JP2018109217A - Electrochemical hydrogen pump - Google Patents

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Kunihiro Ukai
邦弘 鵜飼
藥丸 雄一
Yuichi Kusumaru
雄一 藥丸
岡市 敦雄
Atsuo Okaichi
敦雄 岡市
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical hydrogen pump capable of reducing contact resistance between an electrolyte membrane (cathode catalyst layer) and a cathode gas diffusion layer with a simple configuration as compared with conventional ones.SOLUTION: The electrochemical hydrogen pump includes: an electrolyte membrane having 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; and 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 provided with a plurality of vent holes, and a metal fiber sintered sheet. The metal sheet is adjacent to the cathode catalyst layer.SELECTED DRAWING: Figure 3

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.

特開2001−342587号公報JP 2001-342587 A 特開2006−70322号公報JP 2006-70322 A 特開2002−69681号公報JP 2002-69681 A

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.

図1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。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of an electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. 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。FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. 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。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a cathode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. 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。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of an anode gas diffusion device of the electrochemical hydrogen pump according to the first embodiment. 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。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. 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。FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the cathode separator of the electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment. 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。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a cathode gas diffusion layer of the electrochemical hydrogen pump according to the third embodiment.

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 Patent Document 3, as described above, a structure for reducing the damage of the membrane electrode assembly due to the metal fiber while improving the adhesion between the power feeding body and the membrane electrode assembly has been studied. In the technique of filling the fiber with the conductive material powder, it is difficult to sufficiently smooth the surface of the power feeding body. The reason is as follows.

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 Patent Document 3, titanium coarse particles are filled between metal fibers and the surface of the power feeding body is filled with titanium fine particles. However, supply of titanium particles is performed so that the surface of the power feeding body is spread only with titanium fine particles. It is difficult to control. If titanium coarse particles are present on the surface of the power feeding body, the surface of the power feeding body is partially uneven due to the titanium coarse particles. Therefore, in the power supply body for an electrochemical cell of Patent Document 3, there is a possibility that the membrane electrode assembly is damaged by the unevenness of the surface of the power supply body.

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 Patent Document 3. In other words, as described above, this powder layer may be partially uneven due to titanium coarse particles, but the surface of the metal sheet is compared with the powder layer by precise metal surface treatment. Can be relaxed. Therefore, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can reduce damage to the electrolyte membrane as compared with Patent Document 3.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment includes an electrolyte membrane 14, a cathode catalyst layer 15, an anode catalyst layer 16, an anode gas diffusion device 9, and a voltage applicator 19. The fastener 27, the cathode gas diffusion layer 31, and the cathode separator 32 are provided. The anode gas diffusion device 9 includes an anode body 1 including an anode gas diffusion layer 24, an anode gas flow path plate 5, and an anode end plate 10.

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 single cell 100 </ b> A of the electrochemical hydrogen pump 100 includes an electrolyte membrane 14, a cathode catalyst layer 15, an anode catalyst layer 16, a cathode gas diffusion layer 31, a cathode separator 32, and an anode gas diffusion device 9. Therefore, although the electrochemical hydrogen pump 100 of FIG. 1 constitutes a stack in which three single cells 100A are stacked, the number of single cells 100A is not limited to this. That is, the number of stages of the single cell 100A can be set to an appropriate number based on operating conditions such as the amount of hydrogen of the electrochemical hydrogen pump 100.

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 fastener 27 fastens the laminate 100B of the electrolyte membrane 14, the cathode catalyst layer 15, the anode catalyst layer 16, the cathode gas diffusion layer 31, the anode gas diffusion layer 24, and the cathode separator 32.

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 stacked body 100B in a stacked state, the end surface of the uppermost cathode separator 32 and the end surface of the anode gas diffusion device 9 in the lowermost layer of the unit cell 100A are provided. It is necessary to apply a desired fastening pressure to the single cell 100A by sandwiching between the end plate 26U and the end plate 26D via an insulating plate (not shown). Therefore, a plurality of fasteners 27 including disc springs or the like for applying a fastening pressure to the single cell 100A are provided at appropriate positions of the end plate 26U and the end plate 26D.

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 fastening device 27 may have any configuration as long as the laminated body 100B can be fastened. Examples of the fastener 27 include a bolt penetrating between the end plate 26U and the end plate 26D, and a nut with a disc spring.

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 end plate 26U is provided with a cathode gas outlet pipe 30 through which the cathode gas from the cathode gas diffusion layer 31 flows. That is, the cathode gas outlet pipe 30 communicates with a cylindrical cathode gas outlet manifold (not shown) provided in the stacked unit cell 100A. A seal member such as an O-ring (not shown) is provided between the cathode separator 32 and the anode gas diffusion device 9 so as to surround the cathode gas lead-out manifold in plan view, and the cathode gas lead-out manifold is the seal member. Properly sealed.

