CN113207300A - 电化学装置 - Google Patents

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Abstract

电化学装置具备电解质膜、设置于所述电解质膜的一侧的主面的阳极、设置于所述电解质膜的另一侧的主面的阴极、设置在所述阳极上的阳极隔板、以及设置在所述阴极上的阴极隔板，所述阳极隔板和所述阴极隔板中的至少一者具备金属基材片、以及设置在所述金属基材片上的包含金属氧化物和金属氢氧化物的导电层。

Description

电化学装置
技术领域
本公开涉及电化学装置。
背景技术
近年来，由于地球变暖的问题，正在普及利用可再生能源来代替成为温室效应气体放出的主要原因的化石燃料。但是，太阳光、风力等可再生能源通常由于气候变化的因素等而不稳定，因此在想要使用由可再生能源产生的电力时，并不总是能够使用它。
因此，在由可再生能源产生的电力剩余时，例如利用剩余电力进行氢的生成和储存。此时，氢生成可以利用水电解装置来进行。另外，向罐中储存氢可以利用电化学式氢泵来进行。这样，当由可再生能量产生的电力不足时，通过将储存于罐中的氢用作燃料的燃料电池的发电，能够适当地取得可再生能源的供需平衡。
也就是说，为了构建清洁的氢社会，在使用可再生能源的电力产生、储存以及利用氢时，需要以上的燃料电池、水电解装置和电化学式氢泵等各种电化学装置的参与，因此一直以来进行着这样的电化学装置的开发。
例如，在专利文献1中，为了改善燃料电池用的隔板的导电性和耐腐蚀性，提出了在隔板的金属基材片的表面层叠有包含导电性粒子的导电性层、中间层以及导电性碳层的结构。
在先技术文献
专利文献1：日本特许5353205号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，专利文献1对于电化学装置的耐久性和可靠性的提高没有进行充分研究。
因此，本公开的课题在于，作为一例，提供一种装置的耐久性和可靠性与以往相比能够进一步提高的电化学装置。
用于解决课题的手段
为解决上述课题，本公开的一个技术方案(aspect)的电化学装置，具备电解质膜、阳极、阴极、阳极隔板和阴极隔板，所述阳极设置于所述电解质膜的一侧的主面，所述阴极设置于所述电解质膜的另一侧的主面，所述阳极隔板设置在所述阳极上，所述阴极隔板设置在所述阴极上，
所述阳极隔板和所述阴极隔板中的至少一者，具备金属基材片和设置在所述金属基材片上的导电层，所述导电层包含金属氧化物和金属氢氧化物。
发明的效果
本公开的一个技术方案的电化学装置，发挥能够使装置的耐久性和可靠性与以往相比进一步提高的效果。
附图说明
图1是表示实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
图2A是将图1的电化学式氢泵中的A部分放大的图。
图2B是表示实施方式的第1实施例的电化学式氢泵中的阳极隔板的一例的图，是将图1的B部分放大的图。
图2C是表示实施方式的第2实施例的电化学式氢泵中的阴极隔板的一例的图，是将图1的C部分放大的图。
图3是表示金属基材片上的包含氧化铬和氢氧化铬的导电层的制法的一例的图。
具体实施方式
对电化学装置的耐久性和可靠性的提高进行研究，得到了以下见解。
专利文献1中，如上所述，隔板由金属基材片、导电性层、中间层和导电性碳层这4层的层叠体构成。通常，随着构成隔板的层叠体的层数增加，由于层叠体的层间的接合性降低、层叠体的层间的空隙产生等原因，会导致装置的耐久性和可靠性降低。
然而，在隔板例如是不锈钢制的部件的情况下，会在该部件的表面形成包含高耐腐蚀性的氧化铬的钝态皮膜。
在此，国际公开第2008/136306号中，报告了通过向这样的钝态皮膜中电化学地注入质子(H+)，使钝态皮膜的导电性提高。
因此，本公开人发现通过活用向这样的钝态皮膜中导入质子的技术，能够使电化学装置的耐久性和可靠性提高，从而想到了以下的本公开的一个技术方案。
即、本公开的第1技术方案的电化学装置，具备电解质膜、阳极、阳极隔板和阴极隔板，阳极设置于电解质膜的一侧的主面，阴极设置于电解质膜的另一侧的主面，阳极隔板设置在阳极上，阴极隔板设置在阴极上，阳极隔板和阴极隔板中的至少一者，具备金属基材片和设置在金属基材片上的导电层，导电层包含金属氧化物和金属氢氧化物。
根据该技术构成，本公开的电化学装置能够使装置的耐久性和可靠性与以往相比进一步提高。
具体而言，本技术方案的电化学装置，使用了将存在于金属表面的钝态皮膜改性而得到的包含金属氧化物和金属氢氧化物的导电层。由此，本技术方案的电化学装置，与专利文献1所公开的隔板相比，能够减少构成阳极隔板的层叠体的层数。另外，本技术方案的电化学装置，与专利文献1所公开的隔板相比，能够减少构成阴极隔板的层叠体的层数。
由此，本技术方案的电化学装置，能够抑制上述的层叠体层间的接合性降低、层叠体层间的空隙产生，其结果，能够使装置的耐久性和可靠性提高。另外，本技术方案的电化学装置，由于能够减少上述层叠体的层数，因此能够谋求隔板的低成本化。
本公开的第2技术方案的电化学装置，在第1技术方案的电化学装置的基础上可以设为：金属氢氧化物是通过向包含金属氧化物的层导入质子而生成的。
