JP7332991B2 - Electrochemical hydrogen compressor - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜と電極(アノード及びカソード)を有し、電流を流すことによりアノードへ供給された水素がイオン化されてカソードへ移動し、カソードで水素を出力させて高圧の水素を得る電気化学的水素圧縮機(EHC:Electric Hydrogen Compressor)に関する。そして本発明は、電解質膜として固体高分子膜(PEM:Polymer Electrolyte Membrane)を用いた電気化学式水素圧縮機に関する。 The present invention has an electrolyte membrane and electrodes (anode and cathode), and hydrogen supplied to the anode is ionized by passing an electric current, moves to the cathode, and outputs hydrogen at the cathode to obtain electricity at high pressure. It relates to a chemical hydrogen compressor (EHC). The present invention also relates to an electrochemical hydrogen compressor using a solid polymer membrane (PEM: Polymer Electrolyte Membrane) as an electrolyte membrane.

係る電気化学式水素圧縮機は、従来から提案されている(例えば特許文献1参照)。
図7で示す従来の電気化学式水素圧縮機100(特許文献1参照)では、ポンプP1を駆動して、水素配管58を介して、バブラー52の液体貯留部52Aに水素が供給される。バブラー52では、バブラー用チラー72により液体貯留部52Aが温度調整されて、貯留された液相の水の飽和蒸気が気化される。水素配管58から導入された水素と水蒸気は気体貯留部52Bへ移動し、加湿された水素として水素導入路60を経由して水素圧縮機54(セル)のアノード54Aへ供給される。
アノード54Aでは、電力が与えられることにより水素がイオン化され、イオン化された水素が電解質膜54Bを透過してカソード54C側へ移動し、カソード54Cで水素に戻る。そして、カソード54Cからは、水を含んだ圧縮水素(カソードからの排出ガス)が、カソード排出路66を介して水分離部56へ送出される。
ここで、アノード14A、電解質膜54B、カソード54Cから構成されるセル54は、セル用チラー74により温度調整されている。
Such an electrochemical hydrogen compressor has been conventionally proposed (see Patent Document 1, for example).
In the conventional electrochemical hydrogen compressor 100 (see Patent Document 1) shown in FIG. In the bubbler 52, the temperature of the liquid storage section 52A is adjusted by the bubbler chiller 72, and the saturated vapor of the stored liquid-phase water is vaporized. The hydrogen and water vapor introduced from the hydrogen pipe 58 move to the gas storage portion 52B and are supplied as humidified hydrogen to the anode 54A of the hydrogen compressor 54 (cell) via the hydrogen introduction passage 60 .
At the anode 54A, hydrogen is ionized by applying electric power, the ionized hydrogen permeates the electrolyte membrane 54B, moves to the cathode 54C side, and returns to hydrogen at the cathode 54C. Compressed hydrogen containing water (exhaust gas from the cathode) is sent from the cathode 54</b>C to the water separator 56 via the cathode discharge passage 66 .
Here, the temperature of the cell 54 composed of the anode 14A, the electrolyte membrane 54B, and the cathode 54C is controlled by a cell chiller 74. As shown in FIG.

水分離部56では、高圧の圧縮水素であるカソード排出ガスから水が分離され、高圧の圧縮水素が圧縮水素出力路64に送出され、例えば、燃料電池自動車(図示せず)の水素充填に用いられる。一方、分離された水は、カソード排出水循環路68に送出され、減圧バルブV1で減圧され、液相の水としてバブラー52へ供給される(戻される)。バブラー52では、液体貯留部52Aに水が貯留され、水に溶解していた水素は気体貯留部52Bへ放出される。
アノード54Aからは、カソード54Cへ移動しなかったアノードオフガス(水蒸気、水素を含む)は、アノードオフガス路62及び水素導入路60(オフガス循環系統)を介して再びアノード54Aへ供給される。
In the water separator 56, water is separated from the cathode exhaust gas, which is high-pressure compressed hydrogen, and the high-pressure compressed hydrogen is delivered to the compressed hydrogen output line 64, for example, to fill a fuel cell vehicle (not shown) with hydrogen. be done. On the other hand, the separated water is sent to the cathode discharge water circulation path 68, decompressed by the decompression valve V1, and supplied (returned) to the bubbler 52 as liquid-phase water. In bubbler 52, water is stored in liquid storage portion 52A, and hydrogen dissolved in water is released to gas storage portion 52B.
The anode off-gas (including water vapor and hydrogen) that has not moved from the anode 54A to the cathode 54C is supplied again to the anode 54A via the anode off-gas passage 62 and the hydrogen introduction passage 60 (off-gas circulation system).

しかし、従来の電気化学式水素圧縮機では、低圧側と高圧側に曝されるセル或いは電解質膜に対しても圧力容器としての基準を充足することが要求され、例えば4倍圧の基準(要求された4倍の圧力に耐えられるという基準)の充足を要求される。そのため、燃料電池自動車の水素充填に用いられる場合(80MPaの高圧水素が要求される場合)には、セル或いは電解質膜が4倍圧(320MPaでも無事稼働する)というハードな基準をクリアする必要があった。
また、図7で示す様に、従来技術の電気化学式水素圧縮機では、セル或いはセルのスタックの外部にオフガス循環系統(アノードオフガス路62、水素導入路60、ポンプP2、バルブV2)と、カソード排出水循環経路68が設けられているので、複数のセルを積層或いは密集して配置することが困難であり、大きなスペースが必要となり、且つ、各セルとオフガス循環系統及び/又はカソード排出水循環系統との干渉を防止するため、レイアウトが困難であった。
さらに従来の電気化学式水素圧縮機では、セル冷却とバブラー温調のために、高精度のチラーを少なくとも2台用意しなければならず、製造コストが高騰するという問題を有していた。
However, in the conventional electrochemical hydrogen compressor, the cells or electrolyte membranes exposed to the low pressure side and the high pressure side are also required to satisfy the standard as a pressure vessel. It is required to satisfy the standard that it can withstand four times the pressure. Therefore, when used for filling hydrogen in a fuel cell vehicle (when high-pressure hydrogen of 80 MPa is required), it is necessary to clear the hard standard that the cell or electrolyte membrane must be four times the pressure (320 MPa can be safely operated). there were.
Further, as shown in FIG. 7, in the conventional electrochemical hydrogen compressor, the offgas circulation system (anode offgas passage 62, hydrogen introduction passage 60, pump P2, valve V2) and the cathode are provided outside the cell or stack of cells. Since the discharge water circulation path 68 is provided, it is difficult to stack or densely arrange a plurality of cells, a large space is required, and each cell, the off-gas circulation system and/or the cathode discharge water circulation system are separated. The layout was difficult to prevent interference between
Furthermore, in the conventional electrochemical hydrogen compressor, at least two high-precision chillers must be prepared for cell cooling and bubbler temperature control, and there is a problem that the manufacturing cost rises.

特許第6795439号公報Japanese Patent No. 6795439

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、電解質膜に圧力装置としての基準を適用する必要がない電気化学式水素圧縮機の提供を目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an electrochemical hydrogen compressor that does not require application of standards as a pressure device to the electrolyte membrane.

本発明の電気化学式水素圧縮機(40)は、アノード(1A)とカソード(1C)により電解質膜(1B:固体高分子膜:PEM)を挟み込んで構成されたセル(1)を複数備え、複数のセル(1)を収容するセル用ケーシング(11)と、水分離装置(2)と、水分離装置(2)を収容する水分離装置用ケーシング(12)と、バブラー(3)と、バブラー(3)を収容するバブラー用ケーシング(13)を有し、
セル(1)を収容するセル用ケーシング(11)と、水分離装置(2)を収容する水分離装置用ケーシング(12)と、バブラー(3)を収容するバブラー用ケーシング(13)は一体的に結合され、
セル用ケーシング(11)の上方に水分離装置(2)を設け、カソード(1C)の圧縮水素は水(水蒸気)と共に水分離装置(2)の内部空間に供給され、
水分離装置(2)の内部空間には水が貯留しており、カップフロート(25)が配置され、
水分離装置(2)の内部空間の中心部とバブラー(3)を連通する水降下用パイプ(26)が設けられて、水降下用パイプ(26)は水分離装置用ケーシング(12)を貫通してバブラー(3)に連通していることを特徴としている。
The electrochemical hydrogen compressor (40) of the present invention includes a plurality of cells (1) configured by sandwiching an electrolyte membrane (1B: polymer electrolyte membrane: PEM) between an anode (1A) and a cathode (1C). a cell casing (11) containing a cell (1) of ; a water separator (2); a water separator casing (12) containing the water separator (2); a bubbler (3); Having a bubbler casing (13) that houses (3),
A cell casing (11) containing a cell (1), a water separator casing (12) containing a water separator (2), and a bubbler casing (13) containing a bubbler (3) are integrated. is bound to
A water separator (2) is provided above the cell casing (11), and the compressed hydrogen of the cathode (1C) is supplied to the inner space of the water separator (2) together with water (water vapor),
Water is stored in the internal space of the water separator (2), a cup float (25) is arranged,
A water drop pipe (26) is provided to communicate the center of the internal space of the water separator (2) and the bubbler (3), and the water drop pipe (26) passes through the water separator casing (12). and communicates with the bubbler (3).

本発明において、水分離装置(2)の内部空間に配置されたカップフロート(25)は棒状部(25B)を有し、棒状部(25B)の先端(下端)にはバルブ本体(25C)が設けられ、
前記水降下用パイプ(26)の上端部(26A)は水分離装置(2)の内部空間の下方で開放され、カップフロート(25)に設けられたバルブ本体(25C)が座着可能な弁座を構成するのが好ましい。
In the present invention, the cup float (25) arranged in the internal space of the water separator (2) has a rod-shaped portion (25B), and the tip (lower end) of the rod-shaped portion (25B) has a valve body (25C). provided,
The upper end (26A) of the water descending pipe (26) is open below the internal space of the water separator (2), and the valve body (25C) provided on the cup float (25) can be seated. It preferably constitutes a seat.

本発明において、セル収容部外殻(11:セル用ケーシング)内に収容された複数のセル(1)内のポート及び溝を連通して構成した部分を有する水素ガス流路(4)を備え、
水素ガス流路(4)を介してバブラー(3)で生じた水素と水蒸気の混合気がセル(1)に供給され、水素ガス流路(4)を介してセル(1)のアノード(1A)で発生したオフガスがバブラー(3)に戻されるのが好ましい。
In the present invention, a hydrogen gas flow path (4) having a portion formed by connecting ports and grooves in a plurality of cells (1) housed in a cell housing outer shell (11: cell casing) is provided. ,
A mixture of hydrogen and water vapor generated in the bubbler (3) is supplied to the cell (1) through the hydrogen gas flow path (4), and the anode (1A) of the cell (1) is supplied through the hydrogen gas flow path (4). ) is preferably returned to the bubbler (3).