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 end plate 26U is also provided with an anode gas outlet pipe 29 through which excess anode gas from the anode gas diffusion device 9 flows. That is, the anode gas outlet pipe 29 communicates with a cylindrical anode gas outlet manifold 29A provided in the stacked single cell 100A. A seal member 40 such as an O-ring is provided between the cathode separator 32 and the anode gas diffusion device 9 so as to surround the anode gas lead-out manifold 29A in plan view, and the anode gas lead-out manifold 29A is connected to the seal member 40. Is properly sealed.

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 end plate 26D is provided with an anode gas introduction pipe 28 through which the anode gas supplied to the anode gas diffusion device 9 flows. That is, the anode gas introduction pipe 28 communicates with a cylindrical anode gas introduction manifold 28A provided in the stacked single cell 100A. A seal member 40 such as an O-ring is provided between the cathode separator 32 and the anode gas diffusion device 9 so as to surround the anode gas introduction manifold 28A in a plan view, and the anode gas introduction manifold 28A is provided with the seal member 40. Is properly sealed.

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 electrolyte membrane 14 includes a pair of main surfaces. The electrolyte membrane 14 is a proton conductive polymer membrane that can transmit protons (H + ). The electrolyte membrane 14 may be any membrane as long as it is a proton conductive polymer membrane. For example, examples of the electrolyte membrane 14 include a fluorine-based polymer electrolyte membrane. Specifically, for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (trade name, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) and the like can be used.

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 cathode catalyst layer 15 is provided on one main surface (for example, the front surface) of the electrolyte membrane 14. In plan view, a sealing member 41 such as an O-ring or a gasket is provided so as to surround the cathode catalyst layer 15, and the cathode catalyst layer 15 is appropriately sealed with the sealing member 41. That is, the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment seals the leakage of the cathode gas (hydrogen) flowing through the cathode gas diffusion layer 31 on the cathode separator 32 on the outer periphery of the recess 35 (see FIG. 3) of the cathode separator 32. A seal structure is provided. Thus, the cathode catalyst layer 15 and the cathode gas diffusion layer 31 can be appropriately sealed using the main surface of the cathode separator 32. The cathode catalyst layer 15 includes, for example, platinum as a catalyst metal, but is not limited thereto.

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 gas diffusion layer 31 is provided for the cathode catalyst layer 15. The detailed configuration of the cathode gas diffusion layer 31 will be described later.

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 anode catalyst layer 16 is provided on the other main surface (for example, the back surface) of the electrolyte membrane 14. In plan view, a sealing member 42 such as an O-ring or a gasket is provided so as to surround the anode catalyst layer 16, and the anode catalyst layer 16 is appropriately sealed with the sealing member 42. That is, the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment includes a seal structure that seals leakage of the anode gas flowing through the anode gas diffusion layer 24 on the anode body 1 on the outer periphery of the anode gas diffusion layer 24. Thereby, the anode catalyst layer 16 and the anode gas diffusion layer 24 can be appropriately sealed using the main surface of the anode body 1. The anode catalyst layer 16 includes, for example, RuIrFeOx as a catalyst metal, but is not limited thereto.

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 gas diffusion layer 24 of the anode gas diffusion device 9 is provided for the anode catalyst layer 16. The detailed configuration of the anode gas diffusion device 9 will be described later.

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 cathode catalyst layer 15 and the anode catalyst layer 16 are not particularly limited because various methods can be used as a method for preparing the catalyst. For example, examples of the catalyst carrier include conductive porous material powder and carbon-based powder. Examples of the carbon-based powder include powders such as graphite, carbon black, and activated carbon having electrical conductivity. The method for supporting platinum or other catalytic metals on a carrier such as carbon is not particularly limited. For example, a method such as powder mixing or liquid phase mixing may be used. Examples of the latter liquid phase mixing include a method of dispersing and adsorbing a carrier such as carbon in a catalyst component colloid liquid. If necessary, platinum or other catalytic metals can be supported in the same manner as described above using the active oxygen removing material as a carrier. The state of the catalyst metal such as platinum supported on the carrier is not particularly limited. For example, the catalyst metal may be finely divided and supported on the carrier with high dispersion.

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 voltage applicator 19 applies a voltage between the cathode catalyst layer 15 and the anode catalyst layer 16. Specifically, the low potential side terminal of the voltage applicator 19 is connected to the conductive cathode separator 32, and the high potential side terminal of the voltage applicator 19 is connected to the conductive anode gas diffusion device 9. . The voltage applicator 19 may have any configuration as long as a voltage can be applied between the cathode catalyst layer 15 and the anode catalyst layer 16.

[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 gas diffusion layer 31 and the cathode separator 32 when the cathode gas diffusion layer 31 is housed in the recess 35 of the cathode separator 32. FIG. 3B is a plan view of the BB part of the metal sheet 31 </ b> A of the cathode gas diffusion layer 31. FIG. 3C is an enlarged view of a boundary region (C portion) between the metal sheet 31A of the cathode gas diffusion layer 31 and the metal fiber sintered sheet 31B. FIG. 3D is a perspective view of the cathode gas diffusion layer 31 from the metal fiber sintered sheet 31B side.