根据该技术构成，本技术方案的电化学装置，在包含导电性低的金属氧化物的层中，能够适当提高导电性高的金属氢氧化物的含有率。
本公开的第3技术方案的电化学装置，在第1或第2技术方案的电化学装置的基础上可以设为：金属氧化物是氧化铬，金属氢氧化物是氢氧化铬。
本公开的第4技术方案的电化学装置，在第1～第3技术方案中任一方案的电化学装置的基础上可以设为：金属基材片由不锈钢构成。
在不锈钢的表面，通常通过作为不锈钢成分的铬被大气中的氧氧化，形成包含氧化铬的钝态皮膜。由此，本技术方案的电化学装置，通过由不锈钢构成金属基材片，能够在金属基材片的表面容易地形成包含高耐腐蚀性的氧化铬的钝态皮膜。
本公开的第5技术方案的电化学装置，在第4技术方案的电化学装置的基础上可以设为：金属基材片由SUS316或SUS316L构成。
SUS316和SUS316L在各种不锈钢之中，性价比优异，从耐腐蚀性和耐氢脆性等观点来看，特性良好。由此，本技术方案的电化学装置，通过由SUS316或SUS316L构成上述金属基材片，能够在适当维持电化学装置的性能的同时，谋求金属基材片的低成本化。
本公开的第6技术方案的电化学装置，在第4技术方案的电化学装置的基础上可以设为：金属基材片由4401-316-00-I或4436-316-00-I或4404-316-03-I或4432-316-03-I或4436-316-91-I构成。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316，在国际标准(ISO)15510中对应4401-316-00-I或4436-316-00-I。日本工业标准的SUS316L，在ISO15510中对应4404-316-03-I或4432-316-03-I或4436-316-91-I或4401-316-00-I。
本公开的第7技术方案的电化学装置，在第4技术方案的电化学装置的基础上可以设为：金属基材片由1.4401或1.4436或1.4404或1.4432或1.4435构成。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316，在欧州标准(EN)中对应1.4401或1.4436。日本工业标准的SUS316L，在欧州标准中对应1.4404或1.4432或1.4435。
本公开的第8技术方案的电化学装置，在第4技术方案的电化学装置的基础上可以设为：金属基材片由S31600或S31603构成。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316，在美国标准(UNS)中对应S31600。日本工业标准的SUS316L，在美国标准中对应S31603。
本公开的第9技术方案的电化学装置，在第4技术方案的电化学装置的基础上可以设为：金属基材片由S31608或S31603构成。
在此，日本工业标准(JIS)的SUS316，在中国标准(GB)中对应S31608。日本工业标准的SUS316L，在中国标准中对应S31603。
本公开的第10技术方案的电化学装置，在第1～第9技术方案中任一方案的电化学装置的基础上可以设为，导电层的层厚为0.001μm以上且5μm以下。
本公开的第11技术方案的电化学装置，在第1～第10技术方案中任一方案的电化学装置的基础上可以设为：导电层包含氟浓度为0.1原子％以上的氟和锂浓度为0.01原子％以上的锂中的至少一者。
根据该技术构成，导电层的导电性提高，并且导电层的耐腐蚀性提高，难以变质。
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。再者，以下说明的实施方式都只表示上述各技术方案的一例。由此，以下所示的形状、材料、构成要素、以及构成要素的配置位置和连接方式等都只是一例，只要没有记载于权利要求中，就不限定上述各技术方案。另外，关于以下的构成要素之中，未记载于表示上述各技术方案的最上位概念的独立权利要求中的构成要素，作为任意的构成要素进行说明。另外，对于附图中标注相同符号的，有时会省略说明。为了便于理解附图，会示意性地表示各个构成要素，因此关于形状和尺寸比例等，有时并不是准确的表示。
(实施方式)
电化学装置的阳极中的阳极流体和阴极中的阴极流体，设想为各种气体、液体。例如，在电化学装置为电化学式氢泵的情况下，作为阳极流体可举出含氢气体。另外，例如电化学装置为水电解装置的情况下，作为阳极流体可举出水蒸气、液态水等。另外，例如电化学装置为燃料电池的情况下，作为阳极流体和阴极流体，可以分别举出含氢气体和氧化剂气体。
因此，以下的实施方式中，对于在阳极流体为含氢气体的情况下，作为电化学装置的一例的电化学式氢泵的构成和工作进行说明。
[装置构成]
＜电化学式氢泵的整体构成＞
图1是表示实施方式的电化学式氢泵的一例的图。图2A是将图1的电化学式氢泵中的A部分放大的图。
如图1所示，电化学式氢泵100具备氢泵单元100A和氢泵单元100B。再者，氢泵单元100A相对于氢泵单元100A设置在上侧的位置。
在此，示出了两个氢泵单元100A和氢泵单元100B，但氢泵单元的个数不限定于本例。也就是说，氢泵单元的个数例如可以根据在电化学式氢泵100的阴极CA升压的氢气量等运行条件而设定为适当的数量。
