特表 2024-507764 電気化学的水素ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-21

(54)【発明の名称】電気化学的水素ポンプ

(51)【国際特許分類】

   C25B 9/77 20210101AFI20240214BHJP

   C25B 1/02 20060101ALI20240214BHJP

   C01B 3/00 20060101ALI20240214BHJP

   C25B 9/23 20210101ALI20240214BHJP

   C25B 9/07 20210101ALI20240214BHJP

【ＦＩ】

C25B9/77

C25B1/02

C01B3/00 Z

C25B9/23

C25B9/07

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023548628

(86)(22)【出願日】2022-01-31

(85)【翻訳文提出日】2023-10-04

(86)【国際出願番号】 IB2022050814

(87)【国際公開番号】W WO2022172120

(87)【国際公開日】2022-08-18

(31)【優先権主張番号】2101983.1

(32)【優先日】2021-02-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】517316096

【氏名又は名称】エドワーズ バキューム リミテッド ライアビリティ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100098475

【弁理士】

【氏名又は名称】倉澤 伊知郎

(74)【代理人】

【識別番号】100130937

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 泰史

(74)【代理人】

【識別番号】100144451

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴木 博子

(74)【代理人】

【識別番号】100170634

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 航介

(72)【発明者】

【氏名】ダンバー ザカリー ウィリアム

【テーマコード（参考）】

4G140

4K021

【Ｆターム（参考）】

4G140AB03

4K021AA01

4K021CA01

(57)【要約】

第２の電気化学的水素ポンプ段に流体接続された第１の電気化学的水素ポンプ段を備える多段電気化学的水素ポンプが提供される。第１の電気化学ポンプ段は、水素ガスを含む第１のガス混合物を受け取り、第１のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離して第２のガス混合物を生成し、第２のガス混合物を第２の電気化学ポンプ段に出力するように構成されている。第２の電気化学的水素ポンプ段は、第１の電気化学的水素ポンプ段から第２のガス混合物を受け取り、第２のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離して第３のガス混合物を生成し、第３のガス混合物を出力するように構成されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第２の電気化学的水素ポンプ段に流体接続された第１の電気化学的水素ポンプ段を備える多段電気化学的水素ポンプであって、
前記第１の電気化学的ポンプ段は、水素ガスを含む第１のガス混合物を受け取り、前記第１のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離して第２のガス混合物を生成し、前記第２のガス混合物を前記第２の電気化学的ポンプ段に出力するように構成され、
前記第２の電気化学的水素ポンプ段は、前記第１の電気化学的水素ポンプ段から前記第２のガス混合物を受け取り、前記第２のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離して第３のガス混合物を生成し、前記第３のガス混合物を出力するように構成されている、多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項2】

前記第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段の一方又は両方は、互いに並列に流体接続された複数の電気化学セルを備える、請求項１に記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項3】

前記第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段の一方又は両方の前記複数の電気化学セルは、スタックとして配置されている、請求項２に記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項4】

前記第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段の各々は、互いに並列に流体接続された複数の電気化学セルを備え、前記第１の電気化学的水素ポンプ段の前記複数の電気化学セルの各々の出力は、前記第２の電気化学的水素ポンプ段の前記複数の電気化学セルの各々の入力に流体接続されている、請求項２又は３のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項5】

前記第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段は、流体ラインを介して、又はバイポーラプレートによって画定された流路を介して、互いに流体接続されている、請求項１から４のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項6】

ハウジングをさらに備え、前記第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段は、前記ハウジング内に配置される、請求項１から５のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項7】

前記第２のガス混合物は、前記第１のガス混合物に比べて水素ガスの割合が多く、前記第３のガス混合物は、前記第２のガス混合物に比べて水素ガスの割合が多い、請求項１から６のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項8】