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 gas diffusion layer 31 includes a metal sheet 31A and a metal fiber sintered sheet 31B.

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 metal sheet 31 </ b> A includes a plurality of air holes 31 </ b> AH and is adjacent to the cathode catalyst layer 15. The metal sheet 31A is configured such that portions other than the vent hole 31AH do not have gas permeability. Further, the portion other than the vent hole 31AH has higher rigidity than the metal fiber sintered sheet 31B. For example, the metal sheet 31A may be a metal steel plate having a thickness of about several tens of μm to several hundreds of μm (for example, about 100 μm). In addition, such a metal sheet 31A can be manufactured by performing casting and rolling of a metal, for example. Since the metal casting and rolling processes are known, a detailed description is omitted.

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 metal sheet 31 </ b> A has a larger area than the main surface of the cathode catalyst layer 15. Specifically, when the cathode catalyst layer 15 is viewed in plan from the metal sheet 31A, the entire cathode catalyst layer 15 is covered with the metal sheet 31A.

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 cathode catalyst layer 15 can be configured as an electrical contact surface. Therefore, compared with the case where the area of the main surface of the metal sheet 31 </ b> A is smaller than the area of the main surface of the cathode catalyst layer 15, the cathode catalyst layer 15 can be used effectively, so that the hydrogen pressurization property of the electrochemical hydrogen pump 100 can be improved. .

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 metal sheet 31A may be formed in a matrix shape (lattice shape) at equal intervals in the vertical and horizontal directions. The vent hole 31AH may be, for example, a round hole having a diameter of about several tens of μm (for example, about 20 μm). The material of the metal sheet 31A may be, for example, stainless steel, titanium, titanium alloy, aluminum alloy, or the like. The diameter of the air hole 31AH may be equal to or smaller than the thickness of the metal fiber 31BF so that the metal fiber 31BF of the metal fiber sintered sheet 31B is difficult to penetrate. The reason is that if the diameter of the vent hole 31AH is made smaller than the thickness of the metal fiber 31BF, the metal fiber 31BF of the metal fiber sintered sheet 31B is prevented from penetrating the vent hole 31AH, and the cathode catalyst layer 15 (electrolyte membrane) This is because the damage 14) may be reduced.

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 metal sheet 31A has desired rigidity and desired electrical conductivity in portions other than the vent hole 31AH, and desired gas permeability in the vent hole 31AH. In addition, the material and shape of the above metal sheet 31A are illustrations, and are not limited to this example.

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 fiber sintered sheet 31B is configured to ensure the elasticity, electrical conductivity, and gas permeability required for the cathode gas diffusion layer 31. As such a metal fiber sintered sheet 31B, for example, a metal fiber sintered body obtained by sintering the metal fiber 31BF into a nonwoven fabric can be used. In the nonwoven fabric-like metal fiber sintered body, the metal fibers 31BF are formed in a tertiary shape, and the contacts of each other are sintered. Therefore, the electrical conductivity of the non-woven metal fiber sintered body is high. Moreover, since metal fiber 31BF is comprised by the tertiary form, it is excellent also in the gas dispersibility of a nonwoven fabric-like metal fiber sintered compact. The material of the metal fiber 31BF may be, for example, stainless steel, titanium, titanium alloy, aluminum alloy, or the like. In addition, the material of this metal fiber 31BF is an illustration, Comprising: It is not limited to this example.

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 gas diffusion layer 31 described above, the metal sheet 31A and the metal fiber sintered sheet 31B are welded, brazed, welded, or the like in a state where the central axes of the metal sheet 31A and the metal fiber sintered sheet 31B are aligned. They may be joined together by metal bonding. For example, the main surface of the metal sheet 31A and the main surface of the metal fiber sintered sheet 31B may be subjected to surface bonding by diffusion bonding or the like.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, as shown in FIG. 3A, the cathode separator 32 includes a recess 35 in which the cathode gas diffusion layer 31 is accommodated.

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 fastener 27, the cathode gas diffusion layer 31 is disposed so as to protrude in the thickness direction of the recess 35, and the metal sheet 31A is the metal sheet 31A. Or less in the thickness direction of the recess 35.

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 metal sheet 31 </ b> A is substantially the same as the opening shape of the recess 35, and the surface area of the metal sheet 31 </ b> A is slightly smaller than the opening area of the recess 35. When the metal sheet 31A of the cathode gas diffusion layer 31 is placed in such a recess 35, the metal sheet 31A can smoothly slide relative to the recess 35 between the side surface of the metal sheet 31A and the side surface of the recess 35. Only a certain gap is formed. Therefore, the side surface of the recess 35 functions as a sliding guide with respect to the side surface of the metal sheet 31A. Then, the metal fiber sintered sheet 31 </ b> B can be elastically deformed (stretched) smoothly in the thickness direction of the recess 35 without protruding from the recess 35.