また本発明において、バブラー(3)とセル(1)とを接続するヒートチューブ(5)を有し、ヒートチューブ(5)の一端はヒートチューブ受熱部(5A)として複数分散設置(固体伝熱)されて複数のセル(1)の各々に接続(固体接続)されており、ヒートチューブ(5)の他端はヒートチューブ放熱部(5B)としてバブラー(3)の液相領域(3B)に浸漬しているのが好ましい。 In addition, in the present invention, a heat tube (5) connecting the bubbler (3) and the cell (1) is provided, and one end of the heat tube (5) is installed as a heat tube heat receiving part (5A) in a distributed manner (solid heat transfer ) and connected (solid connection) to each of the plurality of cells (1), and the other end of the heat tube (5) is connected to the liquid phase region (3B) of the bubbler (3) as a heat tube heat radiation part (5B). Immersion is preferred.

上述の構成を具備する本発明の電気化学式水素圧縮機(40)によれば、バブラー(3)に水素ガスを供給し、バブラー(3)内に供給された水素ガスは水蒸気を連行して水素ガス流路(4)を流れ、セル(1)のアノード(1A)に供給される。供給された水素はイオン化され、電解質膜である固体高分子膜(1B:PEM)を透過してカソード(1C)側に移動する。そしてカソード(1C)において水素に戻り、圧縮される。圧縮された水素は水分離装置(2)に送られ、水分が分離され、高圧水素ガスとして水素容器(例えばFCVの水素充填タンク)に充填される。
本発明では、セル(1)がバブラー(3)、水分離装置(2)と一体的に構成されており、複数のセル(1)が圧力容器状のセル収容部外殻(11:セル用ケーシング)に収容されているので、電解質膜(1B:固体高分子膜:PEM)には圧力容器としての基準(4倍圧の基準)は適用されない。そのため、例えば燃料電池自動車の水素充填に用いられる場合(80MPaの高圧水素が要求される場合)に、バブラー用ケーシング(13)及び水分離装置用ケーシング(12)と一体に構成されたセル収容部外殻(11)が4倍圧の基準を充足すれば(320MPaでも無事稼働することが出来れば)、セル収容部外殻(11)に収容されたセル(1)或いはその電解質膜(1B:固体高分子膜:PEM)は圧力容器としての基準(4倍圧の基準:例えば320MPa)を充足する必要がない。
そして、チェック弁等の低圧回路保護機構を設けることにより圧力容器を守ることが出来るので、電解質膜(1B)が圧力容器としての基準を満たす必要がない。仮に電解質膜(1B)が少々破損したとしても、セル(1)全体を交換する必要は無く、セル交換のため電気化学式水素圧縮機(40)の稼働を中止する必要も無くなる。
According to the electrochemical hydrogen compressor (40) of the present invention having the above configuration, hydrogen gas is supplied to the bubbler (3), and the hydrogen gas supplied into the bubbler (3) entrains water vapor to produce hydrogen gas. It flows through the gas channel (4) and is supplied to the anode (1A) of the cell (1). The supplied hydrogen is ionized, permeates through a solid polymer membrane (1B: PEM), which is an electrolyte membrane, and moves to the cathode (1C) side. It is then converted back to hydrogen and compressed at the cathode (1C). Compressed hydrogen is sent to a water separator (2), water is separated, and high-pressure hydrogen gas is filled in a hydrogen container (for example, a hydrogen filling tank of an FCV).
In the present invention, the cell (1) is integrally configured with the bubbler (3) and the water separator (2), and the plurality of cells (1) is a pressure vessel-like cell housing portion outer shell (11: for cell Casing), the electrolyte membrane (1B: solid polymer membrane: PEM) does not meet the criteria for a pressure vessel (quadruple pressure criteria). Therefore, for example, when used for hydrogen charging of a fuel cell vehicle (when high-pressure hydrogen of 80 MPa is required), the cell housing portion integrally configured with the bubbler casing (13) and the water separator casing (12) If the outer shell (11) satisfies the quadruple pressure standard (if it can be safely operated even at 320 MPa), the cell (1) housed in the cell housing part outer shell (11) or its electrolyte membrane (1B: A solid polymer membrane (PEM) does not need to satisfy the standard for a pressure vessel (standard for quadruple pressure: 320 MPa, for example).
Since the pressure vessel can be protected by providing a low-voltage circuit protection mechanism such as a check valve, the electrolyte membrane (1B) does not need to meet the standards for a pressure vessel. Even if the electrolyte membrane (1B) is slightly damaged, there is no need to replace the entire cell (1), and there is no need to stop the operation of the electrochemical hydrogen compressor (40) for cell replacement.

本発明において、バブラー(3)で生じた水素と水蒸気の混合気は、セル用ケーシング(11)内に収容された複数のセル(1)内のポート及び溝を連通して構成した部分を有する水素ガス流路(4)を介してセル(1)に供給され、セル(1)のアノード(1A)で発生したオフガスは当該水素ガス流路(4)を介してバブラー(3)に戻される様に構成すれば、セル(1)或いはセルスタック外にオフガス循環系統を構成しなくても、バブラー用ケーシング(13)及びセル収容部外殻(11)内でオフガスを循環させることが出来る。
そのため、複数のセル(1)を積層或いは密集して配置してもオフガス循環系統と干渉する恐れはなく、複数のセル(1)を積層或いは密集してセル収容部外殻(11)内に配置(収容)することが出来る。
そのため、複数のセル(1)を配置するのに大きなスペースは必要とせず、各セル(1)とオフガス循環系統との干渉を防止するレイアウトを考慮する必要がない。
In the present invention, the mixture of hydrogen and water vapor generated in the bubbler (3) has a portion formed by connecting ports and grooves in a plurality of cells (1) housed in a cell casing (11). It is supplied to the cell (1) through the hydrogen gas flow path (4), and the off-gas generated at the anode (1A) of the cell (1) is returned to the bubbler (3) through the hydrogen gas flow path (4). With this configuration, the offgas can be circulated within the bubbler casing (13) and the cell containing portion outer shell (11) without constructing an offgas circulation system outside the cell (1) or cell stack.
Therefore, even if a plurality of cells (1) are stacked or densely arranged, there is no fear of interfering with the off-gas circulation system. It can be placed (accommodated).
Therefore, a large space is not required for arranging a plurality of cells (1), and there is no need to consider a layout for preventing interference between each cell (1) and the off-gas circulation system.

ここで、本発明の様に、セル(1)がバブラー(3)、水分離装置(2)と一体的に構成されており、複数のセル(1)が圧力容器状のセル収容部外殻(11:セル用ケーシング)に収容されている電気化学式水素圧縮機(40)は、従来は提案されていない。そして、本発明の電気化学式水素圧縮機(40)において、カソード(1C)の圧縮水素と水(水蒸気)を分離して、分離した水をバブラー(3)に戻して再利用することが出来る機能を有する水分離装置(2)も従来は提案されていなかった。
それに対して本発明では、セル収容部外殻(11)の上方に水分離装置(2)を設け、カソード(1C)の圧縮水素は水(水蒸気)と共に水分離装置2の内部空間に供給され、水分離装置(2)の内部空間には水が貯留しており、カップフロート(25)が配置され、水分離装置(2)の内部空間の中心部とバブラー(3)を連通する水降下用パイプ(26)が設けられて、水降下用パイプ(26)は水分離装置用ケーシング(12)を貫通してバブラー(3)に連通する様に構成すれば、セル1のカソード1Cから水分離装置2に移動した水素はカップフロート(25)を介して水分離装置(2)内の水中を浮上し、高圧の水素ガスは水分除去装置(18)へ移動する。
Here, as in the present invention, the cell (1) is integrally configured with the bubbler (3) and the water separator (2), and the plurality of cells (1) is a pressure vessel-like cell container outer shell The electrochemical hydrogen compressor (40) housed in (11: cell casing) has not been proposed in the past. Then, in the electrochemical hydrogen compressor (40) of the present invention, the function of separating the compressed hydrogen and water (water vapor) of the cathode (1C) and returning the separated water to the bubbler (3) for reuse. A water separator (2) having
On the other hand, in the present invention, a water separator (2) is provided above the outer shell (11) of the cell housing part, and the compressed hydrogen of the cathode (1C) is supplied to the inner space of the water separator 2 together with water (water vapor). , Water is stored in the inner space of the water separator (2), a cup float (25) is arranged, and a water drop that communicates the central part of the inner space of the water separator (2) and the bubbler (3) If a water drop pipe (26) is provided, and the water drop pipe (26) penetrates the water separator casing (12) and communicates with the bubbler (3), water will flow from the cathode 1C of the cell 1 The hydrogen that has moved to the separator 2 floats in the water inside the water separator (2) through the cup float (25), and the high-pressure hydrogen gas moves to the water remover (18).

そして本発明において、水分離装置(2)の内部空間に配置されたカップフロート(25)が棒状部(25B)を有し、棒状部(25B)の先端(下端)にはバルブ本体(25C)が設けられ、前記水降下用パイプ(26)の上端部(26A)は水分離装置(2)の内部空間の下方で開放され、カップフロート(25)に設けられたバルブ本体(25C)が座着可能な弁座を構成すれば、水分離装置(2)内の水によりカップフロート(25)に浮力が作用して浮き上がると、カップフロート(25)に設けられたバルブ本体(25C)は弁座である水降下用パイプ(26)の上端開口部(26A)から離隔する。そして、水分離装置2内の水は水降下用パイプ26内を降下し、バブラー(3)側に戻される。
一方、水分離装置(2)内の水量が減少すると、カップフロート(25)が下降し、バルブ本体(25C)が弁座である水降下用パイプ(26)の上端開口部(26A)に座着して閉鎖する。その状態では、水分離装置(2)内の水はバブラー(3)側に下降することはなく、水分離装置(2)内に留まる。
すなわち、水分離装置(2)内の水は、水分離装置(2)の内部空間の中心部とバブラー(3)を連通する水降下用パイプ(26)によりバブラー(3)に戻されるので、従来技術の様にセルスタック外部に別途水循環系統を形成する必要がない。そして、セルスタック外部に水循環系統を形成する必要がないため、セルを集積し易く、レイアウトが容易になる。
さらに、カップフロート(25)は下方に開口部(25D)を有し、内部空間が開空間であるため、高圧下においてもカップフロート(25)内外の圧力差が無い。そのため、外殻が薄いカップフロート(25)を高圧環境下の水分離装置(2)内に設けても潰れることはない。
In the present invention, the cup float (25) arranged in the internal space of the water separator (2) has a rod-shaped portion (25B), and the tip (lower end) of the rod-shaped portion (25B) has a valve body (25C). is provided, the upper end (26A) of the water descending pipe (26) is open below the inner space of the water separator (2), and the valve body (25C) provided on the cup float (25) is seated. If a valve seat that can be attached is configured, when the cup float (25) floats due to the buoyancy caused by the water in the water separator (2), the valve body (25C) provided in the cup float (25) will open as a valve. It is separated from the upper end opening (26A) of the water descending pipe (26) which is a seat. The water in the water separator 2 descends in the water descending pipe 26 and is returned to the bubbler (3) side.
On the other hand, when the amount of water in the water separator (2) decreases, the cup float (25) descends and the valve body (25C) sits on the upper end opening (26A) of the water descending pipe (26), which is the valve seat. put on and close. In that state, the water in the water separator (2) stays in the water separator (2) without descending to the bubbler (3) side.
That is, the water in the water separator (2) is returned to the bubbler (3) through the water drop pipe (26) that communicates the center of the internal space of the water separator (2) with the bubbler (3). Unlike the prior art, there is no need to form a separate water circulation system outside the cell stack. In addition, since there is no need to form a water circulation system outside the cell stack, the cells can be easily integrated and the layout can be facilitated.
Furthermore, since the cup float (25) has an opening (25D) at the bottom and the internal space is an open space, there is no pressure difference between the inside and outside of the cup float (25) even under high pressure. Therefore, even if the cup float (25) with a thin outer shell is installed in the water separator (2) under high pressure environment, it will not be crushed.

