JP2022037287A

JP2022037287A - 電気化学デバイス

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Publication number: JP2022037287A
Application number: JP2020141339A
Authority: JP
Inventors: 和彦杉本; Kazuhiko Sugimoto; 雅夫山本; Masao Yamamoto; 功一古賀; Koichi Koga; 憲有武田; Kenyu Takeda
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-09

Abstract

【課題】本開示は、アノードに供給される水素含有ガスにアンモニアが含まれていても、水素精製運転で、アンモニウムイオンが電解質膜－電極接合体に蓄積されにくく、水素純化効率が低下するのを抑制できる電気化学デバイスを提供する。【解決手段】本開示における電気化学デバイスは、プロトン伝導性を有する電解質膜とアノードとカソードにより電解質膜－電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスが供給されアノードとカソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、純度が高い水素をカソードから得ることができる。アノードは、プロトン伝導性を有し触媒担持粒子を覆う第１の電解質樹脂と、第１の電解質樹脂より塩基性が強く第１の電解質樹脂の外表面を覆う第２の電解質樹脂と、を備える。【選択図】図２

Description

本開示は、電気化学デバイスに関する。

特許文献１は、アノードとカソードとで電解質膜を挟み、アノードに水素含有ガスを供給してアノードから電解質膜を介してカソードに直流電流を流すことにより、精製水素をカソードから得ることができる電気化学デバイスを開示する。

特開２０１５－１１７１３９号公報

本開示は、アノードに供給される水素含有ガスにアンモニアが含まれていても、水素精製運転をした時に、アンモニウムイオンが電解質膜－電極接合体に蓄積されにくく、水素純化効率が低下するのを抑制できる電気化学デバイスを提供する。

本開示における電気化学デバイスは、プロトン伝導性を有する電解質膜、電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体を構成し、アノードに水素含有ガスが供給されアノードとカソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、アノードに供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソードから排出されるように構成される。

アノードは、導電性担体に触媒粒子を担持した触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有し触媒担持粒子を覆う第１の電解質樹脂と、第１の電解質樹脂の外表面を覆う第２の電解質樹脂と、を備える。第２の電解質樹脂は、第１の電解質樹脂より塩基性が強い。

本開示における電気化学デバイスのアノードは、触媒担持粒子がプロトン伝導性を有する第１の電解質樹脂によって覆われ、第１の電解質樹脂の外表面が第１の電解質樹脂より塩基性が強い第２の電解質樹脂によって覆われているので、アノードに供給される水素含有ガスにアンモニアが含まれていても、第２の電解質樹脂によって、従来（第２の電解質樹脂が無い場合）よりも、アンモニアがアンモニウムイオンに変化しにくくすることができる。

そのため、本開示の電気化学デバイスを用いて、アンモニアを含む水素含有ガスに含まれる水素を精製する場合に、アンモニウムイオンが電解質膜－電極接合体に蓄積しにくくなり、電気化学デバイスの抵抗が高くなるのを抑制し、電気化学デバイスの水素純化効率が低下するのを抑制することができる。

実施の形態１における電気化学デバイスの概略を示す構成図実施の形態１におけるアノード触媒層の概略を示す構成図実施の形態１における触媒インクの概略を示す構成図実施の形態１におけるプレアノード触媒層の概略を示す構成図実施の形態１における電解質樹脂インクの概略を示す構成図

（本開示の基礎となった知見等）
発明者らが本開示に想到するに至った当時、都市ガスなどの炭化水素系の燃料を、改質器によって水素純度の低い水素含有ガスに改質させ、この水素含有ガスから水素純度の高い高圧の水素を精製する技術があった。

この水素純度が高い高圧の水素を精製する技術は、電解質膜を挟んで配置されるアノードとカソードとの間に、電流を流すことにより、アノード側に供給される水素含有ガスから、カソード側に精製昇圧して水素を得るものであった。

しかしながら、窒素ガスを含む燃料を使用すると、改質器において窒素と水素とが反応し、副生成物としてアンモニアが生成され、アンモニアを含む水素含有ガスがアノードに供給される。

