JP2018104770A - Gas diffusion device and electrochemical hydrogen pump - Google Patents
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Abstract
Description
本開示はガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプに関する。 The present disclosure relates to gas diffusion devices and electrochemical hydrogen pumps.
近年、地球の温暖化などの環境問題、石油資源の枯渇などのエネルギー問題から、化石燃料に代わるクリーンな代替エネルギー源として、水素が注目されている。水素は燃焼しても水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素および窒素酸化物などが排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。水素を燃料として利用する装置としては、例えば、燃料電池があり、自動車用電源向け、家庭用自家発電向けに、燃料電池の開発および普及が進んでいる。そして、来るべき水素社会では、水素を製造することはもとより、水素を高密度で貯蔵し、小容量かつ低コストで輸送または利用し得る技術開発が求められている。更に、燃料電池の普及の促進には、燃料供給インフラを整備する必要がある。そこで、高純度の水素を精製および昇圧する様々な提案が行われている。 In recent years, hydrogen has attracted attention as a clean alternative energy source to replace fossil fuels due to environmental problems such as global warming and energy problems such as the depletion of petroleum resources. When hydrogen burns, only water is released, and carbon dioxide and nitrogen oxides that cause global warming are not discharged. Therefore, hydrogen is expected as clean energy. As an apparatus using hydrogen as a fuel, for example, there is a fuel cell, and the development and popularization of a fuel cell is progressing for a power source for automobiles and a private power generation for home use. In the coming hydrogen society, not only the production of hydrogen, but also the development of technology capable of storing hydrogen at a high density and transporting or using it at a low capacity and at a low cost is required. Furthermore, in order to promote the spread of fuel cells, it is necessary to improve the fuel supply infrastructure. Accordingly, various proposals have been made to purify and boost high-purity hydrogen.
例えば、電解質膜に設けられたアノードとカソードとの間に電圧をかけて、アノード側に供給された水を電気分解することで、カソード側に高圧状態の水素を製造する高圧水素製造装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, we propose a high-pressure hydrogen production system that produces high-pressure hydrogen on the cathode side by applying voltage between the anode and cathode provided on the electrolyte membrane and electrolyzing water supplied to the anode side. (For example, refer to Patent Document 1).
また、例えば、特許文献2には、図9に示すように、高差圧用電気化学セルの電解質膜の支持部材130が、電解質膜に接触するガス拡散層として用いられている。つまり、支持部材130の一方の面には、複数の矩形の凹部が形成され、他方の面には複数の菱形の凹部が形成されている。そして、両方の凹部同士の重畳部が、流体が通過する貫通孔131を構成している。これにより、従来のメッシュタイプのガス拡散層で発生する恐れがあった流体流路の詰まりを抑制できるとともに、電気化学セルの高圧側と低圧側との差圧に耐え得る剛性を確保できる。よって、電解質膜の破損点に至るような変形が支持部材130の支持により抑制される。
Further, for example, in Patent Document 2, as shown in FIG. 9, a
しかし、従来例は、ガス拡散層を構成する金属シートに、適宜の流路部材のガス流路から供給されるガスが通過するための貫通孔をどのように配置するかについては十分に検討されていない。 However, in the conventional example, the metal sheet constituting the gas diffusion layer is sufficiently studied as to how to arrange the through-hole for allowing the gas supplied from the gas flow path of the appropriate flow path member to pass therethrough. Not.
本開示の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられているガス拡散デバイスを提供する。また、本開示の一態様は、このようなガス拡散デバイスを備える電気化学式水素ポンプを提供する。 One aspect of the present disclosure (aspect) is made in view of such circumstances, and a through-hole through which a gas from a gas flow path passes is provided at an appropriate position of the metal sheet as compared with the conventional one. A gas diffusion device is provided. Moreover, one aspect of the present disclosure provides an electrochemical hydrogen pump including such a gas diffusion device.
上記課題を解決するため、本開示の一態様のガス拡散デバイスは、ガス流路を備える第1の金属シートと、前記ガス流路から供給されるガスが通過する複数の貫通孔を備える、1つ以上の第2の金属シートとを備え、前記第1の金属シートに隣接する前記第2の金属シートにおいて、前記ガス流路の縁下に位置する前記貫通孔は、当該ガス流路の前記縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少ない。 In order to solve the above problems, a gas diffusion device according to an aspect of the present disclosure includes a first metal sheet including a gas flow path, and a plurality of through holes through which a gas supplied from the gas flow path passes. Two or more second metal sheets, and in the second metal sheet adjacent to the first metal sheet, the through-hole located under the edge of the gas flow path is the gas flow path. Fewer than through holes located below a predetermined line along the edge.
また、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備える電解質膜と、前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、前記カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、前記アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、前記アノードガス拡散デバイスは、上記記載のガス拡散デバイスを含む。 An electrochemical hydrogen pump according to one embodiment of the present disclosure includes an electrolyte membrane having a pair of main surfaces, a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane, and the other main surface of the electrolyte membrane. A voltage is applied between the anode catalyst layer provided, the cathode gas diffusion device provided in the cathode catalyst layer, the anode gas diffusion device provided in the anode catalyst layer, and the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. A voltage applicator to be applied, and the anode gas diffusion device includes the gas diffusion device described above.
本開示の一態様のガス拡散デバイスおよび電気化学式水素ポンプは、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられている、という効果を奏する。 The gas diffusion device and the electrochemical hydrogen pump according to one aspect of the present disclosure have an effect that a through-hole through which a gas from a gas flow path passes is provided at an appropriate position of the metal sheet, as compared with the related art.
ガス拡散層を構成する金属シートに、適宜の流路部材のガス流路から供給されるガスが通過するための貫通孔をどのように配置するかについて鋭意検討が行われ、以下の知見が得られた。 The metal sheet constituting the gas diffusion layer has been intensively studied on how to arrange through holes for the gas supplied from the gas flow path of the appropriate flow path member to pass, and the following knowledge has been obtained. It was.
金属シートに設ける貫通孔が多い程、一般的に、金属シートの強度は低下する。特に、流路部材のガス流路を通じて金属シートの貫通孔にガスを流入させる構成を取る場合、金属シートに、かかる貫通孔をどのように配置するかは、金属シートの強度設計において重要な要素となる。例えば、金属シートの貫通孔がガス流路の縁下に位置する場合は、金属シートがガス流路上で押圧されると、この貫通孔の部分に曲げ応力が集中するので好ましくない。 Generally, the more through holes provided in the metal sheet, the lower the strength of the metal sheet. In particular, when taking a configuration in which gas flows into the through hole of the metal sheet through the gas flow path of the flow path member, how to arrange the through hole in the metal sheet is an important factor in the strength design of the metal sheet. It becomes. For example, when the through hole of the metal sheet is located below the edge of the gas flow path, if the metal sheet is pressed on the gas flow path, bending stress concentrates on the through hole, which is not preferable.
そこで、本開示の第1の態様のガス拡散デバイスは、ガス流路を備える第1の金属シートと、ガス流路から供給されるガスが通過する複数の貫通孔を備える、1つ以上の第2の金属シートとを備え、第1の金属シートに隣接する第2の金属シートにおいて、ガス流路の縁下に位置する貫通孔は、当該ガス流路の縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少ない。 Therefore, the gas diffusion device according to the first aspect of the present disclosure includes one or more first metal sheets including a gas flow path and a plurality of through holes through which gas supplied from the gas flow path passes. In the second metal sheet adjacent to the first metal sheet, the through hole located below the edge of the gas flow path is located below a predetermined line along the edge of the gas flow path. There are fewer than through holes.
かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスは、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられている。 According to such a configuration, in the gas diffusion device of this aspect, the through hole through which the gas from the gas flow path passes is provided at an appropriate position of the metal sheet as compared with the conventional case.