また本発明において、バブラー(3)とセル(1)の間をヒートチューブ(5)で接続し、ヒートチューブ(5)の一端はヒートチューブ受熱部(5A)が複数分散設置(固体伝熱)されて複数のセル(1)の各々に接続(固体接続)されており、ヒートチューブ(5)の他端をヒートチューブ放熱部(5B)としてバブラー(3)の液相領域(3B)に浸漬すれば、セル(1)における熱量が複数分散設置(固体伝熱)したヒートチューブ受熱部(5A)に伝熱され、ヒートチューブ(5)の受熱部(5A)を介して当該熱量はヒートチューブ(5)内の純水に伝達されて純水を水蒸気に気化し、当該水蒸気がヒートチューブ(5)内を移動してバブラー(3)の液相領域(3B)に投与されることにより、セル(1)を運転状態に応じてセルフ冷却をすることが出来る。そのため、セル(1)には高品質のチラーを設ける必要がない。
さらに本発明では、バブラー用ケーシング(13)にフィン(6)を設け、ブロワ(7)により熱風或いは冷風をフィン(6)に向かって噴射すれば、バブラー(3)の温度調整が可能である。或いは、バブラー(3)を加熱するヒーター機構(8)及び/又はバブラーを冷却するクーラー機構を設ければ、バブラー(3)の温度調整が可能である。さらに、バブラーに供給される水素の温度を温調装置(9)により調節することで、バブラー(3)の温度調整が出来る。そのため、本発明では、バブラー(3)の温度調整に高品質な機器であるチラーを設ける必要がない。
Further, in the present invention, the bubbler (3) and the cell (1) are connected by a heat tube (5), and one end of the heat tube (5) is provided with a plurality of heat tube heat receiving parts (5A) distributedly (solid heat transfer). is connected (solid connection) to each of the plurality of cells (1), and the other end of the heat tube (5) is immersed in the liquid phase region (3B) of the bubbler (3) as a heat tube heat radiation part (5B). Then, the heat amount in the cell (1) is transferred to the heat tube heat receiving part (5A) which is installed in a plurality of distributed (solid heat transfer), and the heat amount is transferred to the heat tube through the heat receiving part (5A) of the heat tube (5). It is transmitted to the pure water in (5) to vaporize the pure water into steam, and the steam moves in the heat tube (5) and is administered to the liquid phase region (3B) of the bubbler (3), The cell (1) can be self-cooled depending on the operating conditions. Therefore, cell (1) does not need to be equipped with a high quality chiller.
Further, in the present invention, the bubbler casing (13) is provided with fins (6), and the blower (7) blows hot air or cold air toward the fins (6), thereby enabling temperature adjustment of the bubbler (3). . Alternatively, the temperature of the bubbler (3) can be adjusted by providing a heater mechanism (8) for heating the bubbler (3) and/or a cooler mechanism for cooling the bubbler (3). Furthermore, the temperature of the bubbler (3) can be adjusted by adjusting the temperature of the hydrogen supplied to the bubbler with the temperature controller (9). Therefore, in the present invention, it is not necessary to provide a chiller, which is a high-quality device, for adjusting the temperature of the bubbler (3).

本発明の電気化学式水素圧縮機の実施形態を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing an embodiment of an electrochemical hydrogen compressor of the present invention; FIG. 実施形態における水分離装置を示す説明図である。It is an explanatory view showing a water separation device in an embodiment. 実施形態におけるバブラーを示す説明図である。It is an explanatory view showing a bubbler in an embodiment. ヒートチューブによるセルの冷却を模式的に示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view schematically showing cooling of cells by a heat tube; 起動時にバブラーを加熱する機構を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing a mechanism for heating the bubbler at startup; 図1と同様な説明図であって、実施形態におけるセルが積層されている態様を具体的に示している。FIG. 2 is an explanatory view similar to FIG. 1 and specifically shows a mode in which cells are stacked in the embodiment. 従来の電気化学式水素圧縮機を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing a conventional electrochemical hydrogen compressor; カップフロートの変形例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the modification of a cup float.

以下、図1~図6を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1において、図示の実施形態に係る電気化学式水素圧縮機40は、複数のセル1(図2参照:図1では引き出し線と符号1のみでセルを示す)(或いはセルスタック)と、複数のセル1を収容するセル用ケーシング11と、水分離装置2と、水分離装置2を収容する水分離装置用ケーシング12と、バブラー3と、バブラー3を収容するバブラー用ケーシング13を有している。
セル1を収容するセル用ケーシング11と、水分離装置2を収容する水分離装置用ケーシング12と、バブラー3を収容するバブラー用ケーシング13は、例えばボルト14(図1では中心軸を一点鎖線で示す)により一体的に結合されている。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 6. FIG.
In FIG. 1, the electrochemical hydrogen compressor 40 according to the illustrated embodiment includes a plurality of cells 1 (see FIG. 2: in FIG. 1, cells are indicated only by lead lines and reference numeral 1) (or cell stacks), It has a cell casing 11 containing a cell 1, a water separator 2, a water separator casing 12 containing the water separator 2, a bubbler 3, and a bubbler casing 13 containing the bubbler 3. .
The cell casing 11 that houses the cell 1, the water separator casing 12 that houses the water separator 2, and the bubbler casing 13 that houses the bubbler 3 are, for example, bolts 14 (in FIG. shown).

セル用ケーシング11内には、セル1が例えば40個程度収容されている。図1では明示されていないが、セル1は電極であるアノード1Aと、カソード1Cと、電解質膜である固体高分子膜1B(PEM)を有しており、アノード1Aとカソード1Cにより電解質膜1Bを挟み込んでセル1を構成している。
セル1の各々は、1枚で80MPa程度まで水素ガスを加圧する機能を有する様に構成されている。図示の実施形態では、例えば80MPaという高圧は、複数のセルを直列につないで、セルごとに数MPaずつ加圧して得ている訳ではなく、水素を80MPaまで加圧できる能力を有する個々のセルを、複数(例えば40個)、積層している。
For example, about 40 cells 1 are accommodated in the cell casing 11 . Although not shown in FIG. 1, the cell 1 has an anode 1A, which is an electrode, a cathode 1C, and a polymer electrolyte membrane 1B (PEM), which is an electrolyte membrane. are sandwiched to form a cell 1.
Each cell 1 is configured to have a function of pressurizing hydrogen gas up to about 80 MPa. In the illustrated embodiment, the high pressure of 80 MPa, for example, is not obtained by connecting a plurality of cells in series and pressurizing each cell by several MPa. are laminated (for example, 40 pieces).

図7を参照して上述した様に、従来技術では、低圧側と高圧側に曝されるセル或いは電解質膜に対して、圧力容器としてのハードな基準を充足することが要求される。例えば、電解質膜が4倍圧の基準(例えば、80MPaの高圧ガスを充填する充填機に用いられる電気化学室水素圧縮機では、320MPaでも無事稼働するという基準)をクリアしなければならなかった。
図示の実施形態では、セル1がバブラー3、水分離装置2と一体的に構成されており、複数のセル1が圧力容器状のセル用ケーシング11(セル収容部外殻)に収容されているので、電解質膜1B(固体高分子膜:PEM)そのものには圧力容器としての基準(4倍圧の基準)は適用されない。そのため、例えば燃料電池自動車の水素充填に用いられる場合(80MPaの高圧水素が要求される場合)に、セル用ケーシング11が4倍圧の基準を充足すれば(320MPaでも無事稼働することが出来れば)、セル用ケーシング11に収容されたセル1或いは固体高分子膜1B(PEM)には、圧力容器としての基準(4倍圧の基準)を充足することは要求されない。また、チェック弁等の低圧回路保護機構(図示せず)を設けることにより守ることが出来るので、固体高分子膜1B(PEM)には圧力容器としての基準は要求されない。
そのため、固体高分子膜1B(PEM)には気密性のみが要求され、4倍圧の基準に耐える様な耐圧性は必要なく、一般高圧容器程度の耐圧性を有していれば足りる。
As described above with reference to FIG. 7, in the prior art, the cell or electrolyte membrane exposed to the low pressure side and the high pressure side is required to satisfy the hard criteria as a pressure vessel. For example, the electrolyte membrane had to clear the standard of four times the pressure (for example, the standard that an electrochemical chamber hydrogen compressor used in a filling machine filled with 80 MPa high-pressure gas can operate safely even at 320 MPa).
In the illustrated embodiment, the cells 1 are configured integrally with the bubbler 3 and the water separator 2, and the plurality of cells 1 are housed in a pressure container-like cell casing 11 (cell housing portion outer shell). Therefore, the standard (quadruple pressure standard) as a pressure vessel is not applied to the electrolyte membrane 1B (proton polymer membrane: PEM) itself. Therefore, if the cell casing 11 satisfies the quadruple pressure standard (if the cell casing 11 can be safely operated even at 320 MPa), for example, when it is used for hydrogen filling of a fuel cell vehicle (when high-pressure hydrogen of 80 MPa is required), ), the cell 1 or the solid polymer membrane 1B (PEM) accommodated in the cell casing 11 is not required to satisfy the standard (quadruple pressure standard) as a pressure vessel. Also, since it can be protected by providing a low-pressure circuit protection mechanism (not shown) such as a check valve, the solid polymer membrane 1B (PEM) does not require the standard as a pressure vessel.
Therefore, the solid polymer membrane 1B (PEM) is required only to be airtight, and does not need to have a pressure resistance that can withstand a standard of four times the pressure.

図示の実施形態ではセル1或いは固体高分子膜1B(PEM)は4倍圧の様な厳しい基準を充足する必要がないので、バブラー3(を収容するバブラー用ケーシング13)、水分離装置2(を収容する水分離装置用ケーシング12)と一体的に構成されたセル用ケーシング11が圧力容器としての基準を充足するのであれば、仮に固体高分子膜1B(PEM)が僅かに破損したとしても、セル1全体としては水素を圧縮する機能を発揮するのであれば、破損したセル1を交換することなく、アノード1A側にチャッキ弁(図示せず)を配置して、水素や水が排出される様に構成して、稼働し続けることが出来る。 In the illustrated embodiment, the cell 1 or the solid polymer membrane 1B (PEM) does not need to satisfy a strict standard such as quadruple pressure, so the bubbler 3 (the bubbler casing 13 containing the bubbler), the water separator 2 ( If the cell casing 11 integrated with the water separator casing 12) that accommodates the solid polymer membrane 1B (PEM) is slightly damaged, if it satisfies the criteria as a pressure vessel If the cell 1 as a whole exhibits the function of compressing hydrogen, a check valve (not shown) is arranged on the anode 1A side without replacing the damaged cell 1, and hydrogen and water are discharged. You can configure it so that it can continue to operate.

