JP2022178797A - Compression device - Google Patents

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貴之 中植
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Abstract

To provide a compression device capable of appropriately suppressing inflow around through-holes in an electrolyte membrane of compressed hydrogen, flowing out of a cathode, to an anode.SOLUTION: A compression device comprises: an electrolyte membrane that has a through hole in the center; an anode that is provided on one entire major surface of the electrolyte membrane; a cathode that is provided on the other entire major surface of the electrolyte membrane; a voltage applying device that applies voltage between the anode and the cathode; a first protective sheet that covers from the anode around the through hole to a part of the through hole; and a seal member that is provided on the first protective sheet. The compression device moves protons extracted from an anode fluid supplied to the anode by applying the voltage from the voltage applying device to the cathode through the electrolyte membrane to generate compressed hydrogen.SELECTED DRAWING: Figure 1A

Description

本開示は圧縮装置に関する。 The present disclosure relates to compression devices.

近年、地球温暖化対策の一つとして、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、カーボンフリー燃料電池車が注目を集めている。しかし、燃料電池車の普及にあたっては、燃料となる水素ガス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。特に水素の精製圧縮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。 BACKGROUND ART In recent years, carbon-free fuel cell vehicles, which run by driving motors using electric power generated by fuel cells, have attracted attention as one of the measures against global warming. However, in order to popularize fuel cell vehicles, the challenge is how to prepare the infrastructure for supplying hydrogen gas, which is the fuel, and how many hydrogen stations can be installed throughout the country. In particular, the increase in size of hydrogen refining and compressing equipment and the enormous installation costs are obstacles to the nationwide deployment of hydrogen stations.

このため、来るべきカーボンフリー水素社会では、水素を製造することに加えて、水素ガスを高密度で貯蔵し、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。そこで、燃料供給インフラに水素を安定的に供給するために、高純度の水素ガスを精製および昇圧する様々な提案が行われている。 Therefore, in the coming carbon-free hydrogen society, in addition to producing hydrogen, there is a demand for technological development that can store hydrogen gas at high density and transport or use it in a small volume at low cost. Therefore, various proposals have been made to purify and pressurize high-purity hydrogen gas in order to stably supply hydrogen to the fuel supply infrastructure.

例えば、特許文献1には、上記圧縮装置の一例として、電気化学式圧縮装置が提案されている。この電気化学式圧縮装置では、水素を主成分とする低圧の水素含有ガス中のプロトンを、電解質膜を介してアノードからカソードに電気化学的に透過させることで、カソードで圧縮水素が生成される。 For example, Patent Literature 1 proposes an electrochemical compression device as an example of the compression device. In this electrochemical compressor, protons in a low-pressure hydrogen-containing gas containing hydrogen as a main component are electrochemically permeated from the anode to the cathode through the electrolyte membrane, thereby producing compressed hydrogen at the cathode.

具体的には、この電気化学式圧縮装置のセルは、電解質膜と、電解質膜の両面に設けられた触媒層と、を含む膜電極接合体(以下、MEA:Membrane Electrode Assembly)を備える。そして、MEAの両側のそれぞれには、アノード給電体およびカソード給電体がそれぞれ配設されている。また、電気化学式圧縮装置には、セルの給電体およびMEAを両側から保持するためのアノードセパレーターおよびカソードセパレーターがそれぞれ設けられている。ここで、アノードセパレーターには、低圧の水素含有ガスがアノード給電体に流入するとともに、低圧の余剰水素含有ガスがアノード給電体から排出するように、アノード流路が形成されている。カソードセパレーターには、カソード給電体から圧縮水素を外部に排出するように、カソード流路が形成されている。低圧の水素含有ガスは、不純物が混在してもよい。例えば、水素含有ガスは、水の電気分解により生成された水素ガスでもよいし、製鉄工場などで生成される副次生成ガスでもよいし、都市ガスを改質した改質ガスでもよい。 Specifically, the cell of this electrochemical compression device includes a membrane electrode assembly (MEA: Membrane Electrode Assembly) including an electrolyte membrane and catalyst layers provided on both sides of the electrolyte membrane. An anode power feeder and a cathode power feeder are respectively arranged on both sides of the MEA. Also, the electrochemical compression device is provided with an anode separator and a cathode separator, respectively, for holding the cell's power supply and the MEA from both sides. Here, in the anode separator, an anode channel is formed such that low-pressure hydrogen-containing gas flows into the anode power supply and excess low-pressure hydrogen-containing gas is discharged from the anode power supply. A cathode flow path is formed in the cathode separator so as to discharge compressed hydrogen from the cathode power supply to the outside. Impurities may be mixed in the low-pressure hydrogen-containing gas. For example, the hydrogen-containing gas may be hydrogen gas produced by electrolysis of water, by-product gas produced in a steel factory or the like, or reformed gas obtained by reforming city gas.

特許文献2および特許文献3には、上記圧縮装置の一例として、水電解装置が提案されている。この水電解装置では、アノードで水を電気分解することで、酸素と水素に分解するとともに、アノードで生成されたプロトンを、電解質膜を介してアノードからカソードに電気化学的に透過させることで、カソードで圧縮水素が生成される。この方式においても、上記電気化学式水素圧縮と同様のデバイス構成が取られており、高圧水素が流通する流路を、平面視においてセルの中央に設ける構成、電解質膜の外周部分における破膜を抑制するために、電解質膜よりも圧縮強度の高い絶縁補強部材を電解質膜上に設ける構成などが提案されている。 Patent Documents 2 and 3 propose a water electrolysis device as an example of the compression device. In this water electrolysis device, water is electrolyzed at the anode to decompose it into oxygen and hydrogen, and the protons generated at the anode are electrochemically permeated from the anode to the cathode through the electrolyte membrane. Compressed hydrogen is produced at the cathode. In this method, the same device configuration as the electrochemical hydrogen compression is adopted, and the flow path through which high-pressure hydrogen flows is provided in the center of the cell in plan view, and membrane breakage at the outer peripheral portion of the electrolyte membrane is suppressed. In order to do so, a configuration has been proposed in which an insulating reinforcing member having a compressive strength higher than that of the electrolyte membrane is provided on the electrolyte membrane.

なお、上記の電気化学式圧縮装置および水電解装置において、セルおよびセパレーターを交互に複数個積層した積層体をアノード端板およびカソード端板で挟み込むことで、このような積層体を固定するのが一般的な締結構造である。 In the electrochemical compression device and the water electrolysis device described above, it is common to fix such a laminate by sandwiching a laminate in which a plurality of cells and separators are alternately laminated between anode end plates and cathode end plates. It is a typical fastening structure.

特許第6299027号Patent No. 6299027 特許第6426654号Patent No. 6426654 特許第6549686号Patent No. 6549686

本開示は、一例として、カソードから流出した圧縮水素が、電解質膜の貫通孔周辺を回り込んでアノードに流入することを適切に抑制し得る圧縮装置を提供することを課題とする。 An object of the present disclosure is to provide, as an example, a compression device that can appropriately prevent compressed hydrogen that has flowed out of a cathode from flowing around through-holes in an electrolyte membrane and flowing into an anode.

上記課題を解決するため、本開示の一態様(aspect)の圧縮装置は、中央に貫通孔を有する電解質膜と、前記電解質膜の一方の全主面上に設けられるアノードと、前記電解質膜の他方の全主面上に設けられるカソードと、前記アノードおよび前記カソードの間に電圧を印加する電圧印加器と、前記電圧印加器により電圧を印加することにより前記アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、前記貫通孔周辺のアノードから前記貫通孔の一部までを覆う第1の保護シートと、前記第1の保護シート上に設けられたシール部材と、を備える。 In order to solve the above problems, a compression device according to one aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane having a through hole in the center, an anode provided on one entire main surface of the electrolyte membrane, and a cathode provided on the other main surface; a voltage applicator applying a voltage between the anode and the cathode; a first protective sheet covering from the anode around the through-hole to a part of the through-hole; and a sealing member provided on the first protective sheet.

本開示の一態様の圧縮装置は、カソードから流出した圧縮水素が、電解質膜の貫通孔周辺を回り込んでアノードに流入することを適切に抑制し得る、という効果を奏することができる。 The compression device according to one aspect of the present disclosure can provide the effect of appropriately suppressing the compressed hydrogen that has flowed out of the cathode from flowing around the through-holes of the electrolyte membrane and flowing into the anode.

図1A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. 1A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to a first embodiment; FIG. 図1Bは、図1Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。FIG. 1B is an enlarged view of section B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 1A. 図2A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. 2A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment. 図2Bは、図2Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。FIG. 2B is an enlarged view of portion B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 2A. 図3Aは、第3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. 3A is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the third embodiment. 図3Bは、図3Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。3B is an enlarged view of section B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 3A.

特許文献2および特許文献3では、環状の電解質膜の内縁部上に、高圧の水素がアノードに流入することを抑制するためのシール部材(Oリング)が設けられている。つまり、特許文献2および特許文献3においては、電解質膜の内縁部の主面には、シール部材が接触するための領域が存在する。 In Patent Documents 2 and 3, a sealing member (O-ring) is provided on the inner edge of the annular electrolyte membrane to prevent high-pressure hydrogen from flowing into the anode. In other words, in Patent Documents 2 and 3, the main surface of the inner edge portion of the electrolyte membrane has a region with which the seal member contacts.

これに対して、電解質膜の全主面上にアノードおよびカソードを設ける場合は、特許文献2および特許文献3に開示された発明に倣って、上記シール部材を電解質膜上に配置することができない。 On the other hand, when the anode and the cathode are provided on the entire main surface of the electrolyte membrane, the sealing member cannot be arranged on the electrolyte membrane following the inventions disclosed in Patent Documents 2 and 3. .

