CN117425749A - 氢泵用的电化学单元和压缩装置 - Google Patents

Abstract

一种氢泵用的电化学单元，具备电解质膜(11)、设置于电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层(13)、设置于电解质膜的另一个主面上的阴极催化剂层(12)、设置于阳极催化剂层(13)上的阳极气体扩散层(15)、以及设置于阴极催化剂层(12)上的阴极气体扩散层(14)，在对阳极催化剂层(13)与阴极催化剂层(12)之间施加电压时，阴极气体扩散层(14)暴露于比阳极气体扩散层(15)高压的含氢气体中，阳极气体扩散层(15)的厚度(T)为阴极气体扩散层(14)的厚度(t)以上。

Description

氢泵用的电化学单元和压缩装置

技术领域

本公开涉及氢泵用的电化学单元和压缩装置。

背景技术

近年来，由于地球变暖等环境问题、石油资源的枯竭等能源问题，作为代替化石燃料的清洁的替代能源，氢受到关注。氢即使燃烧也基本上只生成水，不会排出成为全球变暖的原因的二氧化碳，并且也几乎不会排出氮氧化物等，因此作为清洁能源而备受期待。

另外，作为高效率地利用氢作为燃料的装置，例如有燃料电池，正在面向汽车用电源、家庭用自家发电进行开发和普及。

在即将到来的氢社会中，除了制造氢之外，还要求开发能够高密度地储存并以小容量且低成本地输送或利用氢的技术。特别是，为了促进作为分散型能源的燃料电池的普及，需要完善氢供给基础设施。另外，为了稳定地供给氢，进行了制造、精制、高密度储存高纯度的氢的各种研究。

例如，在专利文献1和专利文献2中，提出了在用于进行氢的精制和压缩的压缩装置中，用端板夹入固体高分子电解质膜、电极和隔板的层叠体并紧固的结构。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2006-70322号公报

专利文献2：日本特许6360061号公报

发明内容

发明要解决的课题

本公开的课题是提供一种与以往相比能够高效率地维持氢压缩工作的氢泵用的电化学单元和压缩装置。

用于解决课题的手段

本公开的一个技术方案(aspect)的氢泵用的电化学单元，具备：电解质膜；设置在所述电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层；设置在所述电解质膜的另一个主面上的阴极催化剂层；设置在所述阳极催化剂层上的阳极气体扩散层；以及设置在所述阴极催化剂层上的阴极气体扩散层，在对所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间施加电压时，所述阴极气体扩散层暴露于比所述阳极气体扩散层高压的含氢气体中，所述阳极气体扩散层的厚度为所述阴极气体扩散层的厚度以上。

另外，本公开的一个技术方案的压缩装置，具备：所述电化学单元；以及对所述电化学单元的所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间施加电压的电压施加器，通过所述电压施加器施加所述电压，由此使供给到阳极的含氢气体中的氢经由所述电解质膜移动到阴极，生成压缩氢。

发明的效果

本公开的一个技术方案的氢泵用的电化学单元和压缩装置能够发挥与以往相比能够高效率地维持氢压缩工作的效果。

附图说明

图1A是表示第1实施方式的电化学式氢泵的一个例子的图。

图1B是图1A的电化学式氢泵的B部的放大图。

图2A是表示第1实施方式的电化学式氢泵的一个例子的图。

图2B是图2A的电化学式氢泵的B部的放大图。

图3是表示第1实施方式的电化学单元中的阳极气体扩散层的厚度与阴极气体扩散层的厚度的关系的一个例子的图。

图4是表示本公开的结构和以往的结构各自的电化学单元中的阴极压力与过电压的关系的一个例子的图。

图5是表示第2实施方式的电化学单元中的阳极气体扩散层的厚度和阴极气体扩散层的厚度之差与过电压的关系的一个例子的图。

具体实施方式

专利文献1提出了使用在高压的氢生成时能够追随阴极的变形的钛纤维烧结体构成阴极气体扩散层。

专利文献2提出了使用钢丝棉、包含镍铬的金属发泡体、由碳纤维制作的布等构成阴极气体扩散层。另外，专利文献2中记载了使阴极气体扩散层的刚性比阳极气体扩散层的刚性小，并且使阴极气体扩散层的厚度比阳极气体扩散层的厚度大的结构。由此，通过得到阴极气体扩散层对于由高压氢引起的应变的追随性，能够抑制电化学单元的接触电阻的增加。

