JP2022108751A - electrochemical hydrogen pump - Google Patents

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Hidenobu Wakita
貴之 中植
Takayuki Nakaue
智也 鎌田
Tomoya Kamata
美紗 萬家
Misa Yorozuya
修 酒井
Osamu Sakai
邦弘 鵜飼
Kunihiro Ukai
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    • C25B11/02Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form

Abstract

To provide an electrochemical hydrogen pump capable of improving efficiency of hydrogen compression operation when the user starts the first use.SOLUTION: An electrochemical hydrogen pump 100 is provided with an electrolyte membrane 22 having a pair of main surfaces, a cathode catalyst layer 24 provided on one main surface of the electrolyte membrane, an anode catalyst layer 23 provided on the other main surface of the electrolyte membrane, and a voltage applicator 21 for applying a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer. By applying the voltage by the voltage applicator, hydrogen in a hydrogen-containing gas supplied on the anode catalyst layer is moved onto the cathode catalyst layer and the pressure is boosted. Before the user starts the first use, irregularity 200, 201 of the cross-sectional shape is larger in the anode catalyst layer than in the cathode catalyst layer.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本開示は電気化学式水素ポンプに関する。 The present disclosure relates to electrochemical hydrogen pumps.

近年、燃費向上、カーボンフリー燃料の利用の観点から、燃料電池により発電された電力でモーターを駆動して走行する燃料電池車が注目を集めており、発売が開始されている。しかし、燃料電池車の普及にあたっては、燃料となる水素供給のインフラストラクチャを整え、全国に水素ステーションをいかに多く広範囲に設置できるかが課題となっている。これまで、水素ステーションとして、圧力スイング吸着法(PSA)で、水素を精製および圧縮する方法などが行われてきたが、装置の大型化および膨大な設置コストなどが、水素ステーションの全国展開の障害となっている。 In recent years, from the viewpoint of improving fuel efficiency and using carbon-free fuel, fuel cell vehicles that run by driving motors using electric power generated by fuel cells have attracted attention and have been put on the market. However, in order to popularize fuel cell vehicles, the challenge is how to prepare the infrastructure for supplying hydrogen, which is the fuel, and how many hydrogen stations can be installed throughout the country. Hydrogen stations have so far been used to purify and compress hydrogen using the pressure swing adsorption method (PSA), but the size of the equipment and the enormous installation costs are obstacles to the nationwide deployment of hydrogen stations. It has become.

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 the production of hydrogen, there is a demand for technological development that can store hydrogen at high density and transport or use it in a small volume at low cost. In particular, it is necessary to improve the fuel supply infrastructure to promote the spread of fuel cells, which serve as a distributed energy source. In addition, various proposals have been made to purify and pressurize high-purity hydrogen in order to stably supply hydrogen to fuel supply infrastructure.

例えば、特許文献1には、電解質膜が挟持されたアノードとカソードとの間の電圧印加によって、水素の精製および昇圧が行われる水素精製昇圧システムが記載されている。具体的には、アノードとカソードとの間に電流が流れるとき、アノードの水素がプロトンになり、プロトンがアノードからカソードへと、水分子を同伴しながら電解質膜を移動する。なお、アノード、電解質膜およびカソードの積層構造体を膜電極接合体(以下、MEA:Membrane Electrode Assembly)という。 For example, Patent Literature 1 describes a hydrogen refining and boosting system that purifies and boosts hydrogen by applying a voltage between an anode and a cathode sandwiching an electrolyte membrane. Specifically, when an electric current flows between the anode and the cathode, the hydrogen at the anode becomes protons, and the protons move across the electrolyte membrane from the anode to the cathode, entraining water molecules. A laminated structure of an anode, an electrolyte membrane, and a cathode is referred to as a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA).

また、固体高分子形の電解質膜を備えるMEAのアノードとカソード間に電圧をかけて、アノード側に供給された水を電気分解することで、アノード側で酸素、カソード側で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2参照)。そして、この高圧水素製造装置には、電解質膜およびアノード給電体の変形に対して、カソード給電体を電解質膜に密着させるための皿バネまたはコイルバネが設けられている。 In addition, by applying a voltage between the anode and cathode of the MEA having a solid polymer electrolyte membrane and electrolyzing water supplied to the anode side, oxygen is produced on the anode side and hydrogen is produced on the cathode side. A hydrogen production apparatus has been proposed (see Patent Document 2, for example). This high-pressure hydrogen production apparatus is provided with a disc spring or a coil spring for bringing the cathode power feeder into close contact with the electrolyte membrane against deformation of the electrolyte membrane and the anode power feeder.

特開2015-117139号公報JP 2015-117139 A 特開2006-70322号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-70322

本開示は、一例として、使用者が最初の利用を開始する際に水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る電気化学式水素ポンプを提供することを課題する。 An object of the present disclosure is to provide, as an example, an electrochemical hydrogen pump that can improve the efficiency of the hydrogen compression operation more than before when a user starts using it for the first time.

本開示の一態様(aspect)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アノード触媒層と、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、前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、前記カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプであって、使用者が最初の利用を開始する前に、前記カソード触媒層よりも前記アノード触媒層の方が、断面形状の凹凸が大きい。 An electrochemical hydrogen pump according to one aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane having a pair of main surfaces, a cathode catalyst layer provided on one main surface of the electrolyte membrane, and the other main surface of the electrolyte membrane. and a voltage applicator that applies a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the voltage applicator applies the voltage to cause the anode catalyst layer to An electrochemical hydrogen pump that moves hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the cathode catalyst layer and pressurizes it above the cathode catalyst layer before a user starts using it for the first time The anode catalyst layer has larger irregularities in cross-sectional shape.

本開示の一態様の電気化学式水素ポンプは、使用者が最初の利用を開始する際に水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得るという効果を奏することができる。 The electrochemical hydrogen pump of one aspect of the present disclosure can produce an effect that the efficiency of the hydrogen compression operation can be improved more than before when the user starts using it for the first time.

図1は水分の化学ポテンシャルの一例を相対湿度との関係において示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of chemical potential of water in relation to relative humidity. 図2は、水素圧縮試験の繰り返しに伴うセルの性能試験結果の一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of performance test results of a cell accompanying repeated hydrogen compression tests. 図3Aは、電子顕微鏡観察によるセル断面の一例を模写した図である。FIG. 3A is a diagram showing an example of a cross section of a cell by electron microscope observation. 図3Bは、電子顕微鏡観察によるセル断面の一例を模写した図である。FIG. 3B is a diagram showing an example of a cross section of a cell observed by an electron microscope. 図3Cは、電子顕微鏡観察によるセル断面の一例を模写した図である。FIG. 3C is a diagram showing an example of a cross section of a cell obtained by electron microscope observation. 図3Dは、電子顕微鏡観察による触媒層表面の一例を模写した図である。FIG. 3D is a diagram showing an example of the surface of the catalyst layer observed with an electron microscope. 図4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. 4 is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the first embodiment. 図5は、第1実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the example of the first embodiment. 図6は、第2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. 6 is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the second embodiment.

電気化学式水素ポンプの電解質膜のドライアップ、アノードにおけるフラッディングを軽減する視点から水素圧縮動作の効率を向上するための検討が行われ、以下の知見が得られた。 From the viewpoint of reducing the dry-up of the electrolyte membrane and the flooding at the anode of the electrochemical hydrogen pump, a study was conducted to improve the efficiency of the hydrogen compression operation, and the following findings were obtained.

なお、従来例では、電気化学式水素ポンプの触媒層と給電体との間の電気的接触を改善する視点から水素圧縮動作の効率を向上することが検討されているが、上記のドライアップおよびフラッディングを軽減する視点から水素圧縮動作の効率を向上することは検討されていない。 In the conventional example, from the viewpoint of improving the electrical contact between the catalyst layer of the electrochemical hydrogen pump and the power feeder, it has been studied to improve the efficiency of the hydrogen compression operation. It has not been considered to improve the efficiency of the hydrogen compression operation from the viewpoint of reducing the

電気化学式水素ポンプが、固体高分子形の電解質膜を備える場合、電気化学的に水素を精製および昇圧する際に、電気化学式水素ポンプの電解質膜の湿潤状態、電極における水の状態によりポンプ性能(過電圧を指標とする効率性能)が左右される。 When the electrochemical hydrogen pump is equipped with a solid polymer electrolyte membrane, pump performance ( Efficiency performance indexed by overvoltage) is affected.

具体的には、例えば、電気化学式水素ポンプの電解質膜の水分が不足する場合、電解質膜のプロトン伝導性が低下する。すると、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作時の電気エネルギーが大きくなるので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率が低下する。 Specifically, for example, when the electrolyte membrane of the electrochemical hydrogen pump lacks moisture, the proton conductivity of the electrolyte membrane decreases. As a result, the electric energy required for the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump increases, and the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump decreases.

逆に、例えば、電気化学式水素ポンプのアノードにおいて水分が過剰である場合、アノードガス中の水蒸気が凝縮することで、凝縮水により電気化学式水素ポンプのガス流路の閉塞(フラッディング)が発生する可能性がある。すると、アノードにおける水素の拡散性が阻害される恐れがある。この場合、所望のプロトン移動を確保するためのポンプ動作に必要な電力が増加するので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率が低下する。 Conversely, for example, if there is excess moisture in the anode of an electrochemical hydrogen pump, water vapor in the anode gas can condense, causing the condensed water to block (flood) the gas flow path of the electrochemical hydrogen pump. have a nature. As a result, the diffusivity of hydrogen in the anode may be hindered. In this case, the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump is reduced due to the increased power required to operate the pump to ensure the desired proton transfer.

ここで、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作中、アノードからカソードにプロトンと同伴して移動(電気浸透)した水が、電気化学式水素ポンプで発生する差圧によってカソードからアノードへ移動(逆浸透)する。これにより、アノードにおいて上記のフラッディングを引き起こすことが多い。 Here, during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump, the water that moves from the anode to the cathode accompanied by protons (electroosmosis) moves from the cathode to the anode due to the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump (reverse osmosis). do. This often causes the above-mentioned flooding at the anode.

前者の水の電気浸透は、電解質膜におけるプロトン伝導に伴って発生する。後者の水の逆浸透は、アノードおよびカソード間の水の化学ポテンシャルの差によって引き起こされ、この化学ポテンシャルの差が、電気化学式水素ポンプで発生する差圧に依存(例えば、比例)する。 The former, water electroosmosis, occurs with proton conduction in the electrolyte membrane. The latter, water reverse osmosis, is caused by the difference in water chemical potential between the anode and cathode, which is dependent (eg proportional) on the differential pressure generated in the electrochemical hydrogen pump.

ところで、高圧状態の水蒸気の化学ポテンシャルは、本開示者らの知る限り報告されていない。このため、例えば、65℃および20MPaGにおける水の化学ポテンシャル(Uliq_338)を、65℃および常圧における公知の水の化学ポテンシャル(U0 liq_338)と、「Job G. et. al., Eur. J. Phys., 27 353 (2006)」で報告された以下の式とによって計算するとともに、このような水の化学ポテンシャル(Uliq_338)から、公知の手法に基づいて65℃および20MPaGにおける水蒸気の化学ポテンシャルを算出した。
Uliq_338 = U0 liq_338+δ × [P(z)-PSTD]
上記の式において、δは「1.990 J mol-1 atm-1」であり、P(z)は水に対する加圧力であり、PSTDは、常圧である。
By the way, the chemical potential of water vapor under high pressure has not been reported to the present inventors' knowledge. For this reason, for example, the chemical potential of water (U liq — 338 ) at 65° C. and 20 MPaG is combined with the known chemical potential of water (U 0 liq — 338 ) at 65° C. and normal pressure, according to Job G. et. al., Eur. J. Phys., 27 353 (2006)”, and from such water chemical potential (U liq_338 ), the water vapor potential at 65° C. and 20 MPaG based on known techniques. A chemical potential was calculated.
U liq_338 = U 0 liq_338 + δ × [P(z) - P STD ]
In the above formula, δ is "1.990 J mol −1 atm −1 ", P(z) is the pressure applied to water, and P STD is atmospheric pressure.

そして、水蒸気の相対湿度(%)を横軸にとり、65℃および20MPaGにおける水蒸気の化学ポテンシャルを、65℃および常圧の水蒸気の化学ポテンシャルと比較すると、これらの化学ポテンシャル図(図1)が得られた。 Then, taking the relative humidity (%) of water vapor as the horizontal axis and comparing the chemical potential of water vapor at 65°C and 20 MPaG with the chemical potential of water vapor at 65°C and normal pressure, these chemical potential diagrams (Fig. 1) are obtained. was taken.

つまり、電気化学式水素ポンプの電解質膜における水の移動量は、図1の電解質膜のプロトン伝導に伴って発生する電気浸透水の流束(jEOD)と、図1のアノードおよびカソード間の化学ポテンシャルの差によって発生する逆浸透水の流束(j)との間のバランスによって決定される。この場合、仮に、アノードに水素含有ガスをフル加湿(相対湿度:100%)の状態で供給した場合でも、カソードが高圧の場合はアノードおよびカソード間の水の化学ポテンシャルが等しくなるまで、カソードにおける水素含有ガスの相対湿度が低下する方向に、電解質膜に対して水の逆浸透駆動力が働く。例えば、図1に示す例では、20MPaGのカソードにおける相対湿度がHになるまで、電解質膜に対して水の逆浸透駆動力が働き、この水の逆浸透駆動力は、カソードの水素含有ガスの高圧化とともに大きくなる。 In other words, the amount of water movement in the electrolyte membrane of the electrochemical hydrogen pump is determined by the electroosmotic water flux (j EOD ) generated with the proton conduction of the electrolyte membrane in FIG. It is determined by the balance between the reverse osmosis water flux (j P ) generated by the potential difference. In this case, even if the hydrogen-containing gas is supplied to the anode in a fully humidified (relative humidity: 100%) state, if the cathode is at a high pressure, until the chemical potential of water between the anode and the cathode becomes equal, The reverse osmosis driving force of water acts on the electrolyte membrane in the direction in which the relative humidity of the hydrogen-containing gas decreases. For example, in the example shown in FIG. 1, the reverse osmosis driving force of water acts on the electrolyte membrane until the relative humidity at the cathode of 20 MPaG reaches H. It increases with increasing pressure.