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 metal sheet 31A from the recess 35 takes into account the respective compression amounts of the anode gas diffusion layer 24, the anode catalyst layer 16 and the electrolyte membrane 14 when the electrochemical hydrogen pump 100 is operated. To an appropriate value.

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 metal sheet 31A has a larger area than the main surface of the metal fiber sintered sheet 31B, and the metal fiber sintered sheet 31B is a metal that is not adjacent to the cathode catalyst layer 15. Adjacent to the main surface of the sheet 31A. That is, the metal sheet 31A has a longer outer peripheral length than the metal fiber sintered sheet 31B. In this case, the surface area of the metal fiber sintered sheet 31B is smaller than the surface area of the metal sheet 31A in plan view.

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 metal sheet 31A and the metal fiber sintered sheet 31B of the cathode gas diffusion layer 31 are placed in the recess 35 in the above-described size relationship between the metal sheet 31A and the metal fiber sintered sheet 31B and the arrangement relationship therebetween, FIG. As shown in (a), between the side surface of the metal fiber sintered sheet 31B and the side surface of the recess 35, a cylindrical gap S corresponding to the separation distance L1 from the side surface of the recess 35 is a metal fiber sintered sheet 31B. It is formed so as to be along the side surface. Thus, when the metal fiber sintered sheet 31B is compressed in the thickness direction of the recess 35, the deformation (elongation) of the metal fiber sintered sheet 31B in the plane direction perpendicular to the thickness direction is caused by the presence of the gap S. Done properly.

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 cathode separator 32 includes a manifold hole 32C and a cathode gas communication path 32B for sending the cathode gas in the recess 35 to the manifold hole 32C. That is, when the single cells 100A are stacked, a cylindrical cathode gas lead-out manifold is formed by the manifold hole 32A (see FIG. 4) provided in the anode gas diffusion device 9 and the manifold hole 32C. Thereby, the cathode gas in a high pressure state can be taken out from the cathode gas diffusion layer 31 through the cathode gas communication path 32B.

[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 anode body 1 of the anode gas diffusion device 9. FIG. 4B is a plan view of the anode gas flow path plate 5 of the anode gas diffusion device 9. FIG. 4C is a plan view of the anode end plate 10 of the anode gas diffusion device 9.

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 gas diffusion device 9. That is, in FIG. 4D, a cross section of the DD portion of the anode gas diffusion device 9 shown in plan view in FIGS. 4A, 4B, and 4C is shown. .

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 gas diffusion device 9 includes an anode body 1, an anode gas flow path plate 5, and an anode end plate 10.

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 anode body 1 is a metal member that diffuses anode gas. The anode body 1 may have any configuration as long as it is a metal member that diffuses the anode gas. The anode body 1 may be made of a metal such as stainless steel, titanium, titanium alloy, or aluminum alloy. The thickness of the anode body 1 may be about several hundred μm (for example, about 400 μm). These materials and numerical values are examples and are not limited to this example.

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 anode body 1 includes an anode gas diffusion layer 24, a manifold hole 3 for introducing an anode gas, and a manifold hole 4 for extracting an anode gas.

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 gas diffusion layer 24 provided in the anode body 1 is configured to be able to diffuse the anode gas using a laminated body of metal plates provided with air holes, a sintered body of porous metal powder, or the like. .

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 flow path plate 5 is provided on the main surface of the anode body 1. In the anode gas diffusion device 9 of the present embodiment, the anode gas flow path plate 5 is provided so as to be in surface contact with the main surface of the anode body 1.

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 flow path plate 5, for example, stainless steel, titanium, titanium alloy, aluminum alloy, or the like can be used. The thickness of the anode gas flow path plate 5 may be about several tens of μm (for example, about 50 μm). These materials and numerical values are examples and are not limited to this example.

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 flow path plate 5 includes a manifold hole 7 for introducing an anode gas, a manifold hole 8 for deriving the anode gas, an anode gas flow path 6, Is provided.

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 manifold hole 7 and the manifold hole 8 are disposed so as to face the manifold hole 3 and the manifold hole 4 of the anode body 1, respectively.

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 gas diffusion device 9 of the present embodiment, the anode gas flow path 6 of the anode gas flow path plate 5 includes a plurality of slit holes 36 that communicate with both the manifold hole 7 and the manifold hole 8. In this case, the manifold hole 7 is used for introducing the anode gas into the anode gas diffusion layer 24 by communicating with one end of the plurality of anode gas flow paths 6. That is, the anode gas that has passed through the contact portion between the slit hole 36 of the anode gas flow path 6 and the anode gas diffusion layer 24 is sent to the anode gas diffusion layer 24. The manifold hole 8 communicates with the other ends of the plurality of anode gas flow paths 6 and is used for derivation of the anode gas from the anode gas diffusion layer 24.