図1において、水素供給源から、配管15及び温調装置9を経由して供給された水素は、バブラー3内の気泡発生器16(図3参照:図1では図示せず)に供給される。配管15には、水循環ポンプ33を介装した水供給源からの配管28が合流している。
水素供給源から流路15を介して供給された水素は、バブラー3の液相領域3B内に貯留された水(純水)内を大量の気泡となって浮上し、その際に水蒸気を連行する。そして、水素と水蒸気の混合気体は、バブラー3の気相領域3Aから水素ガス流路4(図1の左側の水素ガス流路4)を流れ、セル1のアノード1A(図2)に供給される。符号29は気体用ポンプを示している。
明確には図示されていないが、セル用ケーシング11内に収容された複数のセル1内のポート及び溝を連通して、水素ガス流路4が構成されている。
セル1のアノード1Aに供給された水素は、イオン化されて電解質膜1B(固体高分子膜:PEM)(図2)を透過してカソード1C(図2)側に移動して水素に戻り、圧縮された状態で水分離装置2に送られて、水分離される。
一方、カソード1C側に移動しなかった水素はオフガスとして水素ガス流路4(図1の右側の水素ガス流路4)を流れてバブラー3に戻される。
図1では水素ガス流路4がアノード1A側に向かう流路と、アノード1A側から戻る流路を、象徴的に、単一の太い配管状に表示しているが、実機では、アノード1A側に向かう水素ガス流路4と、アノード1A側から戻る水素ガス流路4、セル1の数に応じて必要な数だけ分岐、合流して構成されている。
In FIG. 1, the hydrogen supplied from the hydrogen supply source via the pipe 15 and the temperature control device 9 is supplied to the bubble generator 16 (see FIG. 3: not shown in FIG. 1) in the bubbler 3. . A pipe 28 from a water supply source with a water circulation pump 33 interposed joins the pipe 15 .
Hydrogen supplied from the hydrogen supply source through the flow path 15 floats as a large amount of bubbles in the water (pure water) stored in the liquid phase region 3B of the bubbler 3, entraining water vapor. do. The mixed gas of hydrogen and water vapor flows from the vapor phase region 3A of the bubbler 3 through the hydrogen gas channel 4 (hydrogen gas channel 4 on the left side in FIG. 1) and is supplied to the anode 1A (FIG. 2) of the cell 1. be. Reference numeral 29 indicates a gas pump.
Although not clearly shown, a hydrogen gas flow path 4 is formed by connecting ports and grooves in a plurality of cells 1 accommodated in the cell casing 11 .
Hydrogen supplied to the anode 1A of the cell 1 is ionized, permeates the electrolyte membrane 1B (proton polymer membrane: PEM) (Fig. 2), moves to the cathode 1C (Fig. 2) side, returns to hydrogen, and is compressed. It is sent to the water separator 2 in the state where it is separated from the water.
On the other hand, the hydrogen that has not moved to the cathode 1C side flows through the hydrogen gas channel 4 (the hydrogen gas channel 4 on the right side in FIG. 1) as off gas and is returned to the bubbler 3 .
In FIG. 1, the flow path of the hydrogen gas flow path 4 toward the anode 1A side and the flow path returning from the anode 1A side are symbolically shown as a single thick pipe. The hydrogen gas flow path 4 directed to the anode 1A side and the hydrogen gas flow path 4 returning from the anode 1A side are branched and merged as many as necessary according to the number of the cells 1. FIG.

図1において、カソード1C(図2)側に移動した水素は、図2を参照して後述する水分離装置2を流過した後、配管17により水分除去装置18に供給され、水分除去装置18で水分を除去される。符号19は、水分離装置2内の高圧水素を水分除去装置18に送るための気体ポンプを示している。
水分を除去された水素は、例えば、図示しない水素充填装置(ディスペンサー)を介して高圧水素容器(例えば、燃料電池自動車の水素容器)に充填される。
水分除去装置18は、例えばカートリッジ内に吸着剤(ゼオライト等)を充填して構成されている。吸着剤は定期的に交換されるか、或いは、図1で示す様に真空ポンプ20に直結して再生される。
図1において、水分除去装置18は配管21を介して吸着剤再生用ポンプ20(真空ポンプ:図示せず)に連通している。水分除去装置18の吸着剤が水分を十分に吸着したならば、真空ポンプ20を稼働して、配管21を介して水分除去装置18の吸着剤を真空乾燥して、吸着剤から水分を除去して再生させる。吸着剤の再生後、開閉弁22を開放し、配管23を介して配管21を外気に連通して、真空状態を開放する。
In FIG. 1, the hydrogen that has moved to the cathode 1C (FIG. 2) side flows through the water separator 2, which will be described later with reference to FIG. Moisture is removed by Reference numeral 19 denotes a gas pump for sending high-pressure hydrogen in the water separator 2 to the water remover 18 .
Hydrogen from which moisture has been removed is filled into a high-pressure hydrogen container (for example, a hydrogen container for a fuel cell vehicle) via, for example, a hydrogen filling device (dispenser) (not shown).
The moisture remover 18 is constructed by, for example, filling a cartridge with an adsorbent (such as zeolite). The adsorbent is periodically replaced or regenerated directly to the vacuum pump 20 as shown in FIG.
In FIG. 1, the moisture remover 18 communicates through a pipe 21 with an adsorbent regeneration pump 20 (vacuum pump: not shown). After the adsorbent of the water removing device 18 has sufficiently adsorbed water, the vacuum pump 20 is operated to vacuum dry the adsorbent of the water removing device 18 through the pipe 21 to remove the water from the adsorbent. to play. After regenerating the adsorbent, the on-off valve 22 is opened, the pipe 21 is communicated with the outside air through the pipe 23, and the vacuum state is released.

上述した様に、セル用ケーシング11と水分離装置用ケーシング12とバブラー用ケーシング13は、図示の実施形態ではボルト14により一体的に結合されている。
また、水分離装置2とバブラー3は水降下用パイプ26により連通しており、セル1とバブラー3は水素ガス流路4、ヒートチューブ5等により接続されている。
水分離装置2については図2を参照して後述する。また、バブラー3については図3を参照して後述する。
As described above, the cell casing 11, the water separator casing 12, and the bubbler casing 13 are integrally connected by bolts 14 in the illustrated embodiment.
The water separator 2 and the bubbler 3 are communicated with each other by a water descending pipe 26, and the cell 1 and the bubbler 3 are connected by a hydrogen gas flow path 4, a heat tube 5 and the like.
The water separator 2 will be described later with reference to FIG. Also, the bubbler 3 will be described later with reference to FIG.

次に、図2を参照して水分離装置2について説明する。なお、図2では、セル用ケーシング11の図示は省略している。
図2において、水分離装置2の内部空間には水(ハッチングで示している)が貯留しており、カップフロート25が浮いている。カップフロート25は、図2において下方に突出した外方縁部25Aを有し、中心部には図2の下方に延在する棒状部25Bを有している。棒状部25Bの先端(下端)にはバルブ本体25Cが形成されている。そしてカップフロート25は、その下方に開口部25Dを有する開放された形状となっており、カップフロート25の内部空間は開空間となっている。
水分離装置2の内部空間の中心部と、バブラー3(図1、図3参照:図2では図示せず)は、水降下用パイプ26により連通されている。水降下用パイプ26は水分離装置2及び水分離装置用ケーシング12の底部を貫通して下方(図2では図示しないバブラー3側)に延在して、バブラー3に連通する。水降下用パイプ26の上端部26Aは水分離装置2の内部空間の下方で開放され、カップフロート25に形成されたバルブ本体25Cが座着可能な弁座を構成している。そして、カップフロート25のバルブ本体25Cと、水降下用パイプ26の上端開口部26Aにより、上端開口部26Aを開閉する機能を有する弁機構(ニードルバルブ)を構成している。
Next, the water separator 2 will be described with reference to FIG. In addition, illustration of the cell casing 11 is omitted in FIG.
In FIG. 2, water (indicated by hatching) is stored in the internal space of the water separator 2, and the cup float 25 is floating. The cup float 25 has an outer edge 25A protruding downward in FIG. 2, and has a rod-like portion 25B extending downward in FIG. A valve body 25C is formed at the tip (lower end) of the bar-shaped portion 25B. The cup float 25 has an open shape with an opening 25D below, and the internal space of the cup float 25 is an open space.
The center of the internal space of the water separator 2 and the bubbler 3 (see FIGS. 1 and 3; not shown in FIG. 2) are communicated by a water drop pipe 26 . The water descending pipe 26 penetrates the water separator 2 and the bottom of the water separator casing 12 and extends downward (on the side of the bubbler 3 not shown in FIG. 2) to communicate with the bubbler 3 . The upper end portion 26A of the water descending pipe 26 is open below the internal space of the water separator 2, and constitutes a valve seat on which the valve body 25C formed in the cup float 25 can be seated. The valve body 25C of the cup float 25 and the upper end opening 26A of the water descending pipe 26 constitute a valve mechanism (needle valve) having a function of opening and closing the upper end opening 26A.

図1を参照して述べた様に、図2における水分離装置2の下方の領域には、セル1が配置されている。セル1のアノード1Aに供給され、電解質膜1Bを経てカソード1C側に移動した水素は、高圧の圧縮水素として、水(水蒸気)と共に、経路27によりセル1側から水分離装置2の内部空間に供給される。水は固体高分子膜(PEM)の様な電解質膜1Bに必要であり、電解質膜1Bを水が透過して、カソード1C側に溜まるので、水分離装置2側には水が貯留する。
カップフロート25は、セル1のカソード1Cから水分離装置2に移動した水素の全量が、水中を浮上してカップフロート25の内部空間内に移動する様に構成されており、セル1が作動してカソード1Cに水素が移動する限り、当該水素はカップフロート25の内部空間に移動する様に構成されている。
As described with reference to FIG. 1, the cells 1 are arranged in the area below the water separator 2 in FIG. The hydrogen supplied to the anode 1A of the cell 1 and moved to the cathode 1C side through the electrolyte membrane 1B is transferred from the cell 1 side to the inner space of the water separator 2 along with water (water vapor) through the path 27 as high-pressure compressed hydrogen. supplied. Water is necessary for the electrolyte membrane 1B such as a polymer electrolyte membrane (PEM). Water permeates through the electrolyte membrane 1B and accumulates on the cathode 1C side, so water is accumulated on the water separator 2 side.
The cup float 25 is configured so that all of the hydrogen that has moved from the cathode 1C of the cell 1 to the water separator 2 floats in the water and moves into the internal space of the cup float 25, and the cell 1 operates. As long as the hydrogen moves to the cathode 1C through the cup float 25, the hydrogen moves to the inner space of the cup float 25.