そこで、本開示の第1態様の圧縮装置は、中央に貫通孔を有する電解質膜と、電解質膜の一方の全主面上に設けられるアノードと、電解質膜の他方の全主面上に設けられるカソードと、アノードおよびカソードの間に電圧を印加する電圧印加器と、電圧印加器により電圧を印加することによりアノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、電解質膜を介してカソードに移動させ、圧縮水素を生成する装置であって、貫通孔周辺のアノードから貫通孔の一部までを覆う第1の保護シートと、第1の保護シート上に設けられたシール部材と、を備える。 Therefore, the compression device of the first aspect of the present disclosure includes an electrolyte membrane having a through hole in the center, an anode provided on one entire main surface of the electrolyte membrane, and an anode provided on the other entire main surface of the electrolyte membrane. a cathode, a voltage applicator that applies a voltage between the anode and the cathode, and protons extracted from the anode fluid supplied to the anode by applying a voltage from the voltage applicator to the cathode through the electrolyte membrane. and a device for generating compressed hydrogen, comprising: a first protective sheet covering from the anode around the through hole to a part of the through hole; and a sealing member provided on the first protective sheet.

かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、カソードから流出した圧縮水素が電解質膜の貫通孔周辺を回り込んでアノードに流入することを適切に抑制し得る。 According to such a configuration, the compression device of this aspect can appropriately prevent the compressed hydrogen that has flowed out from the cathode from flowing around the through-holes of the electrolyte membrane and flowing into the anode.

具体的には、第1の保護シートが、電解質膜の貫通孔周辺のアノードから貫通孔の一部までを覆っている。よって、本態様の圧縮装置は、カソードから流出した圧縮水素が電解質膜の貫通孔周辺を回り込むようにアノードに流入することが、第1の保護シートによって抑制される。 Specifically, the first protective sheet covers the electrolyte membrane from the anode around the through-hole to part of the through-hole. Therefore, in the compression device of this aspect, the first protective sheet prevents the compressed hydrogen that has flowed out of the cathode from flowing into the anode around the through-holes of the electrolyte membrane.

ここで、圧縮装置を構成する各部材(以下、構成部材)を積層方向に締結する際、かかる締結力によって、構成部材間におけるシール部材を上記積層方向に押し潰すことで、シール部材とこれらの構成部材間との間におけるガスシール性が発揮される。このため、シール部材と接触する構成部材に対して、シール部材のガスシール性を発揮するための反力(弾性力)が、上記積層方向に作用する。 Here, when each member constituting the compression device (hereinafter referred to as a component member) is fastened in the stacking direction, the sealing member between the component members is crushed in the stacking direction by the fastening force applied, so that the sealing member and these The gas sealability between the constituent members is exhibited. Therefore, a reaction force (elastic force) for exhibiting the gas sealing property of the seal member acts on the constituent members in contact with the seal member in the stacking direction.

すると、平面視において、アノードとシール部材とが重畳するように配置されている場合、アノードが、シール部材の反力によってダメージを受ける可能性がある。 Then, when the anode and the sealing member are arranged so as to overlap each other in plan view, the anode may be damaged by the reaction force of the sealing member.

そこで、本開示の第2態様の圧縮装置は、第1態様の圧縮装置において、シール部材が、アノード上の第1の保護シート上に設けられていてもよい。 Therefore, in the compression device of the second aspect of the present disclosure, in the compression device of the first aspect, the sealing member may be provided on the first protective sheet on the anode.

かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、平面視において、アノードとシール部材とが重畳するように配置されている場合であっても、シール部材とアノードとの間に第1の保護シートが設けられているので、第1の保護シートによって、シール部材の反力に起因するアノードに対するダメージを緩和することができる。 According to this configuration, in the compression device of this aspect, even when the anode and the seal member are arranged so as to overlap each other in a plan view, the first protective sheet is formed between the seal member and the anode. Since the first protective sheet is provided, the damage to the anode due to the reaction force of the seal member can be mitigated.

本開示の第3態様の圧縮装置は、第1態様の圧縮装置において、シール部材が、貫通孔の一部を覆う第1の保護シート上に設けられていてもよい。 A compression device according to a third aspect of the present disclosure may be the compression device according to the first aspect, wherein the seal member is provided on the first protective sheet that partially covers the through hole.

上記のとおり、シール部材と接触する構成部材に対して、シール部材のガスシール性を発揮するための反力(弾性力)が、上記積層方向に作用する。 As described above, the reaction force (elastic force) for exhibiting the gas sealing property of the sealing member acts on the constituent members in contact with the sealing member in the stacking direction.

すると、平面視において、アノードとシール部材とが重畳しないように配置されている場合、アノードが、シール部材の反力によってダメージを受けにくくなる。しかし、この場合、電解質膜を押圧する力(水素ガス圧力)と第1の保護シートを押圧する力(シール部材の反力)とによって生じるせん断力が、電解質膜と第1の保護シートの境界面に作用する。このとき、仮に、電解質膜の端面と第1の保護シートとの間の接触部において、上記せん断力に起因するシール不良が発生すると、カソードの圧縮水素がアノードに流入する可能性がある。 Then, when the anode and the sealing member are arranged so as not to overlap each other in plan view, the anode is less likely to be damaged by the reaction force of the sealing member. However, in this case, the shear force generated by the force pressing the electrolyte membrane (hydrogen gas pressure) and the force pressing the first protective sheet (reaction force of the sealing member) acts as the boundary between the electrolyte membrane and the first protective sheet. act on the surface. At this time, if sealing failure due to the shear force occurs at the contact portion between the end surface of the electrolyte membrane and the first protective sheet, compressed hydrogen from the cathode may flow into the anode.

そこで、本態様の圧縮装置は、第1の保護シートが電解質膜の貫通孔周辺のアノードまで覆うことで、第1の保護シートが貫通孔のみに設けられる場合に比べて、上記せん断力に起因するシール不良が発生する可能性を低減することができる。 Therefore, in the compression device of this aspect, the first protective sheet covers up to the anode around the through-hole of the electrolyte membrane, so that the first protective sheet is provided only in the through-hole. It is possible to reduce the possibility of seal failure occurring.

本開示の第4態様の圧縮装置は、第1態様から第3態様のいずれか一つの圧縮装置において、貫通孔周辺のカソードから貫通孔の一部を覆う第2の保護シートを備え、第1の保護シートと第2の保護シートは、貫通孔の一部を覆う領域において接合されていてもよい。 A compression device of a fourth aspect of the present disclosure is the compression device of any one of the first to third aspects, including a second protective sheet that covers a part of the through hole from the cathode around the through hole, the first The second protective sheet and the second protective sheet may be joined together in a region covering part of the through hole.

かかる構成によると、本態様の圧縮装置は、カソードから流出した圧縮水素が、電解質膜の貫通孔周辺を回り込むようにアノードに流入することが、第1の保護シートのみの場合に比べて、より抑制される。 According to such a configuration, in the compression device of this aspect, the compressed hydrogen flowing out from the cathode flows into the anode around the through-holes of the electrolyte membrane more effectively than in the case of only the first protective sheet. Suppressed.

また、本態様の圧縮装置は、第2の保護シートによって、シール部材の反力に起因するカソードに対するダメージを緩和することができる。 Also, in the compression device of this aspect, the second protective sheet can reduce damage to the cathode caused by the reaction force of the seal member.

本開示の第5態様の圧縮装置は、第1態様から第4態様のいずれか一つの圧縮装置において、第1の保護シートは、貫通孔周辺のアノードと接合されていてもよい。 According to a fifth aspect of the present disclosure, in the compression device of any one of the first to fourth aspects, the first protective sheet may be bonded to the anode around the through-hole.

仮に、第1の保護シートが電解質膜の貫通孔周辺のアノードと接合されていない場合、カソードから流出した圧縮水素が、電解質膜の貫通孔周辺を回り込むように両者間の隙間を介してアノードに流入する可能性がある。 If the first protective sheet were not bonded to the anode around the through-holes of the electrolyte membrane, the compressed hydrogen flowing out from the cathode would flow around the through-holes of the electrolyte membrane and reach the anode through the gap between them. may flow in.

しかし、本態様の圧縮装置は、第1の保護シートおよびアノード間の接合によって両者間の隙間が少なくなるので、カソードから流出した圧縮水素が電解質膜の貫通孔周辺を回り込むようにアノードに流入する可能性を低減することができる。 However, in the compression device of this aspect, the bonding between the first protective sheet and the anode reduces the gap between them, so that the compressed hydrogen flowing out from the cathode flows into the anode around the through-holes of the electrolyte membrane. Possibility can be reduced.

本開示の第6態様の圧縮装置は、第4態様の圧縮装置において、第2の保護シートは、貫通孔周辺のカソードと接合されていてもよい。 The compression device of the sixth aspect of the present disclosure may be the compression device of the fourth aspect, wherein the second protective sheet is joined to the cathode around the through-hole.

仮に、第2の保護シートが電解質膜の貫通孔周辺のカソードと接合されていない場合、カソードから流出した圧縮水素が、電解質膜の貫通孔周辺を回り込むように両者間の隙間を介してアノードに流入する可能性がある。 If the second protective sheet were not bonded to the cathode around the through-holes in the electrolyte membrane, the compressed hydrogen flowing out from the cathode would flow around the through-holes in the electrolyte membrane and reach the anode through the gap between them. may flow in.

しかし、本態様の圧縮装置は、第2の保護シートおよびカソード間の接合によって両者間の隙間が少なくなるので、カソードから流出した圧縮水素が電解質膜の貫通孔周辺を回り込むようにアノードに流入する可能性を低減することができる。 However, in the compression device of this aspect, the bonding between the second protective sheet and the cathode reduces the gap between the two, so that the compressed hydrogen flowing out from the cathode flows into the anode around the through-holes of the electrolyte membrane. Possibility can be reduced.

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。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、以下で示される数値、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、本態様の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。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. All of the embodiments described below are examples of the above aspects. Therefore, the numerical values, shapes, materials, components, and arrangement positions and connection forms of the components shown below are merely examples, and unless stated in the claims, limit each of the above aspects. is not. In addition, among the following components, components that are not described in independent claims representing the highest concept of this aspect will be described as optional components. 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)
上記各態様の圧縮装置のアノード流体は、様々な種類のガス、液体が想定される。例えば、圧縮装置が電気化学式水素ポンプである場合、アノード流体として、水素含有ガスを挙げることができる。また、例えば、圧縮装置が水電解装置である場合、アノード流体として、液体の水を挙げることができる。
(First embodiment)
Various types of gases and liquids are assumed for the anode fluid of the compression device of each of the above embodiments. For example, if the compressor is an electrochemical hydrogen pump, the anode fluid can include a hydrogen-containing gas. Also, for example, when the compression device is a water electrolysis device, the anode fluid may include liquid water.

