JP2018109217A - Electrochemical hydrogen pump - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は電気化学式水素ポンプに関する。 The present disclosure relates to an electrochemical hydrogen pump.
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。水素は燃焼しても基本的に水しか放出せず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素が排出されずかつ窒素酸化物などもほとんど排出されないので、クリーンエネルギーとして期待されている。また、水素を燃料として高効率に利用する装置として、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。 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. Even if hydrogen burns, it basically releases only water, and carbon dioxide that causes global warming is not discharged, and nitrogen oxides are hardly discharged. Further, as a device that uses hydrogen as a fuel with high efficiency, for example, there is a fuel cell, and the development and popularization of a fuel cell are progressing for a power source for automobiles and for private power generation for home use.
来るべき水素社会では、水素を製造することに加えて、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。特に、分散型のエネルギー源となる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。また、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、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 the coming hydrogen society, in addition to producing hydrogen, there is a need for technological development that can store hydrogen at a high density, and can be transported or used at low cost and at low cost. In particular, in order to promote the spread of fuel cells as a distributed energy source, it is necessary to improve the fuel supply infrastructure. Various proposals for purifying and boosting high-purity hydrogen have been made in order to stably supply hydrogen to the fuel supply infrastructure.
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、水素(カソードガス)が高圧になっても、電解質膜とカソード給電体との接触抵抗が増加しにくくなるように、皿バネまたはコイルバネなどを用いてカソード給電体を電解質膜に押圧して密着させ得る押圧手段が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 Moreover, even if hydrogen (cathode gas) becomes high pressure, the cathode power supply is pressed against the electrolyte membrane using a disc spring or a coil spring so that the contact resistance between the electrolyte membrane and the cathode power supply is less likely to increase. A pressing means that can be brought into close contact has been proposed (see, for example, Patent Document 2).
また、電気化学セル用の給電体が金属繊維積層体を備え、金属繊維と金属繊維の間にチタン粗粒子を充填するとともに、給電体の表面をチタン微粒子で敷き詰める構成が提案されている(例えば、特許文献3参照)。これにより、給電体と膜電極接合体との間の密着性を向上しながら、金属繊維による膜電極接合体の損傷が低減されている。 In addition, a configuration has been proposed in which a power supply body for an electrochemical cell includes a metal fiber laminate, and titanium coarse particles are filled between the metal fibers and the metal fiber, and the surface of the power supply body is spread with titanium fine particles (for example, And Patent Document 3). Thereby, the damage of the membrane electrode assembly by a metal fiber is reduced, improving the adhesiveness between a electric power feeding body and a membrane electrode assembly.
しかし、従来例は、簡易な構成で電解質膜とカソード給電体との間の接触抵抗を低減すること、および、電解質膜の損傷を低減することについて十分に検討されていない。 However, the conventional example has not been sufficiently studied to reduce the contact resistance between the electrolyte membrane and the cathode power supply with a simple configuration, and to reduce damage to the electrolyte membrane.
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、従来に比べて、簡易な構成で電解質膜(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を低減し得る電気化学式水素ポンプを提供する。また、従来に比べて、電解質膜の損傷を低減し得る電気化学式水素ポンプを提供する。 One aspect of the present disclosure has been made in view of such circumstances, and the contact resistance between the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) and the cathode gas diffusion layer with a simpler configuration than the conventional one. An electrochemical hydrogen pump capable of reducing the above is provided. In addition, an electrochemical hydrogen pump that can reduce damage to an electrolyte membrane as compared with the prior art is provided.
上記課題を解決するため、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対して設けられたカソードガス拡散層と、前記アノード触媒層に対して設けられたアノードガス拡散層と、
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、前記カソードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートと金属繊維焼結シートとを備え、前記金属シートは、前記カソード触媒層に隣接している。
In order to solve the above problems, an electrochemical hydrogen pump according to an aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane including a pair of main surfaces, a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane, and the electrolyte membrane. An anode catalyst layer provided on the other main surface, a cathode gas diffusion layer provided for the cathode catalyst layer, an anode gas diffusion layer provided for the anode catalyst layer,
A voltage applicator for applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the cathode gas diffusion layer includes a metal sheet having a plurality of air holes and a metal fiber sintered sheet, The metal sheet is adjacent to the cathode catalyst layer.
本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、簡易な構成で電解質膜(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を低減し得るという効果を奏する。また、本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、電解質膜の損傷を低減し得るという効果を奏する。 The electrochemical hydrogen pump according to an aspect of the present disclosure has an effect that the contact resistance between the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) and the cathode gas diffusion layer can be reduced with a simple configuration as compared with the conventional one. In addition, the electrochemical hydrogen pump according to one embodiment of the present disclosure has an effect that the damage to the electrolyte membrane can be reduced as compared with the related art.