図2において、下方に開口部25Dを有して内部空間が開空間を形成するカップフロート25を用いたのは、開口部を有しておらず内部空間が閉空間であるフロートでは、高圧(例えば80MPa)に耐えきれないからである。内部空間が閉空間である通常のフロートでは、内部空間は常圧であるため、高圧環境下では内部空間との圧力差でフロートが潰れてしまう。これに対して、当該圧力差の下でも潰れない様にフロートの外殻を厚くすると、フロートが水分離装置2内の水(カソード水)に浮かばない。
それに対して、図示の実施形態におけるカップフロー25であれば、下方に開口部25Dを有し、内部空間は開空間であるため、高圧下においてもカップフロート25の内部空間の圧力は水分離装置2内の圧力差と等しく、上述した圧力差は存在しない。そのため、カップフロート25の外殻が薄くても、カップフロート25が潰れることはない。
In FIG. 2, the reason why the cup float 25 having the opening 25D at the bottom and the inner space forming an open space is used is that the float having no opening and having a closed inner space can operate under high pressure ( For example, it is because it cannot withstand 80 MPa). In a normal float whose internal space is a closed space, since the internal space is at normal pressure, the float collapses due to the pressure difference with the internal space in a high-pressure environment. On the other hand, if the outer shell of the float is made thick so as not to collapse under the pressure difference, the float will not float on the water (cathode water) in the water separator 2 .
On the other hand, the cup float 25 in the illustrated embodiment has an opening 25D at the bottom and the internal space is an open space. 2, the pressure differential mentioned above does not exist. Therefore, even if the outer shell of the cup float 25 is thin, the cup float 25 will not be crushed.

水分離装置2内の水によりカップフロート25に浮力が作用し、カップフロート25が浮き上がると、カップフロート25に設けられたバルブ本体25Cは、弁座である水降下用パイプ26の上端開口部26Aから離隔して開弁する。そして、水分離装置2内の水は上端開口部26Aから水降下用パイプ26内を流下して、バブラー3側に戻される。
水分離装置2内の水量が減少すると、カップフロート25が下降し、バルブ本体25Cが弁座である水降下用パイプ26の上端開口部26Aに座着して、上端開口部26Aが閉鎖される。水降下用パイプ26の上端開口部26Aが閉鎖されるので、水分離装置2内の水はバブラー側に下降せず、水分離装置2内に留まる。
When the cup float 25 is floated by the water in the water separation device 2, the valve body 25C provided on the cup float 25 is moved to the upper end opening 26A of the water descending pipe 26, which is the valve seat. Open the valve away from The water in the water separator 2 flows down through the water descending pipe 26 from the upper end opening 26A and is returned to the bubbler 3 side.
When the amount of water in the water separator 2 decreases, the cup float 25 descends, the valve body 25C sits on the upper end opening 26A of the water lowering pipe 26, which is the valve seat, and the upper end opening 26A is closed. . Since the upper end opening 26A of the water descending pipe 26 is closed, the water in the water separator 2 stays in the water separator 2 without descending to the bubbler side.

図2において、セル1側から水分離装置2の水の中を浮上してカップフロート25の内部空間に到達して溜まった高圧の水素ガスは、図2において矢印H2で示す様にカップフロート25の外側に移動する。セル1側から水分離装置2の水中を浮上してカップフロート25の内部空間に至る経路と、矢印H2で示す経路を高圧水素が移動する際に、水分が分離される。カップフロート25の外側に移動した高圧の水素ガスは、気体ポンプ19を介して、配管17を流れて水分除去装置18へ移動する。
ここで、カップフロート25内の水を経由してカップフロート25の外側に移動した高圧の水素ガスが水分を連行したとしても、水素ガスは高圧になるほどドライになる傾向があり、また、水分を連行しても水分吸着除去装置18で除去されるので、問題はない。
In FIG. 2, the high-pressure hydrogen gas that floats in the water of the water separator 2 from the cell 1 side, reaches the inner space of the cup float 25, and accumulates there, flows into the cup float 25 as indicated by an arrow H2 in FIG. move outside the Water is separated when the high-pressure hydrogen floats in the water of the water separator 2 from the cell 1 side and moves through the path leading to the inner space of the cup float 25 and the path indicated by the arrow H2. The high-pressure hydrogen gas that has moved to the outside of the cup float 25 flows through the pipe 17 via the gas pump 19 and moves to the water removing device 18 .
Here, even if the high-pressure hydrogen gas that has moved to the outside of the cup float 25 via the water in the cup float 25 entrains moisture, the higher the pressure, the drier the hydrogen gas tends to be. Even if it is carried along, it will be removed by the moisture adsorption removal device 18, so there is no problem.

セル1のカソード1Cから水分離装置2に移動した水素は、その全量がカップフロート25の内部空間に移動する様に、カップフロート25の位置を含めて構成されている。水分離装置2に移動した水素の全量がカップフロート25の内部空間内に進入する様に構成しないと、カップフロート25が下降した後(バルブ本体25Cが閉鎖された後)、水素がカップフロート25内に入らなくなる恐れがあり、水素がカップフロート25内に入らないとカップフロート25が浮き上がらなくなり、水降下用パイプ26の上端開口部26Aが開放されなくなってしまうからである。
また、カップフロート25を長期間放置すると、その内部に水が置換してカップフロート25が沈んでしまう。しかし図示の実施形態では、カップフロート25の内部空間内にカソード1Cからの水素が進入し続けるので、当該内部空間には常に水素が供給されて、カップフロート25が沈んでしまうことを防止出来る。
上述した様に、水分離装置2側に移動した水素の全量がカップフロート25の内部空間に入る様に構成されているので、水分離装置2内の水が増加すれば、カップフロート25は確実に当該水に浮いた状態を保持するので、水降下用パイプ26の上端開口部26Aが開放しないという事態を防止出来る。
The position of the cup float 25 is included so that all of the hydrogen that has moved from the cathode 1C of the cell 1 to the water separator 2 moves into the inner space of the cup float 25 . Unless the entire amount of hydrogen that has moved to the water separator 2 enters the internal space of the cup float 25, hydrogen will flow into the cup float 25 after the cup float 25 descends (after the valve body 25C is closed). If hydrogen does not enter the cup float 25, the cup float 25 will not float, and the upper end opening 26A of the water descending pipe 26 will not be opened.
Moreover, if the cup float 25 is left for a long period of time, water will replace the inside of the cup float 25 and the cup float 25 will sink. However, in the illustrated embodiment, since hydrogen from the cathode 1C continues to enter the interior space of the cup float 25, hydrogen is always supplied to the interior space, and the cup float 25 can be prevented from sinking.
As described above, since the entire amount of hydrogen that has moved to the water separator 2 side enters the inner space of the cup float 25, if the water in the water separator 2 increases, the cup float 25 will surely move. Since the state of floating on the water is maintained, a situation in which the upper end opening 26A of the water descending pipe 26 is not opened can be prevented.

ここで、図3で示すバブラー3内に貯留した純水は、水素と共にセル1のアノード1Aに供給され、カソード1Cから水分離装置2(カソード側)に移動し、水分離装置2内に貯留されるが、上述した様に、カップフロート25が水に浮いた状態を保持できれば、水分離装置2内の水は確実に水降下用パイプ26内を流過して、バブラー3内に流れ込む。これにより、バブラー3、セル1、水分離装置2の間で水が循環し続ける。
そのため、従来技術の様にセル1或いはセルスタック外部に別途水循環系統を形成する必要がなく、セルを集積し易く、レイアウトが容易になる。
図示の実施形態では、水分離装置2において水が水素ガスから分離してバブラー3に戻り、バブラー3、セル1、水分離装置2の間で、常時、循環し続ける。しかし、水分離装置2から水分除去装置18(図1参照)に移動した高圧水素は、図1を参照して上述した様に、水分除去装置18で水分が吸着除去され、吸着除去された水分はバブラー3には戻されない。水分除去装置18で除去された分の水を補給する必要がある場合には、図3において水循環ポンプ33を駆動し、水供給源からの配管28、バブラー3に水素を供給する配管15を介して給水すれば良い。係る給水を定期的に行うことも可能である。
Here, pure water stored in the bubbler 3 shown in FIG. However, as described above, if the cup float 25 can be kept floating on the water, the water in the water separator 2 surely flows through the water descending pipe 26 and into the bubbler 3 . This keeps water circulating between the bubbler 3 , the cell 1 and the water separator 2 .
Therefore, there is no need to form a separate water circulation system outside the cell 1 or the cell stack as in the prior art, and the cells can be easily integrated and the layout can be simplified.
In the illustrated embodiment, water separates from the hydrogen gas in the water separator 2 and returns to the bubbler 3 , continuously circulating between the bubbler 3 , the cell 1 and the water separator 2 . However, as described above with reference to FIG. is not returned to bubbler 3. When it is necessary to replenish the amount of water removed by the water removing device 18, the water circulation pump 33 is driven in FIG. water supply. Such water supply can also be performed periodically.

図2において、カソード側に水が無くなると電解質膜1B(固体高分子膜:PEM、図2)が乾燥し、PEMにおける抵抗が増大する。そしてPEMの抵抗が増大するとPEMにおける水素移動の効率が低下する。そのため、カソード側には常に水がある状態にしておくことが好ましい。
図示の実施形態では、水分離装置2に移動した水素は常にカップフロート25の内部空間に向かって浮上する様に配置されており、且つ、カップフロート25に設けたバルブ本体25Cが水降下用パイプ26の上端開口部26Aにより構成された弁座に座着しても水分離装置2に水が残留している。明確には図示されていないが、水分離装置2に水が残留している限り、カソード側には常時水が保持される。
In FIG. 2, when there is no more water on the cathode side, the electrolyte membrane 1B (solid polymer membrane: PEM, FIG. 2) dries and the resistance in the PEM increases. And as the resistance of the PEM increases, the efficiency of hydrogen transfer in the PEM decreases. Therefore, it is preferable to always keep water on the cathode side.
In the illustrated embodiment, the hydrogen moved to the water separation device 2 is arranged so as to always float toward the inner space of the cup float 25, and the valve body 25C provided in the cup float 25 serves as a water drop pipe. Water remains in the water separation device 2 even if the valve seat formed by the upper end opening 26A of the valve 26 is seated. Although not clearly shown, as long as water remains in the water separator 2, water is always retained on the cathode side.

