JP7002045B1 - 圧縮機および圧縮機の制御方法 - Google Patents

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Abstract

圧縮機は、電解質膜、電解質膜の一方の主面に設けられたアノードおよび電解質膜の他方の主面に設けられたカソードを含む少なくとも１つのセルと、アノード上に設けられた金属製アノードセパレーターと、カソード上に設けられたカソードセパレーターと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、制御器と、を備える。圧縮機は、電圧印加器が上記電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する。制御器は、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーターの腐食電位未満となるように、電圧印加器の印加電圧を制御する。

Description

本開示は、圧縮機および圧縮機の制御方法に関する。
近年、地球温暖化対策の一つとして、燃料電池により発電された電力でモーターを駆動して走行する、カーボンフリー燃料電池車が注目を集めている。しかし、燃料電池車の普及にあたっては、燃料となる水素ガス供給のインフラストラクチャを整え、全国に水素ステーションをいかに多く広範囲に設置できるかが課題となっている。特に水素の精製圧縮装置の大型化および膨大な設置コストなどが、水素ステーションの全国展開の障害となっている。
このため、来るべきカーボンフリー水素社会では、水素を製造することに加えて、水素ガスを高密度で貯蔵し、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。そこで、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素ガスを精製および昇圧する様々な提案が行われている。
燃料電池車などの燃料ガスとして使用される水素ガスは、一般的に、高圧（例えば、数十ＭＰａ）の圧縮状態で供給される。この高圧水素ガスは、例えば、水電解装置により水から電気化学反応を用いて生成された低圧水素ガスを、機械式圧縮装置によって高圧に圧縮することで得ることができる。
また、例えば、特許文献１には、水素を主成分とする低圧の水素含有ガス中の水素を、電解質膜を介してアノードからカソードに電気化学的に透過させることで、カソードで圧縮水素を生成する電気化学式の圧縮機が提案されている。
具体的には、圧縮機のセルは、電解質膜と、電解質膜の両面に設けられた電極触媒層とを含む膜電極接合体（以下、ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備える。そして、ＭＥＡの両側のそれぞれには、アノード給電体およびカソード給電体がそれぞれ配設されている。
また、圧縮機には、セルの給電体およびＭＥＡを両側から保持するためのアノードセパレーターおよびカソードセパレーターがそれぞれ設けられている。ここで、アノードセパレーターには、低圧の水素含有ガスがアノード給電体に流入するとともに、低圧の余剰水素含有ガスがアノード給電体から排出するように、アノード流路が形成されている。カソードセパレーターには、カソード給電体から高圧の圧縮水素を外部に排出するように、カソード流路が形成されている。低圧の水素含有ガスは、不純物が混在してもよい。例えば、水素含有ガスは、水の電気分解により生成された水素ガスでもよいし、製鉄工場などで生成される副次生成ガスでもよいし、都市ガスを改質した改質ガスでもよい。
なお、以上のセルおよびセパレーターを交互に複数個積層した積層体をアノード端板およびカソード端板で挟み込むことで、このような積層体を固定するのが、圧縮機の一般的な締結構造である。
特許第６２９９０２７号
本開示は、一例として、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る圧縮機および圧縮機の制御方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本開示の一態様(aspect)の圧縮機は、電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードおよび前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードを含む少なくとも１つのセルと、前記アノード上に設けられた金属製アノードセパレーターと、前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記電圧印加器が電圧を印加することで、前記アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機であって、単位セル当たりに印加される電圧が前記金属製アノードセパレーターの腐食電位未満となるように、前記電圧印加器の印加電圧を制御する制御器を備える。
また、本開示の一態様の圧縮機の制御方法は、電解質膜を挟んで設けられる、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される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カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップを備え、前記電解質膜を挟んで前記アノードおよび前記カソードが設けられた単位セル当たりに印加される電圧が、前記アノード上に設けられた、金属製アノードセパレーターの腐食電位未満になるよう、前記アノードおよびカソード間に印加する電圧を制御する。
本開示の一態様の圧縮機および圧縮機の制御方法は、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る。
図１Ａは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。 図１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。 図２Ａは、第１実施形態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３は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
電気化学式の圧縮機において、アノードおよびカソード間に電圧が印加されるとき、金属製セパレーターの腐食が起こりにくくなるように両者間の電圧を適切に制御する必要がある。つまり、圧縮機の単セル当たりに印加される電圧が、金属製セパレーター中の金属の腐食電位以上である場合、金属製セパレーターの腐食に起因する金属製セパレーター中の金属の陽イオン溶出によって、電解質膜のプロトン導電性が不可逆的に低下する可能性がある。
具体的には、電解質膜は、一般的に、固体高分子膜（陽イオン交換膜）が使用されており、電解質膜のプロトン導電率は、膜中のイオン交換容量（ＩＥＣ）に比例する。このため、結合力が強い金属イオンなどの陽イオンがアノード流体中に混入すると、かかる陽イオンが不可逆的に電解質膜内に取り込まれることで、電解質膜のＩＥＣが低下する。つまり、アノード流体への陽イオンの混入は、ＩＥＣの不可逆的な低下によって電解質膜のプロトン導電性の低下を引き起こす可能性がある。
そこで、本開示の第１態様の圧縮機は、電解質膜、電解質膜の一方の主面に設けられたアノードおよび電解質膜の他方の主面に設けられたカソードを含む少なくとも１つのセルと、アノード上に設けられた金属製アノードセパレーターと、カソード上に設けられたカソードセパレーターと、アノードとカソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、電圧印加器が上記電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機であって、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーターの腐食電位未満となるように、電圧印加器の印加電圧を制御する制御器を備える。
