(57)【要約】【課題】気密性が高く、効率の高い電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】電気化学式圧縮機１０４は、固定板１１４と、給電板１１６と、セパレータ１１８と、電解質膜・電極接合体１２０とを備え、セパレータ１１８を金属で形成している。これにより、セパレータ１１８の気密性を向上させ、圧縮機の内部と外部の圧力差を維持することができるので、効率の高い電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置とすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも固定板と、給電板と、セパレータと、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）とを備え、前記セパレータの材質を金属とした電気化学式圧縮機。
【請求項２】
セパレータの材質をステンレスとした請求項１に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項３】
セパレータの材質をＳＵＳ３１６とした請求項１または２に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項４】
セパレータの表面に金メッキ処理を施した請求項１から３のいずれか１項に記載の電気化学式圧縮機。
【請求項５】
圧縮機、凝縮器、膨張機構、蒸発器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記圧縮機を請求項１から４のいずれか１項に記載の電気化学式圧縮機としたヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護に対する要求はますます強まってきており、エアコンやその他のヒートポンプ装置においても高効率化が強く要望されている。そのような中、通常の機械式圧縮機に替わる新たな圧縮方式が求められつつあり、その一つとして燃料電池に用いられている電解質膜を利用した電気化学式圧縮機が提唱されている。
【０００３】
燃料電池に用いられている電解質膜はこれに電位差を与えると、触媒層において電離反応によりＨ２がプロトン（Ｈ＋）に変化し、電解質膜の電位の高い側から電位の低い側へと移動する。このとき、プロトンは、水、アルコール、アンモニアなどの冷媒となる極性物質を伴って電解質膜の中を移動する。この現象を利用して極性物質の冷媒ガスを圧縮する技術が、「電気化学圧縮（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）」と呼ばれており、電気化学圧縮を利用した圧縮機が「電気化学圧縮機（Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）」である。
【０００４】
電気化学式圧縮機の構成は、燃料電池で用いられているスタックと似ており、少なくとも固定板と、電極と、セパレータと、電解質膜・電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とで構成されている。
【０００５】
この構成部品の一つであるセパレータは、ガスのリークを抑えるという機能があり、気密性を改善したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図６は、特許文献１に記載された従来の燃料電池に用いられているセパレータの斜視図である。
【０００７】
図６に示すように、従来の燃料電池に用いられているセパレータ１８は高効率化のため電解質膜・電極接合体に均一に反応ガス（水素や酸素）が接触するように拡散流路２４が設けられている。
【０００８】
また、セパレータ１８にはコストと生産性を考慮して黒鉛プレート等が用いられ、反応ガスが外部に漏れるのを抑えるために高分子材料が含浸されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−８５０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記燃料電池用のセパレータ１８を用いて電気化学式圧縮機を構成すると、以下のような課題が生じる。即ち、電気化学式圧縮機の内部の動作圧力範囲は燃料電池のそれとは異なり、圧縮機の内部が大気圧以下となるため、圧縮機の内部と外部で大きな圧力差が生じる。そのため、上記セパレータ１８では圧縮機の内部と外部の圧力差を維持することが困難であり、効率が低下する。
【００１１】
図７に、従来の燃料電池に用いられているセパレータを電気化学式圧縮機に用いた場合
のガス流入経路図を示す。この電気化学式圧縮機は本出願人が提案しているもので、電解質膜・電極接合体２０と、電解質膜・電極接合体２０をはさんで接触するように配置されたセパレータ１８と、セパレータ１８に接触するように配置された給電板１６とから構成されている。なお、１４は固定板である。
【００１２】
上記のように構成された電気化学式圧縮機において、従来の燃料電池で用いられているセパレータの材料では、高分子材料を含浸させても、圧縮機の内部と外部で大きな圧力差がある場合、セパレータ１８をガスが透過してしまい、圧縮機の内部に外部からプロトンや冷媒以外のガスが流入する。このガスの流入により、圧縮機の内部と外部の圧力差を維持することが困難になり、効率低下をきたす。
【００１３】
本発明は、このような従来の課題を解決するもので、セパレータの材質をガス透過性の低い材料に変えることで、気密性が高く、効率の高い電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置は、セパレータの材質を金属としたものである。
【００１５】