そこで、以下の実施形態では、アノード流体が水素含有ガスである場合において、上記各態様の圧縮装置の一例である電気化学式水素ポンプの構成および動作について説明する。 Therefore, in the following embodiments, the configuration and operation of an electrochemical hydrogen pump, which is an example of the compression device of each of the above aspects, will be described when the anode fluid is a hydrogen-containing gas.

[装置構成]
図1Aは、第1実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図1Bは、図1Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。なお、図1A(図2Aおよび図3Aも同じ)では、説明の便宜上、「上下」および「左右」を同図の如く取っている。図1Aには、電気化学式水素ポンプ100を上下方向から平面視(以下、平面視)した場合において、電気化学式水素ポンプ100の中心を通過する直線を含む電気化学式水素ポンプ100の垂直断面が示されている。
[Device configuration]
FIG. 1A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to a first embodiment; FIG. FIG. 1B is an enlarged view of section B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 1A. In addition, in FIG. 1A (the same applies to FIGS. 2A and 3A), for convenience of explanation, "up and down" and "left and right" are taken as shown in the figure. FIG. 1A shows a vertical cross section of the electrochemical hydrogen pump 100 including a straight line passing through the center of the electrochemical hydrogen pump 100 when the electrochemical hydrogen pump 100 is viewed from above and below (hereinafter referred to as a plan view). ing.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、少なくとも一つの水素ポンプユニット100Aを備える。図1Bに示すように、電気化学セル100Bは、電解質膜11と、アノードANと、カソードCAと、を含み、水素ポンプユニット100Aにおいて、電解質膜11、アノード触媒層13、カソード触媒層12、アノードガス拡散層15、カソードガス拡散層14、アノードセパレーター17およびカソードセパレーター16が、これらの厚み方向に積層されている。 The electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment includes at least one hydrogen pump unit 100A. As shown in FIG. 1B, the electrochemical cell 100B includes an electrolyte membrane 11, an anode AN, and a cathode CA. A gas diffusion layer 15, a cathode gas diffusion layer 14, an anode separator 17 and a cathode separator 16 are laminated in their thickness direction.

なお、電気化学式水素ポンプ100では、3個の水素ポンプユニット100Aが積層されているが、水素ポンプユニット100Aの個数はこれに限定されない。つまり、水素ポンプユニット100Aの個数は、電気化学式水素ポンプ100が圧縮する水素量などの運転条件をもとに適宜の数に設定することができる。 Although three hydrogen pump units 100A are stacked in the electrochemical hydrogen pump 100, the number of hydrogen pump units 100A is not limited to this. In other words, the number of hydrogen pump units 100A can be set to an appropriate number based on operating conditions such as the amount of hydrogen that the electrochemical hydrogen pump 100 compresses.

電解質膜11は、中央に貫通孔11Hを有する部材である。電解質膜11は、平面視において、環状部材で構成されている。つまり、電解質膜11の貫通孔11Hは、環状部材の内部の空間に相当する。 The electrolyte membrane 11 is a member having a through hole 11H in the center. The electrolyte membrane 11 is configured by an annular member in plan view. That is, the through hole 11H of the electrolyte membrane 11 corresponds to the space inside the annular member.

電解質膜11は、プロトン導電性を備えていれば、どのような構成であってもよい。例えば、電解質膜11として、スルホン酸修飾のフッ素系高分子電解質膜、炭化水素系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11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 11 may have any configuration as long as it has proton conductivity. Examples of the electrolyte membrane 11 include a sulfonic acid-modified fluorine-based polymer electrolyte membrane, a hydrocarbon-based electrolyte membrane, and the like. 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 11, but the electrolyte membrane 11 is not limited thereto.

アノードANは、電解質膜11の一方の全主面上に設けられている。アノードANは、アノード触媒層13およびアノードガス拡散層15を含む電極である。図1Aおよび図1Bに示す例では、平面視において、アノードANのアノード触媒層13の外形が、電解質膜11の外形とほぼ同一であって、アノードANのアノード触媒層13が、電解質膜11の一方の全主面に設けられているが、これに限定されない。「アノードANが、電解質膜11の一方の全主面上に設けられている」とはいえ、かかる構成は、電解質膜11の全主面がアノードANで完全に覆われていない場合が含まれる。具体的には、電解質膜11の内縁がアノードANで覆われない場合が含まれる。「電解質膜11の内縁がアノードANで覆われない場合」とは、例えば、Oリングなどのシール部材を設けることができない程度の長さ(例えば、約3mm以下)の電解質膜11の内縁がアノードANで覆われていないことを意味する。 Anode AN is provided on one entire main surface of electrolyte membrane 11 . Anode AN is an electrode that includes anode catalyst layer 13 and anode gas diffusion layer 15 . In the example shown in FIGS. 1A and 1B, the outer shape of the anode catalyst layer 13 of the anode AN is substantially the same as the outer shape of the electrolyte membrane 11 in plan view, and the anode catalyst layer 13 of the anode AN is the same as the electrolyte membrane 11. Although it is provided on one main surface, it is not limited to this. Although "the anode AN is provided on one entire major surface of the electrolyte membrane 11", such a configuration includes the case where the entire major surface of the electrolyte membrane 11 is not completely covered with the anode AN. . Specifically, the case where the inner edge of the electrolyte membrane 11 is not covered with the anode AN is included. "When the inner edge of the electrolyte membrane 11 is not covered with the anode AN" means, for example, that the inner edge of the electrolyte membrane 11 having a length (for example, about 3 mm or less) that cannot be provided with a sealing member such as an O-ring is covered with the anode AN. It means that it is not covered with AN.

カソードCAは、電解質膜11の他方の全主面上に設けられている。カソードCAは、カソード触媒層12およびカソードガス拡散層14を含む電極である。図1Aおよび図1Bに示す例では、平面視において、カソードCAのカソード触媒層12の外形が、電解質膜11の外形とほぼ同一であって、カソードCAのカソード触媒層12は、電解質膜11の他方の全主面に設けられているが、これに限定されない。「カソードCAが、電解質膜11の他方の全主面上に設けられている」とはいえ、かかる構成は、電解質膜11の全主面が完全にカソードCAで覆われていない場合が含まれる。具体的には、電解質膜11の内縁がカソードCAで覆われない場合が含まれる。「電解質膜11の内縁がカソードCAで覆われない場合」とは、例えば、シール部材を設けることができない程度の長さ(例えば、約3mm以下)の電解質膜11の内縁がカソードCAで覆われていないことを意味する。 Cathode CA is provided on the entire other main surface of electrolyte membrane 11 . Cathode CA is an electrode that includes a cathode catalyst layer 12 and a cathode gas diffusion layer 14 . In the example shown in FIGS. 1A and 1B, the outer shape of the cathode catalyst layer 12 of the cathode CA is substantially the same as the outer shape of the electrolyte membrane 11 in plan view, and the cathode catalyst layer 12 of the cathode CA is the same as the electrolyte membrane 11. Although it is provided on the entire other main surface, it is not limited to this. Although "the cathode CA is provided on the entire other main surface of the electrolyte membrane 11", such a configuration includes the case where the entire main surface of the electrolyte membrane 11 is not completely covered with the cathode CA. . Specifically, the case where the inner edge of the electrolyte membrane 11 is not covered with the cathode CA is included. "When the inner edge of the electrolyte membrane 11 is not covered with the cathode CA" means, for example, that the inner edge of the electrolyte membrane 11 having a length (for example, about 3 mm or less) that cannot be provided with a sealing member is covered with the cathode CA. means not

以上のようにして、電解質膜11は、アノード触媒層13およびカソード触媒層12のそれぞれと接触するようにして、アノードANとカソードCAとによって厚み方向に挟持されている。 As described above, the electrolyte membrane 11 is sandwiched between the anode AN and the cathode CA in the thickness direction so as to be in contact with the anode catalyst layer 13 and the cathode catalyst layer 12, respectively.

ここで、アノード触媒層13は、触媒金属(例えば、白金)を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。カソード触媒層12は、触媒金属(例えば、白金)を分散状態で担持することができるカーボンを含むが、これに限定されない。 Here, the anode catalyst layer 13 includes, but is not limited to, carbon capable of supporting a catalyst metal (for example, platinum) in a dispersed state. The cathode catalyst layer 12 contains, but is not limited to, carbon capable of supporting a catalyst metal (for example, platinum) in a dispersed state.

また、カソード触媒層12もアノード触媒層13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が、特に限定されない。例えば、カーボン系粉末としては、黒鉛、カーボンブラック、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カーボン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。 Various methods can be used for preparing the catalysts for both the cathode catalyst layer 12 and the anode catalyst layer 13, but there is no particular limitation. Examples of carbon-based powders include powders of graphite, carbon black, and conductive activated carbon. The method of supporting platinum or other catalytic metals on the carbon carrier 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 carbon carrier is not particularly limited. For example, the catalyst metal may be finely divided and supported on a carrier in a highly dispersed state.

アノードガス拡散層15は、平面視において、保護シート18を囲むように環状に、アノード触媒層13上に設けられている。アノードガス拡散層15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。また、アノードガス拡散層15は、電気化学式水素ポンプ100の動作時に、上記の差圧による電解質膜11の押し付けに耐え得る程度の剛性を備える方が望ましい。アノードガス拡散層15の基材として、例えば、カーボン粒子焼結体を使用するが、これに限定されない。 The anode gas diffusion layer 15 is annularly provided on the anode catalyst layer 13 so as to surround the protective sheet 18 in plan view. The anode gas diffusion layer 15 is made of a porous material and has electrical conductivity and gas diffusion properties. In addition, it is preferable that the anode gas diffusion layer 15 has a rigidity sufficient to withstand the pressing of the electrolyte membrane 11 due to the above differential pressure during operation of the electrochemical hydrogen pump 100 . As the base material of the anode gas diffusion layer 15, for example, a sintered body of carbon particles is used, but the base material is not limited to this.