ここで、「ガス流路の縁に沿う所定の線」とは、ガス流路の縁線に略並行な所定の線を意味する。ガス流路の縁線とは、第1の金属シートにおいて、ガス流路とガス流路外の領域との境界線を意味する。略並行は、ガス流路の縁線と所定の線とのなす角度が±5度の範囲内にあることを意味する。 Here, the “predetermined line along the edge of the gas flow path” means a predetermined line substantially parallel to the edge line of the gas flow path. The edge line of the gas flow path means a boundary line between the gas flow path and a region outside the gas flow path in the first metal sheet. Substantially parallel means that the angle formed between the edge line of the gas flow path and the predetermined line is within a range of ± 5 degrees.
具体的には、第2の金属シートの貫通孔が、第1の金属シートのガス流路の縁下に位置する場合、第2の金属シートがガス流路上で押圧されると、この貫通孔の部分に曲げ応力が集中する。このため、第2の金属シートにおいて、ガス流路の縁下に位置する貫通孔の数が多い程、第2の金属シートが押圧により下方に曲がる恐れ、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する恐れがある。しかし、本態様のガス拡散デバイスは、ガス流路の縁下に位置する貫通孔を、当該ガス流路の縁に沿う所定の線下に位置する貫通孔よりも少なくすることにより、第2の金属シートが押圧により下方に曲がりにくく構成されている。また、貫通孔にクラックなどの損傷が発生することを抑制し得るように構成されている。 Specifically, when the through hole of the second metal sheet is located below the edge of the gas flow path of the first metal sheet, the through hole is pressed when the second metal sheet is pressed on the gas flow path. Bending stress concentrates on the part. For this reason, in the second metal sheet, as the number of through holes located under the edge of the gas flow path is larger, the second metal sheet may be bent downward by pressing, and damage such as cracks occurs in the through holes. There is a fear. However, the gas diffusion device according to the present aspect reduces the number of through-holes located below the edge of the gas flow path from the number of through-holes located below a predetermined line along the edge of the gas flow path. The metal sheet is configured not to bend downward by pressing. Moreover, it is comprised so that it can suppress that damages, such as a crack, generate | occur | produce in a through-hole.
本開示の第2の態様のガス拡散デバイスは、第1の態様のガス拡散デバイスにおける、第1の金属シートに隣接する第2の金属シートにおいて、ガス流路下に位置する貫通孔と、ガス流路外の第1の金属シートの領域下に位置するとともに、当該貫通孔に隣接する貫通孔との距離(以下、第1距離)は、ガス流路下に位置する、複数の貫通孔間の距離(以下、第2距離)よりも長い。 The gas diffusion device according to the second aspect of the present disclosure is the gas diffusion device according to the first aspect. The second metal sheet adjacent to the first metal sheet in the gas diffusion device according to the first aspect, The distance between the through holes adjacent to the through hole (hereinafter referred to as the first distance) is located between the plurality of through holes located below the region of the first metal sheet outside the flow path and below the gas flow path. Longer than the distance (hereinafter referred to as the second distance).
かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスでは、第1距離が第2距離よりも長いので、例えば、第2の金属シートの面内において貫通孔を均一な間隔で配置する場合に比べて、第2の金属シートの貫通孔が、第1の金属シートのガス流路の縁下に位置する可能性が低くなる。よって、第2の金属シートが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。 According to such a configuration, in the gas diffusion device of this aspect, since the first distance is longer than the second distance, for example, compared to the case where the through holes are arranged at a uniform interval in the plane of the second metal sheet, The possibility that the through hole of the second metal sheet is located below the edge of the gas flow path of the first metal sheet is reduced. Therefore, it is possible to reduce the possibility that the second metal sheet bends downward due to pressing and the possibility that damage such as cracks occurs in the through hole.
また、第1距離を長くする程、ガス流路からのガス通過に寄与しない第2の金属シートの貫通孔の数を少なくできるので、第2の金属シートの貫通孔の総数増加が抑制され、第2の金属シートの強度を適切に確保できる。更に、第2距離を所望の長さに設定することで、ガス流路からのガス通過に寄与する第2の金属シートの貫通孔を、第2の金属シートの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。 Moreover, since the number of through holes of the second metal sheet that does not contribute to gas passage from the gas flow path can be reduced as the first distance is increased, an increase in the total number of through holes of the second metal sheet is suppressed, The strength of the second metal sheet can be appropriately secured. Furthermore, by setting the second distance to a desired length, the number of through-holes in the second metal sheet contributing to gas passage from the gas flow path is suppressed, and the increase in the total number of through-holes in the second metal sheet is suppressed. However, the required number can be provided.
本開示の第3の態様のガス拡散デバイスは、第1の態様のガス拡散デバイスにおける、第1の金属シートに隣接する第2の金属シートにおいて、ガス流路下に位置する複数の貫通孔の単位面積当たりの数は、ガス流路外の第1の金属シートの領域下に位置する複数の貫通孔の単位面積当たりの数よりも多い。 A gas diffusion device according to a third aspect of the present disclosure is the gas diffusion device according to the first aspect. The second metal sheet adjacent to the first metal sheet has a plurality of through-holes positioned below the gas flow path. The number per unit area is larger than the number per unit area of the plurality of through holes located under the region of the first metal sheet outside the gas flow path.
かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスでは、前者の貫通孔の単位面積当たりの数が後者の貫通孔の単位面積当たりの数よりも多いので、例えば、第2の金属シートの面内で貫通孔を均等に配置する場合に比べて、第2の金属シートの貫通孔が、第1の金属シートのガス流路の縁下に位置する可能性が低くなる。よって、第2の金属シートが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。 According to such a configuration, in the gas diffusion device of this aspect, the number of the former through-holes per unit area is larger than the number of the latter through-holes per unit area. For example, in the plane of the second metal sheet Compared to the case where the through holes are arranged uniformly, the possibility that the through holes of the second metal sheet are located below the edge of the gas flow path of the first metal sheet is reduced. Therefore, it is possible to reduce the possibility that the second metal sheet bends downward due to pressing and the possibility that damage such as cracks occurs in the through hole.
また、ガス流路からのガス通過に寄与しない第2の金属シートの貫通孔の数を少なくできるので、第2の金属シートの貫通孔の総数増加が抑制され、第2の金属シートの強度を適切に確保できる。更に、ガス流路からのガス通過に寄与する第2の金属シートの貫通孔を、第2の金属シートの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。 In addition, since the number of through holes of the second metal sheet that do not contribute to gas passage from the gas flow path can be reduced, an increase in the total number of through holes of the second metal sheet is suppressed, and the strength of the second metal sheet is reduced. It can be secured appropriately. Furthermore, the required number of through holes of the second metal sheet contributing to gas passage from the gas flow path can be provided while suppressing an increase in the total number of through holes of the second metal sheet.
本開示の第3の態様のガス拡散デバイスは、第1の態様のガス拡散デバイスにおいて、複数の第2の金属シートが、第1の金属シートに近い順に第1層から第3層まで少なくとも積層されており、第2層の第2の金属シートには、第1層の第2の金属シートにおいてガス流路下に位置する貫通孔と、第3層の第2の金属シートにおいてガス流路外の第1の金属シートの領域下に位置する貫通孔とを連絡する連絡路を備える。 A gas diffusion device according to a third aspect of the present disclosure is the gas diffusion device according to the first aspect, in which the plurality of second metal sheets are stacked at least from the first layer to the third layer in the order closer to the first metal sheet. The second metal sheet of the second layer includes a through hole located below the gas flow path in the second metal sheet of the first layer, and a gas flow path in the second metal sheet of the third layer. A communication path is provided that communicates with a through hole located below the area of the first outer metal sheet.
