CN113227459A - 压缩装置 - Google Patents

压缩装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113227459A
CN113227459A CN202080006813.5A CN202080006813A CN113227459A CN 113227459 A CN113227459 A CN 113227459A CN 202080006813 A CN202080006813 A CN 202080006813A CN 113227459 A CN113227459 A CN 113227459A
Authority
CN
China
Prior art keywords
anode
catalyst layer
cathode
diffusion layer
compression device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202080006813.5A
Other languages
English (en)
Inventor
中植贵之
嘉久和孝
喜多洋三
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Publication of CN113227459A publication Critical patent/CN113227459A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/008—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by the actuating element
    • F03G7/012—Electro-chemical actuators
    • F03G7/0121—Electroactive polymers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/025—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by its use
    • F03G7/0254—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for characterised by its use pumping or compressing fluids, e.g. microfluidic devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0656—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants by electrochemical means
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

压缩装置具备：电解质膜；阳极催化剂层，与电解质膜的一方的主面相接；阴极催化剂层，与电解质膜的另一方的主面相接；阳极扩散层，设置在阳极催化剂层上，包括碳多孔体片；阴极气体扩散层，设置在阴极催化剂层上；阳极支承体，设置在阳极气体扩散层上，包括具有多个通气孔的金属片；阳极分隔件，设置在阳极支承体上，在该阳极支承体侧的主面具备供阳极流体流动的流体流路；及电压施加器，向阳极催化剂层与阴极催化剂层之间施加电压。压缩装置通过电压施加器施加上述电压，使从供给到阳极催化剂层的阳极流体取出的质子经由电解质膜而向阴极催化剂层移动，生成被压缩了的氢。金属片的弯曲强度比碳多孔体片的弯曲强度高。

Description

压缩装置
技术领域
本公开涉及压缩装置。
背景技术
近年来，由于地球温暖化等环境问题、石油资源枯竭等能源问题，氢作为代替化石燃料的清洁替代能源而备受关注。氢即使燃烧也基本上仅释放出水，而不排放成为地球温暖化的原因的二氧化碳，并且也几乎不排放氮氧化物等，所以期待将其作为清洁能源。另外，作为将氢作为燃料高效率地加以利用的装置，例如有燃料电池，其面向汽车用电源、面向家庭用自家发电的开发及普及正在推进。
在即将到来的氢社会中，除了制造氢以外，还要求开发能够以高密度存储氢且以小容量和低成本运输或利用氢的技术。尤其是，为了促进成为分散型能源的燃料电池的普及，需要配备供氢基础设施。另外，为了稳定地供给氢，进行了制造、提纯、高密度地存储高纯度氢的各种研究。
例如，在专利文献1中公开了：在进行氢升压的电化学式氢泵中，阳极气体扩散层由碳纤维这一具有弹性及导电性的材料形成。
另外，在专利文献2中公开了：在进行氢升压的电化学式氢泵中，阳极气体扩散层由金属多孔体构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2008-518387号公报
专利文献2：日本特开2019-157190号公报
发明内容
发明所要解决的课题
本公开的课题在于，作为一例，提供一种与以往相比能够减轻阳极扩散层的碳多孔体片的损伤的压缩装置。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本公开的一方案(aspect)的压缩装置具备：电解质膜；阳极催化剂层，其与电解质膜的一方的主面相接；阴极催化剂层，其与电解质膜的另一方的主面相接；阳极扩散层，其设置在阳极催化剂层上，包括碳多孔体片；阴极气体扩散层，其设置在阴极催化剂层上；阳极支承体，其设置在阳极扩散层上，包括具有多个通气孔的金属片；阳极分隔件，其设置在阳极支承体上，在阳极支承体侧的主面具备供阳极流体流动的流体流路；以及电压施加器，其向所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间施加电压，通过所述电压施加器施加所述电压，使从供给到所述阳极催化剂层的阳极流体取出的质子经由所述电解质膜而向所述阴极催化剂层移动，生成被压缩的氢，金属片的弯曲强度比碳多孔体片的弯曲强度高。
发明效果
本公开的一方案的压缩装置具有与以往相比能够减轻阳极扩散层的碳多孔体片的损伤的效果。
附图说明
图1A是示出第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
图1B是图1A的电化学式氢泵的B部的放大图。
图2A是示出第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。
图2B是图2A的电化学式氢泵的B部的放大图。
图3是示出第1实施方式的第2实施例的电化学式氢泵中的阳极支承体及阳极分隔件的一例的图。
图4是示出构造解析模拟的解析模型的一例的图。
图5A是用于说明关于实施例的解析模型向阳极气体扩散层施加外力(压缩力)时的作用于通气孔处的阳极气体扩散层的最大拉伸应力的图。
图5B是用于说明关于比较例的解析模型向阳极气体扩散层施加外力(压缩力)时的作用于阳极气体流路处的阳极气体扩散层的最大拉伸应力的图。
图6是示出第1实施方式的第4实施例的电化学式氢泵的一例的图。
图7是示出第3实施方式的电化学式氢泵中的阳极支承体及阳极分隔件的一例的图。
具体实施方式
在专利文献2所公开的电化学式氢泵中，对阳极气体扩散层使用了金属多孔体，但为了在高的酸性环境下确保耐蚀性，阳极气体扩散层容易成为高成本。
在专利文献1所公开的电化学式氢泵中，由于阳极扩散层是由碳纤维形成的碳多孔体，所以阳极扩散层与使用金属多孔体的情况相比，能够以低成本确保耐蚀性。然而，本发明人进行了研究，结果发现了：在专利文献1所公开的电化学式氢泵中存在以下的问题。
