CN115161679A - 电化学式氢泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电化学式氢泵。电化学式氢泵(14)具有单位电池(46)，该单位电池(46)具有电解质膜(58)、阳极供电体(64、64A)、支承部件(例如，流路部件(55)或阳极隔板(52))和阴极供电体(66)，其中，所述电解质膜(58)具有氢离子传导性；所述阳极供电体(64、64A)被层叠于电解质膜(58)的一个主表面侧；所述支承部件以朝向阳极供电体(64、64A)的方式配置；所述阴极供电体(66)被层叠于电解质膜(58)的另一个主表面侧，阳极供电体(64A)由具有多个通气孔(78)的亲水性的导电性材料形成，并且其朝向所述支承部件的表面被实施疏水处理。据此，能够防止阳极供电体的堵塞。

Description

电化学式氢泵
技术领域
本发明涉及一种利用了具有氢离子传导性的电解质膜的电化学式氢泵(electrochemical hydrogen pump)。
背景技术
在具有氢离子传导性的电解质膜的两面上设置有催化剂层和电极的电化学电池被用于燃料电池、水电解装置和电化学式氢泵等。例如，电化学式氢泵与水电解装置为相同的结构，仅1级就能够产生燃料电池电动汽车等所需的高压氢。电化学式氢泵具有比机械式氢压缩机小型且工作声音小等优点。
在电化学式氢泵中，在电解质膜的催化剂层上接合有供电体。电解质膜被供电体夹持而形成电解质膜-电极结构体。供电体使用例如进行了疏水处理(water repellenttreatment)的碳纤维层或金属网的层叠体的具有导电性的多孔材料(日本发明专利公开公报特开2020-020037号)。另外，在电化学式氢泵中，由于压差作用于电解质膜，因此在与阳极侧的供电体相邻的部分上具有隔板等支承部件。
发明内容
为了防止电阻的增大，电化学式氢泵的电解质膜需要含有一定程度的水分。因此，预先通过起泡器等在向电化学电池供给的阳极气体(例如，氢气)中添加水分(水蒸气)。
然而，根据电化学氢泵的运转条件或布局条件不同，电解质膜的温度会成为规定温度以上，有时使电解质膜容易干燥。其结果，电解质膜的电阻值增大。为了防止两极间的电位差过度上升，存在电化学电池处理的氢的量受到制约的问题。
作为使供给至电解质膜的水分的供给量增大的方法，考虑改变供电体的原材料。但是，在该方法中，在压差作用的条件下，有时供电体与支承部件的摩擦阻力会增大。其结果，产生供电体的通气孔被因磨损而产生的碎片堵塞这样的问题。
因此，一实施方式的目的在于，提供一种能够防止电解质膜的干燥的同时防止供电体的通气孔的堵塞的电化学式氢泵。
以下公开的一观点为一种电化学式氢泵，其具有单位电池(unit cell)，所述单位电池具有电解质膜、阳极供电体、支承部件和阴极供电体，其中，所述电解质膜具有氢离子传导性；所述阳极供电体被层叠于所述电解质膜的一个主表面侧；所述支承部件以朝向所述阳极供电体的方式配置；所述阴极供电体被层叠于所述电解质膜的另一个主表面侧，所述阳极供电体由具有多个通气孔的亲水性的导电性材料形成，并且其朝向所述支承部件的表面被实施疏水处理。
根据上述观点的电化学式氢泵，由于使阳极供电体为亲水性，因此能够防止电解质膜的干燥。另外，即使阳极供电体被朝向支承部件推压，也能够通过疏水处理后的部分而相对于支承部件容易地滑动。因此，能够防止相互的磨损，从而防止阳极供电体的堵塞。
根据参照附图对以下实施方式进行的说明，上述的目的、特征和优点应易于被理解。
附图说明
图1是表示包含实施方式所涉及的电化学式氢泵的氢压缩机的结构的概略图。
图2是图1的电化学式氢泵的剖视图。
图3是表示配置于图2的湿润区域的单位电池的结构的剖视图。
图4是表示配置于图2的干燥区域的单位电池的结构的剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图，列举优选的实施方式，对电化学式氢泵详细地进行说明。