かかる構成によると、本態様の圧縮機は、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る。具体的には、本態様の圧縮機は、単位セル当たりのセル電圧が金属製アノードセパレーターの腐食電位未満となるように、電圧印加器の印加電圧を制御することで、このような電圧制御を行わない場合に比べて、金属製アノードセパレーターの腐食に起因する金属製アノードセパレーター中の金属の陽イオン溶出が起こりにくくなる。これにより、本態様の圧縮機は、電解質膜のプロトン導電性の不可逆的な低下を適切に抑制することができる。
本開示の第２態様の圧縮機は、第１態様の圧縮機において、制御器は、電圧印加器により印加される電圧を増加させ、アノードおよびカソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上になると、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前に電圧印加器により印加される電圧の増加を停止させてもよい。
かかる構成によると、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前において、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上になると、電圧印加器による印加電圧の増加を停止させることで、金属製アノードセパレーターの腐食が進行しにくくすることができる。このため、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前に、電流をそのまま維持した状態、または、電流を下げた状態にすることにより、金属製アノードセパレーター中の金属の陽イオン溶出を抑制させながら、圧縮機の水素圧縮動作を継続することができる。
本開示の第３態様の圧縮機は、第１態様または第２態様の圧縮機において、制御器は、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上になると、電圧印加器により印加される電圧を低下させてもよい。
かかる構成によると、本態様の圧縮機は、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上になると、電圧印加器による印加電圧を低下させることで、金属製アノードセパレーターの腐食が進行しにくくすることができる。このため、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流を下げた状態にすることにより、アノードおよびカソード間に流れる電流を維持する場合に比べ、金属製アノードセパレーター中の金属の陽イオン溶出をより抑制させながら、圧縮機の水素圧縮動作を継続することができる。
本開示の第４態様の圧縮機は、第３態様の圧縮機において、制御器は、電圧印加器により印加される電圧を低下させても、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上であるとき、電圧印加器により電圧の印加を停止させてもよい。
電圧印加器により印加される電圧を低下させても、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上であるとき、金属製アノードセパレーターの腐食は進行する。この場合、本態様の圧縮機は、電圧印加器による電圧印加を停止させることで、金属製アノードセパレーターの腐食がそれ以上進行しないようにすることができる。
ところで、電解質膜は、上記のとおり、固体高分子膜が使用されており、固体高分子膜は、完全な緻密膜ではない。このため、電解質膜を挟んで配置されるアノードおよびカソードのそれぞれに存在するガスの組成（例えば、不純物成分のガス濃度）が異なると、かかるガスの濃度に起因する化学ポテンシャル差を駆動力として、不純物および水素が、電解質膜を介して相互拡散（クロスリーク）し、最終的にはアノードおよびカソードのガスの組成が同一となる。なお、電解質膜を介してクロスリークするガスの速度は、電解質膜の素材および膜厚に依存する。
また、電気化学式の圧縮機は、下記のアノードおよびカソードの反応によって、電気化学的に水素をアノードからカソードに選択的に移動させ、かつカソードを封止させることで、圧縮水素を含むカソードガスを生成することができる。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ－
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（高圧）
ここで、圧縮機の定格運転中は、電気化学的にアノードからカソードに選択的に移動する水素量が、クロスリークによってカソードからアノードに移動する水素量およびアノードからカソードに移動する不純物の量に比べて十分に大きいので、仮に、アノード流体（例えば、水素含有ガス）の水素純度が所定値未満の場合でも、カソードで生成される圧縮水素の水素純度は、高純度に維持される。これに対して、アノードおよびカソード間に流れる電流が定格運転中の電流値である目標電流値に達する前は、電気化学的にアノードからカソードに選択的に移動する水素量が、クロスリークによってカソードからアノードに移動する水素量およびアノードからカソードに移動する不純物の量に比べて十分に大きいとは限らないので、仮に、アノード流体の水素純度が所定値未満の場合、カソードで生成される圧縮水素の水素純度が低下する可能性がある。
そこで、本開示の第５態様の圧縮機は、第１態様から第４態様のいずれか一つの圧縮機において、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するためのガス流路と、ガス流路に設けられた弁と、を備え、制御器は、電圧印加器により印加される電圧を増加させ、アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、弁を開放させてもよい。
かかる構成によると、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに弁を閉止させる場合に比べ、水素需要体に供給される圧縮水素の水素純度を向上させ得る。具体的には、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前は、仮に、アノード流体の水素純度が所定値未満の場合、アノードおよびカソードのそれぞれに存在する不純物のガス濃度に起因する化学ポテンシャル差が小さくなるような不純物クロスリークの影響が発生しやすい。この場合、アノードおよびカソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに弁を閉止させていると、水素需要体に供給される圧縮水素の水素純度が低下する可能性がある。しかし、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前において、上記の弁を開放させることにより、不純物を含む圧縮水素を水素需要体とは異なる供給先に供給することができる。これにより、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに弁を閉止させている場合に比べ、水素需要体に供給される圧縮水素の水素純度の低下を抑制することができる。なお、上記の弁を開放させるのは、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前の全期間でなくてもよい。つまり、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前の少なくとも一部の期間で、上記の弁を開放させればよい。
本開示の第６態様の圧縮機は、第５態様の圧縮機において、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値以上になると、制御器は、上記の弁を閉止させてもよい。
アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値以上であるとき、電気化学的にアノードからカソードに選択的に移動する水素量が、クロスリークによってカソードからアノードに移動する水素量およびアノードからカソードに移動する不純物の量に比べて十分に大きいので、仮に、アノード流体の水素純度が所定値未満の場合でも、カソードで生成される圧縮水素の水素純度は、高純度に維持される。よって、このとき、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値以上であるときに、上記の弁を閉止させることにより、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値以上であるときに、上記の弁を閉止させない場合に比べて、水素需要体と異なる供給先への圧縮水素の供給量を低減することができる。その結果、本態様の圧縮機は、水素圧縮動作の効率低下を抑制することができる。
本開示の第７態様の圧縮機は、第１態様から第４態様のいずれか一つの圧縮機において、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するためのガス流路と、ガス流路に設けられた弁と、を備え、制御器は、電圧印加器により印加される電圧を増加させ、アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、上記の弁を閉止させてもよい。
アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前において、仮に、アノード流体の水素純度が所定値以上の場合、アノードおよびカソードのそれぞれに存在する不純物のガス濃度に起因する化学ポテンシャル差が小さく、不純物クロスロークの影響度が小さくなるため、カソードで生成される圧縮水素の水素純度は、高純度に維持される。よって、このとき、本態様の圧縮機は、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前において、上記の弁を閉止させることにより、上記の弁を閉止させない場合に比べて、水素需要体と異なる供給先への圧縮水素の供給量を低減することができる。その結果、本態様の圧縮機は、水素圧縮動作の効率低下を抑制することができる。
本開示の第８態様の圧縮機は、第１態様から第７態様のいずれか一つの圧縮機において、金属製アノードセパレーターは、水素脆化耐性を有する材料を含んでいてもよい。
本開示の第９態様の圧縮機は、第８態様の圧縮機において、金属製アノードセパレーターは、Ｔｉを含んでいてもよい。
本開示の第１０態様の圧縮機は、第８態様の圧縮機において、金属製アノードセパレーターは、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを含んでいてもよい。
ＳＵＳ３１６およびＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および水素脆化耐性などの視点で特性がよい。よって、本態様の圧縮機は、金属製アノードセパレーターがＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを含むことで、圧縮機の性能を適切に維持しながら、金属製アノードセパレーターの低コスト化を図ることができる。
本開示の第１１態様の圧縮機は、第８態様の圧縮機において、金属製アノードセパレーターは、４４０１－３１６－００－Ｉまたは４４３６－３１６－００－Ｉ、または、４４０４－３１６－０３－Ｉ、４４３２－３１６－０３－Ｉまたは４４３６－３１６－９１－Ｉを含んでいてもよい。
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、国際規格（ＩＳＯ）１５５１０では、４４０１－３１６－００－Ｉまたは４４３６－３１６－００－Ｉが対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、ＩＳＯ １５５１０では、４４０４－３１６－０３－Ｉ、４４３２－３１６－０３－Ｉまたは４４３６－３１６－９１－Ｉが対応する。
本開示の第１２態様の圧縮機は、第８態様の圧縮機において、金属製アノードセパレーターは、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５を含んでいてもよい。
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、欧州規格（ＥＮ）では、１．４４０１または１．４４３６が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、欧州規格では、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５が対応する。
本開示の第１３態様の圧縮機は、第８態様の圧縮機において、金属製アノードセパレーターは、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３を含んでいてもよい。
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、米国規格（ＵＮＳ）では、Ｓ３１６００が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、米国規格では、Ｓ３１６０３が対応する。
本開示の第１４態様の圧縮機は、第８態様の圧縮機において、金属製アノードセパレーターは、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３を含んでいてもよい。
ここで、日本工業規格（ＪＩＳ）のＳＵＳ３１６は、中国規格（ＧＢ）では、Ｓ３１６０８が対応する。日本工業規格のＳＵＳ３１６Ｌは、中国規格では、Ｓ３１６０３が対応する。
本開示の第１５態様の圧縮機の制御方法は、電解質膜を挟んで設けられる、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップを備え、電解質膜を挟んでアノードおよびカソードが設けられた単位セル当たりに印加される電圧が、アノード上に設けられた、金属製アノードセパレーターの腐食電位未満になるよう、アノードおよびカソード間に印加される電圧を制御する。
以上によると、本態様の圧縮機の制御方法は、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る。なお、本態様の圧縮機の制御方法が奏する作用効果の詳細は、第１態様の圧縮機が奏する作用効果の詳細と同様であるので説明を省略する。
本開示の第１６態様の圧縮機の制御方法は、第１５態様の圧縮機の制御方法において、アノードおよびカソード間に印加される電圧を増加させ、アノードおよびカソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上になると、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値に達する前に、アノードおよびカソード間に印加される電圧の増加を停止させてもよい。
本態様の圧縮機の制御方法が奏する作用効果は、第２態様の圧縮機が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
本開示の第１７態様の圧縮機の制御方法は、第１５態様または第１６態様の圧縮機の制御方法において、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上になると、アノードおよびカソード間に印加される電圧を低下させるステップを備えてもよい。
本態様の圧縮機の制御方法が奏する作用効果は、第３態様の圧縮機が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
本開示の第１８態様の圧縮機の制御方法は、第１７態様の圧縮機の制御方法において、アノードおよびカソード間に印加される電圧を低下させても、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上であるとき、アノードおよびカソード間に印加される電圧を停止させるステップを備えてもよい。
本態様の圧縮機の制御方法が奏する作用効果は、第４態様の圧縮機が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
本開示の第１９態様の圧縮機の制御方法は、第１５態様から第１８態様のいずれか一つの圧縮機の制御方法において、アノードおよびカソード間に印加される電圧を増加させ、アノードおよびカソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するステップを備えてもよい。