前記第１の混合ガスは、水素ガスと、１又は２以上の他の種類のガスとで構成され、前記１又は２以上の他の種類のガスは、窒素ガス、二酸化炭素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、一酸化炭素ガスからなる群から選択される、請求項１から７のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項9】

前記水素ガスは、プロチウム、ジュウテリウム、及びトリチウムの１又は２以上を含む、請求項１から８のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項10】

前記第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段に直列に流体接続された１又は２以上のさらなる電気化学的水素ポンプ段をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプ。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプを備える真空ポンプシステム。

【請求項12】

前記多段電気化学的水素ポンプは、真空ポンプに流体接続され、前記真空ポンプから前記第１の混合ガスを受け取るように構成されている、請求項１１に記載の真空ポンプシステム。

【請求項13】

請求項１１又は１２に記載の真空排気システムを備える極端紫外線リソグラフィシステム。

【請求項14】

前記第１のガス混合物は、水素ガスと窒素ガスから構成される、請求項１３に記載の極端紫外リソグラフィシステム。

【請求項15】

水素ガスをポンプ送給するために請求項１から１０のいずれかに記載の多段電気化学的水素ポンプの使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気化学的水素ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

電気化学的水素ポンプは、様々な異なる産業（例えば、金属線アニーリング）で使用される既知のタイプのポンプである。電気化学的水素ポンプは、通常、１又は２以上の電気化学セルを使用して、混合ガスから水素ガスを分離することによって機能する。

【0003】

図１は、従来の電気化学的水素ポンプ１００を示す概略図である（縮尺通りではない）。電気化学的水素ポンプ１００は、ハウジング１１０、複数の電気化学セル１２０、第１の電流コレクタ１３０、第２の電流コレクタ１４０、入力ライン１５０、及び出力ライン１６０を備える。

【0004】

ハウジング１１０は、電気化学的水素ポンプ１００の残りの構成要素が配置される空間を画定する。具体的には、複数の電気化学セル１２０、第１の電流コレクタ１３０、第２の電流コレクタ１４０、入力ライン１５０、及び出力ライン１６０は、ハウジング１１０によって画定される空間に配置される。

【0005】

複数の電気化学セル１２０の各々は、水素ガスを含む第１のガス混合物を受け取り、第１のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離し、分離された水素ガスを含む第２のガス混合物を出力するように構成されている。複数の電気化学セル１２０は、スタックに配置され、互いに並列に流体接続される。複数の電気化学セル１２０の各々は、陽極室１２２、陰極室１２４、及びイオン交換機構１２６を備える。各陽極室１２２は陽極を備え、入力ライン１５０から第１の混合ガスを受け取るように構成されている。各陰極室１２４は陰極を備え、第２の混合ガスを出力ライン１６０に出力するように構成されている。各イオン交換機構１２６は、それぞれの陽極室及び陰極室１２２、１２４の間に配置され、それぞれの陽極室及び陰極室１２２、１２４を互いから分離し、イオン交換機構１２６は、それぞれの陽極室及び陰極室１２２、１２４の間の流体の流れに対する部分的な障壁として作用するようになっている。各電気化学セル１２０のイオン交換機構１２６は、半透過性であり、水素イオンがそれぞれの陽極室１２２からそれぞれの陰極室１２４へ移動するために、選択的にそこを通過するのを許容するが、第１のガス混合物の他の成分がそこを通過するのを実質的に阻止するように構成されている。

【0006】

第１の混合ガスは、１又は２以上の他の種類のガスが混合された水素ガスで構成されている。第２の混合ガスは、電気化学セル１２０によって行われる電気化学的水素分離の産物であり、第１の混合ガスと比較して水素ガスの割合がはるかに高い。具体的には、第２のガス混合物は、ほぼ水素ガスのみで構成されるが、イオン交換機構１２６の不完全性などに起因して、何とかしてイオン交換機構１２６を横切って移動した１又は２以上の他の種類のガス（不純物又は汚染物質と呼ぶことができる）を依然として微小量だけ含む。