特許文献2でも、上記のとおり、電解質膜とカソード給電体との接触抵抗を低減する構成の検討が行われているが、カソード給電体を電解質膜に押圧して密着させるための押圧手段を設ける必要があるので、部品点数が増える。よって、特許文献2の高圧水素製造装置では、部品点数の増加により、装置構成が複雑化するとともに、製造コストが嵩む可能性がある。 Also in Patent Document 2, as described above, a configuration for reducing the contact resistance between the electrolyte membrane and the cathode power feeder is being studied. However, a pressing means for pressing the cathode power feeder against the electrolyte membrane is provided. Because it is necessary, the number of parts increases. Therefore, in the high-pressure hydrogen production apparatus of Patent Document 2, an increase in the number of parts may complicate the apparatus configuration and increase production costs.
特許文献3でも、上記のとおり、給電体と膜電極接合体との間の密着性を向上しながら、金属繊維による膜電極接合体の損傷を低減する構成の検討が行われているが、金属繊維に導電性材料粉末を充填する手法では、給電体の表面を十分に平滑化することは困難である。この理由は以下の通りである。
Even in
特許文献3では、金属繊維と金属繊維の間にチタン粗粒子を充填し、給電体の表面をチタン微粒子で埋めているが、給電体の表面をチタン微粒子のみで敷き詰めるようにチタン粒子の供給を制御することは難しい。仮に給電体の表面にチタン粗粒子が存在する場合、給電体の表面は、チタン粗粒子により部分的に凹凸状態となる。よって、特許文献3の電気化学セル用の給電体では、給電体の表面の凹凸によって膜電極接合体が損傷する可能性がある。
In
そこで、本開示の第1の態様の電気化学式水素ポンプは、以上の知見に基づいて案出できたものであり、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、カソード触媒層に対して設けられたカソードガス拡散層と、アノード触媒層に対して設けられたアノードガス拡散層と、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、カソードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートと金属繊維焼結シートとを備え、金属シートは、カソード触媒層に隣接している。 Therefore, the electrochemical hydrogen pump according to the first aspect of the present disclosure has been devised based on the above knowledge, and is provided on an electrolyte membrane having a pair of main surfaces and one main surface of the electrolyte membrane. Cathode catalyst layer, an anode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane, a cathode gas diffusion layer provided for the cathode catalyst layer, and an anode gas diffusion layer provided for the anode catalyst layer And a voltage applicator for applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the cathode gas diffusion layer includes a metal sheet having a plurality of air holes and a metal fiber sintered sheet, Is adjacent to the cathode catalyst layer.
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて簡易な構成で電解質膜(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を低減し得る。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、アノードガス拡散層、アノード触媒層および電解質膜に高圧がかかる。すると、アノードガス拡散層、アノード触媒層および電解質膜のそれぞれが圧縮変形する。このとき、カソードガス拡散層の金属繊維焼結シートが弾性体であるので、金属繊維焼結シートの弾性力により、上記の圧縮変形が生じた場合でも、金属シートと電解質膜(カソード触媒層)との接触を適切に維持できる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、特許文献2の如く金属シートを電解質膜(カソード触媒層)に押圧するための専用の部材が不要であるので、特許文献2に比べて簡易な構成で上記の接触抵抗を低減し得る。 According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can reduce the contact resistance between the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) and the cathode gas diffusion layer with a simpler configuration than the conventional one. Specifically, when the cathode gas of the electrochemical hydrogen pump is in a high pressure state during operation of the electrochemical hydrogen pump, the electrolyte membrane does not pass the cathode gas, so that high pressure is applied to the anode gas diffusion layer, the anode catalyst layer, and the electrolyte membrane. Take it. Then, each of the anode gas diffusion layer, the anode catalyst layer, and the electrolyte membrane is compressed and deformed. At this time, since the metal fiber sintered sheet of the cathode gas diffusion layer is an elastic body, the metal sheet and the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) even when the above-described compression deformation occurs due to the elastic force of the metal fiber sintered sheet. Can be kept in proper contact with Therefore, the electrochemical hydrogen pump of this embodiment does not require a dedicated member for pressing the metal sheet against the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) as in Patent Document 2, and thus has a simpler configuration than that of Patent Document 2. The contact resistance can be reduced.
また、本態様の電気化学式水素ポンプは、従来に比べて、電解質膜の損傷を低減し得る。具体的には、カソード触媒層に隣接する金属シートの表面を、特許文献3の導電性材料粉末からなる粉末層よりも平滑に形成できる。つまり、この粉末層は、上記のとおり、チタン粗粒子により部分的に凹凸状態となる可能性があるが、金属シートの表面は、精密な金属表面処理により、このような凹凸を粉末層に比べて緩和できる。よって、本態様の電気化学式水素ポンプは、特許文献3に比べて電解質膜の損傷を低減し得る。
Moreover, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can reduce the damage of an electrolyte membrane compared with the past. Specifically, the surface of the metal sheet adjacent to the cathode catalyst layer can be formed more smoothly than the powder layer made of the conductive material powder of
本開示の第2の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、金属シートの主面は、カソード触媒層の主面より面積が大きい。 The electrochemical hydrogen pump according to the second aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to the first aspect, wherein the main surface of the metal sheet has a larger area than the main surface of the cathode catalyst layer.