そうした状況において、発明者らは、アンモニアを含む水素含有ガスをアノードに供給しながら、長時間に渡って、水素を精製すると、電気化学デバイスの抵抗が上昇し、水素純化効率が低下する現象に着目した。

ここで、水素純化効率とは、電気化学デバイスに投入する電気エネルギーに対する、精製する水素のエネルギーの割合である。

アノードに供給されたアンモニアは、アノードに含まれる水に溶けて、アンモニウムイオンとして電解質膜－電極接合体に蓄積されることで、電気化学デバイスの抵抗を上昇させ、水素精製に必要な電気エネルギーが増えることで水素純化効率が低下する。

そうした状況下において発明者らは、アンモニアがアンモニウムイオンに変化しにくくすることで、アンモニウムイオンが電解質膜－電極接合体に蓄積することを抑制し、水素純化効率の低下を抑制するという着想を得た。そして、その着想を実現するために、塩基性の強い電解質樹脂を用いることでアンモニアがアンモニウムイオンに変化することを抑制できる。

しかしながら、塩基性の強い電解質樹脂はプロトン伝導性が低く、却って水素純化効率が低下するという課題があることを発見した。そして、その課題を解決するために、本開示の主題を構成するに至った。

そこで、本開示は、プロトン伝導性を阻害することなくアンモニアが電解質樹脂でアンモニウムイオンに変化しにくくし、水素精製運転をした時に、アンモニウムイオンが電解質膜－電極接合体に蓄積しにくくすることで、水素純化効率が低下するのを抑制できる電気化学デバイスを提供する。

以下、図面を参照しながら実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明、または、実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。

なお、添付図面及び以下の説明は、当事者が本開示を十分に理解するために提供されるのであって、これらにより、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図していない。

（実施の形態１）
以下、図１～図５を用いて、実施の形態１を説明する。

［１－１．構成］
［１－１－１．電気化学デバイスの構成］
図１に示すように、電気化学デバイス１００は、電解質膜－電極接合体１０４を、アノード側セパレータ１０５と、カソード側セパレータ１０６とによって挟持した構成となっている。

電解質膜－電極接合体１０４は、プロトン伝導性を有する電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の主面に配置されるアノード１０２と、電解質膜１０１の他方の主面に配置されるカソード１０３とで構成される。

電気化学デバイス１００は、外部からアノード１０２に水素含有ガスを供給して、電源１４１によってアノード１０２とカソード１０３との間にアノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３に向かう電流を流すと、アノード１０２に供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソード１０３から排出されるように構成される。

電解質膜１０１は、プロトンをアノード１０２からカソード１０３に輸送する機能を果たす。電解質膜１０１は、プロトン伝導性を有する高分子材料から構成される。電解質膜１０１は、具体的には、イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸の高分子材料で構成されている。

アノード１０２は、電解質膜１０１の主面に積層されるアノード触媒層１２１と、アノード触媒層１２１の外側の面に積層されるアノードガス拡散層１２２と、から構成されている。

アノード触媒層１２１は、アノード側セパレータ１０５におけるアノード１０２と当接する面に溝状に形成されたアノード側ガス流路１０９からアノード１０２に供給される水素含有ガスに含まれる水素をプロトンと電子とに解離する電気化学反応を促進する機能を果たす。

アノード触媒層１２１の主な構成部材は、触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有し触媒担持粒子を覆う電解質樹脂である。

アノードガス拡散層１２２は、アノード触媒層１２１への水素含有ガスの供給と、アノード触媒層１２１との間で電子の授受を行う機能を果たす。具体的には、アノードガス拡散層１２２は、ガス透過性と電子伝導性を併せ持つ導電性カーボンペーパーから構成されている。

カソード１０３は、電解質膜１０１の主面に積層されるカソード触媒層１２６と、カソード触媒層１２６の外側の面に積層されるカソードガス拡散層１２７と、から構成されている。

カソード触媒層１２６は、アノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３に移動するプロトンと、アノード１０２から電源１４１を経由してカソード１０３に移動する電子とを結合させて水素を発生させる電気化学反応を促進する機能を果たす。