具体而言，发现了：包括碳多孔体的阳极扩散层有可能因在电化学式氢泵的氢升压运转时产生的阴极电极与阳极电极之间的差压(高压)而损伤。例如，阳极扩散层有可能因上述的差压而在设置于阳极分隔件的气体流路处断裂。
因此，本发明人想到了以下的本公开的一方案。
即，本公开的第1方案的压缩装置具备：电解质膜；阳极催化剂层，其与电解质膜的一方的主面相接；阴极催化剂层，其与电解质膜的另一方的主面相接；阳极扩散层，其设置在阳极催化剂层上，包括碳多孔体片；阴极气体扩散层，其设置在阴极催化剂层上；阳极支承体，其设置在阳极扩散层上，包括具有多个通气孔的金属片；阳极分隔件，其设置在阳极支承体上，在阳极支承体侧的主面具备供阳极流体流动的流体流路；以及电压施加器，其向阳极催化剂层与阴极催化剂层之间施加电压，通过电压施加器施加上述的电压，使从供给到阳极催化剂层的阳极流体取出的质子经由电解质膜而向阴极催化剂层移动，生成被压缩的氢，金属片的弯曲强度比碳多孔体片的弯曲强度高。
根据上述结构，本方案的压缩装置与以往相比能够减轻阳极扩散层的碳多孔体片的损伤。
例如，在假设在阳极扩散层与阳极分隔件之间不设置阳极支承体的情况下，阳极扩散层有可能因在压缩装置的氢升压运转时产生的阴极电极与阳极电极之间的差压而在设置于阳极分隔件的流体流路处断裂。
相对于此，本方案的压缩装置，在阳极扩散层与阳极分隔件之间设置阳极支承体的情况下，通过使阳极支承体的金属片的弯曲强度比碳多孔体片的弯曲强度高，能够降低阳极扩散层的碳多孔体片因上述的差压而损伤的可能性。
另外，在碳多孔体片中，在以往的金属多孔体中确认到的锐利的部分比较少。由此，本方案的压缩装置，即使这样的碳多孔体片被电解质膜按压，也能够与以往的金属多孔体相比降低对电解质膜造成损伤的可能性。
而且，包括金属片的阳极支承体设置在阳极扩散层的一对主面中的与阳极催化剂层侧的主面相反一侧的主面上。阳极催化剂层侧的主面是与阳极催化剂层的界面，因此处于高的酸性环境下，但相反侧的主面从阳极催化剂层离开，因此不处于高的酸性环境下。因此，包括金属片的阳极支承体不被要求高的耐蚀性，因此能够设为低成本。
本公开的第2方案的压缩装置，根据第1方案的压缩装置，可以是，阳极支承体的厚度方向的透气度比碳多孔体片的厚度方向的透气度大。
阳极支承体的厚度方向的透气度越大，则越容易确保从阳极扩散层向阳极催化剂层的阳极流体的扩散性。也就是说，本方案的压缩装置在阳极扩散层与阳极分隔件之间设置了阳极支承体的情况下，与阳极支承体的厚度方向的透气度为碳多孔体片的厚度方向的透气度以下的情况相比，能够恰当地抑制压缩装置的效率降低。
本公开的第3方案的压缩装置，根据第1方案或第2方案的压缩装置，可以是，多个通气孔的一部分从流体流路的边缘上跨越。
在假设阳极支承体的金属片的通气孔不从设置于阳极分隔件的流体流路的边缘上跨越而存在于构成流体流路的肋部上的情况下，不从该通气孔向阳极扩散层供给阳极流体。相反地，在金属片的通气孔从上述的流体流路的边缘上跨越时，从该通气孔向阳极扩散层供给阳极流体。
由此，本方案的压缩装置，通过多个通气孔的一部分从流体流路的边缘上跨越，与该通气孔的一部分不从流体流路的边缘上跨越而存在于构成流体流路的肋部上的情况相比，能够使从阳极扩散层向阳极催化剂层的阳极流体的扩散性提高。
本公开的第4方案的压缩装置，根据第1方案～第3方案中的任一方案的压缩装置，可以是，多个通气孔的至少一部分的、横穿流体流路的方向的直径比流体流路的宽度小。
在支承阳极扩散层的构件中存在孔或构成流体流路的槽部(凹部)等的形状变化的开口部的情况下，若向阳极扩散层施加外力(压缩力)，则在开口部处的阳极扩散层产生比其它部分高的应力(应力集中)。并且，一般来说，在孔的中心附近，作用于阳极扩散层的拉伸应力成为最大，并且，孔的直径越大则该最大拉伸应力越大。另外，在流体流路的宽度的中心附近，作用于阳极扩散层的拉伸应力成为最大，并且，流体流路的宽度越大则该最大拉伸应力越大。
因此，本方案的压缩装置，在阳极扩散层与阳极分隔件之间设置了阳极支承体的情况下，将通气孔的直径与流体流路的宽度的大小关系如以上这样设定。由此，本方案的压缩装置与通气孔的直径为流体流路的宽度以上的情况相比，能够抑制阳极扩散层的碳多孔体片因在压缩装置的氢升压运转时产生的阴极电极与阳极电极之间的差压而损伤。
本公开的第5方案的压缩装置，根据第1方案～第4方案中的任一方案的压缩装置，可以是，碳多孔体片是碳烧结体的片。
一般来说，碳烧结体与将碳粉末与树脂等混合并使其干燥固化或干燥硬化而得到的成形体相比刚性高。尤其是，塑性成型碳(plastic formed carbon)的弯曲强度高。由此，在本方案的压缩装置中，若碳多孔体片是碳烧结体的片，则阳极扩散层的弯曲强度被恰当地确保。
本公开的第6方案的压缩装置，根据第1方案～第5方案中的任一方案的压缩装置，可以是，在阳极支承体的表面设置有导电层。
在阳极支承体的金属片的表面，有时因金属片的成分例如被大气中的氧氧化而形成非导电性的氧化皮膜(钝化皮膜)。于是，例如，由于阳极支承体与阳极分隔件之间的接触电阻增加而会难以得到两者间的导通。另外，例如，由于阳极支承体与阳极扩散层之间的接触电阻增加而会难以得到两者间的导通。
因此，本方案的压缩装置通过在阳极支承体的表面设置导电层，能够恰当地抑制以上的问题。
本公开的第7方案的压缩装置，根据第1方案～第6方案中的任一方案的压缩装置，可以是，阳极扩散层的厚度比阳极支承体的厚度大。
根据上述结构，本方案的压缩装置与阳极扩散层的厚度比阳极支承体的厚度小的情况相比，能够充分地确保金属片与成为高酸性氛围的阳极催化剂层的距离。由此，金属片能够活用耐蚀性低的便宜的材料。
本公开的第8方案的压缩装置，根据第1方案～第7方案中的任一方案的压缩装置，可以是，金属片由1张金属钢板构成。
根据上述结构，本方案的压缩装置与用多张金属钢板构成金属片的情况相比，通过削减部件件数，能够实现组装作业的效率化。
本公开的第9方案的压缩装置，根据第1方案～第8方案中的任一方案的压缩装置，可以是，阳极支承体与阳极分隔件一体化。
根据上述结构，本方案的压缩装置例如阳极支承体的金属片和阳极分隔件通过扩散接合而一体化，由此，彼此的接合部的空隙消失，因此能够降低两者间的接触电阻。另外，本方案的压缩装置通过削减部件件数，能够实现组装作业的效率化。
本公开的第10方案的压缩装置，根据第1方案～第8方案中的任一方案的压缩装置，可以是，阳极支承体与阳极扩散层一体化。
通过在阳极支承体与阳极扩散层之间设置适当的树脂等(例如，离聚物(ionomer))，能够将两者一体化。于是，本方案的压缩装置通过削减部件件数，能够实现组装作业的效率化。
以下，参照附图，对本公开的实施方式进行说明。此外，以下说明的实施方式均示出上述的各方案的一例。由此，以下所示的形状、材料、构成要素及构成要素的配置位置及连接方式等只不过是一例，只要未记载于权利要求，就不用于限定上述的各方案。另外，关于以下的构成要素中的未记载于表示上述的各方案的最上位概念的独立权利要求的构成要素，设为任意的构成要素来说明。另外，在附图中，带有相同标号的内容有时省略说明。附图为了容易理解而将各构成要素示意性地示出，关于形状及尺寸比等，有时不是准确的表示。
(第1实施方式)
关于上述的压缩装置的阳极流体，设想各个种类的气体、液体。例如，在压缩装置是电化学式氢泵的情况下，作为阳极流体，能够举出含氢气体。另外，例如，在压缩装置是水电解装置的情况下，作为阳极流体，能够举出液体的水。
因此，在以下的实施方式中，对在阳极流体是含氢气体的情况下，作为压缩装置的一例的电化学式氢泵的结构及动作进行说明。
[装置结构]