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソード触媒層の主面全体を電気接触面として構成できる。よって、金属シートの主面の面積がカソード触媒層の主面の面積よりも小さい場合に比べて、カソード触媒層を有効に活用できるので電気化学式水素ポンプの水素加圧性を向上できる。 According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can be configured with the entire main surface of the cathode catalyst layer as an electrical contact surface. Therefore, compared with the case where the area of the main surface of the metal sheet is smaller than the area of the main surface of the cathode catalyst layer, the cathode catalyst layer can be used effectively, so that the hydrogen pressurization property of the electrochemical hydrogen pump can be improved.
本開示の第3の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様または第2の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、カソードガス拡散層を納める凹部を備えるセパレータと、電解質膜、カソード触媒層、アノード触媒層、カソードガス拡散層、アノードガス拡散層およびセパレータの積層体を締結する締結器と、を備える。また、この場合、電気化学式水素ポンプは、締結器による積層体の締結前に、カソードガス拡散層は、凹部の厚み方向にはみ出して配設されており、金属シートは、該金属シートの厚み以下で、凹部の厚み方向にはみ出している。 An electrochemical hydrogen pump according to a third aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to the first aspect or the second aspect. The separator includes a recess that houses a cathode gas diffusion layer, an electrolyte membrane, a cathode catalyst layer, and an anode. And a fastener for fastening a laminate of a catalyst layer, a cathode gas diffusion layer, an anode gas diffusion layer, and a separator. In this case, in the electrochemical hydrogen pump, the cathode gas diffusion layer is disposed so as to protrude in the thickness direction of the recess before the laminated body is fastened by the fastener, and the metal sheet is equal to or less than the thickness of the metal sheet. Thus, it protrudes in the thickness direction of the recess.
かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソードガス拡散層がセパレータの凹部から凹部の厚み方向にはみ出しているので、カソードガス拡散層のはみ出し量分、締結器により金属繊維焼結シートを圧縮できる。よって、アノードガス拡散層、アノード触媒層および電解質膜のそれぞれが圧縮変形した場合でも、金属繊維焼結シートが、締結器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、金属シートと電解質膜(カソード触媒層)との間の接触を適切に維持できる。 According to this configuration, in the electrochemical hydrogen pump of this aspect, the cathode gas diffusion layer protrudes from the concave portion of the separator in the thickness direction of the concave portion. Can be compressed. Therefore, even when each of the anode gas diffusion layer, the anode catalyst layer, and the electrolyte membrane is compressed and deformed, the metal fiber sintered sheet is elastically deformed in a direction returning from the thickness after compression by the fastener to the thickness before compression. The contact between the metal sheet and the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) can be appropriately maintained.
また、金属シートが金属シートの厚み以下で、凹部の厚み方向にはみ出しているので、凹部の側面が金属シートの側面に対する摺動ガイドとして機能する。すると、金属繊維焼結シートが凹部からはみ出すことなく、金属繊維焼結シートを凹部の厚み方向にスムーズに弾性変形(伸縮)できる。 In addition, since the metal sheet is equal to or less than the thickness of the metal sheet and protrudes in the thickness direction of the recess, the side surface of the recess functions as a sliding guide for the side surface of the metal sheet. Then, the metal fiber sintered sheet can be smoothly elastically deformed (stretched) in the thickness direction of the recess without the metal fiber sintered sheet protruding from the recess.
本開示の第4の態様の電気化学式水素ポンプは、第3の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、金属シートの主面は、金属繊維焼結シートの主面より面積が大きく、金属繊維焼結シートは、カソード触媒層と隣接しない方の金属シートの主面に隣接している。 The electrochemical hydrogen pump according to the fourth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to the third aspect, wherein the main surface of the metal sheet has a larger area than the main surface of the metal fiber sintered sheet, and the metal fiber sintered sheet. Is adjacent to the main surface of the metal sheet not adjacent to the cathode catalyst layer.
本開示の第5の態様の電気化学式水素ポンプは、第3の態様の電気化学式水素ポンプにおいて、金属シートは、金属繊維焼結シートよりも外周囲の長さが大きい。 The electrochemical hydrogen pump according to the fifth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to the third aspect, wherein the metal sheet has a longer outer circumference than the metal fiber sintered sheet.