【0007】

陽極は、炭素微粒子に担持することができる又はそうではない場合もある白金ナノ粒子を含む触媒材料で作ることができる。同様に、陰極は、炭素微粒子に担持することができる又はそうではない場合もある白金ナノ粒子を含む触媒材料で作ることができる。イオン交換機構１２６は、限定されるものではないが、ナフィオン又はポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）などのイオン交換機構材料で作ることができる。しかしながら、構成要素が本明細書に記載される方法で機能することができる限り、何らかの適切な材料又は材料の組み合わせを使用できることを理解されたい。

【0008】

第１及び第２の電流コレクタ１３０、１４０は、複数の電気化学セル１２０の陽極及び陰極を電源（図示せず）に電気的に接続して、陽極の正電位及び陰極の負電位を維持する。

【0009】

入力ライン１５０は、電気化学的水素ポンプ１００から離れた供給源（図示せず）から第１のガス混合物を受け取り、第１のガス混合物を複数の電気化学セル１２０の陽極室１２２に送るように構成されている。
出力ライン１６０は、複数の電気化学セル１２０の陰極室１２４から第２のガス混合物を受け取り、第２のガス混合物を電気化学的水素ポンプ１００から離れた所望の場所（図示せず）に送るように構成されている。

【0010】

電気化学セル１２０の動作の背後にある正確な物理的／化学的機構は周知であり、簡潔にするために本明細書では詳述しない。しかしながら、簡単に説明すると、電気化学的水素ポンプ１００の動作中、第１の混合ガス中の水素ガスは、陽極室１２２内の陽極で酸化され、水素イオンが生成される。その後、水素イオンは、イオン交換機構１２６を通って陰極室１２４に入り、陰極で還元反応を受けて水素ガスに改質される。イオン交換機構１２６は、水素イオンがそこを通過するのを選択的に許容するが、第１のガス混合物の他の成分がそこを通過するのを実質的に阻止するので、第２のガス混合物中の水素ガスの濃度は、第１のガス混合物中の水素ガスの濃度に比べて増加する。従って、水素ガスは、電気化学セル２２０によって、第１のガス混合物から効果的に選択的にポンプ送給される（又は分離される）。

【0011】

図２は、イオン交換機構１２６のより詳細な断面図を示す概略図である（縮尺通りではない）。イオン交換機構は、陽極、陰極、イオン交換膜１２６ａ、陽極触媒層１２６ｂ、陰極触媒層１２６ｃ、陽極ガス拡散層１２６ｄ、及び陰極ガス拡散層１２６ｅを備える膜電極組立体（ＭＥＡ）の一部を形成する。いくつかの実施形態では、陽極触媒層１２６ｂは、ＭＥＡの陽極である。いくつかの実施形態では、陰極触媒層１２６ｃは、ＭＥＡの陰極である。イオン交換膜１２６ａは、陽極触媒層１２６ｂと陰極触媒層１２６ｃとの間に挟まれている。陽極触媒層１２６ｂは、イオン交換膜１２６ａと陽極ガス拡散層１２６ｄとの間に挟まれている。陰極触媒層１２６ｃは、イオン交換膜１２６ａと陽極ガス拡散層１２６ｅとの間に挟まれている。換言すれば、イオン交換膜１２６ａ、陽極触媒層１２６ｂ、陰極触媒層１２６ｃ、陽極ガス拡散層１２６ｄ及び陰極ガス拡散層１２６ｅは、イオン交換機構として作用する層状スタックを形成する。ＭＥＡが機能する正確な方法は周知であり、簡潔にするために、本明細書ではこれ以上詳しく説明しない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

上述した従来の電気化学的水素ポンプ１００を改良することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0013】

