用されているが、アノードＡＮに供給する水素含有ガスの一部を外部に排出するリサイクル構造が採用されてもよい。
また、水素含有ガスは、例えば、純水素ガスであってもよいし、純水素ガスよりも水素濃度の低いガスであってもよい。後者の水素含有ガスは、例えば、水の電気分解により生成する水素ガスであってもよいし、水素を含む改質ガスであってもよい。
（第１実施例）
図２は、第１実施形態の第１実施例の圧縮装置の一例を示す図である。
本実施例の圧縮装置２００は、除去器３００のカソードガス流路１１４に、第１の多孔質部材１１４Ａが設けられること、および、除去器３００の低圧ガス流路１１３に、第２の多孔質部材１１３Ａが設けられること以外、第１実施形態の圧縮装置２００と同様である。なお、第１の多孔質部材１１４Ａは、除去器３００の水透過膜１１５と接するように除去器３００のカソードガス流路１１４に設けられていてもよい。第２の多孔質部材１１３Ａは、除去器３００の水透過膜１１５と接するように除去器３００の低圧ガス流路１１３に設けられていてもよい。
第１の多孔質部材１１４Ａは、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧で発生する水透過膜１１５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の多孔質部材１１４Ａ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。なお、第１の多孔質部材１１４Ａは、カソードガス拡散層１４を含んでもよい。
第２の多孔質部材１１３Ａは、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧で発生する水透過膜１１５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の多孔質部材１１３Ａは、金属製であってもよい。金属製の第２の多孔質部材１１３Ａ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。なお、第２の多孔質部材１１３Ａは、アノードガス拡散層１５を含んでもよい。
このように、除去ユニット３００Ａは、水素ポンプユニット１００Ａおよび水素ポンプユニット１００Ｂと同様のセル構造で構成されていてもよい。
次に、除去器３００のカソードガス流路１１４に、第１の多孔質部材１１４Ａを設ける場合の本実施例の圧縮装置２００の作用効果について説明する。
仮に、除去器３００のカソードガス流路１１４に、第１の多孔質部材１１４Ａを設けない場合、本カソードガス流路１１４内のカソードガスの流れは層流になりやすい。この場合、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方は、カソードガスに同伴して流れるので、例えば、水透過膜１１５から離れた位置に存在するカソード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１１５と接触する確率が低い。つまり、この場合、水透過膜１１５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１１５の主面近傍に沿って流れるカソード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、本実施例の圧縮装置２００は、第１の多孔質部材１１４Ａをカソードガス流路１１４に設けることにより、本カソードガス流路１１４内のカソード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、カソードガス流路１１４内の様々な位置に存在するカソード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１１５と接触できる可能性がある。これにより、本実施例の圧縮装置２００は、第１の多孔質部材１１４Ａをカソードガス流路１１４に設けない場合に比べて、カソード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１１５とが接触する確率が高くなる。そして、カソード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１１５と接触すると、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧によって、水透過膜１１５に接触する高圧の水蒸気および液水の少なくとも一方を、水透過膜１１５に接触する低圧のガスへ水透過膜１１５を介して効率的に透過させることができる。これにより、除去器３００において、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を促進することができる。
また、仮に、第１の多孔質部材１１４Ａを水透過膜１１５と接するように設けない場合、第１の多孔質部材１１４Ａと水透過膜１１５との間の空隙をカソードガスが通過しやすくなる。すると、例えば、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）と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、カソードガスの流通状態がカソードガス流路１１４内で変化する。これにより、水透過膜１１５における水透過性に影響を与えるので、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を安定的に行うことが困難になる。しかし、本実施例の圧縮装置２００は、第１の多孔質部材１１４Ａを水透過膜１１５と接するように設けることで、両者間の接触界面を安定に保つことができるので、以上の問題が軽減される。