ここで、電解質膜におけるプロトン伝導に伴って発生する電気浸透水の流束(jEOD)が電気化学式水素ポンプで発生する差圧に依存しないと仮定する。すると、電気浸透水の流束(jEOD)と逆浸透水の流束(j)とが拮抗している場合、例えば、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作において、カソードの圧力が低圧では、カソードに存在する水の量(以下、カソード水量)がアノードに存在する水の量(以下、アノード水量)よりも多くなり(カソード水分量>アノード水分量)、高圧では、カソード水量がアノード水量よりも少なくなる可能性がある(カソード水分量<アノード水分量)。 Here, it is assumed that the electroosmotic water flux (j EOD ) generated by proton conduction in the electrolyte membrane does not depend on the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump. Then, when the flux of electroosmotic water (j EOD ) and the flux of reverse osmosis water (j P ) are in conflict, for example, in the hydrogen compression operation of an electrochemical hydrogen pump, when the cathode pressure is low, The amount of water present at the cathode (hereinafter referred to as cathode water amount) is greater than the amount of water present at the anode (hereinafter referred to as anode water amount) (cathode water amount>anode water amount), and at high pressures, the cathode water amount is greater than the anode water amount. may also decrease (cathode water content < anode water content).

一般に、電気浸透水の流束(jEOD)は電解質膜の膜厚に依存しない量であるが、逆浸透水の流束(j)は、電解質膜の膜厚が薄いほど大きいので、カソード水量とアノード水量との間で上記の逆転現象が生じる圧力は、電解質膜の膜厚が薄いほど低下する。 In general, the electroosmotic water flux (j EOD ) does not depend on the thickness of the electrolyte membrane, but the reverse osmosis water flux (j P ) increases as the electrolyte membrane thickness decreases. The pressure at which the above reversal phenomenon occurs between the water amount and the anode water amount decreases as the thickness of the electrolyte membrane becomes thinner.

そして、以上の逆転現象が、例えば、カソード側における電解質膜のドライアップの一要因になり得ると考えられる。また、例えば、アノードにおけるフラッディングの一要因にもなり得ると考えられる。 It is considered that the above-described reversal phenomenon can be one of the causes of dry-up of the electrolyte membrane on the cathode side, for example. It is also believed that, for example, it can be a factor in flooding at the anode.

そこで、本開示者らは、以上の電気化学式水素ポンプの問題を確認すべく、以下の試験装置を用いて、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の性能試験を行い、この試験結果から以下の現象を見出した。 Therefore, in order to confirm the above problem of the electrochemical hydrogen pump, the present inventors conducted a performance test of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump using the following test equipment, and from the test results, the following phenomenon I found

<試験装置>
試験装置は、電解質膜と、電解質膜の両側のそれぞれに積層された触媒層、マイクロポーラス層およびガス拡散層と、電圧印加器と、を備える。なお、電解質膜、触媒層、マイクロポーラス層およびガス拡散層の積層体が電気化学式水素ポンプのセルに相当する。また、セルの高圧側領域がカソードに相当し、セルの低圧側領域がアノードに相当する。
<Test equipment>
The test device comprises an electrolyte membrane, a catalyst layer, a microporous layer and a gas diffusion layer laminated on each side of the electrolyte membrane, and a voltage applicator. The laminate of the electrolyte membrane, catalyst layer, microporous layer and gas diffusion layer corresponds to the cell of the electrochemical hydrogen pump. Also, the high voltage side region of the cell corresponds to the cathode, and the low voltage side region of the cell corresponds to the anode.

電解質膜として、膜厚が約50μmの市販のフッ素系高分子電解質膜を使用した。 As the electrolyte membrane, a commercially available fluorine-based polymer electrolyte membrane having a thickness of about 50 μm was used.

カソードおよびアノードとも、同一断面形状の触媒層を使用するともに、これらの触媒層には、触媒金属として、0.3mg/cmの白金を使用した。 Both the cathode and the anode used catalyst layers having the same cross-sectional shape, and 0.3 mg/cm 2 of platinum was used as the catalyst metal for these catalyst layers.

カソードのガス拡散層として、撥水処理が施されたカーボンフェルトを使用した。 Water-repellent carbon felt was used as the gas diffusion layer of the cathode.

アノードのガス拡散層として、撥水処理が施されたチタン粉末焼結体を使用した。 A water-repellent sintered titanium powder was used as the gas diffusion layer of the anode.

なお、電圧印加器は、セルのアノードおよびカソード間に電圧を印加する装置である。また、マイクロポーラス層は、撥水性材料(例えば、PTFE)とカーボンブラックとを含む撥水層である。なお、便宜上、アノード側のマイクロポーラス層を第1マイクロポーラス層といい、カソード側のマイクロポーラス層を第2マイクロポーラス層という。 The voltage applicator is a device that applies a voltage between the anode and cathode of the cell. Also, the microporous layer is a water-repellent layer containing a water-repellent material (eg, PTFE) and carbon black. For convenience, the microporous layer on the anode side will be referred to as the first microporous layer, and the microporous layer on the cathode side will be referred to as the second microporous layer.

<試験手順>
まず、セルの温度を約65℃に設定するとともに、相対湿度が約100%のフル加湿の水素含有ガスをアノードに供給した。そして、カソードを開放状態(常圧)で、アノードおよびカソード間を電流密度換算で1A/cmの一定の電流が流れるように電圧印加器を制御することで、一晩、電解質膜を十分に加湿した。
<Test procedure>
First, the temperature of the cell was set to about 65° C., and a fully humidified hydrogen-containing gas with a relative humidity of about 100% was supplied to the anode. Then, with the cathode open (at normal pressure), the voltage applicator was controlled so that a constant current of 1 A/cm 2 in terms of current density flows between the anode and the cathode, and the electrolyte membrane was fully expanded overnight. Humidified.

次に、セルの温度を50℃に設定するとともに、露点が55℃の水素含有ガスをアノードに供給した。そして、アノードおよびカソード間を電流密度換算で1A/cmの一定の電流が流れるように電圧印加器を制御することで、アノードに供給した水素含有ガス中の約70%程度の水素がカソードに移動する条件において、カソードを開放状態から封止状態に切り替え、カソードのガス圧が40MPaに到達するまでのセルの水素圧縮動作(以下、水素圧縮試験)を行った。このような水素圧縮試験は、カソードの再開放および再封止を伴いながら複数回に亘って繰り返され、図2の試験結果が得られた。 Next, the temperature of the cell was set to 50°C and a hydrogen-containing gas with a dew point of 55°C was supplied to the anode. Then, by controlling the voltage applicator so that a constant current of 1 A/cm 2 in terms of current density flows between the anode and the cathode, about 70% of the hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied to the anode is transferred to the cathode. Under moving conditions, the cathode was switched from an open state to a sealed state, and a hydrogen compression operation of the cell (hereinafter referred to as a hydrogen compression test) was performed until the cathode gas pressure reached 40 MPa. Such hydrogen compression tests were repeated multiple times with reopening and resealing of the cathode, resulting in the test results of FIG.

なお、セルの過電圧が所定の閾値(ここでは、0.5V)に到達したときは、水素圧縮動作の継続を止めた後、次回の水素圧縮試験を行った。 When the cell overvoltage reached a predetermined threshold (here, 0.5 V), the continuation of the hydrogen compression operation was stopped, and then the next hydrogen compression test was performed.

<試験結果>
図2は、水素圧縮試験の繰り返しに伴うセルの性能試験結果の一例を示す図である。図2の右側の縦軸は、セルの抵抗(mΩ)が示され、左側の縦軸は、セルの過電圧(V)が示されている。図2の横軸には、水素圧縮試験の回数が取られている。
<Test results>
FIG. 2 is a diagram showing an example of the performance test results of the cell accompanying repetition of the hydrogen compression test. The vertical axis on the right side of FIG. 2 indicates the resistance (mΩ) of the cell, and the vertical axis on the left side indicates the overvoltage (V) of the cell. The horizontal axis of FIG. 2 represents the number of hydrogen compression tests.

図2には、水素圧縮試験が4回目以降において、カソード高圧状態(40MPaG)におけるセルの抵抗(点線)が示され、同状態における水素圧縮試験の回数毎のセルの過電圧(白菱形)がプロットされている。また、比較例として、カソードが開放状態(常圧)におけるセルの抵抗(実線)が示され、同状態における水素圧縮試験の回数毎のセルの過電圧(黒菱形)がプロットされている。 FIG. 2 shows the cell resistance (dotted line) in the cathode high pressure state (40 MPaG) after the fourth hydrogen compression test, and the cell overvoltage (white rhombus) for each number of hydrogen compression tests in the same state is plotted. It is As a comparative example, the cell resistance (solid line) with the cathode open (at normal pressure) is shown, and the cell overvoltage (black diamonds) for each number of hydrogen compression tests in the same state is plotted.

なお、図2に示すように、水素圧縮試験が3回目までは、カソードが高圧状態(40MPaG)におけるセルの抵抗および過電圧は測定しなかった。この理由は、カソードのガス圧が40MPaGになる前に、セルの過電圧が閾値(0.5V)に到達したからである。具体的には、水素圧縮試験が1回目および2回目の場合、カソードのガス圧が38MPaGにおいて、セルの抵抗および過電圧がそれぞれ、6.6mΩおよび0.5Vであった。また、水素圧縮試験が3回目の場合、カソードのガス圧が34MPaGにおいて、セルの抵抗および過電圧がそれぞれ、4.9mΩおよび0.5Vであった。 As shown in FIG. 2, until the third hydrogen compression test, the cell resistance and overvoltage were not measured when the cathode was in a high pressure state (40 MPaG). This is because the cell overvoltage reached the threshold (0.5 V) before the cathode gas pressure reached 40 MPaG. Specifically, for the first and second hydrogen compression tests, the cell resistance and overvoltage were 6.6 mΩ and 0.5 V, respectively, at a cathode gas pressure of 38 MPaG. When the hydrogen compression test was performed for the third time, the cell resistance and overvoltage were 4.9 mΩ and 0.5 V, respectively, at a cathode gas pressure of 34 MPaG.

ところが、水素圧縮試験が4回目以降においては、カソードのガス圧が40MPaGに到達したときも、セルの過電圧が、所定の閾値(0.5V)を下回るようになった。具体的には、例えば、水素圧縮試験が4回目の場合、図2に示すように、カソードのガス圧が40MPaGにおいて、セルの抵抗および過電圧がそれぞれ、4.0mΩおよび0.35Vであった。その後、水素圧縮試験の回数が、8回目まで増えるに連れて、セルの抵抗および過電圧がそれぞれ、減少する傾向を示した。 However, after the fourth hydrogen compression test, even when the cathode gas pressure reached 40 MPaG, the overvoltage of the cell fell below the predetermined threshold value (0.5 V). Specifically, for example, in the case of the fourth hydrogen compression test, as shown in FIG. 2, the cell resistance and overvoltage were 4.0 mΩ and 0.35 V at a cathode gas pressure of 40 MPaG, respectively. After that, as the number of hydrogen compression tests increased up to eight times, the cell resistance and overvoltage tended to decrease.

これに対して、カソードが開放状態(常圧)におけるセルの抵抗は、水素圧縮試験が1回目から8回目の間において、2.1mΩ程度の低い値のまま変化せず、カソードが開放状態(常圧)におけるセルの過電圧は、水素圧縮試験が1回目の0.119Vから、水素圧縮試験の回数が増えるに連れて、僅かな上昇傾向を示した。 On the other hand, the resistance of the cell with the cathode open (at normal pressure) remained at a low value of about 2.1 mΩ from the 1st to 8th hydrogen compression tests, and the cathode was open (normal pressure). The overvoltage of the cell at normal pressure showed a slight upward trend from 0.119 V in the first hydrogen compression test as the number of hydrogen compression tests increased.

以上の試験結果から、本開示者らは、水素圧縮試験の4回目~8回目の間の回数の増加(以下、水素圧縮試験の回数増加)に伴うカソード高圧化におけるセルの過電圧減少は、セル抵抗の減少が一緒に起こることから、電解質膜のドライアップが、4回目~8回目の間で水素圧縮試験を繰り返すに連れて抑制されているのではないかと推察した。つまり、セル抵抗に直結する電解質膜の抵抗は、電解質膜の湿潤状態に相関しており、セル抵抗の減少は、電解質膜の湿潤状態が改善しているからであると考えた。このため、水素圧縮試験が行われる前、電解質膜を十分に加湿したにも拘わらず、水素圧縮試験を行うと、セル抵抗減少が起きるのは、1回目~3回目の水素圧縮試験において何らかの要因で電解質膜がドライアップしたからではないかと推察した。しかし、このような推察を前提とするとき、電解質膜のドライアップが、4回目~8回目の間で水素圧縮試験を繰り返すに連れて、何故、抑制されているのか更なる検討が必要である。 From the above test results, the present inventors have found that the decrease in the overvoltage of the cell in increasing the cathode pressure accompanying the increase in the number of hydrogen compression tests between the 4th and 8th times (hereinafter, the increase in the number of hydrogen compression tests) is Since the decrease in resistance also occurred, it was surmised that dry-up of the electrolyte membrane was suppressed as the hydrogen compression test was repeated between the 4th and 8th times. In other words, the resistance of the electrolyte membrane, which is directly linked to the cell resistance, correlates with the wet state of the electrolyte membrane, and the decrease in cell resistance is thought to be due to the improvement in the wet state of the electrolyte membrane. For this reason, even though the electrolyte membrane was sufficiently humidified before the hydrogen compression test, the cell resistance decreased when the hydrogen compression test was performed. It was surmised that this was because the electrolyte membrane dried up. However, assuming such a conjecture, it is necessary to further investigate why the dry-up of the electrolyte membrane is suppressed as the hydrogen compression test is repeated between the 4th and 8th times. .

なお、カソード常圧時におけるセルの過電圧微増は、セル抵抗の変化が一緒に起こらないことから、例えば、マイクロポーラス層の変質などが要因ではないかと考えられる。 It should be noted that the slight increase in the overvoltage of the cell at normal cathode pressure is not accompanied by a change in the cell resistance, so it is considered that, for example, deterioration of the microporous layer is a factor.