カソード触媒層１２６は、触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有し触媒担持粒子を覆う
電解質樹脂とから構成されている。具体的には、触媒担持粒子は、カーボンブラックに白金を担持させたものである。プロトン伝導性を有する電解質樹脂は、イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸の高分子材料から構成されている。

カソードガス拡散層１２７は、カソード触媒層１２６において発生する水素の排出と、カソード触媒層１２６との間で電子の授受を行う機能を果たす。カソードガス拡散層１２７は、ガス透過性と電子伝導性を併せ持つ導電性カーボンペーパーによって構成されている。

アノード側セパレータ１０５とカソード側セパレータ１０６とは、ガス透過性のない導電性部材である圧縮カーボンによって構成されている。

アノード側セパレータ１０５には、アノード入口１０７及びアノード出口１０８が、互いに離れた位置で、アノード側セパレータ１０５における外側の面からアノード１０２側の面に亘ってアノード側セパレータ１０５を貫通するように設けられる。

アノード側セパレータ１０５におけるアノード１０２（アノードガス拡散層１２２）と当接する面には、アノード側ガス流路１０９が、流路の一端でアノード入口１０７と連通し、流路の他端でアノード出口１０８と連通するように溝状に形成されている。

アノード入口１０７には、ガス供給手段（図示せず）から供給される水素含有ガスが通流する水素含有ガス供給配管（図示せず）が接続される。

ガス供給手段からアノード１０２に供給される水素含有ガスは、アノード入口１０７からアノード側ガス流路１０９に流入する。アノード側ガス流路１０９に流入した水素含有ガスは、アノードガス拡散層１２２を通ってアノード触媒層１２１に供給される。

ガス供給手段として、都市ガスなどの炭化水素系の燃料から水蒸気改質反応を利用して水素含有ガスを生成する燃料改質器を用いる。

都市ガスなどの炭化水素系の燃料には窒素が含まれており、さらに、水蒸気改質反応で生成された水素含有ガスに含まれる一酸化炭素を、ＣＯ選択酸化除去触媒を用いて二酸化炭素に変換するために空気を混合させると、水素含有ガスにおける窒素の含有比率が増加する。そして、水素含有ガスに含まれる水素と窒素が反応してアンモニアが生成される。

また、水蒸気改質反応では、炭化水素系の燃料と水蒸気を反応させるが、改質触媒上で炭素が析出したり、水素と二酸化炭素が反応して一酸化炭素と水が生成されたりするのを抑制するために、通常、燃料の供給量から算出された理論上の水の供給量に対し、１．５倍程度の水を燃料改質器に供給するので、燃料改質器から排出される水素含有ガスには水蒸気が含まれる。

ところで、電解質膜１０１は、電解質膜１０１が乾燥し過ぎると、プロトン伝導性が低下するので、電解質膜１０１の湿潤状態（含水量）を、電気化学デバイス１００の電気化学反応に適した状態にする必要があるが、アノード１０２に供給される水素含有ガスに含まれる水蒸気が、電解質膜１０１の湿潤状態（含水量）を、電気化学デバイス１００の電気化学反応に適した状態にするのに役立っている。

アノード入口１０７からアノード側ガス流路１０９を介してアノード１０２に供給された水素含有ガスのうちで、アノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３に移動しなかった残りのガス（アノードオフガス）は、アノード側ガス流路１０９からアノ
ード出口１０８を通って外部に排出される。

アノード出口１０８には、アノードオフガス配管（図示せず）が接続される。アノード出口１０８（アノードオフガス配管の出口）から排出される水素純度が低下した水素含有ガスは、ガス供給手段の改質触媒を水蒸気改質反応に適した温度に加熱する燃焼器（図示せず）に供給したり、ガス供給手段に供給される炭化水素系の燃料に混合させたりして有効に活用することができる。

カソード側セパレータ１０６には、カソード出口１１１が、カソード側セパレータ１０６における外側の面からカソード１０３側の面に亘ってカソード側セパレータ１０６を貫通するように設けられる。