氢泵单元100A具备电解质膜11、阳极AN、阴极CA、第1阴极隔板16和中间隔板17。氢泵单元100B具备电解质膜11、阳极AN、阴极CA、中间隔板17和第1阳极隔板18。像这样，中间隔板17作为氢泵单元100A的阳极隔板发挥作用，并且作为氢泵单元100B的阴极隔板发挥作用。也就是说，本实施方式的电化学式氢泵100中，氢泵单元100A的阳极隔板和氢泵单元100B的阴极隔板一体构成，但不限定于此。虽然省略了图示，但这些阳极隔板和阴极隔板也可以分体构成。再者，为了便于说明，将中间隔板17之中作为阳极隔板发挥作用的部分称为第2阳极隔板17A。将中间隔板17之中作为阴极隔板发挥作用的部分称为第2阴极隔板17C。
如图2A所示，阳极AN设置于电解质膜11的一侧的主面。阳极AN是包含阳极催化剂层13和阳极气体扩散层15的电极。
阴极CA设置在电解质膜11的另一侧的主面上。阴极CA是包含阴极催化剂层12和阴极气体扩散层14的电极。
通过以上，在氢泵单元100A和氢泵单元100B中，以阳极催化剂层13和阴极催化剂层12分别与电解质膜11接触的方式，由阳极AN和阴极CA夹持电解质膜11。再者，将包含阴极CA、电解质膜11和阳极AN的单元称为膜电极接合体(以下称为MEA：MembraneElectrodeAssembly)。
在第1阴极隔板16与第2阳极隔板17A之间、以及第2阴极隔板17C与第1阳极隔板18之间设置电解质膜11，并夹入在俯视下以包围MEA的周围的方式设置的环状的密封部件(未图示)。再者，在第1阴极隔板16与第2阳极隔板17A之间、以及第2阴极隔板17C与第1阳极隔板18之间，也可以设置环状且平板状的绝缘体。
通过以上，防止第1阴极隔板16与第2阳极隔板17A之间的短路以及第2阴极隔板17C与第1阳极隔板18之间的短路。
＜MEA的构成＞
电解质膜11具备质子传导性。电解质膜11只要具备质子传导性，则可以是任意结构。例如，作为电解质膜11，可举出氟系高分子电解质膜、烃系高分子电解质膜，但不限定于此。具体而言，例如作为电解质膜11，可以使用Nafion(注册商标，杜邦公司制)、Aciplex(注册商标，旭化成株式会社制)等。
阳极催化剂层13设置在电解质膜11的一侧的主面上。阳极催化剂层13中，作为催化剂金属例如包含铂，但不限定于此。
阴极催化剂层12设置在电解质膜11的另一侧的主面上。阴极催化剂层12中，作为催化剂金属例如包含铂，但不限定于此。
作为阴极催化剂层12和阳极催化剂层13的催化剂载体，例如可举出碳黑、石墨等碳粉体、导电性的氧化物粉体等，但不限定于此。
再者，在阴极催化剂层12和阳极催化剂层13中，催化剂金属的微粒高度分散地担载于催化剂载体。另外，在这些阴极催化剂层12和阳极催化剂层13中，为了增大电极反应场，通常会添加质子传导性的离聚物成分。
阴极气体扩散层14设置在阴极催化剂层12上。另外，阴极气体扩散层14由多孔性材料构成，具备导电性和气体扩散性。另外，阴极气体扩散层14优选具备适当追随在电化学式氢泵100的工作时由于阴极CA与阳极AN之间的压差而产生的构成部件的位移、变形的弹性。再者，本实施方式的电化学式氢泵100中，作为阴极气体扩散层14使用了由碳纤维构成的部件。例如可以是碳纸、碳布、碳毡等多孔性的碳纤维片。再者，作为阴极气体扩散层14的基材，也可以不使用碳纤维片。例如，作为阴极气体扩散层14的基材，也可以使用以钛、钛合金、不锈钢等为材料的金属纤维的烧结体，以这些为材料的金属粉体的烧结体等。
阳极气体扩散层15设置在阳极催化剂层13上。另外，阳极气体扩散层15由多孔性材料构成，具备导电性和气体扩散性。另外，阳极气体扩散层15优选为能够抑制在电化学式氢泵100的工作时由于阴极CA与阳极AN之间的压差而产生的结构部件的位移、变形的高刚性。
再者，本实施方式的电化学式氢泵100中，作为阳极气体扩散层15使用了由钛粉体烧结体的薄板构成的部件，但不限定于此。也就是说，作为阳极气体扩散层15的基材，例如可以使用以钛、钛合金、不锈钢等为材料的金属纤维的烧结体，以这些为材料的金属粉体的烧结体，也可以使用碳多孔体。另外，作为阳极气体扩散层15的基材，例如也可以使用多孔金属、金属丝网、冲孔金属等。
＜阳极隔板的构成＞
第1阳极隔板18是设置在氢泵单元100B的阳极AN上的导电性的部件。具体而言，在第1阳极隔板18的主面的中央部，可以设有用于收纳氢泵单元100B的阳极气体扩散层15的凹部。
第2阳极隔板17A是设置在氢泵单元100A的阳极AN上的导电性的部件。具体而言，在第2阳极隔板17A的主面的中央部，可以设有用于收纳氢泵单元100A的阳极气体扩散层15的凹部。
在此，以上的第1阳极隔板18和第2阳极隔板17A分别具备金属基材片23(参照图2B)和设置在金属基材片23上的包含金属氧化物和金属氢氧化物的导电层CL(参照图2B)。
在此，本实施方式的电化学式氢泵100中，导电层CL是包含氧化铬和氢氧化铬的导电层21A。也就是说，本例中，导电层CL的金属氧化物是氧化铬，导电层CL的金属氢氧化物是氢氧化铬。再者，关于导电层21A的详细构成会在第1实施例中进行说明。
金属基材片23可以由不锈钢构成。在不锈钢的表面，通常作为不锈钢的成分的铬被大气中的氧氧化，从而形成未图示的包含氧化铬的钝态皮膜。由此，本实施方式的电化学式氢泵100，通过由不锈钢构成金属基材片23，能够在金属基材片23的表面容易地形成包含高耐腐蚀性的氧化铬的钝态皮膜。