<セル断面の電子顕微鏡観察>
そこで、水素圧縮試験の回数増加に伴うカソード高圧化におけるセルの過電圧減少の要因を探るべく、同一構造の他のセルを用いて、上記と同様に、4回の水素圧縮試験を行い、セル断面および触媒層表面を電子顕微鏡で観察した。
<Electron microscope observation of cell cross section>
Therefore, in order to investigate the cause of the decrease in the cell overvoltage due to the increase in the number of hydrogen compression tests, another cell with the same structure was used to conduct four hydrogen compression tests in the same manner as described above. and the surface of the catalyst layer were observed with an electron microscope.

図3A、図3Bおよび図3Cは、電子顕微鏡観察によるセル断面の一例を模写した図である。図3Aには、電子顕微鏡観察によるセルのアノード触媒層およびカソード触媒層の両方の断面を模写した図が示され、図3Aの電子顕微鏡観察の倍率は、図中の寸法Lが約60μmであることから把握することができる。図3Bおよび図3Cにはそれぞれ、電子顕微鏡観察によるセルのカソード触媒層およびアノード触媒層のそれぞれの断面を模写した図が示され、図3Bおよび図3Cの電子顕微鏡観察の倍率は、図中の寸法Lが約15μmであることから把握することができる。 FIGS. 3A, 3B, and 3C are diagrams replicating an example of a cell cross section observed by an electron microscope. FIG. 3A shows a cross-sectional representation of both the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer of the cell by electron microscopy, the magnification of the electron microscopy in FIG. It can be understood from FIGS. 3B and 3C respectively show cross-sections of the cathode catalyst layer and anode catalyst layer of the cell observed by electron microscopy, and the magnifications of the electron microscopy observations in FIGS. It can be understood from the fact that the dimension L is approximately 15 μm.

水素圧縮試験が行われる前は、カソード触媒層およびアノード触媒層の断面形状が同程度であったにも拘わらず、水素圧縮試験を行うと、図3Bおよび図3Cでは、カソード触媒層の断面形状とアノード触媒層の断面形状とが明らかな相違する。そして、このことは、カソード触媒層およびアノード触媒層の表面粗さ測定においても検証されている。 Although the cross-sectional shapes of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were similar before the hydrogen compression test, when the hydrogen compression test was performed, the cross-sectional shape of the cathode catalyst layer in FIGS. and the cross-sectional shape of the anode catalyst layer are clearly different. This is also verified by the surface roughness measurement of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

具体的には、例えば、倍率が2000倍において、第2マイクロポーラス層に接触するカソード触媒層の表面および電解質膜に接触するカソード触媒層の表面をそれぞれ120μmに亘って観察することで、これらの表面粗さ(Rz)を求めたところ、前者の表面粗さは2.9μmであり、後者の表面粗さは1.2μmであった。 Specifically, for example, at a magnification of 2000 times, the surface of the cathode catalyst layer in contact with the second microporous layer and the surface of the cathode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane are observed over 120 μm, respectively. When the surface roughness (Rz) was determined, the surface roughness of the former was 2.9 μm and the surface roughness of the latter was 1.2 μm.

これに対して、例えば、倍率が1000倍において、第1マイクロポーラス層に接触するアノード触媒層の表面および電解質膜に接触するアノード触媒層のそれぞれの表面を240μmに亘って観察することで、これらの表面粗さ(Rz)を求めたところ、前者の表面粗さは10.0μmであり、後者の表面粗さは11.3μmであった。 On the other hand, for example, at a magnification of 1000 times, the surface of the anode catalyst layer in contact with the first microporous layer and the surface of the anode catalyst layer in contact with the electrolyte membrane are each observed over 240 μm. When the surface roughness (Rz) of the former was determined, the surface roughness of the former was 10.0 µm and the surface roughness of the latter was 11.3 µm.

以上のカソード触媒層およびアノード触媒層に設けられた凹凸は、セルで発生する差圧(高圧)が、電解質膜を介してアノード触媒層に付与されたことで生じていると考えられる。そして、このような現象が、水素圧縮試験の回数増加に伴うカソード高圧化におけるセルの過電圧減少の一要因になっている可能性がある。つまり、本開示者らは、アノード触媒層の断面形状の凹凸がカソード触媒層の断面形状の凹凸よりも大きいことが、例えば、電解質膜のドライアップの抑制に対して有利な作用効果を発揮しているのではないかと推察している。 It is considered that the unevenness provided on the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer is caused by the differential pressure (high pressure) generated in the cell being applied to the anode catalyst layer via the electrolyte membrane. Such a phenomenon may be one of the factors that reduce the overvoltage of the cell when the cathode voltage is increased as the number of hydrogen compression tests increases. In other words, the present inventors have found that the unevenness of the cross-sectional shape of the anode catalyst layer, which is larger than the unevenness of the cross-sectional shape of the cathode catalyst layer, exerts an advantageous effect in, for example, suppressing dry-up of the electrolyte membrane. It is speculated that

すなわち、本開示の第1態様の電気化学式水素ポンプは、一対の主面を備える電解質膜と、電解質膜の一方の主面に設けられたカソード触媒層と、電解質膜の他方の主面に設けられアノード触媒層と、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、電圧印加器が上記の電圧を印加することで、アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する装置であって、使用者が最初の利用を開始する前に、カソード触媒層よりもアノード触媒層の方が、断面形状の凹凸が大きい。 That is, the electrochemical hydrogen pump of the first 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 a cathode catalyst layer provided on the other main surface of the electrolyte membrane. and a voltage applicator that applies a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, and the voltage applicator applies the above voltage to cause the hydrogen supplied onto the anode catalyst layer A device for moving hydrogen in a contained gas onto a cathode catalyst layer and pressurizing it, wherein the cross-sectional shape of the anode catalyst layer is greater than that of the cathode catalyst layer before the user starts using it for the first time. Unevenness is large.

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、使用者が最初の利用を開始する際に水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る。 According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can improve the efficiency of the hydrogen compression operation more than before when the user starts using it for the first time.

例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うと、電気化学式水素ポンプで発生する差圧(高圧)によってアノード触媒層の断面形状の凹凸をカソード触媒層の断面形状の凹凸よりも大きくすることができる。すると、例えば、アノード触媒層は、カソード触媒層よりも亀裂が生じやすいと推察される。ここで、アノード触媒層に、高加湿状態の水素含有ガスを供給する場合、アノード触媒層の亀裂の存在により、アノード触媒層が平坦で亀裂が少ない場合に比べて、アノード触媒層の亀裂を介して、水素含有ガス中の水分が電解質膜に供給されやすくなる。これにより、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプの電解質膜のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 For example, when the electrochemical hydrogen pump is operated to compress hydrogen before the user starts using it for the first time, the differential pressure (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump changes the unevenness of the cross-sectional shape of the anode catalyst layer to that of the cathode catalyst. It can be larger than the unevenness of the cross-sectional shape of the layer. Then, for example, it is inferred that the anode catalyst layer is more susceptible to cracking than the cathode catalyst layer. Here, when a hydrogen-containing gas in a highly humidified state is supplied to the anode catalyst layer, due to the presence of cracks in the anode catalyst layer, the cracks in the anode catalyst layer are more likely to occur than when the anode catalyst layer is flat and has few cracks. As a result, moisture in the hydrogen-containing gas is easily supplied to the electrolyte membrane. As a result, by performing the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump before the user starts using it for the first time, the electrolyte membrane of the electrochemical hydrogen pump can be dried up when the user starts using it for the first time. It is thought that it becomes possible to suppress it.

図3Cに示すように、第1マイクロポーラス層(撥水層)の主面とアノード触媒層の主面とが密着しているので、第1マイクロポーラス層のアノード触媒層側の主面には、アノード触媒層の断面形状の凹凸に沿った凹凸が形成されている。 As shown in FIG. 3C, since the main surface of the first microporous layer (water-repellent layer) and the main surface of the anode catalyst layer are in close contact, the main surface of the first microporous layer on the anode catalyst layer side has , unevenness is formed along the cross-sectional unevenness of the anode catalyst layer.

また、図3Bに示すように、第2マイクロポーラス層(撥水層)の主面とカソード触媒層の主面とが密着しているので、第2マイクロポーラス層のカソード触媒層側の主面には、カソード触媒層の断面形状の凹凸に沿った凹凸が形成されている。 In addition, as shown in FIG. 3B, since the main surface of the second microporous layer (water-repellent layer) and the main surface of the cathode catalyst layer are in close contact, the main surface of the second microporous layer on the cathode catalyst layer side is formed with unevenness along the cross-sectional unevenness of the cathode catalyst layer.

そして、アノード触媒層の断面形状の凹凸がカソード触媒層の断面形状の凹凸よりも大きいので、第1マイクロポーラス層のアノード触媒層側の主面の凹凸は、第2マイクロポーラス層のカソード触媒層側の主面の凹凸よりも大きい。そして、このことは、これらのマイクロポーラス層の表面粗さ測定においても検証されている。 Since the unevenness of the cross-sectional shape of the anode catalyst layer is larger than the unevenness of the cross-sectional shape of the cathode catalyst layer, the unevenness of the main surface of the first microporous layer on the anode catalyst layer side is the same as that of the cathode catalyst layer of the second microporous layer. larger than the unevenness of the main surface of the side. This is also verified by surface roughness measurements of these microporous layers.

具体的には、例えば、倍率が2000倍において、第2マイクロポーラス層のカソード触媒層側の表面を120μmに亘って観察することで、この表面粗さ(Rz)を求めたところ、表面粗さは2.9μmであった。 Specifically, for example, the surface roughness (Rz) of the second microporous layer on the cathode catalyst layer side was observed over 120 μm at a magnification of 2000, and the surface roughness (Rz) was determined. was 2.9 μm.

これに対して、例えば、倍率が1000倍において、第1マイクロポーラス層のアノード触媒層側の表面を240μmに亘って観察することで、この表面粗さ(Rz)を求めたところ、表面粗さは10.0μmであった。 On the other hand, for example, the surface roughness (Rz) of the first microporous layer on the anode catalyst layer side was observed over 240 μm at a magnification of 1000 times to obtain the surface roughness (Rz). was 10.0 μm.

以上の第1マイクロポーラス層の主面に設けられた凹凸は、セルで発生する差圧(高圧)が、電解質膜を介してアノード触媒層に付与されたことで生じていると考えられる。そして、このような現象が、水素圧縮試験の回数増加に伴うカソード高圧化におけるセルの過電圧減少の一要因になっている可能性がある。つまり、本開示者らは、第1マイクロポーラス層のアノード触媒層側の主面にアノード触媒層の凹凸に沿った凹凸を設けることが、例えば、電解質膜のドライアップの抑制に対して有利な作用効果を発揮しているのではないかと推察している。また、第1マイクロポーラス層のアノード触媒層側の主面の凹凸を、第2マイクロポーラス層のカソード触媒層側の主面の凹凸よりも大きくすることが、例えば、電解質膜のドライアップの抑制に対して有利な作用効果を発揮しているのではないかと推察している。 It is considered that the unevenness provided on the main surface of the first microporous layer is caused by the differential pressure (high pressure) generated in the cell being applied to the anode catalyst layer via the electrolyte membrane. Such a phenomenon may be one of the factors that reduce the overvoltage of the cell when the cathode voltage is increased as the number of hydrogen compression tests increases. In other words, the present inventors have found that providing unevenness along the unevenness of the anode catalyst layer on the main surface of the first microporous layer on the anode catalyst layer side is advantageous, for example, in suppressing dry-up of the electrolyte membrane. It is speculated that it is exerting its action and effect. Further, by making the unevenness of the main surface of the first microporous layer on the anode catalyst layer side larger than the unevenness of the main surface of the second microporous layer on the cathode catalyst layer side, for example, dry-up of the electrolyte membrane can be suppressed. It is surmised that it exerts an advantageous effect on

すなわち、本開示の第2態様の電気化学式水素ポンプは、第1態様の電気化学式水素ポンプにおいて、アノード触媒層上に設けられた、撥水性材料を含む第1撥水層を備え、第1撥水層のアノード触媒層側の主面は、アノード触媒層の凹凸に沿って凹凸が設けられていてもよい。また、本開示の第3態様の電気化学式水素ポンプは、第2態様の電気化学式水素ポンプにおいて、カソード触媒層上に設けられた、撥水性材料を含む第2撥水層を備え、第1撥水層のアノード触媒層側の主面は、第2撥水層のカソード触媒層側の主面よりも凹凸が大きくてもよい。 That is, the electrochemical hydrogen pump of the second aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump of the first aspect, including a first water-repellent layer containing a water-repellent material provided on the anode catalyst layer; The main surface of the water layer on the anode catalyst layer side may have unevenness along the unevenness of the anode catalyst layer. Further, the electrochemical hydrogen pump of the third aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump of the second aspect, further comprising a second water-repellent layer containing a water-repellent material provided on the cathode catalyst layer, the first repellent The major surface of the water layer on the anode catalyst layer side may be more uneven than the major surface of the second water-repellent layer on the cathode catalyst layer side.

かかる構成によると、本態様の電気化学式水素ポンプは、使用者が最初の利用を開始する際に水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る。 According to such a configuration, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can improve the efficiency of the hydrogen compression operation more than before when the user starts using it for the first time.

例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うと、電気化学式水素ポンプで発生する差圧(高圧)によって、第1撥水層のアノード触媒層側の主面には、アノード触媒層の凹凸に沿って凹凸が設けられる。この場合、第1撥水層と第2撥水層との間の凹凸の大小関係から、第1撥水層は、第2撥水層に比べて亀裂が生じやすいと推察される。すると、第1撥水層では、第2撥水層に比べて、第1撥水層の亀裂を介して、アノードにおける第1撥水層の両主面間の水の出入りが促進されやすい。これにより、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプの電解質膜のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 For example, when the electrochemical hydrogen pump performs a hydrogen compression operation before the user starts using it for the first time, the differential pressure (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump causes the first water-repellent layer to move toward the anode catalyst layer. The main surface of is provided with irregularities along the irregularities of the anode catalyst layer. In this case, it is presumed that cracks are more likely to occur in the first water-repellent layer than in the second water-repellent layer due to the size relationship between the unevenness of the first water-repellent layer and the second water-repellent layer. Then, in the first water-repellent layer, inflow and outflow of water between both main surfaces of the first water-repellent layer in the anode is facilitated through cracks in the first water-repellent layer more easily than in the second water-repellent layer. As a result, by performing the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump before the user starts using it for the first time, the electrolyte membrane of the electrochemical hydrogen pump can be dried up when the user starts using it for the first time. It is thought that it becomes possible to suppress it.