第１の態様では、第２の電気化学的水素ポンプ段に流体接続された第１の電気化学的水素ポンプ段を備える多段電気化学的水素ポンプが提供される。第１の電気化学ポンプ段は、水素ガスを含む第１のガス混合物を受け取り、第１のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離して第２のガス混合物を生成し、第２のガス混合物を第２の電気化学ポンプ段に出力するように構成されている。第２の電気化学的水素ポンプ段は、第１の電気化学的水素ポンプ段から第２のガス混合物を受け取り、第２のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離して第３のガス混合物を生成し、第３のガス混合物を出力するように構成されている。

【0014】

第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段の一方又は両方は、互いに並列に流体接続された複数の電気化学セルを備えることができる。

【0015】

第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段の一方又は両方の複数の電気化学セルは、スタックとして配置することができる。

【0016】

第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段の各々は、互いに並列に流体接続された複数の電気化学セルを備えることができる。

【0017】

第１の電気化学的水素ポンプ段の複数の電気化学セルの各々の出力は、第２の電気化学的水素ポンプ段の複数の電気化学セルの各々の入力に流体接続することができる。

【0018】

第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段は、流体ラインを介して、又はバイポーラプレートによって画定される流路を介して、互いに流体接続することができる。

【0019】

多段電気化学的水素ポンプは、ハウジングをさらに備えることができ、第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段は、ハウジング内に配置される。

【0020】

第２のガス混合物は、第１のガス混合物に比べて水素ガスの割合が多く、第３のガス混合物は、第２のガス混合物に比べて水素ガスの割合が多い。

【0021】

第１のガス混合物は、水素ガスと、１又は２以上の他の種類のガスとで構成することができ、１又は２以上の他の種類のガスは、窒素ガス、二酸化炭素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、一酸化炭素ガスからなる群から選択される。

【0022】

水素ガスは、プロチウム、ジュウテリウム、及びトリチウムのうちの１又は２以上を含むことができる。

【0023】

多段電気化学的水素ポンプは、第１及び第２の電気化学的水素ポンプ段に直列に流体接続された１又は２以上のさらなる電気化学的水素ポンプ段をさらに備えることができる。

【0024】

第２の態様では、第１の態様の多段電気化学的水素ポンプを備える真空ポンプシステムが提供される。

【0025】

多段電気化学的水素ポンプは、真空ポンプに流体接続され、真空ポンプから第１のガス混合物を受け取るように構成することができる。

【0026】

第３の態様では、第２の態様の真空ポンプシステムを備える極端紫外線リソグラフィシステムが提供される。

【0027】

第１のガス混合物は、水素ガスと窒素ガスから構成することができる。

【0028】

第４の態様では、第１の態様の多段電気化学的水素ポンプの使用が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】従来の電気化学的水素ポンプを示す概略図である（縮尺通りではない）。

【図2】従来の電気化学的水素ポンプのイオン交換機構の断面を示す概略図である（縮尺通りではない）。

【図3】多段電気化学的水素ポンプを示す概略図である（縮尺通りではない）。

【図4】別の多段電気化学的水素ポンプを示す概略図である（縮尺通りではない）。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図３は、一実施形態による多段電気化学的水素ポンプ２００を示す概略図である（縮尺通りではない）。電気化学的水素ポンプ２００は、ハウジング２１０、第１の電気化学的水素ポンプ段３００、第２の電気化学的水素ポンプ段４００、第１の電流コレクタ２３０、及び第２の電流コレクタ２４０を備える。

【0031】

ハウジング２１０は、電気化学的水素ポンプ２００の残りの構成要素が配置される空間を画定する。具体的には、第１の電気化学的水素ポンプ段３００、第２の電気化学的水素ポンプ段４００、第１の電流コレクタ２３０、及び第２の電流コレクタ２４０は、ハウジング１１０によって画定される空間に配置される。

【0032】

第１の電気化学的水素ポンプ段３００は、複数の第１の電気化学セル２２０ａ、第１の入力ライン２５０ａ、及び第１の出力ライン２６０ａを備える。
複数の第１の電気化学セル２２０ａの各々は、水素ガスを含む第１のガス混合物を受け取り、第１のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離し、分離された水素ガスを含む第２のガス混合物を出力するように構成されている。