かかる構成によると、本態様のガス拡散デバイスは、従来に比べガスを均一に拡散し得る。つまり、第2層の第2の金属シートが連絡路を備えることで、第1の金属シートのガス流路から複数の第2の金属シート内を通過するガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路の配置パターンが異なる第2の金属シートを積層させることで、ガス拡散デバイス内のガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、ガス拡散デバイスのガス拡散性が向上する。 According to such a configuration, the gas diffusion device of this aspect can diffuse gas more uniformly than in the past. In other words, the second metal sheet of the second layer includes the communication path, so that the gas passing through the plurality of second metal sheets from the gas flow path of the first metal sheet is not limited to one direction, but can be arbitrarily selected. Can be sent in the direction. Then, the direction of the gas flow in a gas diffusion device can be arbitrarily set by laminating | stacking the 2nd metal sheet from which the arrangement pattern of a connection path differs. Thereby, the gas diffusibility of a gas diffusion device improves.
また、第1の金属シートのガス流路を通じて第1層の第2の金属シートの貫通孔にガスを流入させる構成を取っているので、第2層の第2の金属シートが連絡路を備えない場合、第1の金属シートのガス流路外の部分の垂直線上に位置する第2の金属シートの貫通孔にはガスが流れない。すると、ガス拡散デバイスのガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本態様のガス拡散デバイスでは、上記の連絡路を介して、このような第2の金属シートの貫通孔にもガスを流すことができるので、ガス拡散デバイスのガス拡散が不均一化することを抑制できる。 In addition, since the gas is flowed into the through hole of the second metal sheet of the first layer through the gas flow path of the first metal sheet, the second metal sheet of the second layer has a communication path. When there is not, gas does not flow into the through hole of the second metal sheet located on the vertical line of the portion outside the gas flow path of the first metal sheet. Then, the gas diffusion of the gas diffusion device may be nonuniform. However, in the gas diffusion device of this aspect, since gas can also flow through such a through hole of the second metal sheet through the communication path, gas diffusion of the gas diffusion device becomes non-uniform. This can be suppressed.
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備える電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、カソード触媒層およびアノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、を備え、アノードガス拡散デバイスは、第1の態様−第3の態様のいずれかのガス拡散デバイスを含む。 An electrochemical hydrogen pump according to one embodiment of the present disclosure includes an electrolyte membrane having a pair of main surfaces, a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane, and an anode provided on the other main surface of the electrolyte membrane A catalyst layer; a cathode gas diffusion device provided in the cathode catalyst layer; an anode gas diffusion device provided in the anode catalyst layer; and a voltage applicator for applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. The anode gas diffusion device comprises the gas diffusion device of any of the first aspect-third aspect.
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べ、適切にカソード触媒層とカソードガス拡散層との間の接触抵抗の増加を抑制し得る。 According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can appropriately suppress an increase in contact resistance between the cathode catalyst layer and the cathode gas diffusion layer as compared with the conventional one.
具体的には、電気化学式水素ポンプの動作時に、電気化学式水素ポンプのカソードガスが高圧状態になると、電解質膜がカソードガスを通さないので、アノードガス拡散デバイス、アノード触媒層および電解質膜に高圧がかかる。このとき、アノードガス拡散デバイスを構成する第2の金属シートが圧縮変形しやすい場合、カソードガス拡散層とカソード触媒層との間の密着性が低下し、両者間で隙間が生じやすい。仮に、カソードガス拡散層とカソード触媒層との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。しかし、本態様の電気化学式水素ポンプは、第2の金属シートが押圧により下方に曲がりにくく構成されているので、カソードガス拡散層とカソード触媒層との間の接触抵抗の増加を抑制できる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、電圧印加器で印加する電圧の増加、ひいては、電気化学式水素ポンプの運転効率の低下を抑制できる。 Specifically, during operation of the electrochemical hydrogen pump, if the cathode gas of the electrochemical hydrogen pump is in a high pressure state, the electrolyte membrane does not pass the cathode gas, so that high pressure is applied to the anode gas diffusion device, the anode catalyst layer, and the electrolyte membrane. Take it. At this time, when the second metal sheet constituting the anode gas diffusion device is easily compressed and deformed, the adhesion between the cathode gas diffusion layer and the cathode catalyst layer is lowered, and a gap is easily generated between the two. If there is a gap between the cathode gas diffusion layer and the cathode catalyst layer, the contact resistance between them increases. However, the electrochemical hydrogen pump according to this aspect is configured such that the second metal sheet is less likely to bend downward due to the pressing, and therefore, an increase in contact resistance between the cathode gas diffusion layer and the cathode catalyst layer can be suppressed. Therefore, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can suppress the increase in the voltage applied by the voltage applicator, and consequently the decrease in the operation efficiency of the electrochemical hydrogen pump.
以下、添付図面を参照しつつ、上記の本開示の各態様の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of each aspect of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings.
以下で説明する実施形態は、本開示の各態様の一例を示すものである。よって、以下で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態などは、請求項に記載されていない限り、本開示の各態様を限定するものではない。また、以下の構成要素のうち、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状および寸法比などについては正確な表示ではない場合がある。 The embodiment described below shows an example of each aspect of the present disclosure. Therefore, numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions of components, connection forms, and the like shown below do not limit each aspect of the present disclosure unless described in the claims. In addition, among the following constituent elements, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept of this aspect are described as optional constituent elements. In the drawings, the same reference numerals are sometimes omitted. In addition, the drawings schematically show each component for easy understanding, and there are cases where the shape and dimensional ratio are not accurately displayed.
(第1実施形態)
[装置構成]
図1および図2は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図2は、図1のA部の拡大図である。
(First embodiment)
[Device configuration]
1 and 2 are diagrams illustrating an example of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. FIG. 2 is an enlarged view of a portion A in FIG.