图1A及图2A是示出第1实施方式的电化学式氢泵的一例的图。图1B是图1A的电化学式氢泵的B部的放大图。图2B是图2A的电化学式氢泵的B部的放大图。
此外，在图1A中示出了包括在俯视下通过电化学式氢泵100的中心和阴极气体导出歧管50的中心的直线的电化学式氢泵100的垂直截面。另外，在图2A中示出了包括在俯视下通过电化学式氢泵100的中心、阳极气体导入歧管27的中心及阳极气体导出歧管30的中心的直线的电化学式氢泵100的垂直截面。
在图1A及图2A所示的例子中，电化学式氢泵100具备至少一个氢泵单元100A。
此外，在电化学式氢泵100中，层叠有多个氢泵单元100A。例如，在图1A及图2A中，层叠有3级的氢泵单元100A，但氢泵单元100A的个数不限定于此。也就是说，氢泵单元100A的个数能够基于电化学式氢泵100升压的氢量等运转条件而设定为适当的数量。
氢泵单元100A具备电解质膜11、阳极电极AN、阴极电极CA、阳极支承体60、阴极分隔件16、阳极分隔件17及绝缘体21。并且，在氢泵单元100A中，电解质膜11、阳极催化剂层13、阴极催化剂层12、阳极气体扩散层15、阴极气体扩散层14、阳极支承体60、阳极分隔件17及阴极分隔件16层叠。
阳极电极AN设置在电解质膜11的一方的主面上。阳极电极AN是包括阳极催化剂层13和阳极气体扩散层15的电极。此外，以在俯视下包围阳极催化剂层13的周围的方式设置有环状的密封构件43，阳极催化剂层13由密封构件43恰当地密封。
阴极电极CA设置在电解质膜11的另一方的主面上。阴极电极CA是包括阴极催化剂层12和阴极气体扩散层14的电极。此外，以在俯视下包围阴极催化剂层12的周围的方式设置有环状的密封构件42，阴极催化剂层12由密封构件42恰当地密封。
通过以上，电解质膜11以与阳极催化剂层13及阴极催化剂层12分别接触的方式由阳极电极AN和阴极电极CA夹持。此外，将阴极电极CA、电解质膜11及阳极电极AN的层叠体称作膜-电极接合体(以下，MEA：Membrane Electrode Assembly)。
电解质膜11是具备质子传导性的高分子膜。电解质膜11只要具备质子传导性，则不管是何种结构都行。例如，作为电解质膜11，能够举出氟系高分子电解质膜、碳化氢系高分子电解质膜，但不限定于它们。具体而言，例如，作为电解质膜11，能够使用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以与电解质膜11的一方的主面相接的方式设置。阳极催化剂层13例如包含铂作为催化剂金属，但不限定于此。
阴极催化剂层12以与电解质膜11的另一方的主面相接的方式设置。阴极催化剂层12例如包含铂作为催化剂金属，但不限定于此。
作为阴极催化剂层12及阳极催化剂层13的催化剂载体，例如可举出碳黑、石墨等碳颗粒、导电性的氧化物颗粒等，但不限定于这些。
此外，在阴极催化剂层12及阳极催化剂层13中，催化剂金属的微粒被高分散地担载于催化剂载体。另外，在这些阴极催化剂层12及阳极催化剂层13中，为了增大电极反应场，一般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，具备导电性及气体扩散性。而且，阴极气体扩散层14优选具备恰当地跟随在电化学式氢泵100动作时因阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压而产生的构成构件的位移、变形的弹性。此外，在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构件。例如，可以是碳纸、碳布、碳毡等多孔性的碳纤维片。此外，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、不锈钢等为原材料的金属纤维的烧结体、以它们为原材料的金属颗粒的烧结体等。
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，具备导电性及气体扩散性。而且，阳极气体扩散层15优选是能够抑制在电化学式氢泵100动作时因阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压而产生的构成构件的位移、变形的高刚性。
具体而言，阳极气体扩散层15是包括碳多孔体片15S的层。作为碳多孔体片15S，例如能够使用以碳颗粒为原材料的烧结体。
阳极支承体60是设置在阳极气体扩散层15上且包括具有多个通气孔(在图1A及图1B中未图示)的金属片60S的构件。另外，阳极支承体60的金属片60S优选弯曲强度比阳极气体扩散层15的碳多孔体片15S高，以使得不会在电化学式氢泵100动作时因阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压而破坏。另外，阳极支承体60优选是能够抑制因上述差压而产生的构成构件的位移、变形的高刚性。
在此，在弯曲试验中，最先产生拉伸破坏，因此，一般来说，弯曲强度和拉伸强度相等。因此，金属片60S的弯曲强度通过JIS标准Z2241：2011的金属材料拉伸试验方法而求出。
另外，碳多孔体片15S的弯曲强度通过JIS标准R1601：2008的精细陶瓷的室温弯曲强度试验方法而求出。
例如，在本实施方式的电化学式氢泵100中，可以是，由SUS316L构成的金属片60S的弯曲强度为480MPa以上，碳多孔体片15S的弯曲强度为48MPa以上。
作为这样的金属片60S，例如能够使用冲孔金属(punching metal)等。此外，金属片60S的通气孔的形状及排列等孔图案将在第2实施例中进行说明。
另外，碳多孔体片15S的厚度优选比金属片60S的厚度大。例如，碳多孔体片15S的厚度优选为金属片60S的厚度的1.5倍以上。通过这样设定，与碳多孔体片15S的厚度比金属片60S的厚度小的情况相比，能够充分地确保金属片60S与成为高酸性氛围的阳极催化剂层13的距离。由此，金属片60S能够活用耐蚀性低的便宜的材料。
以上的金属片60S可以由钛、不锈钢等金属构成，但不限定于它们。在用不锈钢构成金属片60S的情况下，SUS316及SUS316L在各个种类的不锈钢中，性价比优异，从耐酸性及耐氢脆性等观点出发，特性好。
另外，以上的金属片60S可以由1张金属钢板构成。由此，与用多张金属钢板构成金属片60S的情况相比，通过削减部件件数，能够实现组装作业的效率化。
阳极分隔件17是设置在阳极支承体60上且在阳极支承体60侧的主面具备供含氢气体流动的阳极气体流路33的构件。阴极分隔件16是设置在阴极电极CA上且在阴极电极CA侧的主面具备供含氢气体流动的阴极气体流路32的构件。
以上的阳极分隔件17及阴极分隔件16例如可以由钛、不锈钢等金属构成。也就是说，金属片60S的基材和阳极分隔件17及阴极分隔件16的基材可以相同。在用不锈钢构成阳极分隔件17及阴极分隔件16的情况下，SUS316及SUS316L在各个种类的不锈钢中，从耐酸性及耐氢脆性等观点出发特性好。
在阴极分隔件16及阳极分隔件17各自的中央部设置有凹部。在阴极分隔件16的凹部容纳有阴极气体扩散层14，在阳极分隔件17的凹部容纳有阳极气体扩散层15及阳极支承体60。
这样，通过利用阴极分隔件16及阳极分隔件17夹着上述的MEA而形成了氢泵单元100A。
阳极气体流路33及阴极气体流路32分别在俯视下例如可以是包括多个U字状的折返部分和多个直线部分的蜿蜒状的流路。此外，在此，阴极气体流路32的直线部分在与图1A的纸面垂直的方向上延伸，阳极气体流路33的直线部分在与图2A的纸面垂直的方向上延伸。
不过，以上的阳极气体流路33及阴极气体流路32是例示，不限定于本例。例如，阳极气体流路及阴极气体流路也可以由多个直线状的流路构成。另外，蜿蜒状的阴极气体流路未必需要。仅设置将阴极分隔件的凹部的内外连通的连通孔，就能够将高压气体从阴极电极CA向外部释放。