以上の金属シートおよび金属繊維焼結シートの大小関係および両者の配置関係で、カソードガス拡散層の金属シートおよび金属繊維焼結シートを凹部に納めた場合、凹部の側面と金属繊維焼結シートの側面との間に適宜の隙間を設けることができる。すると、金属繊維焼結シートを凹部の厚み方向に圧縮する際に、この厚み方向に垂直な面方向への金属繊維焼結シートの変形(伸び)が、この隙間の存在により適切に行われる。 When the metal sheet of the cathode gas diffusion layer and the metal fiber sintered sheet are placed in the recess in the size relationship between the metal sheet and the metal fiber sintered sheet and the arrangement relationship between the two, the side surface of the recess and the metal fiber sintered sheet An appropriate gap can be provided between the side surfaces. Then, when compressing a metal fiber sintered sheet to the thickness direction of a recessed part, the deformation | transformation (elongation) of a metal fiber sintered sheet to a surface direction perpendicular | vertical to this thickness direction is performed appropriately by presence of this clearance gap.
本開示の第6の態様の電気化学式水素ポンプは、第1の態様から第5の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、凹部外周のセパレータ上に、カソードガス拡散層を流れる水素の漏洩をシールするシール構造を備える。 The electrochemical hydrogen pump according to the sixth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump according to any one of the first to fifth aspects, wherein leakage of hydrogen flowing through the cathode gas diffusion layer is prevented on the separator around the recess. A sealing structure for sealing is provided.
かかる構成によると、セパレータの主面を利用して、カソードガス拡散層を適切にシールすることができる。 According to this configuration, the cathode gas diffusion layer can be appropriately sealed using the main surface of the separator.
以下、添付図面を参照しつつ、第1実施形態、第2実施形態および第3実施形態の具体例について説明する。以下で説明する具体例は、いずれも上記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、上記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。 Hereinafter, specific examples of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. Each of the specific examples described below shows an example of each of the above aspects. Therefore, the shapes, materials, constituent elements, arrangement positions of the constituent elements, connection forms, and the like shown below do not limit each of the above aspects unless otherwise stated 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、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、カソードガス拡散層31と、カソードセパレータ32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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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、カソードガス拡散層31と、カソードセパレータ32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31、アノードガス拡散層24およびカソードセパレータ32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セパレータ32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 unit cells 100A including the above-described
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、カソードガス拡散層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、カソードセパレータ32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、カソードセパレータ32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、カソードセパレータ32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。つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、カソードセパレータ32の凹部35(図3参照)の外周のカソードセパレータ32上に、カソードガス拡散層31を流れるカソードガス(水素)の漏洩をシールするシール構造を備える。これにより、カソードセパレータ32の主面を利用して、カソード触媒層15およびカソードガス拡散層31を適切にシールできる。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
カソードガス拡散層31は、カソード触媒層15に対して設けられている。カソードガス拡散層31の詳細な構成は後で説明する。
The cathode
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。つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、アノードガス拡散層24の外周のアノード本体1上に、アノードガス拡散層24を流れるアノードガスの漏洩をシールするシール構造を備える。これにより、アノード本体1の主面を利用して、アノード触媒層16およびアノードガス拡散層24を適切にシールできる。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
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、アノード触媒層16に対して設けられている。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。
The anode
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、導電性のカソードセパレータ32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
[カソードガス拡散層の構成]
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層の一例を示す図である。図3(a)は、カソードガス拡散層31をカソードセパレータ32の凹部35に納めた場合のカソードガス拡散層31およびカソードセパレータ32の断面図を示した図である。図3(b)は、カソードガス拡散層31の金属シート31AのB−B部を平面視した図である。図3(c)は、カソードガス拡散層31の金属シート31Aおよび金属繊維焼結シート31Bの境界領域(C部)を拡大した図である。図3(d)は、カソードガス拡散層31を金属繊維焼結シート31B側から斜視した図である。
[Configuration of cathode gas diffusion layer]
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cathode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. FIG. 3A is a view showing a cross-sectional view of the cathode
カソードガス拡散層31は、金属シート31Aと金属繊維焼結シート31Bとを備える。
The cathode
金属シート31Aは、複数の通気孔31AHを備え、カソード触媒層15に隣接している。金属シート31Aは、通気孔31AH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。また、通気孔31AH以外の部分は、金属繊維焼結シート31Bに比べて剛性が高い。例えば、金属シート31Aは、厚みが数十μm〜数百μm程度(例えば、約100μm程度)の金属鋼板であってもよい。なお、このような金属シート31A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