また、本実施例の圧縮装置２００は、第１の多孔質部材１１４Ａを水透過膜１１５と接するように設けることで、第１の多孔質部材１１４Ａが、カソードガス流路１１４を流れるカソードガス冷却のための熱伝導体として機能する。よって、カソードガスがカソードガス流路１１４を通過する際にカソードガスが効果的に冷却される。これにより、本実施例の圧縮装置２００は、除去器３００において、第１の多孔質部材１１４Ａを水透過膜１１５と接するように設けない場合に比べて、カソードガス中の水蒸気からの凝縮水発生を促進させることができる。
次に、除去器３００の低圧ガス流路１１３に、第２の多孔質部材１１３Ａを設ける場合の本実施例の圧縮装置２００の作用効果について説明する。
仮に、除去器３００の低圧ガス流路１１３に第２の多孔質部材１１３Ａを設けない場合、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧によって、低圧ガス流路１１３を閉塞する方向に、水透過膜１１５が変形する。例えば、このような差圧によって、水透過膜１１５が、低圧ガス流路１１３を構成する除去器３００の部材に接触する恐れがある。すると、低圧ガス流路１１３内のガスの流れが困難になる恐れがあるが、本実施例の圧縮装置２００は、第２の多孔質部材１１３Ａを低圧ガス流路１１３に設けているので、このような問題が軽減される。なお、水透過膜１１５を透過した水は、第２の多孔質部材１１３Ａの細孔を通じて、低圧ガス流路１１３のガスとともに効率的に除去器３００外に排水され得る。
また、仮に、第２の多孔質部材１１３Ａを水透過膜１１５と接するように設けない場合、例えば、低圧ガス流路１１３を構成する除去器３００の部材のエッジ部で、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧に基づく水透過膜１１５への曲げ応力が発生する場合がある。すると、このような曲げ応力によって水透過膜１１５が破損する恐れがあるが、本実施例の圧縮装置２００は、第２の多孔質部材１１３Ａを水透過膜１１５と接するように設けているので、このような問題が軽減される。
また、仮に、第２の多孔質部材１１３Ａを水透過膜１１５と接するように設けない場合、例えば、第２の多孔質部材１１３Ａと水透過膜１１５との間の空隙を低圧のガスが通過しやすくなる。
すると、例えば、カソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）と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、ガスの流通状態が低圧ガス流路１１３内で変化する。これにより、水透過膜１１５の水透過性に影響を与えるので、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を安定的に行うことが困難になる。しかし、本実施例の圧縮装置２００は、第２の多孔質部材１１３Ａを水透過膜１１５と接するように設けることで、両者間の接触界面を安定に保つことができるので、以上の問題が軽減される。
次に、第２の多孔質部材１１３Ａおよび第１の多孔質部材１１４Ａをそれぞれ、金属材料および弾性材料のそれぞれで構成する場合の本実施例の圧縮装置２００の作用効果について説明する。
本実施例の圧縮装置２００は、第２の多孔質部材１１３Ａを金属材料で構成することで、第２の多孔質部材１１３Ａの剛性を適切に確保することができる。すると、カソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧によって水透過膜１１５が変形しにくくなるので、第２の多孔質部材１１３Ａと水透過膜１１５との間の接触界面、および、第１の多孔質部材１１４Ａと水透過膜１１５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、本実施例の圧縮装置２００は、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を安定化させることができる。
本実施例の圧縮装置２００は、第１の多孔質部材１１４Ａを弾性材料で構成することで、第１の多孔質部材１１４Ａの弾性変形を適切に生じさせることができる。これにより、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧が発生しても、第１の多孔質部材１１４Ａと水透過膜１１５との間の接触界面を安定的に保つことができる。
例えば、上記の差圧の発生により、水透過膜１１５が低圧ガス流路１１３を閉塞する方向に変形した場合、第１の多孔質部材１１４Ａと水透過膜１１５との間の接触界面を安定的に保つことが難しい。すると、上記のとおり、水透過膜１１５における水透過性に影響を与えるので、カソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方の除去を安定的に行うことが困難になる。しかし、本実施例の圧縮装置２００は、第１の多孔質部材１１４Ａを弾性材料で構成することで、水透過膜１１５の上記変形に対して、第１の多孔質部材１１４Ａと水透過膜１１５との間の接触を維持する方向に、第１の多孔質部材１１４Ａの弾性変形を追従させ得る。例えば、第１のプレート１９の凹部に、第１の多孔質部材１１４Ａを収容する際に、水透過膜１１５の変形量相当分以上、第１の多孔質部材１１４Ａを予め圧縮させるとよい。