なお、電気化学式水素ポンプで発生する差圧が高いほど、カソードからアノードに移動する逆浸透水の流束(j)が大きい。よって、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作が進行すると、アノードに存在する水分がカソードに存在する水分に比べて多量になる可能性がある。すると、アノードへの逆浸透水によってアノードのフラッディングが発生しやすくなる。そして、このようなフラッディングが発生することにより、アノードで水素の拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプの拡散抵抗が増加する可能性があるので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の効率が低下する恐れがある。 It should be noted that the higher the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump, the greater the reverse osmosis water flux (j P ) that moves from the cathode to the anode. Therefore, as the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump progresses, the amount of moisture present at the anode may become greater than that present at the cathode. Then, flooding of the anode is likely to occur due to reverse osmosis water to the anode. If the diffusibility of hydrogen is hindered at the anode due to the occurrence of such flooding, the diffusion resistance of the electrochemical hydrogen pump may increase, so the efficiency of the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump is likely to decline.

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノード触媒層上に第1撥水層を設けることで、アノードでフラッディングが発生することを抑制している。具体的には、例えば、第1撥水層では、アノードに存在する水は、アノードの水素含有ガスの流れによって、水素含有ガスとともにアノード外に移動しやすい。 Therefore, in the electrochemical hydrogen pump of this aspect, the occurrence of flooding at the anode is suppressed by providing the first water-repellent layer on the anode catalyst layer. Specifically, for example, in the first water-repellent layer, water existing in the anode tends to move out of the anode together with the hydrogen-containing gas due to the flow of the hydrogen-containing gas in the anode.

逆に、電気化学式水素ポンプで発生する差圧が低いほど、カソードからアノードに移動する逆浸透水の流束(j)が小さいので、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作の初期段階では、カソードに存在する水分がアノードに存在する水分に比べて多量になる可能性がある。すると、カソードにおいて水素含有ガスから凝縮水が発生しやすく、この凝縮水のカソードからアノードへの移動は電解質膜を介して行われる。 Conversely, the lower the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump, the smaller the reverse osmosis water flux (j P ) that moves from the cathode to the anode. The amount of moisture present in the anode can be large compared to the moisture present in the anode. As a result, condensed water tends to be generated from the hydrogen-containing gas at the cathode, and this condensed water moves from the cathode to the anode via the electrolyte membrane.

そこで、本態様の電気化学式水素ポンプは、カソード触媒層上に第2撥水層を設けることで、電気化学式水素ポンプで発生する差圧が高くなっても、第2撥水層の外側に存在する凝縮水が電解質膜に移動することを適切に抑制することができると考えられる。なお、第2撥水層の外側とは、第2撥水層を基準にして、カソード触媒層側を第2撥水層の内側としたときの反対側に相当する。 Therefore, in the electrochemical hydrogen pump of this aspect, by providing the second water-repellent layer on the cathode catalyst layer, even if the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump increases, the water-repellent layer exists outside the second water-repellent layer. It is thought that the movement of the condensed water to the electrolyte membrane can be appropriately suppressed. The outside of the second water-repellent layer corresponds to the opposite side when the cathode catalyst layer side is the inside of the second water-repellent layer with respect to the second water-repellent layer.

以上により、本態様の電気化学式水素ポンプは、アノードに過剰な水が滞留する状態を改善できるので、アノードのフラッディング発生を適切に抑制することができる。 As described above, the electrochemical hydrogen pump of this aspect can improve the state in which excess water stays in the anode, and can appropriately suppress the occurrence of flooding in the anode.

ところで、水素圧縮試験が行われる前は、カソード触媒層およびアノード触媒層の厚みが同程度(いずれの膜厚も約7μm~10μm程度の間)であったにも拘わらず、水素圧縮試験を行うと、図3Bおよび図3Cでは、カソード触媒層とアノード触媒層の厚みとが明らかに相違する。そして、このことは、カソード触媒層およびアノード触媒層の厚み測定においても検証されている。 By the way, before the hydrogen compression test was performed, the thickness of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were about the same (both thicknesses are between about 7 μm and 10 μm), but the hydrogen compression test was performed. 3B and 3C, the thickness of the cathode catalyst layer and the thickness of the anode catalyst layer are clearly different. This has also been verified by measuring the thickness of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

具体的には、カソード触媒層については、薄膜部分では、厚みが7.0μmであり、厚膜部分では、厚みが9.9μmであった。 Specifically, the thickness of the cathode catalyst layer was 7.0 μm in the thin film portion and 9.9 μm in the thick film portion.

これに対して、アノード触媒層については、薄膜部分では、厚みが4.5μmであり、厚膜部分では、厚みが6.7μmであった。 On the other hand, the thickness of the anode catalyst layer was 4.5 μm in the thin film portion and 6.7 μm in the thick film portion.

また、水素圧縮試験が行われる前は、カソード触媒層およびアノード触媒層の空隙率が同程度であったにも拘わらず、水素圧縮試験を行うと、カソード触媒層の表面の電子顕微鏡観察(図3Dの(a)参照)およびアノード触媒層の表面の電子顕微鏡観察(図3Dの(b)参照)の比較から、アノード触媒層の空隙率とカソード触媒層の空隙率とが明らかに相違する。なお、図3Dの電子顕微鏡観察の倍率は、図中の寸法Lが約600nmであることから把握することができる。 In addition, although the porosities of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer were about the same before the hydrogen compression test, when the hydrogen compression test was performed, the surface of the cathode catalyst layer was observed with an electron microscope (Fig. 3D (a)) and the electron microscope observation of the surface of the anode catalyst layer (see FIG. 3D (b)), there is a clear difference between the porosity of the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer. Note that the magnification of the electron microscope observation in FIG. 3D can be grasped from the fact that the dimension L in the figure is about 600 nm.

そして、以上のことは、カソード触媒層およびアノード触媒層の空隙率測定においても検証されている。 The above has also been verified in porosity measurements of the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer.

具体的には、例えば、倍率が10万倍において、カソード触媒層の表面を観察することで、数~数百nmの細孔で構成されるカソード触媒層の空隙率(ここでは、電子顕微鏡で撮った断面写真から得られる空隙部分の断面の割合;以下、同じ。)を求めると、この空隙率が約34%であった。 Specifically, for example, by observing the surface of the cathode catalyst layer at a magnification of 100,000 times, the porosity of the cathode catalyst layer composed of pores of several to several hundred nanometers (here, with an electron microscope The ratio of the cross section of the void portion obtained from the photograph of the cross section;

これに対して、例えば、倍率が10万倍において、アノード触媒層の表面を観察することで、アノード触媒層の空隙率を求めると、この空隙率が約14%であった。 On the other hand, when the porosity of the anode catalyst layer was determined by observing the surface of the anode catalyst layer at a magnification of 100,000 times, the porosity was about 14%.

なお、アノード触媒層の空隙率とカソード触媒層の空隙率の相違は、セルで発生する差圧(高圧)が、電解質膜を介してアノード触媒層に付与されたことで、アノード触媒層の厚みが薄くなる過程で生じていると考えられる。つまり、アノード触媒層の厚みが薄くなるとき、アノード触媒層の空隙が潰れ、アノード触媒層の空隙率が小さくなると考えられる。そして、このような現象が、水素圧縮試験の回数増加に伴うカソード高圧化におけるセルの過電圧減少の一要因になっている可能性がある。つまり、本開示者らは、アノード触媒層の空隙率をカソード触媒層の空隙率よりも小さくすることが、例えば、電解質膜のドライアップの抑制に対して有利な作用効果を発揮しているのではないかと推察している。 The difference between the porosity of the anode catalyst layer and the porosity of the cathode catalyst layer is that the differential pressure (high pressure) generated in the cell is applied to the anode catalyst layer through the electrolyte membrane. It is thought that it is generated in the process of thinning. In other words, it is thought that when the thickness of the anode catalyst layer is reduced, the voids in the anode catalyst layer are crushed and the porosity of the anode catalyst layer is reduced. Such a phenomenon may be one of the factors that reduce the overvoltage of the cell when the cathode voltage is increased as the number of hydrogen compression tests increases. In other words, the present inventors believe that making the porosity of the anode catalyst layer smaller than the porosity of the cathode catalyst layer exhibits an advantageous effect, for example, in suppressing dry-up of the electrolyte membrane. I'm guessing not.

すなわち、本開示の第4態様の電気化学式水素ポンプは、第1態様から第3態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、アノード触媒層は、カソード触媒層よりも厚みが薄くてもよい。また、本開示の第5態様の電気化学式水素ポンプは、第1態様から第4態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、アノード触媒層は、カソード触媒層よりも空隙率が小さくてもよい。 That is, in the electrochemical hydrogen pump of the fourth aspect of the present disclosure, the anode catalyst layer may be thinner than the cathode catalyst layer in any one of the first to third aspects of the electrochemical hydrogen pump. Further, in the electrochemical hydrogen pump of the fifth aspect of the present disclosure, in the electrochemical hydrogen pump of any one of the first to fourth aspects, the anode catalyst layer may have a lower porosity than the cathode catalyst layer.

例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うと、電気化学式水素ポンプで発生する差圧(高圧)によってアノード触媒層の厚みをカソード触媒層の厚みよりも薄くすることができる。すると、アノード触媒層の厚みが薄くなる過程でアノード触媒層の空隙が潰れ、アノード触媒層の空隙率が小さくなると考えられる。アノード触媒層の空隙率が小さいほど、アノード触媒層に存在する含水量が減少するが、アノード触媒層の空隙を構成する細孔の径を小さくすることができる。そして、アノード触媒層の空隙を構成する細孔の径が小さいと、これが大きい場合に比べて、細孔内における水の保持力が強くなる。これにより、電解質膜近傍のアノード触媒層の細孔内において水を適切に保持することができる。よって、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプの電解質膜のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 For example, when the electrochemical hydrogen pump is operated to compress hydrogen before the user starts using it for the first time, the differential pressure (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump reduces the thickness of the anode catalyst layer to the thickness of the cathode catalyst layer. can be thinner than Then, it is considered that the voids of the anode catalyst layer are crushed in the process of decreasing the thickness of the anode catalyst layer, and the porosity of the anode catalyst layer becomes smaller. The smaller the porosity of the anode catalyst layer, the smaller the water content in the anode catalyst layer, but the smaller the diameter of the pores that form the pores of the anode catalyst layer. When the diameter of the pores forming the voids of the anode catalyst layer is small, the force of retaining water in the pores is stronger than when the diameter is large. Thereby, water can be appropriately retained in the pores of the anode catalyst layer near the electrolyte membrane. Therefore, by performing the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump before the user starts using it for the first time, drying up of the electrolyte membrane of the electrochemical hydrogen pump when the user starts using it for the first time is suppressed. It is thought that it will be possible to

図3Bに示すように、カソード触媒層の主面と電解質膜の主面とが密着しているので、電解質膜のカソード触媒層側の主面には、カソード触媒層の断面形状の凹凸に沿った凹凸が形成されている。また、図3Cに示すように、アノード触媒層の主面と電解質膜の主面とが密着しているので、電解質膜のアノード触媒層側の主面には、アノード触媒層の断面形状の凹凸に沿った凹凸が形成されている。そして、アノード触媒層の断面形状の凹凸がカソード触媒層の断面形状の凹凸よりも大きいので、電解質膜のアノード触媒層側の主面の凹凸は、電解質膜のカソード触媒層側の主面の凹凸よりも大きい。そして、このことは、上記で説明した表面粗さ測定においても検証されている。つまり、前者の電解質膜の表面粗さは11.3μmであると見做すことができるとともに、後者の電解質膜の表面粗さは1.2μmであると見做すことができる。 As shown in FIG. 3B, since the main surface of the cathode catalyst layer and the main surface of the electrolyte membrane are in close contact with each other, the main surface of the electrolyte membrane on the cathode catalyst layer side has irregularities along the cross-sectional shape of the cathode catalyst layer. unevenness is formed. Further, as shown in FIG. 3C, since the main surface of the anode catalyst layer and the main surface of the electrolyte membrane are in close contact with each other, the main surface of the electrolyte membrane on the anode catalyst layer side has unevenness corresponding to the cross-sectional shape of the anode catalyst layer. Concavities and convexities are formed along the Since the unevenness of the cross-sectional shape of the anode catalyst layer is larger than the unevenness of the cross-sectional shape of the cathode catalyst layer, the unevenness of the main surface of the electrolyte membrane on the anode catalyst layer side is the same as the unevenness of the main surface of the electrolyte membrane on the cathode catalyst layer side. bigger than This is also verified in the surface roughness measurement described above. That is, the surface roughness of the former electrolyte membrane can be assumed to be 11.3 μm, and the surface roughness of the latter electrolyte membrane can be assumed to be 1.2 μm.

以上の電解質膜の一対の主面に設けられた凹凸は、セルで発生する差圧が、電解質膜を介してアノード触媒層に付与されたことで生じていると考えられる。そして、このような現象は、電解質膜内の細孔収縮を伴うと推察され、このことが、水素圧縮試験の回数増加に伴うカソード高圧化におけるセルの過電圧減少の一要因になっている可能性がある。つまり、本開示者らは、電解質膜のアノード触媒層側の主面の凹凸を電解質膜のカソード触媒層側の主面の凹凸よりも大きくすることが、例えば、電解質膜のドライアップの抑制に対して有利な作用効果を発揮しているのではないかと推察している。 It is considered that the unevenness provided on the pair of main surfaces of the electrolyte membrane is caused by the differential pressure generated in the cell being applied to the anode catalyst layer via the electrolyte membrane. Such a phenomenon is presumed to be accompanied by pore shrinkage in the electrolyte membrane, and this may be one of the factors that reduce the overvoltage of the cell when the cathode pressure is increased as the number of hydrogen compression tests increases. There is In other words, the present inventors have found that making the unevenness of the main surface of the electrolyte membrane on the anode catalyst layer side larger than the unevenness on the main surface of the electrolyte membrane on the cathode catalyst layer side, for example, suppresses dry-up of the electrolyte membrane. It is speculated that it exerts an advantageous action and effect against it.