例如，金属基材片23可以由SUS316、SUS316L等构成。SUS316和SUS316L在各种不锈钢之中，性价比优异，从耐腐蚀性和耐氢脆性等观点来看，特性良好。由此，本实施方式的电化学式氢泵100，通过由SUS316或SUS316L构成金属基材片23，能够在适当维持电化学式氢泵100的性能的同时，谋求金属基材片23的低成本化。
再者，以上的氧化铬和氢氧化铬分别是导电层CL中所含的金属氧化物和金属氢氧化物的各自的一例，不限定于本例。作为这样的金属氧化物和金属氢氧化物的其它例子，例如可举出氧化铁和氢氧化铁等。另外，例如可举出氧化镍和氢氧化镍等。此外，可举出氧化钼和氢氧化钼等。
＜阴极隔板的构成＞
第1阴极隔板16是设置在氢泵单元100A的阴极CA上的导电性的部件。具体而言，在第1阴极隔板16的主面的中央部，设有用于收纳氢泵单元100A的阴极气体扩散层14的凹部。
第2阴极隔板17C是设置在氢泵单元100B的阴极CA上的导电性的部件。具体而言，在第2阴极隔板17C的主面的中央部，设有用于收纳氢泵单元100B的阴极气体扩散层14的凹部。
在此，以上的第1阴极隔板16和第2阴极隔板17C分别具备金属基材片33(参照图2C)和设置于金属基材片33上的包含金属氧化物和金属氢氧化物的导电层CL(参照图2C)。
在此，本实施方式的电化学式氢泵100中，导电层CL是包含氧化铬和氢氧化铬的导电层31A(参照图2C)。也就是说，本例中，导电层CL的金属氧化物是氧化铬，导电层CL的金属氢氧化物是氢氧化铬。再者，关于导电层31A的详细构成会在第2实施例中进行说明。
金属基材片33可以由不锈钢构成。在不锈钢的表面，通常作为不锈钢的成分的铬被大气中的氧氧化，从而形成未图示的包含氧化铬的钝态皮膜。由此，本实施方式的电化学式氢泵100，通过由不锈钢构成金属基材片33，能够在金属基材片33的表面容易地形成包含高耐腐蚀性的氧化铬的钝态皮膜。
例如，金属基材片33可以由SUS316、SUS316L等构成。SUS316和SUS316L在各种不锈钢之中，性价比优异，从耐腐蚀性和耐氢脆性等观点来看，特性良好。由此，本实施方式的电化学式氢泵100，通过由SUS316或SUS316L构成金属基材片33，能够在适当维持电化学式氢泵100的性能的同时，谋求金属基材片33的低成本化。
如以上这样，通过由第1阴极隔板16和第2阳极隔板17A夹持MEA，形成氢泵单元100A。另外，通过由第1阳极隔板18和第2阴极隔板17C夹持MEA，形成氢泵单元100B。
再者，如图1所示，在与阳极气体扩散层15接触的第1阳极隔板18的阳极AN侧的主面设置凹凸20(参照图2)，该凹部构成阳极气体流路槽25。另外，在与阳极气体扩散层15接触的第2阳极隔板17A的阳极AN侧的主面设置凹凸20(参照图2)，该凹部构成阳极气体流路槽25。
阳极气体流路槽25在俯视下例如形成为包含多个U字状的折返部分和多个直线部分的蜿蜒状。但这样的阳极气体流路槽25只是例示，并不限定于本例。例如，阳极气体流路也可以由多个直线状的流路形成。
再者，以上的氧化铬和氢氧化铬分别是导电层CL中所含的金属氧化物和金属氢氧化物的各自的一例，不限定于本例。作为这样的金属氧化物和金属氢氧化物的其它例子，例如可举出氧化铁和氢氧化铁等。另外，例如可举出氧化镍和氢氧化镍等。此外，可举出氧化钼和氢氧化钼等。
＜电压施加器的构成＞
如图1所示，电化学式氢泵100具备电压施加器102。
电压施加器102是对阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压的装置。具体而言，电压施加器102的高电位对阳极催化剂层13施加，电压施加器102的低电位对阴极催化剂层12施加。电压施加器102只要能够对阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压则可以是任意结构。例如，电压施加器102可以是调整对阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加的电压的装置。具体而言，电压施加器102在与蓄电池、太阳能电池、燃料电池等直流电源连接时具备DC/DC转换器，在与商用电源等交流电源连接时具备AC/DC转换器。
另外，电压施加器102例如可以是以使向电化学式氢泵100供给的电力成为预定的设定值的方式，调整向阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加的电压、在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间流动的电流的电力型电源。
再者，省略了图示，电压施加器102的低电位侧的端子与阴极供电板连接，电压施加器102的高电位侧的端子与阳极供电板连接。阴极供电板例如设置于氢泵单元100A的第1阴极隔板16。阳极供电板例如设置于氢泵单元100B的第1阳极隔板18。并且，阴极供电板和阳极供电板分别与第1阴极隔板16和第1阳极隔板18电连接。