如图1所示，本实施方式所涉及的氢压缩机10具有氢供给部12、电化学式氢泵14和电源装置16。氢供给部12向电化学式氢泵14供给氢气。氢供给部12具有将氢供给源18与电化学式氢泵14的导入口20连接在一起的氢气导入路径22。氢气导入路径22在中途具有起泡器24。起泡器24使氢气作为气泡在储存有水的容器内通过，从而使氢气含有水蒸气。起泡器24通过容器内部的水温来调整氢气中的水蒸气的含量。
电化学式氢泵14具有导入口20、排出口26和高压氢口28。导入口20通过氢气导入路径22导入氢供给部12的氢气。排出口26排出未被电解质膜58(参照图3)输送到高压侧的氢气。起泡器24通过循环流路30而与电化学式氢泵14的排出口26连接。
高压氢口28与后述的单位电池46的阴极侧连通。高压氢口28使被压缩为高压的氢气流出。
电源装置16向电化学式氢泵14的各单位电池46供给驱动电功率，由此产生高压氢气。本实施方式的氢压缩机10大致如以上那样构成。下面，说明电化学式氢泵14的结构。
如图2所示，电化学式氢泵14具有由多个单位电池46沿厚度方向层叠而成的电池层叠体32。在电池层叠体32的层叠方向上的一端配置有第1端板34。并且，在电池层叠体32的层叠方向上的另一端配置有第2端板36。电池层叠体32被第1端板34和第2端板36夹持。第1端板34和第2端板36对电池层叠体32施加规定的紧固载荷。
第1端板34和第2端板36具有比电池层叠体32大的平面形状。电化学式氢泵14具有架设在第1端板34的外周部与第2端板36的外周部的侧部38。侧部38包围电池层叠体32的外周部，气密地分隔配置有电池层叠体32的内部空间38a。侧部38具有导入口20。另外，在侧部38的设置有导入口20的一侧的相反侧具有排出口26。
在内部空间38a中，在与导入口20相邻的部分设置有与多个单位电池46的阳极侧连通的分配流路40。如图2中的箭头所示，分配流路40对从导入口20导入的氢气进行分配，并将其向各单位电池46的阳极侧供给。
另外，在内部空间38a中，在与排出口26相邻的部分设置有与多个单位电池46的阳极侧连通的集合流路42。在集合流路42中，如箭头所示，未被各单位电池46消耗的多余的氢气合流。集合流路42的氢气被从排出口26排出。
电池层叠体32在中央部具有沿厚度方向贯穿各单位电池46的连通孔44。连通孔44与各单位电池46的阴极侧连通。连通孔44与高压氢口28连接，使各单位电池46的阴极侧与高压氢口28连通。被各单位电池46压缩的高压氢气通过连通孔44导向高压氢口28。
在上述的电池层叠体32中，伴随氢气的压缩动作而从各单位电池46产生热。各单位电池46的热主要通过第1端板34和第2端板36被排出。因此，在与第1端板34和第2端板36相邻的单位电池46b中，运转时的温度变得比较低，在层叠方向上的中央附近的单位电池46a、46c中，运转过程中的温度相对变高。
另外，向单位电池46a、46b、46c供给的水分的量根据加湿后的氢气的流量分配而改变。在分配流路40中，对与导入口20相向的部分的单位电池46a分配的氢气的流量大。因此，向单位电池46a供给充足量的水分。另外，在比较低温的单位电池46b中也能够确保充足量的水分。在另一方面，在电池层叠体32的中央附近的单位电池46c中，存在水分不足的倾向。
因此，在本实施方式中，如以下说明的那样，电池层叠体32的单位电池46a、46b具有冷凝水的排水性优异的第1电池结构48(参照图3)。另外，容易干燥的单位电池46c具有提高了水分供给能力的第2电池结构50(参照图4)。
如图3所示，第1电池结构48具有电解质膜-电极结构体(以下，称为“MEA56”。)、阳极隔板52、阴极隔板54和流路部件55(支承部件)。MEA56被阳极隔板52和阴极隔板54夹持。阳极隔板52和阴极隔板54例如将钢板、不锈钢钢板、铝板、电镀处理钢板或者对其金属表面实施了防腐蚀用的表面处理的金属薄板的截面冲压成型为波形而构成。