次に図3を参照して、バブラー3について説明する。
図3において、バブラー3はウォーターパン或いはドレンパンとして構成されており、上方の領域は気相領域3A(水素と水蒸気の混合気が貯留する領域)であり、下方の領域は液相域3B(水が貯留する領域)となっている。
バブラー3の液相域3Bには気泡発生器16(気化器)が配置されており、気泡発生器16には、温調装置器9を介装した配管15を介して水素が供給される。
気泡発生器16はストーンで構成されるタイプ、メッシュで構成されるタイプ、自然蒸発するタイプの何れのタイプで構成しても良く、その他のタイプの気泡発生器を用いることも出来る。
Next, referring to FIG. 3, the bubbler 3 will be described.
In FIG. 3, the bubbler 3 is configured as a water pan or a drain pan, the upper region is a gas phase region 3A (region where a mixture of hydrogen and steam is stored), and the lower region is a liquid phase region 3B (water is stored).
A bubble generator 16 (vaporizer) is arranged in the liquid phase region 3B of the bubbler 3, and hydrogen is supplied to the bubble generator 16 through a pipe 15 in which a temperature control device 9 is interposed.
The air bubble generator 16 may be of any type such as a stone type, a mesh type, or a natural evaporation type, and other types of air bubble generators may also be used.

図2を参照して上述した様に、水分離装置2(図1、図2)内の水をバブラー3内に戻すために、水分離装置2から水降下用パイプ26がバブラー3まで延設されている。
図3において、温調装置9で温度調節された水素が気泡発生器16に供給されると、バブラー3内に貯留された水(純水)中に、大量の水素気泡が噴出し、噴出した水素と共に水蒸気がバブラー3の気相領域3Aへ移動する(矢印AB)。そして、水素及び水蒸気の混合気は、気体用ポンプ29を介して、水素ガス流路4(図3の左側の水素ガス流路4)によりセル1のアノード1A(図2)へ供給される(矢印A1)。上述した様に、水素ガス流路4は、複数のセル1内のポート及び溝を連通して構成されている。
アノード1Aにおけるオフガスはカソード1C側に移動しなかった水素ガス、水蒸気を含んでおり、係るオフガスは水素ガス流路4(図3の右側の水素ガス流路4)により、バブラー3の気相領域3Aに流入する(戻される:矢印A2)。
そのため、セル1或いはセルスタックの外部にオフガス循環系統を構成しなくても、バブラー用ケーシング13及びセル用ケーシング11(図1参照)内でオフガスを循環させることが出来、複数のセル1を積層或いは密集して配置してもオフガス循環系統と干渉するが防止される。その際、複数のセル1を配置するのに大きなスペースは必要とせず、各セル1とオフガス循環系統との干渉を防止するレイアウトを考慮する必要がない。
As described above with reference to FIG. 2, a water drop pipe 26 extends from the water separator 2 to the bubbler 3 to return the water in the water separator 2 (FIGS. 1 and 2) to the bubbler 3. It is
In FIG. 3, when the hydrogen temperature-controlled by the temperature control device 9 is supplied to the bubble generator 16, a large amount of hydrogen bubbles are jetted out into the water (pure water) stored in the bubbler 3. Water vapor moves together with hydrogen to the vapor phase region 3A of the bubbler 3 (arrow AB). Then, the mixture of hydrogen and water vapor is supplied to the anode 1A (FIG. 2) of the cell 1 via the gas pump 29 through the hydrogen gas channel 4 (hydrogen gas channel 4 on the left side in FIG. 3) ( Arrow A1). As described above, the hydrogen gas flow path 4 is configured by communicating the ports and grooves in the plurality of cells 1 .
The off-gas in the anode 1A contains hydrogen gas and water vapor that have not moved to the cathode 1C side, and the off-gas is transferred to the gas phase region of the bubbler 3 by the hydrogen gas flow path 4 (the hydrogen gas flow path 4 on the right side in FIG. 3). 3A (returns: arrow A2).
Therefore, the off-gas can be circulated in the bubbler casing 13 and the cell casing 11 (see FIG. 1) without forming an off-gas circulation system outside the cell 1 or the cell stack, and a plurality of cells 1 can be stacked. Alternatively, even if they are densely arranged, interference with the off-gas circulation system is prevented. In this case, a large space is not required for arranging the plurality of cells 1, and there is no need to consider a layout for preventing interference between each cell 1 and the off-gas circulation system.

従来技術では、チラーによりセルを冷却しているが、図示の実施形態では、バブラー3からセル1(複数のセル群)に亘って配置したヒートチューブ5によりセル1を冷却している。ヒートチューブ5によるセルの冷却について、図4を参照して説明する。
図4において模式的に示す様に、ヒートチューブ5はバブラー3とセル1(実機では、ケーシング11内の複数のセル1の各々)とを接続している。ヒートチューブ5の一端はヒートチューブ受熱部5Aとして複数分散設置(固体伝熱)されて、複数のセル1の各々に接続(固体接続)されており、ヒートチューブ5の他端はヒートチューブ放熱部5Bとしてバブラー3の液相領域3Bに浸漬している。図示の簡略化のため、図4では単一のセル1のみが示されている。
ヒートチューブ5は銅製であり、内管5C及び外管5Dの二重管構造を有しており、内管5Cと外管5Dはヒートチューブ受熱部5A及びヒートチューブ放熱部5Bにおいて連通している。ヒートチューブ5の二重管には純水が充填されており、高速で熱を伝達する機能を有している。そして、ヒートチューブ5の高伝熱特性を利用して、電解質膜1B(PEM、図2)に電流を流す際にセル1に発生した熱をバブラー3内に排出することが出来る。
In the conventional technology, the cells are cooled by a chiller, but in the illustrated embodiment, the cells 1 are cooled by heat tubes 5 arranged from the bubbler 3 to the cells 1 (a plurality of cell groups). Cooling of the cells by the heat tube 5 will be described with reference to FIG.
As schematically shown in FIG. 4, the heat tube 5 connects the bubbler 3 and the cell 1 (in the actual machine, each of the plurality of cells 1 in the casing 11). One end of the heat tube 5 is dispersedly installed (solid heat transfer) as a heat tube heat receiving portion 5A and connected (solid connection) to each of the plurality of cells 1, and the other end of the heat tube 5 is a heat tube heat radiating portion. It is immersed in the liquid phase region 3B of the bubbler 3 as 5B. For simplicity of illustration only a single cell 1 is shown in FIG.
The heat tube 5 is made of copper and has a double tube structure of an inner tube 5C and an outer tube 5D. The inner tube 5C and the outer tube 5D are in communication at the heat tube heat receiving portion 5A and the heat tube heat radiating portion 5B. . The double tube of the heat tube 5 is filled with pure water and has a function of transferring heat at high speed. By utilizing the high heat transfer characteristics of the heat tube 5, heat generated in the cell 1 can be discharged into the bubbler 3 when current is passed through the electrolyte membrane 1B (PEM, FIG. 2).

ヒートチューブ5でセル1を冷却するに際しては、セル1に発生した熱量が複数分散設置(固体伝熱)されたヒートチューブ5の受熱部5Aに伝熱され、伝熱された熱量は受熱部5Aを介してヒートチューブ5内の純水に伝達され、純水は気化熱を奪って直ちに気化する。気化した水蒸気はヒートチューブ5の内管5C内を高速で流過して(矢印F1)、ヒートチューブ5におけるバブラー3の液相領域3Bに浸漬された放熱部5Bに到達し、放熱部5Bで気化熱がバブラー3内に貯留された純水に投与される。
熱量をバブラー3内の純水に投与すると、ヒートチューブ5の内管5Cを流過した水蒸気は凝縮して純水となり、当該純水はヒートチューブ5の外管5D内を再びヒートチューブ5の受熱部5Aに向かって流れ(矢印F2)、受熱部5Aにおいて再びセル1の熱量で気化する。そして、ヒートチューブ5の内管5C、外管5D内に純水或いは水蒸気を循環させることにより、継続的にセル1を冷却する。
When the cells 1 are cooled by the heat tubes 5, the amount of heat generated in the cells 1 is transferred to the heat receiving portions 5A of the heat tubes 5, which are installed in multiple locations (solid heat transfer). is transmitted to the pure water in the heat tube 5 via the heat tube 5, and the pure water absorbs heat of vaporization and immediately vaporizes. The vaporized water vapor flows through the inner tube 5C of the heat tube 5 at high speed (arrow F1), reaches the heat radiation portion 5B immersed in the liquid phase region 3B of the bubbler 3 in the heat tube 5, and is Vaporization heat is applied to the pure water stored in the bubbler 3 .
When the amount of heat is applied to the pure water in the bubbler 3, the water vapor that has flowed through the inner tube 5C of the heat tube 5 is condensed into pure water, and the pure water flows through the outer tube 5D of the heat tube 5 again into the heat tube 5. It flows toward the heat-receiving portion 5A (arrow F2), and is vaporized again by the heat of the cell 1 at the heat-receiving portion 5A. The cell 1 is continuously cooled by circulating pure water or water vapor in the inner tube 5C and the outer tube 5D of the heat tube 5 .

ここで、セル1とバブラー3内の純水間のヒートチューブ5による熱移動は、セル1における(受熱)温度とバブラー3内の純水(放熱)温度との温度差に依存する。
電解質膜1B(固体高分子膜:PEM)或いはセル1には最適運転温度があり、適正に電気化学式水素圧縮機40を運転するためには電解質膜1B(固体高分子膜:PEM)或いはセル1を温度調整する必要がある。また、セル1内での結露を防止するために、セル1の温度をバブラー3内の純水よりも所定温度だけ(例えば5℃程度)高めに設定する必要がある。この設定すべき温度差があるので、ヒートチューブ5を介してセル1からバブラー3まで熱を移動することが可能となる。
ここで、バブラー3とセル1をヒートチューブ5でつないだ系は、例えばバブラー3に供給する水素の温度制御をすること、或いは、バブラー3を加熱、冷却することにより、(バブラー3とセル1をヒートチューブ5でつないだ系の)外部から同時に温度調整することが出来て、バブラー3の温度もセル1の温度も、適切にコントロールすることが出来る。
すなわち、セル1とバブラー3は、ヒートチューブ5により熱交換され、セル1、バブラー3、ヒートチューブ5は連鎖的に作用するので、温度制御が容易且つ正確に行うことが出来る。そのため、特別な制御機器を必要とせず、安定的にセル1を冷却することが出来る。そして、セル1に高品質のチラーを設ける必要もない。
Here, the heat transfer by the heat tube 5 between the cell 1 and the pure water in the bubbler 3 depends on the temperature difference between the (heat receiving) temperature in the cell 1 and the pure water (radiating) temperature in the bubbler 3 .
The electrolyte membrane 1B (polymer electrolyte membrane: PEM) or cell 1 has an optimum operating temperature, and in order to properly operate the electrochemical hydrogen compressor 40, the electrolyte membrane 1B (polymer electrolyte membrane: PEM) or cell 1 the temperature should be adjusted. Also, in order to prevent dew condensation within the cell 1, the temperature of the cell 1 must be set higher than the pure water within the bubbler 3 by a predetermined temperature (for example, about 5.degree. C.). Since there is this temperature difference to be set, heat can be transferred from the cell 1 to the bubbler 3 via the heat tube 5 .
Here, in the system in which the bubbler 3 and the cell 1 are connected by the heat tube 5, for example, by controlling the temperature of the hydrogen supplied to the bubbler 3, or by heating and cooling the bubbler 3 (the bubbler 3 and the cell 1 are connected by the heat tube 5), the temperature of the bubbler 3 and the temperature of the cell 1 can be controlled appropriately.
That is, the cell 1 and the bubbler 3 are heat-exchanged by the heat tube 5, and the cell 1, the bubbler 3, and the heat tube 5 work in a chain reaction, so that temperature control can be easily and accurately performed. Therefore, the cell 1 can be stably cooled without requiring a special control device. And there is no need to equip the cell 1 with a high quality chiller.