此外，在导电性的阴极分隔件16与阳极分隔件17之间也可以夹入有以包围MEA的周围的方式设置的环状且平板状的绝缘体21。由此，能够恰当地防止阴极分隔件16及阳极分隔件17的短路。
在此，电化学式氢泵100具备设置在氢泵单元100A中的层叠方向的两端上的第1端板及第2端板和将氢泵单元100A、第1端板及第2端板在层叠方向上紧固连结的紧固连结器25。
此外，在图1A及图2A所示的例子中，阴极端板24C及阳极端板24A分别对应于上述的第1端板及第2端板。也就是说，阳极端板24A是设置于在氢泵单元100A的各构件层叠的层叠方向上位于一方的端部的阳极分隔件17上的端板。另外，阴极端板24C是设置于在氢泵单元100A的各构件层叠的层叠方向上位于另一方的端部的阴极分隔件16上的端板。
紧固连结器25只要能够将氢泵单元100A、阴极端板24C及阳极端板24A在层叠方向上紧固连结，则不管是何种结构都行。
例如，作为紧固连结器25，能够举出螺栓及带盘簧的螺母等。
此时，紧固连结器25的螺栓也可以构成为仅贯通阳极端板24A及阴极端板24C，但在本实施方式的电化学式氢泵100中，该螺栓贯通了3级的氢泵单元100A的各构件、阴极供电板22C、阴极绝缘板23C、阳极供电板22A、阳极绝缘板23A、阳极端板24A及阴极端板24C。并且，以将在上述的层叠方向上位于另一方的端部的阴极分隔件16的端面及在上述的层叠方向上位于一方的端部的阳极分隔件17的端面分别经由阴极供电板22C和阴极绝缘板23C及阳极供电板22A和阳极绝缘板23A而分别利用阴极端板24C及阳极端板24A夹住的方式，由紧固连结器25向氢泵单元100A施加期望的紧固连结压。
通过以上，在本实施方式的电化学式氢泵100中，由于3级的氢泵单元100A在上述的层叠方向上由紧固连结器25的紧固连结压以层叠状态恰当地保持，并且紧固连结器25的螺栓贯通电化学式氢泵100的各构件，所以能够恰当地抑制这些各构件的面内方向上的移动。
在此，在本实施方式的电化学式氢泵100中，供从氢泵单元100A各自的阴极气体扩散层14流出的含氢(H2)的阴极气体(以下，氢)流动的阴极气体流路32被连通。以下，参照附图，对阴极气体流路32的各自连通的结构进行说明。
首先，如图1A所示，阴极气体导出歧管50通过设置于3级的氢泵单元100A的各构件及阴极端板24C的贯通孔及设置于阳极端板24A的非贯通孔的相连而构成。另外，在阴极端板24C设置有阴极气体导出路径26。阴极气体导出路径26可以由供从阴极电极CA排出的氢流通的配管构成。并且，阴极气体导出路径26与上述的阴极气体导出歧管50连通。
而且，阴极气体导出歧管50与氢泵单元100A各自的阴极气体流路32的一方的端部经由各个阴极气体通过路径34而连通。由此，通过了氢泵单元100A各自的阴极气体流路32及阴极气体通过路径34的氢由阴极气体导出歧管50合流。并且，合流后的氢被向阴极气体导出路径26引导。
这样，氢泵单元100A各自的阴极气体流路32经由氢泵单元100A各自的阴极气体通过路径34及阴极气体导出歧管50而连通。
在阴极分隔件16与阳极分隔件17之间、阴极分隔件16与阴极供电板22C之间、阳极分隔件17与阳极供电板22A之间，以在俯视下包围阴极气体导出歧管50的方式设置有O型圈等环状的密封构件40，阴极气体导出歧管50由该密封构件40恰当地密封。
如图2A所示，在阳极端板24A设置有阳极气体导入路径29。阳极气体导入路径29可以由供向阳极电极AN供给的含氢气体流通的配管构成。并且，阳极气体导入路径29连通于筒状的阳极气体导入歧管27。此外，阳极气体导入歧管27通过设置于3级的氢泵单元100A的各构件及阳极端板24A的贯通孔的相连而构成。
另外，阳极气体导入歧管27与氢泵单元100A各自的阳极气体流路33的一方的端部分别经由第1阳极气体通过路径35而连通。由此，从阳极气体导入路径29供给到阳极气体导入歧管27的含氢气体通过氢泵单元100A各自的第1阳极气体通过路径35而分别向氢泵单元100A分配。并且，在分配后的含氢气体通过阳极气体流路33的期间，从阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13供给含氢气体。
另外，如图2A所示，在阳极端板24A设置有阳极气体导出路径31。阳极气体导出路径31可以由供从阳极电极AN排出的含氢气体流通的配管构成。并且，阳极气体导出路径31连通于筒状的阳极气体导出歧管30。此外，阳极气体导出歧管30通过设置于3级的氢泵单元100A的各构件及阳极端板24A的贯通孔的相连而构成。
另外，阳极气体导出歧管30与氢泵单元100A各自的阳极气体流路33的另一方的端部分别经由第2阳极气体通过路径36而连通。由此，通过了氢泵单元100A各自的阳极气体流路33的含氢气体通过各个第2阳极气体通过路径36而向阳极气体导出歧管30供给，在此合流。并且，合流后的含氢气体被向阳极气体导出路径31引导。
在阴极分隔件16与阳极分隔件17之间、阴极分隔件16与阴极供电板22C之间、阳极分隔件17与阳极供电板22A之间，以在俯视下包围阳极气体导入歧管27及阳极气体导出歧管30的方式设置有O型圈等环状的密封构件40，阳极气体导入歧管27及阳极气体导出歧管30由密封构件40恰当地密封。
如图1A及图2A所示，电化学式氢泵100具备电压施加器102。
电压施加器102是向阳极催化剂层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的高电位向阳极催化剂层13施加，电压施加器102的低电位向阴极催化剂层12施加。电压施加器102只要能够向阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压，则不管是何种结构都行。例如，电压施加器102也可以是调整向阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加的电压的装置。此时，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例如也可以是以使向氢泵单元100A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、向阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间流动的电流的电力型电源。
此外，在图1A及图2A所示的例子中，电压施加器102的低电位侧的端子连接于阴极供电板22C，电压施加器102的高电位侧的端子连接于阳极供电板22A。阴极供电板22C与在上述的层叠方向上位于另一方的端部的阴极分隔件16电接触，阳极供电板22A与在上述的层叠方向上位于一方的端部的阳极分隔件17电接触。
这样，电化学式氢泵100通过电压施加器102施加上述的电压，使从供给到阳极催化剂层13的含氢气体取出的质子经由电解质膜11而向阴极催化剂层12移动，生成被压缩了的氢。
虽然省略图示，但也能够构筑具备上述的电化学式氢泵100的氢供给系统。在该情况下，适当设置在氢供给系统的氢供给动作中需要的设备。
例如，可以在氢供给系统设置有调整混合气体的露点的露点调整器(例如，加湿器)，该混合气体是通过阳极气体导出路径31而从阳极电极AN排出的高加湿状态的含氢气体和通过阳极气体导入路径29而从外部的氢供给源供给的低加湿状态的含氢气体混合后的混合气体。此时，外部的氢供给源的含氢气体例如可以由水电解装置生成。