図1および図2に示すように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜14と、カソード触媒層15と、アノード触媒層16と、カソードガス拡散デバイス31と、アノードガス拡散デバイス9と、電圧印加器19と、締結器27と、を備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
カソードガス拡散デバイス31は、カソードガス拡散層31Aと、カソードセパレータ31Bと、を備える。アノードガス拡散デバイス9は、アノードガス拡散層24を備えるアノード本体1と、アノードガス流路板5と、アノード端板10と、を備える。
The cathode
カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の詳細な構成は後で説明する。
Detailed configurations of the cathode
電気化学式水素ポンプ100の単セル100Aは、電解質膜14と、カソード触媒層15と、アノード触媒層16と、カソードガス拡散デバイス31と、アノードガス拡散デバイス9と、を備える。よって、図1の電気化学式水素ポンプ100は、3段の単セル100Aが積層されたスタックを構成しているが、単セル100Aの段数はこれに限定されない。つまり、単セル100Aの段数は、電気化学式水素ポンプ100の水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。
A
締結器27は、電解質膜14、カソード触媒層15、アノード触媒層16、カソードガス拡散層31A、およびアノードガス拡散層24の積層体100Bを締結する。
The
つまり、上記の積層体100Bを備える単セル100Aを複数個、積層状態で適切に保持するには、単セル100Aの最上層のカソードガス拡散デバイス31の端面および最下層のアノードガス拡散デバイス9の端面をそれぞれ、図示しない絶縁板などを介して端板26Uおよび端板26Dで挟み、単セル100Aに所望の締結圧をかける必要がある。そこで、端板26Uおよび端板26Dの適所に、単セル100Aに締結圧をかけるための皿ばねなどを備える複数の締結器27が設けられている。
That is, in order to appropriately hold a plurality of
締結器27は、上記の積層体100Bを締結できれば、どのような構成であってもよい。締結器27として、例えば、端板26Uおよび端板26Dの間を貫通するボルト、および皿ばね付きナットなどを例示できる。
The
端板26Uには、カソードガス拡散デバイス31からのカソードガスが流通するカソードガス導出配管30が設けられている。つまり、カソードガス導出配管30は、積層状態の単セル100Aに設けられた筒状のカソードガス導出マニホルド(図示せず)に連通している。なお、カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の間には、平面視において、カソードガス導出マニホルドを囲むように図示しないOリングなどのシール部材が設けられ、カソードガス導出マニホルドが、このシール部材で適切にシールされている。
The
また、端板26Uには、アノードガス拡散デバイス9からの余剰のアノードガスが流通するアノードガス導出配管29も設けられている。つまり、アノードガス導出配管29は、積層状態の単セル100Aに設けられた筒状のアノードガス導出マニホルド29Aに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の間には、平面視において、アノードガス導出マニホルド29Aを囲むようにOリングなどのシール部材40が設けられ、アノードガス導出マニホルド29Aが、シール部材40で適切にシールされている。
The
端板26Dには、アノ−ドガス拡散デバイス9に供給されるアノードガスが流通するアノードガス導入配管28が設けられている。つまり、アノードガス導入配管28は、積層状態の単セル100Aに設けられた筒状のアノードガス導入マニホルド28Aに連通している。なお、カソードガス拡散デバイス31およびアノードガス拡散デバイス9の間には、平面視において、アノードガス導入マニホルド28Aを囲むようにOリングなどのシール部材40が設けられ、アノードガス導入マニホルド28Aが、シール部材40で適切にシールされている。
The
電解質膜14は、一対の主面を備える。電解質膜14は、プロトン(H+)を透過可能なプロトン伝導性高分子膜である。電解質膜14はプロトン伝導性高分子膜であれば、どのような膜であってもよい。例えば、電解質膜14として、フッ素系高分子電解質膜などを挙げることができる。具体的には、例えば、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(商品名、旭化成株式会社製)などを用いることができる。
The
カソード触媒層15は、電解質膜14の一方の主面(例えば、おもて面)に設けられている。なお、平面視において、カソード触媒層15の周囲を囲むようにOリング、ガスケットなどのシール部材41が設けられ、カソード触媒層15が、シール部材41で適切にシールされている。カソード触媒層15は、例えば、触媒金属として白金を含むが、これに限定されない。
The
アノード触媒層16は、電解質膜14の他方の主面(例えば、うら面)に設けられている。なお、平面視において、アノード触媒層16の周囲を囲むようにOリング、ガスケットなどのシール部材42が設けられ、アノード触媒層16が、シール部材42で適切にシールされている。アノード触媒層16は、例えば、触媒金属としてRuIrFeOxを含むが、これに限定されない。
The
カソード触媒層15もアノード触媒層16も、触媒の調製方法としては、種々の方法を挙げることができるので、特に限定されない。例えば、触媒の担体としては、導電性多孔質物質粉末、炭素系粉末などを挙げることができる。炭素系粉末としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、電気導電性を有する活性炭などの粉末を挙げることができる。カーボンなどの担体に、白金若しくは他の触媒金属を担持する方法は、特に限定されない。例えば、粉末混合または液相混合などの方法を用いてもよい。後者の液相混合としては、例えば、触媒成分コロイド液にカーボンなどの担体を分散させ、吸着させる方法などが挙げられる。また、必要に応じて活性酸素除去材を担体として、白金若しくは他の触媒金属を上記と同様の方法で担持することができる。白金などの触媒金属の担体への担持状態は、特に限定されない。例えば、触媒金属を微粒子化し、高分散で担体に担持してもよい。
The
電圧印加器19は、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加する。具体的には、電圧印加器19の低電位側端子は、導電性のカソードガス拡散デバイス31に接続され、電圧印加器19の高電位側端子が、導電性のアノードガス拡散デバイス9に接続されている。電圧印加器19は、カソード触媒層15およびアノード触媒層16の間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。
The
[カソードガス拡散デバイスの構成]
図3は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散デバイスの一例を示す図である。
[Configuration of cathode gas diffusion device]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cathode gas diffusion device of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.
カソードガス拡散デバイス31は、カソード触媒層15に設けられている。具体的には、カソードガス拡散デバイス31のカソードガス拡散層31Aは、電解質膜14と対向していないカソード触媒層15の主面上に設けられている。また、カソードガス拡散層31Aは、所望の弾性、所望の電気伝導性および所望のガス通気性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、カソードガス拡散層31Aは、図示しない金属繊維の焼結体で構成されていてもよい。金属繊維の材質は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などであってもよい。なお、この金属繊維の材質は例示であって、本例に限定されない。
The cathode
カソードガス拡散デバイス31のカソードセパレータ31Bは、カソードガス拡散層31Aから導出されたカソードガスが流れる凹部35を備える。そして、カソードガス拡散層31Aは、凹部35に収納されるとともに、締結器27による積層体100Bの締結前に、凹部35からその厚み方向に、はみ出して配設されている。凹部35からのカソードガス拡散層31Aの厚み方向のはみ出し量Ecdは、電気化学式水素ポンプ100の動作時における、アノードガス拡散層24、アノード触媒層16および電解質膜14のそれぞれの圧縮量などを考慮して適宜の値に設定される。
The
また、カソードセパレータ31Bは、カソードガスが流れるマニホルド孔32Cと、凹部35内のカソードガスをマニホルド孔32Cに導出するカソードガス連通経路32Bとを備える。つまり、単セル100Aが積層された場合、筒状のカソードガス導出マニホルドが、アノードガス拡散デバイス9に設けられたマニホルド孔32A(図4参照)と、マニホルド孔32Cとによって形成される。これにより、カソードガス拡散層31Aからカソードガス連通経路32Bを通じて高圧状態のカソードガスを取り出すことができる。
The
[アノードガス拡散デバイスの構成]
図4は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプのアノードガス拡散デバイスの一例を示す図である。図4(a)は、アノードガス拡散デバイス9のアノード本体1を平面視した図である。図4(b)は、アノードガス拡散デバイス9のアノードガス流路板5を平面視した図である。図4(c)は、アノードガス拡散デバイス9のアノード端板10を平面視した図である。
[Configuration of anode gas diffusion device]
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an anode gas diffusion device of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. FIG. 4A is a plan view of the
図4(d)は、アノードガス拡散デバイス9の断面図である。つまり、図4(d)では、図4(a)、図4(b)および図4(c)に平面視で示されたアノードガス拡散デバイス9のD−D部の断面が示されている。
FIG. 4D is a cross-sectional view of the anode
アノードガス拡散デバイス9は、アノード触媒層16に設けられている。具体的には、アノードガス拡散デバイス9のアノードガス拡散層24は、電解質膜14と対向していないアノード触媒層16の主面上に設けられている。
The anode
図4(a)および図4(d)に示すように、アノードガス拡散デバイス9のアノード本体1は、アノードガス拡散層24と、アノードガス導入用のマニホルド孔3およびアノードガス導出用のマニホルド孔4と、を備える。アノード本体1は、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などの金属で構成されていてもよい。アノード本体1の厚みは、数百μm程度(例えば、約400μm程度)であってもよい。これらの材質および厚みは例示であって、本例に限定されない。なお、アノードガス拡散層24は、1つ以上の金属シートで構成されているが、詳細は後で説明する。
4A and 4D, the
アノードガス拡散デバイス9のアノードガス流路板5は、アノード本体1の主面上に設けられている。本実施形態のアノードガス拡散デバイス9では、アノードガス流路板5は、アノード本体1の主面と面接触している。
The anode gas