本態様の圧縮機の制御方法が奏する作用効果は、第５態様の圧縮機が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
本開示の第２０態様の圧縮機の制御方法は、第１９態様の圧縮機の制御方法において、アノードおよびカソード間に流れる電流が目標電流値以上になると、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するステップを停止させてもよい。
本態様の圧縮機の制御方法が奏する作用効果は、第６態様の圧縮機が奏する作用効果と同様であるので説明を省略する。
本開示の第２１態様の圧縮機の制御方法は、第１５態様から第１８態様のいずれか一つの圧縮機の制御方法において、アノードおよびカソード間に印加される電圧を増加させ、アノードおよびカソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先への供給を停止するステップを備えてもよい。
本態様の圧縮機の制御方法が奏する作用効果は、第７態様の圧縮機が奏する作用効果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、本開示の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は、いずれも上記の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、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。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）
上記の圧縮機のアノード流体は、様々な種類のガス、液体が想定される。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、液体の水を挙げることができる。
そこで、以下の実施形態では、アノード流体が水素含有ガスである場合において、上記各態様の圧縮機の一例である電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。
［装置構成］
図１Ａおよび図２Ａは、第１実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図１Ｂは、図１Ａの電気化学式水素ポンプのＢ部の拡大図である。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。
なお、図１Ａ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、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。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、少なくとも一つの電気化学セル１００Ｂを備える。図１Ｂおよび図２Ｂに示すように、電気化学セル１００Ｂは、電解質膜１１と、アノードＡＮと、カソードＣＡと、を含み、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、金属製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。
なお、電気化学式水素ポンプ１００では、３個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。
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およびアノードガス拡散層１５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およびカソードガス拡散層１４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。
電解質膜１１はプロトン導電性を備える膜であれば、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、スルホン酸修飾のフッ素系高分子電解質膜、炭化水素系電解質膜などを挙げることができる。具体的には、電解質膜１１として、例えば、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が、これらに限定されない。
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（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、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（例えば、白金）を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。
カソード触媒層１２もアノード触媒層１３も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるが、特に限定されない。例えば、カーボン系粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボン担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。白金などの触媒金属のカーボン担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
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。カソードガス拡散層は、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。カソードガス拡散層は、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。カソードガス拡散層１４の基材として、例えば、カーボン繊維焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。
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。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。また、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、上記の差圧による電解質膜１１の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。アノードガス拡散層１５の基材として、例えば、カーボン粒子焼結体を使用するが、これに限定されない。
金属製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および金属製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および金属製アノードセパレーター１７で上記の電気化学セル１００Ｂ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。
以上のカソードセパレーター１６および金属製アノードセパレーター１７は、水素脆化耐性を有する材料を含んでいる。一例として、カソードセパレーター１６および金属製アノードセパレーター１７は、チタン（Ｔｉ）、または、ステンレスなどを含む。
ここで、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌは、様々な種類のステンレスの中で、コストパフォーマンスに優れており、耐食性および水素脆化耐性などの視点で特性がよい。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、カソードセパレーター１６および金属製アノードセパレーター１７がＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを含むことで、電気化学式水素ポンプ１００の性能を適切に維持しながら、カソードセパレーター１６および金属製アノードセパレーター１７の低コスト化を図ることができる。