本実施例の圧縮装置２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態の圧縮装置２００と同様であってもよい。
（第２実施例）
図３は、第１実施形態の第２実施例の圧縮装置の一例を示す図である。
本実施例の圧縮装置２００は、除去器３００の低圧ガス流路１１３を流入する低圧のガスが水素含有ガスであること以外、第１実施形態の圧縮装置２００と同様である。
上記の水素含有ガスは、例えば、乾燥状態の純水素ガスであってもよいし、純水素ガスよりも水素濃度の低い乾燥状態のガスであってもよい。また、この水素含有ガスの温度は、除去器３００のカソードガス流路１１４に流入するカソードガスの温度よりも低い方がよい。
以上により、本実施例の圧縮装置２００は、除去器３００のカソードガス流路１１４から流出した水素含有ガスが、電気化学式水素ポンプ１００のアノードＡＮに供給される場合は、除去器３００において水素含有ガスを加湿することができる。
なお、除去器３００の低圧ガス流路１１３を流入する低圧のガスは、必ずしも水素含有ガスでなくても構わない。例えば、低圧のガスは、乾燥状態の空気であってもよい。これにより、除去器３００から排出するガスに対して、特別の後処理の必要性が軽減される。
本実施例の圧縮装置２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施例の圧縮装置２００と同様であってもよい。
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。
図４に示す例では、圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、除去器３００と、電圧印加器１０２と、断熱部材７０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、除去器３００および電圧印加器１０２は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
断熱部材７０は、電気化学式水素ポンプ１００と除去器３００との間に設けられている。本実施形態の圧縮装置２００では、断熱部材７０は、水素ポンプユニット１００Ｂのアノードセパレーター１８と除去ユニット３００Ａの第１のプレート１９の間に設けられている。
電気化学式水素ポンプ１００では、電解質膜１１は、高温および高加湿の条件（例えば、電解質膜１１に供給する水素含有ガスの温度および露点が約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１００の水素圧縮動作の効率が向上する。
これに対して、除去器３００では、例えば、除去器３００の低圧ガス流路１１３に流入する低圧のガスの温度を、除去器のカソードガス流路１１４に流入するカソードガスの温度よりも低くすることで、水透過膜１１５を介した両ガス間の熱交換により、カソードガス流路１１４をカソードガスが通過する際にカソードガスが適切に冷却される。すると、カソードガス中の水蒸気凝縮によって発生した高圧の凝縮水を、カソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧によって、水透過膜１１５を介して低圧のガスへ効率的に透過させ得る。
以上の圧縮装置２００において、電気化学式水素ポンプ１００と除去器３００とを一体化するとき、電気化学式水素ポンプ１００と除去器３００との間に断熱部材７０を設けない場合、電気化学式水素ポンプ１００の水素ポンプユニット１００Ｂの温度が、水素ポンプユニット１００Ｂと除去器３００との熱交換により、所望の温度未満になる可能性がある。また、除去器３００の温度が、水素ポンプユニット１００Ｂと除去器３００との熱交換により、所望の温度を上回る可能性がある。
そこで、本実施形態の圧縮装置２００は、図４の如く、電気化学式水素ポンプ１００と除去器３００との間に断熱部材７０を設けることで、以上の不都合を軽減することができる。
本実施形態の圧縮装置２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態および第１実施形態の第１実施例−第２実施例のいずれかの圧縮装置２００と同様であってもよい。
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の圧縮装置の一例を示す図である。
図５に示す例では、圧縮装置２００は、電気化学式水素ポンプ１００と、除去器３００と、電圧印加器１０２と、冷却器８０と、を備える。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００、除去器３００および電圧印加器１０２は、第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
冷却器８０は、除去ユニット３００Ａのカソードガス流路１１４を流れるカソードガスを冷却する装置である。冷却器８０は、上記の冷却機能を備える装置であれば、どのような構成であってもよい。冷却器８０は、例えば、冷却液を用いる冷却器でもよい。この場合、冷却器８０は、例えば、第１のプレート１９には、冷却液が流れる流路が設けられる。冷却液として、例えば、冷却水、不凍液などを用いることができる。