像这样，电化学式氢泵100是通过电压施加器102施加上述电压，使供给到阳极催化剂层13上的含氢气体中的氢向阴极催化剂层12上移动并且进行升压的装置。也就是说，在电化学式氢泵100中，在阳极AN从含氢气体取出的质子(H+)，经由电解质膜11向阴极CA移动，由此在阴极CA生成含氢气体。再者，含氢气体例如是从阴极CA排出的包含水蒸气的高压的氢气。
再者，在电化学式氢泵100设有用于从外部向阳极AN供给含氢气体的阳极气体供给路径40、和用于从阴极CA向外部排出含氢气体的阴极气体排出路径50，这些路径的详细构成会在后面进行说明。
＜电化学式氢泵的紧固结构＞
如图1和图2A所示，第1阴极隔板16、中间隔板17和第1阳极隔板18以该顺序，在与电化学式氢泵100内的阳极气体扩散层15、阳极催化剂层13、电解质膜11、阴极催化剂层12和阴极气体扩散层14的层叠方向相同的方向上层叠。
在此，省略了图示，在电化学式氢泵100的第1阴极隔板16的外表面例如隔着第1绝缘板设有高刚性的第1端板。另外，在电化学式氢泵100的第1阳极隔板18的外表面例如隔着第2绝缘板设有高刚性的第2端板。
并且，未图示的紧固器将电化学式氢泵100的各部件、第1绝缘板、第1端板、第2绝缘板和第2端板在上述层叠方向上紧固。
紧固器只要能够将这样的各部件在上述层叠方向上紧固，则可以是任意结构。
例如，作为紧固器可举出螺栓和附带碟形弹簧的螺母等。
此时，紧固器的螺栓可以仅贯穿第1端板和第2端板，螺栓也可以贯穿电化学式氢泵100的各部件、第1绝缘板、第1端板、第2绝缘板和第2端板。并且，以分别利用第1端板和第2端板分别隔着第1绝缘板和第2绝缘板分别夹持第1阴极隔板16的端面和第1阳极隔板18的端面的方式，通过紧固器对电化学式氢泵100赋予期望的紧固压力。
再者，紧固器的螺栓采用贯穿电化学式氢泵100的各部件、第1绝缘板、第1端板、第2绝缘板和第2端板的结构时，电化学式氢泵100的各部件在上述层叠方向上，通过紧固器的紧固压力以层叠状态适当保持，并且紧固器的螺栓贯穿电化学式氢泵100的各部件，因此能够适当抑制这些各部件的面内方向的移动。
像这样，本实施方式的电化学式氢泵100中，以上部件通过紧固器在层叠方向上层叠并一体化。
＜含氢气体的流路结构＞
以下，参照图1对用于向电化学式氢泵100的阳极AN供给含氢气体的流路结构的一例进行说明。再者，图1中，含氢气体的流动的示意图用一点划线的箭头表示。
如图1所示，电化学式氢泵100具备阳极气体供给路径40。
阳极气体供给路径40例如由设置于电化学式氢泵100的各部件的适当位置并沿铅垂方向延伸的纵流路40H、与设置于第2阳极隔板17A和第1阳极隔板18的各自的适当位置并沿水平方向延伸的第1横流路40A和第2横流路40B的连接而构成。具体而言，纵流路40H经由设置于第2阳极隔板17A的第1横流路40A而与氢泵单元100A的阳极AN连通。例如，该第1横流路40A与设置于第2阳极隔板17A的蜿蜒状的阳极气体流路槽25的端部可以连接。另外，纵流路40H经由设置于第1阳极隔板18的第2横流路40B而与氢泵单元100B的阳极AN连通。例如，该第2横流路40B与设置于第1阳极隔板18的蜿蜒状的阳极气体流路槽25的端部可以连接。
通过以上的结构，来自于外部的含氢气体如图1的一点划线的箭头所示，在纵流路40H、第1横流路40A和氢泵单元100A的阳极AN中依次流通，并且在纵流路40H、第2横流路40B和氢泵单元100B的阳极AN中依次流通。也就是说，纵流路40H的含氢气体分流成为在第1横流路40A和第2横流路40B这两者中流动。于是，含氢气体经由阳极气体扩散层15向电解质膜11供给。
接着，参照图1对用于从电化学式氢泵100的阴极CA向外部排出含氢气体的流路结构的一例进行说明。再者，图1中，含氢气体的流动的示意图用细的一点划线的箭头表示。
如图1所示，电化学式氢泵100具备阴极气体排出路径50。
阴极气体排出路径50例如由设置于电化学式氢泵100的各部件的适当位置并沿铅垂方向延伸的纵流路50H、与设置于第1阴极隔板16和第2阴极隔板17C的各自的适当位置并沿水平方向延伸的第1横流路50A和第2横流路50B的连接而构成。具体而言，纵流路50H经由设置于第1阴极隔板16的第1横流路50A而与氢泵单元100A的阴极CA连通。另外，纵流路50H经由设置于第2阴极隔板17C的第2横流路50B而与氢泵单元100B的阴极CA连通。
通过以上结构，在氢泵单元100A的阴极CA被升压了的高压的含氢气体，如图1的一点划线的箭头所示，在第1横流路50A和纵流路50H中依次流通。然后，含氢气体向电化学式氢泵100外排出。另外，在氢泵单元100B的阴极CA被升压了的高压的含氢气体，如图1的一点划线的箭头所示，在第2横流路50B和纵流路50H中依次流通。然后，含氢气体向电化学式氢泵100外排出。也就是说，第1横流路50A和第2横流路50B这两者的含氢气体，在纵流路50H汇流。
再者，以上的电化学式氢泵100的结构只是例示，不限定于本例。例如，可以不是将供给到氢泵单元100A和氢泵单元100B的阳极气体流路槽25的含氢气体中的全部氢进行升压的死端结构，而是在电化学式氢泵100的适当位置设置用于从阳极气体流路槽25排出含氢气体的一部分的阳极气体排出路径(未图示)。此时，从阳极气体流路槽25供给的含氢气体中的氢，在正常运行中消耗8成左右，或者在多的情况下消耗9成左右，未消耗的含氢气体通过未图示的阳极气体排出路径向氢泵单元100A外排出。该未消耗的含氢气体被再循环，与新供给的含氢气体一起混合后，向100A的阳极气体供给路径40再次供给。