これによってセパレータの気密性を向上させ、圧縮機の内部と外部の圧力差を維持することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置は、圧縮機の内部と外部の圧力差を維持することができるので、効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態におけるヒートポンプ装置の構成を示す模式図
【図２】同実施の形態における電気化学式圧縮機の構成を示す模式図
【図３】同実施の形態における電解質膜・電極複合体の構成図
【図４】同実施の形態におけるセパレータの外観図
【図５】同実施の形態における電気化学式圧縮内部の作動流体と電子の流れの概略図
【図６】従来の燃料電池に用いられているセパレータの斜視図
【図７】従来の燃料電池に用いられているセパレータを電気化学式圧縮機に用いた場合のガス流入経路図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
第１の発明は、少なくとも固定板と、給電板と、セパレータと、電解質膜・電極接合体（ＭＥＡ）とを備え、前記セパレータの材質を金属とした構成としてある。
【００１９】
これにより、セパレータの気密性を向上させることができ、圧縮機の内部と外部の圧力差を損なうことなく維持することができるので、電気化学式圧縮機の効率を向上させることができる。
【００２０】
第２の発明は、特に、第１の発明のセパレータの材質をステンレスとしたものである。これにより、水や電流によってセパレータが腐食されにくくなるため、電気化学式圧縮機の耐久性を向上させることができる。
【００２１】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明のセパレータの材質をＳＵＳ３１６としたものである。
【００２２】
これにより、セパレータの耐食性がさらに向上するため、電気化学式圧縮機の耐久性をさらに向上させることができる。
【００２３】
第４の発明は、第１から第３のいずれか一つの発明のセパレータの表面に金メッキ処理を施した構成としてある。
【００２４】
これにより、セパレータの導電性が向上すると共に、耐食性も向上するため、電気化学式圧縮機の効率を向上させると共に、耐久性も向上させることができる。
【００２５】
第５の発明は、ヒートポンプ装置であり、このヒートポンプ装置は、圧縮機、凝縮器、膨張機構、蒸発器を配管によって環状に連結した冷媒回路を有し、前記圧縮機を第１から第４のいずれか一つの発明の電気化学式圧縮機としたものである。
【００２６】
これによりこのヒートポンプ装置は、電気化学式圧縮機が持つ高い効率によってその消費電力を低減し、省エネルギー化を実現することができる。
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ装置の構成を示す模式図である。
【００２９】
図１において、ヒートポンプ装置１０２は、少なくとも冷媒（図示せず）を圧縮するための電気化学式圧縮機１０４と、電気化学式圧縮機１０４によって圧縮した冷媒を凝縮させる凝縮器１１０と、凝縮された冷媒を膨張させる開度可変な膨張機構１２６と、膨張した冷媒を蒸発させる蒸発器１０８とを備え、電気化学式圧縮機１０４と凝縮器１１０と膨張機構１２６と蒸発器１０８とを配管によって環状に連結して冷媒回路１１２を構成している。
【００３０】
冷媒回路１１２には、作動流体として冷媒及び非凝縮性ガス（図示せず）が充填されている。冷媒は、凝縮性流体である極性物質であり、本実施の形態においては水を用いている。また、非凝縮性ガスは、電気化学的に活性なガスであり、冷媒回路１１２において冷媒を圧縮するために用いられ、本実施の形態においては水素を用いている。
【００３１】
本発明において「電気化学的に活性なガス」とは、電離し、イオン化することで極性物質を伴って電解質膜の中を電位の相対的に高い一方の面から電位の相対的に低い他方の面へと移動できる能力を有するガスのことである。
【００３２】
次に、電気化学式圧縮機１０４について説明する。
【００３３】
図２は、同実施の形態における電気化学式圧縮機の構成を示す模式図である。
【００３４】
図２において、電気化学式圧縮機１０４は、セル１２８を複数重ねたスタック１２２と、それをはさむように固定する固定板１１４とで構成されている。
【００３５】
また、セル１２８は、電解質膜・電極接合体１２０と、電解質膜・電極接合体１２０をはさんで接触するように配置されたセパレータ１１８と、セパレータ１１８に接触するように配置された給電板１１６とから構成されている。
【００３６】
ここで、セパレータ１１８は、ＳＵＳ３１６で形成されており、さらに表面には金メッキが施されている。
【００３７】
次に、電解質膜・電極接合体１２０について説明する。
【００３８】
図３は、同実施の形態における電解質膜・電極接合体１２０の構成図である。
【００３９】
図３において、電解質膜・電極接合体１２０は、高分子材料からなる電解質膜１３４をはさむように配置された第一電極１３６と第二電極１３８とから構成されている。
【００４０】
ここで、電解質膜１３４は、例えばナフィオン（デュポン社の登録商標）のようなパーフルオロスルホン酸膜が挙げられる。
【００４１】
第一電極１３６および第二電極１３８は、それぞれカーボンクロスのような導電性基材からなるガス拡散層１４０と、導電性基材に担持された触媒からなる触媒層１４２とで構成されている。
【００４２】
なお、触媒層１４２には、貴金属を含む貴金属触媒を用いても良い。
【００４３】
次に、セパレータ１１８の構成について説明する。
【００４４】
図４は、同実施の形態におけるセパレータの外観図である。
【００４５】
図４において、セパレータ１１８には電解質膜・電極接合体１２０の第一電極１３６に作動流体が均一に接触するように、例えばサーペンタイン形状のような溝で形成される拡散流路１２４が設けられている。