以上により、本実施形態の圧縮装置２００は、冷却器８０により、除去器３００内においてカソードガスを冷却することで、カソードガスの水蒸気の除去を促進させることができる。例えば、カソードガスに含まれる飽和水蒸気量は、カソードガスの温度が低い程、少なくなる。よって、カソードガス中の水蒸気量が飽和水蒸気量である場合、冷却器８０によりカソードガスの温度が低下すると、カソード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、カソード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、除去器３００内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、除去器３００のカソードガス流路１１４（高圧）と低圧ガス流路１１３（低圧）との差圧によって、水透過膜１１５に接触する高圧の液水を、水透過膜１１５を介して低圧のガスへ効率的に透過させ得る。
本実施形態の圧縮装置２００は、上記の特徴以外は、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例および第２実施形態のいずれかの圧縮装置２００と同様であってもよい。
なお、第１実施形態、第１実施形態の第１実施例−第２実施例、第２実施形態および第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、例えば、圧縮機で圧縮された水素を含むカソードガス中の水蒸気および液水の少なくとも一方を除去する除去器を従来よりも簡易に構成し得る圧縮装置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 ：中間セパレーター
１８ ：アノードセパレーター
１９ ：第１のプレート
２０ ：第２のプレート
４０ ：アノードガス供給経路
４０Ａ ：第１横流路
４０Ｂ ：第２横流路
４０Ｈ ：縦流路
５０ ：カソードガス通過経路
５０Ａ ：第１横流路
５０Ｂ ：第２横流路
５０Ｃ ：第３横流路
５０Ｈ ：縦流路
５１ ：カソードガス排出経路
５１Ａ ：横流路
５１Ｈ ：縦流路
６０ ：低圧ガス排出経路
６０Ｈ ：縦流路
６１ ：低圧ガス供給経路
６１Ｈ ：縦流路
７０ ：断熱部材
８０ ：冷却器
１００ ：圧縮機
１００Ａ ：水素ポンプユニット
１００Ｂ ：水素ポンプユニット
１０２ ：電圧印加器
１１３ ：低圧ガス流路
１１３Ａ ：第２の多孔質部材
１１４ ：カソードガス流路
１１４Ａ ：第１の多孔質部材
１１５ ：水透過膜
２００ ：圧縮装置
３００ ：除去器
３００Ａ ：除去ユニット
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (11)

  1. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面上に設けられたアノード触媒層、前記電解質膜の他方の主面上に設けられたカソード触媒層、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散層、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散層、および前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に電圧を印加する電圧印加器を備え、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給されたアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソード触媒層上に移動させ、圧縮された水素を生成する圧縮機と、
    水透過膜、前記水透過膜の一方の主面上に設けられ、前記圧縮機から排出されたカソードガスが流れる第１の流路、および、前記水透過膜の他方の主面上に設けられ、前記カソードガスよりも低圧のガスが流れる第２の流路を含み、前記第１の流路を流れるカソードガスに含まれる水蒸気および液水の少なくともいずれか一方を除去する除去器と、を備え、
    前記圧縮機と前記除去器とが一体で設けられている圧縮装置。
  2. 前記第１の流路には、第１の多孔質部材が設けられている請求項１に記載の圧縮装置。
  3. 前記第２の流路には、第２の多孔質部材が設けられている請求項１または２に記載の圧縮装置。
  4. 前記第１の多孔質部材は、前記カソードガス拡散層を含む請求項２に記載の圧縮装置。
  5. 前記第２の多孔質部材は、前記アノードガス拡散層を含む請求項３に記載の圧縮装置。
  6. 前記除去器は、前記第１の流路が、前記第２の流路よりも上に位置するように設けられている請求項１−５のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  7. 前記除去器は、前記圧縮機の下側に設けられている請求項１−６のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  8. 前記圧縮機と前記除去器との間に、断熱部材を備える請求項１−７のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  9. 前記低圧のガスが、水素含有ガスである請求項１−８のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  10. 前記第１の流路を流れるカソードガスを冷却する冷却器を備える請求項１−９のいずれか１項に記載の圧縮装置。
  11. 前記除去器は、前記圧縮機に対して、前記圧縮機内の前記アノードガス拡散層、前記アノード触媒層、前記電解質膜、前記カソード触媒層、および前記カソードガス拡散層の積層方向と同一方向に積層されている請求項１−１０のいずれか１項に記載の圧縮装置。
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