一般来说，电解质膜在高温和高加湿的条件下质子传导性提高，电化学单元的氢压缩效率提高。因此，采取对供给到阳极的含氢气体进行加湿的结构。此时，阳极气体扩散层的厚度越小，含氢气体越难以在与阳极气体扩散层的主面平行的方向上扩散，因此阳极的压力损失越大。而且，阳极的压力损失越大，供给到阳极的含氢气体的压力就越上升。于是，根据道尔顿定律，由于含氢气体中的水蒸气量减少，从而有可能发生电解质膜的加湿不足。由此，如果发生电解质膜的干燥，则电化学单元的氢压缩效率有可能降低。

因此，如果增大阳极气体扩散层的厚度，则以上的干燥的问题减轻，但如果仿照专利文献2记载的发明来设计阳极气体扩散层和阴极气体扩散层，则阴极气体扩散层的厚度进一步增大，结果会导致阴极气体扩散层的厚度方向的电阻上升。

因此，本公开的第1技术方案的氢泵用的电化学单元，具备：电解质膜；设置在电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层；设置在电解质膜的另一个主面上的阴极催化剂层；设置在阳极催化剂层上的阳极气体扩散层；以及设置在阴极催化剂层上的阴极气体扩散层，在对阳极催化剂层与阴极催化剂层之间施加电压时，阴极气体扩散层暴露于比阳极气体扩散层高压的含氢气体中，阳极气体扩散层的厚度为阴极气体扩散层的厚度以上。

根据该结构，本技术方案的氢泵用的电化学单元与以往相比能够高效率地维持氢压缩工作。具体而言，本技术方案的电化学单元，通过使阳极气体扩散层的厚度为阴极气体扩散层的厚度以上，与阳极气体扩散层的厚度小于阴极气体扩散层的厚度的情况相比，与阳极气体扩散层的主面平行的方向上的含氢气体的扩散性得到改善。于是，本技术方案的电化学单元，在阳极气体扩散层产生的压力损失降低，所以供给到阳极的含氢气体的压力上升得到抑制，其结果，能够将用于电解质膜的加湿的含氢气体中的水蒸气量保持为适量。由此，本技术方案的电化学单元能够抑制由电解质膜的干燥引起的电化学单元的氢压缩效率的降低。

本公开的第2技术方案的电化学单元，在第1技术方案的电化学单元的基础上可以设为：阳极气体扩散层的弹性模量比阴极气体扩散层的弹性模量高。

根据该结构，本技术方案的电化学单元，通过使阳极气体扩散层的弹性模量比阴极气体扩散层的弹性模量高，与阳极气体扩散层的弹性模量为阴极气体扩散层的弹性模量以下的情况相比，容易在阳极气体扩散层中得到能够承受由在电化学单元的阴极与阳极之间产生的压差引起的电解质膜的按压的程度的刚性。

本公开的第3技术方案的电化学单元，在第1技术方案的电化学单元的基础上可以设为：阳极气体扩散层包含金属多孔片。

本公开的第4技术方案的电化学单元，在第1技术方案的电化学单元的基础上可以设为：阳极气体扩散层包含碳多孔片。

本公开的第5技术方案的电化学单元，在第4技术方案的电化学单元的基础上可以设为：碳多孔片是碳粉末烧结体。

根据该结构，本技术方案的电化学单元，通过阳极气体扩散层包含由碳粉末烧结体构成的碳多孔片，能够在阳极气体扩散层中得到期望的导电性、气体扩散性和刚性。

本公开的第6技术方案的电化学单元，在第4技术方案的电化学单元的基础上可以设为：碳多孔片是碳纤维烧结体。

根据该结构，本技术方案的电化学单元，通过阳极气体扩散层包含由碳纤维烧结体构成的碳多孔片，能够在阳极气体扩散层中得到期望的导电性、气体扩散性和刚性。

本公开的第7技术方案的电化学单元，在第1～第6技术方案中任一方案的电化学单元的基础上可以设为：阳极气体扩散层的厚度与阴极气体扩散层的厚度之差为0.1mm以下。

如果阳极气体扩散层的厚度与阴极气体扩散层的厚度之差超过0.1mm，则由于阳极气体扩散层的厚度变厚，有可能导致与阳极气体扩散层的主面垂直的方向上的含氢气体的扩散性恶化。