另外，在氢供给系统例如也可以设置有检测电化学式氢泵100的温度的温度检测器、暂时地存储从电化学式氢泵100的阴极电极CA排出后的氢的氢存储器、检测氢存储器内的氢气压的压力检测器等。
此外，上述的电化学式氢泵100的结构及氢供给系统中的未图示的各种设备是例示，不限定于本例。
例如，也可以采用不设置阳极气体导出歧管30及阳极气体导出路径31而将通过阳极气体导入歧管27而向阳极电极AN供给的阳极气体中的氢全部在阴极电极CA处升压的盲端(dead end)构造。
[动作]
以下，参照附图，对电化学式氢泵100的氢升压动作的一例进行说明。
以下的动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读出控制程序而进行。不过，利用控制器进行以下的动作未必是必须的。也可以是操作者进行其一部分的动作。
首先，向电化学式氢泵100的阳极电极AN供给低压的含氢气体，并且向电化学式氢泵100供给电压施加器102的电压。
于是，在阳极电极AN的阳极催化剂层13中，通过氧化反应而氢分子分离成质子和电子(式(1))。质子在电解质膜11内传导而向阴极催化剂层12移动。电子通过电压施加器102而向阴极催化剂层12移动。
然后，在阴极催化剂层12中，通过还原反应而再次生成氢分子(式(2))。此外，已知：在质子在电解质膜11中传导时，预定水量的水作为电浸透水而从阳极电极AN向阴极电极CA与质子一起移动。
此时，通过使用未图示的流量调整器使氢导出路径的压损增加，能够在阴极电极CA处将生成的氢(H2)升压。此外，作为氢导出路径，例如能够举出图1A的阴极气体导出路径26。另外，作为流量调整器，例如能够举出设置于氢导出路径的背压阀、调整阀等。
阳极电极：H2(低压)→2H++2e-···(1)
阴极电极：2H++2e-→H2(高压)···(2)
这样，在电化学式氢泵100中，通过利用电压施加器102施加电压，向阳极电极AN供给的含氢气体中的氢在阴极电极CA处被升压。由此，进行电化学式氢泵100的氢升压动作，在阴极电极CA处被升压后的氢例如暂时地存储于未图示的氢存储器。另外，由氢存储器存储的氢适时地向氢需要体供给。此外，作为氢需要体，例如能够举出使用氢来发电的燃料电池等。
如以上这样，本实施方式的电化学式氢泵100能够与以往相比减轻阳极气体扩散层15的碳多孔体片15S的损伤。
例如，在假设在阳极气体扩散层15与阳极分隔件17之间不设置阳极支承体60的情况下，阳极气体扩散层15有可能因在电化学式氢泵100的氢升压运转时产生的阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压而在设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33处断裂。
相对于此，本实施方式的电化学式氢泵100在阳极气体扩散层15与阳极分隔件17之间设置阳极支承体60的情况下，通过使阳极支承体60的金属片60S的强度比碳多孔体片15S的强度高，能够降低阳极气体扩散层15的碳多孔体片15S因上述的差压而损伤的可能性。
另外，在碳多孔体片15S中，与作为阳极气体扩散层而以往使用的金属多孔体片相比，确认到的锐利的部分比较少。由此，本实施方式的电化学式氢泵100即使这样的碳多孔体片15S由电解质膜11按压，也能够与以往的金属多孔体片相比降低对电解质膜11造成损伤的可能性。
(第1实施例)
第1实施例的电化学式氢泵100除了阳极支承体60的厚度方向的透气度比碳多孔体片15S的厚度方向的透气度大以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
在此，透气度是指Gurley秒数(换言之，透气阻力度)，由在每单位面积及单位压力差下规定的体积的空气透过测定对象物所需的时间来表示。也就是说，该值越小，则表示空气越容易通过测定对象物。此外，作为透气度的测定法，例如能够举出基于JIS标准P8177的方法等。
这样，阳极支承体60的厚度方向的透气度越大，则越容易确保从阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13的含氢气体的扩散性。也就是说，本实施例的电化学式氢泵100在阳极气体扩散层15与阳极分隔件17之间设置有阳极支承体60的情况下，与阳极支承体60的厚度方向的透气度为碳多孔体片15S的厚度方向的透气度以下的情况相比，能够恰当地抑制电化学式氢泵100的效率降低。
本实施例的电化学式氢泵100除了上述的特征以外，可以与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
(第2实施例)
第2实施例的电化学式氢泵100除了以下说明的阳极支承体60及阳极分隔件17的结构以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
图3是示出第1实施方式的第2实施例的电化学式氢泵中的阳极支承体及阳极分隔件的一例的图。在图3的(a)中示出了阳极支承体60的金属片60S及阳极分隔件17的立体图。在图3的(b)中示出了图3的(a)的B-B部的剖视图。在图3的(c)中示出了图3的(a)的阳极支承体60的金属片60S的俯视图。
如上所述，金属片60S是具有多个通气孔61的金属构件。
在此，多个通气孔不管是何种形状都可以。例如，作为通气孔的形状，能够举出正圆、椭圆、由一对直线部分及一对半圆部构成的跑道形状、四边形及三角形等，但不限定于此。
不过，如图3所示，通过用正圆构成通气孔61，与利用面积相同的其它形状构成通气孔61的情况相比，能够抑制由在电化学式氢泵100的氢升压运转时产生的阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压引起的通气孔61处的阳极气体扩散层15的应力集中。
另外，多个通气孔61的排列不管是何种排列都可以。例如，作为多个通气孔61的排列方法，能够举出以使连结了相邻的两通气孔61的中心的2个线的交叉角θ是60°的方式排列成交错状(60°交错排列)、以使该交叉角θ是45°的方式排列成交错状(45°交错排列)、以使该交叉角θ是90°的方式并列地排列等，但不限定于它们。
不过，如图3的(c)所示，若多个通气孔61的排列是60°交错排列(θ＝60°)，则与将它们以其它形态排列的情况相比，能够使每单位面积的通气孔61的孔面积最大。由此，在该情况下，会容易确保从阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13的含氢气体的扩散性。
向金属片的通气孔61的加工方法例如能够举出冲裁加工、激光加工、蚀刻加工等，但不限定于它们。
不过，若通过蚀刻加工来进行向金属片的孔加工，则与其它加工方法的情况相比，不容易产生金属片的翘曲等，因此，比较合适。
此外，在向金属片的孔加工时，可以在孔的剖视下带锥度，例如也可以通过从金属片的两面实施孔加工而使得难以带锥度。
在此，在本实施例的电化学式氢泵100中，如图3所示，多个通气孔61的一部分从设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的边缘33A上跨越。
此外，“多个通气孔61的一部分从设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的边缘33A上跨越”，意味着多个通气孔61的至少一部分从阳极气体流路33的边缘33A上跨越。例如，多个通气孔61的一部分也可以不从阳极气体流路33的边缘33A上跨越而存在于构成阳极气体流路33的槽部上。