アノードガス流路板5の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノードガス流路板5の厚みは、数十μm程度(例えば、約50μm程度)であってもよい。これらの材質および厚みは例示であって、本例に限定されない。
As a material of the anode gas
図4(b)および図4(d)に示すように、アノードガス流路板5は、アノードガス導入用のマニホルド孔7およびアノードガス導出用のマニホルド孔8を備える。
As shown in FIGS. 4B and 4D, the anode gas
マニホルド孔7およびマニホルド孔8はそれぞれ、アノード本体1のマニホルド孔3およびマニホルド孔4のそれぞれと対置するように配されている。
The
アノードガス流路板5のアノードガス流路6は、図4(b)に示す如く、一端がマニホルド孔7と連通し、他端がマニホルド孔8の両方と連通するサーペンタイン状のスリット孔36で構成されていてもよいし、図示を省略するが、マニホルド孔7およびマニホルド孔8と連通する複数の直線状のスリット孔で構成されていてもよい。
As shown in FIG. 4B, the anode
マニホルド孔7は、スリット孔36の一端と連通することで、アノードガス拡散層24へのアノードガス導入に用いられる。つまり、アノードガス流路6のスリット孔36とアノードガス拡散層24との接触部分を通過したアノードガスが、アノードガス拡散層24へ送られる。また、マニホルド孔8は、スリット孔36の他端と連通することで、アノードガス拡散層24からのアノードガス導出に用いられる。
The
アノードガス拡散デバイス9のアノード端板10は、アノードガス流路板5の主面のうち、アノード本体1と対向していない主面(以下、反対面)上に設けられている。具体的には、アノードガス流路板5のサーペンタイン状のスリット孔36が、アノード端板10によって反対面から覆われている。
The
アノード端板10の材質としては、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。アノード端板10の厚みは、数十μm程度(例えば、約50μm程度)であってもよい。これらの材質および厚みは例示であって、本例に限定されない。
As a material of the
また、アノード端板10は、アノードガス導入用のマニホルド孔11およびアノードガス導出用のマニホルド孔12を備える。アノード端板10のマニホルド孔11およびマニホルド孔12はそれぞれ、アノードガス流路板5のマニホルド孔7およびマニホルド孔8のそれぞれと対置するように配されている。
Further, the
以上により、単セル100Aが積層される場合、アノードガス導入マニホルド28Aが、マニホルド孔11とマニホルド孔7とマニホルド孔3とカソードセパレータ31Bのマニホルド孔とによって形成されている。アノードガス導出マニホルド29Aが、マニホルド孔12とマニホルド孔8とマニホルド孔4とカソードセパレータ31Bのマニホルド孔とによって形成されている。
As described above, when the
なお、アノード端板10とアノードガス流路板5とアノード本体1とが、溶接、ロウ付け、溶着などで金属接合させて一体的に結合されていてもよい。例えば、アノード端板10の主面とアノードガス流路板5の主面とアノード本体1の主面とが、拡散接合などにより面接合が行われていてもよい。これにより、アノード端板10とアノードガス流路板5とアノード本体1とを機械的な締結部材で固定して積層する場合に比べて、互いの接合部の空隙が消失するのでアノードガス拡散デバイス9の接触抵抗(電気抵抗)を低減できる。すると、アノードガス拡散デバイス9に所望の電圧を印加する場合、電気化学式水素ポンプ100に必要な消費電力の増加を抑制できる。
In addition, the
次に、図面を参照しながら、アノードガス拡散デバイス9(アノードガス拡散層24)を構成する金属シートの詳細について説明する。 Next, the details of the metal sheet constituting the anode gas diffusion device 9 (anode gas diffusion layer 24) will be described with reference to the drawings.
図5は、第1実施形態のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。図5(a)は、アノードガス流路6が形成されている領域200(図4参照)において、アノードガス拡散デバイス9を斜視した図である。図5(b)は、図5(a)のB−B部におけるアノードガス拡散デバイス9(アノードガス拡散層24)を構成する第2の金属シート22を第1の金属シート21(アノードガス流路板5およびアノード端板10)とともに断面視した図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a metal sheet constituting the anode gas diffusion device of the first embodiment. FIG. 5A is a perspective view of the anode
図5に示すように、アノードガス拡散デバイス9のアノードガス拡散層24は、アノードガス流路6から供給されるアノードガスが通過する複数の貫通孔23を備える、1つ以上の第2の金属シート22を備える。図5には、第2の金属シート22のうちの、第1の金属シート21に隣接する第2の金属シート22Aのみが示されている。第2の金属シート22A上に積層される第2の金属シート22の具体例は第2実施形態で説明する。
As shown in FIG. 5, the anode
なお、図5では、アノードガス流路6を備える第1の金属シート21は、アノードガス流路板5とアノード端板10とによって構成されているが、これに限定されない。第1の金属シート21は、アノードガス流路が溝状に設けられている単一の金属部材であってもよい。
In FIG. 5, the
第2の金属シート22は、貫通孔23以外の部分は、ガス通気性を備えないように構成されている。例えば、第2の金属シート22は、厚みが数十μm〜数百μm程度の金属鋼板であってもよいが、これに限定されない。この第2の金属シート22は、例えば、金属の鋳造および圧延を行うことで製造し得る。金属の鋳造および圧延の製法は公知であるので詳細な説明を省略する。
The
第2の金属シート22の材質として、例えば、ステンレススチール、チタン、チタン合金、アルミニウム合金などを用いることができる。
As a material of the
ここで、本実施形態のアノードガス拡散デバイス9では、図5に示すように、第1の金属シート21に隣接する第2の金属シート22Aにおいて、アノードガス流路6の縁38下に位置する貫通孔は、アノードガス流路6の縁38に沿う所定の線300下に位置する貫通孔23よりも少ない。貫通孔23は、例えば、直径が数十μm程度(例えば、約50μm程度)の丸孔であってもよい。また、第2の金属シート22Aは、前者の貫通孔が後者の貫通孔23よりも少ないものであれば、どのような構成であってもよい。
Here, in the anode
図5に示す例では、第2の金属シート22Aの複数の貫通孔23は、第1の金属シート21のアノードガス流路6を区画するリブ37の端部(つまり、縁38)のそれぞれからアノードガス流路6側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路6の縁線に略並行な一対の線300に沿って、等間隔ピッチで並んでいる。これらの貫通孔23は、アノードガス流路6のアノードガスが通過する開口部として構成されている。よって、貫通孔23は、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与する。
In the example shown in FIG. 5, the plurality of through
また、本実施形態のアノードガス拡散デバイス9では、第2の金属シート22Aの貫通孔23は、第1の金属シート21のアノードガス流路6を区画するリブ37には対向していない。よって、図5では、アノードガス流路6の縁38下に位置する第2の金属シート22Aの領域には、貫通孔が設けられていない。但し、線300下に位置する貫通孔23の数よりも少ない数であれば、アノードガス流路6の縁38下に位置するように貫通孔を設けても構わない。
Further, in the anode
以上により、本実施形態のアノードガス拡散デバイス9は、従来に比べ、アノードガス流路6からのガスを通過させる貫通孔23が第2の金属シート22Aの適切な位置に設けられている。
As described above, in the anode
具体的には、図5(a)の二点鎖線に示すような第2の金属シート22Aの貫通孔Pが、仮に、第1の金属シート21のアノードガス流路6の縁38下に位置する場合、カソードガス拡散層31Aのガス圧により第2の金属シート22Aがアノードガス流路6上で押圧されると、この貫通孔Pの部分に曲げ応力が集中する。このため、第2の金属シート22Aにおいて、第1の金属シート21のアノードガス流路6の縁38下に位置する貫通孔の数が多い程、第2の金属シート22Aが押圧により下方に曲がる恐れ、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する恐れがある。
Specifically, the through hole P of the
しかし、本実施形態のアノードガス拡散デバイス9は、アノードガス流路6の縁38下に位置する貫通孔を、当該アノードガス流路6の縁38に沿う所定の線300下に位置する貫通孔23よりも少なくすることにより、第2の金属シート22Aが押圧により下方に曲がりにくく構成されている。また、貫通孔にクラックなどの損傷が発生することを抑制し得るように構成されている。
However, in the anode
なお、以上の第2の金属シート22の材質、厚み、および、第2の金属シート22の貫通孔23の形状などは例示であって、本例に限定されない。
The material and thickness of the
[電気化学式水素ポンプの動作]
以下、図面を参照しながら、実施形態の電気化学式水素ポンプ100の動作(運転)の一例を説明する。
[Operation of electrochemical hydrogen pump]
Hereinafter, an example of the operation (operation) of the
なお、以下の動作の一部または全部は、図示しない制御器の制御プログラムにより行われても構わない。制御器は、制御機能を有するものであれば、どのような構成であっても構わない。制御器は、例えば、演算回路と、制御プログラムを記憶する記憶回路と、を備える。演算回路として、例えば、MPU、CPUなどが例示される。記憶回路として、例えば、メモリが例示される。制御器は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。 Part or all of the following operations may be performed by a control program of a controller (not shown). The controller may have any configuration as long as it has a control function. The controller includes, for example, an arithmetic circuit and a storage circuit that stores a control program. Examples of the arithmetic circuit include an MPU and a CPU. An example of the memory circuit is a memory. The controller may be composed of a single controller that performs centralized control, or may be composed of a plurality of controllers that perform distributed control in cooperation with each other.