[工作]
以下，参照附图对实施方式的电化学式氢泵100的工作的一例进行说明。
再者，以下的工作例如可以通过未图示的控制器的运算电路从控制器的存储电路中读取控制程序来进行。但并不是必须利用控制器来进行以下的工作。也可以由操作者进行其中一部分工作。
首先，向电化学式氢泵100的阳极AN供给低压的含氢气体，并且使电压施加器102的电压施加于电化学式氢泵100。于是，在电化学式氢泵100中，进行从供给到阳极AN的含氢气体中取出的质子经由电解质膜11向阴极CA移动从而生成被升压了的氢气的氢气升压工作。具体而言，在阳极AN的阳极催化剂层13中，氢分子分离成为质子和电子(式(1))。质子在电解质膜11内传导并向阴极催化剂层12移动。电子通过电压施加器102向阴极催化剂层12移动。并且，在阴极催化剂层12中，再次生成氢分子(式(2))。再者，已知质子在电解质膜11中传导时，预定量的水会作为电渗透水伴随质子一起从阳极AN向阴极CA移动。
阳极：H2(低压)→2H++2e-···(1)
阴极：2H++2e-→H2(高压)···(2)
在电化学式氢泵100的阴极CA生成的含氢气体，在阴极CA被升压。例如，通过使用未图示的流量调整器，使阴极气体导出路径的压力损失增加，能够在阴极CA使含氢气体升压。再者，作为流量调整器，例如可举出设置于阴极气体导出路径的背压阀、调整阀等。
在此，如果适时地使用流量调整器使阴极气体导出路径的压力损失降低，则含氢气体从电化学式氢泵100的阴极CA通过阴极气体排出路径50向外部排出。使用流量调整器使阴极气体导出路径的压力损失降低是指加大背压阀、调整阀等的阀的开度。
再者，通过阴极气体导出路径供给的氢，例如暂时储存于未图示的氢储存器中。另外，氢储存器中储存的氢适时地向氢需求体供给。再者，作为氢需求体，例如可举出利用氢进行发电的燃料电池等。
如上所述，本实施方式的电化学式氢泵100，与以往相比能够提高装置的耐久性和可靠性。
具体而言，本实施方式的电化学式氢泵100，使用了将存在于金属表面的钝态皮膜改性而得到的包含金属氧化物和金属氢氧化物的导电层CL。例如，本实施方式的电化学式氢泵100，使用了将存在于不锈钢表面的钝态皮膜改性而得到的包含氧化铬和氢氧化铬的导电层。由此，本实施方式的电化学式氢泵100，与专利文献1所公开的隔板相比，能够减少构成第1阳极隔板18和第2阳极隔板17A(以下称为阳极隔板)的层叠体的层数。另外，本实施方式的电化学式氢泵100，与专利文献1所公开的隔板相比，能够减少构成第1阴极隔板16和第2阴极隔板17C(以下称为阴极隔板)的层叠体的层数。
由此，本实施方式的电化学式氢泵100能够抑制上述层叠体层间的接合性降低、层叠体层间的空隙产生，其结果，能够使装置的耐久性和可靠性提高。另外，本实施方式的电化学式氢泵100，由于能够减少上述层叠体的层数，因此能够谋求阳极隔板和阴极隔板的低成本化。
(第1实施例)
本实施例的电化学式氢泵100，除了以下说明的阳极隔板的结构以外，与实施方式的电化学式氢泵100相同。
图2B是表示实施方式的第1实施例的电化学式氢泵中的阳极隔板的一例的图，是将图1的B部分放大的图。再者，图2B中图示了氢泵单元100B的第1阳极隔板18的B部分。氢泵单元100A的第2阳极隔板17A与氢泵单元100B的第1阳极隔板18同样地构成，因此省略图示和说明。
以下，参照附图对阳极隔板的具体例进行详细说明。
本实施例的电化学式氢泵100中，例如厚度为1.5mm～2mm以上的不锈钢制(例如SUS316、SUS316L等)的金属基材片23和厚度为0.1～0.5mm左右的不锈钢制的片材21通过扩散接合而一体化。扩散接合时，存在于金属基材片23表层的氧化被膜预先通过蚀刻等被除去后，再进行扩散接合。由此，彼此的接合部的空隙消失，因此能够降低电化学式氢泵100的接触电阻。另外，在电化学式氢泵100的工作时，例如向阴极CA与阳极AN之间施加1MPa～82MPa左右的高压。因此，在本实施例中，通过由厚度为1.5mm～2mm以上的不锈钢板构成阳极隔板的金属基材片23，适当确保阳极隔板的刚性。
在此，阳极隔板的金属基材片23，例如通过对主面进行蚀刻或切削加工，在俯视下设置凹凸20，由此在俯视下形成蜿蜒状的阳极气体流路槽25。然后，仅金属基材片23的凸部22的与阳极AN相对的部分与片材21的一侧的主面通过扩散接合而一体化。
也就是说，电化学式氢泵100中，在阳极隔板的主面设有用于将进行电化学反应的含氢气体向阳极气体扩散层15均匀供给的在俯视下为凹凸状的阳极气体流路槽25。该情况下，阳极气体扩散层15的主面不与阳极气体流路槽25的内表面接触，隔着包含氧化铬和氢氧化铬的导电层21A以及片材21而仅与凸部22接触。
在片材21的另一侧的主面，形成有层厚为0.001μm以上且5μm以下(例如0.01μm左右)的导电层21A。导电层21A的导电性和耐腐蚀性优异，在该导电层21A上设有阳极气体扩散层15。也就是说，期望仅在与阳极气体扩散层15接触的阳极隔板的部分，设置导电性和耐腐蚀性高的导电层21A和片材21。