另外，在本实施例的电化学式氢泵100中，如图3所示，多个通气孔61的至少一部分的、横穿设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的方向200的直径L1比阳极气体流路33的宽度L2小(L1<L2)。也就是说，在剖视了蜿蜒状的阳极气体流路33的直线部分的情况下，在阳极分隔件17的阳极支承体60侧的主面沿着横穿阳极气体流路33的方向200设置有多个凹凸。并且，这些凹部构成了阳极气体流路33的槽部。另外，这些凸部构成了阳极气体流路33的肋部。
此外，“多个通气孔61的至少一部分的、横穿设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的方向的直径L1”意味着关于多个通气孔61，这些通气孔61的平均直径。
[构造解析模拟]
将向阳极气体扩散层施加外力(压缩力)时的作用于开口部处的阳极气体扩散层的应力集中的现象通过以下的构造解析模拟而进行了数值化。此外，构造解析模拟能够通过各种各样的公知的解析软件(例如，ANSYS公司WorkBench)来进行。因而，解析软件的说明省略。
<解析模型>
作为实施例的解析模型，如图4所示，将阳极气体扩散层15(碳多孔体片15S)、阳极支承体60(金属片60S)及设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的肋部分别在计算机上进行了再现(基于网格分割的模型化)。
另外，作为比较例的解析模型，虽然省略图示，但将阳极气体扩散层15及设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的肋部分别在计算机上进行了再现(基于网格分割的模型化)。也就是说，在比较例的解析模型中，实施例的解析模型中的阳极支承体60未被模型化。
此外，在实施例的解析模型中，以使阳极气体扩散层15的厚度及阳极支承体60的厚度分别成为0.25mm及0.3mm的方式模型化。另外，阳极支承体60的多个通气孔61以相对于阳极气体流路33的肋部如图3那样排列的方式被模型化。也就是说，在横穿阳极气体流路33的方向200上，通气孔61的直径L1比阳极气体流路33的宽度L2小(L1<L2)，且在俯视下，多个正圆的通气孔61以使通气孔61的至少一部分从阳极气体流路33的边缘33A上跨越的方式以60°交错排列设置。
<解析条件>
对于实施例的解析模型及比较例的解析模型各自中的与“阳极气体扩散层15”对应的计算对象区域(网格分割区域)，作为物性条件，赋予了以下的值。此外，这些值通过设想一般的碳制的气体扩散层(例如，空隙率：约24.4％左右)的物性值而赋予。
·杨氏模量E：12.63GPa
·泊松比ν；0.17
另外，对于实施例的解析模型中的与“阳极支承体60”及“阳极气体流路33的肋部”对应的计算对象区域及比较例的解析模型中的与“阳极气体流路33的肋部”对应的计算对象区域，赋予了一般的不锈钢的物性条件。
另外，作为实施例的解析模型及比较例的解析模型的载荷条件，对与阳极气体扩散层15和阳极催化剂层接触的接触面对应的计算对象区域的各分界面赋予了70MPa的均一的压缩应力。此外，该压缩应力例如通过设想电化学式氢泵100的阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压的最大值是约70MPa左右而赋予。
以上的解析模型及解析条件是例示，不限定于本例。
<解析结果>
图5A是用于说明关于实施例的解析模型向阳极气体扩散层施加外力(压缩力)时的作用于通气孔处的阳极气体扩散层的最大拉伸应力的图。
图5B是用于说明关于比较例的解析模型向阳极气体扩散层施加外力(压缩力)时的作用于阳极气体流路处的阳极气体扩散层的最大拉伸应力的图。
在支承阳极气体扩散层15的构件中存在孔或构成气体流路的槽部(凹部)等形状变化的开口部的情况下，若向阳极气体扩散层15施加外力(压缩力)，则在开口部处的阳极气体扩散层15产生比其它部分高的应力(应力集中)。
并且，一般来说，在孔的中心附近，作用于阳极气体扩散层15的拉伸应力成为最大，并且，孔的直径越大则该最大拉伸应力σmax越大。另外，在气体流路的宽度的中心附近，作用于阳极气体扩散层15的拉伸应力成为最大，并且，气体流路的宽度越大则该最大拉伸应力σmax越大。
于是，在实施例的解析模型中，如图5A所示，计算了作用于通气孔61处的阳极气体扩散层15的最大拉伸应力σmax，为约35MPa。此外，在实施例的解析模型中，如图4所示，虽然设置有多个通气孔61，但不管在哪个通气孔61处，上述的最大拉伸应力σmax都为大致相同的值。
另外，在比较例的解析模型中，如图5B所示，计算了作用于阳极气体流路33处的阳极气体扩散层15的最大拉伸应力σmax，为约154MPa。
这样，若对在阳极气体扩散层15与阳极分隔件17之间设置阳极支承体60的情况和不设置阳极支承体60的情况进行比较，则后者的最大拉伸应力σmax与前者的最大拉伸应力σmax相比为约4.4倍。
并且，若考虑一般的碳制的气体扩散层(例如，空隙率：约24.4％左右)的断裂强度是约48MPa左右，则在阳极气体扩散层15与阳极分隔件17之间不设置阳极支承体60的情况下，因电化学式氢泵100的阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压，阳极气体扩散层15的碳多孔体片15S有可能在阳极气体流路33处断裂。
如以上这样，本实施例的电化学式氢泵100在阳极气体扩散层15与阳极分隔件17之间设置了阳极支承体60的情况下，以使横穿阳极气体流路33的方向200的通气孔61的直径L1比阳极气体流路33的宽度L2小的方式设定两者的大小关系(L1<L2)。由此，本实施例的电化学式氢泵100与通气孔61的直径L1为阳极气体流路33的宽度L2以上的情况(L1≥L2)相比，能够抑制因电化学式氢泵100的阴极电极CA与阳极电极AN之间的差压而阳极气体扩散层15的碳多孔体片15S损伤。
另外，在假设阳极支承体60的金属片60S的通气孔61不从设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的边缘33A上跨越而存在于构成阳极气体流路33的肋部上的情况下，不从该通气孔61向阳极气体扩散层15供给含氢气体。相反地，在金属片60S的通气孔61从上述的阳极气体流路33的边缘33A上跨越时，从该通气孔61向阳极气体扩散层15供给含氢气体。
由此，本实施例的电化学式氢泵100通过多个通气孔61的一部分从阳极气体流路33的边缘33A上跨越，与该通气孔61的一部分不从阳极气体流路33的边缘33A上跨越而存在于构成阳极气体流路33的肋部上的情况相比，能够使从阳极气体扩散层15向阳极催化剂层13的含氢气体的扩散性提高。
本实施例的电化学式氢泵100除了上述的特征以外，可以与第1实施方式或第1实施方式的第1实施例的电化学式氢泵100是同样的。
(第3实施例)
第3实施例的电化学式氢泵100除了碳多孔体片15S是碳烧结体的片以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
一般来说，碳烧结体与将碳粉末与树脂等混合并使其干燥固化或干燥硬化而得的成形体相比刚性高。尤其是，塑性成型碳的弯曲强度高。
由此，本实施例的电化学式氢泵100通过碳多孔体片15S是碳烧结体的片，而阳极气体扩散层15的弯曲强度被恰当地确保。
此外，作为碳烧结体，例如能够举出玻璃碳(玻璃状碳)、类金刚石碳(DLC)、塑性成型碳(PFC)的烧结体等。
本实施例的电化学式氢泵100除了上述的特征以外，可以与第1实施方式及第1实施方式的第1实施例～第2实施例中的任一电化学式氢泵100是同样的。
(第4实施例)