カソードガス拡散層14は、平面視においてアノードガス拡散層15と重畳するように環状に、カソード触媒層12上に設けられている。カソードガス拡散層は、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。カソードガス拡散層は、電気化学式水素ポンプ100の動作時にカソードCAおよびアノードAN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。カソードガス拡散層14の基材として、例えば、カーボン繊維焼結体などを使用することができるが、これに限定されない。 The cathode gas diffusion layer 14 is annularly provided on the cathode catalyst layer 12 so as to overlap with the anode gas diffusion layer 15 in plan view. The cathode gas diffusion layer is composed of a porous material and is electrically conductive and gas diffusive. It is preferable that the cathode gas diffusion layer have elasticity so as to appropriately follow the displacement and deformation of the constituent members caused by the differential pressure between the cathode CA and the anode AN during operation of the electrochemical hydrogen pump 100 . As the base material of the cathode gas diffusion layer 14, for example, a carbon fiber sintered body can be used, but the base material is not limited to this.

保護シート18は、貫通孔周辺のアノードANから貫通孔11Hの一部までを覆う部材である。保護シート18は、樹脂で構成されていてもよいが、これに限定されない。かかる樹脂として、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)などを挙げることができる。保護シート18が、本開示の「第1の保護シート」に相当する。 The protective sheet 18 is a member that covers from the anode AN around the through hole to a part of the through hole 11H. The protective sheet 18 may be made of resin, but is not limited to this. Examples of such resin include polyethylene naphthalate (PEN). The protective sheet 18 corresponds to the "first protective sheet" of the present disclosure.

図1Aおよび図1Bに示す例では、保護シート18は、第1シート部18Aと第2シート部18Bとを備える。ここで、保護シート18の第1シート部18Aが、本開示の「貫通孔11Hの一部を覆う保護シート」に相当する。また、保護シート18の第2シート部18Bが、本開示の「アノードAN上の保護シート」に相当する。 In the example shown in FIGS. 1A and 1B, the protective sheet 18 includes a first sheet portion 18A and a second sheet portion 18B. Here, the first sheet portion 18A of the protective sheet 18 corresponds to "a protective sheet that partially covers the through holes 11H" of the present disclosure. Also, the second sheet portion 18B of the protective sheet 18 corresponds to the "protective sheet on the anode AN" of the present disclosure.

本例では、保護シート18の第1シート部18Aによって、貫通孔11Hの一部が覆われており、第1シート部18Aが、アノードセパレーター17およびカソードセパレーター16によって厚み方向に挟持されている。また、保護シート18の第2シート部18Bは、アノード触媒層13と面接触しており、これにより、第2シート部18Bが、アノードセパレーター17およびアノード触媒層13によって厚み方向に挟持されている。 In this example, the first sheet portion 18A of the protective sheet 18 partially covers the through hole 11H, and the first sheet portion 18A is sandwiched between the anode separator 17 and the cathode separator 16 in the thickness direction. In addition, the second sheet portion 18B of the protective sheet 18 is in surface contact with the anode catalyst layer 13, whereby the second sheet portion 18B is sandwiched between the anode separator 17 and the anode catalyst layer 13 in the thickness direction. .

シール部材40は、保護シート18の第1シート部18A上に設けられている。シール部材40として、例えば、Oリングを挙げることができるが、これに限定されない。 The seal member 40 is provided on the first sheet portion 18A of the protective sheet 18. As shown in FIG. Examples of the sealing member 40 include an O-ring, but are not limited to this.

図1Aおよび図1Bに示す例では、平面視において、貫通孔11Hで囲まれた領域に対向するアノードセパレーター17の表面に環状の溝が形成されており、この溝内に、環状のシール部材40が嵌め込まれている。つまり、平面視において、アノードANとシール部材40とが重畳しないように、シール部材40の寸法L2が、貫通孔11Hの寸法L1よりも小さい。 In the example shown in FIGS. 1A and 1B, in plan view, an annular groove is formed in the surface of the anode separator 17 facing the area surrounded by the through holes 11H, and an annular seal member 40 is formed in the groove. is embedded. That is, in plan view, the dimension L2 of the seal member 40 is smaller than the dimension L1 of the through hole 11H so that the anode AN and the seal member 40 do not overlap.

導電性のアノードセパレーター17は、アノードANのアノードガス拡散層15上に設けられた部材である。導電性のカソードセパレーター16は、カソードCAのカソードガス拡散層14上に設けられた部材である。 The conductive anode separator 17 is a member provided on the anode gas diffusion layer 15 of the anode AN. The conductive cathode separator 16 is a member provided on the cathode gas diffusion layer 14 of the cathode CA.

図1Aに示すように、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17には、平面視において、環状凹部が設けられている。そして、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17の環状凹部のそれぞれに、上記のカソードガス拡散層14およびアノードガス拡散層15がそれぞれ収容されている。 As shown in FIG. 1A, the cathode separator 16 and the anode separator 17 are provided with annular recesses in plan view. The cathode gas diffusion layer 14 and the anode gas diffusion layer 15 are accommodated in the annular recesses of the cathode separator 16 and the anode separator 17, respectively.

このようにして、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17で上記の電気化学セル100Bを挟むことにより、水素ポンプユニット100Aが形成されている。 Thus, by sandwiching the electrochemical cell 100B with the cathode separator 16 and the anode separator 17, the hydrogen pump unit 100A is formed.

カソードガス拡散層14と接触するカソードセパレーター16の環状凹部の主面は、カソードガス流路を設けずに平面で構成されている。これにより、カソードセパレーター16の環状凹部の主面にカソードガス流路を設ける場合に比べて、カソードガス拡散層14とカソードセパレーター16との間で接触面積を大きくすることができる。すると、電気化学式水素ポンプ100は、カソードガス拡散層14とカソードセパレーター16との間の接触抵抗を低減することができる。 The main surface of the annular concave portion of the cathode separator 16, which contacts the cathode gas diffusion layer 14, is flat without providing a cathode gas flow path. Thereby, the contact area between the cathode gas diffusion layer 14 and the cathode separator 16 can be increased compared to the case where the cathode gas flow path is provided on the main surface of the annular concave portion of the cathode separator 16 . Electrochemical hydrogen pump 100 can then reduce the contact resistance between cathode gas diffusion layer 14 and cathode separator 16 .

これに対して、アノードガス拡散層15と接触するアノードセパレーター17の環状凹部の主面には、平面視において、例えば、複数のU字状の折り返す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33が設けられている。そして、アノードガス流路33の直線部分は、図1Aの紙面に垂直な方向に延伸している。一例として、アノードガス流路33は、図1Aに示す如く、アノードセパレーター17の環状凹部の主面に形成された複数の流路溝によって構成されている。そして、アノードガス流路33のうちの半分の流路溝が、平面視において、アノードセパレーター17の環状凹部の主面の左半分をサーペンタイン状に延伸するとともに、アノードガス流路33のうちの残りの流路溝が、平面視において、アノードセパレーター17の環状凹部の主面の右半分をサーペンタイン状に延伸していてもよい。 On the other hand, the main surface of the annular recess of the anode separator 17 that contacts the anode gas diffusion layer 15 has, in plan view, a serpentine-like shape including, for example, a plurality of U-shaped folded portions and a plurality of straight portions. An anode gas channel 33 is provided. A linear portion of the anode gas flow path 33 extends in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1A. As an example, the anode gas channel 33 is composed of a plurality of channel grooves formed in the main surface of the annular concave portion of the anode separator 17, as shown in FIG. 1A. Half of the channel grooves of the anode gas channel 33 extend in a serpentine shape from the left half of the main surface of the annular concave portion of the anode separator 17 in plan view, and the remaining channel grooves of the anode gas channel 33 may extend in a serpentine shape on the right half of the main surface of the annular concave portion of the anode separator 17 in plan view.

但し、このようなアノードガス流路33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。 However, such an anode gas flow path 33 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.

また、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17の間には、電気化学セル100Bの周囲を囲むように設けられた平板状の絶縁体21が挟み込まれている。これにより、カソードセパレーター16およびアノードセパレーター17の短絡が防止されている。なお、絶縁体21とカソードセパレーター16の間には、平面視において、カソードCAを囲むようにシール部材41(例えば、Oリング)が設けられおり、これにより、高圧の圧縮水素に曝されるカソードCAが適切にシールされている。 A flat insulator 21 is sandwiched between the cathode separator 16 and the anode separator 17 so as to surround the electrochemical cell 100B. This prevents the cathode separator 16 and the anode separator 17 from short-circuiting. Between the insulator 21 and the cathode separator 16, a sealing member 41 (for example, an O-ring) is provided so as to surround the cathode CA in plan view, thereby exposing the cathode to high-pressure compressed hydrogen. The CA is properly sealed.

ここで、電気化学式水素ポンプ100は、水素ポンプユニット100Aにおける、積層方向の両端上に設けられた第1端板および第2端板と、水素ポンプユニット100A、第1端板および第2端板を積層方向に締結する締結器25と、を備える。 Here, the electrochemical hydrogen pump 100 includes a first end plate and a second end plate provided on both ends in the stacking direction of the hydrogen pump unit 100A, the hydrogen pump unit 100A, the first end plate and the second end plate. and a fastener 25 that fastens in the stacking direction.

なお、図1Aに示す例では、カソード端板24Cおよびアノード端板24Aがそれぞれ、上記の第1端板および第2端板のそれぞれに対応する。つまり、アノード端板24Aは、水素ポンプユニット100Aの各部材が積層された積層方向において、下方端に位置するアノードセパレーター17上に設けられた端板である。また、カソード端板24Cは、水素ポンプユニット100Aの各部材が積層された積層方向において、上方端に位置するカソードセパレーター16上に設けられた端板である。 In the example shown in FIG. 1A, the cathode end plate 24C and the anode end plate 24A respectively correspond to the first end plate and the second end plate described above. That is, the anode end plate 24A is an end plate provided on the anode separator 17 located at the lower end in the stacking direction of the members of the hydrogen pump unit 100A. Also, the cathode end plate 24C is an end plate provided on the cathode separator 16 located at the upper end in the stacking direction in which the members of the hydrogen pump unit 100A are stacked.