図6を参照して、図1~図5を参照して説明した電気化学式圧縮機40の構造であるが、図1~図5では明示されていない機器について説明する。
図6において、ケーシングの内部には4個のセルが示されており、それぞれのセルの電解質膜が符号1B-1~1B-4で示されている。実機において、セルの数は4個よりもはるかに多い。
図6において、電解質膜1B-1~1B-4の各々の下方がアノード(1A-1~1A-4:図示の煩雑化を避けるため、図6では符号は示していない)であり、電解質膜1B-1~1B-4の各々の上方がカソード(1C-1~1C-4:図示の煩雑化を避けるため、図6では符号は示していない)である。4つのセルは、絶縁体ISにより仕切られており、図6において絶縁体ISは太い点線で表示されている。
4つのセルに対しては、電源PSから、符号ECで包括的に示す導線を介して電力が供給されている。
Referring to FIG. 6, the structure of the electrochemical compressor 40 described with reference to FIGS. 1-5, but equipment not explicitly shown in FIGS. 1-5 will be described.
In FIG. 6, four cells are shown inside the casing, and the electrolyte membranes of the respective cells are indicated by reference numerals 1B-1 to 1B-4. In a real machine, the number of cells is much higher than four.
In FIG. 6, below each of the electrolyte membranes 1B-1 to 1B-4 is an anode (1A-1 to 1A-4: symbols are not shown in FIG. 6 to avoid complication of the illustration), and the electrolyte membrane Above each of 1B-1 to 1B-4 is a cathode (1C-1 to 1C-4: symbols are not shown in FIG. 6 to avoid complication of illustration). The four cells are partitioned by an insulator IS, which is indicated by a thick dotted line in FIG.
Power is supplied to the four cells from a power supply PS via conductors generally designated EC.

図6において、バブラー3の気泡発生器16の水素の泡BHで加湿された水素ガスは、矢印ABHで示す様に、循環用ポンプPBにより吸い込まれて図6の左側の水素ガス流路4Iに吐出される。水素ガス流路4Iを流れる水素は水蒸気と共に各セルのアノード1A-1~1A-4(図示せず)に供給される。そして水素イオンとなって電解質膜1B-1~1B-4を透過して、カソード1C-1~1C-4(図示せず)で水素に戻る。カソード1C-1~1C-4の高圧水素は、水素経路42、42(図6では2本のみ示すが、実機ではそれ以上の本数を設けている)を介して水分離装置2に移動する。図6では、水分離装置2に移動する高圧の水素は、水素経路42における上方に向かう矢印として表示されている。
各セルのアノード1A-1~1A-4に水素と水蒸気を供給した水素ガス流路4Iは、水平方向(図6では左右方向)に延在する水素ガス流路4Hを経由して図6の右側の水素ガス流路4Oに到達し、アノード1A-1~1A-4のオフガスは水素ガス流路4H、4Oを介して、バブラー3に戻る。
In FIG. 6, the hydrogen gas humidified by the hydrogen bubbles BH of the bubble generator 16 of the bubbler 3 is sucked by the circulation pump PB as indicated by the arrow ABH, and enters the hydrogen gas flow path 4I on the left side of FIG. Dispensed. Hydrogen flowing through the hydrogen gas flow path 4I is supplied to the anodes 1A-1 to 1A-4 (not shown) of each cell together with water vapor. Then, they become hydrogen ions, permeate electrolyte membranes 1B-1 to 1B-4, and return to hydrogen at cathodes 1C-1 to 1C-4 (not shown). The high-pressure hydrogen from the cathodes 1C-1 to 1C-4 moves to the water separator 2 via hydrogen paths 42, 42 (only two paths are shown in FIG. 6, but more paths are provided in the actual machine). In FIG. 6, the high pressure hydrogen traveling to the water separator 2 is represented as an upward arrow in the hydrogen path 42 .
A hydrogen gas flow path 4I that supplies hydrogen and water vapor to the anodes 1A-1 to 1A-4 of each cell passes through a hydrogen gas flow path 4H extending in the horizontal direction (horizontal direction in FIG. 6). After reaching the right hydrogen gas channel 4O, the offgas from the anodes 1A-1 to 1A-4 returns to the bubbler 3 via the hydrogen gas channels 4H and 4O.

カソード1C-1~1C-4から水素経路42を介して水分離装置2に移動した高圧の水素ガスは、泡Hと矢印AHとして水分離装置2内を移動して、配管17を流れ、水分除去装置18(図1)に送られる。そして水分離装置2において高圧の水素ガスから分離された水は、水降下用パイプ26を流れてバブラー3に戻される。
バブラー3にはヒートチューブ5が設けられており、ヒートチューブ5については、図1、図4で前述した通りである。
The high-pressure hydrogen gas that has moved from the cathodes 1C-1 to 1C-4 to the water separator 2 via the hydrogen path 42 moves inside the water separator 2 as bubbles H 2 and arrows AH 2 and flows through the pipe 17. , is sent to the moisture remover 18 (FIG. 1). The water separated from the high-pressure hydrogen gas in the water separator 2 flows through the water descending pipe 26 and is returned to the bubbler 3 .
The bubbler 3 is provided with a heat tube 5, and the heat tube 5 is as described above with reference to FIGS.

図6において、水分離用ケーシング12にはコンディショニングポートCPが形成されており、電気化学式コンプレッサーのメンテナンスの際に、コンディショニングポートCPを介して電解質膜1B-1~1B-4に酸素を供給する様に構成されている。図6において、コンディショニングポートCPは水素経路42に連通している様にも見えるが、コンディショニングポートCPは水素経路42に連通してはおらず、図示しない流路を介して各セルのカソード1C1~1C4に連通している。
電気化学式コンプレッサーの運転前に、コンディショニングポートCPから酸素を供給し且つバブラー3から水素を供給することにより、電解質膜1B-1~1B-4において燃料電池と同様に 2H+O→2HO+電気 という反応が行われ、これにより電解質膜1B-1~1B-4の状態が向上する。
In FIG. 6, a conditioning port CP is formed in the water separation casing 12, and oxygen is supplied to the electrolyte membranes 1B-1 to 1B-4 through the conditioning port CP during maintenance of the electrochemical compressor. is configured to In FIG. 6, it seems that the conditioning port CP communicates with the hydrogen path 42, but the conditioning port CP does not communicate with the hydrogen path 42, and the cathodes 1C1 to 1C4 of each cell are connected via flow paths (not shown). communicates with
Before the operation of the electrochemical compressor, oxygen is supplied from the conditioning port CP and hydrogen is supplied from the bubbler 3, so that 2H 2 +O 2 →2H 2 O+ A reaction called electricity occurs, which improves the state of the electrolyte membranes 1B-1 to 1B-4.

図示の実施形態で、起動時等においてセル1を加熱するためには、例えば図5(A)で示す様に、バブラー3を収容するバブラー用ケーシング13には加熱用のフィン6を設け、起動時には、ブロワ7により熱風をフィン6に噴射する(矢印H)。これにより、バブラー3が加熱され、バブラー3内の水も加熱され、昇温した水がヒートチューブ5を介してセル1を好適な温度まで加熱する。
一方、ブロワ7により冷風をバブラー用ケーシング13のフィン6に噴射すればバブラー3の温度が低下し、バブラー3内の水の温度も低下し、温度が低下した水がヒートチューブ5を介してセル1を好適な温度まで低下させる。
In the illustrated embodiment, in order to heat the cell 1 at the time of start-up, for example, as shown in FIG. At times, the blower 7 blows hot air onto the fins 6 (arrow H). As a result, the bubbler 3 is heated, the water in the bubbler 3 is also heated, and the heated water heats the cell 1 to a suitable temperature through the heat tube 5 .
On the other hand, when cold air is blown to the fins 6 of the bubbler casing 13 by the blower 7, the temperature of the bubbler 3 is lowered, and the temperature of the water in the bubbler 3 is also lowered. 1 to a suitable temperature.

また、バブラー3を加熱する機構としては、図5(B)で示す様に、バブラー3を収容するバブラー用ケーシング13にセル起動用のヒーター8を設け、ヒーター8によりバブラー用のケーシング13を加熱しても良い。
一方、バブラー3を冷却する機構としては、バブラー冷却用のクーラー(図示せず)を用いることが出来る。
バブラー3を加熱或いは冷却するには、図示した以外の機構も選択することが可能である。
さらに、配管15(図1、図3)を介してバブラー3に供給される水素の温度を温調装置9(図1、図3)により調節することにより、バブラー3内の水の温度を調節して、セル1を好適な温度に調節することも出来る。
係る構成を採用可能であるため、図示の実施形態では、バブラー3の温度調整に高品質機器であるチラーを設ける必要がない。
Further, as a mechanism for heating the bubbler 3, as shown in FIG. You can
On the other hand, as a mechanism for cooling the bubbler 3, a cooler (not shown) for cooling the bubbler can be used.
Mechanisms other than those shown may be selected to heat or cool the bubbler 3 .
Furthermore, the temperature of the water in the bubbler 3 is adjusted by adjusting the temperature of the hydrogen supplied to the bubbler 3 through the pipe 15 (FIGS. 1 and 3) with the temperature control device 9 (FIGS. 1 and 3). to adjust the cell 1 to a suitable temperature.
Since such a configuration can be adopted, in the illustrated embodiment, there is no need to provide a chiller, which is a high-quality device, for adjusting the temperature of the bubbler 3 .