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の主面は、カソードガス流路を設けずに平面で構成されている。これにより、カソードセパレーター１６の主面にカソードガス流路を設ける場合に比べて、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間で接触面積を大きくすることができる。すると、電気化学式水素ポンプ１００は、カソードガス拡散層１４とカソードセパレーター１６との間の接触抵抗を低減することができる。
これに対して、アノードガス拡散層１５と接触する金属製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２Ａ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、カソードセパレーター１６および金属製アノードセパレーター１７の間には、電気化学セル１００Ｂ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および金属製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１Ａおよび図２Ａ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金属製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。
図１Ａに示すように、カソードガス導出マニホールド２８は、３個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から排出されるカソード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ＣＡ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ＣＡで生成された圧縮水素は、カソードガス通過経路３４のそれぞれを通過した後、カソードガス導出マニホールド２８で合流される。そして、合流された圧縮水素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ＣＡ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および金属製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、金属製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２Ａに示すように、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個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２Ａに示すように、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個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および金属製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、金属製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１Ａおよび図２Ａ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ＡＮおよびカソードＣＡ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ＡＮに印加され、電圧印加器１０２の低電位が、カソードＣＡに印加されている。電圧印加器１０２は、アノードＡＮおよびカソードＣＡの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ＡＮおよびカソードＣＡの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ＡＮおよびカソードＣＡの間に印加される電圧、アノードＡＮおよびカソードＣＡの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１Ａおよび図２Ａ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とは電気的に接続されるとともに、カソード端板２４Ｃとはカソード絶縁板２３Ｃを介して配置されている。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金属製アノードセパレーター１７と電気的に接続されるとともに、アノード端板２４Ａとはアノード絶縁板２３Ａを介して配置されている。
このように、電気化学式水素ポンプ１００は、電圧印加器１０２が、アノードＡＮとカソードＣＡとの間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガスから取り出されたプロトンを、カソードＣＡに移動させ、圧縮水素を生成する装置である。
以上の電気化学式水素ポンプ１００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で圧縮するデッドエンド構造が採用されてもよい。
制御器５０は、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーター１７の腐食電位未満となるように、電圧印加器１０２の印加電圧を制御する。制御器５０は、電気化学式水素ポンプ１００の全体の動作を制御してもよい。ここで、「単位セル当たり」とは、図１Ａおよび図２Ａに示す例では、１個の電気化学セル１００Ｂ当たりのことをいう。また、「金属製アノードセパレーター１７の腐食電位」とは、金属製アノードセパレーター１７に含まれる金属の腐食電位をいう。
制御器５０は、例えば、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを挙げることができる。記憶回路として、例えば、メモリなどを挙げることができる。制御器５０は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
［動作］
以下、電気化学式水素ポンプ１００の動作の一例について、図面を参照しながら説明する。以下の動作は、例えば、制御器５０の演算回路が、制御器５０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５０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。以下の例では、制御器５０により動作を制御する場合について、説明する。
まず、電気化学式水素ポンプ１００の起動が開始する際、アノードＡＮに低圧および高湿度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に給電される。すると、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を介してカソード触媒層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、所定水量の水が、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、例えば、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡで生成される圧縮水素が、カソードガス導出経路２６を通じて、図示しない水素需要体に供給される場合、カソードガス導出経路２６に設けられた背圧弁、調整弁（図示せず）などを用いて、カソードガス導出経路２６の圧損を増加させることにより、カソードＣＡで圧縮水素（Ｈ２）を生成することができる。ここで、カソードガス導出経路２６の圧損を増加させるとは、カソードガス導出経路２６に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。