すなわち、本開示の第6態様の電気化学式水素ポンプは、第1態様から第5態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、電解質膜は、カソード触媒層側の主面よりもアノード触媒層側の主面の方が、凹凸が大きくてもよい。 That is, the electrochemical hydrogen pump of the sixth aspect of the present disclosure is the electrochemical hydrogen pump of any one of the first to fifth aspects, wherein the electrolyte membrane is located on the anode catalyst layer side rather than the cathode catalyst layer side main surface. The main surface may have larger unevenness.

例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うと、電気化学式水素ポンプで発生する差圧(高圧)によって電解質膜の一対の主面に設けられた凹凸が、上記で説明した大小関係で形成される際に、電解質膜内の細孔を適切に収縮させることができる。これにより、電気化学式水素ポンプで発生する差圧によってカソード触媒層からアノード触媒層に移動する逆浸透水の量を抑制することができるとともに、電解質膜の細孔内において水を適切に保持することができる。よって、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプの電解質膜のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 For example, when the electrochemical hydrogen pump performs a hydrogen compression operation before the user starts using it for the first time, the pressure difference (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump causes the pressure difference between the two main surfaces of the electrolyte membrane to The pores in the electrolyte membrane can be appropriately shrunk when the unevenness is formed in the size relationship described above. As a result, the amount of reverse osmosis water that moves from the cathode catalyst layer to the anode catalyst layer due to the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump can be suppressed, and water can be appropriately retained within the pores of the electrolyte membrane. can be done. Therefore, by performing the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump before the user starts using it for the first time, drying up of the electrolyte membrane of the electrochemical hydrogen pump when the user starts using it for the first time is suppressed. It is thought that it will be possible to

本開示の第7態様の電気化学式水素ポンプは、第1態様から第6態様のいずれかの電気化学式水素ポンプにおいて、使用者が最初に利用開始する前に、電解質膜、カソード触媒層およびアノード触媒層を含むセルは、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作中のセルの温度で相対湿度80%の雰囲気下での含水率以上の水分を保持してもよい。 In the electrochemical hydrogen pump of the seventh aspect of the present disclosure, in the electrochemical hydrogen pump of any one of the first to sixth aspects, the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer and the anode catalyst are added to the electrochemical hydrogen pump before the user starts using it for the first time. A cell containing the layer may retain moisture at or above the moisture content in an 80% relative humidity atmosphere at the temperature of the cell during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump.

以上により、本態様の電気化学式水素ポンプは、使用者が最初に利用開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うと、上記の含水率以上の水分をセルに保持させ得る。これにより、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作を行うことで、電解質膜を十分に加湿することができるので、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプの電解質膜のドライアップを適切に抑制することが可能になる。 As described above, the electrochemical hydrogen pump of this embodiment can retain moisture in the cell at a water content equal to or higher than the above water content when the electrochemical hydrogen pump performs the hydrogen compression operation before the user starts using it for the first time. As a result, the electrolyte membrane can be sufficiently humidified by performing the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump before the user starts using it for the first time. It is possible to appropriately suppress dry-up of the electrolyte membrane of the electrochemical hydrogen pump.

以下、添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。なお、以下で説明する実施形態は、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、および、構成要素の配置位置および接続形態などは、あくまで一例であり、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、上記の各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。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。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the accompanying drawings. It should be noted that each of the embodiments described below is an example of each of the aspects described above. Therefore, the shapes, materials, components, and arrangement positions and connection forms of the components shown below are merely examples, and do not limit each of the above aspects unless stated in the claims. . In addition, among the following constituent elements, constituent elements that are not described in independent claims representing the top concept of each of the above aspects will be described as optional constituent elements. Further, in the drawings, the description of the components with the same reference numerals may be omitted. The drawings schematically show each component for easy understanding, and the shape and dimensional ratio may not be exact representations.

(第1実施形態)
[装置構成]
図4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。
(First embodiment)
[Device configuration]
FIG. 4 is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the first embodiment.

図4に示す例では、電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜22と、アノード触媒層23と、カソード触媒層24と、電圧印加器21と、を備える。なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ100では、電気化学式水素ポンプ100のアノード(電極)は、アノード触媒層23およびアノードガス拡散層(図4では図示せず)で構成されている。電気化学式水素ポンプ100のカソード(電極)は、カソード触媒層24およびカソードガス拡散層(図4では図示せず)で構成されている。 In the example shown in FIG. 4, the electrochemical hydrogen pump 100 includes an electrolyte membrane 22, an anode catalyst layer 23, a cathode catalyst layer 24, and a voltage applicator 21. In the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, the anode (electrode) of the electrochemical hydrogen pump 100 is composed of the anode catalyst layer 23 and the anode gas diffusion layer (not shown in FIG. 4). The cathode (electrode) of the electrochemical hydrogen pump 100 is composed of a cathode catalyst layer 24 and a cathode gas diffusion layer (not shown in FIG. 4).

電解質膜22は、一対の主面を備え、プロトン(H)伝導性を有する高分子膜である。電解質膜22は、このようなプロトン伝導性を有する高分子膜であれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜22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、電解質膜22として、例えば、Nafion(登録商標、デュポン社製)、Aciplex(登録商標、旭化成株式会社製)などを用いることができるが、これらに限定されない。 The electrolyte membrane 22 is a polymer membrane having a pair of main surfaces and having proton (H + ) conductivity. The electrolyte membrane 22 may have any structure as long as it is a polymer membrane having such proton conductivity. For example, the electrolyte membrane 22 may be a fluoropolymer electrolyte membrane. Specifically, for example, Nafion (registered trademark, manufactured by DuPont), Aciplex (registered trademark, manufactured by Asahi Kasei Corporation), or the like can be used as the electrolyte membrane 22, but the electrolyte membrane 22 is not limited thereto.

カソード触媒層24は、電解質膜22の一方の主面に設けられている。カソード触媒層24は、例えば、触媒金属としてPtなどを含んでもよいが、これに限定されない。 Cathode catalyst layer 24 is provided on one main surface of electrolyte membrane 22 . The cathode catalyst layer 24 may contain, for example, Pt or the like as a catalyst metal, but is not limited to this.

アノード触媒層23は、電解質膜22の他方の主面に設けられている。アノード触媒層23は、例えば、触媒金属として白金(Pt)などを含んでもよいが、これに限定されない。 The anode catalyst layer 23 is provided on the other main surface of the electrolyte membrane 22 . The anode catalyst layer 23 may contain, for example, platinum (Pt) as a catalyst metal, but is not limited to this.

カソード触媒層24もアノード触媒層23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、導電性の酸化物粉末、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。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。 There are various methods for preparing catalysts for both the cathode catalyst layer 24 and the anode catalyst layer 23, and there is no particular limitation. Examples of catalyst carriers include conductive oxide powders and carbon-based powders. Examples of carbon-based powders include powders of graphite, carbon black, activated carbon having electrical conductivity, and the like. The method of supporting platinum or other catalytic metals on a carrier such as carbon is not particularly limited. For example, methods such as powder mixing or liquid phase mixing may be used. As the latter liquid phase mixing, for example, a method of dispersing a carrier such as carbon in a catalyst component colloidal liquid and adsorbing the carrier can be used. The state in which the catalyst metal such as platinum is supported on the carrier is not particularly limited. For example, the catalyst metal may be finely divided and supported on a carrier in a highly dispersed state.

電圧印加器21は、アノード触媒層23とカソード触媒層24との間に電圧を印加する装置である。 The voltage applicator 21 is a device that applies voltage between the anode catalyst layer 23 and the cathode catalyst layer 24 .

具体的には、電圧印加器21の高電位が、アノード触媒層23に印加され、電圧印加器21の低電位が、カソード触媒層24に印加されている。電圧印加器21は、アノード触媒層23およびカソード触媒層24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。例えば、電圧印加器21は、アノード触媒層23およびカソード触媒層24間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。具体的には、電圧印加器21は、バッテリ、太陽電池、燃料電池などの直流電源と接続されているときは、DC/DCコンバータを備え、商用電源などの交流電源と接続されているときは、AC/DCコンバータを備える。 Specifically, a high potential of the voltage applicator 21 is applied to the anode catalyst layer 23 and a low potential of the voltage applicator 21 is applied to the cathode catalyst layer 24 . The voltage applicator 21 may have any configuration as long as it can apply a voltage between the anode catalyst layer 23 and the cathode catalyst layer 24 . For example, voltage applicator 21 may be a device that adjusts the voltage applied between anode catalyst layer 23 and cathode catalyst layer 24 . Specifically, the voltage applicator 21 includes a DC/DC converter when connected to a DC power supply such as a battery, a solar battery, or a fuel cell, and a DC/DC converter when connected to an AC power supply such as a commercial power supply. , with an AC/DC converter.

また、電圧印加器21は、例えば、電気化学式水素ポンプ100に供給する電力が所定の設定値となるように、アノード触媒層23およびカソード触媒層24間に印加される電圧、アノード触媒層23およびカソード触媒層24間に流れる電流が調整される電力型電源であってもよい。 In addition, the voltage applicator 21, for example, applies voltage between the anode catalyst layer 23 and the cathode catalyst layer 24 so that the power supplied to the electrochemical hydrogen pump 100 becomes a predetermined set value. It may be a power type power source in which the current flowing between the cathode catalyst layers 24 is regulated.

このように、電気化学式水素ポンプ100は、電圧印加器21が、上記電圧を印加することで、アノード触媒層23上に供給された水素含有ガス中の水素を、カソード触媒層24上に移動させ、かつ昇圧する装置である。なお、水素含有ガスは、例えば、水の電気分解により生成する水素ガスであってもよいし、水素を含む改質ガスであってもよい。 As described above, the electrochemical hydrogen pump 100 moves hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied onto the anode catalyst layer 23 onto the cathode catalyst layer 24 by the voltage applicator 21 applying the voltage. , and boosts the pressure. The hydrogen-containing gas may be, for example, hydrogen gas generated by electrolysis of water, or reformed gas containing hydrogen.

図4に示すように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、使用者が最初の利用を開始する前に、カソード触媒層24よりもアノード触媒層23の方が、断面形状の凹凸が大きい。また、アノード触媒層23は、カソード触媒層24よりも厚みが薄い。また、アノード触媒層23は、カソード触媒層24よりも空隙率が小さい。また、電解質膜22は、カソード触媒層24側の主面よりもアノード触媒層23側の主面の方が、凹凸が大きい。 As shown in FIG. 4 , in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, before the user starts using it for the first time, the anode catalyst layer 23 has a larger cross-sectional unevenness than the cathode catalyst layer 24 . . Also, the anode catalyst layer 23 is thinner than the cathode catalyst layer 24 . Also, the anode catalyst layer 23 has a smaller porosity than the cathode catalyst layer 24 . The main surface of the electrolyte membrane 22 on the anode catalyst layer 23 side is more uneven than the main surface on the cathode catalyst layer 24 side.

以上の電気化学式水素ポンプ100の構成は、例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作(以下、試運転)を行うことで実現される。なお、使用者の最初の利用とは、電気化学式水素ポンプ100を事業者から使用者に出荷した後に使用者によって行われる初回の電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作をいう。 The configuration of the electrochemical hydrogen pump 100 described above is realized, for example, by performing a hydrogen compression operation (hereinafter referred to as a test run) of the electrochemical hydrogen pump 100 before the user starts using it for the first time. The user's first use refers to the first hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 performed by the user after the electrochemical hydrogen pump 100 is shipped from the business to the user.

例えば、上記で説明したセル断面の電子顕微鏡観察から分かるように、電気化学式水素ポンプ100の試運転が行われる前は、カソード触媒層24およびアノード触媒層23の断面形状が同程度であるにも拘わらず、試運転を行うことで、アノード触媒層23の断面形状の凹凸200が、カソード触媒層24の断面形状の凹凸201よりも大きくなる。また、試運転が行われる前は、カソード触媒層24およびアノード触媒層23の厚みが同程度であったにも拘わらず、試運転を行うことで、アノード触媒層23の厚みTAが、カソード触媒層24よりも厚みTCよりも薄くなる。また、試運転が行われる前は、カソード触媒層24およびアノード触媒層23の空隙率が同程度であったにも拘わらず、試運転を行うことで、アノード触媒層23の空隙率は、カソード触媒層24の空隙率よりも小さくなる。 For example, as can be seen from the electron microscope observation of the cross section of the cell described above, before the test operation of the electrochemical hydrogen pump 100 is performed, although the cross-sectional shapes of the cathode catalyst layer 24 and the anode catalyst layer 23 are approximately the same, First, by performing a test run, the cross-sectional unevenness 200 of the anode catalyst layer 23 becomes larger than the cross-sectional unevenness 201 of the cathode catalyst layer 24 . In addition, although the thicknesses of the cathode catalyst layer 24 and the anode catalyst layer 23 were approximately the same before the test run, the thickness TA of the anode catalyst layer 23 was changed to that of the cathode catalyst layer 24 by performing the test run. becomes thinner than the thickness TC. In addition, although the porosities of the cathode catalyst layer 24 and the anode catalyst layer 23 were approximately the same before the test run, the porosity of the anode catalyst layer 23 decreased after the test run. 24 porosity.

なお、このとき、カソード触媒層24の主面と電解質膜22の主面とが密着しているので、電解質膜22のカソード触媒層側の主面には、カソード触媒層24の断面形状の凹凸201に沿った凹凸が形成されている。また、アノード触媒層23の主面と電解質膜22の主面とが密着しているので、電解質膜22のアノード触媒層23側の主面には、アノード触媒層23の断面形状の凹凸200に沿った凹凸が形成されている。 At this time, since the main surface of the cathode catalyst layer 24 and the main surface of the electrolyte membrane 22 are in close contact with each other, the main surface of the electrolyte membrane 22 on the cathode catalyst layer side has unevenness corresponding to the cross-sectional shape of the cathode catalyst layer 24 . Concavities and convexities along 201 are formed. In addition, since the main surface of the anode catalyst layer 23 and the main surface of the electrolyte membrane 22 are in close contact with each other, the main surface of the electrolyte membrane 22 on the anode catalyst layer 23 side has the unevenness 200 of the cross-sectional shape of the anode catalyst layer 23 . Concavities and convexities along the groove are formed.