因此，本技术方案的电化学单元，通过使阳极气体扩散层的厚度与阴极气体扩散层的厚度之差为0.1mm以下，与该厚度之差超过0.1mm的情况相比，能够适当地维持与阳极气体扩散层的主面垂直的方向上的含氢气体的扩散性。

本公开的第8技术方案的压缩装置，具备第1～第7技术方案中任一方案的电化学单元、以及对电化学单元的阳极催化剂层与阴极催化剂层之间施加电压的电压施加器，通过电压施加器施加电压，由此使供给到阳极的含氢气体中的氢经由电解质膜移动到阴极，生成压缩氢。

本技术方案的压缩装置发挥的作用效果与上述第1～第7技术方案中任一方案的电化学单元发挥的作用效果相同，因此省略说明。

以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。以下说明的实施方式均表示上述各技术方案的一个例子。由此，以下所示的数值、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只是一个例子，只要没有记载在权利要求中，就不限定上述各技术方案。另外，在以下的构成要素中，对于没有记载在表示本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，在附图中，对于标有相同标记的部分有时会省略说明。为了便于理解，图中示意性地示出了各个构成要素，因此形状和尺寸比等有时并不是准确的表示。

另外，在以下的实施方式中，对作为上述技术方案的压缩装置的一个例子的电化学式氢泵的结构和工作进行说明。

(第1实施方式)

[装置结构]

图1A和图2A是表示第1实施方式的电化学式氢泵的一个例子的图。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。

另外，图1A中示出了包含在俯视下穿过电化学式氢泵100的中心和阴极气体导出歧管28的中心的直线的电化学式氢泵100的垂直截面。另外，图2A中示出了包含在俯视下穿过电化学式氢泵100的中心、阳极气体导入歧管27的中心和阳极气体导出歧管30的中心的直线的电化学式氢泵100的垂直截面。

电化学式氢泵100具备至少一个电化学单元100B。电化学单元100B包含电解质膜11、阳极AN和阴极CA，在对阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压时，阴极气体扩散层14暴露于比阳极气体扩散层15高压的含氢气体中。

另外，在电化学式氢泵100的氢泵单元100A中，层叠有电解质膜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、阳极隔板17和阴极隔板16。

另外，在图1A和图2A所示的例子中，在电化学式氢泵100中层叠了3个电化学单元100B，但并不限定于此。即、电化学单元100B的个数可以根据电化学式氢泵100压缩的氢量等运转条件而设定为适当的数量。

阳极AN设置在电解质膜11的一个主面上。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。另外，在俯视下，以包围阳极催化剂层13的周围的方式设置环状的密封部件43，阳极催化剂层13被密封部件43适当地密封。

阴极CA设置在电解质膜11的另一个主面上。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。另外，在俯视下，以包围阴极催化剂层12的周围的方式设置环状的密封部件42，阴极催化剂层12被密封部件42适当地密封。

通过以上，电解质膜11以分别与阳极催化剂层13和阴极催化剂层12接触的方式被阳极AN和阴极CA夹持。

电解质膜11只要是具备质子导电性的膜，可以是任何结构。例如，作为电解质膜11，可以举出磺酸修饰的氟系高分子电解质膜、烃系电解质膜等。具体而言，作为电解质膜11，例如可以使用Nafion(注册商标，杜邦公司制)、Aciplex(注册商标，旭化成株式会社制)等，但并不限定于此。

阳极催化剂层13设置在电解质膜11的一个主面上。阳极催化剂层13包含能够以分散状态担载催化剂金属(例如铂)的碳，但不限于此。

阴极催化剂层12设置在电解质膜11的另一个主面上。阴极催化剂层12包含能够以分散状态担载催化剂金属(例如铂)的碳，但不限于此。

作为阴极催化剂层12和阳极催化剂层13的催化剂的制备方法，可以举出各种方法，没有特别限定。例如，作为碳系粉末，可以举出石墨、碳黑、具有导电性的活性炭等的粉末。对于在碳载体上担载铂或其他催化剂金属的方法没有特别限定。例如，可以采用粉末混合或液相混合等方法。作为后者的液相混合，例如可以举出使碳等载体分散于催化剂成分胶体液中，使其吸附的方法等。对于铂等催化剂金属在碳载体上的担载状态没有特别限定。例如，可以将催化剂金属微粒化，高分散地担载在载体上。