締結器25は、水素ポンプユニット100A、カソード端板24Cおよびアノード端板24Aを積層方向に締結することができれば、どのような構成であってもよい。例えば、締結器25として、ボルトおよび皿ばね付きナットなどを挙げることができる。 The fastener 25 may have any configuration as long as it can fasten the hydrogen pump unit 100A, the cathode end plate 24C and the anode end plate 24A in the stacking direction. For example, the fastener 25 may include a bolt and a nut with a disc spring.

図1Aおよび図1Bに示すように、カソードガス導出マニホールド50は、電気化学式水素ポンプ100の中央を上下に延伸しており、3個の水素ポンプユニット100Aの各部材、カソード集電板22C、カソード絶縁板23C、およびカソード端板24Cに設けられた貫通孔の連なりによって構成されている。図1Bに示すように、カソードガス導出マニホールド50を構成する貫通孔の寸法L3は、貫通孔11Hの寸法L1およびシール部材40の寸法L2の両方よりも小さく、かつ、カソードガス導出マニホールド50が、電解質膜11の貫通孔11Hおよびシール部材40の内側の空間(シール領域)を通過する上下に延伸している。 As shown in FIGS. 1A and 1B, the cathode gas outlet manifold 50 extends vertically through the center of the electrochemical hydrogen pump 100, and includes members of the three hydrogen pump units 100A, the cathode current collector plate 22C, and the cathode. It is composed of a series of through holes provided in the insulating plate 23C and the cathode end plate 24C. As shown in FIG. 1B, the dimension L3 of the through holes forming the cathode gas outlet manifold 50 is smaller than both the dimension L1 of the through holes 11H and the dimension L2 of the sealing member 40, and the cathode gas outlet manifold 50 is It extends vertically to pass through the through-hole 11H of the electrolyte membrane 11 and the space (seal region) inside the seal member 40 .

図1Aに示すように、カソード端板24Cには、カソードガス導出経路26が設けられている。カソードガス導出経路26は、カソードCAから排出される圧縮水素が流通する配管で構成されていてもよい。そして、カソードガス導出経路26は、上記のカソードガス導出マニホールド50と連通している。 As shown in FIG. 1A, a cathode gas lead-out path 26 is provided in the cathode end plate 24C. The cathode gas lead-out path 26 may be composed of a pipe through which compressed hydrogen discharged from the cathode CA flows. The cathode gas lead-out path 26 communicates with the cathode gas lead-out manifold 50 described above.

さらに、カソードガス導出マニホールド50は、水素ポンプユニット100AのそれぞれのカソードCAと、カソードセパレーター16に設けられたカソードガス通過経路32のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット100AのそれぞれのカソードCAで生成された圧縮水素は、カソードガス通過経路32のそれぞれを通過した後、カソードガス導出マニホールド50で合流される。そして、合流された圧縮水素がカソードガス導出経路26に導かれる。 Further, the cathode gas lead-out manifold 50 communicates with each cathode CA of the hydrogen pump unit 100A via each of the cathode gas passages 32 provided in the cathode separator 16 . As a result, the compressed hydrogen generated at each cathode CA of the hydrogen pump unit 100A passes through each of the cathode gas passages 32 and then joins at the cathode gas outlet manifold 50 . Then, the combined compressed hydrogen is guided to the cathode gas lead-out path 26 .

このようにして、水素ポンプユニット100AのそれぞれのカソードCAは、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのカソードガス通過経路32およびカソードガス導出マニホールド50を介して連通している。 In this manner, the cathodes CA of the hydrogen pump units 100A communicate with each other through the cathode gas passages 32 and the cathode gas outlet manifolds 50 of the hydrogen pump units 100A.

図1Aに示すように、アノード端板24Aには、アノードガス導入経路29が設けられている。アノードガス導入経路29は、アノードANに供給される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。なお、水素含有ガスとして、例えば、メタンガスなどを含有する都市ガス、およびプロパンを主成分とするLPGなどの改質反応により発生する低圧状態の改質ガス、水の電気分解により発生する水蒸気を含む低圧状態の水素ガスなどを挙げることができる。 As shown in FIG. 1A, an anode gas introduction path 29 is provided in the anode end plate 24A. The anode gas introduction path 29 may be configured by a pipe through which the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN flows. The hydrogen-containing gas includes, for example, city gas containing methane gas, low-pressure reformed gas generated by a reforming reaction such as LPG containing propane as a main component, and water vapor generated by electrolysis of water. Hydrogen gas in a low-pressure state can be used.

アノードガス導入経路29は、図示しないアノードガス導入マニホールドに連通している。また、アノードガス導入マニホールドは、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのアノードガス流路33の一方の端部と、アノードセパレーター17に設けられた、図示しない第1アノードガス通過経路のそれぞれを介して連通している。これにより、アノードガス導入経路29からアノードガス導入マニホールドに供給された水素含有ガスは、水素ポンプユニット100Aのそれぞれの第1アノードガス通過経路を通じて、水素ポンプユニット100Aのそれぞれに分配される。そして、分配された水素含有ガスがアノードガス流路33を通過する間に、アノードガス拡散層15からアノード触媒層13に水素含有ガスが供給される。 The anode gas introduction path 29 communicates with an anode gas introduction manifold (not shown). In addition, the anode gas introduction manifold communicates with one end of each anode gas channel 33 of the hydrogen pump unit 100A via each of first anode gas passages (not shown) provided in the anode separator 17. ing. Thereby, the hydrogen-containing gas supplied from the anode gas introduction path 29 to the anode gas introduction manifold is distributed to each of the hydrogen pump units 100A through the respective first anode gas passages of the hydrogen pump units 100A. While the distributed hydrogen-containing gas passes through the anode gas flow path 33 , the hydrogen-containing gas is supplied from the anode gas diffusion layer 15 to the anode catalyst layer 13 .

図1Aに示すように、アノード端板24Aには、アノードガス導出経路31が設けられている。アノードガス導出経路31は、アノードANから排出される水素含有ガスが流通する配管で構成されていてもよい。アノードガス導出経路31は、図示しないアノードガス導出マニホールドに連通している。また、アノードガス導出マニホールドは、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのアノードガス流路33の他方の端部と、アノードセパレーター17に設けられた、図示しない第2アノードガス通過経路のそれぞれを介して連通している。これにより、水素ポンプユニット100Aのそれぞれのアノードガス流路33を通過した水素含有ガスが、第2アノードガス通過経路のそれぞれを通じてアノードガス導出マニホールドに供給され、ここで合流される。そして、合流された水素含有ガスが、アノードガス導出経路31に導かれる。 As shown in FIG. 1A, the anode end plate 24A is provided with an anode gas lead-out path 31. As shown in FIG. The anode gas lead-out path 31 may be composed of a pipe through which the hydrogen-containing gas discharged from the anode AN flows. The anode gas lead-out path 31 communicates with an anode gas lead-out manifold (not shown). In addition, the anode gas lead-out manifold communicates with the other end of each anode gas channel 33 of the hydrogen pump unit 100A via each of the second anode gas passages (not shown) provided in the anode separator 17. ing. As a result, the hydrogen-containing gas that has passed through each of the anode gas passages 33 of the hydrogen pump unit 100A is supplied to the anode gas outlet manifold through each of the second anode gas passages and joins there. Then, the combined hydrogen-containing gas is led to the anode gas lead-out path 31 .

図1Aに示すように、電気化学式水素ポンプ100は、電圧印加器102を備える。 As shown in FIG. 1A, electrochemical hydrogen pump 100 includes voltage applicator 102 .

電圧印加器102は、アノードANおよびカソードCAの間に電圧を印加する装置である。具体的には、電圧印加器102の高電位が、アノードANに印加され、電圧印加器102の低電位が、カソードCAに印加されている。電圧印加器102は、アノードANおよびカソードCAの間に電圧を印加できれば、どのような構成であってもよい。例えば、電圧印加器102は、アノードANおよびカソードCAの間に印加する電圧を調整する装置であってもよい。このとき、電圧印加器102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。 Voltage applicator 102 is a device that applies a voltage between anode AN and cathode CA. Specifically, the high potential of voltage applicator 102 is applied to anode AN, and the low potential of voltage applicator 102 is applied to cathode CA. Voltage applicator 102 may have any configuration as long as it can apply a voltage between anode AN and cathode CA. For example, voltage applicator 102 may be a device that adjusts the voltage applied between anode AN and cathode CA. At this time, the voltage applicator 102 includes a DC/DC converter when connected to a DC power supply such as a battery, a solar battery, or a fuel cell, and an AC power supply when connected to an AC power supply such as a commercial power supply. /DC converter.

また、電圧印加器102は、例えば、水素ポンプユニット100Aに供給する電力が所定の設定値となるように、アノードANおよびカソードCAの間に印加される電圧、アノードANおよびカソードCAの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 102 applies, for example, a voltage applied between the anode AN and the cathode CA, and a It may also be a power type power supply in which the current is regulated.

なお、図1Aに示す例では、電圧印加器102の低電位側の端子が、カソード集電板22Cに接続され、電圧印加器102の高電位側の端子が、アノード集電板22Aに接続されている。カソード集電板22Cは、上記の積層方向において上方端に位置するカソードセパレーター16とは電気的に接続されるとともに、カソード端板24Cとはカソード絶縁板23Cを介して配置されている。アノード集電板22Aは、上記の積層方向において下方端に位置するアノードセパレーター17と電気的に接続されるとともに、アノード端板24Aとはアノード絶縁板23Aを介して配置されている。 In the example shown in FIG. 1A, the terminal on the low potential side of the voltage applicator 102 is connected to the cathode collector plate 22C, and the terminal on the high potential side of the voltage applicator 102 is connected to the anode collector plate 22A. ing. The cathode current collector plate 22C is electrically connected to the cathode separator 16 positioned at the upper end in the stacking direction, and is arranged with the cathode end plate 24C via the cathode insulating plate 23C. The anode current collector plate 22A is electrically connected to the anode separator 17 located at the lower end in the stacking direction, and is arranged with the anode end plate 24A via the anode insulating plate 23A.