カソード側セパレータ１０６におけるカソード１０３（カソードガス拡散層１２７）と当接する面には、カソード側ガス流路１１２が、流路の一端でカソード出口１１１と連通するように溝状に形成されている。カソード出口１１１には、精製水素ガス配管（図示せず）が接続される。

カソード触媒層１２６で発生した水素は、カソードガス拡散層１２７を通ってカソード側ガス流路１１２に流入する。カソード側ガス流路１１２に流入した水素は、カソード出口１１１から精製水素ガス配管に流出する。

アノード１０２に水素含有ガスが供給される電気化学デバイス１００において、電気化学反応が起こって水素が精製されるように、アノード１０２とカソード１０３は、電源１４１を介して、電気的に接続される。具体的には、電源１４１は定電流型の直流電源である。電源１４１のプラス側出力端子はアノード１０２と電気的に接続され、電源１４１のマイナス側出力端子はカソード１０３と電気的に接続される。

電源１４１は、アノード１０２の電位をカソード１０３の電位よりも高くして、アノード１０２において水素含有ガスに含まれる水素をプロトンと電子とに解離させ、プロトンをアノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３に移動させ、電子をアノード１０２から電源１４１を経由してカソード１０３に移動させ、カソード１０３においてプロトンと電子とを結合させて水素を発生させる。

［１－１－２．アノード触媒層の構成］
次に、図２を用いて、本実施の形態に係る電気化学デバイス１００の発明のポイントであるアノード触媒層１２１の構造をより詳しく説明する。

図２に示すように、アノード触媒層１２１は、触媒担持粒子１５３と、触媒担持粒子１５３を覆う第１の電解質樹脂１５４と、第１の電解質樹脂１５４の外表面を覆う第２の電解質樹脂１５５と、を備える。

触媒担持粒子１５３は、導電性担体１５１と、導電性担体１５１に担持された触媒粒子１５２とで構成される。触媒粒子１５２は、水素をプロトンと電子とに解離する電気化学反応を促進する機能を果たす。導電性担体１５１は、複数の導電性担体１５１が連なることによって電子の経路を形成する機能を果たす。具体的には、触媒粒子１５２は白金の粒子で構成され、導電性担体１５１はカーボンブラックで構成されている。

第１の電解質樹脂１５４は、プロトンの経路を形成し、電解質膜１０１との間でプロトンの授受を行う機能を果たす。第１の電解質樹脂１５４は、プロトン伝導性を有する高分子材料で構成されている。具体的には、第１の電解質樹脂１５４は、イオン交換基として
スルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸の高分子材料で構成されている。

第１の電解質樹脂１５４の外表面を被覆する第２の電解質樹脂１５５は、第１の電解質樹脂１５４より塩基性の強い高分子材料で構成されている。具体的には、イオン交換基として第四級アンモニウム基を有するスチレン－ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム共重合体で構成されている。

次に、図２～図５を用いて、本実施の形態に係るアノード触媒層１２１の構成を実現する作製方法を説明する。

まず、沈殿法により、導電性担体１５１に触媒粒子１５２を５０ｗｔ％担持させて、触媒担持粒子１５３を作製する。

次に、触媒担持粒子１５３と第１の電解質樹脂１５４と第１の溶媒１６１とを混合することにより、触媒インク１６２を作製する。

触媒インク１６２の作製に用いた第１の電解質樹脂１５４の重量は、触媒インク１６２の作製に用いた触媒担持粒子１５３の重量の半分の重量である。触媒インク１６２の作製に用いた第１の溶媒１６１の重量は、触媒インク１６２の作製に用いた触媒担持粒子１５３の重量の１０倍である。第１の溶媒１６１はエタノールである。

次に、上記の触媒インク１６２を電解質膜１０１にスプレー塗布した後、その第１の触媒インクを塗布した電解質膜１０１を乾燥させて、電解質膜１０１に塗布された触媒インク１６２から第１の溶媒１６１を除去する。これにより、電解質膜１０１上に、第１の電解質樹脂１５４が触媒担持粒子１５３を覆ったプレアノード触媒層１５６が作製される。