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 anode end plate 10 is provided on a main surface (hereinafter referred to as an opposite surface) that does not face the anode body 1 among the main surfaces of the anode gas flow path plate 5. Specifically, the plurality of slit holes 36 of the anode gas flow path plate 5 are covered with the anode end plate 10 from the opposite surface.

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 anode end plate 10, for example, stainless steel, titanium, a titanium alloy, an aluminum alloy, or the like can be used. The thickness of the anode end plate 10 may be about several tens of μm (for example, about 50 μm). These materials and numerical values are examples and are not limited to this example.

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 anode end plate 10 includes a manifold hole 11 for introducing an anode gas and a manifold hole 12 for extracting the anode gas. The manifold hole 11 and the manifold hole 12 of the anode end plate 10 are respectively arranged so as to face the manifold hole 7 and the manifold hole 8 of the anode gas flow path plate 5.

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 single cells 100 </ b> A are stacked, the anode gas introduction manifold 28 </ b> A is formed by the manifold hole 11, the manifold hole 7, the manifold hole 3, and the manifold hole of the cathode separator 32. An anode gas outlet manifold 29 </ b> A is formed by the manifold hole 12, the manifold hole 8, the manifold hole 4, and the manifold hole of the cathode separator 32.

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 gas diffusion device 9 of the present embodiment, the anode end plate 10, the anode gas flow channel plate 5, and the anode main body 1 may be integrally bonded by metal bonding by welding, brazing, welding, or the like. . For example, the main surface of the anode end plate 10, the main surface of the anode gas flow channel plate 5, and the main surface of the anode body 1 may be surface-bonded by diffusion bonding or the like. Thereby, compared with the case where the anode end plate 10, the anode gas flow path plate 5, and the anode main body 1 are fixed and laminated with a mechanical fastening member, the gap at the joint portion disappears, so the anode gas diffusion device 9 contact resistance (electrical resistance) can be reduced. Then, when applying a desired voltage to the anode gas diffusion device 9, an increase in power consumption required for the electrochemical hydrogen pump 100 can be suppressed.

[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 cathode catalyst layer 15 and the anode catalyst layer 16 applied respectively to the main surfaces of the cathode separator 32, the cathode gas diffusion layer 31, and the electrolyte membrane 14. 14A), the anode gas diffusion layer 24 and the cross section of the anode body 1 are shown.

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 gas diffusion layer 31, the electrolyte membrane (with catalyst layer) 14A, and the anode gas diffusion layer 24 are aligned so as to face each other.

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 gas diffusion layer 31, the electrolyte membrane (with catalyst layer) 14A, and the anode gas diffusion layer 24 are laminated. At this time, the metal sheet 31A of the cathode gas diffusion layer 31, the electrolyte membrane (with catalyst layer) 14A and the anode gas diffusion layer 24 are in contact with each other, but since the fastening force by the fastener 27 is not applied, A gap corresponding to the protruding amount Ecd in the thickness direction of the metal sheet 31A of the cathode gas diffusion layer 31 is formed between the main surface and the electrolyte membrane (with catalyst layer) 14A. A cylindrical gap S corresponding to the separation distance L1 from the side surface of the recess 35 is also formed between the side surface of the metal fiber sintered sheet 31B of the cathode gas diffusion layer 31 and the side surface of the recess 35.

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 fastener 27. Then, the metal fiber sintered sheet 31B of the cathode gas diffusion layer 31 is compressed by the fastening force of the fastener 27, and the main surface of the metal sheet 31A of the cathode gas diffusion layer 31 and the electrolyte membrane (with catalyst layer) 14A are compressed. The main surface is in close contact with the main surface of the anode gas diffusion layer 24. In this case, the compression amount (thickness) of the metal fiber sintered sheet 31B is equal to the protrusion amount Ecd. That is, since the gap between the main surface of the cathode separator 32 and the electrolyte membrane (with catalyst layer) 14A disappears, the thickness T2 after compression is subtracted from the original thickness T1 before compression of the metal fiber sintered sheet 31B. The value is equal to the protrusion amount Ecd. Further, when the metal fiber sintered sheet 31B is compressed in the thickness direction of the concave portion 35, the metal fiber sintered sheet 31B extends in a plane direction perpendicular to the thickness direction. Therefore, the separation distance L2 from the side surface of the concave portion 35 is: It becomes smaller than said separation distance L1 (that is, L1> L2).

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 electrochemical hydrogen pump 100 before the operation of the electrochemical hydrogen pump 100 is completed.

[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 electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment will be described with reference to the drawings.

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 cathode separator 32 and the anode gas diffusion device 9 by the voltage applicator 19.

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 gas diffusion device 9 through the anode gas introduction pipe 28. Specifically, the anode gas is supplied from the anode gas introduction pipe 28 to the manifold hole 7 of FIG. Then, since the manifold hole 7 communicates with one end of the anode gas flow path 6 of the anode gas flow path plate 5, gas is sent from the manifold hole 7 to the anode gas flow path 6.