MEA56具有电解质膜58、设置于电解质膜58的一个表面的阳极电极60和设置于电解质膜58的另一个表面的阴极电极62。电解质膜58例如为固体高分子电解质膜(阳离子交换膜)，例如由含有水分的全氟磺酸的薄膜构成。电解质膜58的阳极侧可以由包含纤维状的骨架的保护膜(未图示)加强。另外，电解质膜58除了氟系电解质以外，也可以使用HC(烃)系电解质。电解质膜58被阳极电极60和阴极电极62夹持。
虽然未详细图示，但阳极电极60具有与电解质膜58的一个表面接合的阳极催化剂层。阳极催化剂层例如由担载有铂等催化剂粒子的碳多孔体构成。在阳极催化剂层的上方层叠阳极供电体64。
阳极供电体64为由金属或碳等具有导电性的材料形成的板状的部件。阳极供电体64抵接于MEA56的阳极催化剂层，向MEA56供给电流。阳极供电体64兼作向阳极催化剂层供给氢气的气体扩散层，且具有多个通气孔68。此外，阳极供电体64的通气孔68具有多孔或多层网结构。通气孔68具有使氢气沿厚度方向流通的流路结构。
阳极供电体64也可以由形成有不同直径的通气孔68的多个金属网层叠多层而形成。即，通气孔68并不限定于必须以1个沿厚度方向贯穿而成，也可以由多个孔在厚度方向上连通而构成。在该情况下，图中的通气孔68的直径的变化反映在厚度方向上存在的各层的孔的尺寸。阳极供电体64例如可以由网眼直径不同的金属网构成，或者也可以层叠直径不同的碳纤维片而构成。
另外，通气孔68也可以为从阳极供电体64的远离电解质膜58的一侧的主表面贯穿接近电解质膜58的一侧的主表面的孔。在该情况下，通气孔68的截面积随着向接近电解质膜58的一侧的主表面接近而逐渐增大。包含通气孔68的阳极供电体64的表面在整个厚度方向上的范围内被实施了疏水加工，并由疏水材料覆盖。
阴极电极62具有与电解质膜58的另一个表面接合的阴极催化剂层。在阴极催化剂层的上方层叠阴极供电体66。阴极供电体66例如由网眼直径不同的多个金属网层叠而构成。构成阴极供电体66的各金属网的孔的尺寸(网眼直径)越接近MEA56的层变得越细。
在MEA56与阴极隔板54之间设置有高压氢排出流路70，通过阴极电极62被压缩的氢气在所述高压氢排出流路70中流动。高压氢排出流路70与沿厚度方向贯穿图2的电池层叠体32的连通孔44连通。
如图3所示，在MEA56与阳极隔板52之间配置有支承MEA56的流路部件55。流路部件55具有形成于接近阳极隔板52的一侧的流路槽72。流路槽72沿流路宽度方向隔开间隔配置有多个。从导入口20流入的氢气通过流路槽72被供给至MEA56。
流路槽72在图3的纸面上沿垂直的方向延伸。在流路槽72的宽度方向两侧上形成有凸部74。凸部74抵接于阳极隔板52而支承MEA56。流路槽72的第1端部(延伸方向上的一端部)与分配流路40连通。另外，流路槽72的第2端部(延伸方向上的另一端部)与集合流路42连通。流路槽72使氢气从第1端部朝向第2端部流动。
通孔76的一端在流路部件55的流路槽72的底部72c开口。通孔76沿厚度方向贯穿流路部件55。通孔76的另一端在流路部件55的接近MEA56的一侧的表面开口。通孔76的另一端与阳极供电体64的通气孔68连接。通孔76使流路槽72与通气孔68连通。通孔76沿流路槽72的延伸方向(在图3的纸面上垂直的方向)隔开间隔配置有多个。
第1电池结构48如以上那样构成。接着，参照图4来说明第2电池结构50。此外，针对第2电池结构50的结构与图3的第1电池结构48相同的结构标注相同的附图标记并省略详细的说明。
如图4所示，第2电池结构50具有MEA56A、阳极隔板52、阴极隔板54和流路部件55。MEA56A具有电解质膜58、设置于电解质膜58的一个表面的阳极电极60A和设置于电解质膜58的另一个表面的阴极电极62。即，在第2电池结构50中，除阳极电极60A以外的结构，具有与第1电池结构48相同的结构，因此省略说明。
阳极电极60A具有未图示的阳极催化剂层和被层叠于阳极催化剂层的上方的阳极供电体64A。阳极催化剂层为与电解质膜58的一个表面接合的催化剂层，与第1电池结构48的阳极催化剂层相同。阳极供电体64A被层叠于阳极催化剂层的上方。