アノード：Ｈ２（低圧）→２Ｈ＋＋２ｅ－ ・・・（１）
カソード：２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２（高圧） ・・・（２）
上記の水素需要体として、例えば、水素貯蔵器、燃料電池などを挙げることができる。また、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。
このようにして、電気化学式水素ポンプ１００において、電解質膜１１を挟んで設けられる、アノードＡＮおよびカソードＣＡの間に電圧を印加することで、アノードＡＮに供給される水素含有ガス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ＣＡに移動させ、圧縮水素を生成する水素圧縮動作が行われる。なお、「水素圧縮動作」は、電圧印加器１０２により印加される電圧を増加させ、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を目標電流値まで上昇させる動作（起動運転）と、カソードＣＡ内の圧縮水素を所定の供給圧まで圧縮し、その後、水素需要体に圧縮水素を供給する動作（定格運転）と、を備える。「目標電流値」は、例えば、電気化学式水素ポンプ１００の定格運転中の電流値であってもよい。また、「所定の供給圧」は、約４０ＭＰａ、約８０ＭＰａなどを挙げることができるが、これらに限定されない。
ここで、本実施形態では、以上の水素圧縮動作において、電解質膜１１を挟んでアノードＡＮおよびカソードＣＡが設けられた単位セル当たりに印加される電圧が、アノードＡＮ上に設けられた、金属製アノードセパレーター１７の腐食電位未満になるよう、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に印加される電圧を制御する動作が行われる。
以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、従来に比べて電解質膜１１の劣化を抑制し得る。具体的には、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、単位セル当たりのセル電圧が金属製アノードセパレーター１７の腐食電位未満となるように、電圧印加器１０２の印加電圧を制御することで、このような電圧制御を行わない場合に比べて、金属製アノードセパレーター１７の腐食に起因する金属製アノードセパレーター１７中の金属の陽イオン溶出が起こりにくくなる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、電解質膜１１のプロトン導電性の不可逆的な低下を適切に抑制することができる。
（第１実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態と同様である。
制御器５０は、電圧印加器１０２により印加される電圧を増加させ、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーター１７の腐食電位以上になると、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前に電圧印加器１０２により印加される電圧の増加を停止させる。
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前において、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーター１７の腐食電位以上になると、電圧印加器１０２による印加電圧の増加を停止させることで、金属製アノードセパレーター１７の腐食が進行しにくくすることができる。このため、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前に、電流をそのまま維持した状態、または、電流を下げた状態にすることにより、金属製アノードセパレーター１７中の金属の陽イオン溶出を抑制させながら、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作を継続することができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、上記の特徴以外は、第１実施形態と同様であってもよい。
（第２実施例）
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態と同様である。
制御器５０は、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーター１７の腐食電位以上になると、電圧印加器１０２により印加される電圧を低下させる。また、制御器５０は、電圧印加器１０２により印加される電圧を低下させても、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーター１７の腐食電位以上であるとき、電圧印加器１０２により電圧の印加を停止させる。
以上により、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、単位セル当たりに印加される電圧が金属製アノードセパレーター１７の腐食電位以上になると、電圧印加器１０２による印加電圧を低下させることで、金属製アノードセパレーター１７の腐食が進行しにくくすることができる。このため、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を下げた状態にすることにより、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を維持する場合に比べ、金属製アノードセパレーター１７中の金属の陽イオン溶出を抑制させながら、電気化学式水素ポンプ１００の水素圧縮動作を継続することができる。
また、電圧印加器１０２により印加される電圧を低下させても、単位セル当たりに印加される電圧が上記腐食電位以上であるとき、金属製アノードセパレーター１７の腐食は進行する。この場合、本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、電圧印加器１０２による電圧印加を停止させることで、金属製アノードセパレーター１７の腐食がそれ以上進行しないようにすることができる。
本実施例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、上記の特徴以外は、第１実施形態または第１実施形態の第１実施例と同様であってもよい。
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
ここで、図３に示す例では、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００は、ガス流路２６Ａおよび弁５１が設けられていること以外は、第１実施形態と同様である。また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第１実施形態と同様である。
ガス流路２６Ａは、カソードＣＡで生成される圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するための流路である。ガス流路２６Ａは、かかる圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給できれば、どのような構成であってもよい。
例えば、図３に示す例では、ガス流路２６Ａと、カソードＣＡで生成される圧縮水素を水素需要体に供給するためのガス供給流路とは合流しており、この合流部より上流の共用流路の端部が、カソードガス導出マニホールド２８に接続しているが、かかる流路構成は例示であって、本例に限定されない。ガス流路２６Ａの上流端は、電気化学式水素ポンプ１００のカソードＣＡと連通する箇所であれば、いずれの箇所に接続していてもよい。
弁５１は、ガス流路２６Ａに設けられている。弁５１は、ガス流路２６Ａを開閉することができれば、どのような構成であってもよい。弁５１として、例えば、窒素ガス、空気などで駆動する駆動弁または電磁弁などを用いることができるが、これらに限定されない。なお、図示を省略するが、上記合流部から水素需要体に延伸するガス供給流路上にも、適宜の弁が設けられている。