【0033】

第１及び第２のガス混合物中の水素ガスは、水素の異なる同位体（すなわち、プロチウム、ジュウテリウム、トリチウム）のいずれか１つ又は何らかの組み合わせを含むことができる。

【0034】

複数の第１の電気化学セル２２０ａは、スタックに配置され、互いに並列に流体接続される。複数の第１の電気化学セル２２０ａの各々は、第１の陽極室２２２ａ、第１の陰極室２２４ａ、及び第１のイオン交換機構２２６ａを備える。各第１の陽極室２２２ａは陽極を備え、第１の入力ライン２５０ａから第１の混合ガスを受け取るように構成されている。各第１の陰極室２２４ａは陰極を備え、第２の混合ガスを第１の出力ライン２６０ａに出力するように構成されている。各第１のイオン交換機構２２６ａは、それぞれの第１の陽極室及び陰極室２２２ａ、２２４ａの間に配置され、それぞれの第１の陽極室及び陰極室２２２ａ、２２４ａを互いから分離し、第１のイオン交換機構２２６ａは、それぞれの第１の陽極室及び陰極室２２２ａ、２２４ａの間の流体の流れに対する部分的な障壁として作用するようになっている。各第１の電気化学セル２２０ａの第１のイオン交換機構２２６ａは、半透過性であり、水素イオンが、それぞれの第１の陽極室２２２ａからそれぞれの第１の陰極室２２４ａへ移動するために、選択的にそこを通過するのを許容するが、第１のガス混合物の他の成分がそこを通過するのを実質的に防止するように構成されている。各第１イオン交換機構２２６ａは、図２を参照して上述したイオン交換機構１２６と同じ構造を有する。

【0035】

第１の混合ガスは、１又は２以上の他の種類のガス（例えば、窒素、二酸化炭素、ヘリウム、アルゴン、一酸化炭素）が混合された水素ガスで構成されている。例えば、第１の混合ガスは、５０％の水素ガスと５０％の１又は２以上の他の種類のガスとすることができる。第２のガス混合物は、第１の電気化学セル２２０ａによって行われる電気化学的水素分離の産物であり、第１のガス混合物と比較して水素ガスの割合がはるかに高い。具体的には、第２のガス混合物は、ほぼ水素ガスのみで構成されるが、例えば第１のイオン交換機構２２６の選択的透過性の不完全性に起因して、何とかして第１のイオン交換機構２２６を横切って移動した１又は２以上の他の種類のガスを依然として微小量だけ含む。例えば、第２の混合ガスは、約１００ｐｐｍ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｍｉｌｌｉｏｎ）の１又は２以上の他の種類のガス（すなわち、不純物又は汚染物質）を有し、残りは水素ガスである。

【0036】

第１の入力ライン２５０ａは、電気化学的水素ポンプ２００から離れた供給源（図示せず）から第１のガス混合物を受け取り、第１のガス混合物を複数の第１の電気化学セル２２０ａの第１の陽極室２２２ａに送るように構成されている。第１の入力ライン２５０ａは、流体ラインであり、例えば、何らかの適切な材料から作られたパイプ又は管体である。

【0037】

第１の出力ライン２６０ａは、複数の第１の電気化学セル２２０ａの第１の陰極室２２４ａから第２のガス混合物を受け取り、第２のガス混合物を第２の電気化学的水素ポンプ段４００に送るように構成されている。第１の出力ライン２６０ａは、流体ラインであり、例えば、何らかの適切な材料から作られたパイプ又は管体である。