在此，如图3所示，导电层21A作为一例是通过对存在于片材21表面的包含氧化铬的钝态皮膜电化学地注入质子(H+)而改性了的包含氢氧化铬和氧化铬的层。也就是说，导电层21A中的氢氧化铬是通过向包含氧化铬的钝态皮膜导入质子而生成的。
另外，此时，导电层21A可以包含氟浓度为0.1原子％以上的氟和锂浓度为0.01原子％以上的锂中的至少一者。于是，导电层21A的导电性提高，并且导电层21A的耐腐蚀性提高，难以变质。
通过以上，本实施例的电化学式氢泵100，能够在包含导电性低的氧化铬的钝态皮膜中，适当提高导电性高的氢氧化铬的含有率。
再者，由于向包含氧化铬的钝态皮膜电化学地注入质子(H+)的方法以及向钝态皮膜中注入氟和锂的方法是公知(国际公开第2008/136306号)的，因此省略详细说明。
具备以上的导电层21A的片材21，作为一例，可以容易地通过利用适当的压制模具对由压延辊制造出的市售的涂层材料进行冲压加工而得到。例如，可以通过压制成型切取直径为80mm～130mm左右的圆形的市售的涂层材料，并使与在俯视下为蜿蜒状的阳极气体流路槽25相对应的部分开口，然后使该圆形的涂层材料与金属基材片23扩散接合。
另外，省略了图示，在没有设置导电层21A和片材21的阳极隔板的部分，形成有包含高耐腐蚀性的氧化铬的钝态皮膜。
上述阳极隔板的构成和制法只是例示，不限定于本例。
本实施例的电化学式氢泵100，除了上述特征以外，可以与实施方式的电化学式氢泵100相同。
(第2实施例)
本实施例的电化学式氢泵100，除了以下说明的阴极隔板的结构以外，与实施方式的电化学式氢泵100相同。
图2C是表示实施方式的第2实施例的电化学式氢泵中的阴极隔板的一例的图，是将图1的C部分放大的图。再者，图2C中图示了氢泵单元100A的第1阴极隔板16的C部分。氢泵单元100B的第2阴极隔板17C与氢泵单元100A的第1阴极隔板16同样地构成，因此省略图示和说明。
以下，参照附图对阴极隔板的具体例进行详细说明。
本实施例的电化学式氢泵100中，例如厚度为1.5mm～2mm以上的不锈钢制(例如SUS316、SUS316L等)的金属基材片33与厚度为0.1～0.5mm左右的不锈钢制的片材31通过扩散接合而一体化。由此，彼此的接合部的空隙消失，因此能够降低电化学式氢泵100的接触电阻。扩散接合时，存在于金属基材片33表层的氧化被膜，预先通过蚀刻等被除去后，再进行扩散接合。
在此，阴极隔板的金属基材片33，例如通过对主面进行蚀刻或切削加工，形成用于收纳阴极气体扩散层14的凹部。然后，仅金属基材片33的凹部的底面与片材31的一侧的主面通过扩散结合而一体化。
也就是说，在电化学式氢泵100的工作时，阴极气体扩散层14内的气压为高压。由此，并不是必须要在阴极隔板的金属基材片33的凹部的底面设置流路槽，通过在金属基材片33的适当部位设置使凹部的内外连通的连通孔，能够向电化学式氢泵100的外部放出含氢气体。此时，阴极气体扩散层14的主面，例如可以与阴极隔板的金属基材片33的凹部的整个底面进行面接触。
在片材31的另一侧的主面形成有层厚为0.001μm以上且5μm以下(例如0.01μm左右)的导电层31A。并且，导电层31A的导电性和耐腐蚀性优异，在该导电层31A上设有阴极气体扩散层14。也就是说，期望仅在与阴极气体扩散层14接触的阴极隔板的部分设置导电性和耐腐蚀性高的导电层31A和片材31。
在此，省略了图示，导电层31A作为一例，是通过对存在于片材31表面的包含氧化铬的钝态皮膜电化学地注入质子(H+)而改性了的包含氢氧化铬和氧化铬的层。也就是说，导电层31A中的氢氧化铬是通过向包含氧化铬的钝态皮膜导入质子而生成的。
另外，此时，导电层31A可以包含氟浓度为0.1原子％以上的氟和锂浓度为0.01原子％以上的锂中的至少一者。于是，导电层21A的导电性提高，并且导电层21A的耐腐蚀性提高，难以变质。
通过以上，本实施例的电化学式氢泵100，能够在包含导电性低的氧化铬的钝态皮膜中，适当提高导电性高的氢氧化铬的含有率。
再者，向包含氧化铬的钝态皮膜电化学地注入质子(H+)的方法和向钝态皮膜中注入氟和锂的方法是公知(国际公开第2008/136306号)的，因此省略详细的说明。
具备以上的导电层31A的片材31，作为一例，可以容易地通过利用适当的压制模具对由压延辊制造出的市售的涂层材料进行冲压加工而得到。例如，可以通过压制成型将市售的涂层材料切取成直径为80mm～130mm左右的圆形，然后使该圆形的涂层材料与金属基材片33扩散接合。
另外，省略了图示，在没有设置导电层31A和片材31的阴极隔板的部分，可以形成有包含高耐腐蚀性的氧化铬的钝态皮膜。
上述阴极隔板的构成和制法只是例示，不限定于本例。
本实施例的电化学式氢泵100，除了上述特征以外，可以与实施方式的电化学式氢泵100相同。
＜阴极隔板的评价＞
(A)耐腐蚀性的评价
·试片
本评价中使用以下试片。
实施例的试片：具备导电层31A的片材31与金属基材片33扩散接合而成的部件
比较例1的试片：除了使用蒸镀有石墨的片材以外，与实施例的试片相同的部件
比较例2的试片：除了使用蒸镀有石墨烯的片材以外，与实施例的试片相同的部件
·评价方法
本评价中，对于试片，通过将由工作电极、对电极(铂)和参照电极(汞-硫酸汞-硫酸溶液)构成的三电极浸渍于适当的pH为3的硫酸水溶液中，进行了电化学测定。