ところで、電解質膜１１は、上記のとおり、固体高分子膜が使用されており、固体高分子膜は、完全な緻密膜ではない。このため、電解質膜１１を挟んで配置されるアノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれに存在するガスの組成（例えば、不純物成分のガス濃度）が異なると、かかるガスの濃度に起因する化学ポテンシャル差を駆動力として、不純物および水素が、電解質膜１１を介して相互拡散（クロスリーク）し、最終的にはアノードＡＮおよびカソードＣＡのガスの組成が同一となる。なお、電解質膜１１を介してクロスリークするガスの速度は、電解質膜１１の素材および膜厚に依存する。
また、電気化学式水素ポンプ１００は、式（１）および式（２）のとおり、アノードＡＮおよびカソードＣＡの反応によって、電気化学的に水素（プロトン）をアノードＡＮからカソードＣＡに選択的に移動させ、かつカソードを封止させることで、圧縮水素を含むカソードガスを生成することができる。
ここで、電気化学式水素ポンプ１００の定格運転中は、電気化学的にアノードＡＮからカソードＣＡに選択的に移動する水素量が、クロスリークによってカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量およびアノードＡＮからカソードＣＡに移動する不純物の量に比べて十分に大きいので、仮に、アノードＡＮの水素含有ガスの水素純度が所定値未満の場合でも、カソードＣＡで生成される圧縮水素の水素純度は、高純度に維持される。これに対して、アノードおよびカソード間に流れる電流が定格運転中の電流値である目標電流値に達する前は、電気化学的にアノードＡＮからカソードＣＡに選択的に移動する水素量が、クロスリークによってカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量およびアノードＡＮからカソードＣＡに移動する不純物の量に比べて十分に大きいとは限らないので、仮に、アノードＡＮの水素含有ガスの水素純度が所定値未満の場合、カソードＣＡで生成される圧縮水素の水素純度が低下する可能性がある。
そこで、本実施形態では、制御器５０は、電圧印加器１０２により印加される電圧を増加させ、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、弁５１を開放させる。なお、このとき、上記合流部から水素需要体に延伸するガス供給流路上に設けられた弁は閉止されている。
また、制御器５０は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値以上になると、制御器５０は、弁５１を閉止させる。
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに弁５１を閉止させる場合に比べ、水素需要体に供給される圧縮水素の水素純度を向上させ得る。具体的には、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前は、仮に、アノードＡＮの水素含有ガスの水素純度が所定値未満の場合、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれに存在する不純物のガス濃度に起因する化学ポテンシャル差が小さくなるような不純物クロスリークの影響が発生しやすい。この場合、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに弁５１を閉止させていると、水素需要体に供給される圧縮水素の水素純度が低下する可能性がある。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前において、弁５１を開放させることにより、不純物を含む圧縮水素を水素需要体とは異なる供給先に供給することができる。これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに弁５１を閉止させている場合に比べ、水素需要体に供給される圧縮水素の水素純度の低下を抑制することができる。なお、弁５１を開放させるのは、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前の全期間でなくてもよい。つまり、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前の少なくとも一部の期間で、弁５１を開放させればよい。
また、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値以上であるとき、電気化学的にアノードＡＮからカソードＣＡに選択的に移動する水素量が、クロスリークによってカソードＣＡからアノードＡＮに移動する水素量およびアノードＡＮからカソードＣＡに移動する不純物の量に比べて十分に大きいので、仮に、アノードＡＮの水素含有ガスの水素純度が所定値未満の場合でも、カソードＣＡで生成される圧縮水素の水素純度は、高純度に維持される。よって、このとき、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値以上であるときに、弁５１を閉止させることにより、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値以上であるときに、弁５１を閉止させない場合に比べて、水素需要体と異なる供給先への圧縮水素の供給量を低減することができる。その結果、本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、水素圧縮動作の効率低下を抑制することができる。
本実施形態の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、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実施例のいずれかと同様であってもよい。
（変形例）
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、以下に説明する制御器５０の制御内容以外は、第２実施形態と同様である。
制御器５０は、電圧印加器１０２により印加される電圧を増加させ、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、弁５１を閉止させる。
アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前において、仮に、アノードＡＮの水素含有ガスの水素純度が所定値以上の場合、アノードＡＮおよびカソードＣＡのそれぞれに存在する不純物のガス濃度に起因する化学ポテンシャル差が小さく、不純物クロスロークの影響度が小さくなるため、カソードＣＡで生成される圧縮水素の水素純度は、高純度に維持される。よって、このとき、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、アノードＡＮおよびカソードＣＡ間に流れる電流が目標電流値に達する前において、弁５１を閉止させることにより、弁５１を閉止させない場合に比べて、水素需要体と異なる供給先への圧縮水素の供給量を低減することができる。その結果、本変形例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、水素圧縮動作の効率低下を抑制することができる。
本変形例の電気化学式水素ポンプ１００および電気化学式水素ポンプ１００の制御方法は、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と同様であってもよい。
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２実施形態の変形例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。
また、上記説明から、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、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更することができる。例えば、電気化学式水素ポンプ１００の構成および動作は、水電解装置などの他の圧縮機にも適用することができる。