阴极气体扩散层14设置在阴极催化剂层12上。阴极气体扩散层14由多孔性材料构成，具有导电性和气体扩散性。阴极气体扩散层14优选具有能够适当追随在电化学式氢泵100工作时因阴极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。作为阴极气体扩散层14，例如可以使用碳纤维烧结体等，但并不限定于此。

另外，阴极气体扩散层14被构成为阴极隔板16侧的表面层的电阻比另一方的表面层的电阻低，优选相对于阴极隔板16在厚度方向上偏斜地设置。由此，阴极气体扩散层14在阴极CA生成高压的压缩氢时，追随阴极隔板16和电解质膜11等的变形，由此可抑制电化学单元100B的接触电阻的增加。

另外，在阴极气体扩散层14中，为了提高导电性和增加接触面，可以在碳纤维之间设置碳粒子和树脂。

作为碳粒子的材料，例如可以举出乙炔黑、科琴黑、天然石墨等。其中，从提高导电性的观点出发，优选使用乙炔黑。

作为树脂的材料，可以举出PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、ETFE(四氟乙烯-乙烯共聚物)、PCTFE(聚氯三氟乙烯)、PFA(四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物)等。其中，从确保耐热性、防水性、耐药品(化学品)性的观点出发，优选使用PTFE。再者，该情况下，作为PTFE的原料形态，可以举出分散液、粉末状等。

另外，作为阴极气体扩散层14的制法，例如可以使用喷涂、棒涂、转印、浸涂等，但并不限定于此。

阳极气体扩散层15设置在阳极催化剂层13上。阳极气体扩散层15由多孔性材料构成，具有导电性和气体扩散性。另外，阳极气体扩散层15优选具有在电化学式氢泵100工作时能够承受由上述压差产生的电解质膜11的按压的程度的刚性。即、阳极气体扩散层15的弹性模量比阴极气体扩散层14的弹性模量高。由此，在阳极气体扩散层15中，容易得到能够承受由在电化学单元100B的阴极CA与阳极AN之间产生的差压引起的电解质膜11的按压的程度的刚性。

另外，如图1B和图2B所示，阳极气体扩散层15包含多孔片15S，多孔片15S的详细结构在第1实施例和第2实施例中进行说明。

在此，在本实施方式的电化学式氢泵100中，如图3所示，阳极气体扩散层15的厚度T为阴极气体扩散层14的厚度t以上。由此，关于阳极气体扩散层15和阴极气体扩散层14的厚度的本公开的结构(T≥t)，与专利文献2那样的关于两者的厚度的以往的结构(T＜t)相比，在阳极气体扩散层15产生的压力损失降低。

具体而言，例如，将电化学式氢泵100的温度和供应到阳极AN的含氢气体的露点分别设定为约50℃，并且在本公开的结构的一个例子和以往的结构的一个例子中，将电化学单元100B的阴极CA的气压(以下记为阴极压力)和含氢气体的流量设定为相同条件。于这样的状态下测定在阳极气体扩散层15产生的压力损失，得到以下结果，确认了本公开的结构与以往的结构相比，在阳极气体扩散层15产生的压力损失降低。

·本公开的结构：27.16kPa

·以往的结构：27.51kPa

接着，对于本公开的结构和以往的结构各自的电化学单元，测定了阴极压力与过电压的相关性。

图4是表示本公开的结构和以往的结构各自的电化学单元中的阴极压力与过电压的关系的一个例子的图。图4的横轴表示电化学单元的阴极压力，纵轴表示电化学单元的过电压。

如图4所示，在本公开的结构和以往的结构中，在电化学单元的阴极压力超过A区域之前，电化学单元的过电压随着电化学单元的阴极压力的上升而逐渐上升，在电化学单元的阴极压力超过A区域的高压侧区域中，本公开的结构的电化学单元100B的过电压的上升与以往的结构的电化学单元的过电压上升相比变得缓慢。认为该现象是由于在电解质膜11的干燥方面，本公开的结构与以往的结构存在以下差异。

以往的机构的电化学单元，阳极气体扩散层15的厚度T比阴极气体扩散层14的厚度t小，所以与本公开的结构的电化学单元100B相比，在阳极气体扩散层15产生的压力损失大。因此，以往的结构的电化学单元与本公开的结构的电化学单元100B相比，供给到阳极AN的含氢气体中的水蒸气量减少，从而导致用于抑制电解质膜11的干燥的水容易不足。在此，一般来说，随着电化学单元的阴极压力的上升，电解质膜11的温度上升，电解质膜11的温度越高，用于抑制电解质膜11的干燥的水就需要越多。因此，如图4所示，在电化学单元的阴极压力超过A区域的高压侧区域中，以往的结构的电化学单元与本公开的结构的电化学单元100B相比，容易陷入用于抑制电解质膜11的干燥的加湿不足的情况，使电化学单元的过电压上升变得显著。