本实施方式的阳极供电体64A由具有多个通气孔78的导电性材料形成。在阳极供电体64A中，仅对远离电解质膜58的一侧的主表面64a实施疏水处理。在阳极供电体64A中，不对接近电解质膜58的一侧的主表面实施疏水处理。阳极供电体64A具有设置于接近电解质膜58的一侧的内侧供电体80和设置于远离电解质膜58的一侧的外侧供电体82。
内侧供电体80为由金属或碳这样的具有导电性的亲水性材料形成的板状的部件。内侧供电体80抵接于MEA56A的阳极催化剂层。在此，亲水性材料是指，在使静止的水接触该材料的表面时，水的自由表面与材料的表面所成的角(接触角)为90°以下的材料。内侧供电体80未被实施疏水加工，与第1电池结构48的阳极供电体64相比，在通气孔78的内部中容易保持水分。贯穿内侧供电体80(参照图4)的部分的通气孔78a的内径具有大于贯穿外侧供电体82的部分的通气孔78b的内径的尺寸。
外侧供电体82为由金属或碳等具有导电性的材料形成的板状的部件。外侧供电体82被层叠于内侧供电体80的上方(外侧)。外侧供电体82被进行疏水加工。在疏水处理时，贯穿外侧供电体82的通气孔78b的内表面被疏水层覆盖。此外，外侧供电体82的通气孔78b与贯穿内侧供电体80的通气孔78a相连而形成。内侧供电体80的通气孔78a的内径大于外侧供电体82的通气孔78b的内径。
第2电池结构50如以上这样构成，下面，说明实施方式所涉及的电化学式氢泵14的作用。
如图1所示，向电化学式氢泵14供给通过起泡器24加湿后的氢气。如图2所示，氢气从导入口20流入，被分配流路40分配并向各单位电池46供给。
在图3所示的第1电池结构48的单位电池46a、46b中，氢气流过流路部件55的流路槽72而被供给。流过流路槽72的氢气的一部分通过通孔76被供给至阳极供电体64。氢气通过阳极供电体64的通气孔68被供给至阳极催化剂层，通过催化反应而转换为质子(H+离子)。质子在电压的作用下在电解质膜58的内部被朝向阴极电极62输送。质子在阴极催化剂层中通过电化学反应而转换为氢气(高压)。其结果，从阴极电极62释放出被压缩的氢气。高压的氢气通过高压氢排出流路70汇集到图2的连通孔44，并从高压氢口28排出。
氢气中所含的水蒸气的一部分被用于电解质膜58的加湿。电解质膜58的剩余的水分因压力梯度而返回至阳极电极60，在阳极电极60上产生结露水。结露水被实施了疏水处理的阳极供电体64顺利排出，与在流路部件55的流路槽72中流动的氢气一起被排出。
另一方面，在单位电池46中的具有第2电池结构50的单位电池46c中，通过图4所示的流路槽72供给氢气。第2电池结构50的阳极供电体64A的内侧供电体80成为亲水性。因此，保持水分的能力高，能够防止电解质膜58的干燥。另外，形成于阳极供电体64A的通气孔78形成为随着接近电解质膜58其截面积增大的形状。由此，在通气孔78中产生负压，能够更有效地将水蒸气(水分)供给至阳极催化剂层的附近。
外侧供电体82被配置于内侧供电体80与流路部件55之间。通过阴极侧与阳极侧的压差，MEA56A被向阳极侧施力，伴随于此，外侧供电体82被朝向流路部件55推压。外侧供电体82被实施了疏水处理，由润滑性优异的疏水层覆盖。因此，使外侧供电体82与流路部件55容易相对滑动。在该状态下，外侧供电体82和流路部件55通过部件的热膨胀、伴随压力变动的双向的变形或者来自外部的振动而相互滑动。由于外侧供电体82与流路部件55的相互磨损被疏水层抑制，因此不易产生由于磨损而导致的碎片。其结果，能够防止通气孔78b的堵塞。这样，在第2电池结构50中，能够防止电解质膜58的干燥。另外，第2电池结构50通过防止通气孔78b的堵塞能够维持氢气的处理量。
本实施方式的电化学式氢泵14实现以下的效果。
本实施方式的电化学式氢泵14具有单位电池46，所述单位电池46具有电解质膜58、阳极供电体64、64A、支承部件(例如，流路部件55或阳极隔板52)和阴极供电体66，其中，所述电解质膜58具有氢离子传导性；所述阳极供电体64、64A被层叠于电解质膜58的一个主表面侧；所述支承部件以朝向阳极供电体64、64A的方式配置；所述阴极供电体66被层叠于电解质膜58的另一个主表面侧，阳极供电体64A由具有多个通气孔78的亲水性的导电性材料形成，并且其朝向所述支承部件的表面被实施疏水处理。