[動作]
以下、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作について、図4を参照しながら説明する。以下の動作は、例えば、図示しない制御器の演算回路が、制御器の記憶回路から制御プログラムにより行われてもよい。ただし、以下の動作を制御器で行うことは、必ずしも必須ではない。操作者が、その一部の動作を行ってもよい。
[motion]
The hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 will be described below with reference to FIG. The following operations may be performed by, for example, a control program stored in a memory circuit of the controller by an arithmetic circuit (not shown) of the controller. However, it is not essential that the controller perform the following operations. The operator may perform some of the operations.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、以下の如く、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作が試運転として行われる。 In the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 is performed as a test run as follows, for example, before the user starts using it for the first time.

まず、電気化学式水素ポンプ100のアノードに水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器21の電力が電気化学式水素ポンプ100のアノード触媒層23およびカソード触媒層24間に給電される。 First, hydrogen-containing gas is supplied to the anode of the electrochemical hydrogen pump 100 , and electric power from the voltage applicator 21 is supplied between the anode catalyst layer 23 and the cathode catalyst layer 24 of the electrochemical hydrogen pump 100 .

すると、電気化学式水素ポンプ100のアノード触媒層23において、酸化反応で水素含有ガス中の水素(H)が水素イオン(プロトン)と電子とに分離する(式(1))。プロトンは、図4に示す如く、電解質膜22内を伝導してカソード触媒層24に移動する。電子は電圧印加器21を通じてカソード触媒層24に移動する。そして、カソード触媒層24において、還元反応で水素分子が再び生成される(式(2))。 Then, in the anode catalyst layer 23 of the electrochemical hydrogen pump 100, hydrogen (H 2 ) in the hydrogen-containing gas is separated into hydrogen ions (protons) and electrons by an oxidation reaction (formula (1)). The protons are conducted through the electrolyte membrane 22 and move to the cathode catalyst layer 24, as shown in FIG. Electrons move to the cathode catalyst layer 24 through the voltage applicator 21 . Then, in the cathode catalyst layer 24, hydrogen molecules are generated again by a reduction reaction (equation (2)).

このとき、プロトンが電解質膜22を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてプロトンと同伴してアノードからカソードに移動することが知られている。 At this time, it is known that when the protons conduct through the electrolyte membrane 22, a predetermined amount of water moves from the anode to the cathode together with the protons as electroosmotic water.

アノード:H(低圧)→2H+2e ・・・(1)
カソード:2H+2e→H(高圧) ・・・(2)
ここで、電気化学式水素ポンプ100には、カソードで生成された水素をカソード外に導出させるガス導出経路(図示せず)が設けられ、ガス導出経路上の流量調整器を用いて、ガス導出経路の圧損を増加させることにより、カソードの水素を高圧にまで昇圧することができる。流量調整器として、例えば、ガス導出経路に設けられた背圧弁、調整弁などを挙げることができる。
Anode: H 2 (low pressure) → 2H + +2e - (1)
Cathode: 2H + +2e →H 2 (high voltage) (2)
Here, the electrochemical hydrogen pump 100 is provided with a gas lead-out path (not shown) for leading out the hydrogen produced at the cathode to the outside of the cathode. Hydrogen at the cathode can be boosted to a high pressure by increasing the pressure drop of . Examples of flow rate regulators include a back pressure valve, a regulation valve, and the like provided in the gas lead-out path.

なお、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作時には、電気化学式水素ポンプ100において、電解質膜22内をプロトンと同伴してアノードからカソードに移動した電気浸透水が、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧によってカソードからアノードに移動(逆浸透)する。 During the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100, the electroosmotic water that has moved from the anode to the cathode along with the protons in the electrolyte membrane 22 in the electrochemical hydrogen pump 100 is generated in the electrochemical hydrogen pump 100. Pressure moves from the cathode to the anode (reverse osmosis).

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、使用者が最初の利用を開始する際に水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る。 As described above, the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment can improve the efficiency of the hydrogen compression operation more than before when the user starts using it for the first time.

例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うと、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧(高圧)によってアノード触媒層23の断面形状の凹凸200をカソード触媒層24の断面形状の凹凸201よりも大きくすることができる。すると、例えば、アノード触媒層23は、カソード触媒層24よりも亀裂が生じやすいと推察される。ここで、電気化学式水素ポンプ100のアノードに、高加湿状態の水素含有ガスを供給する場合、アノード触媒層23の亀裂の存在により、アノード触媒層23が平坦で亀裂が少ない場合に比べて、アノード触媒層23の亀裂を介して、水素含有ガス中の水分が電解質膜22に供給されやすくなる。これにより、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプ100の電解質膜22のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 For example, when the electrochemical hydrogen pump 100 is trial run before the user starts using it for the first time, the unevenness 200 of the cross-sectional shape of the anode catalyst layer 23 is caused by the differential pressure (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump 100. It can be made larger than the unevenness 201 of the cross-sectional shape of the cathode catalyst layer 24 . Then, for example, the anode catalyst layer 23 is presumed to crack more easily than the cathode catalyst layer 24 . Here, when a highly humidified hydrogen-containing gas is supplied to the anode of the electrochemical hydrogen pump 100, due to the presence of cracks in the anode catalyst layer 23, the anode catalyst layer 23 is flat and has few cracks. Moisture in the hydrogen-containing gas is easily supplied to the electrolyte membrane 22 through the cracks in the catalyst layer 23 . As a result, by performing a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before the user starts using it for the first time, the electrolyte membrane 22 of the electrochemical hydrogen pump 100 is dried up when the user starts using it for the first time. can be suppressed.

また、例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うと、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧(高圧)によってアノード触媒層23の厚みTAをカソード触媒層24の厚みTCよりも薄くすることができる。すると、アノード触媒層23の厚みTAが薄くなる過程でアノード触媒層23の空隙が潰れ、アノード触媒層23の空隙率が小さくなると考えられる。アノード触媒層23の空隙率が小さいほど、アノード触媒層23に存在する含水量が減少するが、アノード触媒層23の空隙を構成する細孔の径を小さくすることができる。そして、アノード触媒層23の空隙を構成する細孔の径が小さいと、これが大きい場合に比べて、細孔内における水の保持力が強くなる。これにより、電解質膜22の近傍のアノード触媒層23の細孔内において水を適切に保持することができる。よって、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプ100の電解質膜22のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 Further, for example, when the user performs a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before starting use for the first time, the thickness TA of the anode catalyst layer 23 increases due to the differential pressure (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump 100. It can be thinner than the thickness TC of the catalyst layer 24 . Then, it is considered that the voids of the anode catalyst layer 23 are crushed in the process of decreasing the thickness TA of the anode catalyst layer 23, and the porosity of the anode catalyst layer 23 is decreased. As the porosity of the anode catalyst layer 23 decreases, the water content in the anode catalyst layer 23 decreases, but the diameter of the pores forming the pores of the anode catalyst layer 23 can be reduced. When the diameter of the pores forming the voids of the anode catalyst layer 23 is small, the force of retaining water in the pores is stronger than when the diameter is large. Thereby, water can be appropriately retained in the pores of the anode catalyst layer 23 near the electrolyte membrane 22 . Therefore, by performing a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before the user starts using it for the first time, the electrolyte membrane 22 of the electrochemical hydrogen pump 100 can be dried up when the user starts using it for the first time. It is thought that it becomes possible to suppress it.

また、例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うと、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧(高圧)によって電解質膜22の一対の主面に設けられた凹凸が、上記で説明した大小関係で形成される際に、電解質膜22内の細孔を適切に収縮させることができる。これにより、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧によってカソードからアノードに移動する逆浸透水の量を抑制することができるとともに、電解質膜22の細孔内において水を適切に保持することができる。よって、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプ100の電解質膜22のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 Further, for example, when the user performs a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before starting use for the first time, the pressure difference (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump 100 causes the pair of main surfaces of the electrolyte membrane 22 to The pores in the electrolyte membrane 22 can be appropriately shrunk when the provided unevenness is formed in the size relationship described above. As a result, the amount of reverse osmosis water that moves from the cathode to the anode due to the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump 100 can be suppressed, and the water can be appropriately retained within the pores of the electrolyte membrane 22. . Therefore, by performing a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before the user starts using it for the first time, the electrolyte membrane 22 of the electrochemical hydrogen pump 100 can be dried up when the user starts using it for the first time. It is thought that it becomes possible to suppress it.

(実施例)
図5は、第1実施形態の実施例の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。
(Example)
FIG. 5 is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the example of the first embodiment.

図5に示す例では、電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜22と、アノード触媒層23と、カソード触媒層24と、電圧印加器21と、アノードガス拡散層25と、カソードガス拡散層26と、アノードセパレータ27と、カソードセパレータ28と、を備える。 In the example shown in FIG. 5, the electrochemical hydrogen pump 100 includes an electrolyte membrane 22, an anode catalyst layer 23, a cathode catalyst layer 24, a voltage applicator 21, an anode gas diffusion layer 25, and a cathode gas diffusion layer 26. , an anode separator 27 and a cathode separator 28 .

ここで、電解質膜22、アノード触媒層23、カソード触媒層24および電圧印加器21は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様であるので説明を省略する。 Here, the electrolyte membrane 22, the anode catalyst layer 23, the cathode catalyst layer 24, and the voltage applicator 21 are the same as those of the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment, so description thereof will be omitted.

アノードガス拡散層25は、アノード触媒層23上に設けられている。アノードガス拡散層25は、例えば、多孔質体などで構成され、耐腐食性、導電性およびガス拡散性を備える。また、アノードガス拡散層25は、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作時に電気化学式水素ポンプ100のアノードおよびカソードの間の差圧で発生する構成部材の変位、変形を抑制し得る高剛性材料で構成する方が望ましい。 The anode gas diffusion layer 25 is provided on the anode catalyst layer 23 . The anode gas diffusion layer 25 is made of, for example, a porous material, and has corrosion resistance, electrical conductivity, and gas diffusion properties. In addition, the anode gas diffusion layer 25 is made of a highly rigid material that can suppress the displacement and deformation of the constituent members caused by the differential pressure between the anode and cathode of the electrochemical hydrogen pump 100 during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100. It is preferable to configure

例えば、アノードガス拡散層25は、白金メッキが施されたチタン(Ti)粉末焼結体などの耐腐食性および導電性を備える多孔質体で構成されているが、これに限定されない。 For example, the anode gas diffusion layer 25 is composed of a porous material having corrosion resistance and electrical conductivity, such as a titanium (Ti) powder sintered body plated with platinum, but is not limited to this.

ここで、アノードガス拡散層25は、例えば、チタン粉末焼結体に撥水性溶液を浸み込ませて焼成することにより撥水処理が平面内でほぼ均等に施されていてもよい。撥水性溶液として、例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)溶液などを用いることができるが、これに限定されない。撥水性溶液としてPTFE溶液を用いる場合、多孔質構造のチタン粉末焼結体の表面上には、適量のPTFE粒子が付着している。これにより、アノードガス拡散層25の撥水性が発現されている。 Here, the anode gas diffusion layer 25 may be subjected to a water-repellent treatment almost evenly in the plane, for example, by impregnating a titanium powder sintered body with a water-repellent solution and firing the sintered body. As the water-repellent solution, for example, a PTFE (polytetrafluoroethylene) solution or the like can be used, but it is not limited to this. When a PTFE solution is used as the water-repellent solution, an appropriate amount of PTFE particles adheres to the surface of the titanium powder sintered compact having a porous structure. As a result, the anode gas diffusion layer 25 exhibits water repellency.

カソードガス拡散層26は、カソード触媒層24上に設けられている。また、カソードガス拡散層26は、多孔性材料で構成され、導電性およびガス拡散性を備える。さらに、カソードガス拡散層26は、電気化学式水素ポンプ100の動作時にカソードおよびアノード間の差圧で発生する構成部材の変位、変形に適切に追従するような弾性を備える方が望ましい。 A cathode gas diffusion layer 26 is provided on the cathode catalyst layer 24 . Also, the cathode gas diffusion layer 26 is made of a porous material and has electrical conductivity and gas diffusion properties. Furthermore, it is desirable that the cathode gas diffusion layer 26 have elasticity so as to appropriately follow the displacement and deformation of the constituent members caused by the differential pressure between the cathode and anode during operation of the electrochemical hydrogen pump 100 .

例えば、カソードガス拡散層26は、カーボン繊維を備える多孔質体で構成されているが、これに限定されない。なお、この多孔質体は、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどの多孔性のカーボン繊維シートでもよい。 For example, the cathode gas diffusion layer 26 is composed of a porous material including carbon fibers, but is not limited to this. This porous body may be, for example, a porous carbon fiber sheet such as carbon paper, carbon cloth, or carbon felt.

ここで、カソードガス拡散層26は、例えば、カーボン繊維シートに撥水性溶液を浸み込ませて焼成することにより撥水処理が平面内でほぼ均等に施されていてもよい。なお、撥水性溶液として、例えば、PTFE溶液などを用いることができるが、これに限定されない。撥水性溶液としてPTFE溶液を用いる場合、多孔質構造のカーボン繊維シートの表面上には、適量のPTFE粒子が付着している。これにより、カソードガス拡散層26の撥水性が発現されている。 Here, the cathode gas diffusion layer 26 may be subjected to a water-repellent treatment substantially evenly in the plane by, for example, impregnating a carbon fiber sheet with a water-repellent solution and baking the carbon fiber sheet. As the water-repellent solution, for example, a PTFE solution or the like can be used, but it is not limited to this. When a PTFE solution is used as the water-repellent solution, an appropriate amount of PTFE particles adheres to the surface of the porous carbon fiber sheet. As a result, the cathode gas diffusion layer 26 exhibits water repellency.

アノードセパレータ27は、アノードガス拡散層25上に設けられた部材である。カソードセパレータ28は、カソードガス拡散層26上に設けられた部材である。そして、アノードセパレータ27およびカソードセパレータ28のそれぞれの中央部には、凹部が設けられている。これらの凹部のそれぞれに、アノードガス拡散層25およびカソードガス拡散層26がそれぞれ収容されている。 The anode separator 27 is a member provided on the anode gas diffusion layer 25 . The cathode separator 28 is a member provided on the cathode gas diffusion layer 26 . A concave portion is provided in each central portion of the anode separator 27 and the cathode separator 28 . Each of these recesses accommodates an anode gas diffusion layer 25 and a cathode gas diffusion layer 26, respectively.