如图1A和图2A所示，阳极隔板17是设置在阳极AN的阳极气体扩散层15上的部件。阴极隔板16是设置在阴极CA的阴极气体扩散层14上的部件。

而且，在阴极隔板16和阳极隔板17各自的中央部设有凹部。在这些凹部的每一个中，分别收纳有阴极气体扩散层14和阳极气体扩散层15。

这样，通过用阴极隔板16和阳极隔板17夹持电化学单元100B，形成氢泵单元100A。

与阴极气体扩散层14接触的阴极隔板16的主面不设置阴极气体流路而由平面构成。由此，与在阴极隔板16的主面设置阴极气体流路的情况相比，能够增大阴极气体扩散层14与阴极隔板16之间的接触面积。于是，电化学式氢泵100能够减小阴极气体扩散层14与阴极隔板16之间的接触电阻。

与此相对，在与多孔片15S接触的阳极隔板17的主面上，设置有俯视时例如包含多个U字状的折返部分和多个直线部分的蜿蜒状(蛇形)的阳极气体流路33。而且，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。但这样的阳极气体流路33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构成。

另外，在导电性的阴极隔板16与阳极隔板17之间，夹入以包围电化学单元100B的周围的方式设置的环状且平板状的绝缘体21。由此，防止阴极隔板16与阳极隔板17的短路。

在此，电化学式氢泵100具备设置在氢泵单元100A的层叠方向的两端上的第1端板和第2端板、以及用于将氢泵单元100A、第1端板和第2端板在层叠方向上紧固的紧固器25。

另外，在图1A和图2A所示的例子中，阴极端板24C和阳极端板24A分别对应于上述的第1端板和第2端板。即、阳极端板24A是在氢泵单元100A的各部件层叠的层叠方向上，设置在位于一端的阳极隔板17上的端板。另外，阴极端板24C是在氢泵单元100A的各部件层叠的层叠方向上，设置在位于另一端的阴极隔板16上的端板。

紧固器25只要能够将氢泵单元100A、阴极端板24C和阳极端板24A在层叠方向上紧固，就可以是任意结构。例如，作为紧固器25，可以举出螺栓和附带碟形弹簧的螺母等。

如图1A所示，筒状的阴极气体导出歧管28由设置在3个氢泵单元100A的各部件和阴极端板24C上的贯通孔、以及设置在阳极端板24A上的非贯通孔的连接而构成。另外，在阴极端板24C设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CA排出的阴极废气流通的配管构成。并且，阴极气体导出路径26与上述阴极气体导出歧管28连通。

另外，阴极气体导出歧管28分别经由阴极气体流通路径34与氢泵单元100A的各个阴极CA连通。由此，在氢泵单元100A的各个阴极CA生成的压缩氢在通过各个阴极气体流通路径34之后，在阴极气体导出歧管28合流。并且，合流后的压缩氢被导向阴极气体导出路径26。

这样，氢泵单元100A的各个阴极CA经由氢泵单元100A的各个阴极气体流通路径34和阴极气体导出歧管28而连通。

在阴极隔板16与阳极隔板17之间、阴极隔板16与阴极供电板22C之间、阳极隔板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28的方式设置O形环等环状的密封部件40，阴极气体导出歧管28被该密封部件40适当地密封。

如图2A所示，在阳极端板24A设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与筒状的阳极气体导入歧管27连通。另外，阳极气体导入歧管27由设置在3个氢泵单元100A的各部件和阳极端板24A上的贯通孔的连接而构成。

阳极气体导入歧管27分别经由第1阳极气体流通路径35与氢泵单元100A的各个阳极气体流路33的一个端部连通。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阳极气体流通路径35分配到各个氢泵单元100A。然后，在被分配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，在阳极端板24A设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与筒状的阳极气体导出歧管30连通。另外，阳极气体导出歧管30由设置在3个氢泵单元100A的各部件和阳极端板24A上的贯通孔的连接而构成。