金属シート31Aの主面は、カソード触媒層15の主面より面積が大きい。具体的には、金属シート31Aからカソード触媒層15を平面視した場合、カソード触媒層15を全体が金属シート31Aより覆われている。
The main surface of the
これにより、カソード触媒層15の主面全体を電気接触面として構成できる。よって、金属シート31Aの主面の面積がカソード触媒層15の主面の面積よりも小さい場合に比べて、カソード触媒層15を有効に活用できるので電気化学式水素ポンプ100の水素加圧性を向上できる。
Thereby, the main surface of the
また、金属シート31Aの複数の通気孔31AHは、縦および横に等間隔ピッチでマトリクス状(格子状)に形成されていてもよい。通気孔31AHは、例えば、直径が数十μm程度(例えば、約20μm程度)の丸孔であってもよい。金属シート31A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、通気孔31AHの直径は、例えば、金属繊維焼結シート31Bの金属繊維31BFを貫通しにくくなるように、金属繊維31BFの太さ以下としてもよい。理由は、仮に通気孔31AHの直径を金属繊維31BFの太さよりも小さくすると、金属繊維焼結シート31Bの金属繊維31BFが、通気孔31AHを貫通することを抑制し、カソード触媒層15(電解質膜14)の損傷が低減する可能性があるからである。
Further, the plurality of air holes 31AH of the
以上により、金属シート31Aは、通気孔31AH以外の部分における所望の剛性および所望の電気伝導性、並びに、通気孔31AHにおける所望のガス通気性を備える。なお、以上の金属シート31Aの材質および形状は例示であって、本例に限定されない。
As described above, the
金属繊維焼結シート31Bは、カソードガス拡散層31に必要な弾性、電気伝導性およびガス通気性を確保し得るように構成されている。このような金属繊維焼結シート31Bとして、例えば、金属繊維31BFを不織布状にして焼結した金属繊維焼結体を用いることができる。不織布状の金属繊維焼結体は、金属繊維31BFが3次状に構成されて互いの接点が焼結されている。よって、不織布状の金属繊維焼結体の電気伝導性が高い。また、金属繊維31BFが3次状に構成されているので、不織布状の金属繊維焼結体のガス分散性にも優れている。金属繊維31BF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31BFの材質は例示であって、本例に限定されない。
The metal
以上のカソードガス拡散層31では、金属シート31Aと金属繊維焼結シート31Bとを中心軸を揃えた状態で、金属シート31Aと金属繊維焼結シート31B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、金属シート31Aの主面と金属繊維焼結シート31B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。
In the cathode
ここで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、図3(a)に示すように、カソードセパレータ32は、カソードガス拡散層31を納める凹部35を備える。
Here, in the
そして、締結器27による積層体100B(図1参照)の締結前には、カソードガス拡散層31は、凹部35の厚み方向にはみ出して配設されており、金属シート31Aは、この金属シート31Aの厚みEct以下で、凹部35の厚み方向にはみ出している。
Before the laminate 100B (see FIG. 1) is fastened by the
また、平面視において、金属シート31Aの表面形状は、凹部35の開口形状とほぼ同形であり、金属シート31Aの表面積は、凹部35の開口面積よりも僅かに小さい。カソードガス拡散層31の金属シート31Aを、このような凹部35に納めると、金属シート31Aの側面と凹部35の側面との間には、金属シート31Aが凹部35に対してスムーズに摺動できる程度の隙間しか形成されていない。よって、凹部35の側面が金属シート31Aの側面に対する摺動ガイドとして機能する。すると、金属繊維焼結シート31Bは凹部35からはみ出すことなく、金属繊維焼結シート31Bを凹部35の厚み方向にスムーズに弾性変形(伸縮)できる。
In plan view, the surface shape of the
なお、凹部35からの金属シート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、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 protruding amount Ecd in the thickness direction of the
図3(d)に示すように、金属シート31Aの主面は、金属繊維焼結シート31Bの主面より面積が大きく、金属繊維焼結シート31Bは、カソード触媒層15と隣接しない方の金属シート31Aの主面に隣接している。つまり、金属シート31Aは、金属繊維焼結シート31Bよりも外周囲の長さが大きい。この場合、平面視において、金属繊維焼結シート31Bの表面積は、金属シート31Aの表面積よりも小さい。
As shown in FIG. 3D, the main surface of the
よって、以上の金属シート31Aおよび金属繊維焼結シート31Bの大小関係および両者の配置関係で、カソードガス拡散層31の金属シート31Aおよび金属繊維焼結シート31Bを凹部35に納めた場合、図3(a)に示すように金属繊維焼結シート31Bの側面と凹部35の側面との間には、凹部35の側面からの離隔距離L1に相当する筒状の隙間Sが金属繊維焼結シート31Bの側面に沿うように形成されている。これにより、金属繊維焼結シート31Bを凹部35の厚み方向に圧縮する際に、この厚み方向に垂直な面方向への金属繊維焼結シート31Bの変形(伸び)が、この隙間Sの存在により適切に行われる。
Therefore, when the
なお、図3(a)に示すように、カソードセパレータ32は、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に送るための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31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。
As shown in FIG. 3A, 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
図4(d)に示すように、アノードガス拡散デバイス9は、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を備える。
As shown in FIG. 4 (d), the anode
アノード本体1は、アノードガスを拡散させる金属製部材である。アノード本体1は、アノードガスを拡散させる金属製部材であれば、どのような構成であっても構わない。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数値は例示であって、本例に限定されない。
The
図4(a)および図4(d)に示すように、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。
As shown in FIGS. 4A and 4D, the
アノード本体1に設けられたアノードガス拡散層24は、通気孔を備える金属板の積層体、多孔構造の金属粉の焼結体などを用いて、アノードガスを拡散し得るように構成されている。
The anode
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の主面と面接触するように設けられている。
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数値は例示であって、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と、アノードガス流路6と、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
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のアノードガス流路6は、マニホルド孔7およびマニホルド孔8の両方と連通する複数のスリット孔36で構成されている。この場合、マニホルド孔7は、複数のアノードガス流路6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、複数のアノードガス流路6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。
In the anode
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の複数のスリット孔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数値は例示であって、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32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32のマニホルド孔とによって形成されている。
As described above, when the
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 the anode
[締結器による単セルの締結動作]
図5は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプの単セルの締結動作の一例を示す図である。
[Single cell fastening operation by a fastener]
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a fastening operation of a single cell of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment.