アノードセパレータ27およびカソードセパレータ28は、例えば、金属部材などで構成され、耐腐食性および導電性を備える。アノードセパレータ27およびカソードセパレータ28の材質として、例えば、白金メッキが施されたチタンなどを用いることができるが、これに限定されない。 The anode separator 27 and the cathode separator 28 are made of, for example, metal members and have corrosion resistance and electrical conductivity. As a material of the anode separator 27 and the cathode separator 28, for example, titanium plated with platinum can be used, but the material is not limited to this.

なお、平面視において、アノード触媒層23の周囲を囲むようにシール部材がアノードセパレータ27の環状の溝部(図示せず)に設けられ、水素含有ガスが、このシール部材で適切にシールされている。また、平面視において、カソード触媒層24の周囲を囲むようにシール部材がカソードセパレータ28の環状の溝部(図示せず)に設けられ、水素が、このシール部材で適切にシールされている。 In plan view, a sealing member is provided in an annular groove (not shown) of the anode separator 27 so as to surround the anode catalyst layer 23, and the hydrogen-containing gas is properly sealed by this sealing member. . In a plan view, a sealing member is provided in an annular groove (not shown) of the cathode separator 28 so as to surround the cathode catalyst layer 24, and hydrogen is properly sealed by this sealing member.

ここで、アノードセパレータ27には、水素含有ガス流入口29INおよび水素含有ガス流出口29OUTが、アノードセパレータ27の外面からアノードセパレータ27の凹部内の主面にまで延伸するように設けられている。そして、アノードセパレータ27の凹部内の主面には、平面視において、例えば、複数のU字状の折り返し部分と複数の直線部分とを含むサーペンタイン状のアノードガス流路29が設けられ、アノードガス流路29の一方の端部が、水素含有ガス流入口29INに連通し、アノードガス流路29の他方の端部が、水素含有ガス流出口29OUTに連通している。ただし、このようなアノードガス流路は、例示であって、本例に限定されない。例えば、アノードガス流路は、複数の直線状の流路により構成されていてもよい。 Here, the anode separator 27 is provided with a hydrogen-containing gas inlet 29 IN and a hydrogen-containing gas outlet 29 OUT extending from the outer surface of the anode separator 27 to the main surface within the recess of the anode separator 27 . there is A serpentine-shaped anode gas channel 29 including, for example, a plurality of U-shaped folded portions and a plurality of straight portions in plan view is provided on the main surface of the concave portion of the anode separator 27. One end of the channel 29 communicates with the hydrogen-containing gas inlet 29 IN , and the other end of the anode gas channel 29 communicates with the hydrogen-containing gas outlet 29 OUT . However, such an anode gas flow path is an example and is not limited to this example. For example, the anode gas channel may be composed of a plurality of linear channels.

以上により、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作中、水素含有ガスが、アノードガス流路29を通過する際に、水素含有ガスの一部が、アノードガス拡散層25を通じてアノード触媒層23に供給されることで、電気化学式水素ポンプ100において水素含有ガス中の水素の昇圧が行われる。 As described above, during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100, when the hydrogen-containing gas passes through the anode gas flow path 29, part of the hydrogen-containing gas is supplied to the anode catalyst layer 23 through the anode gas diffusion layer 25. As a result, the hydrogen in the hydrogen-containing gas is boosted in the electrochemical hydrogen pump 100 .

カソードセパレータ28には、カソードガス流出口40が、カソードセパレータ28の外面からカソードセパレータ28の凹部内の主面にまで延伸するように設けられている。カソードガス流出口40は、電気化学式水素ポンプ100のカソードで昇圧された高圧の水素が外部へ流通するガス導出経路(図示せず)に接続されている。 The cathode separator 28 is provided with a cathode gas outlet 40 extending from the outer surface of the cathode separator 28 to the main surface within the recess of the cathode separator 28 . The cathode gas outlet 40 is connected to a gas lead-out path (not shown) through which high-pressure hydrogen pressurized at the cathode of the electrochemical hydrogen pump 100 flows to the outside.

以上により、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作中、ガス導出経路上の流量調整器を用いて、ガス導出経路の圧損を減少させると、電気化学式水素ポンプ100のカソードで昇圧された高圧の水素が、カソードガス流出口40からガス導出経路を通じて外部に導出される。 As described above, during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100, the pressure loss in the gas lead-out path can be reduced by using the flow rate regulator on the gas lead-out path. is led out from the cathode gas outlet 40 through the gas lead-out path.

図5には示されていないが、本実施例の電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作において必要となる部材および機器は適宜、設けられる。 Although not shown in FIG. 5, members and equipment necessary for the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment are appropriately provided.

例えば、電気化学式水素ポンプ100は、MEA、アノードセパレータ27およびカソードセパレータ28で構成されるセルを10~200個程度、積み重ねて積層体を構成し、この積層体を、集電板および絶縁板を介して端板で挟み、両端板を締結ロッドなどで締結してもよい。なお、このようなセルの個数は、電気化学式水素ポンプ100の運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。このとき、高圧ガスが電気化学式水素ポンプ100から外部へリークしないように、MEAの両側からOリング、ガスケットなどのシール部材が設けられ、MEAと一体化して予め組み立てられていてもよい。そして、MEAの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接するMEA同士を互いに電気的に直列に接続するための上記の導電性のアノードセパレータ27およびカソードセパレータ28が配置されている。 For example, in the electrochemical hydrogen pump 100, about 10 to 200 cells composed of MEAs, anode separators 27 and cathode separators 28 are stacked to form a laminate. It may be sandwiched between the end plates, and the both end plates may be fastened with a fastening rod or the like. Note that the number of such cells can be set to an appropriate number based on the operating conditions of the electrochemical hydrogen pump 100 . At this time, sealing members such as O-rings and gaskets are provided on both sides of the MEA so that the high-pressure gas does not leak from the electrochemical hydrogen pump 100 to the outside, and the MEA may be pre-assembled integrally with the MEA. The conductive anode separator 27 and cathode separator 28 are arranged outside the MEA for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs in series.

また、所定の供給圧を有する外部の水素源から電気化学式水素ポンプ100に水素含有ガスが供給されてもよい。外部の水素源として、例えば、ガス貯蔵器(例えば、ガスボンベ)、ガス供給インフラなどを挙げることができる。この場合、水素含有ガスは、例えば、改質器、水電解装置などで生成されてもよい。 Hydrogen-containing gas may also be supplied to the electrochemical hydrogen pump 100 from an external source of hydrogen having a predetermined supply pressure. External hydrogen sources can include, for example, gas reservoirs (eg, gas cylinders), gas distribution infrastructure, and the like. In this case, the hydrogen-containing gas may be generated, for example, by a reformer, a water electrolysis device, or the like.

また、電気化学式水素ポンプ100のカソードで昇圧された水素は、適時に、水素需要体に供給することができる。水素需要体として、例えば、家庭用または自動車用の燃料電池などを挙げることができる。 In addition, the hydrogen pressurized by the cathode of the electrochemical hydrogen pump 100 can be supplied to the hydrogen consumer in a timely manner. Examples of hydrogen demanders include household fuel cells and automobile fuel cells.

なお、以上の電気化学式水素ポンプ100の構成、および、図示しない様々な部材および機器は例示であって、本例に限定されない。例えば、電気化学式水素ポンプ100は、アノードセパレータ27に水素含有ガス流出口29OUTを設けずに、水素含有ガス流入口29INを通してアノードに供給する水素含有ガス中の水素(H)を全量、カソードで昇圧するデッドエンド構造が採用されてもよい。 It should be noted that the configuration of the electrochemical hydrogen pump 100 described above and various members and devices (not shown) are merely examples, and are not limited to this example. For example, the electrochemical hydrogen pump 100 does not provide the hydrogen-containing gas outlet 29 OUT in the anode separator 27, and the entire amount of hydrogen (H 2 ) in the hydrogen-containing gas supplied to the anode through the hydrogen-containing gas inlet 29 IN is A dead-end structure in which the voltage is boosted at the cathode may be employed.

本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、上記の特徴以外は、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 this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except for the features described above.

(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一例を示す図である。
(Second embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the second embodiment.

図6に示す例では、電気化学式水素ポンプ100は、電解質膜22と、アノード触媒層23と、カソード触媒層24と、電圧印加器21と、第1撥水層30と、第2撥水層31と、を備える。なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ100では、電気化学式水素ポンプ100のアノード(電極)は、アノード触媒層23、第1撥水層30およびアノードガス拡散層(図6では図示せず)で構成されている。電気化学式水素ポンプ100のカソード(電極)は、カソード触媒層24、第2撥水層31およびカソードガス拡散層(図6では図示せず)で構成されている。 In the example shown in FIG. 6, the electrochemical hydrogen pump 100 includes an electrolyte membrane 22, an anode catalyst layer 23, a cathode catalyst layer 24, a voltage applicator 21, a first water-repellent layer 30, and a second water-repellent layer. 31 and. In the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, the anode (electrode) of the electrochemical hydrogen pump 100 is composed of the anode catalyst layer 23, the first water-repellent layer 30 and the anode gas diffusion layer (not shown in FIG. 6). It is configured. The cathode (electrode) of the electrochemical hydrogen pump 100 is composed of a cathode catalyst layer 24, a second water-repellent layer 31 and a cathode gas diffusion layer (not shown in FIG. 6).

ここで、電解質膜22、アノード触媒層23、カソード触媒層24および電圧印加器21は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様であるので説明を省略する。 Here, the electrolyte membrane 22, the anode catalyst layer 23, the cathode catalyst layer 24, and the voltage applicator 21 are the same as those of the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment, so description thereof will be omitted.

第1撥水層30は、アノード触媒層23上に設けられた、撥水性材料を含む層である。第1撥水層30は、このような撥水性材料を含む層であれば、どのような構成であってもよい。例えば、第1撥水層30が、例えば、導電性材料と撥水性材料とが混合されたマイクロポーラス層であってもよい。なお、導電性材料として、例えば、カーボンブラックなどを挙げることができるが、これに限定されない。また、撥水性材料として、例えば、PTFE、FEP(四フッ化・六フッ化プロピレン共重合体)などを挙げることができるが、これらに限定されない。 The first water-repellent layer 30 is a layer containing a water-repellent material provided on the anode catalyst layer 23 . The first water-repellent layer 30 may have any structure as long as it is a layer containing such a water-repellent material. For example, the first water-repellent layer 30 may be a microporous layer in which a conductive material and a water-repellent material are mixed. In addition, although carbon black etc. can be mentioned as an electrically conductive material, for example, it is not limited to this. Examples of the water-repellent material include PTFE and FEP (polypropylene tetrafluoride/hexafluoride copolymer), but are not limited to these.

第2撥水層31は、カソード触媒層24上に設けられた、撥水性材料を含む層である。第2撥水層31は、このような撥水性材料を含む層であれば、どのような構成であってもよい。例えば、第2撥水層31が、例えば、導電性材料と撥水性材料とが混合されたマイクロポーラス層であってもよい。なお、導電性材料として、例えば、カーボンブラックなどを挙げることができるが、これに限定されない。撥水性材料として、例えば、PTFE、FEPなどを挙げることができるが、これらに限定されない。 The second water-repellent layer 31 is a layer containing a water-repellent material provided on the cathode catalyst layer 24 . The second water-repellent layer 31 may have any structure as long as it is a layer containing such a water-repellent material. For example, the second water-repellent layer 31 may be a microporous layer in which a conductive material and a water-repellent material are mixed. In addition, although carbon black etc. can be mentioned as an electrically conductive material, for example, it is not limited to this. Examples of water-repellent materials include, but are not limited to, PTFE and FEP.

図6に示すように、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、第1撥水層30のアノード触媒層23側の主面は、アノード触媒層23の凹凸に沿って凹凸300が設けられている。また、第1撥水層30のアノード触媒層側の主面は、第2撥水層31のカソード触媒層24側の主面よりも凹凸が大きい。 As shown in FIG. 6 , in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the main surface of the first water-repellent layer 30 on the anode catalyst layer 23 side is provided with irregularities 300 along the irregularities of the anode catalyst layer 23 . there is Further, the main surface of the first water-repellent layer 30 on the anode catalyst layer side is more uneven than the main surface of the second water-repellent layer 31 on the cathode catalyst layer 24 side.

以上の電気化学式水素ポンプ100の構成は、例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うことで実現される。なお、詳細は、上記で説明したセル断面の電子顕微鏡観察、および、第1実施形態の説明から容易に理解できるので省略する。 The configuration of the electrochemical hydrogen pump 100 described above is realized, for example, by performing a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before the user starts using it for the first time. The details can be easily understood from the electron microscopic observation of the cross section of the cell described above and the description of the first embodiment, so the details are omitted.

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、使用者が最初の利用を開始する際に水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る。 As described above, the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment can improve the efficiency of the hydrogen compression operation more than before when the user starts using it for the first time.

例えば、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うと、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧(高圧)によって、第1撥水層30のアノード触媒層23側の主面には、アノード触媒層23の凹凸に沿って凹凸300が設けられる。この場合、第1撥水層30と第2撥水層31との間の凹凸300、301の大小関係から、第1撥水層30は、第2撥水層31に比べて、例えば、亀裂が生じやすいと推察される。すると、第1撥水層30では、第2撥水層31に比べて、第1撥水層30の亀裂を介して、アノードにおける第1撥水層30の両主面間の水の出入りが促進されやすい。これにより、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の試運転を行うことで、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプ100の電解質膜22のドライアップを抑制することが可能になると考えられる。 For example, when the user performs a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before starting use for the first time, the differential pressure (high pressure) generated by the electrochemical hydrogen pump 100 causes the anode catalyst layer of the first water-repellent layer 30 to The main surface on the 23 side is provided with irregularities 300 along the irregularities of the anode catalyst layer 23 . In this case, the first water-repellent layer 30 is more prone to cracks than the second water-repellent layer 31 due to the size relationship between the unevennesses 300 and 301 between the first water-repellent layer 30 and the second water-repellent layer 31 . is likely to occur. Then, in the first water-repellent layer 30 , compared to the second water-repellent layer 31 , water can enter and exit between both main surfaces of the first water-repellent layer 30 at the anode through cracks in the first water-repellent layer 30 . easy to promote. As a result, by performing a test run of the electrochemical hydrogen pump 100 before the user starts using it for the first time, the electrolyte membrane 22 of the electrochemical hydrogen pump 100 is dried up when the user starts using it for the first time. can be suppressed.