阳极气体导出歧管30分别经由第2阳极气体流通路径36与氢泵单元100A的各个阳极气体流路33的另一个端部连通。由此，通过了氢泵单元100A的各个阳极气体流路33的含氢气体分别通过第2阳极气体流通路径36供给到阳极气体导出歧管30，并在此合流。然后，合流后的含氢气体被导向阳极气体导出路径31。

在阴极隔板16与阳极隔板17之间、阴极隔板16与阴极供电板22C之间、阳极隔板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和阳极气体导出歧管30的方式设置O形环等环状的密封部件40，阳极气体导入歧管27和阳极气体导出歧管30被密封部件40适当密封。

如图1A和图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的高电位施加于阳极催化剂层13，电压施加器102的低电位施加于阴极催化剂层12。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，则可以是任何结构。例如，电压施加器102也可以是对施加在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间的电压进行调整的装置。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例如也可以是对施加在阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间的电压、在电化学单元100B流通的电流进行调整，以使供给到氢泵单元100A的电力成为预定的设定值的电力型电源。

另外，在图1A和图2A所示的例子中，电压施加器102的低电位侧的端子与阴极供电板22C连接，电压施加器102的高电位侧的端子与阳极供电板22A连接。阴极供电板22C与上述层叠方向上位于另一端的阴极隔板16电连接，并且与阴极端板24C隔着阴极绝缘板23C配置。阳极供电板22A与上述层叠方向上位于一端的阳极隔板17电连接，并且与阳极端板24A隔着阳极绝缘板23A配置。

这样，本实施方式的电化学式氢泵100，通过由电压施加器102施加上述电压，能够使供给到阳极AN的含氢气体中的氢经由电解质膜11移动到阴极CA，生成压缩氢。

在此，虽然在图中未示出，但可适当设置在本实施方式的电化学式氢泵100的氢压缩运转中所需的部件和设备。

例如，设置有检测电化学式氢泵100的温度的温度检测器、检测在电化学式氢泵100的阴极CA被压缩的氢的压力的压力检测器等。另外，在阳极气体导入路径29、阳极气体导出路径31和阴极气体导出路径26的适当部位，设置有用于使这些路径开闭的阀等。

以上说明的电化学式氢泵100的结构只是例示，不限定于本例。例如，电化学式氢泵100可以不设置阳极气体导出歧管30和阳极气体导出路径31，而是采用将通过阳极气体导入歧管27供给到阳极AN的含氢气体中的氢(H₂)全部在阴极CA进行压缩的死端结构。

[工作]

以下，参照附图对电化学式氢泵100的工作的一个例子进行说明。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。但是，并不是必须利用控制器进行以下的工作。也可以由操作员进行其中一部分工作。在以下的例子中，对通过控制器控制工作的情况进行说明。

首先，向电化学式氢泵100的阳极AN供给低压和高湿度的含氢气体，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AN的阳极催化剂层13中，氢分子分离为质子和电子(式(1))。质子在电解质膜11内传导，移动到阴极催化剂层12。电子经由电压施加器102移动到阴极催化剂层12。

然后，在阴极催化剂层12中，再次生成氢分子(式(2))。另外，已知当质子在电解质膜11中传导时，预定水量的水作为电渗透水伴随质子从阳极AN移动到阴极CA。

此时，例如在电化学式氢泵100的阴极CA生成的压缩氢通过阴极气体导出路径26供给到未图示的氢储藏器的情况下，使用设置于阴极气体导出路径26的背压阀、调整阀(未图示)等，使阴极气体导出路径26的压力损失增加，由此能够在阴极CA生成压缩氢(H₂)。在此，所谓使阴极气体导出路径26的压力损失增加，与减小设置于阴极气体导出路径26的背压阀、调整阀的开度相对应。

阳极：H₂(低压)→2H⁺+2e^-(1)

阴极：2H⁺+2e^-→H₂(高压)(2)

这样，进行如下的氢压缩工作，即、通过对电化学式氢泵100的阳极催化剂层13与阴极催化剂层12之间施加电压，使供给到阳极AN的含氢气体中的氢经由电解质膜11移动到阴极CA，生成压缩氢。

接着，在电化学式氢泵100的阴极CA生成的压缩氢，从阴极CA通过阴极气体导出路径26向电化学式氢泵100外排出。例如，也可以将在阴极气体导出路径26中流动的压缩氢在除去水分和杂质等后，供给到作为氢需求体的一个例子的氢储藏器中，暂时储藏在氢储藏器内。储藏在氢储藏器中的压缩氢可以适时地供给到作为氢需求体的一个例子的燃料电池中。