なお、図5には、カソードセパレータ32、カソードガス拡散層31、電解質膜14の主面のそれぞれにカソード触媒層15およびアノード触媒層16がそれぞれ塗布された部材(以下、電解質膜(触媒層付)14A)、アノードガス拡散層24およびアノード本体1の断面、が示されている。
5 shows members (hereinafter referred to as an electrolyte membrane (with a catalyst layer) with the
まず、図5(a)に示すように、カソードガス拡散層31と、電解質膜(触媒層付)14Aと、アノードガス拡散層24とが対向するように、これらが位置合わせされる。
First, as shown in FIG. 5A, the cathode
次に、図5(b)に示すように、カソードガス拡散層31、電解質膜(触媒層付)14Aおよびアノードガス拡散層24が積層される。このとき、カソードガス拡散層31の金属シート31Aと電解質膜(触媒層付)14Aとアノードガス拡散層24とは接触するが、締結器27による締結力は付与されていないので、カソードセパレータ32の主面と電解質膜(触媒層付)14Aとの間には、カソードガス拡散層31の金属シート31Aの厚み方向のはみ出し量Ecd相当の隙間が形成されている。また、カソードガス拡散層31の金属繊維焼結シート31Bの側面と凹部35の側面との間にも、凹部35の側面からの離隔距離L1に相当する筒状の隙間Sが形成されている。
Next, as shown in FIG. 5B, the cathode
次に、図5(c)に示すように、締結器27による積層体100Bの締結が行われる。すると、締結器27の締結力により、カソードガス拡散層31の金属繊維焼結シート31Bが圧縮されるとともに、カソードガス拡散層31の金属シート31Aの主面と電解質膜(触媒層付)14Aの主面とアノードガス拡散層24の主面とが密着する。この場合、金属繊維焼結シート31Bの圧縮量(厚み)は、上記のはみ出し量Ecdと等しい。つまり、カソードセパレータ32の主面と電解質膜(触媒層付)14Aとの間の隙間が消失するので、金属繊維焼結シート31Bの圧縮前の元の厚みT1から圧縮後の厚みT2を引いた値が、上記のはみ出し量Ecdと等しい。また、金属繊維焼結シート31Bを凹部35の厚み方向に圧縮する際に、この厚み方向に垂直な面方向へ金属繊維焼結シート31Bが伸びるので、凹部35の側面からの離隔距離L2は、上記の離隔距離L1よりも小さくなる(つまり、L1>L2)。
Next, as shown in FIG. 5C, the laminate 100 </ b> B is fastened by the
以上により、電気化学式水素ポンプ100の運転前の電気化学式水素ポンプ100の単セル100Aの締結が完了する。
Thus, the fastening of the single cell 100A 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、第1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、カソードセパレータ32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
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、アノードガス流路板5のアノードガス流路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、アノードガス流路板5のアノードガス流路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31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31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31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31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31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、カソード触媒層15とカソードガス拡散層31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、カソード触媒層15とカソードガス拡散層31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、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、カソードガス拡散層31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32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31の金属繊維焼結シート31Bは、積層体100Bの締結では、図5(c)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。
Therefore, in the
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、従来に比べて簡易な構成で電解質膜14とカソードガス拡散層31との間の接触抵抗を低減し得る。具体的には、電気化学式水素ポンプ100の動作時に、電気化学式水素ポンプ100のカソードガスが高圧状態になると、電解質膜14がカソードガスを通さないので、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に高圧がかかる。すると、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する。このとき、カソードガス拡散層31の金属繊維焼結シート31Bが弾性体であるので、金属繊維焼結シート31Bの弾性力により、上記の圧縮変形が生じた場合でも、金属シート31Aと電解質膜14(カソード触媒層15)との接触を適切に維持できる。
As described above, in the
具体的には、カソードガス拡散層31がカソードセパレータ32の凹部35から凹部35の厚み方向にはみ出しているので、カソードガス拡散層31のはみ出し量Ecd分、締結器27により金属繊維焼結シート31Bを圧縮できる。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、金属繊維焼結シート31B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、金属シート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。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、特許文献2の如く金属シート31Aを電解質膜(カソード触媒層)に押圧するための専用の部材が不要であるので、特許文献2に比べて簡易な構成で上記の接触抵抗を低減し得る。
Specifically, since the cathode
また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、従来に比べて、電解質膜14の損傷を低減し得る。
Moreover, the