次に、第２の電解質樹脂１５５と第２の溶媒１６３とを混合して、電解質樹脂インク１６４を作製する。第２の溶媒１６３の重量は、第２の電解質樹脂１５５の重量の１００倍である。第２の溶媒１６３は水とエタノールを重量比で１対１に混合したものである。

次に、作製した電解質樹脂インク１６４を、電解質膜１０１上に作製されたプレアノード触媒層１５６にスプレー塗布し、電解質樹脂インク１６４をスプレー塗布した電解質膜１０１上のプレアノード触媒層１５６を乾燥させ、第２の溶媒１６３を除去する。これにより、電解質膜１０１上に、アノード触媒層１２１が作製される。

［１－２．動作］
以上のように構成された電気化学デバイス１００について、図１、図２を用いて、以下その動作、作用を説明する。

まず、ガス供給手段から、アノード側セパレータ１０５のアノード入口１０７とアノード側ガス流路１０９を経由して、アノード１０２に水素含有ガスを供給する。

このとき、ガス供給手段からアノード１０２に供給される水素含有ガスの露点は６５℃である。また、ガス供給手段からアノード１０２に供給される水素含有ガスの組成は、アンモニアが５ｐｐｍ、二酸化炭素が２０体積％、残りが水素である。なお、この水素含有ガスの組成比率を示す数値は、水素含有ガスに含まれる水蒸気を考慮していない乾燥状態の水素含有ガスの組成比率である。

このとき、電気化学デバイス１００の温度は、電気化学デバイス１００と熱交換可能に設けられた温度調節器（図示せず）によって、６５℃に調節されている。

また、電源１４１により、電気化学デバイス１００のアノード１０２とカソード１０３の間に、アノード１０２から電解質膜１０１を介してカソード１０３へ０．６Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流を流す。

アノード入口１０７からアノード側ガス流路１０９に流入した水素含有ガスは、アノード側ガス流路１０９からアノードガス拡散層１２２を経由してアノード触媒層１２１に供給される。

このとき、第２の電解質樹脂１５５が、第１の電解質樹脂１５４と電解質膜１０１との間のプロトンの授受を行う機能を阻害することはなく、プロトン伝導性を阻害することはない。

また、アノード側ガス流路１０９からアノード１０２に供給されるアンモニアは、第１の電解質樹脂１５４に到達するより前に、第１の電解質樹脂１５４より塩基性の強い第２の電解質樹脂１５５に到達する。

このため、アノード１０２に供給されるアンモニアが最初に到達する第２の電解質樹脂１５５では、アンモニアがアンモニウムイオンに変化しにくくなる。

次に、電源１４１が、電気化学デバイス１００のアノード１０２とカソード１０３との間に、アノード１０２から電解質膜１０１を介してカソード１０３へ０．６Ａ／ｃｍ^２の電流密度で電流を流す。

これにより、アノード触媒層１２１では、（化１）に示す、水素含有ガスに含まれる水素がプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）とに解離する酸化反応が起こる。そして、プロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜１０１を透過して、アノード触媒層１２１からカソード触媒層１２６に移動し、電子（ｅ^－）は、電源１４１を経由して、アノード触媒層１２１からカソード触媒層１２６に移動する。そして、カソード触媒層１２６では、（化２）に示す、プロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ^－）とが結びついて水素になる還元反応が起こる。

（化１）と（化２）に示す電気化学反応により、アノード触媒層１２１に供給された水素含有ガスから、水素の含有比率が９９．１％で、二酸化炭素の含有比率が０．９％の高純度の水素が精製され、その精製水素は、カソード触媒層１２６からカソードガス拡散層１２７を通ってカソード側ガス流路１１２に排出され、カソード側ガス流路１１２に流入した精製水素は、カソード出口１１１を通って精製水素ガス配管に排出される。

アノード入口１０７からアノード側ガス流路１０９を介してアノード１０２に供給された水素含有ガスのうちで、アノード１０２から電解質膜１０１を通ってカソード１０３に移動しなかった残りのガス（アノードオフガス）は、アノード側ガス流路１０９からアノード出口１０８を通って外部に排出される。