另外，在阴极CA生成的压缩氢可以不经由氢储藏器而直接供给到燃料电池中。另外，在上述氢压缩工作中，例如在向氢储藏器供给压缩氢之前，阴极CA内的压缩氢被升压至预定的供给压力，然后向氢储藏器供给压缩氢。预定的供给压力可例示为40MPa、80MPa等。

如上所述，本实施方式的电化学单元100B和电化学式氢泵100(以下简称为电化学单元100B等)，与以往相比能够高效率地维持氢压缩工作。具体而言，本实施方式的电化学单元100B等，通过将阳极气体扩散层15的厚度T设为阴极气体扩散层14的厚度t以上，与阳极气体扩散层的厚度T比阴极气体扩散层的厚度t小的情况相比，改善了与阳极气体扩散层15的主面平行的方向上的含氢气体的扩散性。于是，本实施方式的电化学单元100B等，降低了在阳极气体扩散层15产生的压力损失，所以能够抑制供给到阳极AN的含氢气体的压力上升，其结果，能够将用于加湿电解质膜11的含氢气体中的水蒸气量保持为适量。由此，本实施方式的电化学单元100B等能够抑制由电解质膜11的干燥引起的电化学单元100B等的氢压缩效率的降低。

(第1实施例)

本实施例的电化学单元100B等，除了多孔片15S是金属多孔片以外，与第1实施方式的电化学单元100B等相同。

阳极气体扩散层15包含金属多孔片。作为金属多孔片，例如可以使用金属粉末烧结体、金属纤维烧结体等，但并不限定于此。另外，作为金属材料，可以使用钛，但并不限定于此。例如，除了钛以外，还可以使用铬、镍、钨、钽、铁、锰等金属材料。另外，也可以使用这些金属中的2种以上的合金化的合金钢(例如不锈钢)、作为氮化物的TiN、作为碳化物的TiC等。

另外，作为金属多孔片的制法，例如可以采用向熔融金属中加入发泡剂进行制造的方法、对金属粉末或金属纤维进行压缩成型烧结的方法等，但并不限定于这些方法。

通过以上，本实施例的电化学单元100B等，通过阳极气体扩散层15包含由金属粉末烧结体等构成的金属多孔片，能够在阳极气体扩散层15中得到期望的导电性、气体扩散性和刚性。

本实施例的电化学单元100B等，除了上述特征以外，可以与第1实施方式的电化学单元100B等相同。

(第2实施例)

本实施例的电化学单元100B等，除了多孔片15S是碳多孔片以外，与第1实施方式的电化学单元100B等相同。

阳极气体扩散层15包含碳多孔片。作为碳多孔片，例如可以使用碳粉末烧结体、碳纤维烧结体等，但并不限定于此。

在使用碳粉末烧结体作为碳多孔片的情况下，作为碳粒子的材料，例如可以举出乙炔黑、科琴黑、天然石墨等。其中，从提高导电性的观点出发，优选使用乙炔黑。

在使用碳纤维烧结体作为碳多孔片的情况下，为了提高导电性和增加接触面，可以在碳纤维之间设置碳粒子和树脂。

作为碳粒子的材料，与上述同样，可以举出乙炔黑、科琴黑、天然石墨等。其中，从提高导电性的观点出发，优选使用乙炔黑。

作为树脂的材料，可以举出PTFE(聚四氟乙烯)、FEP(四氟乙烯-六氟丙烯共聚物)、PVDF(聚偏氟乙烯)、ETFE(四氟乙烯-乙烯共聚物)、PCTFE(聚氯三氟乙烯)、PFA(四氟乙烯-全氟烷基乙烯基醚共聚物)等。其中，从确保耐热性、防水性、耐药品性的观点出发，优选使用PTFE。该情况下，作为PTFE的原料形态，可以举出分散液、粉末状等。

另外，作为碳多孔片的制法，例如可以采用喷涂、棒涂、转印、浸涂等，但并不限定于这些。

通过以上，本实施例的电化学单元100B等，通过阳极气体扩散层15包含由碳粉末烧结体或碳纤维烧结体等构成的碳多孔片，能够在阳极气体扩散层15中得到期望的导电性、气体扩散性和刚性。

本实施例的电化学单元100B等，除了上述特征以外，可以与第1实施方式的电化学单元100B等相同。

(第2实施方式)