まず、電圧印加器19により、カソードガス拡散デバイス31とアノードガス拡散デバイス9との間に電圧を印加する。
First, a voltage is applied between the cathode
次に、アノードガス導入配管28を通じて、アノードガスがアノードガス拡散デバイス9に供給される。具体的には、図4のマニホルド孔7にアノードガス導入配管28からアノードガスが供給される。すると、マニホルド孔7は、アノードガス流路6の一端と連通しているので、マニホルド孔7からアノードガス流路6にアノードガスが送られる。
Next, the anode gas is supplied to the anode
このとき、アノードガス流路6を流通するアノードガスの一部は、アノード本体1のアノードガス拡散層24へ送られる。アノードガス拡散層24はガス拡散作用を備えるので、アノードガス流路6からアノードガス流路板5と対向していないアノードガス拡散層24の主面(以下、反対面)へと向かうアノードガスが、アノードガス拡散層24で均一に拡散されながら、この反対面を通過できる。これにより、アノードガス拡散層24の反対面に配されたアノード触媒層16に均一にアノードガスが供給される。なお、上記の反対面を通過しなかった余剰のアノードガスは、アノードガス流路6の他端と連通したマニホルド孔8に送られ、アノードガス導出配管29へ排出される。なお、アノードガスとして、例えば、水素含有の改質ガス、水電解法で生成される水素含有ガスなどを挙げることができる。
At this time, a part of the anode gas flowing through the
以上により、アノードガス中の水素は、アノード触媒層16上で電子を遊離してプロトン(H+)となる(式(1))。遊離した電子は、電圧印加器19を介してカソード触媒層15へと移動する。
Thus, hydrogen in the anode gas releases electrons on the
一方、プロトンは、水分子を同伴しながら電解質膜14内を透過し、カソード触媒層15に移動する。カソード触媒層15では、電解質膜14を透過したプロトンと、電子とによる還元反応が行われ、カソードガス(水素ガス)が発生する(式(2))。
On the other hand, protons permeate the
これにより、CO2ガスなどの不純物を含む水素ガス(アノードガス)から高効率に水素ガスの純化が行われる。なお、アノードガスには、不純物としてCOガスを含有する場合がある。この場合、COガスは、アノード触媒層16などの触媒活性を低下させるので、COガスは、図示しないCO除去器(例えば、変成器、CO選択酸化器など)で除去する方がよい。
As a result, the hydrogen gas is purified with high efficiency from the hydrogen gas (anode gas) containing impurities such as CO 2 gas. The anode gas sometimes contains CO gas as an impurity. In this case, since CO gas reduces the catalytic activity of the
そして、カソードガス導出配管30の圧損を増やし、電圧印加器19の電圧Eを上げることで、カソードのガス圧P2が高圧になる。具体的には、アノードのガス圧P1、カソードのガス圧P2および電圧印加器19の電圧Eの関係は、以下の式(3)で定式化される。
The cathode gas pressure P2 is increased by increasing the pressure loss of the cathode
アノード:H2(低圧)→2H++2e− ・・・(1)
カソード:2H++2e−→H2(高圧) ・・・(2)
E=(RT/2F)ln(P2/P1)+ir・・・(3)
式(3)において、Rは気体定数(8.3145J/K・mol)、Tは温度(K)、Fはファラデー定数(96485C/mol)、P2はカソードのガス圧、P1はアノードのガス圧、iは電流密度(A/cm2)、rはセル抵抗(Ω・cm2)である。
Anode: H 2 (low pressure) → 2H + + 2e − (1)
Cathode: 2H + + 2e − → H 2 (high pressure) (2)
E = (RT / 2F) ln (P2 / P1) + ir (3)
In the formula (3), R is a gas constant (8.3145 J / K · mol), T is a temperature (K), F is a Faraday constant (96485 C / mol), P2 is a cathode gas pressure, and P1 is an anode gas pressure. , I is the current density (A / cm 2 ), and r is the cell resistance (Ω · cm 2 ).
式(3)から、電圧印加器19の電圧Eを上げることで、カソードのガス圧P2を上昇させ得ることが容易に理解できる。なお、カソードガス導出配管30の圧損は、例えば、カソードガス導出配管30に設けられた開閉弁の開度により増減させることができる。
From equation (3), it can be easily understood that the cathode gas pressure P2 can be increased by increasing the voltage E of the
そして、カソードガス拡散層31Aのガス圧が所定圧力以上になると、カソードガス導出配管30の圧損を減らすことで(例えば、開閉弁の開度を大きくすることで)、カソードガス拡散層31Aのカソードガスが、カソードガス導出配管30を通じて図示しない高圧水素タンクへ充填される。一方、カソードガス拡散層31Aのガス圧が所定圧力未満になると、カソードガス導出配管30の圧損を増やすことで(例えば、開閉弁の開度を小さくすることで)、カソードガス拡散層31Aと高圧水素タンクとが遮断される。これにより、高圧水素タンクのカソードガスが、カソードガス拡散層31Aに逆流することが抑制される。
When the gas pressure in the cathode
このようにして、電気化学式水素ポンプ100により、高純度のカソードガス(水素ガス)が、所望の目標圧力に昇圧され、高圧水素タンクへ充填される。
Thus, the
以上のカソードガスの昇圧動作では、カソードのガス圧P2が高圧になることで、電解質膜14、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24が押圧される。すると、この押圧によって、電解質膜14、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24はそれぞれ圧縮される。このとき、カソードガス拡散層31Aと電解質膜14(カソード触媒層15)との間の密着性が低いと、両者間で隙間が生じやすい。仮に、カソードガス拡散層31Aと電解質膜14(カソード触媒層15)との間で隙間が生じる場合、両者間の接触抵抗が増加する。すると、電圧印加器19で印加する電圧Eが増加することにより、電気化学式水素ポンプ100の運転効率を低下させる恐れがある。
In the cathode gas pressure increasing operation described above, the cathode gas pressure P2 becomes high, and the
そこで、カソードガス拡散層31Aは、締結器27による積層体100Bの締結前には、図3に示すように、カソードセパレータ31Bの凹部35からその厚み方向に、はみ出し量Εcd分、はみ出すように構成されている。また、カソードガス拡散層31Aは、積層体100Bの締結では、図1および図2に示すように、締結器27によって、はみ出し量Εcd分だけ圧縮されている。よって、アノードガス拡散層24、アノード触媒層16および電解質膜14のそれぞれが圧縮変形した場合でも、カソードガス拡散層31Aが、締結器27による圧縮後の厚みから圧縮前の厚みに戻る方向に弾性変形することにより、カソードガス拡散層31Aと電解質膜14(カソード触媒層15)との間の接触を適切に維持できる。
Therefore, the cathode
また、アノードガス拡散デバイス9を構成する第2の金属シート22Aが圧縮変形しやすい場合、カソードガス拡散層31Aと電解質膜14(カソード触媒層15)との間の密着性が低下し、両者間で隙間が生じやすい。しかし、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、アノードガス流路6の縁38下に位置する貫通孔を、アノードガス流路6の縁38に沿う所定の線300下に位置する貫通孔23よりも少なくすることにより、第2の金属シート22Aが押圧により下方に曲がりにくく構成されているので、カソードガス拡散層31Aと電解質膜14(カソード触媒層15)の間の接触抵抗の増加を抑制できる。
Further, when the
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、電圧印加器19で印加する電圧の増加、ひいては、電気化学式水素ポンプ100の運転効率の低下を抑制できる。
As described above, the
(第1変形例)
図6は、第1実施形態の第1変形例のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。図6(a)は、アノードガス流路6が形成されている領域200(図4参照)において、アノードガス拡散デバイス9を斜視した図である。図6(b)は、図6(a)のB−B部におけるアノードガス拡散デバイス9(アノードガス拡散層24)を構成する第2の金属シート22を第1の金属シート21とともに断面視した図である。なお、図6には、第2の金属シート22のうちの、第1の金属シート21に隣接する第2の金属シート22Aのみが示されている。