［１－３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、電気化学デバイス１００は、プロトン伝導性を有する電解質膜１０１、電解質膜１０１の一方の主面に配置されるアノード１０２および電解質膜１０１の他方の主面に配置されるカソード１０３により電解質膜－電極接合体１０４を構成している。

電気化学デバイス１００は、アノード１０２に水素含有ガスが供給されアノード１０２とカソード１０３との間に所定方向の電流が流れることにより、アノード１０２に供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、カソード１０３から排出されるように構成される。

アノード１０２は、導電性担体１５１に触媒粒子１５２を担持した触媒担持粒子１５３と、プロトン伝導性を有し触媒担持粒子１５３を覆う第１の電解質樹脂１５４と、第１の電解質樹脂１５４の外表面を覆う第２の電解質樹脂１５５と、を備える。第２の電解質樹脂１５５は、第１の電解質樹脂１５４より塩基性が強い。

本実施の形態の電気化学デバイス１００では、アノード１０２において、プロトン伝導性を有し触媒担持粒子１５３を覆う第１の電解質樹脂１５４の外表面は、第１の電解質樹脂１５４より塩基性の強い第２の電解質樹脂１５５によって覆われているので、アノード１０２に供給される水素含有ガスにアンモニアが含まれていても、第２の電解質樹脂１５５によって、従来（第２の電解質樹脂１５５が無い場合）よりも、アンモニアがアンモニウムイオンに変化しにくくすることができる。

そのため、電気化学デバイス１００を用いて、アンモニアを含む水素含有ガスに含まれる水素を精製する場合に、アンモニウムイオンが電解質膜－電極接合体１０４に蓄積しにくくなり、電気化学デバイス１００の抵抗が高くなるのを抑制し、電気化学デバイス１００の水素純化効率が低下するのを抑制することができる。

本実施の形態の電気化学デバイス１００のように、第２の電解質樹脂１５５は、塩基性置換基を有してもよい。

これにより、第２の電解質樹脂１５５が塩基性置換基を有することで、第２の電解質樹脂１５５の塩基性をより強め、アンモニアがアンモニウムイオンに変化しにくくする効果を高めることができる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。

そこで、以下、他の実施の形態を例示する。

実施の形態１では、触媒粒子１５２として白金の粒子を用いたが、触媒粒子１５２は、白金の粒子に限定されず、水素をプロトンと電子とに解離する電気化学反応を促進するものであればよい。

ただし、触媒粒子１５２として白金の粒子を用いれば、電気化学反応を促進する効果が高く、電気化学デバイス１００の効率を高めることができる。また、触媒粒子１５２として、白金、ルテニウム、パラジウム、鉄、銅、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン等の金属や、これらの合金を用いてもよい。

実施の形態１では、導電性担体１５１としてカーボンブラックを用いたが、導電性担体１５１は、カーボンブラックに限定されず、連なることによって電子の経路を形成するものであればよい。

ただし、導電性担体１５１としてカーボンブラックを用いれば、電気伝導性が高く、電気化学デバイス１００の効率を高めることができる。また、導電性担体１５１としてカーボンナノチューブなどの繊維状炭素、導電性酸化物、導電性窒化物、導電性炭化物等や、これらの混合物を用いてもよい。

実施の形態１では、第１の電解質樹脂１５４として、スルホン酸基をイオン交換基として有するパーフルオロスルホン酸の高分子材料を用いたが、第１の電解質樹脂１５４は、パーフルオロスルホン酸の高分子材料に限定されず、プロトンを伝導するものであればよい。

ただし、第１の電解質樹脂１５４として、パーフルオロスルホン酸の高分子材料を用いれば、第１の電解質樹脂１５４のプロトンを輸送する抵抗が低く、化学的安定性に優れ、電気化学デバイス１００の効率と耐久性を高めることができる。

また、第１の電解質樹脂１５４として、プロトン交換基を有する炭化水素系の高分子材料を用いてもよい。また、第１の電解質樹脂１５４として、リン酸基やカルボキシル基等のイオン交換基を有する高分子材料を用いてもよい。