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 anode gas channel 6 is sent to the anode gas diffusion layer 24 of the anode body 1. Since the anode gas diffusion layer 24 has a gas diffusion action, the anode gas directed from the anode gas flow path 6 to the main surface (hereinafter referred to as the opposite surface) of the anode gas diffusion layer 24 not facing the anode gas flow path plate 5 is generated. The anode gas diffusion layer 24 can pass through the opposite surface while being uniformly diffused. As a result, the anode gas is uniformly supplied to the anode catalyst layer 16 disposed on the opposite surface of the anode gas diffusion layer 24. The surplus anode gas that has not passed through the opposite surface is sent to the manifold hole 8 communicating with the other end of the anode gas passage 6 of the anode gas passage plate 5 and discharged to the anode gas outlet pipe 29. The Examples of the anode gas include a hydrogen-containing reformed gas and a hydrogen-containing gas generated by a water electrolysis method.

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 anode catalyst layer 16 to become protons (H + ) (formula (1)). The liberated electrons move to the cathode catalyst layer 15 via the voltage applicator 19.

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 electrolyte membrane 14 with water molecules and move to the cathode catalyst layer 15. In the cathode catalyst layer 15, a reduction reaction is performed by protons that have permeated through the electrolyte membrane 14 and electrons, and cathode gas (hydrogen gas) is generated (formula (2)).

これにより、CO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 anode catalyst layer 16 and the like, it is better to remove the CO gas by a CO remover (not shown) (for example, a converter, a CO selective oxidizer, etc.).

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 gas outlet pipe 30 and increasing the voltage E of the voltage applicator 19. Specifically, the relationship among the anode gas pressure P1, the cathode gas pressure P2, and the voltage E of the voltage applicator 19 is formulated by the following equation (3).

アノード:H(低圧)→2H+2e ・・・(1)
カソード:2H+2e→H(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/cm)、rはセル抵抗(Ω・cm)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 voltage applicator 19. Note that the pressure loss of the cathode gas outlet pipe 30 can be increased or decreased by, for example, the opening degree of an on-off valve provided in the cathode gas outlet pipe 30.

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 gas diffusion layer 31 becomes equal to or higher than a predetermined pressure, the cathode loss of the cathode gas diffusion layer 31 is reduced by reducing the pressure loss of the cathode gas outlet pipe 30 (for example, by increasing the opening of the on-off valve). The gas is charged into a high-pressure hydrogen tank (not shown) through the cathode gas outlet pipe 30. On the other hand, when the gas pressure of the cathode gas diffusion layer 31 becomes less than a predetermined pressure, the cathode gas diffusion layer 31 and the high pressure are increased by increasing the pressure loss of the cathode gas outlet pipe 30 (for example, by reducing the opening of the on-off valve). The hydrogen tank is shut off. As a result, the cathode gas in the high-pressure hydrogen tank is prevented from flowing back to the cathode gas diffusion layer 31.

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 electrochemical hydrogen pump 100 boosts the high purity cathode gas (hydrogen gas) to a desired target pressure and fills the high pressure hydrogen tank.

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 electrolyte membrane 14, the anode catalyst layer 16, and the anode gas diffusion layer 24 are pressed. Then, the electrolyte membrane 14, the anode catalyst layer 16, and the anode gas diffusion layer 24 are compressed by this pressing. At this time, if the adhesion between the cathode catalyst layer 15 and the cathode gas diffusion layer 31 is low, a gap is likely to be generated between them. If there is a gap between the cathode catalyst layer 15 and the cathode gas diffusion layer 31, the contact resistance between them increases. As a result, the voltage E applied by the voltage applicator 19 increases, which may reduce the operation efficiency of the electrochemical hydrogen pump 100.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the cathode gas diffusion layer 31 is disposed in the thickness direction from the concave portion 35 of the cathode separator 32 as shown in FIG. 3 before the stacked body 100B is fastened by the fastener 27. In addition, it is configured to protrude by the amount of protrusion Εcd. Further, the metal fiber sintered sheet 31B of the cathode gas diffusion layer 31 is compressed by an amount of protrusion Εcd by the fastener 27 as shown in FIG. 5C when the laminated body 100B is fastened.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the contact resistance between the electrolyte membrane 14 and the cathode gas diffusion layer 31 can be reduced with a simpler configuration than the conventional one. Specifically, when the cathode gas of the electrochemical hydrogen pump 100 is in a high pressure state during operation of the electrochemical hydrogen pump 100, the electrolyte membrane 14 does not pass the cathode gas, so that the anode gas diffusion layer 24, the anode catalyst layer 16 and High pressure is applied to the electrolyte membrane 14. Then, each of the anode gas diffusion layer 24, the anode catalyst layer 16, and the electrolyte membrane 14 is compressed and deformed. At this time, since the metal fiber sintered sheet 31B of the cathode gas diffusion layer 31 is an elastic body, even when the above-described compression deformation occurs due to the elastic force of the metal fiber sintered sheet 31B, the metal sheet 31A and the electrolyte membrane 14 are used. The contact with the (cathode catalyst layer 15) can be appropriately maintained.