再者，本电化学测定中，在对工作电极与参照电极之间施加了与电化学式氢泵100的工作电压相当的预定电压约100小时后，测定了在试片和对电极流动的电流。
·评价结果
实施例的试片、比较例1的试片和比较例2的试片，腐蚀电流密度都为0.1μA/cm2以下。由此验证了实施例的试片与碳系的比较例1的试片和比较例2的试片同样地，在耐腐蚀性方面具有足够的性能。
(B)导电性的评价
(B-1)片材单体的评价
·试片
本评价中，使用了以下的试片。
实施例的试片：具备导电层31A的片材31的部件
比较例1的试片：除了蒸镀有石墨以外，与实施例的试片相同的片部件
比较例2的试片：除了蒸镀有石墨烯以外，与实施例的试片相同的片部件
·评价结果
实施例的试片、比较例1的试片和比较例2的试片，在1MPa以上的加压下，包含接触电阻在内的面积电阻都为3mΩcm2以下。由此验证了实施例的试片与碳系的比较例1的试片和比较例2的试片同样地，在导电性方面具有足够的性能。
(B-2)隔板的评价
·试片
本评价中，使用了以下的试片。
实施例的试片：具备导电层31A的片材31与金属基材片33扩散接合而成的部件
比较例1的试片：除了使用蒸镀有石墨的片材以外，与实施例的试片相同的部件
比较例2的试片：除了使用蒸镀有石墨烯的片材以外，与实施例的试片相同的部件
·评价结果
实施例的试片、比较例1的试片和比较例2的试片，包含接触电阻在内的面积电阻都大于上述片材单体的情况下的面积电阻，但在1MPa以上的加压下都为3mΩcm2以下。由此验证了实施例的试片与碳系的比较例1的试片和比较例2的试片同样地，在导电性方面具有足够的性能。
再者，实施方式、实施方式的第1实施例和实施方式的第2实施例，只要彼此不排斥，则可以相互组合。
另外，根据上述说明，本领域技术人员能够明确本公开的多种改良和其它实施方式。因此，上述说明应该仅作为例示解释，是为了将执行本公开的最佳方案教导给本领域技术人员而提供的。可以不脱离本公开的主旨，对其结构和/或功能的详细内容进行实质变更。
例如，实施方式的电化学式氢泵100的MEA、阳极隔板和阴极隔板分别能够应用于水电解装置和燃料电池等其他电化学装置的MEA、阳极隔板和阴极隔板。
产业可利用性
本公开的一技术方案，可利用于与以往相比能够提高装置的耐久性和可靠性的电化学装置。
附图标记说明
11：电解质膜
12：阴极催化剂层
13：阳极催化剂层
14：阴极气体扩散层
15：阳极气体扩散层
16：第1阴极隔板
17：中间隔板
17A：第2阳极隔板
17C：第2阴极隔板
18：第1阳极隔板
20：凹凸
21：片材
21A：导电层
22：凸部
23：金属基材片
25：阳极气体流路槽
31：片材
31A：导电层
33：金属基材片
40：阳极气体供给路径
40A：第1横流路
40B：第2横流路
40H：纵流路
50：阴极气体排出路径
50A：第1横流路
50B：第2横流路
50H：纵流路
100：电化学式氢泵
100A：氢泵单元
100B：氢泵单元
102：电压施加器
AN：阳极
CA：阴极
CL：导电层

Claims (11)

1.一种电化学装置，具备电解质膜、阳极、阴极、阳极隔板和阴极隔板，
所述阳极设置于所述电解质膜的一侧的主面，
所述阴极设置于所述电解质膜的另一侧的主面，
所述阳极隔板设置在所述阳极上，
所述阴极隔板设置在所述阴极上，
所述阳极隔板和所述阴极隔板中的至少一者，具备金属基材片和设置在所述金属基材片上的导电层，所述导电层包含金属氧化物和金属氢氧化物。
2.根据权利要求1所述的电化学装置，
所述金属氢氧化物是通过向包含金属氧化物的层导入质子而生成的。
3.根据权利要求1或2所述的电化学装置，
所述金属氧化物是氧化铬，
所述金属氢氧化物是氢氧化铬。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电化学装置，
所述金属基材片由不锈钢构成。
5.根据权利要求4所述的电化学装置，
所述金属基材片由SUS316或SUS316L构成。
6.根据权利要求4所述的电化学装置，
所述金属基材片由4401-316-00-I或4436-316-00-I或4404-316-03-I或4432-316-03-I或4436-316-91-I构成。
7.根据权利要求4所述的电化学装置，
所述金属基材片由1.4401或1.4436或1.4404或1.4432或1.4435构成。
8.根据权利要求4所述的电化学装置，
所述金属基材片由S31600或S31603构成。
9.根据权利要求4所述的电化学装置，
所述金属基材片由S31608或S31603构成。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的电化学装置，
所述导电层的层厚为0.001μm以上且5μm以下。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的电化学装置，
所述导电层包含氟浓度为0.1原子％以上的氟和锂浓度为0.01原子％以上的锂中的至少一者。
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