上述的电化学式氢泵14能够向电解质膜58供给充足量的水分。另外，即使阳极供电体64A被朝向支承部件侧推压，也能够通过疏水处理后的部分而相对于支承部件相对滑动。因此，能够防止阳极供电体64A与支承部件相互的磨损，从而能够防止阳极供电体64A的通气孔78b的堵塞。
在上述的电化学式氢泵14中，可以为，在阳极供电体64A上设置有通气孔78，所述通气孔78从远离电解质膜58的一侧的主表面贯穿接近电解质膜58的一侧的主表面，通气孔78的截面积随着接近电解质膜58而逐渐增大。在该电化学式氢泵14中，由于在通气孔78的内部产生负压，因此能够更高效地将水蒸气供给至电解质膜58。
在上述的电化学式氢泵14中，可以为，阳极供电体64A具有设置于接近电解质膜58的一侧的亲水性的内侧供电体80和设置于远离电解质膜58的一侧的外侧供电体82，外侧供电体82被实施疏水处理。在该电化学式氢泵14中，能够通过简单的结构构成仅对远离电解质膜58的一侧的主表面实施了疏水处理的阳极供电体64A。
在上述的电化学式氢泵14中，可以为，内侧供电体80的通气孔78a大于外侧供电体82的通气孔78b。
在上述的电化学式氢泵14中，可以为，具有沿厚度方向层叠多个第1电池结构48的单位电池46a、46b和第2电池结构50的单位电池46c而成的电池层叠体32，其中，所述第1电池结构48的单位电池46a、46b通过对阳极供电体64的整个区域实施疏水处理而构成；所述第2电池结构50的单位电池46c通过对阳极供电体64A的远离电解质膜58的一侧的主表面侧实施疏水处理而构成，第2电池结构50的单位电池46c被配置于远离电池层叠体32的层叠方向上的端部的位置。
根据该结构的电化学式氢泵14，能够对成为高温而容易干燥的电解质膜58供给充足量的水分，从而能够防止电解质膜58的干燥，并能够维持氢气的处理量。
在上述内容中，列举了优选的实施方式来说明本发明，但本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然能够进行各种改变。

Claims (5)

1.一种电化学式氢泵，其特征在于，
具有单位电池，该单位电池具有电解质膜、阳极供电体、支承部件和阴极供电体，其中，
所述电解质膜具有氢离子传导性；
所述阳极供电体被层叠于所述电解质膜的一个主表面侧；
所述支承部件以朝向所述阳极供电体的方式配置；
所述阴极供电体被层叠于所述电解质膜的另一个主表面侧，
所述阳极供电体由具有多个通气孔的亲水性的导电性材料形成，并且其朝向所述支承部件的表面被实施疏水处理。
2.根据权利要求1所述的电化学式氢泵，其特征在于，
在所述阳极供电体上设置有通气孔，所述通气孔从远离所述电解质膜的一侧的主表面贯穿接近所述电解质膜的一侧的主表面，
所述通气孔的截面积随着接近所述电解质膜而逐渐增大。
3.根据权利要求1或2所述的电化学式氢泵，其特征在于，
所述阳极供电体具有被设置于接近所述电解质膜的一侧的亲水性的内侧供电体和被设置于远离所述电解质膜的一侧的外侧供电体，
所述外侧供电体被实施疏水处理。
4.根据权利要求3所述的电化学式氢泵，其特征在于，
所述内侧供电体的通气孔大于所述外侧供电体的通气孔。
5.根据权利要求1或2所述的电化学式氢泵，其特征在于，
具有沿厚度方向层叠多个第1电池结构的单位电池和第2电池结构的单位电池而成的电池层叠体，其中，所述第1电池结构的单位电池通过对所述阳极供电体的整个区域实施疏水处理而构成；所述第2电池结构的单位电池通过对所述阳极供电体的远离所述电解质膜的一侧的主表面侧实施疏水处理而构成，
所述第2电池结构的单位电池被配置于远离所述电池层叠体的层叠方向上的端部的位置。
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