実施の形態１では、第２の電解質樹脂１５５として、第四級アンモニウム基をイオン交換基として有するスチレン－ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム共重合体を用いたが、第２の電解質樹脂１５５は、第四級アンモニウム基をイオン交換基として有する塩基性のスチレン－ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム共重合体に限定されず、第１の電解質樹脂１５４より塩基性の強いものであればよい。

ただし、第２の電解質樹脂１５５として、第四級アンモニウム基をイオン交換基として有するスチレン－ビニルベンジルトリアルキルアンモニウム共重合体を用いれば、第２の電解質樹脂１５５の塩基性が強いので、アンモニアがアンモニウムイオンに変化しにくくなり、電気化学デバイス１００の抵抗が高くなるのを抑制し、電気化学デバイス１００の水素純化効率が低下するのを抑制する効果を高めることができる。

また、第２の電解質樹脂１５５として、リン酸基やカルボキシル基、等のイオン交換基を有する酸性の高分子材料や、第一級～第三級アミノ基、等のイオン交換基を有する塩基性の高分子材料を用いてもよい。

実施の形態１では、電解質膜１０１として、イオン交換基としてスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸の高分子材料を用いたが、電解質膜１０１は、パーフルオロスルホン酸の高分子材料に限定されず、プロトンを伝導するものであればよい。

ただし、電解質膜１０１としてパーフルオロスルホン酸の高分子材料を用いれば、電解質膜１０１のプロトンを輸送する抵抗が低く、化学的安定性に優れ、電気化学デバイス１００の効率と耐久性を高めることができる。

また、電解質膜１０１として、プロトン交換基を有する炭化水素系の高分子材料を用いてもよい。また、電解質膜１０１として、リン酸基やカルボキシル基などのイオン交換基を有する高分子材料を用いてもよい。

なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示の電気化学デバイスは、電解質膜－電極接合体のアノードに供給される水素含有ガスにアンモニアが含まれていても、アンモニウムイオンが電解質膜－電極接合体に蓄積されることによる水素純化効率の低下を抑制できるので、水素含有ガスに含まれる水素を精製する電気化学デバイスに適用可能である。

具体的には、都市ガスなどの炭化水素系の燃料を改質して生成された水素含有ガスに含まれる水素を精製して、燃料電池車等の水素利用機器に水素を供給する水素供給システムなどに、本開示は適用可能である。

１００電気化学デバイス
１０１電解質膜
１０２アノード
１０３カソード
１０４電解質膜－電極接合体
１０５アノード側セパレータ
１０６カソード側セパレータ
１０７アノード入口
１０８アノード出口
１０９アノード側ガス流路
１１１カソード出口
１１２カソード側ガス流路
１２１アノード触媒層
１２２アノードガス拡散層
１２６カソード触媒層
１２７カソードガス拡散層
１４１電源
１５１導電性担体
１５２触媒粒子
１５３触媒担持粒子
１５４第１の電解質樹脂
１５５第２の電解質樹脂
１５６プレアノード触媒層
１６１第１の溶媒
１６２触媒インク
１６３第２の溶媒
１６４電解質樹脂インク

Claims

プロトン伝導性を有する電解質膜、前記電解質膜の一方の主面に配置されるアノードおよび前記電解質膜の他方の主面に配置されるカソードにより電解質膜－電極接合体を構成し、前記アノードに水素含有ガスが供給され前記アノードと前記カソードとの間に所定方向の電流が流れることにより、前記アノードに供給される水素含有ガスよりも水素の純度が高い精製水素が、前記カソードから排出されるように構成された電気化学デバイスであって、
前記アノードは、導電性担体に触媒粒子を担持した触媒担持粒子と、プロトン伝導性を有し前記触媒担持粒子を覆う第１の電解質樹脂と、前記第１の電解質樹脂の外表面を覆う第２の電解質樹脂と、を備え、
前記第２の電解質樹脂は、前記第１の電解質樹脂より塩基性が強いことを特徴とする、電気化学デバイス。
前記第２の電解質樹脂は、塩基性置換基を有することを特徴とする、請求項１に記載の電気化学デバイス。