このように、電気化学式水素ポンプ100は、電圧印加器102が、アノードANとカソードCAとの間に電圧を印加することにより、アノードANに供給される水素含有ガスから取り出されたプロトンを、カソードCAに移動させ、圧縮水素を生成する装置である。 In this way, the electrochemical hydrogen pump 100 applies a voltage between the anode AN and the cathode CA by the voltage applicator 102, so that the protons extracted from the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN are transferred to the cathode AN. It is a device that moves to CA and generates compressed hydrogen.

以上の電気化学式水素ポンプ100の構成は例示であって、本例に限定されない。例えば、電気化学式水素ポンプ100は、アノードガス導出マニホールドおよびアノードガス導出経路31を設けずに、アノードガス導入マニホールドを通してアノードANに供給する水素含有ガス中の水素(H)を全量、カソードCAで圧縮するデッドエンド構造が採用されてもよい。 The configuration of the electrochemical hydrogen pump 100 described above is an example, and is not limited to this example. For example, the electrochemical hydrogen pump 100 does not provide the anode gas outlet manifold and the anode gas outlet path 31, and all of the hydrogen (H 2 ) in the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN through the anode gas inlet manifold is supplied to the cathode CA. Compressive dead-end structures may be employed.

[動作]
以下、電気化学式水素ポンプ100の動作の一例について、図面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を読み出すこと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。以下の例では、制御器により動作を制御する場合について、説明する。
[motion]
An example of the operation of the electrochemical hydrogen pump 100 will be described below with reference to the drawings. The following operations may be performed, for example, by an arithmetic circuit (not shown) of the controller reading out the control program from the memory circuit of the controller. However, it is not essential that the controller perform the following operations. The operator may perform some of the operations. In the following example, the case where the operation is controlled by the controller will be described.

まず、アノードANに水素含有ガスが供給されるとともに、電圧印加器102の電圧が電気化学式水素ポンプ100に給電される。すると、アノードANのアノード触媒層13において、水素分子がプロトンと電子とに分離する(式(1))。プロトンは電解質膜11内を伝導してカソード触媒層12に移動する。電子は電圧印加器102を介してカソード触媒層12に移動する。 First, a hydrogen-containing gas is supplied to the anode AN, and the voltage of the voltage applicator 102 is supplied to the electrochemical hydrogen pump 100 . Then, hydrogen molecules are separated into protons and electrons in the anode catalyst layer 13 of the anode AN (equation (1)). Protons are conducted through the electrolyte membrane 11 and move to the cathode catalyst layer 12 . Electrons move to the cathode catalyst layer 12 through the voltage applicator 102 .

そして、カソード触媒層12において、水素分子が再び生成される(式(2))。なお、プロトンが電解質膜11中を伝導する際に、所定水量の水が、電気浸透水としてアノードANからカソードCAにプロトンと同伴して移動することが知られている。 Then, hydrogen molecules are generated again in the cathode catalyst layer 12 (equation (2)). It is known that when protons are conducted through the electrolyte membrane 11, a predetermined amount of water moves as electroosmotic water from the anode AN to the cathode CA together with the protons.

このとき、例えば、電気化学式水素ポンプ100のカソードCAで生成される圧縮水素が、カソードガス導出経路26を通じて、図示しない水素需要体に供給される場合、カソードガス導出経路26に設けられた背圧弁、調整弁(図示せず)などを用いて、カソードガス導出経路26の圧損を増加させることにより、カソードCAで圧縮水素(H)を生成することができる。ここで、カソードガス導出経路26の圧損を増加させるとは、カソードガス導出経路26に設けられた背圧弁、調整弁の開度を小さくすることに対応する。 At this time, for example, when the compressed hydrogen generated at the cathode CA of the electrochemical hydrogen pump 100 is supplied to a hydrogen consumer (not shown) through the cathode gas lead-out path 26, the back pressure valve provided in the cathode gas lead-out path 26 Compressed hydrogen (H 2 ) can be produced at the cathode CA by increasing the pressure loss in the cathode gas lead-out path 26 using a regulating valve (not shown) or the like. Here, increasing the pressure loss in the cathode gas lead-out path 26 corresponds to reducing the opening degrees of the back pressure valve and the adjustment valve provided in the cathode gas lead-out path 26 .

アノード:H(低圧)→2H+2e ・・・(1)
カソード:2H+2e→H(高圧) ・・・(2)
上記の水素需要体として、例えば、水素貯蔵器、燃料電池、水素インフラの配管などを挙げることができる。また、水素貯蔵器として、例えば、水素タンク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)
Examples of the above hydrogen demanders include hydrogen reservoirs, fuel cells, and piping of hydrogen infrastructure. Moreover, as a hydrogen storage device, a hydrogen tank etc. can be mentioned, for example.

このようにして、電気化学式水素ポンプ100において、電解質膜11を挟んで設けられる、アノードANおよびカソードCAの間に電圧を印加することにより、アノードANに供給される水素含有ガスから取り出されたプロトンを、電解質膜11を介してカソードCAに移動させ、圧縮水素を生成する水素圧縮動作が行われる。 Thus, in the electrochemical hydrogen pump 100, by applying a voltage between the anode AN and the cathode CA, which are provided with the electrolyte membrane 11 interposed therebetween, protons extracted from the hydrogen-containing gas supplied to the anode AN is moved to the cathode CA through the electrolyte membrane 11, and a hydrogen compression operation is performed to generate compressed hydrogen.

以上のとおり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、カソードCAから流出した圧縮水素が、電解質膜11の貫通孔周辺を回り込んでアノードANに流入することを適切に抑制し得る。 As described above, the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment can appropriately suppress the compressed hydrogen that has flowed out of the cathode CA from flowing around the perforations of the electrolyte membrane 11 into the anode AN.

具体的には、保護シート18が、電解質膜11の貫通孔周辺のアノードANから貫通孔11Hの一部までを覆っている。よって、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、カソードCAから流出した圧縮水素が電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むようにアノードANに流入することが、保護シート18によって抑制される。 Specifically, the protective sheet 18 covers from the anode AN around the through hole of the electrolyte membrane 11 to a part of the through hole 11H. Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the protective sheet 18 prevents the compressed hydrogen flowing out of the cathode CA from flowing around the perforations of the electrolyte membrane 11 into the anode AN.

また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、シール部材40が、保護シート18のアノードセパレーター17側の面上に設けられているので、カソードガス導出マニホールド50内の圧縮水素が保護シート18のアノードセパレーター17側の面上を伝って、アノードANに流入することが、シール部材40によって抑制される。 Further, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the sealing member 40 is provided on the surface of the protective sheet 18 on the anode separator 17 side, so that the compressed hydrogen in the cathode gas outlet manifold 50 is transferred to the protective sheet 18. The seal member 40 suppresses the flow into the anode AN along the surface on the anode separator 17 side.

ここで、締結器25を用いて、電気化学式水素ポンプ100を構成する各部材(以下、構成部材)を積層方向に締結する際、かかる締結力によって、構成部材間におけるシール部材40を上記積層方向に押し潰すことで、シール部材40とこれらの構成部材間との間におけるガスシール性が発揮される。このため、シール部材40と接触する構成部材に対して、シール部材40のガスシール性を発揮するための反力F1(弾性力)が、上記積層方向に作用する。 Here, when using the fastener 25 to fasten each member (hereinafter referred to as a component) that constitutes the electrochemical hydrogen pump 100 in the stacking direction, the fastening force causes the seal member 40 between the components to move in the stacking direction. By crushing the seal member 40 and these constituent members, the gas sealing property between the seal member 40 and these constituent members is exhibited. Therefore, the reaction force F1 (elastic force) for exhibiting the gas sealing property of the seal member 40 acts on the constituent members in contact with the seal member 40 in the stacking direction.

すると、図1Bに示す如く、平面視において、アノードANとシール部材40とが重畳しないように配置されている場合、アノードANのアノード触媒層13が、シール部材40の反力F1によってダメージを受けにくくなる。しかし、この場合、電解質膜11を上から下に押圧する力(水素ガス圧力F2)と第1シート部18Aを下から上に押圧する力(シール部材40の反力F1)とによって生じるせん断力が、電解質膜11と第1シート部18Aの境界面に作用する。このとき、仮に、電解質膜11の端面と第1シート部18Aとの間の接触部において、上記せん断力に起因するシール不良が発生すると、カソードCAの圧縮水素がアノードANに流入する可能性がある。 Then, as shown in FIG. 1B, when the anode AN and the seal member 40 are arranged so as not to overlap each other in plan view, the anode catalyst layer 13 of the anode AN is damaged by the reaction force F1 of the seal member 40. become difficult. However, in this case, a shearing force is generated by the force pressing the electrolyte membrane 11 downward (the hydrogen gas pressure F2) and the force pressing the first sheet portion 18A upward (the reaction force F1 of the seal member 40). acts on the interface between the electrolyte membrane 11 and the first sheet portion 18A. At this time, if a sealing failure due to the shear force occurs at the contact portion between the end surface of the electrolyte membrane 11 and the first sheet portion 18A, the compressed hydrogen in the cathode CA may flow into the anode AN. be.

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、図1Bに示すように、保護シート18の第2シート部18Bが電解質膜11の貫通孔周辺のアノードANのアノード触媒層13まで覆うことで、保護シート18が貫通孔11Hのみに設けられる場合に比べて、上記せん断力に起因するシール不良が発生する可能性を低減することができる。 Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, as shown in FIG. As compared with the case where the protective sheet 18 is provided only in the through hole 11H, the possibility of occurrence of sealing failure due to the shear force can be reduced.

(実施例)
本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、保護シート18が、電解質膜11の貫通孔周辺のアノードANと接合されていること以外は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様である。
(Example)
The electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except that the protective sheet 18 is bonded to the anode AN around the through-hole of the electrolyte membrane 11.

なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ100においては、保護シート18とアノードANのアノード触媒層13とが一体的に接合されていてもよい。 In addition, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, the protective sheet 18 and the anode catalyst layer 13 of the anode AN may be integrally bonded.

仮に、保護シート18が電解質膜11の貫通孔周辺のアノードANと接合されていない場合、カソードCAから流出した圧縮水素が、電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むように両者間の隙間を介してアノードANに流入する可能性がある。 If the protective sheet 18 were not bonded to the anode AN around the through-hole of the electrolyte membrane 11, the compressed hydrogen flowing out from the cathode CA would flow around the through-hole of the electrolyte membrane 11 through the gap between them. can flow into the anode AN.

しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、保護シート18およびアノードAN間の接合によって両者間の隙間が少なくなるので、カソードCAから流出した圧縮水素が電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むようにアノードANに流入する可能性を低減することができる。 However, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, the bonding between the protective sheet 18 and the anode AN reduces the gap between them, so that the compressed hydrogen flowing out from the cathode CA flows around the through-holes of the electrolyte membrane 11. can reduce the possibility of flowing into the anode AN.

本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、上記特徴以外は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様であってもよい。 The electrochemical hydrogen pump 100 of 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)
第2実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、以下に説明する保護シート118およびシール部材140の構成以外は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様である。
(Second embodiment)
The electrochemical hydrogen pump 100 of the second embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment, except for the configurations of the protective sheet 118 and the sealing member 140 described below.

図2A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。図2Bは、図2Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。 FIG. 2A is a diagram showing an example of an electrochemical hydrogen pump according to the second embodiment. FIG. 2B is an enlarged view of portion B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 2A.

保護シート118は、貫通孔周辺のアノードANから貫通孔11Hの一部までを覆う部材である。保護シート118は、樹脂で構成されていてもよいが、これに限定されない。かかる樹脂として、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)などを挙げることができる。保護シート118が、本開示の「第1の保護シート」に相当する。 The protective sheet 118 is a member that covers from the anode AN around the through hole to a part of the through hole 11H. The protective sheet 118 may be made of resin, but is not limited to this. Examples of such resin include polyethylene naphthalate (PEN). The protective sheet 118 corresponds to the "first protective sheet" of the present disclosure.

図2Aおよび図2Bに示す例では、保護シート118は、第1シート部118Aと第2シート部118Bとを備える。ここで、保護シート118の第1シート部118Aが、本開示の「貫通孔11Hの一部を覆う保護シート」に相当する。また、保護シート118の第2シート部118Bが、本開示の「アノードAN上の保護シート」に相当する。 In the example shown in FIGS. 2A and 2B, the protective sheet 118 comprises a first sheet portion 118A and a second sheet portion 118B. Here, the first sheet portion 118A of the protective sheet 118 corresponds to "a protective sheet that partially covers the through holes 11H" of the present disclosure. Also, the second sheet portion 118B of the protective sheet 118 corresponds to the "protective sheet on the anode AN" of the present disclosure.

本例では、保護シート118の第1シート部118Aによって、貫通孔11Hの一部が覆われており、第1シート部118Aが、アノードセパレーター17およびカソードセパレーター16によって厚み方向に挟持されている。また、保護シート118の第2シート部18Bは、アノード触媒層13と面接触しており、これにより、第2シート部118Bが、アノードセパレーター17およびアノード触媒層13によって厚み方向に挟持されている。 In this example, the through hole 11H is partially covered with the first sheet portion 118A of the protective sheet 118, and the first sheet portion 118A is sandwiched between the anode separator 17 and the cathode separator 16 in the thickness direction. In addition, the second sheet portion 18B of the protective sheet 118 is in surface contact with the anode catalyst layer 13, whereby the second sheet portion 118B is sandwiched between the anode separator 17 and the anode catalyst layer 13 in the thickness direction. .

また、シール部材140は、保護シート118の第2シート部118B上に設けられている。シール部材140として、例えば、Oリングを挙げることができるが、これに限定されない。つまり、平面視において、アノードANのアノード触媒層13とシール部材140とが重畳するように、シール部材140の寸法L2が、貫通孔11Hの寸法L1よりも大きい。 Also, the sealing member 140 is provided on the second sheet portion 118B of the protective sheet 118 . Examples of the sealing member 140 include, but are not limited to, an O-ring. That is, in plan view, the dimension L2 of the seal member 140 is larger than the dimension L1 of the through hole 11H so that the anode catalyst layer 13 of the anode AN and the seal member 140 overlap each other.

ここで、電気化学式水素ポンプ100を構成する各部材(以下、構成部材)を積層方向に締結する際、かかる締結力によって、構成部材間におけるシール部材140を上記積層方向に押し潰すことで、シール部材140とこれらの構成部材間との間におけるガスシール性が発揮される。このため、シール部材140と接触する構成部材に対して、シール部材140のガスシール性を発揮するための反力(弾性力)が、上記積層方向に作用する。 Here, when each member constituting the electrochemical hydrogen pump 100 (hereinafter referred to as a constituent member) is fastened in the stacking direction, the sealing member 140 between the constituent members is crushed in the stacking direction by the fastening force, thereby forming a seal. A gas sealing property is exhibited between the member 140 and between these constituent members. Therefore, a reaction force (elastic force) for exhibiting the gas sealing performance of the seal member 140 acts on the constituent members in contact with the seal member 140 in the stacking direction.

すると、平面視において、アノードANのアノード触媒層13とシール部材140とが重畳するように配置されている場合、アノードANのアノード触媒層13が、シール部材140の反力によってダメージを受ける可能性がある。 Then, when the anode catalyst layer 13 of the anode AN and the sealing member 140 are arranged so as to overlap each other in plan view, the anode catalyst layer 13 of the anode AN may be damaged by the reaction force of the sealing member 140 . There is

そこで、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100においては、図2Bに示す如く、シール部材140が、アノードANのアノード触媒層13上の保護シート118の第2シート部118B上に設けられている。 Therefore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, as shown in FIG. 2B, a sealing member 140 is provided on the second sheet portion 118B of the protective sheet 118 on the anode catalyst layer 13 of the anode AN.

これにより、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、平面視において、アノード触媒層13とシール部材140とが重畳するように配置されている場合であっても、シール部材140とアノード触媒層13との間に第2シート部118Bが設けられているので、第2シート部118Bによって、シール部材140の反力に起因するアノード触媒層13に対するダメージを緩和することができる。 As a result, even when the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment is arranged such that the anode catalyst layer 13 and the seal member 140 overlap each other in plan view, the seal member 140 and the anode catalyst layer 13 Since the second sheet portion 118B is provided between the .

本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、上記特徴以外は、第1実施形態または第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.

(実施例)
本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、保護シート118が、電解質膜11の貫通孔周辺のアノードANと接合されていること以外は、第2実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様である。
(Example)
The electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the second embodiment except that the protective sheet 118 is bonded to the anode AN around the through-hole of the electrolyte membrane 11.

なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ100においては、保護シート118とアノードANのアノード触媒層13とが一体的に接合されていてもよい。 In addition, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the protective sheet 118 and the anode catalyst layer 13 of the anode AN may be integrally bonded.

仮に、保護シート118が電解質膜11の貫通孔周辺のアノードANと接合されていない場合、カソードCAから流出した圧縮水素が、電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むように両者間の隙間を介してアノードANに流入する可能性がある。 If the protective sheet 118 were not bonded to the anode AN around the through-hole of the electrolyte membrane 11, the compressed hydrogen flowing out from the cathode CA would flow around the through-hole of the electrolyte membrane 11 through the gap between them. can flow into the anode AN.

しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、保護シート118およびアノードAN間の接合によって両者間の隙間が少なくなるので、カソードCAから流出した圧縮水素が電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むようにアノードANに流入する可能性を低減することができる。 However, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the bonding between the protective sheet 118 and the anode AN reduces the gap between them, so that the compressed hydrogen flowing out from the cathode CA flows around the through-holes of the electrolyte membrane 11. can reduce the possibility of flowing into the anode AN.

本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、上記特徴以外は、第2実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様であってもよい。 The electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment may be the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the second 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、以下に説明する保護シート19が設けられていること以外は、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)
The electrochemical hydrogen pump 100 of the third embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment, except that a protective sheet 19 described below is provided.

図3Aは、第3実施形態の電気化学式水素ポンプの一例を示す図である。図3Bは、図3Aの電気化学式水素ポンプのB部の拡大図である。 FIG. 3A is a diagram showing an example of the electrochemical hydrogen pump of the third embodiment. 3B is an enlarged view of section B of the electrochemical hydrogen pump of FIG. 3A.

保護シート19は、貫通孔周辺のカソードCAから貫通孔11Hの一部までを覆う部材である。保護シート19は、樹脂で構成されていてもよいが、これに限定されない。かかる樹脂として、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)などを挙げることができる。保護シート19が、本開示の「第2の保護シート」に相当する。 The protective sheet 19 is a member that covers from the cathode CA around the through hole to a part of the through hole 11H. The protective sheet 19 may be made of resin, but is not limited to this. Examples of such resin include polyethylene naphthalate (PEN). The protective sheet 19 corresponds to the "second protective sheet" of the present disclosure.

図3Aおよび図3Bに示す例では、保護シート19は、第1シート部19Aと第2シート部19Bとを備える。ここで、保護シート19の第1シート部19Aが、本開示の「貫通孔11Hの一部を覆う保護シート」に相当する。 In the example shown in FIGS. 3A and 3B, the protective sheet 19 includes a first sheet portion 19A and a second sheet portion 19B. Here, the first sheet portion 19A of the protective sheet 19 corresponds to "a protective sheet that partially covers the through holes 11H" of the present disclosure.