具体的には、特許文献3では、金属繊維と金属繊維の間にチタン粗粒子を充填し、給電体の表面をチタン微粒子で埋めているが、給電体の表面をチタン微粒子のみで敷き詰めるようにチタン粒子の供給を制御することは難しい。仮に給電体の表面にチタン粗粒子が存在する場合、給電体の表面は、チタン粗粒子により部分的に凹凸状態となる。よって、特許文献3の電気化学セル用の給電体では、給電体の表面の凹凸によって膜電極接合体が損傷する可能性がある。これに対して、金属シート31Aの表面は、精密な金属表面処理により、このような凹凸を粉末層に比べて緩和できる。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、特許文献3に比べて電解質膜14の損傷を低減し得る。
Specifically, in
(第2実施形態)
図6は、第2実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードセパレータの一例を示す図である。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the cathode separator of the electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment.
本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、第1の態様−第5の態様のいずれかの電気化学式水素ポンプ100において、カソードセパレータ132の凹部135は、金属シート31Aの主面の面積よりも開口面積が大きい第1凹部135Aと、金属シート31Aの主面の面積よりも小さい開口面積の第2凹部135Bと、を備える。
The
つまり、平面視において、第1凹部135Aの開口面積が、金属シート31Aの表面積よりも大きい。また、側面視において、第1凹部135Aの開口深さEcg1(カソードセパレータ132の主面からの段差量)が、金属シート31Aの厚みEctよりも小さい。
That is, in plan view, the opening area of the
第2凹部135Bの開口は、平面視において、第1凹部135Aの開口と同軸状に形成されている。そして、第2凹部135Bの開口面積が、金属繊維焼結シート31Bの表面積よりも大きく、かつ、金属シート31Aの表面積よりも小さい。また、側面視において、第2凹部135Bの開口深さEcg2(第1凹部135Aの底面からの段差量)が、金属繊維焼結シート31Bの厚みよりも小さい。
The opening of the
カソードガス拡散層31の金属シート31Aおよび金属繊維焼結シート31Bを、このような凹部135に納めると、締結器27による積層体100B(図1参照)の締結前には、カソードガス拡散層31は、凹部135の厚み方向にはみ出して配設されており、金属シート31Aは、この金属シート31Aの厚みEct以下で、凹部135の厚み方向にはみ出している。凹部135からの金属シート31Aの厚み方向のはみ出し量Ecdは、金属繊維焼結シート31Bの厚みから第2凹部135Bの開口深さEcg2を引いた値と金属シート31Aの厚みEctとの合算値と、第1凹部135Aの開口深さEcg1との間の差分である。これにより、はみ出し量Ecdを適切に設定できる。なお、このはみ出し量Ecdは、電気化学式水素ポンプ100の動作時に、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。
When the
また、金属繊維焼結シート31Bの側面と第2凹部135Bの側面との間には、第2凹部135Bの側面からの離隔距離L3に相当する筒状の隙間Sが金属繊維焼結シート31Bの側面に沿うように形成されている。
Further, between the side surface of the metal
以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、カソードガス拡散層31がカソードセパレータ132の凹部135から凹部135の厚み方向にはみ出しているので、カソードガス拡散層31のはみ出し量Ecd分、締結器27により金属繊維焼結シート31Bを圧縮できる。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、金属繊維焼結シート31B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、金属シート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。
As described above, in the
また、締結器27による積層体100Bの締結が行われると、金属シート31Aの主面と第1凹部135Aの底面とが面接触する、よって、この接触部分でも電気導電性を確保し得るので、電圧印加器19の印加電圧を低減できる。
Further, when the
また、第1凹部135Aの寸法(例えば、開口部の直径)の精度は、第1実施形態(図3)の凹部35の寸法精度に比べて高くする必要がない。よって、カソードセパレータ132の製造コストを低減できる。
Further, the accuracy of the dimension (for example, the diameter of the opening) of the
本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、上記特徴以外は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様であってもよい。
The
(第3実施形態)
図7は、第3実施形態の電気化学式水素ポンプのカソードガス拡散層の一例を示す図である。図7には、カソードガス拡散層131の金属シート131Aおよび金属繊維焼結シート31Bの境界領域を拡大した断面図が示されている。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a cathode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the third embodiment. FIG. 7 shows an enlarged cross-sectional view of the boundary region between the
本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、第1の態様−第5の態様および第2実施形態のいずれかの電気化学式水素ポンプ100において、カソードガス拡散層131の金属シート131Aの通気孔131AHは、金属繊維焼結シート31Bに隣接する主面側の開口部の開口面積が、他方の主面側の開口部の開口面積より小さい。例えば、通気孔131AHは、金属繊維焼結シート31Bに隣接する主面側から他方の主面側に向かう方向に広がるテーパ孔であってもよい。
The
ここで、金属シート131Aの通気孔131AHを、例えば、レーザーまたはエッチングなどで形成すると、通気孔131AHは、ストレート孔とはならずにテーパ孔となることが多い。具体的には、レーザー光の入射側およびエッチングマスクの配置側の金属シート131Aの通気孔131AHの開口部の開口面積が、他方の開口部の開口面積よりも大きくなる傾向がある。
Here, when the air hole 131AH of the
そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、通気孔131AHの開口部の開口面積が小さい金属シート131Aの主面を金属繊維焼結シート31Bに隣接させている。