第4实施例的电化学式氢泵100除了在阳极支承体60表面设置有导电层70以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
图6是示出第1实施方式的第4实施例的电化学式氢泵的一例的图。
在阳极支承体60的金属片60S的表面，有时因金属片60S的成分例如被大气中的氧氧化而形成非导电性的氧化皮膜(钝化皮膜)。在金属片60S例如是SUS316、SUS316L等不锈钢制的构件的情况下，在该金属片60S的表面形成包含高的耐酸性的氧化铬的钝化皮膜。于是，例如，由于阳极支承体60与阳极分隔件17之间的接触电阻增加而难以得到两者间的导通。另外，例如，由于阳极支承体60与阳极气体扩散层15之间的接触电阻增加而难以得到两者间的导通。
因此，在本实施例的电化学式氢泵100中，如图6所示，在阳极支承体60的金属片60S的表面的恰当部位设置有具有期望的耐酸性及导电性的导电层70。
导电层70只要具备期望的耐酸性及导电性，则不管是何种种类的导电层都行。
导电层70例如可以是铂、金等贵金属的电镀膜或非电镀膜，也可以是基于喷涂的碳材料的覆膜。
另外，导电层70例如也能够通过如下得到，即将由轧制辊制造出的市售的涂敷材料通过冲压形成而切出为期望的尺寸后，将该涂敷材料向金属片60S的表面进行扩散接合。
如以上这样，本实施例的电化学式氢泵100通过在阳极支承体60的金属片60S的表面设置导电层70，能够恰当地抑制上述的构件间的接触电阻的增加。
本实施例的电化学式氢泵100除了上述的特征以外，可以与第1实施方式及第1实施方式的第1实施例～第2实施例中的任一电化学式氢泵100是同样的。
(第2实施方式)
第2实施方式的电化学式氢泵100除了阳极支承体60与阳极分隔件17一体化以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
例如，阳极支承体60的金属片60S和阳极分隔件17可以通过扩散接合而一体化。
由此，本实施方式的电化学式氢泵100由于阳极支承体60的金属片60S与阳极分隔件17的接合部的空隙消失，所以能够降低两者间的接触电阻。另外，本实施方式的电化学式氢泵100在层叠多个氢泵单元100A的情况下，通过削减部件件数，能够实现氢泵单元100A的组装作业的效率化。
本实施方式的电化学式氢泵100除了上述的特征以外，可以与第1实施方式及第1实施方式的第1实施例～第4实施例中的任一电化学式氢泵100是同样的。
(变形例)
第2实施方式的变形例的电化学式氢泵100除了阳极支承体60与阳极气体扩散层15一体化以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
例如，通过在阳极支承体60与阳极气体扩散层15之间设置适当的树脂等(例如，离聚物)，能够将两者一体化。
由此，本变形例的电化学式氢泵100能够削减部件件数。于是，本变形例的电化学式氢泵100在层叠多个氢泵单元100A的情况下，能够实现氢泵单元100A的组装作业的效率化。
本变形例的电化学式氢泵100除了上述的特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第4实施例及第2实施方式中的任一电化学式氢泵100是同样的。
(第3实施方式)
第3实施方式的电化学式氢泵100除了以下说明的阳极支承体160及阳极分隔件17的结构以外，与第1实施方式的电化学式氢泵100是同样的。
图7是示出第3实施方式的电化学式氢泵中的阳极支承体及阳极分隔件的一例的图。在图7中示出了阳极支承体160的金属片160S及阳极分隔件17的立体图。
金属片160S是具有多个通气孔161的金属构件。
如图7所示，多个通气孔161是设置于金属片160S的由一对直线部分及一对半圆部构成的跑道形状的贯通长孔。
多个通气孔161以在俯视下排列成交错状的方式排列。另外，通气孔161的直线部分相对于横穿设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的方向200平行地延伸。并且，通气孔161的长径L3比阳极气体流路33的宽度L2小(L3<L2)。
在此，在本实施方式的电化学式氢泵100中，多个通气孔161中存在以处于与构成阳极气体流路33的槽部相对向的区域内的方式配置的通气孔161和一部分从上述区域伸出且该一部分设置于与构成阳极气体流路33的肋部相对向的区域的通气孔161。
前者的通气孔161不从阳极气体流路33的边缘33A上跨越而存在于构成阳极气体流路33的槽部上。在图7所示的例子中，在与上述方向200正交的方向上，排成3列的通气孔161中的、从近前起第1列及第3列的通气孔161以处于与构成阳极气体流路33的槽部相对向的区域内的方式设置。
后者的通气孔161从设置于阳极分隔件17的阳极气体流路33的边缘33A上跨越。在图7所示的例子中，从近前起第2列的通气孔161的一部分从与构成阳极气体流路33的槽部相对向的区域伸出，设置于与构成阳极气体流路33的肋部相对向的区域。
此外，本实施方式的电化学式氢泵100所起到的作用效果通过参考第1实施方式的第2实施例的电化学式氢泵100所起到的作用效果而能够容易地理解，因此省略说明。
本实施方式的电化学式氢泵100除了上述的特征以外，可以与第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第4实施例、第2实施方式及第2实施方式的变形例中的任一电化学式氢泵100是同样的。
此外，第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第4实施例、第2实施方式、第2实施方式的变形例及第3实施方式只要不相互排除对方，则也可以相互组合。
另外，根据上述说明，对于本领域技术人员来说，本公开的很多改良及其它的实施方式是显而易见的。因此，上述说明应该仅作为例示来解释，以向本领域技术人员教导执行本公开的最佳的方案的目的而被提供。能够不脱离本公开的精神而实质性地变更其构造和/或功能的详情。
例如，电化学式氢泵100的MEA、阳极分隔件17及阳极支承体60等也能够应用于水电解装置等其它的压缩装置。
产业上的可利用性
本公开的一方案能够利用于与以往相比能够减轻阳极扩散层的碳多孔体片的损伤的压缩装置。
标号说明
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
15S：碳多孔体片
16：阴极分隔件
17：阳极分隔件
21：绝缘体
22A：阳极供电板
22C：阴极供电板
23A：阳极绝缘板
23C：阴极绝缘板
24A：阳极端板
24C：阴极端板
25：紧固连结器
26：阴极气体导出路径
27：阳极气体导入歧管
29：阳极气体导入路径
30：阳极气体导出歧管
31：阳极气体导出路径
32：阴极气体流路
33：阳极气体流路
34：阴极气体通过路径
35：第1阳极气体通过路径
36：第2阳极气体通过路径
40：密封构件
42：密封构件
43：密封构件
50：阴极气体导出歧管
60：阳极支承体
60S：金属片
61：通气孔
70：导电层
100：电化学式氢泵
100A：氢泵单元
102：电压施加器
160：阳极支承体
160S：金属片
161：通气孔
AN：阳极电极
CA：阴极电极

Claims (10)

1.一种压缩装置，具备：
电解质膜；
阳极催化剂层，其与所述电解质膜的一方的主面相接；
阴极催化剂层，其与所述电解质膜的另一方的主面相接；
阳极扩散层，其设置在所述阳极催化剂层上，包括碳多孔体片；
阴极气体扩散层，其设置在所述阴极催化剂层上；
阳极支承体，其设置在所述阳极扩散层上，包括具有多个通气孔的金属片；