本例では、保護シート19の第1シート部19Aによって、貫通孔11Hの一部が覆われており、第1シート部19Aが、カソードセパレーター16および保護シート18の第1シート部18Aによって厚み方向に挟持されている。つまり、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100においては、保護シート18の第1シート部19Aと保護シート19の第1シート部19Aは、貫通孔11Hの一部を覆う領域において接合されている。 In this example, the first sheet portion 19A of the protective sheet 19 partially covers the through hole 11H, and the first sheet portion 19A is formed by the cathode separator 16 and the first sheet portion 18A of the protective sheet 18 in the thickness direction. is sandwiched between That is, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the first sheet portion 19A of the protective sheet 18 and the first sheet portion 19A of the protective sheet 19 are joined together in a region that partially covers the through hole 11H.

また、保護シート19の第2シート部19Bは、カソード触媒層12と面接触しており、これにより、第2シート部19Bが、カソードセパレーター16およびカソード触媒層12によって厚み方向に挟持されている。 In addition, the second sheet portion 19B of the protective sheet 19 is in surface contact with the cathode catalyst layer 12, whereby the second sheet portion 19B is sandwiched between the cathode separator 16 and the cathode catalyst layer 12 in the thickness direction. .

以上により、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、カソードCAから流出した圧縮水素が、電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むようにアノードANに流入することが、保護シート18のみの場合に比べて、より抑制される。 As described above, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the compressed hydrogen flowing out from the cathode CA flows into the anode AN around the through holes of the electrolyte membrane 11, compared to the case where only the protective sheet 18 is used. more constrained.

また、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、保護シート19によって、シール部材40の反力に起因するカソード触媒層12に対するダメージを緩和することができる。 In addition, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the protection sheet 19 can reduce damage to the cathode catalyst layer 12 caused by the reaction force of the seal member 40 .

さらに、本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、第1シート部19Aと第1シート部19Aが、貫通孔11Hの一部を覆う領域において接合されているので、両者が接合されていない場合に比べて、カソードガス導出マニホールド50内の圧縮水素がアノードANに流入することが抑制される。 Furthermore, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the first sheet portion 19A and the first sheet portion 19A are joined in a region covering a portion of the through hole 11H. In comparison, the compressed hydrogen in the cathode gas outlet manifold 50 is suppressed from flowing into the anode AN.

本実施形態の電気化学式水素ポンプ100は、上記特徴以外は、第1実施形態、第1実施形態の実施例、第2実施形態および第2実施形態の実施例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。例えば、本実施形態において、シール部材40は、第2実施形態の如く、保護シート18の第2シート部18B上に設けられていてもよい。 The electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment is the electrochemical hydrogen pump 100 of any one of the first embodiment, the example of the first embodiment, the second embodiment, and the example of the second embodiment, except for the above features. may be similar to For example, in this embodiment, the sealing member 40 may be provided on the second sheet portion 18B of the protective sheet 18 as in the second embodiment.

(実施例)
本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、保護シート19が、電解質膜11の貫通孔周辺のカソードCAと接合されていること以外は、第1実施形態の電気化学式水素ポンプ100と同様である。
(Example)
The electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment is the same as the electrochemical hydrogen pump 100 of the first embodiment except that the protective sheet 19 is bonded to the cathode CA around the through-hole of the electrolyte membrane 11.

なお、本実施例の電気化学式水素ポンプ100においては、保護シート19とカソードCAのカソード触媒層12とが一体的に接合されていてもよい。 In addition, in the electrochemical hydrogen pump 100 of this embodiment, the protective sheet 19 and the cathode catalyst layer 12 of the cathode CA may be integrally bonded.

仮に、保護シート19が電解質膜11の貫通孔周辺のカソードCAと接合されていない場合、カソードCAから流出した圧縮水素が、電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むように両者間の隙間を介してアノードANに流入する可能性がある。 If the protective sheet 19 were not bonded to the cathode CA around the through-hole of the electrolyte membrane 11, the compressed hydrogen flowing out from the cathode CA would flow around the through-hole of the electrolyte membrane 11 through the gap between them. can flow into the anode AN.

しかし、本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、保護シート19およびカソードCA間の接合によって両者間の隙間が少なくなるので、カソードCAから流出した圧縮水素が電解質膜11の貫通孔周辺を回り込むようにアノードANに流入する可能性を低減することができる。 However, in the electrochemical hydrogen pump 100 of the present embodiment, the bonding between the protective sheet 19 and the cathode CA reduces the gap between them, so that the compressed hydrogen flowing out from the cathode CA flows around the through-holes of the electrolyte membrane 11. can reduce the possibility of flowing into the anode AN.

本実施例の電気化学式水素ポンプ100は、上記特徴以外は、第3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 third embodiment except for the features described above.

第1実施形態、第1実施形態の第1実施例、第2実施形態、第2実施形態の実施例、第3実施形態および第3実施形態の実施例は、互いに相手を排除しない限り、互いに組み合わせても構わない。 The first embodiment, the first example of the first embodiment, the second embodiment, the example of the second embodiment, the third embodiment, and the example of the third embodiment are mutually exclusive unless they exclude each other. You can combine them.

また、上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良および他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および/または機能の詳細を実質的に変更することができる。例えば、本開示は、水電解装置などの他の圧縮装置にも適用することができる。 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 above description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the disclosure. Details of its structure and/or function may be changed substantially without departing from the spirit of the disclosure. For example, the present disclosure may also be applied to other compression devices such as water electrolysis devices.

本開示の一態様は、カソードから流出した圧縮水素が、電解質膜の貫通孔周辺を回り込んでアノードに流入することを適切に抑制し得る圧縮装置に利用することができる。 One aspect of the present disclosure can be applied to a compression device that can appropriately prevent compressed hydrogen that has flowed out of a cathode from flowing around through-holes in an electrolyte membrane and flowing into an anode.

11 :電解質膜
11H :貫通孔
12 :カソード触媒層
13 :アノード触媒層
14 :カソードガス拡散層
15 :アノードガス拡散層
16 :カソードセパレーター
17 :アノードセパレーター
18 :保護シート
18A :第1シート部
18B :第2シート部
19 :保護シート
19A :第1シート部
19B :第2シート部
21 :絶縁体
22A :アノード集電板
22C :カソード集電板
23A :アノード絶縁板
23C :カソード絶縁板
24A :アノード端板
24C :カソード端板
25 :締結器
26 :カソードガス導出経路
29 :アノードガス導入経路
31 :アノードガス導出経路
32 :カソードガス通過経路
33 :アノードガス流路
40 :シール部材
41 :シール部材
50 :カソードガス導出マニホールド
100 :電気化学式水素ポンプ
100A :水素ポンプユニット
100B :電気化学セル
102 :電圧印加器
118 :保護シート
118A :第1シート部
118B :第2シート部
140 :シール部材
AN :アノード
CA :カソード
11: Electrolyte membrane 11H: Through holes 12: Cathode catalyst layer 13: Anode catalyst layer 14: Cathode gas diffusion layer 15: Anode gas diffusion layer 16: Cathode separator 17: Anode separator 18: Protective sheet 18A: First sheet portion 18B: Second sheet portion 19: Protective sheet 19A: First sheet portion 19B: Second sheet portion 21: Insulator 22A: Anode current collector 22C: Cathode current collector 23A: Anode insulating plate 23C: Cathode insulating plate 24A: Anode end Plate 24C: Cathode end plate 25: Fastener 26: Cathode gas lead-out path 29: Anode gas lead-in path 31: Anode gas lead-out path 32: Cathode gas passage 33: Anode gas channel 40: Sealing member 41: Sealing member 50: Cathode gas outlet manifold 100: Electrochemical hydrogen pump 100A: Hydrogen pump unit 100B: Electrochemical cell 102: Voltage applicator 118: Protective sheet 118A: First sheet portion 118B: Second sheet portion 140: Seal member AN: Anode CA: cathode

Claims (6)

中央に貫通孔を有する電解質膜と、
前記電解質膜の一方の全主面上に設けられるアノードと、
前記電解質膜の他方の全主面上に設けられるカソードと、
前記アノードおよび前記カソードの間に電圧を印加する電圧印加器と、
前記電圧印加器により電圧を印加することにより前記アノードに供給されるアノード流体から取り出されたプロトンを、前記電解質膜を介して前記カソードに移動させ、圧縮水素を生成する圧縮装置であって、
前記貫通孔周辺のアノードから前記貫通孔の一部までを覆う第1の保護シートと、
前記第1の保護シート上に設けられたシール部材と、を備える圧縮装置。
an electrolyte membrane having a through hole in the center;
an anode provided on one entire major surface of the electrolyte membrane;
a cathode provided on the entire other major surface of the electrolyte membrane;
a voltage applicator that applies a voltage between the anode and the cathode;
A compression device for generating compressed hydrogen by moving protons extracted from an anode fluid supplied to the anode by applying a voltage from the voltage applicator to the cathode through the electrolyte membrane,
a first protective sheet that covers from the anode around the through hole to a part of the through hole;
and a sealing member provided on the first protective sheet.
前記シール部材が、前記アノード上の前記第1の保護シート上に設けられている、請求項1に記載の圧縮装置。 2. The compression device of claim 1, wherein said seal member is provided on said first protective sheet over said anode. 前記シール部材が、前記貫通孔の一部を覆う前記第1の保護シート上に設けられている、請求項1に記載の圧縮装置。 2. The compression device according to claim 1, wherein said seal member is provided on said first protective sheet covering a portion of said through-hole. 前記貫通孔周辺の前記カソードから前記貫通孔の一部を覆う第2の保護シートを備え、前記第1の保護シートと前記第2の保護シートは、前記貫通孔の一部を覆う領域において接合されている、請求項1―3のいずれか1項に記載の圧縮装置。 A second protective sheet covering a portion of the through hole from the cathode around the through hole is provided, and the first protective sheet and the second protective sheet are bonded in a region covering a portion of the through hole. 4. A compression device according to any one of claims 1-3, wherein a 前記第1の保護シートは、前記貫通孔周辺の前記アノードと接合されている、請求項1―4のいずれか1項に記載の圧縮装置。 5. A compression device according to any one of claims 1-4, wherein the first protective sheet is bonded to the anode around the through hole. 前記第2の保護シートは、前記貫通孔周辺の前記カソードと接合されている、請求項4に記載の圧縮装置。 5. The compression device according to claim 4, wherein said second protective sheet is joined with said cathode around said through hole.
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