(First modification)
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a metal sheet constituting the anode gas diffusion device of the first modification of the first embodiment. FIG. 6A is a perspective view of the anode
本変形例のアノードガス拡散デバイス9は、第1実施形態のアノードガス拡散デバイス9における、第1の金属シート21に隣接する第2の金属シート22Aにおいて、第1の金属シート21のアノードガス流路6下に位置する貫通孔23と、アノードガス流路6外の第1の金属シート21の領域下に位置するとともに、貫通孔23に隣接する貫通孔23Hとの第1距離Lbは、アノードガス流路6下に位置する、複数の貫通孔23間の第2距離Laよりも長い。
The anode
図6に示す例では、第2の金属シート22Aの複数の貫通孔23は、第1の金属シート21のアノードガス流路6を区画するリブ37の端部(つまり、縁38)のそれぞれからアノードガス流路6側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路6の縁線に略並行な一対の線300に沿って等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図6に示す如く、線300に直交する水平方向において隣接する貫通孔23同士は、第2距離Laだけ離れている。これらの貫通孔23は、アノードガス流路6のアノードガスが通過する開口部として構成されている。よって、貫通孔23は、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与する。
In the example shown in FIG. 6, the plurality of through
また、第2の金属シート22Aの複数の貫通孔23Hは、第1の金属シート21のアノードガス流路6を区画するリブ37の端部(つまり、縁38)のそれぞれからリブ37側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路6の縁線に略並行な一対の線400に沿って、上記の貫通孔23のピッチよりも大きい等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図6に示す如く、線400に直交する水平方向において隣接する貫通孔23と貫通孔23Hとは、第2距離Laよりも長い第1距離Lbだけ離れている。なお、これらの貫通孔23Hは、リブ37で覆われているので、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与しない。
Further, the plurality of through
以上により、本変形例のアノードガス拡散デバイス9では、第1距離Lbが第2距離Laよりも長いので、例えば、第2の金属シート22Aの面内において貫通孔を均一な間隔で配置する場合に比べて、第2の金属シート22Aの貫通孔が、第1の金属シート21のアノードガス流路6の縁38下に位置する可能性が低くなる。よって、第2の金属シート22Aが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。
As described above, in the anode
また、第1距離Lbを長くする程、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与しない第2の金属シート22Aの貫通孔23Hの数を少なくできるので、第2の金属シート22Aの貫通孔の総数増加が抑制され、第2の金属シート22Aの強度を適切に確保できる。更に、第2距離Laを所望の長さに設定することで、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与する第2の金属シート22Aの貫通孔23を、第2の金属シート22Aの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。
Further, since the number of the through
本変形例のアノードガス拡散デバイス9は、上記特徴以外は、第1実施形態のアノードガス拡散デバイス9と同様であってもよい。
The anode
(第2変形例)
図7は、第1実施形態の第2変形例のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。図7(a)は、アノードガス流路6が形成されている領域200(図4参照)において、アノードガス拡散デバイス9を斜視した図である。図7(b)は、図7(a)のB−B部におけるアノードガス拡散デバイス9(アノードガス拡散層24)を構成する第2の金属シート22を第1の金属シート21とともに断面視した図である。なお、図7には、第2の金属シート22のうちの、第1の金属シート21に隣接する第2の金属シート22Aのみが示されている。
(Second modification)
FIG. 7 is a view showing an example of a metal sheet constituting the anode gas diffusion device of the second modification of the first embodiment. FIG. 7A is a perspective view of the anode
本変形例のアノードガス拡散デバイス9は、第1実施形態のアノードガス拡散デバイス9における、第1の金属シート21に隣接する第2の金属シート22Aにおいて、第1の金属シート21のアノードガス流路6下に位置する複数の貫通孔23の単位面積当たりの数は、アノードガス流路6外の第1の金属シート21の領域下に位置する複数の貫通孔23Hの単位面積当たりの数よりも多い。
The anode
図7に示す例では、第2の金属シート22Aの複数の貫通孔23は、第1の金属シート21のアノードガス流路6を区画するリブ37の端部(つまり、縁38)のそれぞれからアノードガス流路6側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路6の縁線に略並行な一対の線300に沿って等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図7に示す如く、単位面積Naを取ると、線300に沿って配された4個の貫通孔23が2列に並んでおり、その結果、貫通孔23の単位面積Na当たりの数は8個である。これらの貫通孔23は、アノードガス流路6のアノードガスが通過する開口部として構成されている。よって、貫通孔23は、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与する。
In the example shown in FIG. 7, the plurality of through
また、第2の金属シート22Aの複数の貫通孔23Hは、第1の金属シート21のアノードガス流路6を区画するリブ37の端部(つまり、縁38)のそれぞれからリブ37側に所定の水平距離だけ隔てた位置において、アノードガス流路6の縁線に略並行な一対の線500に沿って、上記の貫通孔23のピッチよりも大きい等間隔ピッチで並んでいる。このとき、図7に示す如く、単位面積Naと同一面積となるように、単位面積Nbを取ると、線500に沿って配された3個の貫通孔23Hが2列に並んでおり、その結果、貫通孔23Hの単位面積Nb当たりの数は、貫通孔23の単位面積Na当たりの数よりも少ない、6個である。なお、これらの貫通孔23Hは、リブ37で覆われているので、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与しない。
Further, the plurality of through
以上により、本変形例のアノードガス拡散デバイス9では、貫通孔23の単位面積Na当たりの数が、貫通孔23Hの単位面積Nb当たりの数よりも多いので、例えば、第2の金属シート22Aの面内で貫通孔を均等に配置する場合に比べて、第2の金属シート22Aの貫通孔が、第1の金属シート21のアノードガス流路6の縁38下に位置する可能性が低くなる。よって、第2の金属シート22Aが押圧により下方に曲がる可能性、貫通孔にクラックなどの損傷が発生する可能性を低減できる。
As described above, in the anode
また、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与しない第2の金属シート22Aの貫通孔23Hの数を少なくできるので、第2の金属シート22Aの貫通孔の総数増加が抑制され、第2の金属シート22Aの強度を適切に確保できる。更に、アノードガス流路6からのアノードガスの通過に寄与する第2の金属シート22Aの貫通孔23を、第2の金属シート22Aの貫通孔の総数増加を抑制しつつ必要な数、設けることができる。
Further, since the number of through
本変形例のアノードガス拡散デバイス9は、上記特徴以外は、第1実施形態のアノードガス拡散デバイス9と同様であってもよい。
The anode
(第2実施形態)
図8は、第2実施形態のアノードガス拡散デバイスを構成する金属シートの一例を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a metal sheet constituting the anode gas diffusion device of the second embodiment.