【0038】

第２の電気化学的水素ポンプ段４００は、複数の第２の電気化学セル２２０ｂ、第２の入力ライン２５０ｂ、及び第２の出力ライン２６０ｂを備える。

【0039】

複数の第２の電気化学セル２２０ｂの各々は、第２のガス混合物を受け取り、第２のガス混合物から水素ガスを電気化学的に分離し、分離された水素ガスを含む第３のガス混合物を出力するように構成されている。複数の第２の電気化学セル２２０ｂは、スタックに配置され、互いに並列に流体接続される。複数の第２の電気化学セル２２０ｂの各々は、第２の陽極室２２２ｂ、第２の陰極室２２４ｂ、及び第２のイオン交換機構２２６ｂを備える。各第２陽極室２２２ｂは陽極を備え、第２の入力ライン２５０ｂから第２の混合ガスを受け取るように構成されている。各第２の陰極室２２４ｂは陰極を備え、第３の混合ガスを第２の出力ライン２６０ｂに出力するように構成されている。各第２のイオン交換機構２２６ｂは、それぞれの第２の陽極室及び陰極室２２２ｂ、２２４ｂの間に配置され、それぞれの第２の陽極室及び陰極室２２２ｂ、２２４ｂを互いに分離し、第２のイオン交換機構２２６ｂは、それぞれの第２の陽極室及び陰極室２２２ｂ、２２４ｂの間の流体の流れに対する部分的な障壁として作用するようになっている。各第２の電気化学セル２２０ｂの第２のイオン交換機構２２６ｂは、半透過性であり、水素イオンが、それぞれの第２の陽極室２２２ｂからそれぞれの第２の陰極室２２４ｂへ移動するために、選択的にそこを通過するのを許容するが、第２のガス混合物の他の成分がそこを通過するのを実質的に阻止するように構成されている。各第２のイオン交換機構２２６ｂは、図２を参照して上述したイオン交換機構１２６と同じ構造を有する。

【0040】

第３のガス混合物は、第２の電気化学セル２２０ｂによって行われる電気化学的水素分離のさらなる段階の産物であり、第２のガス混合物と比較して水素ガスの割合がさらに高い。換言すれば、第３のガス混合物は、第２のガス混合物よりも水素ガスでないガスの割合がさらに低い。例えば、第３の混合ガスは、約４０ｐｐｂ（ｐａｒｔｓ ｐｅｒ ｂｉｌｌｉｏｎ）の不純物又は汚染物質を有し、残りは水素ガスである。

【0041】

第２の入力ライン２５０ｂは、第１の出力ライン２６０ａに流体的に接続されている。第２の入力ライン２５０ｂは、第１の電気化学的水素ポンプ段３００の第１の出力ライン１６０ａから第２のガス混合物を受け取り、第２のガス混合物を複数の第２の電気化学セル２２０ｂの第２の陽極室２２２ｂに送るように構成されている。第２の入力ライン２５０ｂは、流体ラインであり、例えば、何らかの適切な材料から作られたパイプ又は管体である。

【0042】

第２の出力ライン２６０ｂは、複数の第２の電気化学セル２２０ｂの第２の陰極室２２４ｂから第３のガス混合物を受け取り、第３のガス混合物を電気化学的水素ポンプ２００から離れた所望の場所（図示せず）に送るように構成されている。第２の出力ライン２６０ｂは、流体ラインであり、例えば、何らかの適切な材料から作られたパイプ又は管体である。

【0043】

第１及び第２の電流コレクタ２３０、２４０は、第１及び第２の電気化学セル２２０ａ、２２０ｂの負極及び正極を電源（図示せず）に電気的に接続し、負極の正電荷及び正極の負電荷を維持する。