なお、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧が高いほど、カソードからアノードに移動する逆浸透水の流束(j)が大きい。よって、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作が進行すると、アノードに存在する水分がカソードに存在する水分に比べて多量になる可能性がある。すると、アノードへの逆浸透水によってアノードのフラッディングが発生しやすくなる。そして、このようなフラッディングが発生することにより、アノードで水素の拡散性が阻害される場合、電気化学式水素ポンプ100の拡散抵抗が増加する可能性があるので、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作の効率が低下する恐れがある。 Note that the higher the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump 100, the greater the reverse osmosis water flux (j P ) that moves from the cathode to the anode. Therefore, as the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 progresses, the amount of moisture present at the anode may become greater than that present at the cathode. Then, flooding of the anode is likely to occur due to reverse osmosis water to the anode. If the diffusibility of hydrogen is hindered at the anode due to the occurrence of such flooding, the diffusion resistance of the electrochemical hydrogen pump 100 may increase. efficiency may decrease.

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、アノード触媒層23上に第1撥水層30を設けることで、アノードでフラッディングが発生することを抑制している。具体的には、例えば、第1撥水層30では、アノードに存在する水は、アノードの水素含有ガスの流れによって、水素含有ガスとともにアノード外に移動しやすい。 Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the first water-repellent layer 30 is provided on the anode catalyst layer 23 to suppress the occurrence of flooding at the anode. Specifically, for example, in the first water-repellent layer 30, the water existing in the anode tends to move out of the anode together with the hydrogen-containing gas due to the flow of the hydrogen-containing gas in the anode.

逆に、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧が低いほど、カソードからアノードに移動する逆浸透水の流束(j)が小さいので、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作の初期段階では、カソードに存在する水分がアノードに存在する水分に比べて多量になる可能性がある。すると、カソードにおいて水素含有ガスから凝縮水が発生しやすい。なお、この凝縮水のカソードからアノードへの移動は電解質膜22を介して行われる。 Conversely, the lower the differential pressure generated by the electrochemical hydrogen pump 100, the smaller the reverse osmosis water flux (j P ) moving from the cathode to the anode. , the moisture present at the cathode can be greater than that present at the anode. As a result, condensed water is likely to be generated from the hydrogen-containing gas at the cathode. The condensed water moves from the cathode to the anode via the electrolyte membrane 22 .

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、カソード触媒層24上に第2撥水層31を設けることで、電気化学式水素ポンプ100で発生する差圧が高くなっても、第2撥水層31の外側に存在する凝縮水が電解質膜22に移動することを適切に抑制することができると考えられる。 Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the second water-repellent layer 31 is provided on the cathode catalyst layer 24, so that even if the differential pressure generated in the electrochemical hydrogen pump 100 increases, the second water-repellent layer It is considered that the movement of condensed water existing outside the layer 31 to the electrolyte membrane 22 can be appropriately suppressed.

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、アノードに過剰な水が滞留する状態を改善できるので、アノードのフラッディング発生を適切に抑制することができる。 As described above, the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can improve the state in which excess water stays in the anode, and thus can appropriately suppress the occurrence of flooding in the anode.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、上記の特徴以外は、第1実施形態または第1実施形態の実施例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 this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment or the example of the first embodiment, except for the features described above.

(第3実施形態)
第3実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、使用者が最初に利用開始する前に、電解質膜22、カソード触媒層24およびアノード触媒層23を含むセルの水分が、以下の如く保持されている以外は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様である。
(Third Embodiment)
Before the user starts using the electrochemical hydrogen pump 100 of the third embodiment, the moisture in the cells including the electrolyte membrane 22, the cathode catalyst layer 24 and the anode catalyst layer 23 is retained as follows. Other than that, it is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ100では、使用者が最初に利用開始する前に、上記のセルは、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作中のセルの温度で相対湿度80%の雰囲気下での含水率以上の水分を保持している。セルの含水率は、乾燥前後の重量変化を乾燥後の重量で除することで、以下の如く導出することができる。 In the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, before the user starts using it for the first time, the above-mentioned cell is placed in an atmosphere with a relative humidity of 80% at the cell temperature during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100. retains more than the moisture content of The moisture content of the cell can be derived as follows by dividing the change in weight before and after drying by the weight after drying.

<セル含水率導出>
一般的に、電解質膜の両側には、触媒層およびガス拡散層の積層体、または、触媒層、マイクロポーラス層(撥水層)およびガス拡散層の積層体が設けられている。ここで、セルの解体時には、電解質膜からガス拡散層を剥がすことが容易である。しかし、触媒層中のイオノマーの接着機能によって、電解質膜および触媒層との間が密着状態で接合している。
<Derivation of cell moisture content>
In general, both sides of the electrolyte membrane are provided with a laminate of a catalyst layer and a gas diffusion layer, or a laminate of a catalyst layer, a microporous layer (water-repellent layer) and a gas diffusion layer. Here, when dismantling the cell, it is easy to peel off the gas diffusion layer from the electrolyte membrane. However, due to the adhesion function of the ionomer in the catalyst layer, the electrolyte membrane and the catalyst layer are bonded together in an intimate state.

そこで、本実施形態のセルの含水率測定では、水素圧縮試験で使用したセルと同一構造のセルを用いて、4回の水素圧縮試験を行い、セルの含水率Aを以下の方法で導出した。 Therefore, in measuring the water content of the cell of this embodiment, a cell having the same structure as the cell used in the hydrogen compression test was used, and the hydrogen compression test was performed four times, and the water content A of the cell was derived by the following method. .

セルの重量測定前に、電解質膜の両側のガス拡散層のみを電解質膜から剥がした。つまり、電解質膜の両側のそれぞれに触媒層およびマイクロポーラス層が設けられた状態のまま、セルの含水率を導いた。 Only the gas diffusion layers on both sides of the electrolyte membrane were peeled off from the electrolyte membrane before weighing the cell. In other words, the moisture content of the cell was obtained while the catalyst layer and the microporous layer were provided on both sides of the electrolyte membrane.

まず、セルを乾燥させる前にセルの重量(W1)を測定した。 First, the weight (W1) of the cell was measured before drying the cell.

次に、セル中に約120℃の乾燥ガスを流通させることで、セルを十分に乾燥させた後、セルの乾燥重量(W2)を測定した。そして、以下の式(3)で、セルの含水率Aを算出した。
含水率A=(W1-W2)/W2×100・・・(3)
Next, a dry gas of about 120° C. was passed through the cell to sufficiently dry the cell, and then the dry weight (W2) of the cell was measured. Then, the water content A of the cell was calculated by the following formula (3).
Moisture content A = (W1-W2)/W2 x 100 (3)

次に、比較例として、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作中のセルの温度で相対湿度80%の雰囲気下でのセルの含水率に相当する含水率Bを、以下の方法で導出した。 Next, as a comparative example, the moisture content B, which corresponds to the moisture content of the cell under the atmosphere of 80% relative humidity at the temperature of the cell during the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100, was derived by the following method.

まず、上記セルの温度を50℃に設定するとともに、この温度(50℃)における相対湿度80%の水素含有ガスを、セルの重量が一定となるまで流通させた。 First, the temperature of the cell was set to 50° C., and a hydrogen-containing gas with a relative humidity of 80% at this temperature (50° C.) was circulated until the weight of the cell became constant.

次に、セルの重量(W3)を測定した。そして、以下の式(4)で、セルの含水率Bを算出した。
含水率B=(W3-W2)/W2×100・・・(4)
Next, the weight (W3) of the cell was measured. Then, the water content B of the cell was calculated by the following formula (4).
Moisture content B = (W3-W2)/W2 x 100 (4)

<対比>
含水率Aと含水率Bとを比較したところ、図2の水素圧縮試験(4回)が行われた場合のセルの過電圧および抵抗に対応するセルの含水率Aが、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作中のセルの温度で相対湿度80%の雰囲気下での含水率に相当する含水率B以上であることがわかった(つまり、含水率A≧含水率B)。
<Comparison>
When the water content A and the water content B were compared, it was found that the water content A of the cell corresponding to the overvoltage and resistance of the cell when the hydrogen compression test (four times) of FIG. It was found that the temperature of the cell during the hydrogen compression operation was equal to or higher than the moisture content B, which corresponds to the moisture content in an atmosphere with a relative humidity of 80% (that is, moisture content A≧water content B).

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、使用者が最初に利用開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作を行うと、上記の含水率B以上の水分をセルに保持させ得る。これにより、使用者が最初の利用を開始する前に、電気化学式水素ポンプ100の水素圧縮動作を行うことで、電解質膜22を十分に加湿することができるので、使用者が最初の利用を開始する際の電気化学式水素ポンプ100の電解質膜22のドライアップを抑制することが可能になる。 As described above, the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment retains water having a water content B or more in the cell when the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 is performed before the user starts using it for the first time. can let As a result, the electrolyte membrane 22 can be sufficiently humidified by performing the hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump 100 before the user starts the first use, so that the user can start the first use. It is possible to suppress dry-up of the electrolyte membrane 22 of the electrochemical hydrogen pump 100 when pumping.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、上記の特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の実施例および第2実施形態のいずれかの電気化学式水素ポンプ100と同様であってもよい。 The electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of any one of the first embodiment, the example of the first embodiment, and the second embodiment, except for the features described above. .

なお、第1実施形態、第1実施形態の実施例、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よい。 The first embodiment, the examples of 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、上記の説明から、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、上記の説明は、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、その動作条件、組成、構造および/または機能を実質的に変更できる。 Also, many modifications and other embodiments of the present disclosure will be apparent to those skilled in the art from the above 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. Substantial changes may be made in its operating conditions, composition, structure and/or function without departing from the spirit of this disclosure.

本開示の一態様は、使用者が最初の利用を開始する際に水素圧縮動作の効率を従来よりも向上し得る電気化学式水素ポンプに利用することができる。 One aspect of the present disclosure can be utilized in an electrochemical hydrogen pump that can improve the efficiency of the hydrogen compression operation when the user first starts using it.

21 :電圧印加器
22 :電解質膜
23 :アノード触媒層
24 :カソード触媒層
25 :アノードガス拡散層
26 :カソードガス拡散層
27 :アノードセパレータ
28 :カソードセパレータ
29 :アノードガス流路
29IN :水素含有ガス流入口
29OUT :水素含有ガス流出口
30 :第1撥水層
31 :第2撥水層
40 :カソードガス流出口
100 :電気化学式水素ポンプ
200 :凹凸
201 :凹凸
300 :凹凸
301 :凹凸
21 : Voltage applicator 22 : Electrolyte membrane 23 : Anode catalyst layer 24 : Cathode catalyst layer 25 : Anode gas diffusion layer 26 : Cathode gas diffusion layer 27 : Anode separator 28 : Cathode separator 29 : Anode gas channel 29 IN : Hydrogen containing Gas inlet 29 OUT : Hydrogen-containing gas outlet 30: First water-repellent layer 31: Second water-repellent layer 40: Cathode gas outlet 100: Electrochemical hydrogen pump 200: Unevenness 201: Unevenness 300: Unevenness 301: Unevenness

Claims (7)

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アノード触媒層と、
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、
前記電圧印加器が前記電圧を印加することで、前記アノード触媒層上に供給された水素含有ガス中の水素を、前記カソード触媒層上に移動させ、かつ昇圧する電気化学式水素ポンプであって、
使用者が最初の利用を開始する前に、
前記カソード触媒層よりも前記アノード触媒層の方が、断面形状の凹凸が大きい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 voltage applicator that applies a voltage between the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer;
An electrochemical hydrogen pump that moves hydrogen in the hydrogen-containing gas supplied onto the anode catalyst layer onto the cathode catalyst layer and boosts the pressure by applying the voltage from the voltage applicator,
Before the user starts using for the first time,
The electrochemical hydrogen pump, wherein the anode catalyst layer has a larger uneven cross-sectional shape than the cathode catalyst layer.
前記アノード触媒層上に設けられた、撥水性材料を含む第1撥水層を備え、
前記第1撥水層のアノード触媒層側の主面は、前記アノード触媒層の凹凸に沿って凹凸が設けられている請求項1に記載の電気化学式水素ポンプ。
A first water-repellent layer containing a water-repellent material provided on the anode catalyst layer,
2. The electrochemical hydrogen pump according to claim 1, wherein the main surface of the first water-repellent layer on the anode catalyst layer side has irregularities along the irregularities of the anode catalyst layer.
前記カソード触媒層上に設けられた、撥水性材料を含む第2撥水層を備え、
前記第1撥水層のアノード触媒層側の主面は、前記第2撥水層のカソード触媒層側の主面よりも凹凸が大きい請求項2に記載の電気化学式水素ポンプ。
a second water-repellent layer containing a water-repellent material provided on the cathode catalyst layer;
3. The electrochemical hydrogen pump according to claim 2, wherein the main surface of the first water-repellent layer on the anode catalyst layer side is more uneven than the main surface of the second water-repellent layer on the cathode catalyst layer side.
前記アノード触媒層は、前記カソード触媒層よりも厚みが薄い請求項1-3のいずれか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 3, wherein the anode catalyst layer is thinner than the cathode catalyst layer. 前記アノード触媒層は、前記カソード触媒層よりも空隙率が小さい請求項1-4のいずれか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 4, wherein the anode catalyst layer has a smaller porosity than the cathode catalyst layer. 前記電解質膜は、前記カソード触媒層側の主面よりも前記アノード触媒層側の主面の方が、凹凸が大きい請求項1-5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 5, wherein the main surface of the electrolyte membrane on the anode catalyst layer side is more uneven than the main surface on the cathode catalyst layer side. 使用者が最初に利用開始する前に、前記電解質膜、前記カソード触媒層および前記アノード触媒層を含むセルは、前記電気化学式水素ポンプの水素圧縮動作中の前記セルの温度で相対湿度80%の雰囲気下での含水率以上の水分を保持している請求項1-6のいずれか1項に記載の電気化学式水素ポンプ。 Prior to first use by a user, the cell, including the electrolyte membrane, the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, is subjected to a relative humidity of 80% at a temperature of the cell during hydrogen compression operation of the electrochemical hydrogen pump. The electrochemical hydrogen pump according to any one of claims 1 to 6, which retains moisture equal to or higher than the moisture content in the atmosphere.
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