【００４６】
以上のように構成された電気化学式圧縮機およびそれを用いたヒートポンプ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００４７】
蒸発器１０８によって周囲の熱を吸収して蒸発した冷媒と非凝縮性ガスからなる作動流体は、冷媒回路１１２を通って電気化学式圧縮機１０４に流入する。
【００４８】
ここで、図５に同実施の形態における電気化学式圧縮機内部の作動流体と電子の流れの概略図を示す。
【００４９】
図５において、電気化学式圧縮機１０４に流入した作動流体は、セパレータ１１８に設けられた拡散流路１２４によって、電解質膜・電極接合体１２０の第一電極１３６に均一に接触する。第一電極１３６と第二電極１３８の間には、第一電極１３６が電位的に高くなるように電圧をかけられている。第一電極１３６側の触媒層１４２に接触した非凝縮性ガスの水素分子（Ｈ２）は電離反応により電子を放出し、イオン化し、プロトン（Ｈ＋）となり、極性を有する。
【００５０】
その結果、非凝縮性ガスのプロトン（Ｈ＋）は電位差によって、第一電極１３６から第二電極１３８側へ強制的に電解質膜１３４内を移動する。その際、極性物質である複数の冷媒の水分子（Ｈ２Ｏ）を引き連れて移動する。
【００５１】
そして、電解質膜１３４を通過した非凝縮性ガスのプロトン（Ｈ＋）は第二電極１３８側の触媒層１４２で先程の電離反応と逆の反応により電子を受け取り、プロトン（Ｈ＋）の状態から元の水素分子（Ｈ２）の状態に戻る。
【００５２】
第一電極１３６と第二電極１３８の間にある電位差によって強制的に移動させられる非凝縮性ガスの一つのプロトン（Ｈ＋）に伴われた冷媒の水分子（Ｈ２Ｏ）が、第一電極１３６側から第二電極１３８側へ複数移動することにより、冷媒の水分子（Ｈ２Ｏ）の密度が第一電極１３６側より第二電極１３８側の方が高くなる。すなわち、電解質膜・電極接合体１２０を隔てて冷媒の圧縮現象が起きる。
【００５３】
ここで、本実施の形態では、冷媒として水を使用したが、冷媒としてアルコールやアンモニア等の自然冷媒を使用しても同様の効果が得られる。
【００５４】
圧縮された冷媒は凝縮器１１０にて冷却され凝縮し、その後、膨張機構１２６により減圧されて、再び、蒸発器１０８に戻る。
【００５５】
ここで、蒸発器１０８にて冷媒が蒸発する際に周囲の熱を奪う作用を利用して、例えば冷房等を行う。
【００５６】
また、凝縮器１１０にて冷媒が凝縮する際に周囲に熱を放熱する作用を利用して、例えば暖房等を行う。
【００５７】
次に、電気化学式圧縮機１０４を構成するセパレータ１１８の機能について説明する。
【００５８】
セパレータ１１８は、例えばサーペンタイン形状の溝で形成される冷媒流路１２４を有するため、作動流体を均一に電解質膜・電極接合体１２０に接触させることができる。
【００５９】
また、セパレータ１１８は導電性の高い材料であるため、前述した電離反応によって放出された電子を効率よく他方の電極へ導くことができる。
【００６０】
ここで、作動流体が流れている冷媒回路１１２に対して、ヒートポンプ装置１０２の外部から作動流体以外の物質が流入すると、電気化学式圧縮機１０４の内部と外部の圧力差を維持することが困難になる。そのため、ヒートポンプ装置１０２を構成する材料にはヒートポンプ装置１０２の外部と内部を遮断することができるガス透過性の低い材料が求められる。従って、セパレータ１１８を形成する材料についてもガス透過性が低いことが求められる。
【００６１】
本実施の形態の電気化学式圧縮機１０４では、上記セパレータ１１８の材質を金属としているので、セパレータ１１８の気密性を向上させることができ、電気化学式圧縮機１０４の内部と外部の圧力差を維持することができる。その結果、電気化学式圧縮機１０４の効率を高いものとすることができる。
【００６２】
さらに、本実施の形態では、セパレータ１１８の材質をステンレスとしたことにより、水や電流が流れてもセパレータ１１８が腐食しにくいため、耐久性を向上させることができる。
【００６３】
さらに、本実施の形態では、セパレータ１１８の材質をＳＵＳ３１６とすることにより、セパレータ１１８の耐食性が更に向上するため、耐久性を向上することができる。
【００６４】
尚、本実施の形態ではセパレータ１１８にＳＵＳ３１６を用いたが、ＳＵＳ３１６ＬやＳＵＳ３０４のような組成の異なるステンレス材料やチタン合金等の耐食性の高い金属材料も使用することができる。
【００６５】
また、本実施の形態ではセパレータ１１８の表面に金メッキ処理を施したことにより、セパレータ１１８の導電性が向上し、効率を向上させることができる。また、耐食性も向上するため、耐久性も向上させることができる。
【００６６】
尚、本実施の形態においては固定板１１４、給電板１１６、セパレータ１１８はそれぞれ独立した部品で構成されているが、同じ機能を有していればそれぞれが独立した部品である必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
以上のように、本発明は、電気化学式圧縮機の内部と外部の圧力差を維持することで効率の良い圧縮機とそれを用いたヒートポンプ装置を提供することが可能になる。よって、エアコンだけでなく、ワインセラー等の冷蔵用のヒートポンプ装置等の用途にも幅広く適用することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１０４  電気化学式圧縮機
１１２  冷媒回路
１１４  固定板
１１６  給電板
１１８  セパレータ
１２０  電解質膜・電極接合体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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