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 gas diffusion layer 31 protrudes from the recess 35 of the cathode separator 32 in the thickness direction of the recess 35, the metal fiber sintered sheet 31 </ b> B is connected by the fastener 27 by the amount of protrusion Ecd of the cathode gas diffusion layer 31. Can be compressed. Therefore, even when each of the anode gas diffusion layer 24, the anode catalyst layer 16, and the electrolyte membrane 14 is compressed and deformed, the metal fiber sintered sheet 31B returns from the thickness compressed by the fastener 27 to the thickness before compression. By elastically deforming, the contact between the metal sheet 31A and the electrolyte membrane 14 (cathode catalyst layer 15) can be appropriately maintained. Therefore, the electrochemical hydrogen pump 100 according to the present embodiment does not require a dedicated member for pressing the metal sheet 31A against the electrolyte membrane (cathode catalyst layer) as in Patent Document 2, and thus is simpler than that of Patent Document 2. The contact resistance can be reduced with a simple configuration.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment can reduce the damage of the electrolyte membrane 14 compared with the past.

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 Patent Document 3, titanium coarse particles are filled between metal fibers and the surface of the power feeding body is filled with titanium fine particles, but the surface of the power feeding body is spread only with titanium fine particles. It is difficult to control the supply of titanium particles. If titanium coarse particles are present on the surface of the power feeding body, the surface of the power feeding body is partially uneven due to the titanium coarse particles. Therefore, in the power supply body for an electrochemical cell of Patent Document 3, there is a possibility that the membrane electrode assembly is damaged by the unevenness of the surface of the power supply body. In contrast, the unevenness of the surface of the metal sheet 31A can be reduced as compared with the powder layer by a precise metal surface treatment. Therefore, the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can reduce damage to the electrolyte membrane 14 as compared with Patent Document 3.

(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 electrochemical hydrogen pump 100 according to this embodiment is the electrochemical hydrogen pump 100 according to any one of the first to fifth aspects. The recess 135 of the cathode separator 132 is opened more than the area of the main surface of the metal sheet 31A. A first recess 135A having a large area and a second recess 135B having an opening area smaller than the area of the main surface of the metal sheet 31A are provided.

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 first recess 135A is larger than the surface area of the metal sheet 31A. In addition, when viewed from the side, the opening depth Ecg1 of the first recess 135A (the amount of step from the main surface of the cathode separator 132) is smaller than the thickness Ect of the metal sheet 31A.

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 second recess 135B is formed coaxially with the opening of the first recess 135A in plan view. The opening area of the second recess 135B is larger than the surface area of the metal fiber sintered sheet 31B and smaller than the surface area of the metal sheet 31A. In addition, when viewed from the side, the opening depth Ecg2 of the second recess 135B (the step amount from the bottom surface of the first recess 135A) is smaller than the thickness of the metal fiber sintered sheet 31B.

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 metal sheet 31 </ b> A and the metal fiber sintered sheet 31 </ b> B of the cathode gas diffusion layer 31 are placed in such a recess 135, before the laminate 100 </ b> B (see FIG. 1) is fastened by the fastener 27, the cathode gas diffusion layer 31. Is disposed so as to protrude in the thickness direction of the recess 135, and the metal sheet 31A protrudes in the thickness direction of the recess 135 below the thickness Ect of the metal sheet 31A. The protruding amount Ecd in the thickness direction of the metal sheet 31A from the recess 135 is the sum of the value obtained by subtracting the opening depth Ecg2 of the second recess 135B from the thickness of the metal fiber sintered sheet 31B and the thickness Ect of the metal sheet 31A. , The difference between the opening depth Ecg1 of the first recess 135A. Thereby, the protrusion amount Ecd can be set appropriately. The protruding amount Ecd is set to an appropriate value in consideration of the respective compression amounts of the anode gas diffusion layer 24, the anode catalyst layer 16, and the electrolyte membrane 14 when the electrochemical hydrogen pump 100 is operated.

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 fiber sintered sheet 31B and the side surface of the second recess 135B, a cylindrical gap S corresponding to the separation distance L3 from the side surface of the second recess 135B is present in the metal fiber sintered sheet 31B. It is formed along the side.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, since the cathode gas diffusion layer 31 protrudes from the recess 135 of the cathode separator 132 in the thickness direction of the recess 135, the cathode gas diffusion layer 31 protrudes by the amount Ecd of the protrusion. The metal fiber sintered sheet 31B can be compressed by the container 27. Therefore, even when each of the anode gas diffusion layer 24, the anode catalyst layer 16, and the electrolyte membrane 14 is compressed and deformed, the metal fiber sintered sheet 31B returns from the thickness compressed by the fastener 27 to the thickness before compression. By elastically deforming, the contact between the metal sheet 31A and the electrolyte membrane 14 (cathode catalyst layer 15) can be appropriately maintained.