Therefore, in the
これにより、金属シート131Aを上記と逆に配置する場合に比べて、金属繊維焼結シート31Bの金属繊維が通気孔131AHを貫通しにくくなるので、カソード触媒層15(電解質膜14)が損傷する可能性を低減できる。
As a result, compared to the case where the
本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、上記特徴以外は、第1実施形態または第2実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様であってもよい。
The
なお、第1実施形態、第2実施形態および第3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 second embodiment, and the third 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、従来に比べて、簡易な構成で電解質膜(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を低減し得る電気化学式水素ポンプに利用できる。 One aspect of the present disclosure can be used for an electrochemical hydrogen pump that can reduce the contact resistance between the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) and the cathode gas diffusion layer with a simple configuration 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
24 :アノードガス拡散層
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 :カソードガス拡散層
31A :金属シート
31AH :通気孔
31B :金属繊維焼結シート
31BF :金属繊維
32 :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
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
131 :カソードガス拡散層
131A :金属シート
131AH :通気孔
132 :カソードセパレータ
135 :凹部
135A :第1凹部
135B :第2凹部
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 24: Anode
Claims (9)
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対して設けられたカソードガス拡散層と、
前記アノード触媒層に対して設けられたアノードガス拡散層と、
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、
前記カソードガス拡散層は、複数の通気孔を備える金属シートと金属繊維焼結シートとを備え、前記金属シートは、前記カソード触媒層に隣接している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 layer provided for the cathode catalyst layer;
An anode gas diffusion layer provided for the anode catalyst layer;
A voltage applicator for applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer,
The cathode gas diffusion layer includes a metal sheet having a plurality of ventilation holes and a metal fiber sintered sheet, and the metal sheet is an electrochemical hydrogen pump adjacent to the cathode catalyst layer.
前記電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、前記カソードガス拡散層、
前記アノードガス拡散層および前記セパレータの積層体を締結する締結器と、を備え、
前記締結器による前記積層体の締結前に、前記カソードガス拡散層は、前記凹部の厚み方向にはみ出して配設されており、
前記金属シートは、該金属シートの厚み以下で、前記凹部の厚み方向にはみ出している請求項1または2に記載の電気化学式水素ポンプ。 A separator having a recess for accommodating the cathode gas diffusion layer;
The electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, the cathode gas diffusion layer,
A fastener for fastening the laminate of the anode gas diffusion layer and the separator,
Before the laminate is fastened by the fastener, the cathode gas diffusion layer is disposed so as to protrude in the thickness direction of the recess,
3. The electrochemical hydrogen pump according to claim 1, wherein the metal sheet protrudes in a thickness direction of the concave portion less than a thickness of the metal sheet.
前記電解質膜、前記カソード触媒層、前記アノード触媒層、前記カソードガス拡散層、前記アノードガス拡散層および前記セパレータの積層体を締結する締結器と、を備える請求項1または2に記載の電気化学式水素ポンプ。 A separator having a recess for accommodating the cathode gas diffusion layer;
The electrochemical system according to claim 1, further comprising: a fastener that fastens a laminate of the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer, the anode catalyst layer, the cathode gas diffusion layer, the anode gas diffusion layer, and the separator. Hydrogen pump.
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