阳极分隔件，其设置在所述阳极支承体上，在该阳极支承体侧的主面具备供阳极流体流动的流体流路；以及
电压施加器，其向所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间施加电压，
通过所述电压施加器施加所述电压，使从供给到所述阳极催化剂层的阳极流体取出的质子经由所述电解质膜而向所述阴极催化剂层移动，生成被压缩了的氢，
所述金属片的弯曲强度比所述碳多孔体片的弯曲强度高。
2.根据权利要求1所述的压缩装置，
所述阳极支承体的厚度方向的透气度比所述碳多孔体片的厚度方向的透气度大。
3.根据权利要求1或2所述的压缩装置，
所述多个通气孔的一部分从所述流体流路的边缘上跨越。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的压缩装置，
所述多个通气孔的至少一部分的、横穿所述流体流路的方向的直径比所述流体流路的宽度小。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的压缩装置，
所述碳多孔体片是碳烧结体的片。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的压缩装置，
在所述阳极支承体的表面设置有导电层。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的压缩装置，
所述阳极扩散层的厚度比所述阳极支承体的厚度大。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的压缩装置，
所述金属片由1张金属钢板构成。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的压缩装置，
所述阳极支承体与所述阳极分隔件一体化。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的压缩装置，所述阳极支承体与所述阳极扩散层一体化。
CN202080006813.5A 2019-11-26 2020-10-28 压缩装置 Pending CN113227459A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019212864 2019-11-26
JP2019-212864 2019-11-26
JP2020166687 2020-10-01
JP2020-166687 2020-10-01
PCT/JP2020/040480 WO2021106482A1 (ja) 2019-11-26 2020-10-28 圧縮装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113227459A true CN113227459A (zh) 2021-08-06

Family

ID=76129567

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080006813.5A Pending CN113227459A (zh) 2019-11-26 2020-10-28 压缩装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20210372379A1 (zh)
JP (1) JPWO2021106482A1 (zh)
CN (1) CN113227459A (zh)
WO (1) WO2021106482A1 (zh)

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050051670A (ko) * 2002-09-27 2005-06-01 바이엘 머티리얼사이언스 아게 가스 확산 전극의 제조 방법
US7686937B2 (en) * 2004-09-28 2010-03-30 Honda Motor Co., Ltd. Separator plates, ion pumps, and hydrogen fuel infrastructure systems and methods for generating hydrogen
TWI568888B (zh) * 2011-09-15 2017-02-01 第諾拉工業公司 氣體擴散電極及其製法和電化電解池
US10815124B2 (en) * 2012-07-12 2020-10-27 Seerstone Llc Solid carbon products comprising carbon nanotubes and methods of forming same
CN107002260B (zh) * 2014-09-29 2019-05-10 巴斯夫欧洲公司 膜电极组件，包含膜电极组件的反应器和分离氢气的方法
JP2019157190A (ja) 2018-03-12 2019-09-19 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
JP2019163521A (ja) * 2018-03-20 2019-09-26 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2021106482A1 (ja) 2021-12-02
WO2021106482A1 (ja) 2021-06-03
US20210372379A1 (en) 2021-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11952671B2 (en) Electrochemical hydrogen pump
JP7209221B2 (ja) 電気化学式水素ポンプ
US11932953B2 (en) Compression apparatus
EP4019463A1 (en) Compressor
US10989184B2 (en) Electrochemical hydrogen pump
US20180187319A1 (en) Electrochemical hydrogen pump
JP2020152958A (ja) 電気化学式水素ポンプ
JP2019163521A (ja) 電気化学式水素ポンプ
JP2020015930A (ja) 電気化学式水素ポンプ
US11549187B2 (en) Electrochemical hydrogen pump
US20210305607A1 (en) Compression apparatus
JP2018104770A (ja) ガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプ
CN113227459A (zh) 压缩装置
CN113454817A (zh) 电化学装置
CN113383114A (zh) 压缩装置
CN112601842A (zh) 压缩装置
JP2019157190A (ja) 電気化学式水素ポンプ
WO2023037755A1 (ja) 電気化学式水素ポンプ
EP4219394A1 (en) Compression device
JP6719076B1 (ja) 電気化学式水素ポンプ
CN113207300A (zh) 电化学装置
CN116438138A (zh) 压缩装置
CN113840946A (zh) 压缩装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210806