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 laminated body 100B is fastened by the fastener 27, the main surface of the metal sheet 31A and the bottom surface of the first recess 135A are in surface contact, and therefore electrical conductivity can be secured even in this contact portion. The applied voltage of the voltage applicator 19 can be reduced.

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 first recess 135A does not need to be higher than the dimensional accuracy of the recess 35 of the first embodiment (FIG. 3). Therefore, the manufacturing cost of the cathode separator 132 can be reduced.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except for the above features.

(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 metal sheet 131A of the cathode gas diffusion layer 131 and the metal fiber sintered sheet 31B.

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 electrochemical hydrogen pump 100 according to the present embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 according to any one of the first aspect-fifth aspect and the second embodiment, wherein the vent hole 131AH of the metal sheet 131A of the cathode gas diffusion layer 131 is The opening area of the opening on the main surface side adjacent to the metal fiber sintered sheet 31B is smaller than the opening area of the opening on the other main surface side. For example, the vent hole 131AH may be a tapered hole extending in a direction from the main surface side adjacent to the metal fiber sintered sheet 31B toward the other main surface side.

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 metal sheet 131A is formed by, for example, laser or etching, the air hole 131AH is not a straight hole but is often a tapered hole. Specifically, the opening area of the opening portion of the vent hole 131AH of the metal sheet 131A on the laser beam incident side and the etching mask arrangement side tends to be larger than the opening area of the other opening portion.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the main surface of the metal sheet 131A having a small opening area of the opening portion of the vent hole 131AH is adjacent to the metal fiber sintered sheet 31B.

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 metal sheet 131A is disposed in the reverse direction, the metal fibers of the metal fiber sintered sheet 31B are less likely to penetrate the vent holes 131AH, and the cathode catalyst layer 15 (electrolyte membrane 14) is damaged. The possibility can be reduced.

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 electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment or the second embodiment except for the above features.

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 gas diffusion layer 26D: End plate 26U: End plate 27: Fastener 28: Anode gas introduction pipe 28A: Anode gas introduction Manifold 29: Anode gas outlet pipe 29A: Anode gas outlet manifold 30: Cathode gas outlet pipe 31: Cathode gas diffusion layer 31A: Metal sheet 31AH: Ventilation hole 31B: Metal fiber sintered sheet 31BF: Metal fiber 32: Cathode separator 32A: Manifold hole 32B: cathode gas Communication path 32C: Manifold hole 35: Recess 36: Slit hole 40: Seal member 41: Seal member 42: Seal member 100: Electrochemical hydrogen pump 100A: Single cell 100B: Laminate 131: Cathode gas diffusion layer 131A: Metal sheet 131AH : Vent 132: Cathode separator 135: Recess 135A: First recess 135B: Second recess

Claims (9)

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.
前記金属シートの主面は、前記カソード触媒層の主面より面積が大きい請求項1に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to claim 1, wherein a main surface of the metal sheet has a larger area than a main surface of the cathode catalyst layer. 前記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、
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.
前記金属シートの主面は、前記金属繊維焼結シートの主面より面積が大きく、前記金属繊維焼結シートは、前記カソード触媒層と隣接しない方の前記金属シートの主面に隣接している請求項3に記載の電気化学式水素ポンプ。   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 that is not adjacent to the cathode catalyst layer. The electrochemical hydrogen pump according to claim 3. 前記金属シートは、前記金属繊維焼結シートよりも外周囲の長さが大きい請求項3に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to claim 3, wherein the metal sheet has a longer outer circumference than the metal fiber sintered sheet. 前記凹部は、前記金属シートの主面の面積よりも開口面積が大きい第1凹部と、前記金属シートの主面の面積よりも小さい開口面積の第2凹部と、を備える請求項4に記載の電気化学式水素ポンプ。   The said recessed part is equipped with the 1st recessed part with an opening area larger than the area of the main surface of the said metal sheet, and the 2nd recessed part with an opening area smaller than the area of the main surface of the said metal sheet. Electrochemical hydrogen pump. 前記凹部外周の前記セパレータ上に、前記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請求項1−6のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。   The electrochemical hydrogen pump according to any one of claims 1 to 6, further comprising a seal structure that seals leakage of hydrogen flowing through the cathode gas diffusion layer on the separator on the outer periphery of the recess. 前記金属シートの前記通気孔は、前記金属繊維焼結シート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請求項1−7のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。   The ventilation hole of the metal sheet is any one of claims 1-7, wherein an opening area of an opening portion on a main surface side adjacent to the metal fiber sintered sheet is smaller than an opening area of an opening portion on the other main surface side. 2. The electrochemical hydrogen pump according to item 1. 前記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、
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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