【0044】

第１及び第２の電気化学セル２２０ａ、２２０ｂの動作の背後にある正確な物理的／化学的機構は周知であり、簡潔にするために本明細書では詳述しない。しかしながら、簡単に説明すると、電気化学的水素ポンプ２００の作動中、第１の混合ガス中の水素ガスは、第１及び第２の陽極室２２２ａ、２２２ｂの陽極で酸化され、水素イオンが生成される。その後、水素イオンは、第１及び第２のイオン交換機構２２６ａ、２２６ｂを通って第１及び第２の陰極室２２４ａ、２２４ｂに入り、陰極で還元反応を受けて水素ガスに改質される。第１及び第２のイオン交換機構２２６ａ、２２６ｂは、水素イオンがそこを通過するのを選択的に許容するが、第１及び第２のガス混合物の他の成分がそこを通過するのを実質的に阻止するので、第２のガス混合物中の水素ガスの濃度は、第１のガス混合物中の水素ガスの濃度よりも増加し、第３のガス混合物中の水素ガスの濃度は、第２のガス混合物中の水素ガスの濃度よりも増加する。従って、水素ガスは、第１及び第２の電気化学セル２２０ａ、２２０ｂのそれぞれによって、第１及び第２のガス混合物から効果的に選択的にポンプ送給される（又は分離される）。

【0045】

図４は、別の実施形態による多段電気化学的水素ポンプ５００を示す概略図である（縮尺通りでなはい）。図４の実施形態は、流体ラインを使用するのではなく、陽極室及び陰極室が、各電気化学セルを挟むバイポーラプレート（図示せず）によって画定される（又はその中に機械加工される）流路及び孔を介して流体的に接続される点を除いて、図３の実施形態と同じである。この実施形態では、各電気化学セルは、それぞれの一対のバイポーラプレートの間に挟まれており、各電気化学セルの陽極室及び陰極室の各々は、一対のバイポーラプレートのそれぞれの一方とその電気化学セルのイオン交換機構との間に画定されている。

【0046】

より具体的には、第１の電気化学的水素ポンプ段の第１の陽極室は、バイポーラプレートを貫通して延びる第１の流路５１０ａ及びバイポーラプレートのそれぞれの第１の孔５２０ａを介して互いに流体連通している。第１の陽極室は、第１の流路５１０ａ及び第１の孔５２０ａを介して、電気化学的水素ポンプ５００から離れた供給源から第１の混合ガスを受け取るように構成されている。

【0047】

第２の電気化学的水素ポンプ段の第２の陰極室は、バイポーラプレートを貫通して延びる第２の流路５１０ｂ及びバイポーラプレートのそれぞれの第２の孔５２０ｂを介して互いに流体連通している。第２の陰極室は、第２の孔５２０ｂ及び第２の流路５１０ｂを介して、第３の混合ガスを電気化学的水素ポンプ５００の外に出力するように構成されている。

【0048】

第１の電気化学的水素ポンプ段の第１の陰極室は、バイポーラプレートを貫通して延びる第３の流路５１０ｃ及びバイポーラプレートのそれぞれの第３の孔５２０ｃを介して互いに流体連通している。第１の陰極室は、第３の孔５２０ｃを介して第３の流路５１０ｃに第２の混合ガスを出力するように構成されている。

【0049】

第２の電気化学的水素ポンプ段の第２の陽極室は、第３の流路５１０ｃ及びそれぞれの第４の孔５２０ｄを介して互いに流体連通している。第２の陽極室は、第４の孔５２０ｄを介して第３の流路５１０ｃから第２の混合ガスを受け取るように構成されている。

【0050】

第１の電気化学的水素ポンプ段の第１の陰極室と第２の電気化学水素ポンプ段の第２の陽極室は、第３の流路５１０ｃを介して互いに流体連通している。第３の流路５１０ｃは、第２の混合ガスを第１の電気化学的水素ポンプ段の第１の陰極室から第２の電気化学的水素ポンプ段の第２の陽極室に送るように構成されている。従って、有利には、図４の実施形態は、比較的コンパクトであり、上述の機能を実行するためのパイプなどの流体ラインを使用しない、２つの電気化学的水素ポンプ段を流体的に接続する方法を利用することになる。
このようにして、多段電気化学的水素ポンプが提供される。