本实施方式的电化学单元100B等，除了与阳极气体扩散层15和阴极气体扩散层14的厚度相关的以下内容以外，与第1实施方式的电化学单元100B等相同。

在本实施方式的电化学单元100B等中，阳极气体扩散层15的厚度T与阴极气体扩散层14的厚度t之差(T－t)为0.1mm以下。

图5是表示第2实施方式的电化学单元中的阳极气体扩散层的厚度和阴极气体扩散层的厚度之差与过电压的关系的一个例子的图。图5的横轴表示将阴极气体扩散层的厚度t固定了的情况下阳极气体扩散层15的厚度T与阴极气体扩散层14的厚度t之差(T－t)，纵轴表示电化学单元100B的过电压。

如图5所示，在上述差(T－t)为0mm和0.1mm的情况下，没有观察到电化学单元100B的过电压上升，但在上述差(T－t)为0.2mm的情况下，电化学单元100B的过电压上升了。认为该过电压上升是由与阳极气体扩散层15的主面垂直的方向上的含氢气体的扩散性恶化引起的现象。

这样，如果阳极气体扩散层15的厚度T与阴极气体扩散层14的厚度t之差(T－t)超过0.1mm，则阳极气体扩散层15的厚度T变厚，由此与阳极气体扩散层15的主面垂直的方向上的含氢气体的扩散性有可能恶化。

因此，本实施方式的电化学单元100B等，通过将阳极气体扩散层15的厚度T与阴极气体扩散层14的厚度t之差(T－t)设为0.1mm以下，与该厚度之差(T－t)超过0.1mm的情况相比，能够适当地维持与阳极气体扩散层的主面垂直的方向上的含氢气体的扩散性。

本实施方式的电化学单元100B等，除了上述特征以外，可以与第1实施方式和第1实施方式的第1实施例～第2实施例的任一个电化学单元100B等相同。

第1实施方式、第1实施方式的第1实施例～第2实施例和第2实施方式，只要不相互排斥对方，就可以相互组合。

另外，根据上述说明，本公开的许多改良和其他实施方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，上述说明仅应被解释为例示，是为了教导本领域技术人员实施本公开的最佳方式而提供的。在不脱离本公开的主旨的情况下，可以对其结构和/或功能的详细情况进行实质性的改变。

产业可利用性

本公开可利用于与以往相比能够高效率维持氢压缩工作的氢泵用的电化学单元和压缩装置。

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

15S：多孔片

16：阴极隔板

17：阳极隔板

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：紧固器

26：阴极气体导出路径

27：阳极气体导入歧管

28：阴极气体导出歧管

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

33：阳极气体流路

34：阴极气体流通路径

35：第1阳极气体流通路径

36：第2阳极气体流通路径

40：密封部件

42：密封部件

43：密封部件

100：电化学式氢泵

100A：氢泵单元

100B：电化学单元

102：电压施加器

AN：阳极

CA：阴极

T：厚度

t：厚度

Claims (8)

1.一种氢泵用的电化学单元，具备：

电解质膜；

设置在所述电解质膜的一个主面上的阳极催化剂层；

设置在所述电解质膜的另一个主面上的阴极催化剂层；

设置在所述阳极催化剂层上的阳极气体扩散层；以及

设置在所述阴极催化剂层上的阴极气体扩散层，

在对所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间施加电压时，所述阴极气体扩散层暴露于比所述阳极气体扩散层高压的含氢气体中，所述阳极气体扩散层的厚度为所述阴极气体扩散层的厚度以上。

2.根据权利要求1所述的电化学单元，

所述阳极气体扩散层的弹性模量比所述阴极气体扩散层的弹性模量高。

3.根据权利要求1所述的电化学单元，

所述阳极气体扩散层包含金属多孔片。

4.根据权利要求1所述的电化学单元，

所述阳极气体扩散层包含碳多孔片。

5.根据权利要求4所述的电化学单元，

所述碳多孔片是碳粉末烧结体。

6.根据权利要求4所述的电化学单元，

所述碳多孔片是碳纤维烧结体。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的电化学单元，

所述阳极气体扩散层的厚度与所述阴极气体扩散层的厚度之差为0.1mm以下。

8.一种压缩装置，具备：

权利要求1～7中任一项所述的电化学单元；以及

对所述电化学单元的所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层之间施加电压的电压施加器，

通过所述电压施加器施加所述电压，由此使供给到阳极的含氢气体中的氢经由所述电解质膜移动到阴极，生成压缩氢。