図7では明示されていないが、従来技術ではバブラーとセルの間をチューブで接続している。そのため、当該チューブに特別な被覆をして断熱しないと結露を生じ、セルに悪影響を及ぼしてしまう。そして、特別な被覆で断熱されていないチューブでバブラーとセルを接続する場合には、バブラー、セル、その間の空間、チューブの温度をコントロールして、チューブにおける結露を防止しなければならない。
それに対して図示の実施形態では、ヒートチューブ5は、複数分散設置(固体伝熱)したヒートチューブ受熱部5A内が各セル1に接続(固体接続)した部分を有しており、バブラー3から供給される水素と水蒸気の混合気が流れる水素流路4はヒートチューブ5とは異なるレイアウト(経路)となっており、水素流路4を流れる気体(水素と水蒸気の混合気)はヒートチューブ5とは接触せず、水素流路4、ヒートチューブ5は結露しない。すなわち、ヒートチューブ5内を流れる冷媒である純水と、水素流路4を流れる気体は接触せず、熱交換することは無いため、水素流路4、ヒートチューブ5は結露しない。そのため、従来技術における結露防止の温度制御或いは特別な被覆による断熱が不要である。
そして、パブラやチラーの温度制御のため、高品質の機器を使用する必要も無い。
Although not clearly shown in FIG. 7, in the prior art, a tube is used to connect the bubbler and the cell. Therefore, if the tube is not specially covered and insulated, dew condensation will occur, which will adversely affect the cell. And when connecting the bubbler and the cell with a tube that is not insulated with a special coating, the temperature of the bubbler, the cell, the space between them, and the tube must be controlled to prevent condensation in the tube.
On the other hand, in the illustrated embodiment, the heat tube 5 has a portion in which a plurality of distributed (solid heat transfer) heat receiving portions 5A of the heat tube are connected (solid connection) to each cell 1. The hydrogen channel 4 through which the supplied mixture of hydrogen and steam flows has a layout (path) different from that of the heat tube 5, and the gas (the mixture of hydrogen and steam) flowing through the hydrogen channel 4 is , the hydrogen passage 4 and the heat tube 5 do not condense. That is, the pure water, which is the coolant flowing through the heat tube 5 , does not contact the gas flowing through the hydrogen flow path 4 and does not exchange heat. Therefore, there is no need for temperature control to prevent condensation or heat insulation with a special coating as in the prior art.
And there is no need to use high-quality equipment for temperature control of pablas and chillers.

図示の実施形態では、図2で示す様に、水分離装置2のカップフロート25は、中心部には棒状部25Bを有しており、棒状部25Bの先端(下端)にバルブ本体25Cが形成されている。そして、カップフロート25のバルブ本体25Cと、水降下用パイプ26の上端開口部26Aにより、上端開口部26Aを開閉する機能を有するニードルバルブを構成している。しかし、カップフロート25と水降下用パイプ26の上端開口部26Aを開閉するニードルバルブについては、図2で示す構成のみならず、各種の変形が可能である。
その様な変形例の一例が、図8で示されている。
図8において、全体を符号125で示すカップフロートは、棒状部125B、バルブ本体125C、ロッド125R、フロート部125Pを備えている。より詳細には、水分離装置2の内部空間において、水降下用パイプ26の近傍には支点125Sが設けられ、支点125Sに対して回動自在なロッド125Rが矢印RA方向に回動可能に軸支されている。ロッド125Rの始点125に軸支されているのとは反対側の端部(図8では右端)にはフロート部125Pが固定されている。フロート部125Pの側方には外方縁部125Aが形成され、下方には開口部125Dが形成されている。
ロッド125Rの概略中央には回動自在の自在継手125Fが介装され、印SA方向に回動可能に棒状部125Bが軸支されている。棒状部125の自在継手125Fとは反対側にはバルブ本体125Cが設けられ、バルブ本体125Cと水降下用パイプ26の上端開口部26Aにより、上端開口部26Aを開閉する機能を有するニードルバルブを構成している。換言すると、フロート部125Pには棒状部125Bは設けられていないが、フロート部125Pから離隔した個所に棒状部125Bを設けている。
In the illustrated embodiment, as shown in FIG. 2, the cup float 25 of the water separator 2 has a rod-shaped portion 25B at the center, and a valve body 25C is formed at the tip (lower end) of the rod-shaped portion 25B. It is The valve main body 25C of the cup float 25 and the upper end opening 26A of the water descending pipe 26 constitute a needle valve having a function of opening and closing the upper end opening 26A. However, the needle valve for opening and closing the upper end opening 26A of the cup float 25 and the water descending pipe 26 can be modified in various ways in addition to the configuration shown in FIG.
An example of such a variant is shown in FIG.
In FIG. 8, the cup float generally indicated by reference numeral 125 includes a rod-shaped portion 125B, a valve body 125C, a rod 125R, and a float portion 125P. More specifically, in the inner space of the water separator 2, a fulcrum 125S is provided in the vicinity of the water descending pipe 26, and a rod 125R rotatable relative to the fulcrum 125S is rotatably pivoted in the direction of arrow RA. supported. A float portion 125P is fixed to the opposite end (the right end in FIG. 8) of the rod 125R to the starting point 125 of the rod 125R. An outer edge portion 125A is formed on the side of the float portion 125P, and an opening portion 125D is formed below.
A rotatable universal joint 125F is interposed approximately in the center of the rod 125R, and a rod-shaped portion 125B is pivotally supported so as to be rotatable in the direction marked SA. A valve body 125C is provided on the opposite side of the rod-shaped portion 125 to the universal joint 125F, and the valve body 125C and the upper end opening 26A of the water descending pipe 26 constitute a needle valve having a function of opening and closing the upper end opening 26A. are doing. In other words, the rod-shaped portion 125B is not provided on the float portion 125P, but the rod-shaped portion 125B is provided at a location separated from the float portion 125P.

水分離装置2内の水によりカップフロート125のフロート部125Pに浮力が作用し、フロート部125Pが浮き上がると、ロッド125Rは図8の矢印RAの反時計方向に回動し、棒状部125Bは上昇し、バルブ本体125Cは、弁座である水降下用パイプ26の上端開口部26Aから離隔して開弁する。そして、水分離装置2内の水は上端開口部26Aから水降下用パイプ26内を流下して、バブラー3側に戻される。
一方、水分離装置2内の水量が減少すると、フロート部125Pが下降し、ロッド125Rは図8の矢印RAの時計方向に回動し、棒状部125Bは下降し、バルブ本体25Cが弁座である水降下用パイプ26の上端開口部26Aに座着して、上端開口部26Aが閉鎖される。そのため、水分離装置2内の水はバブラー側に下降せず、水分離装置2内に留まる。
上述した以外の点では、図8で示すカップフロート125の構成及び作用効果は、図2で示すカップフロート25と同様である。
Buoyancy is applied to the float portion 125P of the cup float 125 by the water in the water separator 2, and when the float portion 125P floats, the rod 125R rotates in the counterclockwise direction of the arrow RA in FIG. 8, and the rod portion 125B rises. Then, the valve main body 125C is separated from the upper end opening 26A of the water descending pipe 26, which is the valve seat, and the valve is opened. The water in the water separator 2 flows down through the water descending pipe 26 from the upper end opening 26A and is returned to the bubbler 3 side.
On the other hand, when the amount of water in the water separator 2 decreases, the float portion 125P descends, the rod 125R rotates in the clockwise direction of arrow RA in FIG. It sits on the upper end opening 26A of a certain water descending pipe 26, and the upper end opening 26A is closed. Therefore, the water in the water separator 2 does not descend to the bubbler side and stays in the water separator 2 .
Except for the points described above, the configuration and effects of the cup float 125 shown in FIG. 8 are the same as those of the cup float 25 shown in FIG.

上述した構成を有する図示の実施形態に係る電気化学式水素圧縮機40は、レイアウトの自由度が高く、水素及び水を装置内で循環させるための特別な装置をセルスタック外部に設ける必要が無く、高価な設備を必要とせず、セルの温度管理も容易である。
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではないことを付記する。
The electrochemical hydrogen compressor 40 according to the illustrated embodiment having the above-described configuration has a high degree of freedom in layout, and does not require a special device outside the cell stack for circulating hydrogen and water within the device. It does not require expensive equipment and the cell temperature can be easily controlled.
It should be noted that the illustrated embodiment is merely an example and is not intended to limit the technical scope of the present invention.

1・・・セル
1A・・・アノード
1B・・・電解質膜(固体高分子膜:PEM)
1C・・・カソード
2・・・水分離装置
3・・・バブラー
3A・・・気相領域
3B・・・液相領域
4・、・・水素ガス流路
5・・・ヒートチューブ
5A・・・ヒートチューブ受熱部
5B・・・ヒートチューブ放熱部
11・・・セル用ケーシング(セル収容部外殻)
12・・・水分離装置用ケーシング
13・・・バブラー用ケーシング
25、125・・・カップフロート
25A、125A・・・(カップフロートの)外方縁部
25B、125B・・・(カップフロートの)棒状部
25C、125C・・・バルブ本体
25D、125D・・・(カップフロートの)開口部
26・・・水降下用パイプ
26A・・・(水降下用パイプの)上端部
40・・・電気化学式水素圧縮機
1 Cell 1A Anode 1B Electrolyte membrane (solid polymer membrane: PEM)
1C Cathode 2 Water separator 3 Bubbler 3A Gas phase region 3B Liquid phase region 4 Hydrogen gas channel 5 Heat tube 5A Heat tube heat receiving portion 5B Heat tube heat radiating portion 11 Casing for cell (outer shell of cell containing portion)
12 Casing for water separator 13 Casing for bubbler 25, 125 Cup float 25A, 125A Outer edge 25B, 125B (of cup float) Rod-shaped portions 25C, 125C Valve bodies 25D, 125D Opening 26 (of cup float) Water dropping pipe 26A Upper end 40 (of water dropping pipe) Electrochemical type hydrogen compressor

Claims (2)

アノードとカソードにより電解質膜を挟み込んで構成されたセルを複数備え、複数のセルを収容するセル用ケーシングと、水分離装置と、水分離装置を収容する水分離装置用ケーシングと、バブラーと、バブラーを収容するバブラー用ケーシングを有し、
セルを収容するセル用ケーシングと、水分離装置を収容する水分離装置用ケーシングと、バブラーを収容するバブラー用ケーシングは一体的に結合され、
セル用ケーシングの上方に水分離装置を設け、カソードの圧縮水素は水と共に水分離装置の内部空間に供給され、
水分離装置の内部空間には水が貯留しており、カップフロートが配置され、
水分離装置の内部空間の中心部とバブラーを連通する水降下用パイプが設けられて、水降下用パイプは水分離装置用ケーシングを貫通してバブラーに連通していることを特徴する電気化学式水素圧縮機。
A cell casing containing a plurality of cells each having an electrolyte membrane sandwiched between anodes and cathodes, a water separator, a water separator casing containing the water separator, a bubbler, and a bubbler having a bubbler casing containing
The cell casing containing the cells, the water separator casing containing the water separator, and the bubbler casing containing the bubbler are integrally joined,
A water separation device is provided above the cell casing , and the compressed hydrogen of the cathode is supplied to the inner space of the water separation device together with water,
Water is stored in the internal space of the water separator, a cup float is arranged,
Electrochemical hydrogen, characterized in that a water drop pipe is provided that communicates between the central part of the inner space of the water separator and the bubbler, and the water drop pipe penetrates the casing for the water separator and communicates with the bubbler. compressor.
水分離装置の内部空間に配置されたカップフロートは棒状部を有し、棒状部の先端にはバルブ本体が設けられ、
前記水降下用パイプの上端部は水分離装置の内部空間の下方で開放され、カップフロートに設けられたバルブ本体が座着可能な弁座を構成する請求項1の電気化学式水素圧縮機。

The cup float arranged in the internal space of the water separation device has a rod-shaped portion, and the tip of the rod-shaped portion is provided with a valve body,
2. An electrochemical hydrogen compressor according to claim 1, wherein the upper end of said water descending pipe is open below the internal space of the water separator and constitutes a valve seat on which a valve body provided on the cup float can be seated.

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