【0051】

上述の多段電気化学的水素ポンプは、それを必要とする何らかの適切なシステムにおいて、水素ガスを供給するために使用することができる。例えば、上述の多段電気化学的水素ポンプは、極端紫外線（ＥＵＶ）リソグラフィシステムの一部として使用することができる。具体的には、多段電気化学的水素ポンプは、ＥＵＶリソグラフィシステムの真空ポンプシステムの一部とすることができ、真空ポンプから第１のガス混合物を受け取り、ＥＵＶリソグラフィシステムで必要とされる場所に第３のガス混合物を出力するように構成されている。このような場所の例としては、セミクローズドループ水素リサイクルプロセスの一部として、ＥＵＶリソグラフィツールの入力部が挙げられる。ＥＵＶツールは大量の水素を必要とし、これは最終的には真空排気システムを通して（不純物と共に）排出される。不純物を除去し、多段電気化学ポンプで水素を加圧することで、通常は汚染廃棄物として廃棄されることになる水素をＥＵＶリソグラフィツールに再利用することができる。ＥＵＶリソグラフィシステムでは、第１の混合ガスは、水素ガス及び窒素ガスで構成することができる。

【0052】

有利には、上述の多段電気化学的水素ポンプは、図１によって示される従来の単段電気化学的水素ポンプと比較して、水素ガスの割合が高い最終混合ガスを出力する傾向がある。換言すれば、上述の多段電気化学的水素ポンプによって出力される最終混合ガス（すなわち、第３の混合ガス）は、水素ではないガス（すなわち、汚染物質又は不純物）の量が少ない傾向がある。例えば、図３及び４を参照して上述したような多段電気化学的水素ポンプの出力は、４０ｐｐｂの不純物を有する傾向があるのに対し、図１を参照して上述したような単段電気化学的水素ポンプの出力は、１００ｐｐｍの不純物を有する（すなわち、多段のものの出力の約２５００倍）傾向があることが、試験により判明している。従って、上述の多段電気化学的水素ポンプは、従来の単段電気化学的水素ポンプよりもはるかに高純度の出力を有する傾向がある。そのため、多段電気化学ポンプの使用は、極端紫外線（ＥＵＶ）リソグラフィシステムなど、非常に高純度の水素ガスが必要とされるシステムでの使用に特に有益である傾向がある。

【0053】

上述の実施形態では、多段電気化学的水素ポンプは、直列に接続された２つの電気化学的水素ポンプ段のみを有する。しかしながら、他の実施形態では、多段電気化学的水素ポンプによって出力されるガス中の不純物又は汚染物質の割合をさらに低減するために、直列に接続された３以上の電気化学的水素ポンプ段が使用される。

【符号の説明】

【0054】

１００、２００、５００ 電気化学的水素ポンプ
１１０、２１０ ハウジング
１２０、２２０ａ、２２０ｂ 電気化学セル
１２２、２２２ａ、２２２ｂ 陽極室
１２４、２２４ａ、２２４ｂ 陰極室
１２６、２２６ａ、２２６ｂ イオン交換機構
１２６ａ イオン交換膜
１２６ｂ 陽極触媒層
１２６ｃ 陰極触媒層
１２６ｄ 陽極ガス拡散層
１２６ｅ 陰極ガス拡散層
１３０、２３０ 第１の電流コレクタ
１４０、２４０ 第２の電流コレクタ
１５０、２５０ａ、２５０ｂ 入力ライン
１６０、２６０ａ、２６０ｂ 出力ライン
３００ 第１の電気化学的水素ポンプ段
４００ 第２の電気化学的水素ポンプ段
５１０ａ 第１の流路
５１０ｂ 第２の流路
５１０ｃ 第３の流路
５２０ａ 第１の孔
５２０ｂ 第２の孔
５２０ｃ 第３の孔
５２０ｄ 第４の孔

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】