図8(a)は、アノードガス拡散デバイス9(アノードガス拡散層24)を構成する第1層の第2の金属シート22Aを平面視した図である。図8(b)は、アノードガス拡散デバイス9(アノードガス拡散層24)を構成する第2層の第2の金属シート22Bを平面視した図である。図8(c)は、アノードガス拡散デバイス9(アノードガス拡散層24)を構成する第3層の第2の金属シート22Cを平面視した図である。
FIG. 8A is a plan view of the
なお、図8(a)では、第1層の第2の金属シート22Aとして、第1実施形態(図5)の第2の金属シート22Aが図示されているが、これに限定されない。図8(a)の第1層の第2の金属シート22Aは、第1実施形態の第1変形例(図6)の第2の金属シート22Aでもよいし、第1実施形態の第2変形例(図7)の第2の金属シート22Aでもよい。
In FIG. 8A, the
図8(d)は、アノードガス拡散デバイス9の断面図である。つまり、図8(d)では、図8(a)、図8(b)および図8(c)に平面視で示されたアノードガス拡散デバイス9のD−D部の断面が示されている。
FIG. 8D is a cross-sectional view of the anode
本実施形態のアノードガス拡散デバイス9は、第1実施形態のアノードガス拡散デバイス9において、複数の第2の金属シート22が、第1の金属シート21に近い順に第1層から第3層まで少なくとも積層されており、第2層の第2の金属シート22Bには、第1層の第2の金属シート22Aにおいてアノードガス流路6下に位置する貫通孔23Dと、第3層の第2の金属シート22Cにおいてアノードガス流路6外の第1の金属シート21の領域下に位置する貫通孔23Uとを連絡する連絡路25を備える。
The anode
図8に示す例では、連絡路25は、連絡路25が設けられた第2層の第2の金属シート22Bの上方の第3層の第2の金属シート22Cの貫通孔23Uと、下方の第1層の第2の金属シート22Aの貫通孔23Dとを連絡する。この場合、貫通孔23Uと貫通孔23Dとは、連絡路25の長さ分、第2の金属シート22の主面と平行な方向に偏倚している。
In the example shown in FIG. 8, the
連絡路25は、このような貫通孔23Uおよび貫通孔23D同士を連絡できれば、どのような構成であってもよい。例えば、貫通孔23Uおよび貫通孔23Dが、直径が数十μm程度の丸孔である場合、連絡路25は、幅が数十μm程度の長円状のスリット孔であってもよい。これらの貫通孔23U、貫通孔23Dおよび連絡路25の形状および寸法は例示であって、本例に限定されない。
The
以上により、本実施形態のアノードガス拡散デバイス9は、従来に比べアノードガスを均一に拡散し得る。つまり、第2層の第2の金属シート22Bが連絡路25を備えることで、第1の金属シート21のアノードガス流路6から複数の第2の金属シート22内を通過するアノードガスを一方向だけではなく、任意の方向に送ることができる。すると、連絡路25の配置パターンが異なる第2の金属シート22を積層させることで、アノードガス拡散デバイス9内のアノードガス流れの向きを任意に設定できる。これにより、アノードガス拡散デバイス9のガス拡散性が向上する。
As described above, the anode
また、第1の金属シート21のアノードガス流路6を通じて第1層の第2の金属シート22Aの貫通孔23Dにガスを流入させる構成を取っているので、第2層の第2の金属シート22Bが連絡路を備えない場合、第1の金属シート21のアノードガス流路6外のリブ37の領域の垂直線上に位置する第3層の第2の金属シート22Cの貫通孔23Uにはアノードガスが流れない。すると、アノードガス拡散デバイス9のガス拡散が不均一化する恐れがある。しかし、本実施形態のアノードガス拡散デバイス9では、上記の連絡路25を介して、このような第3層の第2の金属シート22Cの貫通孔23Uにもアノードガスを流すことができるので、アノードガス拡散デバイス9のガス拡散が不均一化することを抑制できる。
Further, since the gas is allowed to flow into the through
本実施形態のアノードガス拡散デバイス9は、上記特徴以外は、第1実施形態のアノードガス拡散デバイス9と同様であってもよい。
The anode
なお、第1実施形態、第1実施形態の第1変形例、第1実施形態の第2変形例および第2実施形態は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。 Note that the first embodiment, the first modification of the first embodiment, the second modification of the first embodiment, and the second embodiment may be combined with each other as long as they do not exclude each other.
また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更できる。 In addition, many modifications and other embodiments of the disclosure are apparent to those skilled in the art from the foregoing description. Accordingly, the foregoing description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the disclosure. Details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the present disclosure.
本開示の一態様は、従来に比べ、ガス流路からのガスを通過させる貫通孔が金属シートの適切な位置に設けられているガス拡散デバイスに利用できる。 One aspect of the present disclosure can be used for a gas diffusion device in which a through-hole through which a gas from a gas flow path passes is provided at an appropriate position of a metal sheet, as compared with the related art.
1 :アノード本体
3 :マニホルド孔
4 :マニホルド孔
5 :アノードガス流路板
6 :アノードガス流路
7 :マニホルド孔
8 :マニホルド孔
9 :アノードガス拡散デバイス
10 :アノード端板
11 :マニホルド孔
12 :マニホルド孔
14 :電解質膜
15 :カソード触媒層
16 :アノード触媒層
19 :電圧印加器
21 :第1の金属シート
22 :第2の金属シート
22A :第2の金属シート
22B :第2の金属シート
22C :第2の金属シート
23 :貫通孔
23D :貫通孔
23H :貫通孔
23U :貫通孔
24 :アノードガス拡散層
25 :連絡路
26D :端板
26U :端板
27 :締結器
28 :アノードガス導入配管
28A :アノードガス導入マニホルド
29 :アノードガス導出配管
29A :アノードガス導出マニホルド
30 :カソードガス導出配管
31 :カソードガス拡散デバイス
31A :カソードガス拡散層
31B :カソードセパレータ
32A :マニホルド孔
32B :カソードガス連通経路
32C :マニホルド孔
35 :凹部
36 :スリット孔
37 :リブ
38 :縁
40 :シール部材
41 :シール部材
42 :シール部材
100 :電気化学式水素ポンプ
100A :単セル
100B :積層体
1: Anode body 3: Manifold hole 4: Manifold hole 5: Anode gas flow path plate 6: Anode gas flow path 7: Manifold hole 8: Manifold hole 9: Anode gas diffusion device 10: Anode end plate 11: Manifold hole 12: Manifold hole 14: electrolyte membrane 15: cathode catalyst layer 16: anode catalyst layer 19: voltage applicator 21: first metal sheet 22:
Claims (5)
前記電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、
前記電解質膜の他方の主面に設けられたアノード触媒層と、
前記カソード触媒層に設けられたカソードガス拡散デバイスと、
前記アノード触媒層に設けられたアノードガス拡散デバイスと、
前記カソード触媒層および前記アノード触媒層の間に電圧を印加する電圧印加器と、
を備え、
前記アノードガス拡散デバイスは、請求項1−4のいずれか1項に記載のガス拡散デバイスを含む、電気化学式水素ポンプ。
An electrolyte membrane comprising a pair of main surfaces;
A cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane;
An anode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane;
A cathode gas diffusion device provided in the cathode catalyst layer;
An anode gas diffusion device provided in the anode catalyst layer;
A voltage applicator for applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer;
With
The said anode gas diffusion device is an electrochemical hydrogen pump containing the gas diffusion device of any one of Claims 1-4.
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CN114684788A (en) * | 2020-12-29 | 2022-07-01 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | Hydrogen separation and purification device and method for hydrogen-containing mixed gas |
-
2016
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