本開示の一態様は、従来に比べて電解質膜の劣化を抑制し得る圧縮機および圧縮機の制御方法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 ：金属製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 ：ガス流路
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
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
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
５０ ：制御器
５１ ：弁
１００ ：電気化学式水素ポンプ
１００Ａ ：水素ポンプユニット
１００Ｂ ：電気化学セル
１０２ ：電圧印加器
ＡＮ ：アノード
ＣＡ ：カソード

Claims (20)

  1. 電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に設けられたアノードおよび前記電解質膜の他方の主面に設けられたカソードを含む少なくとも１つのセルと、前記アノード上に設けられた金属製アノードセパレーターと、前記カソード上に設けられたカソードセパレーターと、前記アノードと前記カソードとの間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、
    前記電圧印加器が電圧を印加することで、前記アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮機であって、
    単位セル当たりに印加される電圧が前記金属製アノードセパレーターの腐食電位未満となるように、前記電圧印加器の印加電圧を制御する制御器を備える圧縮機。
  2. 前記制御器は、前記電圧印加器により印加される電圧を増加させ、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、前記単位セル当たりに印加される電圧が前記腐食電位以上になると、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流が目標電流値に達する前に前記電圧印加器により印加される電圧の増加を停止させる、請求項１に記載の圧縮機。
  3. 前記制御器は、前記単位セル当たりに印加される電圧が前記腐食電位以上になると、前記電圧印加器により印加される電圧を低下させる、請求項１または２に記載の圧縮機。
  4. 前記制御器は、前記電圧印加器により印加される電圧を低下させても、前記単位セル当たりに印加される電圧が前記腐食電位以上であるとき、前記電圧印加器により電圧の印加を停止させる、請求項３に記載の圧縮機。
  5. 前記圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するためのガス流路と、前記ガス流路に設けられた弁と、を備え、
    前記制御器は、前記電圧印加器により印加される電圧を増加させ、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、前記弁を開放させる、請求項１－４のいずれか１項に記載の圧縮機。
  6. 前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流が目標電流値以上になると、前記制御器は、前記弁を閉止させる、請求項５に記載の圧縮機。
  7. 前記圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するためのガス流路と、前記ガス流路に設けられた弁と、を備え、
    前記制御器は、前記電圧印加器により印加される電圧を増加させ、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、前記弁を閉止させる、請求項１－４のいずれか１項に記載の圧縮機。
  8. 前記金属製アノードセパレーターは、Ｔｉを含む、請求項１－７のいずれか１項に記載の圧縮機。
  9. 前記金属製アノードセパレーターは、ＳＵＳ３１６またはＳＵＳ３１６Ｌを含む、請求項１－７のいずれか１項に記載の圧縮機。
  10. 前記金属製アノードセパレーターは、４４０１－３１６－００－Ｉまたは４４３６－３１６－００－Ｉ、または、４４０４－３１６－０３－Ｉ、４４３２－３１６－０３－Ｉまたは４４３６－３１６－９１－Ｉを含む、請求項１－７のいずれか１項に記載の圧縮機。
  11. 前記金属製アノードセパレーターは、１．４４０１または１．４４３６、または、１．４４０４、１．４４３２または１．４４３５を含む、請求項１－７のいずれか１項に記載の圧縮機。
  12. 前記金属製アノードセパレーターは、Ｓ３１６００またはＳ３１６０３を含む、請求項１－７のいずれか１項に記載の圧縮機。
  13. 前記金属製アノードセパレーターは、Ｓ３１６０８またはＳ３１６０３を含む、請求項１－７のいずれか１項に記載の圧縮機。
  14. 電解質膜を挟んで設けられる、アノードおよびカソード間に電圧を印加することで、アノードに供給される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カソードに移動させ、圧縮水素を生成するステップを備え、
    前記電解質膜を挟んで前記アノードおよび前記カソードが設けられた単位セル当たりに印加される電圧が、前記アノード上に設けられた、金属製アノードセパレーターの腐食電位未満になるよう、前記アノードおよびカソード間に印加される電圧を制御する、圧縮機の制御方法。
  15. 前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧を増加させ、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、前記単位セル当たりに印加される電圧が前記腐食電位以上になると、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流が目標電流値に達する前に、前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧の増加を停止させる、請求項１４に記載の圧縮機の制御方法。
  16. 前記単位セル当たりに印加される電圧が前記腐食電位以上になると、前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧を低下させるステップを備える、請求項１４または１５に記載の圧縮機の制御方法。
  17. 前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧を低下させても、単位セル当たりに印加される電圧が前記腐食電位以上であるとき、前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧を停止させるステップを備える、請求項１６に記載の圧縮機の制御方法。
  18. 前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧を増加させ、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するステップを備える、請求項１４－１７のいずれか１項に記載の圧縮機の制御方法。
  19. 前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流が目標電流値以上になると、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先に供給するステップを停止させる、請求項１８に記載の圧縮機の制御方法。
  20. 前記アノードおよび前記カソード間に印加される電圧を増加させ、前記アノードおよび前記カソード間に流れる電流を目標電流値まで上昇させているときに、圧縮水素を水素需要体と異なる供給先への供給を停止するステップを備える、請求項１４－１７に記載の圧縮機の制御方法。
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